嵌入式课程设计温度传感器课程设计.docx
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嵌入式课程设计温度传感器课程设计
嵌入式系统原理与应用
课程设计
—基于ARM9的温度传感器
学号：
2012180401**
班级：
**************1班
姓名：
李*
指导教师：
邱*
课程设计任务书
班级:
*************
姓名：
*****
设计周数:
1学分:
2
指导教师:
邱选兵
设计题目:
基于ARM9的温度传感器
设计目的及要求:
目的：
1.熟悉手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理。
2.基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊接。
熟悉电子产品的安装工艺的生产流程。
3.熟悉印制电路板设计的步骤和方法，熟悉手工制作印制电板的工艺流程，能够根据电路原理图，元器件实物设计并制作印制电路板。
4.熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查阅有关的电子器件图书。
5.能够正确识别和选用常用的电子器件，并且能够熟练使用普通万用表和数字万用表。
6.掌握和运用单片机的基本内部结构、功能部件、接口技术以及应用技术。
7.各种外围器件和传感器的应用；
8.了解电子产品的焊接、调试与维修方法。
要求：
1.学生都掌握、单片机的内部结构、功能部件，接口技术等技能；
2.根据题目进行调研，确定实施方案，购买元件，并绘制原理图，焊接电路板，调试程序；
3.焊接和写汇编程序及调试，提交课程设计系统（包括硬件和软件）；.
4.完成课程设计报告
设计内容和方法:
使用温度传感器PT1000，直接感应外部的温度变化。
使用恒流源电路，保证通过PT1000的电流相等，根据PT1000的工作原理与对应关系，得到温度与电阻的关系，将得到的电压放大20倍。
结合ARM9与LCD，将得到的参量显示在液晶屏上。
第一章绪论
温度是表征物体冷热程度的物理量、是自然界中和人类打交道最多的两个物理参数，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。
温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。
由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%。
温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。
不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。
温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：
膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。
随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。
铂电阻温度传感器是用来测量空气、土壤和水的温度传感器。
该传感器由精密级铂热电阻元件和经特殊工艺处理的防护套组成，并用四芯屏蔽信号电缆线从敏感元件引出用于测量，通常可以采用四线测量法测量，以减少导线电阻引起的测量误差。
本次实验使用PT1000铂热电阻直接感应外部环境的温度，PT1000根据温度与电阻的对应关系，通过STM32单片机对数据进行AD转换并且在LCD上显示数据。
第2章系统总体结构
2.1硬件框图
本次实验包括的温度传感器主要由两个模块组成：
数据采集模块和数据处理模块（硬件框图如图1）。
数据采集模块由恒流源电路和放大电路组成，采集到与温度有对应关系的电压值。
数据处理模块将数据模块的输出作为输入，使用STM32的AD转换，将数据转换为数字量显示在LCD上。
恒流源（0.3mA）
放大器（5倍）
STM32（ARM9）
AD转换
LCD显示
数据采集模块
数据处理模块
图1：
传感器硬件框图
数据采集
2.2器件选用
在本次设计中，数据采集模块采用了PT1000铂热电阻、稳压二极管、电阻若干、以及运放四大类器件。
数据处理模块使用了STM32单片机和LCD显示屏2大部分。
本次设计的实物图见附录一。
第3章硬件结构
3.1数据采集模块
数据采集模块主要负责采集温度的信息，根据温度为与电阻的对应关系，通过恒流源电路图，转化成温度与电压的关系。
最后经过放大器，将得到的电压值进行放大，作为数据处理模块的输入值。
电路图如图2所示：
（实物图见附录一）。
图2数据采集模块电路图
3.11PT1000铂热电阻
设计原理
pt1000是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的1000即表示它在0℃时阻值为1000欧姆，在300℃时它的阻值约为2120.515欧姆。
它的工业原理：
当PT1000在0摄氏度的时候他的阻值为1000欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。
电阻与温度的关系：
应用范围
医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛。
技术参数
输入响应时间（模块内数据更新率）为1秒同步测量
1路隔离的485,MODBUSRTU通讯协议
采用RS－485二线制输出接口时，具有+15kV的ESD保护功能
速率（bps）可在1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200中选择
精度等级：
0.2级
供电电源：
+7.5～30V
功耗小于0．1W
主机工作温度范围为－40℃～+85℃
测量范围为－200℃～+200℃
存贮条件为－40℃～+85℃（RH：
5%～95%不结露）
铂电阻RT曲线图表
PT1000分度表
3.12稳压二极管IN4728
工作原理
稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。
但是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，称为击穿，在这一临界击穿点上，反向电阻骤然降至很小值。
尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能。
特性曲线
特性参数
1.Uz—稳定电压：
指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。
该值随工作电流和温度的不同而略有改变。
由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。
2.Iz—额定电流：
指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值。
