基于STM32的智能溫度巡檢儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

劉 衛(wèi)

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

溫度在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中發(fā)揮著重要作用，溫度檢測與控制直接影響著工業(yè)生產(chǎn)效率和安全，并關(guān)系到各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能等，因此，相關(guān)研究領(lǐng)域要高度重視研發(fā)智能溫度檢測與控制系統(tǒng)。目前，溫度檢測儀器在多個領(lǐng)域廣泛使用，有多種方式可實(shí)現(xiàn)溫度測量，且溫度測量技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步而日臻完善。

1 STM32相關(guān)概述

STM32屬于一種嵌入式單片機(jī)，主要應(yīng)用在提出低功耗、低成本、高性能要求的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)中，其主流產(chǎn)品包括STM32F1、STM32F0以及STM32F3，高性能產(chǎn)品包括STM32H7、STM32F7、STM32F4、STM32F2，超低功耗產(chǎn)品有STM32L4+、STM32L4、STM32l1、STM32L0[1]。STM32系列產(chǎn)品包含強(qiáng)化型外側(cè)接口，其互聯(lián)系列有和微控制器一致的標(biāo)準(zhǔn)接口，使產(chǎn)品應(yīng)用更加靈活，不同的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員可重復(fù)利用一個相同軟件。在STM32L系列當(dāng)中，增加了低功耗睡眠、低功耗運(yùn)行這兩項(xiàng)重要的低功耗模式，在超低功耗振蕩器以及穩(wěn)壓器利用下，可使低頻下的微控制器明顯降低工作功耗。穩(wěn)壓器在不依靠電源電壓情況下，仍可達(dá)到電流要求。同時，STM32具有動態(tài)電壓升降功能，可使芯片保持中低壓頻運(yùn)行過程，從而進(jìn)一步降低內(nèi)部工作電壓。

2 智能溫度巡檢儀設(shè)計(jì)功能

本研究所設(shè)計(jì)的智能溫度巡檢儀主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，為滿足工業(yè)生產(chǎn)提出的監(jiān)控需求，智能溫度巡檢儀需具備以下功能：1）應(yīng)用中可配合使用常用溫度傳感器對多路溫度進(jìn)行全面檢測，本文所設(shè)計(jì)智能溫度巡檢儀和Pt100型鉑熱電阻相互配合，可對8路溫度實(shí)現(xiàn)巡回檢測；2）可結(jié)合不同的應(yīng)用需求選擇不同顯示方式，包括定點(diǎn)顯示方式、巡回顯示方式等；3）可在全量程當(dāng)中設(shè)定一個超限報(bào)警值，一旦實(shí)測溫度高出設(shè)定值，就會有報(bào)警信號發(fā)出，同步輸出常開節(jié)點(diǎn)；4）在實(shí)際檢測中，每路溫度都可轉(zhuǎn)變成和其線性對應(yīng)的電流輸入，一般保持在4 mA～20 mA；5）可實(shí)現(xiàn)RS485通信，便于構(gòu)建局域監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中能夠共享溫度超限設(shè)定值、實(shí)測溫度等參數(shù)[2]。

3 基于STM32的智能溫度巡檢儀設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

基于STM32設(shè)計(jì)智能溫度巡檢儀，硬件總體設(shè)計(jì)主要包含7個功能單元，即溫度顯示單元、STM32單片機(jī)基本單元、溫度傳感單元、功能模式切換按鍵單元、電源單元、報(bào)警與繼電保護(hù)輸出單元、遠(yuǎn)程通信單元。其中，STM32單片機(jī)基本單元當(dāng)中主要包含單片機(jī)基礎(chǔ)性工作電路，如數(shù)據(jù)儲存電路、程序下載電路、時鐘電路等。在熱電偶測溫單元，重點(diǎn)分布有儀表放大及隔離電路、熱電偶接入以及冷端溫度補(bǔ)償電路等。在熱電阻測溫單元，重點(diǎn)設(shè)計(jì)儀表放大以及隔離電路，還有測溫電橋等。在顯示單元，包含有8位LED數(shù)碼管，由其顯示功能模塊基本信息以及溫度信號。在報(bào)警以及繼電保護(hù)輸出單元，包含有繼電器觸點(diǎn)輸出電路和指示燈報(bào)警電路。在遠(yuǎn)程通信單元，主要以RS485協(xié)議為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。在電源單元，設(shè)計(jì)220 V交流接入，所形成直流穩(wěn)壓電源包含多種電壓等級，可滿足單片機(jī)工作以及測量放大電路需求[3]。

