基于STM32的数显温度计设计

Posted 2023-02-03 平陆成江，

一、设计目的

利用STM32完成数显温度计的制作，功能包括实时温度显示（摄氏度与华氏度)，高温与低温报警，以及温区设置。

二、设计方案

系统采用STM2F103C8T6芯片实现，温度传感器采用DS18B20与LM335，显示采用OLED屏幕，温度报警使用LED灯，利用按键进行温区设置。

1.STM32F103C8T6

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核（ARM公司在ARM11以后改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，M系列有M0、M0+、M3、M4、M7）的32位的微控制器，采用LQFP48封装，由意法半导体公司（ST）推出，属于STM32系列（ST公司还有SPC5X系列微控制器）。其程序存储器FLASH容量是64KB (64K x 8bit)，RAM容量是20KB(20K x 8bit)，2个12bit ADC合计12路通道（外部通道只有PA0到PA7、PB0到PB1，并不是18通道），37个通用I/O口（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），4个16bit通用定时器（TIM1（带死区插入，常用于产生PWM控制电机）、TIM2、TIM3、TIM4），2个看门狗定时器（独立看门狗、窗口看门狗）1个24bit向下计数的滴答定时器（很重要，一般delay都使用这个定时器实现），2IIC，2SPI，3USART，1CAN，工作电压2V~3.6V，工作温度为-40°C ~ 85°C，系统时钟最高可到72MHz（一般是由8MHz的外部时钟经锁相环9倍频到72MHz）。

2.DS18B20

( 1 )采用单总线的接口方式 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
( 2 )测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ; 在 -10~+ 85°C范围内，精度为 ± 0.5°C 。
( 3 )在使用中不需要任何外围元件。
( 4 )持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。
( 5 )供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
( 6 )测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 9~12 位。
( 7 ) 负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

3.LM335

LM335是可以轻松校准的精密温度传感器。它们用作2端稳压管，击穿电压与10mV/°K的绝对温度成正比。
该电路的动态阻抗小于1Ω，可在450mA至5mA的电流范围内工作，而不会改变其特性。

4.OLED

OLED 屏幕作为一种新型的显示技术，其自身可以发光，亮度，对比度高，功耗低，在当下备受追捧。而在我们正常的显示调整参数过程中，我们越来越多的使用这种屏幕。我们使用的一般是分辨率为 128x64 ，屏幕尺寸为 0.96 寸。由于其较小的尺寸和比较高的分辨率，让它有着很好的显示效果和便携性。
我们本次使用的是四针OLED，有四根引脚分别为VCC,GND,SCL,SDA，使用IIC通信，虽然刷新率不如七针SPI通信，但足够数显温度计设计使用。

三、原理图设计

四、软件设计

软件设计部分，采用STM32CUBEMX与MDK5完成。

1.OLED的IIC通信

IIC概述：

IIC:两线式串行总线，它是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。
在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，高速IIC总线一般可达400kbs以上。
时钟线SCL：在通信过程起到控制作用。
数据线SDA：用来一位一位的传送数据。
IIC分为软件IIC和硬件IIC：
软件IIC：软件IIC通信指的是用单片机的两个I/O端口模拟出来的IIC，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟寄存器的工作方式。
硬件IIC：一块硬件电路，硬件I2C对应芯片上的I2C外设，有相应I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置。
硬件I2C的效率要远高于软件的，而软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活，本系统采用硬件IIC通信，以达到较高刷新率。

IIC通信协议：

IIC通信过程由开始、结束、发送、响应、接收五个部分构成。
（1）（在发送、接收数据的时候）当SCL为高电平时，SDA线不允许变化；当SCL线为低电平时，SDA线可以任意0、1变化。
（2）（在任意时候）只有当SCL为高电平时，IIC电路才对SDA线上的电平（0或者1）进行记录，当SCL线为低电平时，无论SDA是高还是低，IIC电路都不对SDA进行采样。
空闲状态
I2C总线的SDA和SCL两条信号同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。
开始信号与停止信号
开始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；启动信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平。
停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变；停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。
应答信号
发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据先，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位(ACK简称应答位)，表示接收器已经成功接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位(NACK),一般表示接收器接收该字节没有成功。
对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间位稳定的低电平。如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号。
发送数据
在I2C总线上传送的每位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，SDA逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。

2.LM335的ADC采集

STM32f103系列有3个ADC，精度为12位，每个ADC最多有16个外部通道。其中ADC1和ADC2都有16个外部通道，ADC3一般有8个外部通道，各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断执行，ADC转换的结果可以左对齐或右对齐储存在16位数据寄存器中。ADC的输入时钟不得超过14MHz，其时钟频率由PCLK2分频产生。
ADC所能测量的电压范围就是VREF- ≤ VIN ≤ VREF+，把 VSSA 和 VREF-接地，把 VREF+和 VDDA 接 3V3，得到ADC 的输入电压范围为： 0~3.3V。
LM335测温引脚输出电压范围在3V左右，所以不需要外置电路，ADC即可直接采集电压。

3.DS18B20的单总线协议

（1）单总线通信初始化

初始化时序包括：主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。主机通过拉低单总线480-960μs产生复位脉冲；然后由主机释放总线，并进入接收模式。主机释放总线时，会产生一由低电平跳变为高电平的上升沿，单总线器件检测到该上升沿后，延时15～60μs，接着单总线器件通过拉低总线60～240μsμ来产生应答脉冲。主机接收到从机的以应答脉冲后，说明有单总线器件在线，到此初始化完成。然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。

（2）位写入时序

写时隙：当主机把数据线从逻辑高电平拉到逻辑低电平的时候，写时间隙开始。有两种写时间隙：写1的时间隙和写0时间隙。所有写时间隙必须最少持续60us,包括两个写周期间至少1us的恢复时间。DQ引脚上的电平变低后，DS18B20在一个15us到60us的时间窗口内对DQ引脚采样。如果DQ引脚是高电平，就是写1，如果DQ引脚是低电平，就是写0。主机要生成一个写1时间隙，必须把数据线拉到低电平然后释放，在写时间隙开始后的15us内允许数据线拉到高电平。主机要生成一个写0时间隙，必须把数据线拉到低电平并保持60us。

（3）位读取时序

当主机把总线从高电平拉低，并保持至少1us后释放总线；并在15us内读取从DS18B20输出的数据。
4.LED控制
LED即发光二极管，一端通过电阻限流接至GND，另一端接到单片机IO口，当IO口电平置高时，LED便点亮。
5.按键中断
STM32使用按键有两种方式：
（1）循环扫描模式，占用CPU资源较大，需要不断扫描，看是否有按键被按下。
（2）中断触发方式，使用前后台模式，当按键被按下时（IO口检测到下降沿）,CPU停下手头工作，转去执行中断任务。
本系统采用中断触发方式，当检测到下降沿时，在中断内修改设定温区。

五、原理图以及程序

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