低于此值时，稳压管虽并非不能稳压，但稳压效果会变差;高于此值时，只要不超过额定功率损耗，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但要多消耗电能。
3.Rz—动态电阻：
指稳压管两端电压变化与电流变化的比值。
该比值随工作电流的不同而改变，一般是工作电流愈大，动态电阻则愈小。
4.Pz—额定功耗：
由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积。
3.13LM324
LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
应用
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
3.2数据处理模块
本模块将数据采集模块的输出作为输入，STM32将输入值的模拟量转化为数字量，显示在LCD上。
实物图见附录二：
电路图见附录三：
3.21STM32
开发板资源：
◆CPU：
STM32F103RCT6，LQFP64，FLASH:
256K，SRAM：
48K；
◆1个标准的JTAG/SWD调试下载口
◆1个电源指示灯（蓝色）
◆2个状态指示灯（DS0：
红色，DS1：
绿色）
◆1个红外接收头，配备一款小巧的红外遥控器
◆1个IIC接口的EEPROM芯片，24C02，容量256字节
◆1个SPIFLASH芯片，W25Q64，容量为8M字节（即64Mbit）
◆1个DS18B20/DS1820温度传感器预留接口
◆1个标准的2.4/2.8/3.5/4.3/7寸LCD接口，支持触摸屏
◆1个OLED模块接口（与LCD接口部分共用）
◆1个USB串口接口，可用于程序下载和代码调试
◆1个USBSLAVE接口，用于USB通信
◆1个SD卡接口
◆1个PS/2接口，可外接鼠标、键盘
◆1组5V电源供应/接入
◆1组3.3V电源供应/接入口
◆1个启动模式选择配置接口
◆1个2.4G无线通信接口
◆1个RTC后备电池座，并带电池
◆1个复位按钮，可用于复位MCU和LCD
◆3个功能按钮，其中WK_UP兼具唤醒功能
◆1个电源开关，控制整个板的电源
◆3.3V与5V电源TVS保护，有效防止烧坏芯片。
◆独创的一键下载功能
◆除晶振占用的IO口外，其余所有IO口全部引出，其中GPIOA和GPIOB按顺序引。
特点
1）小巧。
整个板子尺寸为8cm*10cm*2cm（包括液晶，但不计算铜柱的高度）。
2）灵活。
板上除晶振外的所有的IO口全部引出，特别还有GPIOA和GPIOB的IO口是按顺序引出的，可以极大的方便大家扩展及使用，另外板载独特的一键下载功能，避免了频繁设置B0、B1带来的麻烦，直接在电脑上一键下载。
3）资源丰富。
板载十多种外设及接口，可以充分挖掘STM32的潜质。
4）质量过硬。
沉金PCB+全新优质元器件+定制全铜镀金排针/排座+电源TVS保护，坚若磐石。
5）人性化设计。
各个接口都有丝印标注，使用起来一目了然；接口位置设计安排合理，方便顺手。
资源搭配合理，物尽其用。
3.22TFT-LCD
TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。
其英文全称为：
ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay。
TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。
TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器。
特点：
1，2.4’/2.8’/3.5’/4.3’/7’5种大小的屏幕可选。
2，320×240的分辨率（3.5’分辨率为:
320*480，4.3’和7’分辨率为：
800*480）。
3，16位真彩显示。
4，自带触摸屏，可以用来作为控制输入。
流程：
3.23ADC控制寄存器
ADC_CR1的各位描述
ADC_CR1的SCAN位，该位用于设置扫描模式，由软件设置和清除，如果设置为1，则使用扫描模式，如果为0，则关闭扫描模式。
在扫描模式下，由ADC_SQRx或ADC_JSQRx寄存器选中的通道被转换。
如果设置了EOCIE或JEOCIE，只在最后一个通道转换完毕后才会产生EOC或JEOC中断。
AD转换，其详细设置步骤如下：
开启PA口时钟，设置PA1为模拟输入。
STM32F103RCT6的ADC通道1在PA1上，所以，我们先要使能PORTA的时钟，然后设置PA1为模拟输入。
2）使能ADC1时钟，并设置分频因子。
要使用ADC1，第一步就是要使能ADC1的时钟，在使能完时钟之后，进行一次ADC1的复位。
接着我们就可以通过RCC_CFGR设置ADC1的分频因子。
分频因子要确保ADC1的时钟（ADCCLK）不要超过14Mhz。
3）设置ADC1的工作模式。
在设置完分频因子之后，我们就可以开始ADC1的模式配置了，设置单次转换模式、触发方式选择、数据对齐方式等都在这一步实现。
4）设置ADC1规则序列的相关信息。
接下来我们要设置规则序列的相关信息，我们这里只有一个通道，并且是单次转换的，所以设置规则序列中通道数为1（ADC_SQR1[23:
20]=0000），然后设置通道1的采样周期（通过ADC_SMPR2[5:
3]设置）
5）开启AD转换器，并校准。
在设置完了以上信息后，我们就开启AD转换器，执行复位校准和AD校准，注意这两步是必须的！
不校准将导致结果很不准确。
读取ADC值。
在上面的校准完成之后，ADC就算准备好了。
接下来我们要做的就是设置规则序列1里面的通道（通过ADC_SQR3[4:
0]设置），然后启动ADC转换。
在转换结束后，读取ADC1_DR里面的值就是了。
ADC的操作模式
第4章软件结构
本次设计的程序如下所示：
#include"stm32f10x.h"
#include"stdio.h"
#include"chinese.h"
#include"adc.h"
#include"lcd.h"
#include"usart.h"
#include"delay.h"
uint32_tsum=0;
uint16_tvaul=0;
//初始化
voidRCC_Configuration（）
{SystemInit（）;RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE）;
RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM3|RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE）;
}
voidGPIO_Configuration（）
