基于STM32温度监测系统研究
时间：2022-12-04 11:35:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
马传奇
（阜阳职业技术学院工程科技学院 安徽省阜阳市 236031）
要实现工农生产的自动化，温度的测量是最基本的一个参数。随着科技的发展，技术要求的重视，温度测量的精度也越来越被重视，因此高精度温度测量系统的研究成为亟需解决的问题[3]。在高科技快速发展的现代社会，检测温度的仪器已经普遍应用到各个工业领域中，智能化温度控制系统成为了温度控制的主要方向趋势。目前国内基于单片机的测温系统普遍使用51系列或AVR单片机[4]，因其运行速度较慢，内部保护控制能力不佳，极易引起芯片的损坏，一般仅在对性能要求较低的场合使用。另外，在测量精度上，目前常用温度传感器测温电路中，测量温度的绝对误差普遍在0.1至0.3℃，很难突破更高精度的测温要求。现有温度测量方法步骤过于繁琐以及测量时间较长，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。为解决这一问题，本课题研究一种基于STM32微控制器的高精度、高性价比的智能测温系统。该系统可以显示实时温度，以 STM32 为核心控制器，将温度传感器采集到的信息进行数据实时显示，从而实现高精度快速测温。
国外对温度测控技术的研究相对较早，始于20世纪70年代。温度测控的系统在我们国家开展研究比国外晚一些，上世纪80年代左右我国开始研究温度测控系统。我国的工程技术人员在吸收和借鉴发达国家温度测控技术的基础上，掌握了温度室内微机控制技术，但是与发达国家相比，仍然存在着比较大的差距。我国的温度测量控制的层次还比较低，生产实际中任然存在着多种的迫切处理的问题，例如我们装备配套需要完善，产业化程度急需提高，温度的精度控制急需提升，可靠度和安全性能需要改善。
2.1 基于传感器选型的测温系统的研究现状
温度传感器的选择很重要，一款性能良好的传感器影响着测温系统的性能指标。基于传感器选型主要是按照传感器的测温范围、线性度等性能指标，选择合适的传感器进行温度的采集，当前市场上较常见的有半导体热敏电阻、金属热电阻、热电偶、集成温度传感器等[5]。其中半导体热敏电阻虽然灵敏度很高，价格便宜，但是线性度很差，主要用于温度的控制及低精度温度测量。金属热电阻目前使用较多的是铜电阻和铂电阻[6]，其中铜电阻主要适用于测量精度不太高、测量范围不大（-50～150℃）的场合[7]。铂材料是当前工农业生产中热电阻较理想的材料，使用铂材料的铂电阻传感器是目前测温较好的一种常见温度计[8]，它能在长时间保持稳定的复现性达到10-4K，应用于中温度区域和低温度区域的温度监测。热电偶的测温范围很宽，但温度至电压传递函数中的非线性往往需要增加外部补偿电路。集成温度传感器功耗低、体积小，但其测温范围一般不超过200℃。DS18B20是一种较为理想的温度测量器件，测量信号是数字量，传感器体积小，产品价格低廉，稳定性高，温度测量精度高的特点，具有较高的性价比。
2.2 基于测温精度的研究现状
20世纪90年在温度控制领域出现了智能温度传感器，当时的技术相对落后这种传感器的测温精度比较低，它的分辨力在1℃。美国等西方国家已经推出多款精度和分辨率等性能参数比较高的数字温度传感器，如TS18B20，此传感器结构简单，使用方便，封装形式丰富多样，占用空间不大，适用于狭小空间温控领域。
在测量精度上，目前三线制DS18B20温度传感器测温电路中，测量温度的绝对误差普遍在0.1至0.3℃，难突破更高精度的测温要求。四线制连接法是目前精度最高的一种接线方式，国外研究的四线制的测温系统的精度已达到0.01℃。
2.3 基于单片机选型的测温系统的研究现状
从温度测控系统的发展来看，以微控制器为核心构成的温度控制系统已被国内外许多公司和相关的科研单位作为研究对象， 其具有硬件升级简单，软件工具丰富，单联机运行调试方便，生产制造成本低廉，设备的更新换代迅速的特点。加之近年来，微控制器的性能不断提高，而价格逐年降低，微控制器的温度控制系统具有广阔的发展和应用前景。目前国内外基于微控制器的智能测温系统普遍使用51系列或AVR单片机，因其运行速度过慢，保护能力差，很容易烧坏芯片。
为了满足温度测量市场快速发展的需要，ST公司于2011年推出了STM32系列产品，扩展原有的指令，增加新的FPU单元模块，同时运行的频率提高到170MHz左右，在软件编程和引脚方面此系列产品不同型号之间具有很好的兼容性，同时可方便产品使用方迅速升级产品。
