基于stm32平台的无线温度测量系统设计（原版论文） .pdf

学号 201100357025 分类号 tn911 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于 stm32 平台的无线温度测量系统设计 研 究 生 姓 名 张翔宇 指 导 教 师 刘云学副教授 学 科 门 类 工学 专 业 名 称 电子与通信工程 论文提交日期 2013 年 4 月 学号 201100357025 分类号 tn911 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于 stm32 平台的无线温度测量系统设计 研 究 生 姓 名 张翔宇 指 导 教 师 刘云学副教授 学 科 门 类 工学 专 业 名 称 电子与通信工程 论文提交日期 2013 年 4 月 i 摘要摘要 目前对温度的测量方法有很多种 主要可以简单的分为两大类型 接触式温 度测量和非接触式温度测量 虽然接触式测温的测量精度相对较高 可以测量环 境温度和待测物体各部位的温度 但是对于测量待测瓶体内液体的温度 特别是 在要求快速 精准和不打开瓶体的情况下 这是很不适合的方法 也就是说 我 们需要采用一种在不接触物体的情况下实现对物体的温度测量的测温方法 为此设计采用了非接触式测温方式中的一种重要方式 红外测温 它利用 了待测物体的温度越高 内部的分子运动就会越剧烈 辐射出来的红外线就会变 得越多 红外辐射能量也就会更强这一原理实现了对待测物体温度的非接触式测 量 这样就可以在不打开瓶体的情况下 利用液体红外辐射能量的大小来判断里 面液体温度的高低 同时考虑到微波平台的功率较高 发热量大 如果它的温度 过高 就会对平台的正常工作产生影响 因此对微波平台的温度实时监控是很有 必要的 采用接触式测温可以实现这一要求 本设计完成了一个基于 stm32 平台的无线温度测量系统的构建 并完成了 系统的软硬件设计 实现了对微波平台温度和待测瓶体内液体温度的快速精准测 量 系统采用 arm 芯片 stm32f103vct6 作为主控芯片 选用多片 ds18b20 数字温度传感器对微波平台进行一线式多点测温 精度可达 0 5 使用 mlx90614 红外温度传感器对瓶体内液体温度进行非接触式测量 经过温度补偿 修正 精度可以达到 0 5 达到设计要求的测量精确度 根据红外测温的基本 原理和传感器特性提出了对瓶体内液体进行红外测温的主要误差来源应该包括 瓶体与红外传感器探头之间的距离 瓶体材料的材质以及瓶体的形状等因素 然 后 使用设计的测温平台进行了大量的温度数据采集 经过分析和计算后 验证 了这些误差来源 同时根据误差的影响大小提出了 mlx90614 红外温度传感器 的最佳工作条件并完成了温度补偿的设计 这对后续的研究和开发具有很大参考 价值和意义 最后 本次设计选用了五块 2 4g 无线通信模块 nrf24l01 在室内组成了一 个包含一个主机 四个从机的星线网络 它们之间的通信是通过自定义的通信协 议实现的 该协议包括上行协议和下行协议两部分 主要实现了主机对从机状态 ii 的查询和发送控制命令以及从机发送温度数据到主机的功能 经过实际调试证明 了自组织网络连接正常 数据通信可靠稳定 实现了星型网络的无线数据传输功 能 关键词 非接触式测温 stm32 平台 星型网络 通信协议 烟台大学硕士学位论文烟台大学硕士学位论文 iii abstract at present there are many kinds of method of temperature measurement they mainly can be divided into two ways contact temperature measurement and non contact temperature measurement although contact temperature measurement has a relatively high accuracy can measure environment temperature and the temperature of each part of the object to be detected but for measuring the temperature of the liquid in the bottle to be detected especially in cases of fast accurate and no open bottles this method is not suitable that is to say we need to adopt a method to measure object temperature without contacting it therefore this design uses the infrared temperature measurement which is one of the important non contact temperature measuring method it takes advantage of the principle of the higher