基于STM32的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

張 釗，孟紫騰，劉華宇，雷 遠(yuǎn)

(北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，科研人員對各種物理環(huán)境下數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都有了進(jìn)一步要求，尤其是模擬信號的采集更是科研人員研究的重點，溫度信號就是一種常見的模擬信號。傳統(tǒng)的溫度計存在一定的缺陷，不能滿足電子實驗的要求。隨著單片機(jī)的發(fā)展，各種基于單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)逐漸代替了傳統(tǒng)溫度計。AD590溫度傳感器作為一種應(yīng)用較為廣泛的電子溫度傳感器，其性能穩(wěn)定、精度較高、抗干擾能力強(qiáng)。除此之外，筆者采用了目前應(yīng)用較為廣泛的STM32單片機(jī)，該單片機(jī)功能較為強(qiáng)大，外設(shè)資源豐富，且集成了較多的功能，可以滿足本實驗的設(shè)計要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

溫度測量系統(tǒng)主要由主控電路、溫度采集電路、信號放大電路、溫度顯示電路組成。主控電路由STM32F103ZET6最小系統(tǒng)電路組成，是系統(tǒng)的核心部分。溫度傳感器AD590負(fù)責(zé)采集溫度信號，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，但是直接輸出的電壓信號含有較多的噪聲，需要經(jīng)過OP467運算放大器濾波處理，以去除噪聲。處理過的電壓信號通過STM32單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)[1]，最后顯示在LCD顯示屏上。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框架

1.2 主控制器

STM32F103ZET6是一款基于CORTEX-M3內(nèi)核的高性能、低成本的芯片。STM32單片機(jī)硬件資源極為豐富，擁有兩個串口、多個IO口用以擴(kuò)展。同時，開發(fā)板自帶了許多例程可供參考，極大地方便了設(shè)計者的使用。本設(shè)計不需要使用整個開發(fā)板，只需要STM32的一個最小系統(tǒng)板。

STM32F103ZET6擁有的資源包括64KBSRAM、512KBFLASH，能夠充分滿足本設(shè)計的需要；還擁有8個定時器、1個USB、3個12位ADC以及112個通用IO口。STM32F103ZET6外設(shè)資源非常豐富，尤其是其自帶的12位ADC采樣[2]，其采樣速度可達(dá)1μs，這是本設(shè)計選擇該單片機(jī)作為核心控制器的原因之一。

1.3 溫度采集電路

本設(shè)計所選用的溫度傳感器是美國亞德諾公司生產(chǎn)的AD590。相比一般溫度傳感器，AD590是一種輸出電流型溫度傳感器[3]，其輸出電流與絕對溫度成比例，且輸出穩(wěn)定。其具體參數(shù)如表1所示。

AD590具有較好的耐壓性，其最大正向電壓可達(dá)44 V，因此電源異常或者引腳接錯時，器件不會損壞。

表1 AD590性能參數(shù)

AD590是一種已經(jīng)芯片化的溫度傳感器，其工作原理是將溫度轉(zhuǎn)換為電流輸出，輸出電流以絕對溫度零度為基準(zhǔn)，溫度升高1 ℃，其輸出電流就會升高1 μA。因此當(dāng)溫度為常溫25 ℃時，其輸出電流為Iout=(273+25)=298 μA。

溫度采集電路如圖2所示。

圖2 溫度采集電路

在上述電路中，溫度傳感器的輸出電流I=(273+T)μA(T為此時環(huán)境溫度)，因此電壓V=(273+T)μA×10K=(2.73+T/100)。在這里，電流I轉(zhuǎn)換成電壓待測量。為了測量電壓但又不讓輸出電流I分流，需要接入一個電壓跟隨器以保證待測量電持不變，即V2等于V。

上述電路中還有一個穩(wěn)壓二極管，可以有效濾除電源所帶的雜波，使輸出更加準(zhǔn)確。

由一般的運算放大器運算公式得輸出Vo=(V2-V1)×(100K/10K)=T/10。即如果溫度傳感器測得的溫度是27 ℃，此時的輸出電壓就是2.7 V，接著將輸出電壓接單片機(jī)的ADC，經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后輸出的值就和此時的攝氏溫度呈線性關(guān)系。

