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3个回答
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一、任务要求
设计PT100温度传感器的信号采集电路，使用嵌入式系统实验板采集外部的温度并显示。 要求： 范围： 20 ~ 80 ℃ ； 精度：与标准仪器比较小于 0.3℃； 30、 50、 70℃三级高温报警。 注：本次设计采用的主板芯片为STM32F103RCT6 二、硬件设计 1、分析所要使用的PT100温度传感器。 结合有关PT100的资料，可得几个重要知识： PT100的阻值会随温度的变化而成正比变化（温度越高阻值越大），但阻值变化很小，约等于 0.385Ω/度； PT100的测温范围是 ﹣200℃ ~ 150℃，且在0℃时，阻值刚好等于100Ω； PT100的工作电流要小于 5mA； PT100的阻值虽然随温度的变化而成正比变化，但在不同温度区间内其变化的速率（也就是 K值）不一样。 2、设计PT100驱动电路。 结合所学经验，开始有想法： 如果把PT100当电阻串联在电路中，并用主板上STM32F103RCT6芯片的PA1引脚的ADC功能去读取电压值并进行温度转换，可得出温度，如图1所示： 图1 PT100串联电路测AD法 但结合资料，这种想法秒速推翻。 常温（25℃）水中的PT100的阻值大概在 109.89 Ω 左右。 假设主板给PT100的供电是标准的 3.3V直流电，并且通过PT100的电流也是其最大 5mA直流电流，那么在此刻，PT100所要分掉的电压约为 109.89 ∗ 0.005 = 0.54945 V 将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为 0.54945 / 3.3 ∗ 4096 = 681.98 ≈ 682 当温度上升一度，假设PT100的阻值刚好上升了 0.385 Ω，那么其分掉的电压的变动值约等于 0.385 ∗ 0.005 = 0.001925 V 将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为 0.001925 / 3.3 ∗ 4096 = 2.39 ≈ 2 0.5℃/AD ？好像还不错，但任务要求所设计的PT100电路测温得出的结果，精度要小于 0.3 ℃ 。 0.3 ℃是什么概念？换算为PT100的阻值变化，也就约为 0.1155 Ω ，那么其精度下，PT100变化 0.1155 Ω 阻值，要变化的电压约为，将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为，连 1个AD值都不到，无法达到这个精度。 所以，这种方法被推翻。 直流电桥（微小电阻变化转微小电压变化） 找到了关键问题所在，就是PT100的随温度的变化而成正比变化太小了，只要把这种变化变大，大到很明显，就解决了问题。 电阻的阻值是没法调大的，只能通过电阻变化导致的电压变化调大，就可以解决变化小的问题。 结合所学知识，只要将微小的电阻变化转化为微小的电压变化，再将微小的电压变化转化为大的电压变化，也就是用直流电桥配上一个放大电路，就很完美地解决这个问题。 如图2为一个直流电桥，R1、R2、R3、R4为该直流电桥的桥臂，且R1、R2、R3、R4皆为固定电阻，U1为该直流电桥的供电电源，U2为该直流电桥的输出电压。 图2 直流电桥 结合所学的直流电桥知识，可得公式： U 2 = U 1 ∗ （ R 1 R 1 + R 4 − R 2 R 2 + R 3 ） 当 R 1 ∗ R 3 = R 2 ∗ R 4 ，该直流电桥会达到平衡，带入公式可得输出U2的值为 U 2 = U 1 ∗ 0 = 0 V 也就是该直流电桥在平衡状态下，输出电压为 0 V ； 当 R 1 ∗ R 3 ≠ R 2 ∗ R 4时，该直流电桥的平衡会被打破，带入公式可得输出U2的值。 利用直流电桥不平衡状态下会输出电压的特性，应用不平衡电桥之一——单臂电桥，来把微小的电阻变化转化为微小的电压变化。 如图3为一个直流电桥，R1、R2、R3、R4为该直流电桥的桥臂，且R1为可变电阻，R2、R3、R4为固定电阻，且 R 3 = R 4 ，U1为该直流电桥的供电电源，U2为该直流电桥的输出电压。 图3 直流单臂电桥 该单臂电桥应用于本次设计，R1为PT100，R2为与PT100接近的阻值，这样可以使得在一定（温度）情况下（PT100的阻值等于R2的阻值）电桥可以达到平衡，使得单臂电桥的输出趋近于 0 0 0。 又因为通过PT100的电流不能大于 5 m A ，不然可能会烧坏PT100，所以R3与R4的阻值虽然要取相等，但又要把电桥电流稳定到 5 m A 以下，所以R2和R3要给PT100分流。 本次设计，实验板可接出供电为 3.3 V 3.3V 3.3V和 5 V 5V 5V两种，为了提高精度，也就是提高单臂电桥的输出电压的范围，故选择5V供电。 在先前的计算中，常温（ 25 ℃）水中的PT100的阻值大概在 109.89 Ω 左右。假设主板给PT100的供电是标准的 5 V 直流电，并且通过PT100的电流也是其最大 5 m A直流电流，那么在此刻，PT100所占电压最大为 109.89 ∗ 0.005 = 0.54945 V 也就是说R3和R4至少要分掉的电压为 5 － 0.54945 = 4.45055 V 设 R 1 = R 2 = 109.89 Ω，在此刻， 5 V通电的电桥为一个并联电路，可变形为图4所示的电路： 图4 PT100单臂电桥变形图 又R3和R4至少要分掉 4.45055 V的电压，所以R3和R4的阻值至少为 4.45055 / 0.005 = 0.5 V 又由于本次设计PT100用来测量 20 ℃ ~ 80 ℃ 的水温，水常压下的极端液态也就是 0 ℃ 。 重新计算PT100将分掉的电压，PT100的阻值放入 0 ℃ 的水中，其阻值为 100 Ω 左右。