畢業(yè)論文-基于單片機的工業(yè)過程遠程控制單元設計

畢業(yè)論文PAGE9畢業(yè)論文題目：基于單片機的工業(yè)過程遠程控制單元設計專業(yè)：自動化摘要本設計是想通過網(wǎng)絡對系統(tǒng)或設備進行遠程監(jiān)測和控制。所以設計要點是：了解現(xiàn)場系統(tǒng)或設備的參數(shù)；選定合適的的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備；確保工業(yè)現(xiàn)場傳輸距離的不同對單片機的信號傳輸方式的要求；選擇合適的CPU作為系統(tǒng)的核心控制元件；系統(tǒng)需具有數(shù)據(jù)顯示功能和人機對話能力；通過觀測控制室內(nèi)顯示的數(shù)據(jù)來調(diào)整現(xiàn)場設備的參數(shù)，實現(xiàn)設備正常工作；控制單元以單片機為核心、通過總線或無線傳輸模塊對遠端進行監(jiān)視和控制，完成對遠端工業(yè)設備的狀態(tài)監(jiān)控及設備的診斷維護等功能。利用單片機通過總線或無線傳輸模塊實現(xiàn)遠程監(jiān)控，降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動生產(chǎn)率，提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量，同時提高了企業(yè)的綜合實力等方面都具有十分重要的意義。單片機遠程監(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展始終離不開其他遠程控制技術(shù)的相應的快速發(fā)展。因此必須要更好地、更及時地應用最新技術(shù)實現(xiàn)遠程控制，這樣才能使得遠程監(jiān)控跟上時代腳步，同時不斷地滿足人們的實際需求。關(guān)鍵詞：遠程監(jiān)測與控制；單片機；工業(yè)控制畢業(yè)論文RemotecontrolunitMCU-basedindustrialprocessdesignAbstractThedesignisthroughthenetworkforremotemonitoringandcontrolsystemorequipment.Designpointsare:

①tounderstandtheparametersofthelivesystemorequipment.

②selectedtherightofthefielddatacollectionequipment③toensurethattheindustrialfieldtransmissiondistanceonsingle-chipsignaltransmission;

④SelecttherightoftheCPUasthecoreofthesystemcontrolcomponents;

The⑤systemmusthavethedatadisplayandman-machinedialogue;

⑥datathroughtheobservationofcontrolroomdisplaytoadjusttheparametersoffielddevices,thedeviceisworkingproperly

