嵌入式温度监测与报警系统设计毕业设计论文.docx
《嵌入式温度监测与报警系统设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式温度监测与报警系统设计毕业设计论文.docx（65页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
嵌入式温度监测与报警系统设计毕业设计论文
毕业设计（论文）
题目:
嵌入式温度监测与报警系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
摘要
本设计采用了ARMCOTEX—M3系列芯片STM32F103RCT6为主控芯片，对DS18B20温度传感器进行控制，实现温度采集功能，并在TFTLCD液晶显示屏上显示实时温度。
软件采用μC/OS-Ⅱ嵌入式实时内核与μC/GUI图形界面库来实现多任务管理和UI界面的功能。
利用μC/GUI设计一个具有显示实时温度折线图和控制窗口的UI界面，从而减少按键数量。
同时调用μC/OS-Ⅱ嵌入式实时内核实现多任务管理和利用μC/GUI实现对触摸按键的设置，通过TFTLCD触摸屏上设置的按键进行温度采集的控制。
通过利用软件模拟按键从而简化了系统的软硬件设计，更便于使用人员进行控制操作，同时提高了系统的可维护性和可操作性，达到了节约成本和具有更高效率的目的。
关键词：
微控制器；TFTLCD，DS18B20；温度监测；嵌入式
Abstract
SystemusesARMCOTEX-M3chipsSTM32F103RCT6asmaincontrollerthatcontrolsthetemperaturesensorDS18B20toachievetemperatureacquisitionfunction,anddisplaysreal-timetemperatureontheTFTLCDscreen. ThesoftwareusestheμC/OS-Ⅱembeddedreal-timekernelandμC/GUIgraphicalinterfacelibrarytoimplementthemultipletaskmanagementandUIinterfacefunctions.UsingtheμC/GUIdesignainterfacewhichdisplayareal-timelinegraphoftemperatureandcontrolwindow’sUItoreducethenumberofbuttons.Atthesametime,callingtheμC/OS-ⅡsystemmanagethemultipletaskandusingμC/GUIimplementsettingsoftouch-key.UsingtheTFTLCDtouchscreenbuttonscontrolthetemperatureacquisition.Byusingsimulationkeystosimplifythedesignofsystemhardwareandsoftware,moreeasiertooperatortocontroltheoperation.Meanwhileitcanimprovethemaintainabilityofthesystemandoperability,andachievethepurposeofsavingcostandhigherefficiency.
Keywords:
Microcontroller;TFTLCD,DS18B20;Temperaturemonitoring;Embedded
第1章绪论
1.1课题设计背景及意义
当今现代化建设和国民经济发展迅速。
社会对生产环境和生活环境意识的要求也越来越高。
人们的日常生活和周围环境的温湿度息息相关，石油、化工、航天、制药、档案保管、粮食存储等领域对温度也有着较高的要求。
现在智能手机，可穿戴设备，轻型医疗产品广泛的进入了人们的生活。
其中尤其以苹果公司的产品广为人们喜爱，其产品的主要优点是其用户体验和美观的UI界面更甚于其它品牌。
随着单片机价格的降低与普及，可见现在的电子产品朝着系统集成方向快速发展。
嵌入式温度产品在家庭安全、农业大棚、工业监控等方面越来越广泛。
基于单片机的温度监控系统较传统温度控制系统具有更大的灵活性以及易于扩展功能，是一种低成本、可操作的产品。
本次设计采用STM32系列ARM产品与各种外围电路构成嵌入式温度监测与报警系统，实现对温度的实时监测、温度曲线图显示、温度报警。
通过本次设计掌握温度检测系统的硬件设计，学习了解STM32芯片使用、触摸屏驱等软件编写方法。
熟悉基于μC/OS-Ⅱ嵌入式内核编程，以及μC/GUI图形库编程。
熟练使用AltiumDesigner6.9软件进行PCB布局与布线，熟悉PCB板的制作。
通过课题深入学习相关知识，并巩固所学知识，并熟练综合运用所学知识解决问题，锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。
