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嵌入式系统原理与应用
课程设计
—基于ARM9的温度传感器·
学号：01**
班级：**************1班
姓名：李*
指导教师：邱*
、
课程设计任务书
班级: *************
姓名： *****
设计周数: 1 学分: 2
指导教师: 邱选兵
$
设计题目: 基于ARM9的温度传感器
设计目的及要求:
目的：
1.熟悉手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理。
2.基本掌握手工电烙铁的焊接技术，能够独立的完成简单电子产品的安装与焊
接。熟悉电子产品的安装工艺的生产流程。
3.熟悉印制电路板设计的步骤和方法，熟悉手工制作印制电板的工艺流程，能
够根据电路原理图，元器件实物设计并制作印制电路板。
4.*
5.熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查阅有关的
电子器件图书。
6.能够正确识别和选用常用的电子器件，并且能够熟练使用普通万用表和数字
万用表。
7.掌握和运用单片机的基本内部结构、功能部件、接口技术以及应用技术。
8.各种外围器件和传感器的应用；
9.了解电子产品的焊接、调试与维修方法。
要求：
1.学生都掌握、单片机的内部结构、功能部件，接口技术等技能；
2.根据题目进行调研，确定实施方案，购买元件，并绘制原理图，焊接电路板，
调试程序；
3.}
4.焊接和写汇编程序及调试，提交课程设计系统（包括硬件和软件）；.
5.完成课程设计报告
设计内容和方法:使用温度传感器PT1000，直接感应外部的温度变化。使用恒流源电路，保证通过PT1000的电流相等，根据PT1000的工作原理与对应关系，得到温度与电阻的关系，将得到的电压放大20倍。结合ARM9与LCD，将得到的
参量显示在液晶屏上。
目录
第一章绪论 (1)
第二章系统总体结构 (2)
硬件框图 (2)
^
器件选用 (2)
第三章硬件结构 (3)
数据采集模块 (3)
PT1000铂热电阻 (3)
稳压二极管IN4728 (5)
LM324 (6)
数据处理模块 (7)
STM32 (7)
|
LCD (8)
ADC 控制寄存器 (9)
第四章软件结构 (11)
第五章总结 (16)
第六章参考文献 (17)
附录一 (18)
附录二 (19)
附录三 (20)
：
第一章绪论
温度是表征物体冷热程度的物理量、是自然界中和人类打交道最多的两个物理参数，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%。
温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。
铂电阻温度传感器是用来测量空气、土壤和水的温度传感器。该传感器由精密级铂热电阻元件和经特殊工艺处理的防护套组成，并用四芯屏蔽信号电缆线从敏感元件引出用于测量，通常可以采用四线测量法测量，以减少导线电阻引起的测量误差。本次实验使用PT1000铂热电阻直接感应外部环境的温度，PT1000根据温度与电阻的对应关系，通过STM32单片机对数据进行AD转换并且在LCD上显示数据。
第二章系统总体结构
硬件框图
本次实验包括的温度传感器主要由两个模块组成：数据采集模块和数据处理模块（硬件框图如图1）。数据采集模块由恒流源电路和放大电路组成，采集到与温度有对应关系的电压值。数据处理模块将数据模块的输出作为输入，使用STM32的AD转换，将数据转换为数字量显示在LCD上。
图1：传感器硬件框图
器件选用
在本次设计中，数据采集模块采用了PT1000铂热电阻、稳压二极管、电阻若干、以及运放四大类器件。
数据处理模块使用了STM32单片机和LCD显示屏2大部分。本次设计的实物图见附录一。
第三章硬件结构
数据采集模块
数据采集模块主要负责采集温度的信息，根据温度为与电阻的对应关系，通过恒流源电路图，转化成温度与电压的关系。最后经过放大器，将得到的电压值进行放大，作为数据处理模块的输入值。电路图如图2所示：（实物图见附录一）。
图2 数据采集模块电路图
PT1000铂热电阻
设计原理
pt1000是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的1000即表示它在0℃时阻值为1000欧姆，在300℃时它的阻值约为欧姆。它的工业原理：当PT1000在0摄氏度的时候他的阻值为1000欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。电阻与温度的关系：
应用范围
医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛。
技术参数
输入响应时间（模块内数据更新率）为1秒同步测量
1路隔离的485, MODBUS RTU通讯协议
采用RS－485二线制输出接口时，具有+15kV的ESD保护功能
速率（bps）可在1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200中选择
精度等级：级
供电电源：+～30V
功耗小于0．1W
主机工作温度范围为－40℃～+85℃
测量范围为－200℃～+200℃
存贮条件为－40℃～+85℃（RH：5%～95%不结露）
铂电阻RT曲线图表
PT1000分度表
稳压二极管IN4728
工作原理
稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普
通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向
击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但
是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电
流骤然增大，称为击穿，在这一临界击穿点上，反
向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内
变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电
压附近，从而实现了二极管的稳压功能。
特性曲线
特性参数
—稳定电压：指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。
—额定电流：指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值。低于此值时，稳压管虽并非不能稳压，但稳压效果会变差;高于此值时，只要不超过额定功率损耗，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但要多消耗电能。