ControlunitMCUcore,busorwirelesstransmissionmoduleforremotemonitoringandcontrol,andcompleteremoteconditionmonitoringofindustrialequipmentandequipmentdiagnosisandmaintenancefunctions.RMONmicrocontrollerviabusorwirelesstransmissionmodule,reduceproductioncosts,increasedlaborproductivity,andimprovethetechnologicalcontentofproducts,whileincreasingtheenterprise'scomprehensivestrengthandotheraspectsareofgreatsignificance.MCUremotemonitoringtechnology,rapiddevelopmenthasalwaysbeeninseparablefromtherapiddevelopmentofremotecontroltechnology.Hencetheneedforbetterandmoretimelyapplicationofthelatesttechnologyforremotecontrol,soastomakeremotemonitoringtokeepupwiththepaceof,whilecontinuingtomeettheactualneedsofthepeople.Keyword：Remotemonitoringandcontrol；SCM；Industrialcontrol內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）畢業(yè)論文第一章引言1.1系統(tǒng)（題目）設計背景縱觀歷史，從英國工業(yè)革命開始一直到現(xiàn)在，工業(yè)技術(shù)從無到有，工業(yè)控制系統(tǒng)從簡單到復雜一步步的見證了控制技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)過程控制的遠程化逐漸成為了工業(yè)控制領(lǐng)域的主流方向。為了緊跟科學技術(shù)發(fā)展的腳步，實現(xiàn)工業(yè)過程遠程控制已經(jīng)迫不及待，本課題正是在這種現(xiàn)實控制要求能夠?qū)崿F(xiàn)的情況下開始的。工業(yè)過程遠程控制單元核心單元為單片機，通過遠程通信技術(shù)，如總線傳輸或無線模塊的實現(xiàn)遠程信號的傳輸。同時通過網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)可以很方便的實現(xiàn)控制器與現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器的通信,此外通過系統(tǒng)中上位機對參數(shù)的改變能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的遠程監(jiān)控。工業(yè)過程遠程控制的實現(xiàn)，在降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，同時在提高企業(yè)的綜合實力等方面都具有十分重要的意義。本設計的最終成果是能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)過程控制的遠程化，大幅度提高控制系統(tǒng)的技術(shù)含量。真正實現(xiàn)了運籌于帷幄之中。1.2工作原理工藝流程圖包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信號傳輸控制部分、信號傳輸部分、CPU部分、上位機（可以是PC機，也可以是單片機上的顯示及按鍵單元）、執(zhí)行器部分、數(shù)據(jù)顯示部分等。各部分通過CPU進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。工藝流程圖如圖1.1現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集信號傳輸信號傳輸控制部分改變執(zhí)行器工作參數(shù)上位機或按鍵裝置實現(xiàn)溫度上下限的參數(shù)設置現(xiàn)場設備正常工作現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示單片機用所得數(shù)據(jù)與溫度上下限比較正常超限信號傳輸執(zhí)行器按原狀態(tài)工作信號傳輸報警溫度上下限顯示圖1.1下面按流程圖各部分來說明系統(tǒng)工作原理①、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集：本題目的控制對象為水的溫度，實現(xiàn)對溫度的恒溫控制。系統(tǒng)中，通過現(xiàn)場的溫度傳感器實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。由于控制對象為溫度，其變化速度緩慢，因此溫度傳感器的型號選擇范圍很廣，只要求它的測量范圍涵蓋0°C~100°C且測量精度可以精確到小數(shù)點后一位即可。②、信號傳輸控制：若用電纜作為傳輸工具，信號直接傳輸；若用無線傳輸模塊作為傳輸工具，則無限傳輸模塊控制單元在發(fā)送數(shù)據(jù)時會與CPU進行協(xié)調(diào)，在CPU允許時，發(fā)送信號。③、信號傳輸：系統(tǒng)信號傳輸采用電纜模式或無線模式等。本題目主要用于實現(xiàn)工業(yè)過程的遠程控制，重點在遠程上，因此，信號傳輸在系統(tǒng)整體設計中很重要。系統(tǒng)中，運用電纜模式進行信號傳輸，同時在系統(tǒng)中加入了無線傳輸模塊。