（一）系统功能设计
STM32单片机智能热电偶工业锅炉温度控制恒温箱16
本系统由STM32F103C8T6单片机核心板、热电偶模块、LCD1602液晶显示、按键、继电器组成。
1、液晶实时显示温度和温度的上下限。
2、通过按键可以设置温度的上下限,上下限具有自动保存，掉电不丢失功能。
3、如果温度低于下限，则继电器闭合，如果温度高于上限，则继电器断开。
4、通过热电偶检测温度范围0-600度。
注意：热电偶两根线接入模块分正负。
（二）系统硬件系统分析设计
1、STM32单片机核心电路设计
STM32系列处理器是意法半导体ST公司生产的一种基于ARM 7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。选择此款控制芯片是因为本系统设计并非追求成本的最低或更小的功耗，而是在实现本设计功能的前提下能够提供更丰富的接口和功能以便于设计实验系统各实验项目所需的外围扩展电路。此款控制芯片在完成单片机课程的学习后上手较为容易，在医疗器械中应用广泛，具有很好的学习、实验研究价值。
一、STM32的主要优点：
（1）使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核
（2） 优异的实时性能
（3） 杰出的功耗控制
（4） 出众及创新的外设
（5） 最大程度的集成整合
（6） 易于开发，可使产品快速将进入市场
二、STM32——最佳的平台选项
对于使用同一平台进行多个项目开发而言，STM32是最
佳的选择：
（1） 从仅需少量的存储空间和管脚应用到需要更多的存储空间和管脚的应用
（2） 从苛求性能的应用到电池供电的应用
（3） 从简单而成本敏感的应用到高端应用
（4） 全系列脚对脚、外设及软件的高度兼容性，给您带来全方位的灵活性。您可以在不必修改您原始框架及软件的条件下，将您的应用升级到需要更多存储空间或精简到使用更少存储空间/ 或改用不同的封装的规格。
STM32F103C8T6单片机核心板接口电路图如下图所示。
STM32单片机核心板接口原理图
STM32单片机实物图如下图所示。
STM32单片机核心板实物图
2、按键电路（含上拉电阻）设计
轻触按键是按键产品下属的一款分类产品，它其实相当于是一种电子开关，只要轻轻的按下按键就可以是开关接通，松开时是开关就断开连接，实现原理主要是通过轻触按键内部的金属弹片受力弹动来实现接通和断开的。
在本系统中，按键作为系统的输入，起到了人机交互的枢纽作用。按键的单片机控制引脚默认为高电平，当按键按下后，单片机的相关引脚则变成低电平。进而实现对系统的手动输入。其电路原理图如下图所示。电路中电阻作用为上拉电阻，保证按键信号的稳定输出（一般使用中考虑到电路简化，可以删除上拉电阻，不焊接）。注意，按键个数可变。
按键电路原理图
3、LCD1602液晶显示模块电路设计
LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。
一、LCD1602主要技术参数如下：
（1）显示容量为16×2个字符；
（2）芯片工作电压为4.5～5.5V；
（3）工作电流为2.0mA（5.0V）；
（4）模块最佳工作电压为5.0V；
（5）字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。
二、LCD1602采用标准的14脚，其接口的引脚说明如下：
（1）第1脚：VSS为地电源。
（2）第2脚：VDD接5V正电源。
（3）第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端。
（4）第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
（5）第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
（6）第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
（7）第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
（8）第15～16脚：空脚
系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。在本电路中电位器可以调节液晶显示的对比度即清晰度。其具体电路原理图如下图所示。
LCD1602液晶显示电路原理图
其实物图如下图所示。
LCD1602液晶实物图
4、5V继电器控制电路（高电平有效）设计
继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、
通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点**等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。在本系统中，通过三极管驱动继电器，当单片机的控制引脚为高电平时，三极管导通，此时继电器供电闭合，同时指示灯LED亮，与LED灯串联的电阻为限流作用保护LED灯，与三极管基集相连的电阻也是限流作用，保护三极管。继电器控制电路的原理图如下图所示。
5V继电器控制原理图
5、K型热电偶传感器模块（MAX6675）电路设计
热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端存在温度梯度时 , 回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck 电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端， 温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表 ; 分度表是自由端温度在 0 ℃ 时 的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。
热电偶是工业中常用的温度测温元件，具有如下特点：
（1）测量精度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。
（2）热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。
（3）测量范围大：热电偶从 -40~+ 1600℃ 均可连续测温。
（4）性能可靠， 机械强度好。
（5）使用寿命长，安装方便
热电偶按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。在此仅介绍K型热电偶，K型热电偶作为一种温度传感器，可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2mm～4.0mm。
热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题。①非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。②冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。③数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性线、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。
Maxim公司新近推出的MAX6675即是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。
一、MAX6675的主要特性如下：
（1）简单的SPI串行口温度值输出；
（2）0℃～+1024℃的测温范围；
（3）12位0.25℃的分辨率；
（4）片内冷端补偿；
（5）高阻抗差动输入；
（6）热电偶断线检测；
（7）单一+5V的电源电压；
（8）低功耗特性；
（9）工作温度范围-20℃～+85℃；
（10）2000V的ESD信号。
二、模块接口
（1）GND 接地端
（2）T- K型热电偶负极
（3）T+ K型热电偶正极
（4）VCC 正电源端
（5）SCK 串行时钟输入
（6）CS 片选端，CS为低时、启动串行接口
（7）SO 串行数据输出
MAX6675器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。
MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。
MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T+和T-输入端连接到低噪声放大器A1，以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41μV/℃，电压可由线性公式Vout=(41μV/℃)×(tR-tAMB)来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压（mV），tR是测量点温度；tAMB是周围温度。
热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0℃～+1023.75℃范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，比温度在-20℃～+85℃范围内变化。当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。
在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖于MAX6675封装的热传导性、安装技术和通风效果。为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。
MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。为降低电源噪声影响，在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1μF陶瓷旁路电容。
热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：①尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；②如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；③避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；④当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；⑤在温度额定值范围内使用热电偶导线；⑥避免急剧温度变化；⑦在严劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；⑧仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；⑨保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。
AX6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备。MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图3所示，MAX6675 SPI接口时序如图4所示。MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程；CS变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使能地点尽可能接近GND脚；第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。
MAX6675将热电偶测温应用时复杂的线性化、冷端补偿及数字化输出等问题集中在一个芯片上解决，简化了将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域时复杂的软硬件设计，因而该器件是将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域的理想选择。
模块接口原理图如下图所示。
传感器接口电路原理图
K型热电偶传感器模块（MAX6675）实物图如下图所示。
K型热电偶传感器模块（MAX6675）实物图
（三）STM32单片机系统软件设计
1、编程语言选择
由于整个程序比较复杂，且计算量较大，用到了较多的浮点数计算，所以程序的编写采用了C语言。
对于大多数单片机，使用C语言这样的高级语言与使用汇编语言相比具有如下优点:
（1）不需要了解处理器的指令集，也不必了解存储器结构。
（2）寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理，编程时不需要考虑存储器的（3）地址和数据类型等细节。
（4）指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性。
（5）可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。
（6）与使用汇编语言相比，程序的开发和调试时间大大缩短。
（7）C语言的库文件提供了许多标准的例程。
（8）通过C语言可实现模块化编程技术，从而可将已编制好的程序加到 新程序中。
（9）C语言可移植性好且非常普及，C语言编译器几乎适用于所有的目标系统，己完成的项目可以很容易的转换到其它的处理器或环境中与汇编语言相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上有明显的优势，易学易用。
2、Keil程序开发环境
本设计中单片机开发环境是Keil，Keil是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。其中Keil有以下特点：
（1）Keil软件同时支持WINXP和WIN7等多种操作系统，提供了丰富的库函数和功能强大的开发工具。
（2）Keil可以完成从编辑、编译、到连接、调试的一套开发流程。
Keil软件界面如下图所示。
Keil uVision5开发界面图
3、FlyMcu程序烧录软件介绍
FlyMcu是一款好用的stm32烧录程序软件，对于专业的单片机开发者来说应该非常适用，软件可以广泛地应用于电路编程(ICP)和应用编程(IAP)领域，支持进行编程、校验、读器件信息。
可以通过下载器（即CH340等串口烧写模块）下载单片机程序。单片机开发板、下载器以及PC连接好后，首先需要在软件中选择串口号，然后选择项目程序“hex”文件所在的地址，最后就可以点击开“开始编程（P）”按钮即可下载程序。具体下载界面如下图所示。
烧录软件下载界面
4、CH340串口程序烧写模块介绍
本设计通过CH340串口烧写模块实现对单片机程序的烧写。CH340串口烧写模块使用USB接口，十分方便的解决了笔记本电脑用户对STC系列单片机的程序烧写问题，本下载器低价格、高性能，是开发 STC 系列单片机的首选优秀工具。
一、CH340串口烧写模块特点：
（1）支持 USB1.1 或 USB2.0 通信；
（2）全面支持 WIN98、 WINME、 WIN2000、 WINXP、 VISTA、 WIN7 等操作系统；
（3）采用 USB 口供电；
（4）在对芯片编程时可以使用目标系统本身电源，也可以使用编程器从 USB 口取电供给目标板，但应保证目标板电流不大于500mA，以免不能正常编程；
（5）编程完成不影响目标板的程序运行；
（6）支持 STC 全系列芯片烧录；
（7）编程器提供 3.3V 与 5V 的电压输出接口；
（8）速度比并口编程更快更稳定，更方便笔记本电脑用户使用；
（9）采用进口原装芯片， 能进行高速稳定编程；
模块如下图所示。
CH340串口烧写模块
二、CH340串口烧写模块引脚说明
（1）+5V 5V输出，因有USB电源线，故本开发板不接，不需要
（2）VCC 本开发板不接，不需要
（3）3V3 3.3V输出，本开发板不接，不需要
（4）TXD 接单片机的RXD引脚
（5）RXD 接单片机的RXD引脚
（6）GND 接GND。
三、CH340串口烧写模块与单片机的具体接线图如下表所示。
CH340模块 单片机开发板
TXD RXD（单片机引脚PA10）
RXD TXD（单片机引脚PA9）
GND GND
CH340串口烧写模块与单片机接线
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