以上電壓跟隨器和差動放大器可以使用一個OP467搭建出來。OP467是一種四通道高速運算放大器，具有失調(diào)電壓低，單位增益穩(wěn)定且工作功耗較低的優(yōu)點，其寬帶寬為28 MHz，電源工作電壓為±5 V至±15 V，滿足本設(shè)計的需要。

如圖3(a)所示，測得OP467輸出端的電壓是2.986 V，溫度傳感器測得的溫度就是29.86 ℃。在TFTLCD顯示屏上，此時的溫度為29.79 ℃，在誤差允許范圍內(nèi)。如圖3(b)，當(dāng)用手捏住溫度傳感器時，溫度升高，此時的溫度顯示是30.57 ℃。

1.4 溫度顯示電路

溫度顯示電路采用TFTLCD顯示模塊，TFTLCD模塊采用16位的并行方式與外部連接。TFTLCD顯示屏具有320×240的分辨率，可以顯示彩色圖片。該顯示屏支持8080并行接口模式，分別如下。

CS：TFTLCD片選引腳，連PG12；WR：向TFTLCD寫入數(shù)據(jù)，連PD5；RD：從TFTLCD讀取數(shù)據(jù)，連PD4；RES：對TFTLCD進(jìn)行復(fù)位操作，連PG0；D0-D15：是16位雙向數(shù)據(jù)線；DC：讀寫/命令數(shù)據(jù)標(biāo)志(0代表命令，1代表數(shù)據(jù))。

8080并口模式的具體讀寫過程：首先判斷要寫入或讀取的數(shù)據(jù)的類型，從而設(shè)置DC的高低，高為數(shù)據(jù)模式，低為命令模式；其次，拉低CS信號，設(shè)置SSD1306，然后根據(jù)實現(xiàn)設(shè)置的DC命令最終確定是“讀”還是“寫”。最后，在RD的上升沿，將數(shù)據(jù)存入到D0-D7數(shù)據(jù)鎖存器中；在WD的上升沿，將數(shù)據(jù)寫到SSD1306中。

圖3 溫度測量顯示

TFTLCD顯示模塊在8080模式下進(jìn)行讀寫操作時，有時候需要加一個“讀”命令。因為在讀取真正的數(shù)據(jù)之前，往往需要將所讀到的第一個數(shù)據(jù)舍去不要，從第二個開始才是真正的數(shù)據(jù)，這樣才能使得頻率相匹配。

2 軟件設(shè)計

2.1 初始化

單片機(jī)程序首先需要進(jìn)行GPIO口初始化配置，將PA1配置為ADC的第0個采樣通道，PG12,PD5,PD4和PG0為TFTLCD顯示屏配置，控制信號輸出。

2.2 數(shù)據(jù)的采集與處理

在本設(shè)計中，軟件設(shè)計最主要的部分是ADC采集程序的編寫。首先選定ADC通道，STM32F103ZET6型號的單片機(jī)共有3個ADC通道(ADC123),筆者選擇了ADC1通道；其次，復(fù)位ADC1通道，接下來就是對ADC1通道的配置，分別選擇ADC1工作在獨立模式、選擇單通道單次轉(zhuǎn)換模式、選擇ADC數(shù)據(jù)右對齊、選擇規(guī)則轉(zhuǎn)換的ADC通道數(shù)目；這些基礎(chǔ)配置設(shè)置完畢后，還需要一個轉(zhuǎn)換函數(shù)ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 )，即可完成對端口電壓的采集。最后對ADC1使能。

此外，為了保證采集的精度，筆者還編寫了一個函數(shù) Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)，可進(jìn)行times次轉(zhuǎn)換，取平均值，以提高采集的精度。

3 結(jié)語

本文的溫度傳感器為AD590，該溫度傳感器在測量溫度時可以將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成溫度值；同時以STM32F103ZET6為主控制芯片，STM32單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器可以采集溫度信息經(jīng)芯片處理輸出在LCD顯示屏上。該系統(tǒng)精度高、輸出穩(wěn)定，可以滿足日常工程實踐的需要。