由溫度傳感器采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過電纜或無線模塊傳送到單片機內(nèi)。系統(tǒng)中加入無線模塊，能夠是系統(tǒng)運用范圍更廣，當傳輸距離太遠，用電纜實現(xiàn)不僅會增加成本，而且信號質(zhì)量將相應下降。此時，可以采用無線傳輸模塊進行信號傳輸。④、單片機：當中間控制部分將溫度傳感器采集到的信號傳輸?shù)絾纹瑱C的時候，單片機首先將信號轉(zhuǎn)換為可識別信號，然后通過將所得數(shù)據(jù)與溫度上下限比較，得出現(xiàn)場溫度是否正確。從而決定是否執(zhí)行器控制單元發(fā)送是否改變運行狀態(tài)命令。系統(tǒng)中，單片機采用STM32F103-E。⑤、數(shù)據(jù)顯示：信號通過單片機處理，再轉(zhuǎn)換為相應的筆段碼，送顯示單元顯示。系統(tǒng)中，顯示模塊采用7段共陰極數(shù)碼管，共有六個數(shù)碼管，前三位顯示控制數(shù)據(jù)，后三位實現(xiàn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。數(shù)碼管用74LS595驅(qū)動。⑥、上位機實現(xiàn)溫度上下限設置：以顯示模塊中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)來判斷溫度的高與低，通過單片機中的鍵盤電路實現(xiàn)參數(shù)的設置。系統(tǒng)中，共有16個按鍵電路，其中，10個為0~9數(shù)字輸入、4個為上下左右鍵（通過上下左右鍵來選擇需設置的數(shù)碼管）、1個為確定鍵、1個為刪除鍵。⑦、改變現(xiàn)場工作參數(shù)：經(jīng)過校準后的工作參數(shù)通過傳輸模塊傳送到執(zhí)行單元，實現(xiàn)執(zhí)行器工作狀態(tài)的改變。⑧、現(xiàn)場設備正常工作、數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)工作過程基本分為上述幾個階段，實際控制中，系統(tǒng)不斷的循環(huán)上述階段，即可實現(xiàn)溫度恒溫控制。⑨、報警裝置：當溫度超限時，報警器發(fā)出報警信號。1.3系統(tǒng)（題目）設計目標及技術(shù)要求設計一款低成本，高穩(wěn)定性，可靠性高，操作簡單的控制器為此次設計的目標。技術(shù)要求：（1）需要整個系統(tǒng)可靠，穩(wěn)定，控制精度高，開發(fā)成本低；（2）了解傳感器，執(zhí)行器等現(xiàn)場設備的具體工作模式及信號類型；（3）熟悉電纜傳輸與無線傳輸；（4）要求單片機具有強大的信號處理功能和對外擴展能力；（5）要求系統(tǒng)具有顯示數(shù)據(jù)和通信功能；（6）要求單片機具有多種工作模式，以應對工業(yè)控制中的各種實際情況：1.4技術(shù)綜述網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域的深刻技術(shù)變革，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沿著網(wǎng)絡化方向與控制系統(tǒng)體系沿著開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的大潮流。未來的控制系統(tǒng)以網(wǎng)絡為主要特征：一方面是在自動化與工業(yè)控制中需要更深層次地滲透通信與網(wǎng)絡技術(shù)，另一方面是在通信網(wǎng)絡的管理與控制中也要求更多的采用控制理論與策略?！熬W(wǎng)上控制”和“控制入網(wǎng)”是21世紀自動化與工業(yè)控制的一個動向。工業(yè)過程遠程控制系統(tǒng)就是單片機與網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它是以計算機為核心、通過網(wǎng)絡技術(shù)對遠端進行監(jiān)視和控制，完成對分散控制網(wǎng)絡的狀態(tài)監(jiān)控及設備的診斷維護等功能。利用網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控,降低生產(chǎn)成本,提高勞動生產(chǎn)率,提高企業(yè)產(chǎn)品的科技含量,以及增強企業(yè)的綜合競爭實力等方面都具有十分重要的意義.監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展始終與最新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān),因此必須要更好地、更及時地應用最新技術(shù),這樣才能使得遠程監(jiān)控不斷地發(fā)展,不斷地滿足人們的需求。國內(nèi)外對于遠程控制技術(shù)的研究已經(jīng)相當成熟，運用到了社會的各個領(lǐng)域。例如：對電廠的控制、對家電的控制、對工廠設備的遠程控制都可以運用遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)。系統(tǒng)采用單片機實現(xiàn)下面就各種控制方式及其特點進行簡單介紹實現(xiàn)遠程控制有兩種方式：基于PLC的PLC遠程控制系統(tǒng)基于單片機的單片機遠程控制系統(tǒng)一、PLC簡介：PLC=ProgrammableLogicController，可編程控制器一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程基于PLC控制的優(yōu)點：1、實時性2、高可靠性①、所有的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與控制器內(nèi)部電路之間電氣上隔離。各模塊均采用屏蔽措施，以防止噪聲干擾。

