【正文】 it can improve the maintainability of the system and operability, and achieve the purpose of saving cost and higher efficiency. Keywords: Microcontroller。 Temperature monitoring。社會(huì)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境和生活環(huán)境意識(shí)的要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)在智能手機(jī)，可穿戴設(shè)備，輕型醫(yī)療產(chǎn)品廣泛的進(jìn)入了人們的生活。隨著單片機(jī)價(jià)格的降低與普及，可見(jiàn)現(xiàn)在的電子產(chǎn)品朝著系統(tǒng)集成方向快速發(fā)展?；趩纹瑱C(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)較傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)具有更大的靈活性以及易于擴(kuò)展功能，是一種低成本、可操作的產(chǎn)品。通過(guò)本次設(shè)計(jì)掌握溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)了解 STM32 芯片使用、觸摸屏驅(qū)等軟件編寫(xiě)方法。熟練使用 Altium Designer 軟件進(jìn)行 PCB 布局與布線，熟悉 PCB 板的制作。 行業(yè)技術(shù)發(fā)展概況 1600 年，伽利略研制出氣體溫度計(jì)，一 百年后，出現(xiàn)了酒精溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)。 1950 年以后，研制了半導(dǎo)體熱敏電阻器。常規(guī)的熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等測(cè)溫方式，需要金屬導(dǎo)線傳輸信號(hào)，絕緣性能不能保證。國(guó)外行業(yè)發(fā)展比國(guó)內(nèi)早，技術(shù)更成熟。先是采用模擬式的組合儀器，采集現(xiàn)場(chǎng)信息并 進(jìn)行指示、記錄和控制。目前正開(kāi)發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。幾種 溫度測(cè)量技術(shù)分類(lèi)如下： （ 1）薄膜溫度傳感器 薄膜溫度傳感器是一種新型的測(cè)溫傳感器，工作原理與普通熱電阻，熱電偶相同，但它的熱接點(diǎn)厚度一般只有幾微米。 （ 2）光纖測(cè)溫技術(shù) 光纖測(cè)溫技術(shù)是在 近十多年才發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，目前，這一技術(shù)仍處于研 究發(fā)展和逐步推廣實(shí)用的階段。但是，正像其他許多新技術(shù)一樣，光纖測(cè)溫技術(shù)并不 能用來(lái)全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，它僅是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)溫方法的補(bǔ)充。近年來(lái) ,隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展、半導(dǎo)體材料的進(jìn)步及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 ,輻射測(cè)溫技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。 （ 4）電量式測(cè)溫 電量式測(cè)溫方法主要利用材料的電勢(shì)、電阻或其它電性能與溫度的單值關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量，包括熱電偶溫度測(cè)量、熱電阻和熱敏電阻溫度測(cè)量、集成芯片溫度測(cè)量等。在過(guò)去的幾年里傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)方式正在被智能化、自動(dòng)化、無(wú)紙化、網(wǎng)絡(luò)化的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所取代，在可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)幾年里，我國(guó)大部分企業(yè)將轉(zhuǎn)變溫濕度監(jiān)測(cè)方式，統(tǒng)一裝配智能化的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本課題以溫度監(jiān)控與報(bào)警為主要研究對(duì)象，使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RCT6 處理器為主控制 器芯片，基于由 Micrium 公司提供的 μC/OSII 嵌入式內(nèi)核設(shè)計(jì)管理多個(gè)任務(wù)，利用 SEGGER 提供的 μC/GUI圖形界面庫(kù)開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面，并整合軟硬件形成整體解決方案。 （ 2） 對(duì) DS18B20 芯片功能和使用方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并介紹了 LCD 集成觸摸顯示屏的基本特性和使用流程。整體方案包括電源模塊、調(diào)試模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊等部分。并編寫(xiě)了 DS18b20 的驅(qū)動(dòng)函數(shù)和設(shè)計(jì)了 LCD 人機(jī)界面。DS18B20 傳感器是一個(gè)數(shù)字集成器件，不需要再添加 AD 轉(zhuǎn)換電路，該傳感器用來(lái)檢測(cè)環(huán)境溫度， LCD 電路部分具有檢測(cè)觸摸輸入和顯示功能，蜂鳴器是由處理器驅(qū)動(dòng)的報(bào)警裝置，對(duì)超出范圍的溫度值進(jìn)行報(bào)警提示，按鍵電路是防止系統(tǒng)死機(jī)而設(shè)計(jì)的快速?gòu)?fù)位按鍵，而處理器是將采集的溫度值送到 LCD 顯示部分進(jìn)行顯示，并判斷當(dāng)前溫度是否需要報(bào)警，還需要監(jiān)控觸摸輸入的坐標(biāo)以響應(yīng)對(duì)應(yīng)的操作。 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)后，需要通過(guò)觸摸屏設(shè)置報(bào)警值，初始報(bào)警最大值是 ℃ ，最小值是 ℃ ，使用者需要根據(jù)具體情況設(shè)置報(bào)警范圍。當(dāng)檢測(cè)到 觸摸屏 star 按鈕按下后，單片機(jī)便會(huì)將全局?jǐn)?shù)組中十個(gè)數(shù)據(jù)以折線圖的形式顯示到顯示屏上，同時(shí)還將當(dāng)前溫度值顯示在右上角，每?jī)擅敫乱淮?，保持與讀取溫度頻率相同。如果超過(guò)溫度范圍，控制器便打開(kāi)蜂鳴器報(bào)警。其他功能還包括： 256 KB 的 Flash，最多 20 KB SRAM，以 CPU時(shí)鐘速度存?。ㄗx /寫(xiě)），零等待狀態(tài)；工作溫度范圍： 4085℃ ； 4 件選擇可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器，支持 Flash， SRAM， PSRAM，NOR 和 NAND 存儲(chǔ)器； LCD 并行接口，支持英特爾 8080 和摩托羅拉 6800 模式；支持三種低功耗模式：睡眠模式，停止模式，待機(jī)模式。STM32F103RCT6 引腳排列如圖 所示。溫度傳感器的精度為用戶(hù)可編程的 9， 10， 11 或12 位，每一位對(duì)應(yīng)的的精度分別是 ℃ ， ℃ ， ℃ 和 ℃ 。 DS18B20 引腳功能如表 所示。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 表 DS18B20 引腳說(shuō)明 T09 封裝 符號(hào) 說(shuō)明 1 GND 接地 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。當(dāng)工作在寄生電源模式時(shí) 用來(lái)提供電源 3 VDD 可選的 VDD 引腳。 TFTLCD 介紹 TFTLCD 模塊自帶一個(gè)觸摸檢測(cè)芯片和一個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)芯片，引腳排列圖如圖 所示。 XPT2046 是一款 4 導(dǎo)線制觸摸屏控制器，內(nèi)含 12 位分辨率 125KHz 轉(zhuǎn)換速率 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。 XPT2046 通過(guò)連續(xù)執(zhí)行兩次 A/D 轉(zhuǎn)換，一次 X 方向一次 Y 方向觸摸檢測(cè)查出被按的屏幕坐標(biāo)值 。在 16 位模式下， ILI9341 采用 RGB565 格式存儲(chǔ)顏色數(shù)據(jù)，此時(shí) ILI9341 的 18 位數(shù)據(jù)線與 MCU 的 16 位數(shù)據(jù)線以及 LCD GRAM 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 所示。 蜂鳴器與家用電器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的 TTL 電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，需要增加一個(gè)電流放大的電路才可以，這一點(diǎn)與家用電器中的功放有相似之處。