【《基于STM32多路温度巡检控制系统硬件设计案例综述》5800字】

基于STM32多路温度巡检控制系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u24919基于STM32多路温度巡检控制系统硬件设计案例 1162731.1单片机系统设计 1274711.2电源模块设计 3102441.3温度采集电路设计 4144731.4显示电路的设计 6245101.5报警电路设计 665901.6通信模块设计 7284331.7控制电路设计 9283011.8短信报警模块设计 101.1单片机系统设计集成微电路（Chips）的微型可编程逻辑运算装置的各种性能指标在一定程度上决定了其性能。例如，电梯中使用的集成电路集成微电路（Chips）（Single-ChipMicrocomputer）具有完整的控制系统和感应系统，这将使电梯的安全指数更高。当生产性能不同的电梯时，最重要的任务是选择一个更合适的带有集成微电路（Chips）的微型可编程逻辑运算装置。这时，有必要精通集成电路集成微电路中的各种基本结构和特征。带集成微电路（Chips）的微型可编程逻辑运算装置的实现主要具有以下产生作用的机理：可靠性高高可靠性是单集成微电路（Chips）应用的关键原则。集成电路集成微电路主要用于人员类生活和工业生产中的一些自动控制装置。如果系统中的任何问题在任何时候都只会造成工作混乱和时间延迟，但在严重的情况下会导致整个系统瘫痪。并且在各个方面都遭受了巨大的损失[15]。像一些带有单个集成微电路（Chips）的小型系统一样，它主要适用于各种行业和平民的实时控制。当整个系统长时间工作时，要求带有集成微电路（Chips）的微型可编程逻辑运算装置具有良好的稳定性，以在整个操作过程中保持安全性。因此，在这种情况下，安全性和可靠性已成为设计集成电路集成微电路系统的首要任务[16]。高性价比需要高稳定性，但成本必须保持在较低水平，系统的整体经济性必须保持在一定水平。可以使用8位可编程逻辑运算装置，并且可以尽可能使用16位可编程逻辑运算装置。可以使用，并且可以使用尽可能多的高级机装置；不要将其使用于硬件功能，请尝试减少组成原件数量，以便在一定程度上极大升级性价比。非常易于操作且非常易于维护通常，使用集成电路集成微电路（Chips）（Single-ChipMicrocomputer）的用户绝大多数都不是专业的技术工作人员，因此在设计时，请注意用户功能越简单越好。与此同时，在日常使用中，即使有小故障，也要尽量避免故障，让维护人员及时发现故障原因，以便快速排除故障。强大的可扩展性快速的市场技术更替和升级，极大地提升了产物的更新换代。集成电路集成微电路（Chips）（Single-ChipMicrocomputer）的管理设施在不断变化，管理所需的功能也在不断扩展。当设计和控制带有集成微电路（Chips）的微可编程逻辑运算装置系统时，此功能不可用，但是在I/O接口，数据存储装置，程序存储装置等方面存在一定差距，并且还有扩展的空间[17]。作为总结，本文主要选择核心芯片是ARM处理器。系列产品具有如下优势：第一，成本低廉；第二，功耗比较低；第三，数据处理速度比较快。STM32F103是由微软意法半导体（ST）公司推出的一款强大的Linux内核定制芯片，它主要功能是基于cortex-M3内核芯片进行定制开发的。STM32F103系列的微单片机搭载32位数据处理器，因此和51系列的单片机相比来说，它对于实现海量数据的实时采集以及分析与处理更加高效。随着产品的快速更新换代，设计不能完全满足现在时代人们对于传统单片机功能的需求。与其它RM7相比，STM32采用Cortex-M3内核，其性能比其它ARM7内核要强大许多。STM32系列控制系统产品囊括了几乎所有在工业应用的功能程控制系统设计方面所能涉及的功能需求，功能强大的控制系统可以同时做到系统开发低成本、高性能、简单操作，是作为专业软件工程师们在进行设计中和开发应用控制管理系统时的不二之选。而且和之前的各种智能模块单片机相比，它本身具备更加丰富多样的外设，可以特别便捷的和其它各种智能单片机模块建立连接，实现快速进行网络连接通信等多种应用目的，降低了额外配置，需要自行购买外围设备的大量配置成本，包括主频接口的IIC、网络、SPI等等，主频速度最高可达72MHz，是一款性价比超高的基于智能模块单片机系列[18]。由此，在本研究的多路温度巡检控制系统的设计中，控制芯片最终选定的是单片机。在单片机中，有使用32位-M3内核，因而具有高准确度、耗能少等优点[19]。STM32F103ZET6芯片如图1.1所示。