②、采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。

③、良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，以防止故障擴大。3、系統(tǒng)配置簡單靈活控制器產(chǎn)品種類繁多，規(guī)?？煞执蟆⒅?、小等。

4、豐富的I/O卡件控制器針對不同的工業(yè)自控工程的現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強電或弱電等,有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥等直接連接。5、控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型控制器以外，絕大多數(shù)控制器均采用模塊化結(jié)構(gòu)?？刂破鞯母鱾€部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。6、安裝簡單，維修方便二、單片機簡介：單片機是一種集成在電路上的芯片，是采用超大規(guī)模的集成技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、RAM、ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。單片機的優(yōu)點：1、單片機集成度高；2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化；3、單片機可靠性高；4、處理功能強，速度快；5、低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品6、控制功能強本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)設計的背景、原理及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)場技術(shù)要求及單片機控制與PLC控制的優(yōu)缺點等。通過上述介紹我們可以知道，工業(yè)過程控制的遠程化已經(jīng)成為一種趨勢，實現(xiàn)工業(yè)過程的的遠程控制是我們的必須解決的一個問題。同時我們也知道了雖然系統(tǒng)采用了單片機控制，但并不說明PLC控制不適合工業(yè)控制領(lǐng)域。相反，PLC控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)運用的相當成熟。第二章系統(tǒng)設計2.1控制原理控制原理：由溫度傳感器進行現(xiàn)場溫度采集（溫度傳感器采用的是DS1820，它向單片機傳送的數(shù)據(jù)是9位的數(shù)字量，因此，單片機只需將傳送回來的數(shù)據(jù)進行進制轉(zhuǎn)換，即可送顯示電路。），通過電纜或無線傳輸模塊將信號傳送到單片機，單片機將采集到的數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的溫度上限與下限數(shù)據(jù)分別進行比較，若溫度在正常范圍，則執(zhí)行器不動作。若溫度越限，單片機輸出信號，執(zhí)行器動作，進行升溫或者降溫。與此同時，單片機接受到的溫度信號要送顯示器顯示，溫度的上下限也要通過顯示電路顯示。通過顯示電路我們可以更直觀的了解溫度變化規(guī)律，當溫度超出上下限時，我們能夠做到及時對溫度給定進行調(diào)整。系統(tǒng)采用PID控制算法PID控制算法簡介：PID調(diào)節(jié)是比例、積分、微分三者英文字母的縮寫，是模擬系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，運算結(jié)果用來控制輸出。實際應用中，根據(jù)被控對象的特性和控制要求，可靈活的改變PID的結(jié)構(gòu)，去其中的一部分構(gòu)成控制器，如P（比例）、PI（比例積分）、PID（比例積分微分）調(diào)節(jié)等。在上述三種控制控制器中，PID控制器的應用最多的一種。PID調(diào)節(jié)作用的微分方程為：Y(t)=Kp*[e(t)+1/Ti*∫e(t)dt+TD*de(t)/dt式2.1傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)式2.2其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)它對階躍信號的相應特性曲線如圖：tte(t)tto00y(t)geidinggKpKDe(t)KpKDe(t)Kpe(t)to給定值圖2.1由圖可以看出，P、I、D3作用調(diào)節(jié)器，在階躍信號作用下，首先產(chǎn)生的是比例-微分作用，使調(diào)節(jié)作用加強。然后進入積分調(diào)節(jié)，知道最后消除靜差。PID控制原理與特點：實際應用中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。