假设主板给PT100的供电是标准的 5 V 直流电，并且通过PT100的电流也是其最大 5 m A 直流电流，那么在此刻，PT100所占电压最大为，在此刻，R3和R4又至少要分掉的电压为 5 － 0.5 = 405 V 所以R3和R4的阻值至少为 4.5 / 0.005 = 900 Ω 所以R3和R4的电阻取值，在理想状态下至少是 900 Ω，但现实中没有刚刚好的阻值可以挑，那就可以选择比该值大的电阻，例如 1 K Ω ，或者是比 1 K Ω 再大的，但是如果选用的电阻太大，则分压过多，依旧导致电桥的输出范围越来越少，最后使得微弱的电压变化变得更加微弱，甚至是不变化了，而且电阻的型号选用金属膜电阻，因为其体积小、噪声低、稳定性好，选它很不错，误差1%可接受。 又因为R2要与PT100趋近，所以对水的温度测量中，温度变化最大为 0 ℃ ~ 100 ℃ ，所以PT100的电阻变化约为 100 Ω~ 139 Ω ，因而要使得电路达到最佳的变化R2为 150 Ω 的可变电阻最佳，又可调精度要非常高，所以要选用精密电阻。 但现实中没有刚刚好阻值的精密电阻可以挑，那就可以选择比该值大一点点的精密电阻，所以3296w不错，多圈式精密可调，例如3296w电位器201（ 200 Ω ）。 所以本次设计选用的R3和R4为 1 K Ω ，单臂电桥部分的设计完成，如图5所示。 图5 PT100单臂电桥部分 差分放大电路（放大微小的电压变化） 接下来就是放大电路部分，通过放大电路来实现把电压的微小变化扩大，使用模电所学过的差分放大电路（减法电路），可以把电桥的输出进行减法运算，并增益放大输出。 当电桥平衡，电桥输出电压电势相等，差分放大电路的减法运算的结果为 0 V ； 当电桥的平衡被破坏，电桥输出电压电势拉开，此时差分放大电路的减法运算即可有一定的差值，放大器对其进行放大到合适的差值变动并输出，即当电桥输出最大时，经过差分放大电路，放大到我们所需的最大差值电压 0 V ~ 3.3 V 。如图6为一个差分放大电路： 图6 差分放大电路 △假设U1 = U2： ①因输入端U1、U2的电流趋近相等，为“虚断”特性，同相输入端为高阻态，其输入电压值仅仅取决于R2、R4分压值。同相输入端的电压可以看作成为输入端比较基准电压； ②因输入端U1、U2的电压趋近相等，为“虚短”特性，进而又推知其为反相输入端，即R1、R3串联分压电路，这是反馈电压。放大器的控制目的是使反馈电压等于基准电压； ③由R1=R2，R3=R4条件可知，放大器输出端OUT只有处于“虚地”状态，即输出端OUT为0V，才能满足反馈电压等于基准电压，这可以由此导出差分放大器的一个工作特征。 △假设U1 ≠ U2，例如U1 》 U2： ①此时因同相输入端电压高于反相输入端，输出端电压往正方向变化，其R1、R3偏置电路中的电流方向为R3→R1； ②由R1、R3的阻值比例可知，R1两端电压降为 （ 同 向 输 入 端 电 压 ） － U 1 （同向输入端电压）－U1 （同向输入端电压）－U1 则R3两端电压降为 ［ （ 同 向 输 入 端 电 压 ） － U 1 ］ ∗ （ R 3 / R 1 ） ［（同向输入端电压）－U1］*（R3/R1） ［（同向输入端电压）－U1］∗（R3/R1） 输出端电压为 （ 同 向 输 入 端 电 压 ） ＋ ［ （ 同 向 输 入 端 电 压 － U 1 ） ∗ （ R 3 / R 1 ） （同向输入端电压）＋［（同向输入端电压－U1）*（R3/R1） （同向输入端电压）＋［（同向输入端电压－U1）∗（R3/R1） ③若此时的输入电压差为 U 1 － U 2 U1－U2 U1－U2，输出电压为 X ∗ （ U 1 － U 2 ） X*（U1－U2） X∗（U1－U2）。则该差分放大器的差分电压放大倍数为 R 4 / R 3 = X R4/R3=X R4/R3=X 可得该差分放大电路的放大倍数是 X X X倍。 △假设U1 ≠ U2，例如U1 《 U2： ①此时因同相输入端电压低于反相输入端，输出端电压往反方向变化，其R1、R3偏置电路中的电流方向为R3←R1； ②由R1、R3的阻值比例可知，R1两端电压变为 － U 1 － （ 同 向 输 入 端 电 压 ） －U1－（同向输入端电压） －U1－（同向输入端电压） 则R3两端电压变为 － ［ U 1 － （ 同 向 输 入 端 电 压 ） ］ ∗ （ R 3 / R 1 ） －［U1－（同向输入端电压）］*（R3/R1） －［U1－（同向输入端电压）］∗（R3/R1） 输出端电压为 － （ 同 向 输 入 端 电 压 ） － （ 同 向 输 入 端 电 压 － U 1 ） ∗ （ R 3 / R 1 ） －（同向输入端电压）－（同向输入端电压－U1）*（R3/R1） －（同向输入端电压）－（同向输入端电压－U1）∗（R3/R1） 结果是一个负电压。 所以故障维修的经验就冒出来了： 如果直接测量R1、R3串联电路的分压状态，只要R1、R3串联分压是成立的，则该差分电路就大致上就是好的，电路的电压放大倍数也由此得出； 只要测量输入电压差（R1、R2左端电压差），再测量输出端电压进行比较，则外围偏置电路的好坏，也会得出明确的结论。 所以公式就推出来了： 其输出公式为： O U T = （ R 2 ＋ R 4 ） ∗ R 3 ∗ U 1 （ R 1 ＋ R 4 ） ∗ R 2 − R 4 ∗ R 2 R 2 OUT=frac{（R2＋R4）*R3*U1}{（R1＋R4）*R2} -frac{R4*R2}{R2} OUT=（R1＋R4）∗R2（R2＋R4）∗R3∗U1−R2R4∗R2 在实际应用中，一般使 R 1 = R 2 R1=R2 R1=R2、 R 3 = R 4 R3=R4 R3=R4化简电路，则 其输出公式为： O U T = （ U 1 － U 2 ） ∗ R 4 R 1 OUT=frac{（U1－U2）*R4}{R1} OUT=R1（U1－U2）∗R4 当所前边所设计的电桥与差分放大电路结合起来， U 1 － U 2 U1－U2 U1－U2就为电桥输出的电势差，OUT输入到STM32F103RCT6实验板ADC1口，其最大可读取电压为 3.3 V 3.3V 3.3V，则电势差放大的倍数也就是 R 4 / R 1 R4/R1 R4/R1即可进行计算了。 