此次設(shè)計(jì)使用的蜂鳴器是電磁式的有源蜂鳴器，這里的有源不是指電源的 源 ，而是指有沒(méi)有自帶震蕩電路，有源蜂鳴器自帶了震蕩電路，一通電就會(huì)發(fā)聲 ； 無(wú)源蜂鳴器則沒(méi)有自帶震蕩電路，必須外部提供 2~5Khz 左右的方波驅(qū)動(dòng)，才能發(fā)聲。 STM32F103RCT6 的 PC6 與 LCD 的讀數(shù)據(jù)線相連， PC7 與 LCD 寫(xiě)數(shù)據(jù)線相連， PC8 與 LCD 數(shù)據(jù)與命令控制位相連， PC9 與 LCD 片選信號(hào)相連， 16 位 PB 口與 LCD 雙向數(shù)據(jù)接口相連。 JTAG 接口引出作為程序下載和調(diào)試接口。 PA0 連接 DS18B20 的單信號(hào)線上，由 PA0 模擬產(chǎn)生DS18B20 的復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫(xiě)時(shí)序以及讀時(shí)序。所以 PA2 并不需要再產(chǎn)生一個(gè)周期脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，只需要輸出高電平將打開(kāi)蜂鳴器否則關(guān)閉。 STM32 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTC）是一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器。修改計(jì)數(shù)器的值可以重新設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間和日期。 PB 口和 PC6PC10 用作集成顯示觸摸屏的控制口。時(shí)鐘由 TCK 引腳輸入。通過(guò) TMS 引腳的數(shù)據(jù)在 TCK 時(shí)鐘控制下 TDI 和 TDO 引腳分別輸入或者輸出數(shù)據(jù)。 TCK 的時(shí)鐘頻率隨芯片的不同而不同，但是其通常頻率范圍為 10100MHz。 TRST引腳是一個(gè)可選則性的，相對(duì)于待測(cè)電平低電平有效的復(fù)位開(kāi)關(guān)。 JTAG 引腳如表 所示。 VDD1VDD2TRST3GND4TDI5GND6TMS/SWDIO7GND8TCK/SWCLK9GND10NC11GND12TDO/SWO13GND14RESET15GND16NC17GND18NC19GND20JTAG1JTAGGNDC12104R6 R7 R8 R10R9GNDJTRSTJTDIJTMSJTCKJTDORESETU3 圖 JTAG 原理圖 TFTLCD 電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中我采用開(kāi)發(fā)板附帶的 TFTLCD 顯示屏，該模塊電路圖如圖 所示。TFTLCD可以直接接在控制器的 IO 口上， TFTLCD模塊采用 16 位的并方式與外部連接，之所以不采用 8 位的方式，是因?yàn)椴势恋臄?shù)據(jù)量比較大，尤其在顯示圖片的時(shí)候，如果用 8 位數(shù)據(jù)線，就會(huì)比 16 位方式慢一倍以上，我們當(dāng)然希望速度越快越好，所以我們選擇 16 位的接口。 表 引腳功能 端口 功能 CS TFTLCD 片選信號(hào) WR 向 TFTLCD 寫(xiě)入數(shù)據(jù) RD 從 TFTLCD 讀取數(shù)據(jù) D[15： 0] 16 位雙向數(shù)據(jù)線 RST 硬復(fù)位 TFTLCD RS 命令 /數(shù)據(jù)標(biāo)志（ 0，讀寫(xiě)命 令； 1，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)） 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 LCD_CS1RS2WR/CLK3RD4RST5DB16DB27DB38DB49DB510DB611DB712DB813DB1014DB1115DB1216DB1317DB1418DB1519DB1620DB1721GND22BL232425GND26GND27BL_VDD28MISO29MOSI30T_PEN31MO32T_CS33CLK34TFTLCDTFT_LCDLCD_CS LCD_RSLCD_WRRESETLCD_D1 LCD_D2LCD_D3 LCD_D4LCD_D5 LCD_D6LCD_D7 LCD_D8LCD_D9 LCD_D10LCD_D11 LCD_D12LCD_D13 LCD_D14LCD_D15LCD_BLLCD_RDLCD_D0GNDT_MISOT_CST_PENC1104C2104VCC5GNDT_MOSIT_SCK 圖 TFT_LCD 原理圖 蜂鳴器電路設(shè)計(jì) 該模塊電路圖如圖 所示。所以，我們不用 STM32 的 IO 直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，而是通過(guò)三極管 Q1 擴(kuò)流后再驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，這樣 STM32 的 IO 只需要提供不到 1mA 的電流就足夠了。 