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init（GPIOA,&GPIO_InitStructure）;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init（GPIOA,&GPIO_InitStructure）;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init（GPIOD,&GPIO_InitStructure）;
}
//定时器初始化
voidTIM2_configuration（）
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_DeInit（TIM2）;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=2000;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=0;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=0;
TIM_TimeBaseInit（TIM2,&TIM_TimeBaseInitStruct）;
TIM_PrescalerConfig（TIM2,7199,TIM_PSCReloadMode_Immediate）;
TIM_ITConfig（TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE）;
TIM_Cmd（TIM2,ENABLE）;
}
voidTIM3_configuration（）
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_DeInit（TIM3）;
TIM_ETRClockMode2Config（TIM3,TIM_ExtTRGPSC_OFF,TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted,0x00）;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=65535;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=0;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=0;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit（TIM3,&TIM_TimeBaseInitStruct）;
}
voidNVIC_configuration（）//中断初始化
{
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStruct;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=TIM2_IRQn;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
NVIC_Init（&NVIC_InitStruct）;
NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_0）;
}
intmain（void）//主函数
{
u16adcx,adcy,i=0;
floattemp,temperate;
floaty,y1;
RCC_Configuration（）;
delay_init（72）;
GPIO_Configuration（）;
NVIC_configuration（）;
TIM2_configuration（）;
TIM3_configuration（）;
TIM_Cmd（TIM2,ENABLE）;
TIM_Cmd（TIM3,ENABLE）;
uart_init（9600）;
LCD_Init（）;
Adc_Init（）;
POINT_COLOR=RED;
LCD_Clear（WHITE）;
TEST_FONT（）;
LCD_ShowString（130,60,"00.0"）;
LCD_ShowString（130,150,"00.00%"）;
while
（1）
{
POINT_COLOR=BLUE;
adcy=Get_Adc（ADC_Channel_0）;
i++;
sum+=adcy;
if（i==99）
{
i=0;
adcx=sum/100;
sum=0;
temp=（float）adcx/28.76;
temperate=temp;
temp-=（u8）temp;
LCD_ShowNum（130,60,（u8）temperate,2,16）;
temperate-=（u8）temperate;
LCD_ShowNum（154,60,temperate*100,2,16）;
}
y=（float）（487.5-vaul*5/44）;
y1=y;
y-=（u8）y;
LCD_ShowNum（130,150,（u8）y1,2,16）;
y1-=（u8）y1;
LCD_ShowNum（154,150,y1*100,2,16）;
}
}
voidTIM2_IRQHandler（）
{
TIM_Cmd（TIM2,DISABLE）;
vaul=TIM_GetCounter（TIM3）;
vaul=vaul*5;
TIM_SetCounter（TIM3,0x0）;
TIM_SetCounter（TIM2,0x0）;
TIM_ClearITPendingBit（TIM2,TIM_IT_Update）;
TIM_Cmd（TIM2,ENABLE）;
}
第5章总结
1、可实现的功能
可实时检测空气中的温度，并且将温度的值显示在LCD上。
方便人随时观看现在的温度。
适用于生产实验场所，居住休闲场所等地方。
2、存在的问题
由于电阻也有随温度变化而变化的特性，导致温度传感器的精度不高；
STM32的采样周期较短，得到的数据实际应用不高；
LCD显示不稳定。
3、收获
通过此次课程设计，很好的将温度传感器和ARM9联系在一起使用。
了解了STM32芯片的使用方式、AD转换的指令、PT1000的工作原理以及LM324集成运放芯片的应用。
将理论知识运用到实物的操作中，提高了动手能力和思维逻辑能力。
只有谨慎的思考和制作，才能完成任务。
本次使用的器件可以应用在生活中的各个方面。
例如：
医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等各个领域。
第六章参考文献
【1】常华等，嵌入式系统原理与应用，北京：
清华大学出版社，2013
【2】滕英岩，嵌入式系统开发基础—基于ARM微处理器和linux操作系统，北京：
电子工业出版社，2008
【3】黄智伟等，ARM微控制器应用设计与实践，北京：
北京航空航天大学出版社，2012
【4】戴蓉等，传感器原理与工程应用，北京：
电子工业出版社，2013
【5】宿元斌，集成温度控制器及其应用，中国仪器仪表，2006
【6】
附录一
原理图
实物图
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