1.2行业技术发展概况
1600年，伽利略研制出气体温度计，一百年后，出现了酒精温度计和水银温度计。
随着现代工业发展的需要，相继研制出金属丝电阻、温差电动式元件、双金属式温度传感器。
1950年以后，研制了半导体热敏电阻器。
最近随着原材料、加工技术的飞速发展，又相继研制出各种温度传感器。
常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式，需要金属导线传输信号，绝缘性能不能保证。
但随着技术发展测温技术日趋多元化，温度检测单元朝着集成与数字化方向发展。
国外行业发展比国内早，技术更成熟。
国外对温湿度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪器，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在世界各国的温湿度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
几种温度测量技术分类如下：
（1）薄膜温度传感器
薄膜温度传感器是一种新型的测温传感器，工作原理与普通热电阻，热电偶相同，但它的热接点厚度一般只有几微米。
薄膜温度传感器由于具有体积小、响应时间短、灵敏度高、便于集成等特点，适于测量物体随时间快速变化的温度。
（2）光纤测温技术
光纤测温技术是在近十多年才发展起来的新技术，目前，这一技术仍处于研 究发展和逐步推广实用的阶段。
在某些传统方法难以解决的测温场合，已逐渐 显露出它的某些优异特性。
但是，正像其他许多新技术一样，光纤测温技术并不 能用来全面代替传统方法，它仅是对传统测温方法的补充。
（3）辐射测温技术
辐射温度计具有无测量上限,响应速度快,以及不接触被测对象因而不影响被测温场等特点。
近年来,随着电子技术的飞速发展、半导体材料的进步及计算机技术的发展与应用,辐射测温技术得到长足的进步和发展。
辐射测温仪器的制造水平、性能指标也有了显著提高,在工业生产、制造行业和科学研究中应用也越来越广泛。
（4）电量式测温
电量式测温方法主要利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。
以上测量技术是当前应用较为广泛的技术。
在过去的几年里传统的温度监测方式正在被智能化、自动化、无纸化、网络化的温度监测系统所取代，在可以预见，在未来几年里，我国大部分企业将转变温湿度监测方式，统一装配智能化的温度监测系统。
采用当代传感器技术、自动化测控技术、数字通信技术、计算机应用技术等多学科地综合应用，将需要监测的若干个区域内的环境温度进行自动测量、并将其数据24小时不间断地通讯无线的方式传输给监控计算机，实现对各区数据的分区管理，如查看实时数据、软件报警、现场声光报警、数据记录、存储及数据导出及永久保存等，并结合现场的相关温湿度调控设备实现对现场温湿度的监测与自动控制，从而实现了温湿度监测的智能化、自动化、系统化和网络化，为各行业温度监测提供全面、实用的系统解决方案。
1.3课题设计的主要内容
本课题以温度监控与报警为主要研究对象，使用意法半导体公司的STM32F103RCT6处理器为主控制器芯片，基于由Micrium公司提供的μC/OS-II嵌入式内核设计管理多个任务，利用SEGGER提供的μC/GUI图形界面库开发人机交互界面，并整合软硬件形成整体解决方案。
主要工作如下：
（1）对系统功能进行了简单介绍，并详细介绍了意法半导体公司的以Cortex-M3为内核的STM32F103RCT6处理器芯片。
（2）对DS18B20芯片功能和使用方法进行了详细的介绍，并介绍了LCD集成触摸显示屏的基本特性和使用流程。
（3）硬件设计方面制定了以STM32F103RCT6为核心处理器并以DS18b20和LCD为外围电路的整体方案。
整体方案包括电源模块、调试模块、显示模块、报警模块等部分。
（4）软件方面介绍了μC/OS-II操作系统特性和μC/GUI库的主要API函数以及设计的三个主要核心函数功能和原理。
并编写了DS18b20的驱动函数和设计了LCD人机界面。
第2章温度监测与报警系统总体设计
2.1系统基本框图
硬件系统框图如下图2.1所示，该系统主要由单片机STM32F103RCT6及外围电路，LCD显示电路，DS18B20传感器电路，蜂鸣器报警电路以及按键电路四部分构成。
DS18B20传感器是一个数字集成器件，不需要再添加AD转换电路，该传感器用来检测环境温度，LCD电路部分具有检测触摸输入和显示功能，蜂鸣器是由处理器驱动的报警装置，对超出范围的温度值进行报警提示，按键电路是防止系统死机而设计的快速复位按键，而处理器是将采集的温度值送到LCD显示部分进行显示，并判断当前温度是否需要报警，还需要监控触摸输入的坐标以响应对应的操作。
图2.1系统结构框图
2.2硬系统工作原理图及工作原理
2.2.1系统工作原理图
系统原理图包括单片机控制电路，TFTLCD各个模块原理图见附录1。
2.2.2系统工作原理
