基于ARM的多点温度采集及记录仪.doc

西安航空职业技术学院 毕业设计论文 1 基于 ARM 的多点温度采集及记录仪 摘要 现在很多地点需要多路温度采集 比如油罐中温度需均衡 钻井机探头各 方向温度变化等 本设计可运用于以上场地中 操作员可以直观的看见个点的 温度变化 以采取必要的措施 基于 ARM 的多点温度采集及记录仪有功耗低 记录方便 直观人机界面 低成本等特点 可以灵活运用于各种场所 它采用 先进的 ARM 内核的 32 位单片机 保证了通常的处理速度 2 4 寸 16 位彩屏是 其独到的特点 此外 记录的数据会以文本文档格式存储在多媒体 SD 内 一目 了然地观察数据变化 关键词 多路温度 彩屏 ARM SD Abstract Many sites require multi channel temperature acquisition such as tank temperature balanced drilling machine the temperature probe This design can be used in above ground the operator can visually see points of temperature change to take the necessary measures ARM based multipoint temperature collecting and recording apparatus having low power consumption convenient to record and intuitive man machine interface low cost etc Can be flexibly used in various places It uses advanced ARM core 32 bit single chip microcomputer to ensure the usual processing speed 2 4 inch 16 color is its unique characteristics In addition the recorded data to a text document format is stored in a multimedia SD stick out a mile to observe the changes of data KeyKey words words Multi channel temperature TFT ARM SD 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 2 目目 录录 1 1 方案论证与比较方案论证与比较 2 1 1 温度传感器部分 3 方案一 3 方案二 3 1 2 显示部分 3 方案一 3 方案二 3 2 2 系统设计系统设计 3 2 1 总体设计思路 4 2 2 电路设计 4 2 2 1 处理器电路 4 2 2 2 温度传感器电路 5 2 2 3 显示器电路 6 2 2 4 存储器电路 6 2 2 5 电源电路 7 3 3 软件设计软件设计 8 3 1 编程原则 8 3 2 层面 9 3 2 1 ucgui 使用 9 3 2 1 fatfs 使用 9 4 4 测试结果分析测试结果分析 10 结 束 语 10 文 献 11 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 3 1 1 方案论证与比较方案论证与比较 1 11 1 温度传感器部分温度传感器部分 方案一方案一 有热敏电阻与三个精密电阻组成电阻桥 通过差动放大器对信号进行放大 再通过 12 位 AD 转换器取得数字量 通过线性函数关系换算出温度值 本方案 特点是测量温度范围宽 但是 由于本设计需多路温度测量 必需 ADC 达到五 个通道以上 此外 模拟器件也加大电路调试难度和日后的经常维护 方案二方案二 采用数字一体化传感器 DS18B20 独特的一线接口 只需要一条口线通信 多点能力 简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电 测温范围 55 125 分辨率 12 位 精度 0 2 接口原理简单 无 需调试即可实现温度采集 图 1 1 21 2 显示部分显示部分 方案一方案一 LCD12864 是一款带有中文字库的 LCD 显示屏 最大的特点是功耗低 即使在无背光的情况下 可以清晰的看见显示内容 但是 它的分辨率只有 128 64 不可能同时显示五个温度数据 这样只有分时显示 牺牲了编程的简 单性 方案二方案二 现以二十一世纪 彩屏时代的到来加速了电子设备的前沿性 彩色显 示 高分辨率 是人机界面达到优化 更能显示出很多的信息 本方案采用模 组型号为 TM240320C1NFWGWC G 1 的 TFT 显示屏 参数为 分辨率 240 320 65536 色 控制器 ili9325 16 位 8080 总线驱动 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 4 2 2 系统设计系统设计 2 12 1 总体设计思路总体设计思路 根据设计要求 