假设所设计的单臂电桥达到理想状态，最小电桥输出 U 2 = 0 V U2=0V U2=0V，最大电桥输出为 U 2 = M a x B r i d g e U2=Max Bridge U2=MaxBridge O u t Out Out。水温最高为 100 ℃ 100℃ 100℃，最大电桥输出为PT100置于 100 ℃ 100℃ 100℃时电桥的输出。 实测100℃时PT100的阻值约为 138.8 Ω 138.8Ω 138.8Ω，电桥所接输入电压为 5 V 5V 5V， R 3 = R 4 = 1 K R3=R4=1K R3=R4=1K，若要使得测温范围是从 0 ℃ 0℃ 0℃ ~ 100 ℃ 100℃ 100℃，则精密电阻R2的阻值应该调为 0 ℃ 0℃ 0℃时PT100的阻值，也就是 100 Ω 100Ω 100Ω，带入公式可得电桥的输出 U 2 = U 1 ∗ （ R 1 R 1 ＋ R 4 － R 2 R 2 ＋ R 3 ） = 5 ∗ （ 138.8 138.8 ＋ 1000 － 100 100 ＋ 1000 ） = 0.154867963087 V ≈ 0.155 V U2=U1*（frac{R1}{R1＋R4}－frac{R2}{R2＋R3}） =5*（frac{138.8}{138.8＋1000}－frac{100}{100＋1000}）=0.154867963087V≈0.155V U2=U1∗（R1＋R4R1－R2＋R3R2）=5∗（138.8＋1000138.8－100＋1000100）=0.154867963087V≈0.155V 将其放大到ADC1最大可检测电压 3.3 V 3.3V 3.3V，所需的放大倍数为 3.3 / 0.155 ≈ 21.29 ≈ 21 3.3/0.155≈21.29≈21 3.3/0.155≈21.29≈21倍。 但是在现实中， 100 ℃ 100℃ 100℃的开水降温速度很快，所以理想的倍数有点浪费，所以我们只测到 80 ℃ 80℃ 80℃，常温下的冰水升温速度也很快，所以我们最小也只测到 20 ℃ 20℃ 20℃，这就是设计条件的由来吧。 实测 80 ℃ 80℃ 80℃时PT100的阻值约为 131.1 Ω 131.1Ω 131.1Ω，电桥所接输入电压为 5 V 5V 5V， R 3 = R 4 = 1 K R3=R4=1K R3=R4=1K若要使得测温范围是从 20 ℃ 20℃ 20℃ ~ 80 ℃ 80℃ 80℃，则精密电阻R2的阻值应该调为 20 ℃ 20℃ 20℃时PT100的阻值，实测约为 108 Ω 108Ω 108Ω，带入公式可得电桥的输出 U 2 = U 1 ∗ （ R 1 R 1 ＋ R 4 － R 2 R 2 ＋ R 3 ） = 5 ∗ （ 131.1 131.1 ＋ 1000 － 108 108 ＋ 1000 ） = 0.0.2159735882 V ≈ 0.092 V U2=U1*（frac{R1}{R1＋R4}－frac{R2}{R2＋R3}）=5*（frac{131.1}{131.1＋1000}－frac{108}{108＋1000}）=0.0.2159735882V≈0.092V U2=U1∗（R1＋R4R1－R2＋R3R2）=5∗（131.1＋1000131.1－108＋1000108）=0.0.2159735882V≈0.092V 将其放大到ADC1最大可检测电压 3.3 V 3.3V 3.3V，所需的放大倍数为 3.3 / 0.092 ≈ 35.87 ≈ 35 3.3/0.092≈35.87≈35 3.3/0.092≈35.87≈35倍。 接下来就要计算电阻取值了，因为 35 ∗ R 1 = 35 ∗ R 2 = R 3 = R 4 35*R1=35*R2=R3=R4 35∗R1=35∗R2=R3=R4，所以可以设R1、R2的阻值为 1 ∗ X Ω 1*XΩ 1∗XΩ，R3、R4的阻值为 35 ∗ X Ω 35*XΩ 35∗XΩ，只要算出 X X X即可算出全部的电阻， X X X为该差分放大电路的输入电阻值，如图7： 图7 35倍差分放大电路 现在生产的运放，一般其输入阻抗都很高，所以运放输入端电阻选择余地比较大，但又为了减少偏置电流带来的影响，降低噪声和温漂的影响，输入电阻的取值一般选择在 10 k Ω 10kΩ 10kΩ ~ 100 K Ω 100KΩ 100KΩ的区间。 本次设计所使用的运算放大器为LM358，其内部集成结构如图7所示： 图7 LM358集成结构 LM358增益高（高达 100 d B 100dB 100dB），自带内部频率补偿，低功耗，差模输入电压范围宽（单电源 3 V 3V 3V ~ 30 V 30V 30V），输出电压摆幅大（ 0 V 0V 0V ~ V C C VCC VCC）。 使用R1和R2选用 10 K Ω 10KΩ 10KΩ，保证输入稳定的同时也尽可能地保证精度，所以R3和R4选用 350 K Ω 350KΩ 350KΩ。在现实中，有 10 K Ω 10KΩ 10KΩ的金属膜电阻和 300 K 300K 300K的金属膜电阻考虑到实际放大倍数可能不够，因为不是理想电路，所以用电位器503（ 50 K Ω 50KΩ 50KΩ）串联 300 K 300K 300K来达到想要的放大倍数。 图8 PT100驱动电路 电路构思完成，将单臂电桥和差分放大电路合二为一，加上 0.1 u F 0.1uF 0.1uF的电容给输入 5 V 5V 5V电压滤波，搭建成完整的PT100驱动电路，如图8所示。届时调节电路，根据测温范围调节R2至合适，根据电压放大效果调节R9、R10至合适即可。 3、电路焊接 关于电路的焊接，我焊接了三次。 第一次焊接的板子为：“PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）”，其精度特别满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.1℃，但其毕竟是实验板，不是成品板，不能作为设计成品； 第二次焊接为：“PT100驱动电路V2.0（测试板）”，其精度基本满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.2℃，但毕竟是校验板，还不是成品板，不能作为设计成品； 第三次焊接为：“PT100驱动电路V3.0”，属于成品板，其精度基本满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.2℃，可作为设计成品。 