the temperature of the object the more infrared radiation comes out the stronger the infrared radiation energy to realize the non contact temperature measurement so we can use the value of liquid radiant energy to judge its temperature without opening the bottle at the same time considering the high power and calorific value of microwave platforms if its temperature is too high it will affect the proper function of the platform so the real time monitoring of microwave platform temperature is necessary using non contact temperature measurement can achieve this requirement this design completed a wireless temperature measurement system based on stm32 platform construction and completed the system hardware and software design realized fast and accurate temperature measurement of the microwave platform and the liquid inside bottles system adopts arm chip stm32f103vct6 as the main control chip several ds18b20 digital temperature sensor which precision can reach 0 5 to achieve one line type multipoint temperature measurement of the microwave platform and uses mlx90614 infrared temperature sensor to conduct non contact measurement of temperature of the liquid inside bottles after temperature compensation precision can reach 0 5 meeting the design requirements of measurement accuracy according to the basic principle of infrared temperature measurement and sensor characteristic we put forward the main error sources of infrared measuring temperature of liquid in the bottle should include the distance between the bottle and infrared sensor the material of the bottle and the shape of the bottle then using the designed temperature measurement platform we collected a large number of temperature data and 烟台大学硕士学位论文烟台大学硕士学位论文 iv after analysis and calculation we verified the source of errors according to the size of the error we put forward the best working conditions for mlx90614 infrared temperature sensor and completed the design of temperature compensation which is of important reference value and significance for the follow up research and development finally the design chooses five pieces of 2 4 g wireless communication module nrf24l01 formed an indoors star network which contains a host and four slaves from machine line the communication