图1.1STM32F103ZET6芯片1.2电源模块设计在本系统的设计中，使用的是双路电源模式，一路是稳压电源，它的核心元件是稳压芯片，主要是为单片机模块、显示屏模块、GSM模块等提供稳定的电源；一路是可控稳压电路，它的核心元件是稳压芯片，主要是提供温感器需要的电能，在传感器需要采集温度数据的时候供应电能，在不需要采集温度数据的时候关闭电源供给，这样可以非常有效的节约能源，较低成本投入。一路电源的控制芯片以LT1129-1.3V稳压芯片作为作为核心，在正常工作的情况下，输出电压的最小值与最大值分别为1.8V、30V，能够为1.3V电压提供稳定的输出；一路电源使用-1.3V作为主控芯片，是可控电源，正常运行状态下最小输入电压为4.7V，它正常工作的输入电压最大可以达到40V，能够为1.3V电压提供稳定的输出[20]。如图1.2电源模块图所示，输入端的芯片通过电容接地的方法有效起到对电源的滤波和储存能量的作用，图中通过连接二极管防止因电源接线发生错误而导致设备受损，起到保护芯片的作用。单片机引脚与芯片的端进行连接，在温感器进行温度采集的状态下，通过单片机引脚进行低电平输出，可确保正常运行，使温感器具有所需的电源；若不采集温度数据，通过单片机引脚进行高电平输出，则将进入停止工作的状态。图1.2电源模块图1.3温度采集电路设计该系统旨在将表面温度传感装置用于主要目的是采集温室大棚的环境温度，然后通过传输数据至微温度控制器上来进行数据处理以及分析，最后通过液晶显示模块显示，能够为使用者提供比较准确的温度提示。温度数据采集模块将电机周围环境的所有收集表面温度数据并将其集成并传输到带有用于表面温度处理的集成微电路（Chips）的主控制数字驱动微型控制装置。收集表面温度的主要方法有两种，一种是通过热敏电阻，将它的温度阻抗转化成热敏电阻的温度阻值数值，测得的温度阻抗数值和一个固定的输出电压数值相对应，单片机把输出电压数值替代为温度数值，充分发挥了单片机的A/D数字转化的特性，从而将各种环境条件下的温度数据高效便捷的采集[21]。另一种测量方式更为高效，它是直接通过数字传感装置在表面温度方面，数字表面温度值可以通过表面温度传感装置转换为数字表面温度值，单片机遵循对于与系统间通信有关的协议内容，数字表面温度传感装置将收集到的表面温度数据通过集成微电路（Chips）传送到微型可编程逻辑运算装置，单片机遵循通信的有关协议内容再将温度数据读取出来，以此获取温度数据。鉴于多路温度巡检控制系统在温度采集工作中主要在室温环境下使用，本系统的温度采集元件最终选定的是数字型温感器，温感器存在着许多优势，譬如测温范围广、操作简单、成本低廉、测量精度高等，所以本次系统设计择表面温度传感装置DS18B20。温感器的抗干扰能力突出，能够实现对数据的高精度策略，而且能源消耗特别低。温感器与单片机之间的数据传输，无需借助其它元器件，只要提供一个I/O接口就能实现，宽范围电压供电，电压只要大于1.3V，小于5V，即可正常工作，电压的范围比较宽，DS18B20的测温范围也特别广，达到，并且有着±5℃的较高精度，与环境测温需求相比较，测温范围能够完全覆盖，不仅如此，在社会生产和生活的各个方面都得到了广泛的应用[22]。图1.3温度传感器实物图DS18B20温度传感器的工作原理与之前版本的DS1820温度传感器的工作原理基本一致。主要区别包括两方面，一方面是分辨率伴随不同时段的温度数值导致延时而产生差异，另一方面是延时值的读写位数时间由2s缩小到750ms[23]。测温原理具体见下图1.4：图1.4DS18B20测温原理框图多点组网是DS18B20温度传感器的重要特性，此特性对本系统设计的多点测温功能至关重要，以并联接线的方式，能够实现温度传感器在同一三线上的连接。多路温度传感器采集模块具体可见图1.5：图1.5多路温度传感器采集模块1.4显示电路的设计在多路温度巡检控制系统设计中，为能够让温度数据获得实时显示，并在同一屏幕上同步显示出多区域的温度数据，本设计中用的是TFT-LCD。屏幕上的每个细小显示装置图像颗粒都对应一个显示装置图像颗粒浴缸电子管可以控制显示装置图像颗粒电极的电压来实现点显示的驱动，TFT-LCD屏幕的彩色显示还需要背光膜，均质膜和彩色滤光片的配合。每个显示装置图像颗粒包含红色，绿色和蓝色三种原色。通过配置要重叠的三种原色的不同大小，可以实现不同的颜色。液晶显示屏的方向包括两部分：控制装置和控制电路。通常，驱动电路集成在LCD屏幕内部，而控制装置则通过外部控制集成微电路（Chips）实现。当显示屏显示图像时，扫描方式一般是以上向下和以左及右。其电路图如图1.6所示：图1.6TFT-LCD电路图1.5报警电路设计当多路温度巡检控制系统温度检测器检测到超过系统设置的温度阈值时就会触发系统自动报警，压电式蜂鸣器是本文中采用的主要报警元器件。当系统的检测模式为自动布防时，整个监控系统内部处于温度检测报警状态，当监控大棚内的温度大于或小于系统预设值时，单片机的引脚将被设置为一个高电平，三极体导管的Q1导线接通，压电式蜂鸣器报警，同时，有效发光源在二极管上的D1跟随红灯闪烁，直至系统用户手动取消声光警报，或者环境温度自动回到正常范围时，声光报警才会停止。