具体如下： ①PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板） 功能：多固定电阻和可调电位器的焊接，使得每个电阻的电阻值可精确调节，其中R3、R4精确到1K，R5、R6可精确的阻值范围为 10 K 10K 10K ~ 15 K 15K 15K，R7、R8可精确的阻值范围为 250 K 250K 250K ~ 350 K 350K 350K；多排针焊接，可用万用表探查线路中电阻、电压、电流的变化；双色排针，用于标注电路的整体布线。 焊接布局图： 图9 PT100驱动电路V1.0布局图 焊接效果图： 使用杜邦线连接各个电阻，对电阻阻值进行精确调整；再用杜邦线连接整个电路，完成驱动板的硬件制作，如图11。 ②PT100驱动电路V2.0（测试板） 功能：在V1.0所测的数据后，选用更加合适阻值电阻的焊接，其中R3、R4精确到 1 K 1K 1K，R5、R6的阻值为 10 K 10K 10K，R7、R8的阻值为 300 K 300K 300K；多排针焊接，跳线帽完成各元件的连接，可用万用表探查线路中电阻、电压、电流的变化。 焊接布局图： 图12 PT100驱动电路V2.0布局图 焊接效果图： 图13 PT100驱动电路V2.0（测试板） 较上一版本，新增电源控制模块，控制PT100驱动板的开关；并且体积明显减小，方便携带。 图14 PT100驱动电路V2.0（测试板） ③PT100驱动电路V3.0 功能：在V2.0的基础下，双面焊接，提高电路阻值精度和电路布线简洁度；新增可调整放大倍数（30倍~35倍）的5K电位器于底部；去除测试数据用的端口（排针、跳线帽）；新增独立电源接口，可单独给该驱动板供电。 焊接布局图：略。 焊接效果图： 图15 PT100驱动电路V3.0 |
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4、设计PT100驱动电路与STM32F103RC实验板的电气连接思路框图。
图16 PT100驱动板与STM32F103RC实验板的电气连接框图 5、了解已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图。 图17 已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图 6、了解已有OLED电路与STM32F103RCT6实验板的电路图。 图18 已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图 7、实现STM32F103RCT6实验板外设改装。 图19 STM32F103RCT6实验板外设 表：STM32F103RCT6实验板外设平面接口 ［tr］电源IOADC 0~3其余IO4*4矩阵键盘［/tr］（3.3V）红Pin1~Pin6OLEDOLED4*4矩阵键盘 （GND）黑Pin7~Pin12OLEDOLED4*4矩阵键盘 （5V）红Pin13~Pin18串口 1~2其余IO4*4矩阵键盘 8、实现PT100驱动电路V3.0与STM32F103RCT6实验板的电气连接（实际电路连接）。 图20 PT100驱动电路V3.0与STM32F103RCT6实验板的电气连接图 三、软件设计 总代码工程链接下载：PT100测温系统 1、设计PT100测温系统，完成各驱动模块总调配。 为了完成本次的设计目标，需要开始代码的构思，根据任务要求，在本次PT100测温系统的软件设计中，所需要使用的代码模块有：STM32F103RCT6自带的Time内部时钟模块、STM32F103RCT6自带的ADC模数转换模块、主板上的蜂鸣器模块、外设的OLED显示模块。 系统运行前，要先初始化将要使用的这些模块。 初始化后，让所有模块达到“备战”状态。 当PT100驱动电路的输出被实验板上的STM32F103RCT6芯片的ADC1端口（PA1）读取到的时候，芯片自带的ADC模数转换模块会启动，将在ADC1端口（PA1）所读到的电压值用12位的AD值表示出来，并将这表示出来的AD值用液晶屏显示在屏幕上，此时AD值通过计算公式算出该AD时对应的温度，并将温度也一起显示出来，当转化出来的温度达到报警的要求（30℃，50℃，70℃），蜂鸣器鸣叫，即可完成本次设计的要求。 总程序流程图如图21所示： 图21 各驱动模块总调配流程图 主程序“main.c” //*************************************************************************************** //*** __----~~~~~~~~~~~------___ //*** 。 。 ~~//====。。。。。。 __--~ ~~ //*** -。 _|// |||\ ~~~~~~：：：：。。。 /~ //*** ___-==_ _-~o~ / ||| \ _/~~- //*** __---~~~。==~||=_ -_--~/_-~|- |\ \ _/~ //*** _-~~ 。=~ | \-_ ‘-~7 /- / || / //*** 。~ 。~ | \ -_ / /- / || / //*** / ____ / | \ ~-_/ /|- _/ 。|| / //*** |~~ ~~|--~~~~--_ ~==-/ | ~--===~~ 。 //*** ’ ~-| /| |-~~~ __--~~ //*** |-~~-_/ | | ~_ _-~ / //*** / __ /~ __ //*** _--~ _/ | 。-~~____--~-/ ~~==。 //*** （（-》/~ ‘。|||’ -_| ~~-/ ， 。 _|| //*** -_ ~ ~~---l__i__i__i--~~_/ //*** _-~-__ ~） --______________--~~ //*** //。