工业生产过程中温度测控系统的核心竞争力主要取决于温度采集方式、测量电路、微控制器、测温精度、系统稳定性等几大因素[9]。结合目前工业生产过程中的温度测控系统存在的主要问题，设计一种基于STM32微控制器和DS18B20温度传感器作为温度传感器的温度测量和控制系统。本文主要研究智能测温系统的温度采集部分和单片机连接的硬件电路设计及软件程序开发，并实现温度的高精度采集和实时显示。
基于STM32处理器的测温系统构成如图1所示。
图1：测温系统构成图
本文研究的基于STM32控制的智能测温系统由五大模块构成：温度采集模块、测量电路模块、放大电路模块、微控制器模块和数据显示模块。温度采集模块采用DS18B20传感器作为温度传感器，采用三线制连接法测量电路；
放大电路模块采用差分放大电路抑制共模信号，采用差分对称，能够对零点漂移和噪声进行很好的抑制[10]。在基于Cortex M4内核的STM32控制器的基础上，搭建系统所需的外部控制电路，通过软件编程实现温度数据的实施显示。重点研究在温度测量过程中测量电路的设计和微控制器实时显示温度的问题。通过设计温度采集模块和测量电路模块实现温度的高精度快速测量，通过微控制器的外设电路和程序编写，显示温度的采集结果。
4.1 单片机核心电路设计
基于ARM7构架的是stm32系列处理器，具有实施仿真和数据跟踪的性能。这种芯片不仅功能比较强大，同时在设计之初就追求降低能耗和降低成本目标，在耗能低的同时它还能提供比较丰富的接口，方便实验研究外围电路的扩展。这款处理器的系统学习也比较简单，学习者很容易掌握硬件设计和软件控制的技能。
4.1.1 STM32的特性
（1）内部使用Cortex-M3内核，构架先进；
（2）实施性能优秀；
（3）比较低的功率消耗；
（4）丰富的外设；
（5）集成整合程度较高；
（6）开发简单，产品市场推广速度快。
4.1.2 STM32微控制器接口电路
如图2所示。
图2：STM32微控制器接口电路图
4.2 JDY-31蓝牙模块电路设计
JDY-31蓝牙模块用于无线通信，它具有价格低廉、所用空间小、数据传输快捷等特点，外部只需少量电路就可实现通讯功能。本文中的蓝牙模块就是为了无线数据传输而专门打造的，支持串行接口，支持SP蓝牙串口协议。
4.2.1 蓝牙模块主要参数
（1）工作电压：3.3V-6V；
（2）温度区域：零下40℃-85℃；
（3）天线：PCB板载天线；
（4）功耗：19mA。
4.2.2 蓝牙模块接口连接说明
（1）RXD 串口输入，电平为TTL电平；
（2）TXD 串口输出，电平为TTL电平；
（3）GND 接GND；
（4）VCC 接3.3V-6V。
4.2.3 蓝牙模块接线图
如图3所示。
图3：蓝牙模块接线图
4.3 DS18B20模块电路设计
DS18B20这种数字温度传感器具有数据测量精度极高、接口电路简单、极强抗干扰能力、硬件成本低、传感器外形小巧安装方便等优点[11]。这种温度传感器外观根据不同的应用而变化进行封装，DS18B20可用于电缆沟的温度测量[12]、高炉水循环和锅炉的温度测量、机房温度测量、农业温室温度测量、洁净室温度测量、弹药库温度测量等。
4.3.1 DS18B20使用情况
（1）测温区域最低可测-55℃，最高可测125℃。
（2）电源使用直流电源，所需电压范围3.0～5.5V[13]。
（3）使用更简单，无需其他配套元件。
（4）采用串行方式传送测量的数字量。
4.3.2 DS18B20传感器实物图
如图4。
图4：DS18B20传感器实物图
4.3.3 DS18B20温度传感器原理图
如图5，10K电阻为上拉电阻，保证DS18B20传感器数据读取更稳定，使用一条数据线把STM32微处理器与DS18B2O连接，即可实现他们之间的通信。
图5：DS18B20器件原理图
4.4 基于STM32单片机温度系统器件
依据控制系统的控制要求，除了上述的核心器件外，还需要一些辅助的器材，整个系统控制所需的器件如表1所示。
表1：STM32单片机温度采集系统硬件材料表
系统软件部分主要针对DS18B20温度传感器、基于Cortex M4内核的STM32微控制器进行信息的处理和传输，蓝牙数据传输等模块进行驱动调试，以及配合按键、蜂鸣器功能特点和通信协议进行设计开发。STM32微控制器温度测控设计流程如图6所示。
图6：STM32微控制器温度测控设计流程图
系统程序较为复杂，计算量大，因此运用了很多的浮点计算，在程序编写时使用C语言编写。C语言适用于大多数程序控制系统，项目可以很容易地转换为使用其他处理器控制系统，在功能、结构、可读性、可移植性和可维护性方面相对简单。以下介绍温度控制系统的编程语言、程序的开发以及程序的烧录。