2.2采樣信號與控制量分析采樣信號表如表2.1：表2.1序號采樣信號名稱性質(zhì)（開關(guān)、模擬）1溫度模擬溫度是一個變化緩慢，滯后大的一個信號。因此，采樣頻率可以相對放緩。2.3系統(tǒng)組成執(zhí)行器執(zhí)行器CPU溫度傳感器鍵盤顯示報警裝置電纜或無線傳輸模塊電源電纜或無線模塊接口電路通信電路圖2.2系統(tǒng)由CPU、顯示模塊、鍵盤模塊、報警裝置、傳感器模塊、執(zhí)行器模塊、電源模塊、電纜或無線傳輸模塊、接口電路模塊、通信電路模塊組成。CPU模塊：CPU為系統(tǒng)的核心部件，主要進行數(shù)據(jù)運算，及各模塊的協(xié)調(diào)控制。顯示模塊：顯示模塊由9片數(shù)碼管構(gòu)成，數(shù)碼管由74LS595驅(qū)動。鍵盤模塊：鍵盤模塊由16個按鍵構(gòu)成，其中0到9為數(shù)字輸入鍵，用于溫度上下限的輸入，上下左右鍵用于數(shù)碼管選擇，同時包括確定刪除鍵。報警模塊：報警模塊由三極管驅(qū)動發(fā)生器來報警。傳感器模塊：傳感器用于溫度數(shù)據(jù)采集，要求溫度傳感器測量范圍涵蓋0°C到100°C，可精確到0.5°C。執(zhí)行器：執(zhí)行器接受來自CPU的控制數(shù)據(jù)，對溫度進行控制。電源模塊：為整個單片機提供電源。電纜或無線傳輸模塊：用于CPU與外部設備間的信號傳輸。接口電路模塊：用于系統(tǒng)擴展。通信模塊：PC機與系統(tǒng)之間進行通信。本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)所控制的對象，控制原理及系統(tǒng)框圖簡介。通過介紹，我們知道了系統(tǒng)采用PID控制算法實現(xiàn)控制，同時了解了系統(tǒng)整體框架及對各部分的要求。為硬件選型打下了基礎。第三章硬件設計3.1CPU設計CPU選型依據(jù)：速度，CPU位數(shù)，存儲容量，I/O端口，驅(qū)動能力，通訊單元等?？紤]到STM32F103-E具有112個通用I/O口，64KSRAM、512K的閃存存儲且大部分都允許5V信號，驅(qū)動能力強大，大量的不同類型的通訊接口，符合單片機的要求。若選擇增加芯片來實現(xiàn)上述功能，成本會相應增加，且電路復雜程度也會增加，穩(wěn)定性降低。若選擇STM32F103-E來實現(xiàn)上述功能，成本和增加芯片所實現(xiàn)的系統(tǒng)相差無幾，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，由于STM32構(gòu)成的系統(tǒng)在實際中應用相當成熟，所以，選擇STM32F103-E作為系統(tǒng)的CPU。CPU:STM32F103-E3.1.1STM32F103-E簡介STM32F103-E是ARM公司的高性能”Cortex-M3”內(nèi)核最高72MHz工作頻率，在存儲器0等待周期內(nèi)訪問可達1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz低功耗性：在72MHz時消耗36mA(所有外設處于工作狀態(tài))，待機時下降到2μA集成度高：復位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等3.1.2STM32F103-E參數(shù)2V-3.6V供電允許5V電壓信號的Ｉ/Ｏ引腳具有時鐘模式帶喚醒功能的低功耗模式內(nèi)部RC振蕩器內(nèi)嵌復位電路工作溫度范圍：-40°C至+85°C或105°C3.1.3STM32F103-E功能1、內(nèi)核：STM32F103-E是ＡＲＭ公司的32位的Cortex-M3ＣＰＵ最高工作頻率為72ＭＨｚ2、存儲器：包含從256Ｋ到512Ｋ的閃存程序存儲器，用于存放系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)高達64Ｋ字節(jié)的靜止功能存儲器（內(nèi)存）包含有4個帶片選的靜態(tài)存儲器控制器，經(jīng)過邏輯或連接到NVIC（嵌套的向量式中斷控制器）單元上，共有3個中斷源，可知，只要其中一個中斷源發(fā)出中斷信號，則所有中斷源都被中斷。3、時鐘，電源和復位模塊采用2.0Ｖ到3.6Ｖ電源供電上電/斷電復位（POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測器。4－16ＭＨｚ的外部晶體振蕩器同時內(nèi)嵌有8ＭＨｚ的ＲＣ振蕩器、內(nèi)嵌帶校準的40KHz的RC振蕩器、帶校準功能的32KHzRTC振蕩器，當系統(tǒng)檢測的外部時鐘失效時會自動切換到內(nèi)部晶體振蕩器，如果使能了中斷，軟件可以接收到相應的中斷。