between them are implemented through the self defined communication protocol the protocol includes two parts upward and downward agreement the main achievement of the protocol is that host machine can query slave states and send control commands slaves can send temperature data to the host actual debugging proves that self organized network connection is normal and data communication is reliable and stability achieving the wireless data transmission function of star networks keywords non contact measurement of the temperature stm32 platform star network communication protocol 烟台大学硕士学位论文烟台大学硕士学位论文 v 目录 目录目录 摘要 i abstract iii 1 绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 数字式测温和红外测温技术的发展现状 2 1 3 设计主要内容及贡献 3 1 4 论文主要结构安排 4 2 测温系统总体方案设计 6 2 1 任务需求分析与框架 6 2 2 测温传感器的选型 8 2 2 1 机箱内温度测量传感器的选择 8 2 2 2 瓶体内液体温度测量传感器的选择 9 2 3 本章小结 10 3 温度传感器的硬件设计 11 3 1 ds18b20 的硬件设计 11 3 1 1 单总线的特点 11 3 1 2 ds18b20 的硬件连接 11 3 2 mlx90614 的硬件设计 12 3 3 其它模块硬件设计 13 3 3 1 电源模块硬件设计 13 3 3 2 液晶模块硬件设计 14 3 3 3 系统硬件设计效果 15 3 3 本章总结 15 4 温度传感器的软件设计 16 4 1 ds18b20 的软件设计 16 4 1 1 单总线的流程和命令 16 4 1 2 ds18b20 的软件程序设计 17 4 2 mlx90614 的软件设计 21 4 2 1 mlx90614 传感器通信协议 21 4 2 2 mlx90614 红外测温模块程序设计 23 4 3 本章总结 26 5 红外测温的误差分析 27 5 1 红外测温误差的来源 27 5 2 不同因素对误差的影响 30 5 2 1 瓶体材质的影响 31 5 2 2 距离因素的影响 34 5 2 3 瓶壁厚度的影响 38 5 2 4 瓶体形状大小的影响 40 5 2 5 mlx90614 的最佳工作条件与温度补偿 41 6 nrf24l01 无线通信模块 42 6 1 nrf24l01 的简介 42 6 2 nrf24l01 无线模块硬件设计 43 烟台大学硕士学位论文烟台大学硕士学位论文 vi 6 3 nrf24l01 的收发模式 43 6 4 nrf24l01 的通信协议 45 6 4 1 数据包结构 45 6 4 2 自定义通信协议 46 6 5 nrf24l01 无线模块软件设计 50 6 6 本章总结 53 7 总结与展望 54 7 1 论文总结 54 7 2 论文展望 55 参考文献 57 1 1 绪论 1 1 研究背景及意义 安全检查是对进出口岸或者乘坐公共交通工具的旅客及个人行李货品进行 的强制检查 其目的在于防止旅客携带危险品出行 以免危害国家的公共安全和 人民群众的生命财产安全 目前主要的安检手段为 x 光机扫描和人工检查 这 对于固体危险品的检查是非常有效的 但是对危险液体的检查存在一定难度 所 以目前国家明令规定国内航班旅客是禁止随身携带液态物品的 这给乘客的出行 带来了很大的不便 为了更好的解决这一矛盾 项目的研究目标定为通过微波平 台实现对危险液体的快速检测 其中的一项重要任务就是对瓶体内液体的温度的 快速精准测量 以便于对液体性质的快速判定分析 要实现对危险液体的检测 首先需要对危险液体的各种物理特性和化学特性有充分的认识 这其中就包括一 个重要的物理量 温度 不同液体的沸点和冰点差别很大 这就造成了在不同温度下它们的状态不一 样 反映出来的特性也是不一致的 为了更好的掌握危险液体的温度特性 排除 温度因素对快速检测的影响 项目需要设计一个测温系统实现对液体温度的测量 以实现对不同温度下危险液体特性的分析 对普通液体的温度测量手段多种多样 技术也比较成熟 但是本次项目面向 的是特殊场合下的液体测量 首先待测液体的安全性如何 是否具有腐蚀性和挥 发性都是未知的 其次每次测量都要打开瓶体是不现实和费时费力的 最后就是 对测量精度要求比较精准 显然接触式测温方法是无法达到以上要求的 非接触式测温成为最合适的方 法 在测量的时候只需要把探头对准待测物体 并不需要跟物体接触就可以实现 测温 这样在测量未知液体时 