單總線系統(tǒng)只有一條定義的信號(hào)線。這樣的系統(tǒng)允許每一個(gè)掛在總線上的區(qū)間都能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間驅(qū)動(dòng)它。無(wú)論任何理由需要暫停某一執(zhí)行過(guò)程時(shí)，如果還想恢復(fù)執(zhí)行的 話 ，總線 必須 停留在空閑狀態(tài)。如果總 線停留在低電平超過(guò) 480us，總線上的所有器件都將被復(fù)位。嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng) μC/OSⅡ 是一個(gè) “實(shí)時(shí)內(nèi)核 ”，也稱(chēng)為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或 RTOS。在使用可剝奪性的內(nèi)核時(shí)，所有要求快速反應(yīng)的事件都 得到了盡可能快速、有效的處理。 μC/OSⅡ 與其他大型操作系統(tǒng)不同，它僅僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，并不具有像 GUI，TCP/IP 協(xié)議棧等功能部件。操作系統(tǒng)具有管理多個(gè)任務(wù)的功能，開(kāi)發(fā)者只需要編寫(xiě)每個(gè)任務(wù)函數(shù)即可。弊端是，由于操作系統(tǒng)比專(zhuān)用代碼提供更通用的功能，而很多功能在開(kāi)發(fā)中便不會(huì)用到，所以這 也使得它占用了更多資源，系統(tǒng)工作效率也因此有所降低。 GUI 時(shí)英文 Graphics User Interface 的縮寫(xiě)，即圖形用戶(hù)界面。它提供了更友好的 UI，使得計(jì)算機(jī)變得更人性化也使得大多數(shù)人都能夠?qū)W會(huì)使用和接受的工具。與 PC不同的是由于嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求更高，對(duì) GUI 界面的響應(yīng)速 度的要求也更高。在一些界面功能要求簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)中，大家可以自行編寫(xiě)一些函數(shù)集，來(lái)進(jìn)行圖形、文字的顯示；但是，對(duì)于界面功能要求強(qiáng)大的系統(tǒng)，包括 PDA、機(jī)頂盒、 DVD、 WAP 手機(jī)等系統(tǒng)均要求提供全功能的 web 瀏覽器。 μC/GUI的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一個(gè)適合大部分實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并支持大部分 LCD控制器的圖形函數(shù)庫(kù)。 它適用于單任務(wù)操作及多任務(wù)操作環(huán)境 , 也適用于不論是免費(fèi)的操作系統(tǒng)還是是商業(yè)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 主函數(shù)分析 圖 main 函數(shù) 流程圖 在多任務(wù)開(kāi)始之前，需要先設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 72M，初始化觸摸屏控制器，初始化 μC/GUI以及校準(zhǔn)觸摸屏。 完成硬件初始化后，還需要調(diào)用 OSInit（）初始化操作系統(tǒng)。之后調(diào)用OSStart()函數(shù)執(zhí)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù) Task_DS18B20。在延時(shí) 2 秒的時(shí)間里，任務(wù)調(diào)度器會(huì)檢查次級(jí)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)延時(shí)時(shí)間是否已經(jīng)等于零，或者任務(wù)是否已經(jīng)進(jìn)入就緒狀態(tài)。以上操作是依賴(lài)于 PendSV 異常來(lái)進(jìn)行上下文的切換。 Task_wave 任務(wù)將溫度數(shù)據(jù)顯示成折線圖，便于直觀了解一段開(kāi)始 初始化硬件 初始化操作系統(tǒng) 創(chuàng)建 Task_DS18B20 任 務(wù) 創(chuàng)建 Task_wave 任務(wù) 創(chuàng)建 TASK_beep 任務(wù) 創(chuàng)建 Task_TOUCH 任務(wù) 結(jié)束 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 時(shí)間的溫度變化。 主要任務(wù)分析 Task_wave 任務(wù) Task_wave 任務(wù)流程