系統(tǒng)方案運(yùn)用計(jì)劃溫度測量電路，通過使用溫度測量電路能夠確保溫度測量值具有更高精確度，從而滿足應(yīng)用提出的精度要求。溫度測量電路結(jié)合環(huán)境溫度，將所接收到的溫度傳感器信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得電流或電壓信號，此時需要向AD轉(zhuǎn)換器輸入相關(guān)電信號，以有效檢測環(huán)境溫度。經(jīng)綜合對比，最后選定測溫電路方案包括：1）熱電偶溫度相關(guān)測溫電路方案。智能溫度巡檢儀在工作狀態(tài)下，會對熱電偶溫度做出熱電勢反應(yīng)，冷端溫度和熱電勢輸出密切相關(guān)，在標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表當(dāng)中，以冷端溫度0 ℃為依據(jù)，所以要在熱電偶溫度基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)冷結(jié)補(bǔ)償。對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償期間，有軟件、硬件兩種方法，本研究設(shè)計(jì)中選擇通過硬件方法補(bǔ)償冷端溫度。2）熱電阻溫度相關(guān)測溫電路方案。本研究設(shè)計(jì)中選擇Pt100熱電阻，供橋電源為5 V，經(jīng)儀表放大以及信號隔離，使電橋輸出至單片機(jī)系統(tǒng)[4]。

3.1.1 MCU

在本設(shè)計(jì)中，MCU主要選擇STM32RBT6，其為64引腳。在導(dǎo)出PORTC端口，P2屬于重要組成部分。其中PORTA以及PORTB兩者密切相關(guān)，且有一定順序性，即：1）PA1和PA0以及P2端口一一對應(yīng)，其可和傳感器數(shù)據(jù)口實(shí)現(xiàn)順暢連接，同時還可和紅外線傳感器當(dāng)中的數(shù)據(jù)線相連。不過在本設(shè)計(jì)中并未使用該數(shù)據(jù)口，設(shè)計(jì)中主要使用“跳帽”使P2、P3兩者相互連接，不過設(shè)計(jì)中需要注意，兩者不可直接連接，因?yàn)闇囟葌鞲衅骱图t外傳感器會對串口產(chǎn)生影響，從而使其發(fā)揮其他功能。2）P4端口實(shí)現(xiàn)和PL2303串口之間的有序連接，此端口主要為輸出端，它和單片機(jī)串口1（也就是PA9/PA10）相對應(yīng)，該兩個串口主要實(shí)現(xiàn)跳帽連接，這一設(shè)計(jì)不會影響PA9以及PA10發(fā)揮其他功能。3）P5端口及另一IO口會引出排陣，此處會引出PORTD、PORTC等其他IO口[5]。

3.1.2 串口以及SW調(diào)試設(shè)計(jì)

以高速模式為基礎(chǔ)，和JTAG相比，SWD模式更加可靠，因?yàn)樵诰哂休^大數(shù)據(jù)量情況下JTAG會出現(xiàn)程序下載失敗情況，而相比之下SWD的失敗概率明顯偏低，所以本設(shè)計(jì)中選擇應(yīng)用SWD模式。

3.1.3 熱電偶測溫電路設(shè)計(jì)