即不用担心液体是否会腐蚀探头 是否会挥发 也不需要打开瓶体就可以很好的完成项目要求 作为非接触式测温方法中最重要 的一种 红外测温得到了广泛的应用 它的主要工作原理为 红外辐射的能量的 大小和物体表面温度的高低有重要的关系 因此可以通过测量物体红外辐射出来 的能量来精准的测量计算出来物体的表面温度 另外 项目采用微波平台以实现对液体频谱信息的获取和分析 它本身功率 比较高 发热量大 温度变化过大对平台的测试结果会产生一定影响 所以本次 2 系统设计的另外一个关注点就是通过多片接触式数字温度传感器实现对微波平 台温度的多点监控测量 从而确保整个系统工作在正常温度环境中 1 2 数字式测温和红外测温技术的发展现状 温度传感器从最初的分立式发展到现在的数字式 一共经历了三代 最新式 的数字温度传感器相对于之前的两代温度传感器有了以下技术的革新 1 数字温度传感器的信号是经过滤波和增益放大的 所以它克服了普通信 号中易产生杂波和波形失真和衰减的弊病 可以实现更好的稳定性和可 靠性 2 数字温度传感器的信号是经过加工的 方便计算机的处理和存储 同时 具有更高的安全性 3 数字温度传感器采用的是数字信号处理集成电路 体积很小 对温度的 响应迅速 电路运行相对稳定可靠 同时数字式温度传感器也面临需要进一步解决的一些问题 例如经过 a d 转换电路 对转换芯片的抗干扰性 转换精度和校零技术都有很高的要求 随着 技术的进步 数字式温度传感器的性能将进一步大大提高 广泛应用于更多的领 域 红外形式辐射的能量的大小和这个物体的表层温度的高低有重要的关系 因 此通过测量物体红外辐射出来的能量就可以根据换算公式精准的计算出物体的 表面温度 这就是红外测温的工作原理 进入 20 世纪以来的几十年间 在前人的理论基础之上 红外辐射和红外测 量技术日臻完善 红外探头 红外测温传感器 红外气体传感器等大量红外检测 器件设备不断出现 红外传感器日益小型化 智能化和数字化 拥有了很多无可 比拟的优点 1 非接触式 红外测温传感器可以在不直接接触到待测物体的情况下实现 对这一物体温度的测量 这样可以避免影响到待测物体的温场热平衡 防止污染和干扰 2 快速精确 红外测温传感器一般精度都可以控制在 1 之内 反应时间 很短 可以实现在未完全达到热平衡的条件下快速精准测温 3 安全方便 红外传感器体积较小 易于操作 同时可以在不安全区域或 3 者无法接触的位置测量温度数据 大大保障了人员安全 虽然红外测温技术已经越来越成熟 但是目前仍然存在一些技术上的难点 这也是今后红外测温的重要发展方向 例如红外测温数据易受距离 角度 环境 物体反射率 厚度等相关因素的影响 只能测量物体的外部温度 如何更好的实 现温度的补偿都是亟待解决的关键问题 1 3 设计主要内容及贡献 本次设计的主要研究方向是基于 stm32 嵌入式平台实现对微波平台工作温 度和待测瓶体内液体温度的测量 以及 2 4g 无线模块的自组网络 在此方面做 出的主要贡献 1 对于微波平台温度的测量 通过采用多片数字温度传感器 ds18b20 组成 一线式 测温网络实现了平台的多点测量 主要工作是完成了这一模块的设计 并完成了软硬件设计 验证了这一方案的可行性并且通过大量的数据采集分析得 出了误差分析结果 通过实际性能的分析比较可以发现 1 多片数字温度传感器 ds18b20 组成的 一线式 网络可以在使用很少 的管脚资源的情况下 通过使用一根控制总线控制一片区域内的多片芯片的温度 测量 功耗低 效率高 2 经过大量的实际测量和对比分析 发现数字温度传感器 ds18b20 的测 量精度可以达到 0 2 远远达到了项目设计的精度要求 体现了它的高性能 3 本系统中使用的数字温度传感器 ds18b20 的误差主要来自于芯片与平 台是否完全紧紧贴合 之间的黏合物质导热性能高低以及系统误差 2 对于检测瓶体内的液体温度的测量和分析是本设计的重点 本文深入探 讨了红外方案的可行性并通过使用红外温度传感器mlx90614构建了测温模型 完成了红外测温模块的硬件平台的构建和软件程序的编写调试 并经过大量的实 际对比测试取得了以下进展和结论 1 分析实际测量的数据 经过计算红外的测温精度最高可以达到 0 5 这也是目前非接触式测温可以达到的比较好的精度 满足了项目的要求 2 红外温度传感器 mlx90614 与待测瓶体之间的距离对温度测量的精度 影响很大 当这个距离为 0 5cm 时 液体实际温度与红外测量温度之间误差最小 可以达到 0 1 精度是最高的 4 3 不同材质的瓶体具有不同的发射率 这对温度测量精度产生了影响 经过对塑料瓶体 瓷质瓶体 玻璃瓶体和纸质瓶体的对比测试验证了这一结论 其中塑料瓶体的误差最小 精度最高 其他瓶体性能基本相差不大 4 测量的温度精度与传感器可视角度的大小和物体与探头之间的角度有 关 角度越小 测量精度越高 5 经过比较不同瓶壁厚度的瓶体内液体的温度 验证了瓶壁厚度对红外 测温精度几乎没有影响 可以忽略不计 6 待测瓶体内液体的种类不同 相同温度下红外辐射的能量不一样 对 测温结果的影响不同 造成了在不同待测液体情况下 测温精度不一样 3 采用多块 2 4g 无线模块 nrf24l01 组成星形网络并通过自定义的通信协 议进行它们之间的短距离无线数据传输 相关工作如下 1 完成了主机端和从机端无线模块的软硬件设计 