—动态电阻：指稳压管两端电压变化与电流变化的比值。该比值随工作电流的不同而改变，一般是工作电流愈大，动态电阻则愈小。
—额定功耗：由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积。
LM324
LM324系列器件带有真差动输入的四运算放
大器，具有真正的差分输入。与单电源应用场合
的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到伏或者高到32伏的
电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之
一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许
多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
应用
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑
料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相
同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
数据处理模块
本模块将数据采集模块的输出作为输入，STM32将输入值的模拟量转化为数字量，显示在LCD上。实物图见附录二：电路图见附录三：
STM32
开发板资源：
◆ CPU：STM32F103RCT6，LQFP64，FLASH:256K，SRAM：48K；
◆ 1 个标准的 JTAG/SWD 调试下载口
◆ 1 个电源指示灯（蓝色）
◆ 2 个状态指示灯（DS0：红色，DS1：绿色）
◆ 1 个红外接收头，配备一款小巧的红外遥控器
◆ 1 个 IIC 接口的 EEPROM 芯片，24C02，容量 256 字节
◆ 1 个 SPI FLASH 芯片，W25Q64，容量为 8M 字节（即 64M bit）
◆ 1 个 DS18B20/DS1820 温度传感器预留接口
◆ 1 个标准的 7 寸 LCD 接口，支持触摸屏
◆ 1 个 OLED 模块接口（与 LCD 接口部分共用）
◆ 1 个 USB 串口接口，可用于程序下载和代码调试
◆ 1 个 USB SLAVE 接口，用于 USB 通信
◆ 1 个 SD 卡接口
◆ 1 个 PS/2 接口，可外接鼠标、键盘
◆ 1 组 5V 电源供应/接入
◆ 1 组电源供应/接入口
◆ 1 个启动模式选择配置接口
◆ 1 个无线通信接口
◆ 1 个 RTC 后备电池座，并带电池
◆ 1 个复位按钮，可用于复位 MCU 和 LCD
◆ 3 个功能按钮，其中 WK_UP 兼具唤醒功能
◆ 1 个电源开关，控制整个板的电源
◆与 5V 电源 TVS 保护，有效防止烧坏芯片。
◆独创的一键下载功能
◆除晶振占用的 IO 口外，其余所有 IO 口全部引出，其中 GPIOA 和 GPIOB 按顺序引。
特点
1）小巧。整个板子尺寸为 8cm*10cm*2cm（包括液晶，但不计算铜柱的高度）。2）灵活。板上除晶振外的所有的 IO 口全部引出，特别还有 GPIOA 和 GPIOB 的IO 口是按顺序引出的，可以极大的方便大家扩展及使用，另外板载独特的一键下载功能，避免了频繁设置 B0、B1 带来的麻烦，直接在电脑上一键下载。 3）
资源丰富。板载十多种外设及接口，可以充分挖掘 STM32 的潜质。
4）质量过硬。沉金 PCB+全新优质元器件+定制全铜镀金排针/排座+电源 TVS 保护，坚若磐石。
5）人性化设计。各个接口都有丝印标注，使用起来一目了然；接口位置设计安排合理，方便顺手。资源搭配合理，物尽其用。
LCD
TFT-LCD 即薄膜晶体管液晶显示器。其
英文全称为：Thin Film Transistor-Liquid
Crystal Display。TFT-LCD 与无源 TN-LCD、
STN-LCD 的简单矩阵不同，它在液晶显示屏
的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管
（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使
显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因
此大大提高了图像质量。TFT-LCD 也被叫做
真彩液晶显示器。
特点：
1，’/’/’/’/7’ 5 种大小的屏幕可选。
2，320×240 的分辨率（’分辨率为:320*480，’和 7’分辨率为：800*480）。3，16 位真彩显示。
4，自带触摸屏，可以用来作为控制输入。
流程：
ADC 控制寄存器
ADC_CR1 的各位描述
ADC_CR1 的 SCAN 位，该位用于设置扫描模式，由软件设置和清除，如果设置为 1，则使用扫描模式，如果为 0，则关闭扫描模式。在扫描模式下，由ADC_SQRx 或 ADC_JSQRx 寄存器选中的通道被转换。如果设置了 EOCIE 或JEOCIE，只在最后一个通道转换完毕后才会产生 EOC 或 JEOC 中断。
AD 转换，其详细设置步骤如下：
开启 PA 口时钟，设置 PA1 为模拟输入。 STM32F103RCT6 的 ADC 通道 1 在PA1 上，所以，我们先要使能 PORTA 的时钟，然后设置 PA1 为模拟输入。
2）使能 ADC1 时钟，并设置分频因子。要使用 ADC1，第一步就是要使能 ADC1 的时钟，在使能完时钟之后，进行一次 ADC1 的复位。接着我们就可以通过RCC_CFGR 设置 ADC1 的分频因子。分频因子要确保 ADC1 的时钟（ADCCLK）不要超过 14Mhz。
3）设置 ADC1 的工作模式。在设置完分频因子之后，我们就可以开始 ADC1 的模式配置了，设置单次转换模式、触发方式选择、数据对齐方式等都在这一步实现。
4）设置 ADC1 规则序列的相关信息。接下来我们要设置规则序列的相关信息，我们这里只有一个通道，并且是单次转换的，所以设置规则序列中通道数为 1（ADC_SQR1[23:20]=0000），然后设置通道 1 的采样周期（通过 ADC_SMPR2[5:3]设置）
5）开启 AD 转换器，并校准。在设置完了以上信息后，我们就开启 AD 转换器，执行复位校准和 AD 校准，注意这两步是必须的！不校准将导致结果很不准确。
读取 ADC 值。在上面的校准完成之后，ADC 就算准备好了。接下来我们要做的就是设置规则序列 1 里面的通道（通过 ADC_SQR3[4:0]设置），然后启动 ADC 转换。在转换结束后，读取 ADC1_DR 里面的值就是了。
ADC 的操作模式
第四章软件结构
本次设计的程序如下所示：
#include ""
#include ""
#include ""
#include ""
#include ""
#include ""