熱電偶測量端以及冷端溫度會對其輸出熱電勢產(chǎn)生直接影響，設(shè)計(jì)中選擇冷端補(bǔ)償方法。因?yàn)闊犭娕俭w現(xiàn)出突出的非線性特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)斷口檢測電路、非線性校正電路以及X6675集成冷端補(bǔ)償電路，在此基礎(chǔ)上能更加方便、快捷地使用K型熱電偶[6]。其中所用的MAX6675優(yōu)勢顯著，特點(diǎn)突出，它的內(nèi)部集成設(shè)計(jì)了冷端補(bǔ)償電路，并使用三位串行接口，這一接口設(shè)計(jì)相對簡單，同時其溫度信號能夠向12位數(shù)字量方向轉(zhuǎn)換，并且具有非常高的溫度分辨率，能夠達(dá)到0.25 ℃。在電路中橋當(dāng)中，包含有4個電阻，其中有3個恒定電阻，另1個是Pt100熱敏電阻，一旦Pt100電阻值發(fā)生改變，測試端就會同步出現(xiàn)電位差，此時可以電位差為基礎(chǔ)進(jìn)行溫度值計(jì)算。在模擬輸出值當(dāng)中，和橋接法所測量溫度密切相關(guān)。本設(shè)計(jì)中放大器選擇AD623集成單功放。在PNP晶體管當(dāng)中，輸入信號會被當(dāng)作電壓緩沖器向其中添加，所產(chǎn)生的共模信號會向輸入放大器當(dāng)中傳遞[7]。所有放大器都和精確度非常高的50K反饋電阻相連接，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可編程增益，并發(fā)揮差分電壓開關(guān)功能。輸出放大器經(jīng)過轉(zhuǎn)換，會形成終端電壓，并以單一形式存在，工作中以五腳電勢為基礎(chǔ)對六腳輸出電壓實(shí)現(xiàn)可靠測量。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合STM32特點(diǎn)、設(shè)計(jì)任務(wù)以及硬件電路，本研究所設(shè)計(jì)智能溫度巡檢儀共有4項(xiàng)軟件設(shè)計(jì)任務(wù)，按照實(shí)時性要求從低至高的順序，分別是系統(tǒng)初始化、人機(jī)服務(wù)、數(shù)據(jù)采集和溫度計(jì)算、通信任務(wù)。其中，系統(tǒng)初始化這一程序只需要在開機(jī)過程中運(yùn)行一次，所以設(shè)計(jì)中不做過多考慮。在構(gòu)建數(shù)據(jù)采集局域網(wǎng)基礎(chǔ)上，所設(shè)計(jì)智能溫度巡檢儀在相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中保持從站地位，其響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時間延遲最大值是主站一幀信息的發(fā)出時間，如果時間延遲超過了這一時間，就會使主站調(diào)度命令無法得到響應(yīng)，整個網(wǎng)絡(luò)將明顯降低通信效率，所以設(shè)計(jì)中最高級別任務(wù)就是通信任務(wù)。在人機(jī)服務(wù)中，關(guān)鍵體現(xiàn)的是按鍵響應(yīng)任務(wù)，通常情況下人的按鍵動作需要耗時約100 ms，所以在這一時間內(nèi)能夠做出響應(yīng)即可，未提出較高實(shí)時性要求，所以屬于最低級別任務(wù)[8]。相比之下，將數(shù)據(jù)采集和溫度計(jì)算視作中間級別任務(wù)。為按照所設(shè)定的優(yōu)先級別逐步執(zhí)行三項(xiàng)任務(wù)，要在設(shè)計(jì)中應(yīng)用中斷機(jī)制。其中，主要于串行通信中斷服務(wù)程序當(dāng)中執(zhí)行通信任務(wù)，在中斷設(shè)計(jì)中將其設(shè)為高級中斷；于外部中斷服務(wù)程序當(dāng)中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集以及溫度計(jì)算相關(guān)任務(wù)，在中斷設(shè)計(jì)中將其設(shè)為低級中斷；于主程序內(nèi)執(zhí)行人機(jī)服務(wù)任務(wù)。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在智能溫度巡檢儀設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)儀表安裝形式以及外形。根據(jù)儀表應(yīng)用需求，智能溫度巡檢儀主要有三種結(jié)構(gòu)形式，即盤裝結(jié)構(gòu)、便攜式結(jié)構(gòu)、臺式結(jié)構(gòu)。其中臺式結(jié)構(gòu)不適合長年連續(xù)使用，同時便攜式結(jié)構(gòu)也主要應(yīng)用在非連續(xù)使用相關(guān)場合，而以盤裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫度巡檢儀，相關(guān)儀表能夠在儀表盤上安裝，可長年持續(xù)監(jiān)控生產(chǎn)過程。所以，本設(shè)計(jì)中選擇盤裝結(jié)構(gòu)，以滿足長期監(jiān)控連續(xù)生產(chǎn)過程的需求。在選擇盤裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，要了解可供操作的前面板尺寸比較小，不能安放較多按鍵和顯示器，而智能儀表設(shè)計(jì)中核心是微處理器，通過軟件利用實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能，而這就對顯示器和按鍵數(shù)量提出較高要求[9]。對此，需要在設(shè)計(jì)儀表功能期間重點(diǎn)展示關(guān)鍵性功能，適當(dāng)舍棄不必要功能，在滿足主要功能需求基礎(chǔ)上方便操作，同時盡量以在后臺提供復(fù)雜軟件支持形式保證操作流程和人的操作習(xí)慣比較相符。設(shè)計(jì)儀表操作方式前，要對同類儀表設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及操作過程進(jìn)行深入研究，以盡量提升操作便捷性、合理性。智能溫度巡檢儀在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還要重點(diǎn)考慮對外接線，此處應(yīng)重點(diǎn)考慮儀表應(yīng)用場合，若應(yīng)用在環(huán)境惡劣且使用周期較長的場合，主要選擇接線端子連接形式，在其他場合主要選擇接插件連接形式[10]。