并组成了一个具有五 个节点的星形网络 实现了一个主机同时接收多个从机的温度数据的功能 2 自定义了专用于项目系统使用的无线通信协议 并详细介绍了各种指 令代码的含义 1 4 论文主要结构安排 本次设计主要是通过 stm32 平台实现了对机箱内部的多点测温和对待测瓶 体内液体温度的测量并完成了无线组网和无线收发 同时根据大量的红外测温数 据分析对比 提出了 mlx90614 红外温度传感器的最佳工作条件 为后续研究 开发提供有益的参考 本文的主要结构安排如下 第一章简要介绍了设计的研究背景 并分析了数字式和红外式测温技术的基 本发展情况 概括总结了相关技术特点及研究现状 第二章主要是需求分析和传感器选型方案 首先分析了系统设计的目的和意 义 然后根据功能要求划分了系统的各个模块 然后根据温度传感器模块的要求 选择了数字式温度传感器 ds18b20和红外温度传感器 mlx90614 并进行简单的介 绍 第三章主要完成了两种温度传感器的硬件设计 首先介绍了 ds18b20 数字式 温度传感器的 一线式 连接方式 然后阐述了它的硬件电路设计内容 随后 介绍了如何根据管脚的定义进行 mlx90614 红外温度传感器的硬件设计连接工 5 作 第四章重点阐述了两种温度传感器的软件设计 首先介绍了 ds18b20 数字式 温度传感器的一线通信协议 接着详细阐述了它的程序设计流程 并给出了详实 的流程图 然后介绍了 mlx90614 红外温度传感器的 smbus 通信协议的时序和通 信指令流程 最后 详细描述了 mlx90614 红外温度传感器的软件程序设计流程 第五章主要进行了红外测温数据的分析 首先详细地分析了红外测温误差的 影响因素 然后根据这些因素对大量的实际红外测温的采集数据进行数据处理并 绘制成对比图 完成数据分析之后 接着给出了 mlx90614 红外温度传感器的最 佳工作条件 以及温度补偿函数 第六章是对无线通信模块的设计 首先简单介绍了 nrf24l01 无线通信模块 的功能特点和工作模式 然后简单论述了它的硬件设计内容和管脚连接情况 接 着详细阐述了它的数据包格式和自定义的通信协议内容 最后一节详细描述了 nrf24l01 无线通信模块的软件程序设计和流程图 第七章对项目设计进行了全面的总结并对实际开发中面临的问题和下一步 的工作进行了简单的展望 6 2 测温系统总体方案设计 2 1 任务需求分析与框架 项目课题主要着眼于通过微波平台实现对危险液体的检测 作为其中的测温 子课题 本次设计主要着眼于以下几个方面 对于待测瓶体内危险液体的非接触式测温 在机场 港口 火车站以及海关闸口等公共场合 每天的人均客流量和货物吞吐 量都是巨大的 为了保证公共安全和人民群众的生命财产安全 安检措施是必不 可少的 其中对于乘客携带的各种液体的检验仍然是一个亟待解决的问题 最简 单直接的方式就是打开瓶体进行人工检查 这对于常见的液态物质是方便的 但 是对于性质未知的液体进行检查会相对复杂 如果是对乘客来说非常贵重的物品 或礼品 强制打开检查 一方面会破坏物品的外部包装 一方面也会造成一定程 度的污染 如果瓶体内液体具有易燃性 腐蚀性或者挥发性 那么打开瓶体本身 就是不安全的 使用接触式的探头对其进行检测 也会腐蚀探头 那么研究的思 路转为如何尽量在不打开瓶体和破坏外部包装的情况下 实现对危险液体的检 验 这也就成为了项目需要攻克的难点所在 液体的温度性质测量是项目中的重 要一环 所以这同样决定了本次测温系统设计也必须满足不打开瓶体这一前提 并在满足这一前提的条件下完成对待测瓶内未知液体温度的快速精准测量 为了 对危险液体实现精准的定性定量分析 我们的设计要求对瓶体内部液体的测温精 度要高 至少达到 0 5 反应速度要快和操作简单明了 红外测温技术是一种应用广泛的非接触式测温方式 它的主要工作原理来源 于斯特藩 玻耳兹曼定理 1 黑体的辐出度 黑体表面单位面积上所发出的各种 波长的总辐射功率 pb 与温度 的四次方成正比 即 4 ttpb 2 1 式中 5 67 10 8w m2 k4 为斯特藩 玻耳兹曼常量 t 物体热力学 温度 由斯特藩 玻耳兹曼定理可以进一步推导修正出物体表面温度与辐射能量的关 系 44 p ttto 2 2 其中 为物体的发射率 该系数用来表示真实存在的物体的热辐射能力与黑体辐 7 射能力的接近程度 to为红外温度传感器当前的工作环境温度 单位为k 红外 测温具有了不需要跟待测物体进行直接的接触 就可以快速精准的测量到它的表 面温度的特性 所以只需要将红外测温探头对准瓶体就可以测量得到瓶内液体的 温度 这一方面避免了探头污染瓶内的液体 一方面也防止探头被腐蚀性液体所 腐蚀 同时使得测量更加精准 读数更加方便 恰好满足我们的设计要求 对机箱内部工作环境的测温 项目通过搭建的微波平台实现了对危险液体频谱信息的获取 通过对大量危 险液体的测量 提取出它们的特征参数以建立危险液体信息数据库 当检测某瓶 液体时 只需要提取到关键的特征信息与数据库信息做比对 就可以快速有效的 确认液体的安全性 而微波平台的正常工作要求平台工作的机箱温度控制在一定 范围内 否则平台内部的微波器件会产生一定的温度效应 通过在机箱内部布置 多个温度传感器获取当前微波平台的工作温度可以用来补偿微波平台内部器件 的温度效应 这就需要为设计选用一款体积小巧 测温精准 可以在机箱内多点 