多路温度巡检控制系统的声光报警电路如图1.7。图1.7声光报警电路图1.6通信模块设计本文采用Modbus现场总线技术作为通信模块。Modbus是SchneiderElectric在1870年代后期开发的一种串行通信协议，该Modbus协议用于各种可编程的高逻辑数字驱动微型控制装置，自动化设备提供了可靠的通信方法。在Modbus串行连接拓扑网中，通信系统使用主站和拓扑网从站之间的拓扑网通信结构。在拓扑网中，拓扑网主机和节点中分别只有一个拓扑网设备。Modbus拓扑网协议用于参与拓扑网通信。从这些节点，在每个系统从属节点之间保留一个唯一的拓扑网地址。Modbus指定协议组中主机请求检测和节点检测的文件格式，函数源代码，错误代码和域地址，如下表1.1所示：表1.1主节点请求报文格式字节数11222响应消息包括从站地址，功能代码，注册表数据等。在传输模式下，并非所有从属节点都响应系统主要节点传输。在其他拓扑网中，每个通信节点都使用“对等技术”进行通信，因此所有节点都可以与其他节点进行通信。在单播模式下的通信过程中，每个节点都可以充当系统主要节点或系统从属节点。节点内提供了多个通道，以允许同时进行传输过程。响应消息包括从站地址，功能代码，注册表数据等。在传输模式下，并非所有从属节点都响应系统主要节点传输。在其他拓扑网中，每个通信节点都使用“对等技术”进行通信，因此所有节点都可以与其他节点进行通信。在单播模式下的通信过程中，每个节点都可以充当系统主要节点或系统从属节点。节点内提供了多个通道，以允许同时进行传输过程。虽然任何节点都可以开始传输，但由于它只能充当系统主要节点，并等待您接收来自指定从属节点的响应。当指定的从属节点收到消息时，它将根据Modbus协议生成响应格式，并将其返回给系统主要节点。STM32F103ZET6单片机利用外接RS-485转换器，采用UART3，实现RS-485接口。随着现代工业过程自动化应用水平迅速提升。但由于在各种工业控制过程等环境嘈杂，容易引起要发送的射频信编号的频率发送。此外，RS-232系统间通信模式下的最大数据传输距离相对较短，因此在不需要增加数据缓冲区的条件情况下最高只能达到15米的距离。数据传输方式为RS-485标准采用差分传输，差分属于数据系统间通信传输，它的一些基本优点主要体现有：差分操作相对简单且成本低、拥有极强的噪声抑制，传输数据之间的距离长，差分数据传输的水平较高等。基于RS-485的通信传输方法具有许多优点，例如，距离长，节点多次通信（通常最多256个），数据传输线宽且价格低廉。这是一种现代工业系统间通信应用中进行传输无线数据的系统间通信标准是第一选择[24]。芯片与单片机电路连接原理具体可见下图1.8。其中，单片机的有两个引脚：、PB11，单片机的引脚分别连接芯片的引脚。RS-485差分传输线是ADM2582芯片的A、B两个引脚，Modbus从站设备与A、B两个引脚相连接。图1.8ADM2582E与STM32F103ZET6连接电路原理图表1.2ADM2582E主要引脚功能描述表名称功能描述GND逻辑端电源地VDD逻辑端供电电源RxD输出接收/RE接收使能控制，低有效DE发送使能控制，高有效TxD输入发送本设计中，Modbus协议的接口选择的是机用485接口，通信收发芯片选择的是ADM2582E。1.7控制电路设计继电器模块作为多路温度巡检控制系统中的执行控制部分，可以说是调控温室大棚温度的关键器件。根据本节的系统设计的现实需要，每个控制单元都添加一个具有标准Modbus协议的双向继电装置系统模组，如图1.9所示：图1.9继电装置系统模组的物理图本次系统设计中采用的继电装置系统模组主要由两部分组成，第一部分是输入端子，第二部分是输出端子。输入端子包括电力能源（E-Power)输入（VCCGND），信编号输入（IN1，IN2）和通信端口RS485（A，B）。用作公共端子，两个干节点输出是输出端子，通常处于关闭状态，否，它过于打开。继电装置系统模组的电气特性如表1.4所示：表1.4继电器模块的电气特性表名称参数输入电源DC9-24V输入信号DC3-24V输出电流10A通信协议RS485Modbus协议系统间通信速率115200kps待机静态功耗<1mA指示灯系统间通信、输出指示 在本驱动系统整体设计中，继电器有两个，每个继电器都有一个红灯，当温度高于设置的阈值范围时，其中一个继电器启动，亮起红灯并发出响声；当温度低于设置的阈值范围时，另外一个继电器启动，亮起红灯并发出响声。由此，用户使用时可以由通信指示装置轻松观察是否存在通信。因此，根据种植要求，在检查相关辅助设备时，必须按照图1.10所示的继电装置系统模组的电气特性连接继电装置系统模