-~~~-~_--~- |-------~~~~~~~~ //*** //。-~~~-- //*** //*** PT100驱动程序V4.0 （2021.05.28） //*** By XingDala.2905469493.All Rights Reserved. //*************************************************************************************** #include “stm32f10x.h” #include “adc.h” #include “OLED.h” #include “PT100INT.h” #include “sound.h” #include “time.h” int main（void） { ADC_init（）;//ADC初始化 time_init（）;//时钟初始化 OLED_Init（）;//OLED初始化 PT100_OLED（）;//PT100驱动程序显示初始化 sound_init（）;//蜂鸣器初始化 while（1） { PT100INT（）;//PT100驱动程序 } } 2、TIME系统内部时钟模块 为流畅运行本次设计，因而选用STM32F103RCT6自带的系统时钟TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、TIM6、TIM7。以往会使用高精度的中断函数加以控制，以达到STM32F103RCT6最极限的延时精度，但这里不要求精度，所以不需要使用内部中断来写延时。 其中，TIM2、TIM3、TIM4用来控制蜂鸣器报警系统，TIM5用来控制足以驱动并流畅运行系统各模块的延时（三种时间单位：us、ms、s），TIM6和TIM7用来控制AD采集的速度和滤波频次及速率。 图22 STM32F103RCT6系统内部时钟树 （1）初始化时钟TIM6、TIM7： 在所调用的6个系统时钟中，用来处理AD采集的两个系统时钟TIM6、TIM7是固定的速率，所以要对固定速率的系统时钟进行初始化。 （2）时钟程序： 时钟程序“time.c” void time_init（void）//初始化 { time6（）; time7（）; } void time2（unsigned int n）//蜂鸣器响的持续时长 { RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM2， ENABLE）; TIM_TimeBaseInitTypeDef time2; time2.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; time2.TIM_Period = n*10 - 1; time2.TIM_Prescaler = 7200 - 1; TIM_TimeBaseInit（TIM2， & time2）; TIM_SetCounter（TIM2，0）; TIM_ClearFlag（TIM2，TIM_FLAG_Update）; } void time3（unsigned int n）//蜂鸣器关的持续时长 { RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM3， ENABLE）; TIM_TimeBaseInitTypeDef time3; time3.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; time3.TIM_Period = n*10 - 1; time3.TIM_Prescaler = 7200 - 1; TIM_TimeBaseInit（TIM3， & time3）; TIM_SetCounter（TIM3，0）; TIM_ClearFlag（TIM3，TIM_FLAG_Update）; } void time4（unsigned int n）//蜂鸣器音调 { RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM4， ENABLE）; TIM_TimeBaseInitTypeDef time4; time4.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; time4.TIM_Period = n - 1; time4.TIM_Prescaler = 72 - 1; TIM_TimeBaseInit（TIM4， & time4）; TIM_SetCounter（TIM4，0）; TIM_ClearFlag（TIM4，TIM_FLAG_Update）; } void T（unsigned int n，unsigned int x）//延时函数（us、ms、s）eg:T（152，1）表示延时125微秒，T（254，2）表示延时254毫秒 { unsigned int j = 0，k = 0; if（x == 1）{j=72;k = 1;}//us if（x == 2）{j=7200;k = 10;}//ms if（x == 3）{j=7200;k = 10000;}//s RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM5， ENABLE）; TIM_TimeBaseInitTypeDef time5; time5.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; time5.TIM_Period = n*k - 1; time5.TIM_Prescaler = j - 1; TIM_TimeBaseInit（TIM5， & time5）; TIM_SetCounter（TIM5，0）; TIM_ClearFlag（TIM5，TIM_FLAG_Update）; TIM_Cmd（TIM5， ENABLE）; while（TIM_GetFlagStatus（TIM5，TIM_FLAG_Update）==RESET）; TIM_Cmd（TIM5， DISABLE）; } void time6（void）//1S { RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM6， ENABLE）; TIM_TimeBaseInitTypeDef time6; time6.