基于STM32的温度监控系统研究设计Word下载.docx
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Thepaperfirstdescribestheresearchbackgroundandthepresentsituationofthetemperaturemonitoringsystemathomeandabroadmadeageneralintroduction,andthenfocusonusingARMSTM32CortexM3kernelcontrolleroftemperaturemonitoringismadeindetail.Measuredenvironment,monitoringandcontrolsystemismainlytotesttemperaturechangeinordertoachievetheidealcontroloutsideambienttemperature.
Forhardware,Thefunctionofeachmoduleispresented,includingpowersupply,datacollectionandthecentersystemandsoon.TheCPUwiththearchitectureofARMseriesM3kernelSTM32ascontrolcenter,whichiscurrentlyARMprocessorseriesisthemostwidelyused.SensorUSESistheUnitedStatesDallasDS18B20,highprecision,simpleperipheralcircuit.Inaddition,theprocessingcircuitthroughtheworkingstateoftherelaycontroltemperatureriseandotherequipmentinthetruesenseofgreenhousetemperaturemonitoring.DataforthecurrenttemperaturevaluebutbyTFT3.2inchcolorscreendisplay,moreintuitiveeffecttostaffThewholehardwaresystemcontrolledbytheprocessortoachievereasonablecoordinationworkingcondition.
Forsoftware,therealizationofeachfunctionmoduleprogramming.Inadditiontothewritingofthemicrocomputer,alsosuccessfullyusinggraphicalprogrammingtechnology.Keyschedulingandmodularprocessingofthemainprogram,latefordebugging,maintenance,haveverygoodeffect.
Thispapermakefulluseofcurrentadvancedtechnology,usingtheembeddedmethod,realizethereal-timemonitoringandcontrolofthetemperaturebycomputer.Designandimplementasetofefficientandstable,theoperationissimpleandthetemperaturemonitoringsystemwithhighreliability,madecertaincontributionfortemperaturemonitoringtechnology.
Keywords:
Anembeddedsystem;
STM32;
DS18B20;
Labview
日泉
目录
摘要 I
Abstract II
目录 - IV
第一章绪论 1
1. 1研究背景 1
1. 2温度监控技术在温室中的应用 1
1.3国内外温度监测情况 2
1.4课题研究内容 3
1.5课题研究意义 3
1. 6本论文结构安排 4
第二章嵌入式系统简述 5
2. 1嵌入式系统概念 5
2. 2嵌入式系统开发过程 5
2. 2.1嵌入式芯片的选择 6
2.2.2硬件的配置 6
2.2.3BootLoader的移植 6
2.2.4系统的裁减 7
2.2.5系统移植 7
2.2.6应用程序开发 7