布置的温度传感器 电源切换 考虑到机箱的便携可移动性 在电源部分设计中需要考虑直流电源输入和备 用电池输入两种供电方式 并且可以保证两种电源的自动切换 即当有直流电源 工作时 备用电池不工作 当无直流电源工作时 备用电池自动开始工作 数据显示 微控制器控制两种温度传感器测量得到温度数据 然后把数据发送到显示模 块 显示模块再以读数的形式显示出来温度数据 考虑到机箱的低功耗 需要选 择一款功耗低的液晶显示器 主控芯片 作为系统的核心 主控制器芯片本身主频不可太高 否则功耗会很大 处理 能力需要比较大 可以即时处理大量的数据 管脚资源需要丰富便于其他功能的 扩展 arm 处理器以其优异的性能 低廉的价格和简单的软件编程在很多相关行 业得到了最广泛的应用 在控制领域尤为突出 我们选择它作为主控制器 根据上面对项目的需求分析 可以得出测温系统主要应该包括微控制器 温 度测量传感器 电压模块和显示模块等部分 它们的框架结构如图 2 1 所示 8 2 2 测温传感器的选型 2 2 1 机箱内温度测量传感器的选择 为了快速精准的获得当前机箱内部微波平台的工作温度 设计选用的温度传 感器的工作方式必须是接触式的 分布在机箱内不同位置的多片传感器要求能够 同时工作 以实现对多点的温度测量 并且要求测温精度高 反应速度快 多片 传感器的控制简单 体积小巧 功耗低 根据这一性能要求 设计选用了数字式 温度传感器 ds18b20 ds18b20 是美国 dallas 公司推出的一款可编程分辨率的单总线式数字温度 传感器 它具有体积小 功耗低 抗干扰 精度高 使用灵活等特点 它通过芯 片内部传感元件采集外部的温度数据 然后再通过内部的 a d 转换模块将这些采 集到的模拟形式的温度信息转化为数字形式的温度量 接着把这些数据传给微控 制器后 系统就可以获取到它测量到的当前温度值 它的供电电压范围为 3 0 5 5v 可以直接测量的温度应该处于 55 125 这一范围 在 10 85 范围内它的测量精度可以达到 0 5 ds18b20 的外部构造简单 拥有三种封 装形式 to 92 so 和 usop 封装 其中需要用户操作的是三个管脚 so 和 usop 封装形式的其他管脚不用连接 三个管教的主要作用如表 2 1 所示 电压模块 微控制器 显示模块 第一路机箱 内温度测量 第二路机箱 内温度测量 第n路机箱 内温度测量 红外测温模 块 键盘模块 图 2 1 测温系统框架结构图 9 表 2 1 ds18b20 的管脚定义 这里必须注意的是芯片的管脚 1 和管脚 3 不要接反了 否则芯片会迅速发热 烧掉 ds18b20 和微控制器的连接非常简单 只需要微控制器的一个 i o 口与管 脚 2 连接就可以控制 ds18b20 如果要控制多片 ds18b20 进行多点温度采集 那 么只需要将所有的 ds18b20 的管脚 2 dq 全部连接到一根数据线与控制器 i o 管脚相连即可 2 2 2 瓶体内液体温度测量传感器的选择 本次测温系统的设计需要满足在不打开瓶体这一前提下 通过红外温度传感 器完成对瓶内未知液体温度的快速精准测量 设计要求对瓶体内部液体的测温精 度要高 至少达到 0 5 反应速度快和操作简单化 根据这些性能要求 经 过对市场上多款红外温度传感器的分析比较 设计最终采用了迈来芯 melexis 公司生产的红外测温传感器 mlx90614 是一种使用方便 测量精准的红外温度 测量数字传感器 它主要具有以下特性和优点 体积小巧 集成度高 传感器探头体积小于 1cm 3 在 to 39 金属封装里 同时集成了红外芯片和信号处理芯片 成本低廉 功耗低 传感器成本很小 存在节能 休眠 模式 电流 消耗可低于 2ma 测量温度范围大 精度非常高 这款传感器对物体的温度测量范围可以 达 到7 0 3 8 0 传 感 器 的 工 作 环 境 的 温 度 范 围 可 以 达 到 40 125 在0 50 这一温度范围内 它的测量精度可以达到 0 5 电源电压可选择 电源提供了 3v 和 5v 可选电压 可以在多种平台 实现功能 特别是在手持移动测温设备上使用方便 两种接口 兼容性好 该器件具有两种数据接口 也就是说可以兼容两 种温度输出方式 数字 pwm 输出和 smbus 输出 引脚编号 引脚名称 引脚说明 1 gnd 接地 2 dq 数据传输 3 vdd 电源 10 mlx90614 集成了由迈尔芯开发和生产的两款芯片 红外热电堆传感器 mlx81101和信号处理专用集成芯片mlx90302 2 由于使用了低噪声放大器 17 位 a d 转换器和高效的信号处理专用集成芯片 mlx90302 使得温度计可以保证高精 度和高分辨度兼得 mlx90614 由红外热电堆感应器 低噪声放大器 模数转 换器 dsp 数据处理单元和滤波器等多部分器件和电路构成 热电堆获得物体 的温度信号 然后经过低噪声放大器对信号进行增强放大 再把信号送给 a d 转换器 转化输出的数字量经过低通滤波器的滤除杂波处理后输出 最后就可以通 过 smbus 接口读取保存在 mlx90614 温度传感器内部 ram 存储单元中的测量 温度结果 2 3 本章小结 本章主要完成了对任务的需求分析和对两种温度传感器的选型 首先 本文 分析了项目的开发背景 提出了对测温系统的性能指标的具体要求 然后 根据 这些要求 