结合考虑过的各种方案充分利用模拟和数字系统的各优点 发挥其优势 画出了以下系统总框图 温度 2 温度 3 温度 5 温度 1温度 4 图 2 2 22 2 电路设计电路设计 2 2 12 2 1 处理器电路处理器电路 处理器采用意法半导体设计生产的 STM32F103VE 它采用英国 ARM 公司设 计的 CROTEX 内核 90nm 制程 最高时钟频率 72MHZ 片内 512KB flash 64KB ROM 该器件 100 脚 LQFP100 封装 外围电路如下图所示 STM32F103 SD 存储器 TFT 显示 器 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 5 图 3 2 2 22 2 2 温度传感器电路温度传感器电路 温度传感器采用 DALLAS 公司生产的 DS18B20 在出厂时每个传感器会附上 全球唯一的器件 ID 号 被设计中就采用读取内部 ID 号的方法来识别温度数据 是从哪个传感器上传输来的 五个传感器数据线接同一 IO 口 MCU 管脚位 PA0 五个传感器 ID 号分别如下表所示 表 1 传感器连接图如下所示 图 4 由于 DS18B20 是数字传感器 因此读出来的温度值是有两个字节组成的 假设读出来的两字节分别是 X 高字节 和 Y 低字节 则计算公式位 温度传感 器编号 ID 号 16 进制 1 号 28 DB 30 84 03 00 00 95 2 号 28 5E 29 84 03 00 00 1B 3 号 28 B2 3F 84 03 00 00 AF 4 号28 18 46 84 03 00 00 A2 5 号28 DD 18 84 03 00 00 E1 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 6 Temp X 12 Y 0 0625 2 2 2 2 3 3 显示器电路显示器电路 TFT 屏采用 TM240320C1NFWGWC G 1 共有 36 跟脚 彩屏供电电压 3 3V 背光点压 12V 通过 MI0 MI1 MI2 MI3 的电平匹配来选择通行方式 分别为 SPI 18bit 并行 16bit 并行和 8bit 并行 本设计采用 16bit 并行 将屏地址 挂载到 STM32F103 总线上 可达到一定刷屏速率 液晶屏与控制器采用 intel8080 总线方式传输 连接方式采用控制器 FSMC 静态存储控制器 在控制其内部彩屏的寄存器地址是 0 x60000000 数 据地址是 0 x60000002 连接电路图如下图所示 图 4 图 5 2 2 42 2 4 存储器电路存储器电路 现在很多设备存储采用 24C02 k91g08g0uom 等的 E2PROM 或 FLASH 存储器 这样的缺点是没有灵活性 需要上位机或专用设备从中提取信息 若是设备不 慎损坏记录的信息就很难提取 加大了劳动成本 本设计采用多媒体存储卡来 存储记录信息 它的有优点是应用领域广泛 任何电脑 手持设备等多可以从 中查询记录信息 浅显易用 多媒体卡种类很多 有 CF 卡 SD 卡 mini SD 卡 micro SD 卡等 但 大部分传输方式是一样的 有 SPI 和 SDIO 两种传输方式 前者简单可实现大部 分功能 后者传输速率快适合大容量媒体数据传输 介于本设计数据量不大 采用 SPI 方式连接 写传输速率 750kb s 媒体卡选用 mini SD 卡 供电电压 3 3V 存储器电路原理图如下所示 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 7 图 6 2 2 52 2 5 电源电路电源电路 电源电路是整个电路的基础 整个系统中如果电源电路不稳定那么这也是 失败的 本设计中使用开关电源和线性稳压器相结合的办法 是的电源各方面 都有优势 设计中系统需 3 3v 给单片机 SD 卡 温度传感器 和液晶屏供电 12v 需给液晶屏背光供电 因为背光是由 4 个高亮 LED 发出的 系统以 3 3v 电源为主体 12V 电源由 DC DC 将 5v 升至 12v DC DC 核心器 件是 MC34063 整个工作流程是 市电由变压器 全桥整流 滤波后得到 5v 直 流电 经过 LM1117 线性稳压器得到 3 3V 5v 直流再有 DC DC 升压到 12V 基 本原理图如下所示 图 7 已知输入电压 Vin 5V 输出电压 Vout 12V 输出电流 20mA 输出波纹电压 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 8 10mA 工作频率 100KHZ 则计算公式如下 Vout 1 25V 1 R1 R2 Ct 定时电容 决定内部工作频率 Ct 0 000 004 Ton 工作频率 Ipk 2 Iomax T toff Rsc 限流电阻 决定输出电流 Rsc 0 33 Ipk Lmin 电感 Lmin Vimin Vces Ton Ipk Co 滤波电容 决定输出电压波纹系数 Co Io ton Vp p 波纹系数 固定值参数 Vces 1 0V ton toff Vo Vf Vimin Vimin Vces Vimin 输入电压不稳定时的最小值 Vf 1 2V 快速开关二极管正向压降 