2.3STM32芯片介绍 7
2.3.1总体性能 7
2.3.2STM32F103VET6整体优势 8
2. 4本章小结 9
第三章总体方案设计 10
3. 1系统概述 10
3. 2总体方案架构设计 10
日录
3. 2.1设计原则 11
3-2.2通信方式选择 U
3- 2.3编程语言选择 12
3. 2.4温度模块选择 12
3. 3本章小结 15
第四章硬件系统设计 16
4.1硬件结构框图 17
4. 2处理器模块 17
4. 2.1引脚功能 17
4. 2.2系统复位 17
4.2.3时钟控制(RCC) 18
4- 2.4输入输出端口 22
4.3显示模块 22
4-4电源模块 24
4-4.1交流220V供电 25
4.4.2端口USB供电 25
4.5传感器电路 26
4.6USB转串口电路 27
4.7控制电路 28
4-7.1继电器控制 28
4-7.2报警电路 29
4. 8本章小结 30
第五章软件部分 31
5.1软件设计要求 31
5. 2软件开发环境 31
5.3MDKKeil开发工具 31
5.4串口下载软件 32
5. 5数据采集程序 33
5. 5.1传感器程序编写 33
v
5.5.2启动温度转换 37
5.5.3获取温度值 38
5.6RTC时钟 39
5.6.1RTC介绍 :
39
5.6.2RTC原理 40
5.6.3RTC程序实现 41
5.7数据显示程序 43
5.8控制块程序 44
5.9上位机程序 44
5.9.1界面设计 44
5.9.2程序框图 46
5.10试验对比结果 47
5.11本章小结 48
第六章结论与展望 49
参考文献 51
致谢 54
VI
第一章绪论
1.1研究背景
.随着社会主义新农村建设和生产技术的提高,农业生产中温室的作用越来越重要,温室也逐渐在大大小小的农民家庭生活中遍布开来。
温室中实时温度是生产过程中重要的环境参数之一,以往的农业生产中温度监测主要靠的是人工的现场观察和感知。
发展到后来的温度计的应用,通过温度计采集温室内部的温度数据,反馈给人们。
这种方式耗费人工,且低效,很大程度会增加农民的生产成本。
但随着科学技术的发展,温度监控技术也越来越成熟,也慢慢的向农业延伸。
温度监控是目前工业生产和日常生活经常涉及的一项技术。
温度本身也就是生产生活中常用的物理量,它所表现出来的是物体的冷热程度。
而且在人类生存的自然环境中每时每刻都和温度产生着紧密的联系。
在很多生产和工作环境中,温度的测量和控制一定程度上影响着产品质量和产品安全,尤其在当今节约能源的时代,温度的监测和控制显得尤为关键。
从18世纪以来,工业革命的带动,使得工业生产离不开温度监测和控制。
温度监控普遍应用于社会生活的各个领域,如电器、产料加工、农业和汽车行业等。
温度监控的实时性和精确度以及不同的监控方法对生产都起着非常大的作用,尤其在农业的温室应用中,温度是关键的指标,也是保证温室质量的重要标准。
随着现代化的发展,机械化逐渐代替了人力,为了减少人力物力的投入,便于统一化管理,温室系统己经普遍应用在农业中。
无论是发达地区还是发展中地区,对温室系统都给予了高度关注。
由于环境及地域问题,为了创造适合农作物生长的条件,研究一项完善的温度监控系统对农业温室显的尤为重要。
1. 2温度监控技术在温室中的应用
温室的监控系统主要是实现对温室中环境因素的监测控制,从而可以模拟适宜的自然环境,如光照、温度、湿度、空气成分等等。
一般使用少量或者系统的智能化程序模块作为组成单元,按照预定好的设计,准确的测量监测温室中的各项数据参数,并通过外围设备直观的显示给管理员,从而进行相应的处理措施,包括增加灌溉,增大遮阳布和通风等等,整个系统实现实时的采集传输,确保数据的准确及时。
传感器的采集信号大多数为模拟量信号,一般情况下为弱信号,所以还得通过多种电路的转化放大变换成计算机容易识别的数字信号量。
然后,数字信号经过计算机的程序处理以及控制实现多温室系统的调控。
目前的监控系统一般由两大方面组成。
软件部分主要有数据提取、数据处理和模拟仿真等,其主要功能是把传感器采集的模拟量经过A/D转化成数字量,存储在计算机当中,实现对各种有用信息的提取、处理和控制。
硬件主要是支持软件的一些物理设备,包括传感器系统、传输系统和综合管理系统。
二者综合起来形成统一协调的整体,达到监控的功能。
L3国内外温度监测情况
第二次工业革命以后,随着工业的快速发展,温度测量及控制技术得到了飞快发展。
目前国内外使用的温度传感器种类繁多、使用范围也较为广泛,总的来看可以分为以下几种:
第一种,日常生活常见的温度计。