完成了对系统的总体框架的构建 使任务的设计思路更加清晰明了 最后 根据之前的分析结果 选择了两款符合测温系统性能要求的温度传感器 ds18b20 数字式温度传感器和 mlx90614 红外温度传感器 并分别简单介绍了这 两款传感器的性能指标和结构特点 11 3 温度传感器的硬件设计 系统的测温模块主要分为两大部分 数字式测温模块和红外测温模块 两者 分别使用了 ds18b20 数字式温度传感器和 mlx90614 红外温度传感器 本章硬件 设计的主要工作是根据这两款传感器的工作原理和使用要求 围绕这两款温度传 感器芯片搭建传感器电路及外围辅助电路 3 1 ds18b20 的硬件设计 为了精准的检测到微波平台的各处温度值 设计中采用了四片 ds18b20 数字 式温度传感器 分别置于平台和机箱内不同位置 它们之间采用单总线连接的方 式进行 一线式 通信 3 1 1 单总线的特点 ds18b20 通过达拉斯公司独有的单总线协议依靠一个单线端口通信 3 当这 条单总线上存在多片 ds18b20 温度传感器时 微控制器通过读取每片芯片内部固 化存储的 64 位产品序列号来辨别 同时考虑到信号控制线的负载驱动能力和保 证数据通信的稳定性 通常会连接一个阻值为 4 7k 的上拉电阻给控制线 ds18b20 采用单总线连接方式还有另外一个功能特点 无需外部电源供电 一方面它可以通过在电源引脚接上一个外部电源进行自主式的供电 另外一方 面 它也可以使用寄生电源方式进行供电 当芯片处于这种模式时 vcc 管脚和 gnd 管脚相连之后直接接地 也就是这种模式下 ds18b20 可以工作在不需要外部 电源供电的状态 这对于使用 ds18b20 进行远距离测温是非常有用的 但是这需 要对单总线进行强上拉 需要总线在温度转换期间总保持高电平并且不适用于测 量高于 100 的温度值 所以在设计中采用了外部电源供电 这样设计简单 易 于操作使用 3 1 2 ds18b20 的硬件连接 如图 3 1 所示 四片芯片的数据管脚 dq 都统一连接到一根与微控制器管 脚 pb8 相接的控制线上 传感器的另外两个管脚用于对传感器供电 分别为电源 vcc 和接地 gnd 管脚 考虑到电路设计和程序设计要求相对简单 测量温 度范围要求相对更加全面可靠 系统选择了外部电源方式对传感器进行供电 同 12 时为了提高管脚对传感器芯片的驱动能力 需要对控制线进行上拉处理 上拉电 阻为 4 7k 3 2 mlx90614 的硬件设计 对瓶体内液体的非接触式测温是设计的重点 对传感器的性能要求比较高 设计中采用的 mlx90614 红外温度传感器不仅性能出众 而且设计简单 它支持 两线串行通信协议 并且采用了符合工业标准的 to 39 封装形式 一共有四个外 部引脚 分别为 scl 串行时钟 sda 串行数据 vcc 电源 和 gnd 接地 管脚 四个管教的功能描述如表 3 1 所示 mlx90614 有箝位二极管 连接在 sda scl 和 vcc 之间 以提供给 mlx90614 器件电源 而使 smbus 线不会成为负 载 如图 3 2 所示 传感器的 scl 和 sda 管脚分别与微控制器的 pd2 和 pd3 相连 接 为了进一步提高管脚的驱动能力和保证信号的稳定 对传感器以上两个管脚 都选择了上拉处理 表 3 1 引脚功能描述表 引脚 功能 vss 接地 scl 两线串行通信协议中的串行时钟控制线 sda 串行数据总线 完成数字信号的输入和输出 图 3 1 ds18b20 硬件连接图 13 vdd 外部电源电压 3 3 其它模块硬件设计 3 3 1 电源模块硬件设计 测温系统要求可以实现 双电源 切换 即系统可以通过直流电源供电 也 可以通过电池供电 两者之间可以自动切换以保证系统至少正在使用其中的一种 供电方式 为此设计了多种实际电路 实验了它们的实际效果 如图 3 3 所示 这就是为验证设计的一个能同时使用其中的两种输入电源对测温系统开发板进 行供电的电路 当二种电源共同存在时 第一输入电源具有优先供电权 q1 为 p 沟道增强型 mosfet q1 的主要作用是用来阻止电流从第一输入电源反灌流入第 二输入电源 否则会严重毁坏第二输入电源 这是十分危险的 肖特基二极管 d2 的作用是阻止第二输入电源通过电阻 r10 消耗能量 为了达到设计电路的目 的 第一输入电源应该是输出电压比较高 输出电流大的 相反地 第二输入电 源应当是输出电压比较小 输出电流小的电源 为此我们选择 5v 直流电源作为 第一输入电源 4 5v 3 节干电池 电池电源作为第二输入电源 基于 mosfet 的开启电压和击穿电压 采用了 ao3401 型贴片式的 p mosfet 肖特基二极管选 用的是表面贴式的 ss14a 二极管 stm32 系列芯片的正常工作电压为 3 3v 为了 让芯片正常工作要求切换后的输入电压经过稳压调整芯片后变为 3 3v 直流输 入 所以选择了 ams1117 3 3v 这一版本的稳压器芯片进行电压的转换 它的推 荐工作电压为 5v 输出电压为 3 3v 输出电流为 10ma 为了保证芯片的稳定性 图 3 2 mlx90614 的硬件连接图 14 一般会在输入输出端接入一个 22uf 的钽电容 3 3 2 液晶模块硬件设计 考虑到温度数据显示的为数字和字母 所以液晶模块选择的是 lcd1602 液晶 