系统在开机后，需要通过触摸屏设置报警值，初始报警最大值是123.7℃，最小值是-52.8℃，使用者需要根据具体情况设置报警范围。
系统上电后每隔两秒便会读取一次DS18B20传感器的值，DS18B20返回两个字节的数据，然后单片机对返回的数据进行调整，得到正确的值并保存到全局数组中，全局数组设计成了一个循环数组，当超过数据范围后新的值便会覆盖旧的值。
当检测到触摸屏star按钮按下后，单片机便会将全局数组中十个数据以折线图的形式显示到显示屏上，同时还将当前温度值显示在右上角，每两秒更新一次，保持与读取温度频率相同。
同时还需要判断当前温度值是否超出设定的温度范围。
如果超过温度范围，控制器便打开蜂鸣器报警。
2.3硬件元件介绍
2.3.1STM32F103RCT6介绍
STM32F103RCT6是意法半导体公司推出的一款32位单片机，最高72MHz工作频率，1.25DMips/MHz，单周期乘法运算和硬件除法，通用增强型。
其他功能还包括：
256KB的Flash，最多20KBSRAM，以CPU时钟速度存取（读/写），零等待状态；工作温度范围：
-40-85℃；4件选择可变静态存储控制器，支持Flash，SRAM，PSRAM，NOR和NAND存储器；LCD并行接口，支持英特尔8080和摩托罗拉6800模式；支持三种低功耗模式：
睡眠模式，停止模式，待机模式。
多达11个定时器，四个16位定时器，2个16位的电机控制PWM定时器，2个看门狗定时器（两个独立窗口型）；系统时间定时器，24位的递减计数器，两个用来驱动DAC的16位基本定时器。
STM32F103RCT6引脚排列如图2.2所示。
图2.2STM32F103RCT6A部分与B部分封装引脚图
2.3.2DS18B20介绍
DS18B20的核心功能是它的直接读取数字的温度传感器检测的值存储到温度寄存器中，温度寄存器格式如表2.2所示。
温度传感器的精度为用户可编程的9，10，11或12位，每一位对应的的精度分别是0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。
在上电状态下默认的精度为12位。
DS18B20引脚功能如表2.1所示。
表2.1已经给出了引脚说明。
表2.1DS18B20引脚说明
T0-9封装
符号
说明
1
GND
接地
2
DQ
数据输入/输出引脚。
对于单线操作：
漏极开路。
当工作在寄生电源模式时
用来提供电源
3
VDD
可选的VDD引脚。
工作与寄生电源模
式时VDD必须接地。
2.3.3TFT-LCD介绍
TFT-LCD模块自带一个触摸检测芯片和一个显示驱动芯片，引脚排列图如图2.3所示。
开发板模块的触摸屏触摸检测控制芯片为XPT2046。
XPT2046是一款4导线制触摸屏控制器，内含12位分辨率125KHz转换速率逐次逼近型A/D转换器。
XPT2046支持从1.5V到5.25V的低电压I/O接口。
XPT2046通过连续执行两次A/D转换，一次X方向一次Y方向触摸检测查出被按的屏幕坐标值。
图2.3TFT_LCD引脚图
ILI9341液晶控制器自带显存，其显存总大小为172800（240*320*18/8），即18位模式（26万色）下的显存量。
在16位模式下，ILI9341采用RGB565格式存储颜色数据，此时ILI9341的18位数据线与MCU的16位数据线以及LCDGRAM的对应关系如表2.2所示。
表2.216位数据与显存对应关系表
9341总线
D17
D16
D15
D14
D13
D12
D11
D10
D9
D8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
MCU数据
D15
D14
D13
D12
D11
N
C
D10
D9
D8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
NC
LCDGRAM
R4
R3
R2
R1
R0
NC
G5
G4
G3
G2
G1
G0
B4
B3
B2
B1
B0
NC
2.3.4蜂鸣器介绍
蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。
蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
此次设计使用的蜂鸣器是电磁式的有源蜂鸣器，这里的有源不是指电源的源，而是指有没有自带震荡电路，有源蜂鸣器自带了震荡电路，一通电就会发声；无源蜂鸣器则没有自带震荡电路，必须外部提供2~5Khz左右的方波驱动，才能发声。
第3章温度监测与报警系统硬件设计
3.1硬件接口框图
整个系统硬件接口图如图3.1所示。
STM32F103RCT6的PC6与LCD的读数据线相连，PC7与LCD写数据线相连，PC8与LCD数据与命令控制位相连，PC9与LCD片选信号相连，16位PB口与LCD双向数据接口相连。
控制器PA2接口驱动蜂鸣器，PA0接口与温度传感器芯片DQ口相连。
JTAG接口引出作为程序下载和调试接口。
图3.1系统硬件接口
3.2MCU设计
控制器原理图如图3.2所示。
