基于STM32的数显温度计设计

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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）。

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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。

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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。

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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。

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三、原理图设计

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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。

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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。

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（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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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（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。

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（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。

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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。