模块 它主要由点阵字符组成 显示的内容最多为两行 每行最多可以显示 16 个字符 液晶模块一共有 16 个引脚 其中包括 电源和接地 偏压调整 寄存 器选择 读写信号线 使能端 8 根双向数据端以及背光电源正负极 液晶模块 数据手册上提供了 4 线连接方式 也就是说可以只使用 7 个输入输出管脚就可实 现显示 这 7 个管脚分别是 3 个控制口 rs r w e 和数据线 db7 db4 这样在 写入一字节的数据或指令的时候 先写高半字节 再写低半字节 偏压控制管脚 主要用来调节显示器的对比度 如图 6 5 所示 只需要将此管脚接入一 10k 的 可调电阻即可 图 3 3 电源模块电路图 图 6 5 液晶 lcd1602 硬件连接图 15 3 3 3 系统硬件设计效果 3 3 本章总结 本章主要是完成了温度测量系统中温度传感器和相关模块的硬件电路设计 首先对数字式温度传感器 ds18b20 的 一线式 连接方式进行了简单介绍 然后 阐述了 ds18b20 的传感器电路如何连接并给出了设计电路图 接着 本章叙述了 红 外 温 度 传 感 器 mlx90614 的 硬 件 构 造 和 硬 件 管 脚 与 微 控 制 器 芯 片 stm32f103vct6 的连接情况 并同样给出了硬件电路连接图 最后 给出了系统 测试开发板的制作效果 通过本章的硬件设计 系统的传感器硬件平台完成了构 建 图 6 6 系统测试开发板 16 4 温度传感器的软件设计 系统软件设计中对温度传感器模块的的软件设计也分为对数字式温度传感 器 ds18b20 的软件设计和对红外温度传感器 mlx90614 的软件设计两部分 本章 的主要工作就是根据两款传感器芯片的通信协议和功能特点 设计程序框架图以 及编写程序代码 4 1 ds18b20 的软件设计 多片 ds18b20 传感器同时连接到一根控制总线上 它们与微控制器之间的数 据通信主要是通过 一线式 通信协议完成的 单控制总线严格按照时序通过指 令控制每一片 ds18b20 的温度测量和转换 4 1 1 单总线的流程和命令 单总线的通信协议内容很简单 可以根据功能划分为三个基本的过程 初始 化 操作 rom 命令和功能命令 为了保证每一次操作成功 这三个过程依次进行 不可或缺 否则指令混乱 无法操作 初始化 通过单总线的所有执行操作处理都是从一个初始化序列开 始的 4 初始化的过程主要包括两部分 微处理器发出复 位脉冲 然后传感器进行回应脉冲 这样主机就可以确认 与传感器连接正常并可以开始工作 rom指令的操作 rom指令主要是总线控制器用来检测总线上的器件种类 数 目以及是否连接正常或者达到报警条件等的命令 这些指 令的操作都是建立在读取识别每个器件独一无二的64位序 列号的基础上的 主机只有在发送完rom指令之后方能发送 功能指令 常见的rom功能命令和协议有 搜寻rom f0h 读取rom 33h 配对rom 55h 略过rom cch 等 功能指令 功能指令主要是在主机发送rom指令之后 从机器件响应指 令完成的各种功能 其中主要包括对暂存器的读写复制以 及对温度的转换等 常见的功能指令和协议有 温度转换 44h 写入暂存器 4eh 读取暂存器 beh 和复制暂存器 48h 等 17 4 1 2 ds18b20 的软件程序设计 根据上一节单总线程序流程过程分析 可以得知ds18b20的软件程序设计主要 包括以下几个主要的函数 ds18b20 的初始化和复位函数 ds18b20 rst void 该函数的主要功能是完成对 ds18b20 的初始化和复位 这是芯片工作的第 一步 初始化成功 则继续进行后续测温操作 否则 继续对芯片进行初始化 此函数的具体工作流程如图 4 1 所示 延时函数 delay us u32nus 和 delay ms u16 nms 程序中的延时函数有两个 分别以毫秒和微秒为基本单位 当计数器倒计 时结束时 停止延时 否则 延时继续进行 延时函数的具体工作流程如图 4 2 所示 读取一位数据函数 ds18b20 read bit void 该函数实现的功能是从 ds18b20 芯片中读一位数据给微控制器 具体工作 开始开始 管脚置低电平管脚置低电平 延时一段时间延时一段时间 管脚置高电平管脚置高电平 延时一段时间延时一段时间 初始化完成初始化完成 图 4 1 ds18b20 的初始化 开始开始 设定延时时间设定延时时间t t 继续延时继续延时 延时时间延时时间t t到到 否否 否否 是是 延时结束延时结束 图 4 2 延时函数流程图 18 流程 如图 4 3 所示 图 8 读一位数据流程图 读取一字节数据函数 ds18b20 read byte void 该函数的功能是从 ds18b20 中读取一字节数据发送给微控制器 函数的工 作流程图如图 4 4 所示 写一字节数据函数 ds18b20 write byte u8 dat 该函数功能是从微控制器中写一个字节的数据给 ds18b20 函数的工作流 程如图 4 5 所示 开始开始 管脚置低电平管脚置低电平 延时一段时间延时一段时间 管脚置高电平管脚置高电平 延时一段时间延时一段时间 读取成功读取成功 datdat datadata 延时一段时间延时一段时间 图 4 3 读一位数据流程图 开始开始 i i 8 8 j j dsds1818b b2020