利用了水银的热胀冷缩原理,随着温度变化水银柱达到不同的刻度。
第二种,利用热阻效应和热电效应制作成的温度检测元件。
例如:
热敏器件、电阻测温器件、热电偶等等。
还有就是利用声学、热辐射和红外技术制作的温度测量元件等等。
对于温度监控技术在温室内使用情况,国内外发展还具有很大差距。
我国的温室技术起步较晚,相应的设施也发展的相对较慢,大概起始于20世纪80年代中后期。
起初,我国通过对国外的技术学习掌握了人工气候室内计算机应用技术。
随后,国内的温室技术才慢慢开始兴起。
但由于国内整体农业技术水平相对较低,温室技术投资大,现实劳动力剩余,以及技术人员短缺等因素,限制了发展速度。
近几年来,国内的温室技术才正真有了发展,同时由于现有的温室设施都比较简单,很多监测和调控还需要大量人工,温室环境改变的可调度还是相对较低。
相比国外同时期,我国的温室生产效率和生产率还有待提高。
监控技术的应用,相对来说可以提高温室的单位产出率和可靠性。
所以,温室的环境监控是非常重要的。
其中需要监控的不仅有室内氧气含量、光照程度和虫害情况,还有更为重要的室内温度和空气湿度等数据。
温度的监控主要以适合农作物健康生长为前提,其次充分考虑节约能源。
因为在冬季可能需要适当的供暖措施,夏季需要合理的降温控制,这都需要耗费大量的能源。
现实应用中,还需要根据具体的情况,包括资源情况、投资资金和气候条件等等因素充分考虑。
相对于国内,国外的温室环境监控技术起步较早,起始于20世纪70年代左右。
因为很多欧洲国家处于比较严寒的地区,温室技术才得到了较早的应用。
最先也是采用传统的监控仪表形式,加上大量的人工现场读取和相应措施的调节。
后来渐渐出现了分布式的技术。
目前的国外温室监控技术已经发展的比较成熟了,很多国家己经实现了自动化和智能化管理,完全的去除了人为的参与,效率和产量都有很大的提高,经济效益也变得非常可观。
其中在欧洲国家西班牙、法国和荷兰,还有北美洲加拿大和美国在这方面做得非常的突出,温室中安装有以天然气为主的供暖系统和水肥调控系统,还有对二氧化碳浓度的实时监控和通风、灌溉技术等等。
通过各类传感器,将各项指标采集后传输到控制器进行在线的处理及分析,再按照最优的环境参数进行调控,达到适宜农作物生长的最佳条件。
从国内外的温室环境监控技术的发展情况来看,都经历了一个从简单到复杂,从手动到自动的过程,而且正在逐步的走向智能化和无人化。
1.4课题研究内容
对于温度监控系统的研究,其主要的研究内容分为下面几个方面:
(1) 通过了解国内外的发展情况,加深对嵌入式系统的了解。
(2) 基于嵌入式系统,利用ARM芯片设计外围电路。
(3) 通过系统设计,在计算机上进行主要控制程序的编写,并利用相应软件进'
行程序移植和调试。
(4) 根据上位机,进行软硬件结合后调试,实现特定系统功能。
1. 5课题研究意义
随着人民生活水平的不断提升,人们对物质需求的提高,在饮食方面也有了更多的需求。
更多的人们对反季节性的食物有了更大的需求。
这种改变蔬菜的季节性生长很多都是靠温室技术实现的,同时■温室还可以提供动植物的养殖和育种所需要的适宜环境。
所以,研究出温室的一套温度监控系统显得尤为重要和意义重大。
本设计主要目的就是为了解决传统农业中温度监控依靠人工的工作方式,实现自能化的温度监控、报警以及温度调节的功能。
温室监控系统对实时性和准确度有着较高要求,因为如果这两者达不到,就会导致温室主要的功能丧失,农作物不能正常生长,失去了温室的作用。
温室的整个环境条件是十分复杂的,它具有多参数性、多变性、非线性的特征,又包括着很多偶然因素,其中的不确定因素不能完全作为控制条件,主要的是实现多参数的采集和协调控制。
所以在本研究中我们主要对温度的监测和控制进行研究,其他参数做理想状态处理,从而达到适宜的环境条件。
由于环境因素的多变性和复杂性,温室中温度的常态化,我们选用嵌入式系统搭建了设计平台,通过软件对硬件的控制和良好的传感器应用,有效的提高了温度的精确度,降低了投入成本。
同时具有良好的可移植性和扩展功能。
我们选择嵌入式ARM系统的cortex-M3内核的STM32处理器作为监控系统的主芯片,以温度作为监控对象,实现准确实时的测量与显示,从而达到温度的合理控制最终,让温室监控技术变得简单方便,使得一般的农户都能轻松使用,同时节约了成本,为我国农业设施提供了一定帮助。
1.6本论文结构安排
第一章主要叙述了本课题的研究背景和国内外的状况以及主要内容和研究意义。
对整个研究课题做大致的介绍。
第二章主要叙述了嵌入式方面内容,包括其概念和开发过程,其中对开发过程做了较为详细的介绍。