可得 Ct 260 pF Ipk 114 mA Rsc 2 632 Ohm Lmin 228 uH Co 117 uF R 180 Ohm R1 1 5k R2 13k 12 08V 3 3 软件设计软件设计 3 13 1 编程原则编程原则 CROTEX M3 内核的 ARM 多数用 IAR 和 RMDK 两种开发环境 现阶 STM32F103 多数使用 RMDK 开发 本次使用该软件建立工程 由于程序代码量较 大 采用模块化移植的方法 这样的好处是减少了开发周期 整个程序中分三 层 分别是用户层 中间层和底层 用户层主要是主函数起调用个模块和分配 作用 中间层为 fatfs 和 ucgui 前者是文件管理 后者是图形管理库 底层 包括 sd 驱动 彩屏驱动 温度传感器驱动等 作为一款 ARM STM32f103 并未加入 MMU 所以它不能向 SCS2440 那样 可以运行嵌入式操作系统 只可以加入小型 shishi 系统如 ucos 但是介于面 向非消费领域 信息快速 多功能化 复杂上来说 个人想法是不加入系统也 可以的 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 9 主函数 FatfsUcgui 彩屏驱动SD 驱动传感器库函数 用户层 调用层 底层 图 8 3 23 2 层面层面 3 2 13 2 1 ucguiucgui 使用使用 Ucgui 是 ucos 公司编写的一套图形管理绘制程序 他是一种开源的商业程 序 任何人多可以运用 它可以调用彩屏驱动在屏上任意坐标 任意颜色画圆 画方 显示英文 显示图片 管理视窗等 移植比较方便只需调用底层画点 读点函数 函数名为 void ili9320 SetPoint u16 x u16 y u16 point 画点 u16 ili9320 GetPoint u16 x u16 y 读点 图 9 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 10 3 2 13 2 1 fatfsfatfs 使用使用 Fatfs 是由英国一名程序员编写的文件挂在系统 他可实现对存储设备 的文件管理 功能有对文件的建立 删除 复制 重命名等 调用底层函数有 u8 SD WriteMultiBlock u32 sector const u8 data u8 count SD Read Bytes unsigned long address unsigned char buf unsigned int offset unsigned int bytes 意思分别是写多个扇区 读多个扇区 图 10 4 4 测试结果分析测试结果分析 经过测试 基于 ARM 的多路温度采集与记录仪动起来了 屏幕上清晰可见 五路传感器所采样的温度值 但是随后发现温度变化缓慢 随后想起调用读取 温度函数是在时间函数里的 这样必然采样速率为 1S 次 随后更改了程序 效果有所改善 在测试中还发现在相同温度下 每个温度点温度数据有 0 25 度的偏差 翻 阅数据手册才了解到偏差在 0 5 度内是必然的 这让我吃了一颗定心丸 在测试由于采用求平均值的方法来判断最高温度变化 所以温度基准为五 路温度的品均值 假如五路温度同时升高 该记录仪是无法判断最高温度点的 这需要有待改进 但是在通常环境中侧方案是可行的 通过此次测试结果分析 基本功能可实现 数据记录完全没有误差 唯一的缺点是量程不高 也就是说 在室温或低温下是可以正常采集的 但是如果在超高温下使用必然会损坏器件 的 比如钢铁融化炉中 这是温度传感器所决定的 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 11 结结 束束 语语 基于 ARM 的多路温度记录仪完成了 经过两个月的设计于制作后 该记 录仪可以在要求的误差 量程内完成温度显示与记录 顺利的将记录数据从电 脑中打开 并以时间所对应的五路温度逐一查看 在现代坏彩屏现实中 我们 可以清晰 无乱码的观察数据变化 并且五路温度值显示位置与实际温度探头 位置一一对应 在人机显示上虽然可以达到很好的融洽性 但是不能显示中文 是最大的遗憾 由于时间问题 我并没有完全掌握 UCGUI 的所有功能 所以只 能以英文显示为主了 在今后中我会把图形库了解渗透 不断改进温度记录仪 的显示部分 基于 ARM 的多路温度记录仪完成后 我感叹万千 更有喜有悲 在两 个月毕业设计中 我得到了很多人的热心帮助 特别是指导老师的指点 从中 我学到了很多知识 不仅如此还把所学知识灵活的运用起来 让我感觉到知识的 重要性 我会不断努力 不断滚固专业技能 提高自己 贡献力量 此次论文 的完成给我三年的大学生活画上了完美的句号 在今后的职业生涯是我的新一 次的挑战 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 12 文文 献献 1 红牛 红牛开发板使用手册 M 2009 版本 翻译者 出版地 深圳 2 STM32 固件库使用手册的中文翻译版 pdf 2008 意法半导体公司意大利 出版地 意 大利 3 深入解析 STM32 USB FS Device Lib 库 pdf 2008 意法半导体公司意大利 出 版地 意大利 4 ds18b20 datashe