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; time6.TIM_Period = 10000 - 1; time6.TIM_Prescaler = 7200 - 1; TIM_TimeBaseInit（TIM6， & time6）; TIM_SetCounter（TIM6，0）; TIM_ClearFlag（TIM6，TIM_FLAG_Update）; } void time7（void）//1ms { RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM7， ENABLE）; TIM_TimeBaseInitTypeDef time7; time7.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; time7.TIM_Period = 10 - 1; time7.TIM_Prescaler = 7200 - 1; TIM_TimeBaseInit（TIM7， & time7）; TIM_SetCounter（TIM7，0）; TIM_ClearFlag（TIM7，TIM_FLAG_Update）; } 时钟程序“time.h” #ifndef _TIME_H__ #define _TIME_H__ void time_init（void）; void time2（unsigned int n）; void time3（unsigned int n）; void time4（unsigned int n）; void T（unsigned int n，unsigned int x）; void time6（void）; void time7（void）; #endif 3、AD采集模块 （1）初始化： 配置STM32F103RCT6的ADC1接口的读取模式，打开ADC1的时钟，设置为模拟输入模式，配置单通道扫描模式，配置连续转化模式，定义规则通道的外部触发方式为内部触发，设置数据对齐方式为右对齐，设置ADC模拟通道个数为1，设置被采集的通道为ADC1，使能ADC1，使能ADC1的复位校准，开始ADC1的复位，ADC1的复位和校准结束后，ADC1初始化结束，把LM358的输出接到ADC1上即可准备AD值的读取。 图23 ADC1初始化流程图 （2）AD采集程序： 由于5V电压不稳定，导致输出的AD值也会微微波动，此刻就需要用到程序滤波。 使用时钟，每隔1ms采集一次AD值，并将所采集的AD值加起来，用IN存起来；使用时钟，每隔1s输出一次IN值，并将所输出的IN值除以1000，因为在这1s内采集了1000个AD值，除以1000后，就可以得到1S内平均AD值，也就是滤波。 接着，再利用sprintf把要转换的AD数值格式化为字符串，并用OLED显示屏显示出来，由于IN值1s输出一次，使用滤波后的平均AD值1秒刷新一次。 图24 STM32F103RCT6AD采集程序流程图 AD采集程序“adc.c” #include “stm32f10x.h” void ADC_init（void） { RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1， ENABLE）; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init（GPIOA， &GPIO_InitStructure）; RCC_ADCCLKConfig（RCC_PCLK2_Div6）; ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; ADC_Init（ADC1， &ADC_InitStructure）; ADC_RegularChannelConfig（ADC1 ，ADC_Channel_1 ，1 ，ADC_SampleTime_1Cycles5）; ADC_Cmd（ADC1，ENABLE）; ADC_ResetCalibration（ADC1）; while（ADC_GetResetCalibrationStatus（ADC1） == SET）; ADC_StartCalibration（ADC1）; while（ADC_GetCalibrationStatus（ADC1） == SET）; } AD采集程序“adc.h” #ifndef _ADC_H__ #define _ADC_H__ void ADC_init（void）; #endif |
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4、蜂鸣器响应模块
（1）初始化： 打开蜂鸣器引脚所在的时钟，设置其为推挽输出模式。 图25 蜂鸣器响应模块初始化流程图 （2）蜂鸣器响应： TIM2控制蜂鸣器通电的时长，TIM3控制蜂鸣器断电的时长，TIM4控制蜂鸣器发声的音调（频率），以此来调出万能的警报声音。当温度达到报警温度，触发蜂鸣器响应程序，程序流程图如图22所示： 图26 蜂鸣器响应模块报警主程序流程图 蜂鸣器鸣响程序“sound.c” #include “stm32f10x.h” #include “sound.h” #include “time.h” void sound_init（void）//初始化蜂鸣器 { RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOB， ENABLE）; GPIO_InitTypeDef FMQ; FMQ.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; FMQ.