PA0连接DS18B20的单信号线上，由PA0模拟产生DS18B20的复位脉冲、应答脉冲、写时序以及读时序。
PA2与蜂鸣器相连，由于蜂鸣器是有源蜂鸣器，自带震荡电路。
所以PA2并不需要再产生一个周期脉冲来驱动蜂鸣器，只需要输出高电平将打开蜂鸣器否则关闭。
Y1是一个32.768KHZ的晶振，给RTC（实时时钟）提供精确定时。
STM32的实时时钟（RTC）是一个独立的定时器。
STM32的RTC模块拥有一组连续计数的计数器，在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。
修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期。
Y2是一个8MHZ晶振，经过芯片内部PLL后输出系统时钟达到72M最大频率。
PB口和PC6-PC10用作集成显示触摸屏的控制口。
图3.2mcu原理图
3.3JTAG设计
JTAG因为只有一条数据线，通信协议有必要像其他串行设备接口，如SPI一样为串行传输。
时钟由TCK引脚输入。
配置是通过TMS引脚采用一次操作一位来实现的。
通过TMS引脚的数据在TCK时钟控制下TDI和TDO引脚分别输入或者输出数据。
可以通过使用不同同的命令模式来读取芯片的序列号，对输入引脚的采样，驱动（或悬空）输出引脚，或者将TDI与TDO连通以在逻辑上短接多个芯片的链路。
TCK的时钟频率随芯片的不同而不同，但是其通常频率范围为10-100MHz。
当在集成电路中进行边界扫描时，被处理的信号是在同一块IC的不同功能模块间的，而不是不同IC之间的。
TRST引脚是一个可选则性的，相对于待测电平低电平有效的复位开关。
如果该引脚没有定义，则待测逻辑被同步时钟输入复位指令复位。
JTAG引脚如表3.1所示。
表3.1JTAG接口说明
引脚
端口名
功能
1
TDI
测试数据输入
2
TDO
测试数据输出
3
TCK
测试时钟
4
TMS
测试模式选择
5
TRST
测试复位
JTAG原理图如图3.3所示。
图3.3JTAG原理图
3.4TFTLCD电路设计
本设计中我采用开发板附带的TFTLCD显示屏，该模块电路图如图3.4所示。
它内部有ILI9325控制器来驱动TFT，TFT采用四线制电阻屏，显示分辨率为320×240，接口为16位的80并口，刷屏速度快，自带触摸屏功能，可以省去部分按键电路的制作。
TFTLCD可以直接接在控制器的IO口上，TFTLCD模块采用16位的并方式与外部连接，之所以不采用8位的方式，是因为彩屏的数据量比较大，尤其在显示图片的时候，如果用8位数据线，就会比16位方式慢一倍以上，我们当然希望速度越快越好，所以我们选择16位的接口。
该模块的8080并口信号线如表3.2所示。
表3.2引脚功能
端口
功能
CS
TFTLCD片选信号
WR
向TFTLCD写入数据
RD
从TFTLCD读取数据
D[15：
0]
16位双向数据线
RST
硬复位TFTLCD
RS
命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）
图3.4TFT_LCD原理图
3.5蜂鸣器电路设计
该模块电路图如图3.5所示。
我们不能直接用STM32的IO口驱动，因为STM32的单个IO最大可以提供25mA电，而蜂鸣器的驱动电流是30mA左右，两者十分相近，但是全盘考虑，STM32整个芯片的电流，最大也就150mA，如果用IO口直接驱动蜂鸣器，其他地方电流将过小。
所以，我们不用STM32的IO直接驱动蜂鸣器，而是通过三极管Q1扩流后再驱动蜂鸣器，这样STM32的IO只需要提供不到1mA的电流就足够了。
图3.5蜂鸣器原理图
3.6DS18B20设计
DS18B20电路图如图3.6所示。
单总线系统只有一条定义的信号线。
每一个总线上的器件必须是漏极开路或三态输出。
这样的系统允许每一个挂在总线上的区间都能在适当的时间驱动它。
DS18B20的单总线端口（DQ引脚）是漏极开路式的，单总线需要一个约5KΩ的外部上拉电阻；单总线的空闲状态是高电平。
无论任何理由需要暂停某一执行过程时，如果还想恢复执行的话，总线必须停留在空闲状态。
在恢复期间，如果单总线处于非活动（高电平）状态，位与位间的恢复时间可以无限长。
如果总线停留在低电平超过480us，总线上的所有器件都将被复位。
图3.6DS18B20原理图
第4章软件设计
4.1软件简介
本设计嵌入式系统采用了μC/OS-Ⅱ图形界面采用了μC/GUI,从而实现多任务、人机友好的嵌入式产品。
嵌入式多任务操作系统μC/OS-Ⅱ是一个“实时内核”，也称为实时操作系统或RTOS。
在μC/OS-Ⅱ开发程序比在裸机上更方便，而且后期只需要对各个独立的任务进行修改维护，对整个代码改动量小。
在使用可剥夺性的内核时，所有要求快速反应的事件都得到了尽可能快速、有效的处理。
通过系统的服务，如信号量、邮箱、队列、延时、超时等，RTOS使得系统资源得到尽可能的最大化利用。
μC/OS-Ⅱ与其他大型操作系统不同，它仅仅是一个实时内核，并不具有像GUI，TCP/IP协议栈等功能
升级会员 