另外对STM32芯片做了大致的描述。
第三章主要是对课题的系统方案的设计,从设计原则入手,对通信方式、编程语言和温度模块的选定都做了方案比较和确定。
第四章主要是整个系统的硬件电路的设计。
包括整体结构的规划和各模块电路的设计。
其中有处理器相关模块的电路、显示电路、电源电路、传感器电路、USB转串口电路和继电器控制电路等等。
第五章是本系统的软件设计部分。
首先对开发环境和开发工具做了较为详细的介绍,其次对于每个功能模块的程序编写也都做详细叙述。
其中包括串口下载、数据采集、RTC时钟、数据显示和上位机编写等等。
第六章结论与展望。
介绍了本系统实现的功能,以及设计中积累的经验和需要注意的问题。
其次,对于系统的不足之处和可发展空间做出了对未来的展望。
第二章嵌入式系统简述
2.1嵌入式系统概念
嵌入式系统,英文全称为"
EmbeddedSystem”。
根据IEEE的定义,嵌入式系统就是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”5。
这是从应用层面上给予的定义,但是可以发现嵌入式系统就是用于完成特定功能的计算机软硬件系统的组合。
目前,嵌入式产品已经普遍应用于社会生活,该技术己成为微机行业新的发展点,嵌入式系统的开发也越来越受到电子以及IT行业的亲睐。
在了解嵌入式系统定义的基础上,可以从多方面理解这个概念
(1) 嵌入式系统是一个高技术、高成本和高创新的统一系统。
其主要表现在,嵌入式系统是集电子线路、集成电路、计算机技术、传感器技术和各类行业现实应用综合的结果。
一般在现实应用后都能进行较便捷的调试和系统升级,具有了长期使用的特点。
(2) 嵌入式系统交互性强,具有易调节、易移植的特点。
在现实应用中,一般可达到按照客户要求进行相应的程序移植和功能更改,且在硬件方面可根据具体功能,设计实现简单易行的硬件设施。
最后编写与硬件匹配的软件程序,实现设计者具体功能的高效可靠的整套设计。
(3) 由于嵌入式系统的特定功能,其主要的应用程序一般都直接下载到处理器的储存器中或者CPU自身,不单独存储于各类额外磁盘或移动载体中。
现实中,一般可见的用软件来控制硬件实现特定功能的系统都可称为嵌入式系统。
它是一个独立的,可直接实现功能的工作系统。
2. 2嵌入式系统开发过程
嵌入式系统的开发相对于以往的CPU来说比较复杂,比传统的单片型处理器增加了难度。
一般的嵌入式系统的开发过程,如图2-1所示:
图2-1嵌入式开发过程
Figure2-1theembeddeddevelopmentprocess
2.2.1嵌入式芯片的选择
目前市场上嵌入式CPU的种类非常多。
人们按照一般习惯将类型大致可分为嵌入式微控制器MCU、嵌入式微处理器EMPU、片上可编程系统SOPC和嵌入式数字信号处理器(DSP)'
气对于具体使用哪种处理器,要根据具体场合和应用,选择一款最适宜的处理器。
关键在于开发人员对各类处理器都能有较深认识,对各种处理器的功能和应用都有了解,同时都具有开发能力。
这样的话,方便于对CPU的选择。
一般工程师们对嵌入式处理器的选择要根据现实的设计要求和具有一定的提升空间,另外注重高性价比等方面选择。
2.2.2硬件的此
在选择好适宜的处理器后,接下来就是配置外设电路。
因为一个处理器相当于控制大脑,它还需要一定的外界硬件做支持,比如说时钟电路、显示电路、电源电路等等。
这些必备的外部硬件是必不可少的,另外还可以根据功能应用添加特定的硬件电路,用来满足特定的设计要求。
这其中涉及到各种接口和各种信号等等,设计者必须要有详细了解以便选择。
2-2.3BootLoader的移植
Bootloader其实就是在设计的操作系统内核运行前执行的程序,起到引导作用。
它是根据不同的处理器和硬件电路来区别的,不同的设计之间一般是不同的。
为了方便后期的调试和移植,工程师们也要根据具体的应用来修改相应的IhotLoadcro
2.2.4系统的裁减
当硬件电路设计完成后,需要做出对软件部分的选择和处理。
现在,编程语言众多,选择一门比较适合的编程语言也是非常重要。
所以,工程师必须要能对多种编程语言都有所了解,选择一门最佳的编程语言。
其次,是对操作系统的选择。
目前,市场上嵌入式操作系统也是门类众多。
有效的选择一个操作系统对后期来说是有很大的帮助,要根据应用人群、系统复杂度和系统功能等等来考虑。
•般系统选择后还要进行一定的裁减,其作用是将一些不用的功能舍弃,让系统变得更加简单,
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