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; FMQ.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init（GPIOB， &FMQ）; GPIO_ResetBits（GPIOB， GPIO_Pin_8）; } void FMQ_T（void）//蜂鸣器响 { TIM_Cmd（TIM2， ENABLE）; while（TIM_GetFlagStatus（TIM2，TIM_FLAG_Update） == RESET） { TIM_Cmd（TIM4， ENABLE）; while（TIM_GetFlagStatus（TIM4，TIM_FLAG_Update） == RESET） { GPIO_ResetBits（GPIOB， GPIO_Pin_8）; } TIM_ClearFlag（TIM4，TIM_FLAG_Update）; while（TIM_GetFlagStatus（TIM4，TIM_FLAG_Update） == RESET） { GPIO_SetBits（GPIOB， GPIO_Pin_8）; } TIM_ClearFlag（TIM4，TIM_FLAG_Update）; TIM_Cmd（TIM4， DISABLE）; } TIM_ClearFlag（TIM2，TIM_FLAG_Update）; TIM_Cmd（TIM2， DISABLE）; } void FMQ_F（void）//蜂鸣器关 { TIM_Cmd（TIM3， ENABLE）; while（TIM_GetFlagStatus（TIM3，TIM_FLAG_Update） == RESET） { GPIO_ResetBits（GPIOB， GPIO_Pin_8）; } TIM_ClearFlag（TIM3，TIM_FLAG_Update）; TIM_Cmd（TIM3， DISABLE）; } void sound1（void）//蜂鸣器鸣叫，节奏调节 { time2（100）;//响的持续时长 time4（100）;//音调 FMQ_T（）;//蜂鸣器开始响一段时间 time3（100）;//关的持续时长 FMQ_F（）;//蜂鸣器关闭一段时间 time2（100）;//响的持续时长 time4（100）;//音调 FMQ_T（）;//蜂鸣器开始响一段时间 GPIO_ResetBits（GPIOC， GPIO_Pin_13）;//蜂鸣器关 } 蜂鸣器鸣响程序“sound.h” #ifndef _SOUND_H__ #define _SOUND_H__ void sound_init（void）; void FMQ_T（void）; void FMQ_F（void）; void sound1（void）; #endif 5、OLED显示模块 （1）初始化： 打开OLED接口的时钟，推挽输出OLED两条信号线（SCL、SDA），并且一块拉高，延时200ms；关闭显示，设置时钟分频因子和震荡频率（［3:0］分频因子、［7:4］震荡频率），设置驱动路数为默认0X3F（1/64），设置显示偏移默认为0，设置显示开始行 ［5:0］，电荷泵设置为bit2，设置内存地址模式页地址模式，段重定义设置为bit0:0，0-》0;1，0-》127，设置COM扫描方向为普通模式，设置COM硬件引脚配置为［5:4］配置，对比度设置为默认0X7F最亮，设置预充电周期为［3:0］、PHASE 1、［7:4］、PHASE 2，设置VCOMH 电压倍率为［6:4］ 0.83*3.3，开启全局显示，设置显示方式为正常，开启显示，清屏，OLED初始化完成。 图27 OLED初始化流程图 （2）显示： ZFC（0，0，“abc254！”）;//在坐标（0，0）显示字符串abc254！ ZF（0，0，‘0’）;//在坐标（0，0）显示字符0 WZ（0，0，2，3）;//在坐标（0，0）显示第3页的第2个汉字 TP（0，0，128，64，2）;///在坐标（0，0）显示第二张图片，显示的图片范围为x:0~128，y:0~64 4、PT100系统总驱动模块 PT100的阻值是随着温度的变化而变化，在对各标准温度下温度AD采集的结果可以得出，AD值随着温度的升高而升高，其线性关系近乎是一条直线，但这条直线有略微的弯曲，所以需要进行大量的AD采集进行数据拟合。 本次设计计划使用100个AD采集数据，也就是100个温度区间，但一百个区间很多，不可能用计算器一个一个计算，所以这一百个区间（温度-AD）将被分别放入两个数组（一个数组放温度值，一个数组放AD值，两两对应），再在程序中用AD比对，找出此刻LM358传来的AD在哪个区间，再用固定的公式算出每个AD的温度是多少 该 区 间 温 度 变 化 / 该 区 间 A D 变 化 = 每 个 A D 是 多 少 温 度 该区间温度变化/该区间AD变化=每个AD是多少温度 该区间温度变化/该区间AD变化=每个AD是多少温度 再乘以此刻测出的实时AD值，算出准确的温度。 又由于供电不稳定，每次供电接口的微微位移，都会使得V供电偏大或者偏小，间接导致同温度下，LM358输出的AD与AD采集时的电压不一致，所以在AD值进入计算前，先借助标准仪表对比同温度下与AD采集时的AD偏移了多少AD，对程序中的AD进行误差加减，把微微偏移的AD曲线平移到AD采集时的曲线。 