摘要：隨著微電子科技的發(fā)展，人們對(duì)科技的智能化要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)直布線測(cè)量滿足不了要求，尤其是在某些環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境和戶外環(huán)境，因此采用無(wú)線傳輸溫度檢測(cè)尤為必要。該文以STM32為控制核心的溫度控制器的設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中采用高精度溫度NTC溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)STM32內(nèi)部的12位AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且通過(guò)無(wú)線模塊主機(jī)上，主機(jī)通過(guò)串口發(fā)送到電腦上位機(jī)上顯示。

關(guān)鍵詞： STM32；測(cè)溫；無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）12-2929-05

單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它代表了智能科技的一個(gè)重要發(fā)展方向，它已經(jīng)運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的智能產(chǎn)品的制造。溫度控制是現(xiàn)代工業(yè)控制里的一項(xiàng)重要技術(shù)，其影響著生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量及工業(yè)水平。同時(shí)無(wú)線技術(shù)的出現(xiàn)方便了人們的生產(chǎn)，讓一些較危險(xiǎn)的場(chǎng)合人們也能實(shí)時(shí)得到所需的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行控制。

1 方案論證

1.1 主控部分

方案一：采用STC89C52八位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。該單片機(jī)軟件自由度大，價(jià)格便宜，但由于資源太少，需要外接AD芯片，增加了其復(fù)雜性及價(jià)格，故不適用于該系統(tǒng)。

方案二：采用當(dāng)前比較流行的STM32為控制器，該32位控制器軟件上基于意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的固件庫(kù)減小了開(kāi)發(fā)的難度。硬件上資源豐富，內(nèi)部帶有12位AD及SPI通訊接口等外設(shè)，操作方便，性價(jià)比非常高

1.2 傳感器部分

方案一：采用NTC溫度傳感器，該傳感器測(cè)量范圍廣，操作方便，價(jià)格便宜。

方案二：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路，但該傳感器價(jià)格較貴，軟件操作繁瑣。

1.3無(wú)線控制部分

該部分采用當(dāng)前流行的NRF24L01，該模塊采用2.4GHz頻段，SPI接口通訊。操作方便，價(jià)格便宜。

綜上所訴本系統(tǒng)傳感器采用方案一，控制器采用方案二；

系統(tǒng)框圖如圖1，圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要外圍設(shè)計(jì)包括：溫度采集模塊、電力控制模塊、無(wú)線發(fā)射模塊，聲光報(bào)警電路、STM32主控電路。

2.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用NTC溫度傳感器通過(guò)STM32的AD轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)測(cè)溫。電路如下：

該電路中D1，D2其電流鉗位作用，防止峰值干擾測(cè)量數(shù)據(jù)，電容C1為了給該系統(tǒng)濾波，主要都是提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

2.2 電力控制模塊

當(dāng)測(cè)得溫度高于上限值時(shí)候系統(tǒng)自動(dòng)斷開(kāi)220V電源，電路如下：

由于STM32輸出0～3.3V的電平故通過(guò)一個(gè)光耦及一個(gè)三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的通斷。

2.3無(wú)線發(fā)射模塊

該模塊主要采用是NRF24L01芯片。該是一款工作在 2.4～2.5GHz 世界通用 ISM 頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括： 頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI 接口進(jìn)行設(shè)置 。其電流消耗極低，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm 時(shí)電流消耗為9.0mA ，接收模式時(shí)為12.3mA。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。工作原理如下：

發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)（自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX FIFO中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)（自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟），若重發(fā)次數(shù)（ARC）達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā)；MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí)，若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。 接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX FIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1，其電路如下：

該無(wú)線模塊體積小，價(jià)格便宜，傳輸距離大概在三四十米左右。

2.4聲光報(bào)警電路

該報(bào)警器采用蜂鳴器與LED實(shí)現(xiàn)報(bào)警，主要為了當(dāng)溫度超過(guò)上限值時(shí)候起報(bào)警作用，其電路如下：

2.5 STM32主控電路

2.5.1 STM32F103RBT6是基于Corte-M3內(nèi)核的微控制器

工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K 字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O 端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I 2C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。

2.5.2特性

Cortex-M3 處理器，最高 72MHz工作頻率；

存儲(chǔ)器：128K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器（ROM）；20K 字節(jié)的SRAM ；

時(shí)鐘：內(nèi)嵌出廠調(diào)校的8MHz 和40KHz 的RC振蕩器，并且 32kHz RTC 振蕩器也帶校準(zhǔn)功能 ；

復(fù)位：上電/ 斷電復(fù)位（POR/PDR） ；

電源管理：2.0—3.6 伏供電和 I/O 引腳，可編程電壓檢測(cè)（PVD） ；

低功耗：可設(shè)置睡眠、停機(jī)和待機(jī)等三種模式；

AD：2 個(gè)12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us 轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá) 16 個(gè)輸入通道），轉(zhuǎn)換范圍是0 至3.6V ；雙采樣和保持功能，內(nèi)部帶溫度傳感器；

DMA：7 通道DMA控制器，支持的外設(shè)有定時(shí)器、ADC、SPI、I2C 和USART ；

I/O 端口：51 個(gè)I/O 口，所有的 I/O 口都可以映像到16 個(gè)外部中斷；幾乎所有 I/O 口可以容忍5V信號(hào) ；

定時(shí)器 ：3 個(gè)16位定時(shí)器（每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4 個(gè)用于輸入捕獲/ 輸出比較/PWM 或脈沖計(jì)數(shù)的通道和量編碼器輸入） ，1 個(gè)16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM 高級(jí)控制定時(shí)器 ，2 個(gè)看門狗定時(shí)器（獨(dú)立的和窗口型的） ；

系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位自減計(jì)數(shù)器。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序結(jié)構(gòu)分析

該系統(tǒng)分為兩塊程序：一為主機(jī)采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)并控制電力系統(tǒng)通斷，一為從機(jī)接受主機(jī)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通訊。

3.2 功能代碼（略）

3.3 組裝后實(shí)物

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是溫度采集與無(wú)線通訊技術(shù)及控制方面的一應(yīng)用案例。本設(shè)計(jì)以STM32為核心，采用NTC溫度傳感器、NRF24L01無(wú)線模塊、繼電器等進(jìn)行操作。整個(gè)系統(tǒng)同分為兩塊：一塊為主機(jī)控制部分，把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送出去并實(shí)現(xiàn)控制操作；另一塊為從機(jī)與電腦上位機(jī)通訊部分，接收主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，并上傳至電腦上，同時(shí)通過(guò)電腦發(fā)送數(shù)據(jù)操作主機(jī)控制部分。

該系統(tǒng)在室內(nèi)可實(shí)現(xiàn)30米左右的無(wú)線通訊（可通過(guò)改進(jìn)天線設(shè)計(jì)增加通訊距離），因此該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)短距離的環(huán)境溫度檢測(cè)及控制，對(duì)于環(huán)境惡劣的場(chǎng)合非常實(shí)用。

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