第2章 总体设计

2.1数据采集器简介

数据采集主要对外界环境信息经过一定的手段采集数据，采集的数据可以是温度、电压、电流等等。它主要研究信息数据的采集、处理及存储。它和显示系统也密不可分，它以信息为基本单位，通过信息转换为能够识别的信号，该信号通过处理进行测量和处理。本专业主要以嵌入式为中心，研究电信号的数据采集，它是一门综合性技术。随着社会不断的进步，嵌入式技术在工业控制，检测、管理等方方面面都涉及到了。数据采集和显示系统的融合，能够实时进行采集，自动存储，实显示，为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供保证。

目前，数据采集系统按照用途，正朝向两个方面发展，一方面为分散系统，通过总线的方式，把各个采集点，安装到各个不同的地方，然后通过一个集成控制进行数据采集，这种方式采集数据灵活。另一种为集成数据采集，这种方式以高端的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统为核心，集中对数据进行采集，如监控摄像头图像采集，数据采集器内装有一个嵌入式操作系统，应用程序在操作系统上独立开发。

2.2传感器选型

随着科技的不断进步，温度测量方面的传感器也层出不穷，但归根到底主要是两种，一种是数字式，一种是模拟式。使用模拟式的温度测量电路中，一般是通过热敏感电阻，这种电阻随着温度的上升，使得电阻值也随着温度值上升而减小，然后采用电阻分压或者电流取样等，获取模拟信号，经过调理电路放大和线性反馈补偿等等，输出到AD转换器，通过数字处理器进行处理后，按照热敏电阻的特性，从而测量出温度显示。这种方式，在设计时，需要使用AD转换和模拟电路。这种方式调试麻烦，而传统的温度检测电路基本以热敏电阻为温度传感器。由于热敏电阻测量的温度范围低，可靠性差，不易调试，而且必须经过数据信号处理后，才能让CPU识别，在高要求的温度检测应用中，热敏电阻已经被精度高、准确性好的各种集成温度采集设备所代替。

正式由于这些因素，本设计采用的是DS18B20传感器进行温度测量，它具有测量精度高，连接方式简单，分辨率高等等。与传统的热敏电阻相比，DS18B20能够直接通过单总线接口，读取数字信号，而且根据需要可以提高DS18B20的读取精度。另外DS18B20的功率可以从单总线上获取，使得连接线进一步减少，无需外部电源，因此，DS18B20被广泛应用于温度采集与处理、数字温度计及各种温度控制系统中。

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2.3 Cortex-M3 处理器简介

Cortex-M3 处理器是一种32为处理器，它在各种特定市场都有着极大的影响，它为存储器和处理器的相关技术提供了解决方案，它是围绕市场战略而形成的特定的产品。它整合了许多的技术，不仅减少了使用内存，而且能够在很小的嵌入式芯片上集成。具有低功耗和高可靠性。相对于过去的ARM7处理器，ARM Cortex-M3处理器是使用门级电路最少的CPU内核，这样大大的降低了芯片的面积，也更加的适用于低成本的工艺生产。该类处理的性能可以达到1.2DMIPS/MHz，内存结构采用了先进的哈佛结构，合理地利用了芯片空间，使系统满足了下一代产品控制需求。执行32位的Thumb-2 指令集，同时包含高效的系统外设。同时，该架构还推出了新的单线调试技术，避免使用多引脚进行 JTAG 调试，并全面支持 RealView 编译器和 RealView调试产品[2]。

ARM Cortex-M3内核总共有20个寄存器，每一个寄存器的数据位宽度为32BIT，R0-R12 这13个寄存器为通用寄存器，主要用来保存临时数据和局部数据；R13为堆栈寄存器，也叫做SP寄存器，用来进行任务压栈和出栈操作。 R14为跳转寄存器，即通常所说的链接寄存器(LR)，这个寄存器用来保存PC寄存器地址，当程序返回时，需要保存返回的PC地址。APSR寄存器保存运算中的符号和结果标志等信息。IPSR寄存器为中断计数寄存器，EPSR状态寄存器，可中断执行指令与条件跳转指令状态寄存器。FreeROTS内核与CPU相关的文件大多牵扯到临界代码的处理和任务状态和任务变量的现场保存。

2.4系统总体设计

本温度控制系统的设计本着低功耗、低成本、性能好等原则，把整个系统方案划分为四个部分，分别是嵌入式最小系统、测温部分、控制部分及显示部分。其系统框图如图2.1所示。

1、嵌入式最小系统

嵌入式最小系统包括嵌入式芯片，时钟电路和复位电路。时钟电路用于产生嵌入式工作时所必须的时钟信号[3]。STM32嵌入式的内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作；复位操作是嵌入式的初始化操作，只需给嵌入式的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可以使嵌入式复位。

2、测温部分

采用温度传感器，测量温度信息，温度测量范围为0~100℃，最大线性偏差小于1摄氏度。把温度信号送到微控制器，便于MCU处理和控制。

3、控制部分

该部分通过嵌入式的GPIO口输出的高低电平来控制继电器的通断，从而决定是否加热或制冷，当温度高于温度上限时，制冷控制输出；当温度低于下限时，

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加热控制输出。

4、显示部分

采用良好的人际交互LCD1602显示，LCD1602自带字库，操作方便。

图 2.1 系统设计框图

2.5系统设计指标

设计的主要功能和指标如下： （1）多点监测；

（2）监测温度范围宽，精度高； （3）用LCD液晶进行实际温度值显示； （4）能够自主设置上、下限报警温度；

（5）当超过报警温度后，能够自动发出报警信号。

本系统使用较高的智能化设计，无需手动对系统进行各种参数的设定，一旦进入系统开启界面，系统将会自动对电路的各个功能模块进行检测，如果各个模块正常，将自动进入监测界面，如果检测到系统的部分问题不正常，将会在显示界面上显示出来，便于处理。进入监测画面以后，系统会以默认的初始值进行监测，如果被监测对象有特殊的需要，可以在监测界面下使用按键输入系统，对监测的参数进行修改，达到监测所需的要求。

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所示。

了详细的介绍。

3.1 STM32 最小系统模块设计

第3章 硬件设计

图3-1 STM32处理器

包括STM32最小系统，温度采集电路和显示电路等。并对每个电路的功能进行

STM32处理器是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计

的ARM Cortex-M3内核。JTAG电路主要为用户提供程序下载和调试，STM32

BOOT0、BOOT1选择CPU的启动方式，其启动方式分为用户FLASH启动、系

有三种下载程序的方式，分别是MDK编译器附带的烧写、串口ISP烧写、

J-FLASH方式烧写。不同的下载方式对应STM32启动方式也不同，主要通过

下载电路、复位电路、8MHz高速晶振电路、复位电路组成[4]，其电路图如图3-1

本设计的核心单元MCU采用的是STM32F103C8T6，其外围电路包括JTAG

上一章介绍了系统的总体设计后，本章详细介绍温度采集系统的硬件系统，

统存储器启动方式及STM32内嵌的SRAM启动组成。本设计采用J-LINK烧写，

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