PT100测温系统程序“PT100INT.c” #include “stm32f10x.h” #include “adc.h” #include “SSA.h” #include “time.h” #include “OLED.h” unsigned int wucha = 0;//误差偏移修正 void PT100INT（void） { unsigned int Dout = 0;//清除AD数据缓存 unsigned int IN = 0;//采集AD前清零 TIM_Cmd（TIM6， ENABLE）;//1s计时准备 while（TIM_GetFlagStatus（TIM6，TIM_FLAG_Update） == RESET）//开始1s计时，1s内采集1000次AD并软件滤波 { TIM_Cmd（TIM7， ENABLE）;//1ms计时准备 while（TIM_GetFlagStatus（TIM7，TIM_FLAG_Update） == RESET）//开始10ms计时，采集100次 { ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）;//AD采集准备 while（ADC_GetFlagStatus（ADC1， ADC_FLAG_EOC） == RESET）;//AD采集 Dout = ADC_GetConversionValue（ADC1）;//AD数据缓存 } TIM_ClearFlag（TIM7，TIM_FLAG_Update）;//10ms结束，定时器清零，为下一次计时10ms做准备 TIM_Cmd（TIM7， DISABLE）;//关闭10ms定时器 IN = IN + Dout;//AD累加，为滤波做准备 } TIM_ClearFlag（TIM6，TIM_FLAG_Update）;//1s结束，定时器清零，为下一次计时1s做准备 TIM_Cmd（TIM6， DISABLE）;//关闭1s定时器 IN = （IN / 1000）+wucha;//滤波 PT100show_AD（IN）;//AD值显示 //AD采集值，请从低温到高温排 unsigned int TEMP［］= //温度值 { 26，27，28，29，30，31，32，33，34，35， 36，37，38，39，40，41，42，43，44，45， 46，47，48，49，50，51，52，53，54，55， 56，57，58，59，60，61，62，63，64，65， 66，67，68，69，70，71，72，73，74，75 }; unsigned int AD［］= //AD值 { 937， 977，1017，1057，1098，1144，1101，1240，1289，1332， 1378，1423，1474，1525，1560，1610，1661，1706，1753，1786， 1847，1902，1949，1984，2048，2100，2188，2231，2275，2322， 2372，2420，2465，2511，2554，2602，2652，2701，2747，2802， 2841，2886，2937，2994，3037，3065，3139，3164，3194，3347 }; unsigned int Temp = 0;//温度值清零 if（IN 《 937）//温度超过测量范围，使用最后测量范围的K值进行计算 { Temp = IN*10*TEMP［1］/AD［1］;//动态拟合比对，动态显示温度 } else if（IN 》= 937 && IN 《= 3347）//温度在测量范围内，开始测温 { unsigned int a=0; while（Temp == 0）//算出温度后跳出 { if（IN 》 AD［a］）//按区间比对 { Temp = IN*10*TEMP［a］/AD［a］;//动态拟合比对，动态显示温度 } a++;//AD采集区间切换 } } else if（IN 》 3347）//温度超过测量范围，使用最后测量范围的K值进行计算 { Temp = IN*10*TEMP［49］/AD［49］;//动态拟合比对，动态显示温度 } PT100show_Temp（Temp）;温度显示 } PT100测温系统程序“PT100INT.h” #ifndef _PT100INT_H__ #define _PT100INT_H__ void PT100INT（void）; #endif 最终结果，所测试的温度与标准仪表相差 0.1 ℃ 0.1℃ 0.1℃ ~ 0.2 ℃ 0.2℃ 0.2℃。 图28为PT100测温系统的测温显示效果： 当前面板所显示的AD值每1s刷新一次； 所显示的温度值每1s刷新一次； 警报未响起时蜂鸣器状态显示“静音”，警报响起时蜂鸣器报警鸣叫，且状态显示“鸣响”，当报警声响三遍后，报警声停止，蜂鸣器报警系统进入睡眠状态，当温度继续上升超过报警温度1℃时，蜂鸣器报警系统又会进入预备触发状态，等待报警温度的再次达到报警温度值； 最底下的图案为系统运行指示灯，当系统正在（流畅）运行时，该图标是动态显示的动画状态，最右边的方形图标闪烁。 四、调试 1、电路调试 在设计电桥中，一开始是把 5 V 5V 5V接在PT100与精密电阻间，把GND接在两个 1 K 1K 1K中间，模拟软件测试没有问题，但实际电路中会出现问题，LM358的2号引脚和3号引脚不能承受过大的电压，最终导致LM358的输出为爆输出状态（标准温度下超过 3.3 V 3.3V 3.3V），但在LM358的芯片手册上提到这两个引脚所能接受的电压远远不止这么少，百思不得其解。 所以在设计中将GND接在PT100与精密电阻间，把 5 V 5V 5V接在两个 1 K 1K 1K中间，让 1 K 1K 1K去分掉电压，模拟软件测试也是没有问题，最终LM358的2号引脚和3号引脚所承受的电压降到了 0.5 V 0.5V 0.5V以下，输出也和模拟差不多，电路调试成功。 2、放大倍数调试 根据实测，实物与理论出现预料范围内的偏差（电桥输出比理论偏大，放大倍数比理论偏小），通过串联电位器（由于元件不足，没有过大的电位器），勉强把放大倍数调整到了32倍。 3、AD采集： 此时刚好测出一百个温度区间内的AD值（当温度降的慢AD变化率小的时候，选最大温度区间为 1 ℃ 1℃ 1℃，；但当温度降得快，AD变化很大的时候，选用最小温度区间为 0.5 ℃ 0.5℃ 0.5℃，多次高温采样），其折线图25所示。 图29 AD采集 一百个区间已出，每个区间的斜率 K = 温 度 变 化 / A D 变 化 = 每 个 A D 是 多 少 温 度 K= 温度变化/AD变化=每个AD是多少温度 K=温度变化/AD变化=每个AD是多少温度 很容易可以求出来，只要把AD乘上对应区间的该斜率，则可求出对应的温度。 |
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