5.1 编程语言特点
程序编写时使用C语言编写，对于大多数微控制器，使用高级语言（如C语言）具有以下优势:
（1）对处理器的存储结构和程序指令不需要提前学习；
（2）数据的寻址模式和寄存器的分配由微处理器的编译器管理，编写程序期间无需考虑内部存储地址和存储数据的类型等事宜；
（3）所编程序的可读性高；
（4）更类似于人类思维的关键字和操作函数，方便理解；
（5）这种语言便捷，节约程序编写和调试的时间；
（6）有很多标准的示范程序，方便程序员开发；
（7）模块化编程技术运用，可以将前期准备好的程序添加到新程序中，简化开发的难度；
（8）C语言适用于大多数程序控制系统，项目可以很容易地转换为使用其他处理器控制系统，在功能、结构、可读性、可移植性和可维护性方面相对简单。
5.2 Keil程序开发环境
本设计中单片机开发环境是Keil，Keil是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与其他语言相比，C语言在功能、结构、可读性、可移植性和可维护性方面相对简单。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。在微软的操作系统上都可以运行keil软件，对系统的硬件配置要求不高。使用C语言编程，使用Keil软件是最好的选择。即使不使用C语言，譬如使用汇编语言进行程序编写，其易于使用的集成环境、强大的软件模拟、丰富的调试工具，使得在程序开发和调试方面事半功倍。Keil有以下优点：
（1）Keil软件同时支持WINXP、WIN7、WIN10等多种操作系统，提供了丰富的库函数和功能强大的开发工具；
（2）Keil可以完成从编辑、编译、到连接、调试的一套开发流程。
Keil软件界面如图7所示。
图7：Keil uVision5开发界面图
5.3 程序烧录软件说明
FlyMcu是一款好用的stm32烧录程序软件，对于专业的单片机开发者来说应该非常适用，软件可以广泛地应用于电路编程(ICP)和应用编程(IAP)领域，支持进行编程、校验、读器件信息。
可以通过下载器（即CH340串口烧录模块）下载单片机程序。单片机开发板、下载器以及PC连接好后，首先需要在软件中选择串口号，然后选择项目程序“hex”文件所在的地址，最后就可以点击开“开始编程（P）”按钮即可下载程序。程序的下载页面如图8所示。
图8：烧录软件下载界面
5.4 CH340程序烧录模块说明
本文中开发的程序使用ch340串口烧录模块进行烧录。采用USB接口的串口烧录模块，在与外部电脑连接时非常便捷，同时这种烧录模块具有性能可靠、价格低廉、性能优越等特点，其便捷性使得许多微处理器开发的技术人员乐意使用此模块。
5.4.1 CH340串口烧录模块特点
（1）支持 USB1.1 或 USB2.0 通信；
（2）全面支持 WIN98、WINME、WIN2000、WINXP、 VISTA、 WIN7 等操作系统；
（3）采用 USB 口供电；
（4）在对芯片编程时可以使用目标系统本身电源，也可以使用编程器从 USB 口取电供给目标板，但应保证目标板电流不大于500mA，以免不能正常编程；
（5）编程完成不影响目标板的程序运行；
（6）支持 大部分芯片烧录；
（7）编程器提供 3.3V 与 5V 的电压输出接口；
（8）使用串口速度既快又稳定，USB接口笔记本和台式机都可快速连接，非常方便；
（9）这种芯片封装技术使得程序编写运行稳定快捷。
5.4.2 CH340串口烧录模块引脚说明
（1）+5V是5V输出输出，因有USB电源线，故本开发板不需要接；
（2）VCC本开发板不需要接；
（3）3V3 是3.3V输出，本开发板不需要接；
（4）TXD 接单片机的RXD引脚；
（5）RXD 接单片机的RXD引脚；
（6）GND 接GND。
5.4.3 CH340串口烧写模块与单片机的具体接线图
如表2所示。
表2：CH340模块与单片机开发板对应接线
本文主要从系统构造，硬件设计，软件分析进行研究。温度的采集使用DS18B20温度传感器，数据的处理使用基于cortex M4内核的STM32微控制器，数据传输使用具有成本低、体积小、收发灵敏度高的蓝牙模块。通过蓝牙传输实现数据的无线传输至手机端，非常方便，可以实现温度远距离实时传输，极大程度了降低了在温度监测系统管理的人力成本。整个智能测温系统能够实现高精度的温度采集，满足设计要求。
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