4 調(diào)試與運(yùn)行

將軟件Keil uVision 5打開，選擇Options for Target這一選項(xiàng)，同步打開，找到Dubeg欄，選定仿真工具，即Use：ST-Link Debugger。之后找到Setting，同步點(diǎn)擊，而后于Debug Adapter當(dāng)中會看到Unit這一選項(xiàng)，其中會顯示出ST-LINK版本號。此時如果計(jì)算機(jī)當(dāng)中插入有仿真器（ST_LINK V2.1以及V2.0版本），下拉框會將兩個版本都顯示出來，此時要點(diǎn)擊ST-LINK/V2-1這一選項(xiàng)。本研究所用仿真器屬于SWD模式，可找出ort選項(xiàng)，同步點(diǎn)擊“SW”，設(shè)置速度最大值MAX是4 MHz。填充完整設(shè)置結(jié)束后，點(diǎn)擊“確定”，將有一個對話框彈出，點(diǎn)擊“OK”就會顯示出IDE界面，此時操作人員就可對下一工程進(jìn)行編譯。

5 結(jié)束語

本研究基于STM32設(shè)計(jì)智能溫度巡檢儀，首先，立足整體層面搭建系統(tǒng)，在充分學(xué)習(xí)與了解各模塊組成和功能基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)總體，同步搭建顯示電路、報(bào)警電路、熱電阻測溫電路以及熱電偶測溫電路等，而后展開軟件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行樣機(jī)制作，使智能溫度巡檢儀可發(fā)揮多項(xiàng)基本功能。其次，進(jìn)行調(diào)試程序的編寫，在對軟件以及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)試之后，對8路數(shù)字溫度實(shí)現(xiàn)測試，將這8路數(shù)字溫度劃分為兩組，每組4路，一組為Pt100熱電阻測溫系統(tǒng)，另一組為 B分度號熱電偶。而后進(jìn)一步調(diào)試顯示模塊以及報(bào)警模塊，在確保系統(tǒng)可以正常運(yùn)行后，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理。