#include ""
uint32_t sum=0;
uint16_t vaul=0;
//初始化
void RCC_Configuration()
{ SystemInit();
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_ APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3|RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE );
}
void GPIO_Configuration()
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
=GPIO_Pin_9;
=GPIO_Mode_AF_PP;
=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
=GPIO_Pin_10;
=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
=GPIO_Pin_2;
=GPIO_Mode_IPU;
=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);
}
//定时器初始化
void TIM2_configuration()
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_DeInit(TIM2);
=2000;
=0;
=TIM_CounterMode_Up;
=0;
TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStruct);
TIM_PrescalerConfig(TIM2,7199,TIM_PSCReloadMode_Immediate);
TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
}
void TIM3_configuration()
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_DeInit(TIM3);
TIM_ETRClockMode2Config(TIM3,TIM_ExtTRGPSC_OFF, TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted,0x00);
=65535;
=0;
=0;
=TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStruct); }
void NVIC_configuration()//中断初始化
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
=TIM2_IRQn;
=0;
=0;
=ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0); }
int main(void) //主函数
{
u16 adcx,adcy,i=0;
float temp,temperate;
float y,y1;
RCC_Configuration();
delay_init(72);
GPIO_Configuration();
NVIC_configuration();
TIM2_configuration();
TIM3_configuration();
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);
uart_init(9600);
LCD_Init();
Adc_Init();
POINT_COLOR=RED;
LCD_Clear(WHITE);
TEST_FONT();
LCD_ShowString(130,60,"");
LCD_ShowString(130,150,"%");
while(1)
{
POINT_COLOR=BLUE;
adcy=Get_Adc(ADC_Channel_0);
i++;
sum+=adcy;
if(i==99)
{
i=0;
adcx=sum/100;
sum=0;
temp=(float)adcx/;
temperate=temp;
temp-=(u8)temp;
LCD_ShowNum(130,60,(u8)temperate,2,16);
temperate-=(u8)temperate;
LCD_ShowNum(154,60,temperate*100,2,16);
}
y=(float)*5/44);
y1=y;
y-=(u8)y;
LCD_ShowNum(130,150,(u8)y1,2,16);
y1-=(u8)y1;
LCD_ShowNum(154,150,y1*100,2,16);
}
}
void TIM2_IRQHandler()
{
TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);
vaul=TIM_GetCounter(TIM3);
vaul=vaul*5;
TIM_SetCounter(TIM3, 0x0);
TIM_SetCounter(TIM2, 0x0);
TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
}
第五章总结
1、可实现的功能
可实时检测空气中的温度，并且将温度的值显示在LCD上。方便人随时观看现在的温度。适用于生产实验场所，居住休闲场所等地方。
2、存在的问题
由于电阻也有随温度变化而变化的特性，导致温度传感器的精度不高；
STM32的采样周期较短，得到的数据实际应用不高；
LCD显示不稳定。
3、收获
通过此次课程设计，很好的将温度传感器和ARM9联系在一起使用。了解了STM32芯片的使用方式、AD转换的指令、PT1000的工作原理以及LM324集成运放芯片的应用。将理论知识运用到实物的操作中，提高了动手能力和思维逻辑能力。只有谨慎的思考和制作，才能完成任务。
本次使用的器件可以应用在生活中的各个方面。例如：医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等各个领域。
第六章参考文献
【1】常华等，嵌入式系统原理与应用，北京：清华大学出版社，2013
【2】滕英岩，嵌入式系统开发基础—基于ARM微处理器和linux操作系统，北京：电子工业出版社，2008
【3】黄智伟等，ARM微控制器应用设计与实践，北京：北京航空航天大学出版社，2012
【4】戴蓉等，传感器原理与工程应用，北京：电子工业出版社，2013
【5】宿元斌，集成温度控制器及其应用，中国仪器仪表，2006
【6】温度传感器