同樣，在需要時可以采取對PLL時鐘完全的中斷管理。4、低功耗：具有睡眠、停機和待機三種模式睡眠模式：在睡眠模式，只有CPU停止工作，所有外設處于工作狀態(tài)并可在發(fā)生中斷的情況下喚醒CPU停機模式：在保持SRAM和寄存器內(nèi)容不丟失的情況下，停機模式可以達到最低的電能消耗。停機模式下，停止所有內(nèi)部1.8V部分的供電，PLL、HIS的RC振蕩器和HSE晶體振蕩器被關(guān)閉，調(diào)壓器可以被置于普通模式或低功耗模式?？梢酝ㄟ^任一配置的EXTI的信號把微控制器從停機模式中喚醒，EXTI信號可以是16個外部I/O口中斷之一、PVD輸出、RTC鬧鐘或USB的喚醒信號。在待機模式下可以達到最低的電能消耗。內(nèi)部的電壓調(diào)壓器被關(guān)閉，因此，內(nèi)部所有的1.8V供電被切斷；PLL、HIS的RC振蕩器和HSE晶體振蕩器也被關(guān)閉；進入待機模式后，SRAM和寄存器的內(nèi)容將消失，但后備寄存器的內(nèi)容仍將保留，待機電路仍在工作。從待機模式推出的條件是：NRST上的外部復位信號、IWDG復位、WKUP引腳上的一個上升邊沿或RTC的鬧鐘到時。VBAT為RTC和后備寄存器供電內(nèi)嵌電壓調(diào)壓器電壓調(diào)壓器有三個操作模式：主模式、低功耗模式和關(guān)斷模式。主模式用于正常的運行操作低功耗模式用于CPU單獨停機模式關(guān)斷模式用于CPU的待機模式：的，此時，調(diào)壓器的輸出為高阻狀態(tài)，內(nèi)核電路的供電切斷，調(diào)壓器處于零消耗模式（但寄存器和SRAM的內(nèi)容將丟失）。該調(diào)壓器在復位后始終處于工作狀態(tài)，在待機模式下關(guān)閉處于高阻狀態(tài)。5、3個12位ＡＤＣ，轉(zhuǎn)換時間僅為１ｕｓ,速度快轉(zhuǎn)換范圍：0到3.6Ｖ具有3倍采樣和保持功能自帶溫度傳感器6、2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器7、DMA：12通道DMA控制器DMA(DirectMemoryAccess，直接內(nèi)存存取)，靈活的12路通用DMA（DMA1上有7個通道、DMA2上有5個通道）可以管理存儲器到存儲器、設備到存儲器和存儲器到設備之間的數(shù)據(jù)傳輸；2個DMA控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理，避免了控制器傳輸?shù)竭_緩沖區(qū)結(jié)尾時所產(chǎn)生的中斷。每個通道都有專門的硬件DDMA請求邏輯，同時可以由軟件觸發(fā)每個通道；傳輸?shù)拈L度、傳輸?shù)脑吹刂泛湍繕说刂范伎梢杂密浖为氃O置。DMA可以用于主要的外設：SPI、I2C、USART，通用、基本和高級控制定時器TIMX，DAC、I2S、SDIO和ADC。8、擁有112個快速雙向Ｉ/Ｏ端口，所有I/O口可以映像到16個外部中斷，大部分端口具有容忍5電壓信號的特點9、多大11個定時器4個16位定時器，每個定時器有4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入。2個帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器。2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）2個16位的基本定時器用于驅(qū)動DAC10、多達13個通訊接口2個I2C接口5個USART接口（支持ISO7816，LIN，IRDA接口和調(diào)制解調(diào)控制）3個SPI接口、2個可復用的I2C接口CAN接口（2.0B主動）SDIO接口CPU圖示如圖3.1：圖CPUI/O端口輸入驅(qū)動電流：STM32所有I/O口流入的電流總和，加上MCU從VDD上得到的電流，不能超過絕對最大額定值IVDD同理，STM32所有I/O口流出的電流總和，加上MCU從VSS上流出的電流，不能超過絕對最大額定值IVSS。I/O端口特性如表3.1表3.1符號參數(shù)條件最小值典型值最大值單位VIL輸入低電平電壓TTL端口-0.5.08VVIH標準I/O口，輸入高電平電壓2VDD+.05FTI/O口，輸入高電平電壓25.5VIL輸入低電平電壓CMOS端口-.05.035VDDVVIH輸入高電平電壓065VDDVDD+0.5Vhys標準I/O口施密特觸發(fā)器電壓遲滯200mv容忍5V的I/O口電壓遲滯5%VDDmvIikg輸入漏電流VSS<=VIN<=VDD標準I/O口正負1uAVIN=5V3Rpu弱上拉等效電阻VIN=VSS304050千歐Rpd弱下拉等效電阻VIN=VDD304050千歐CioI/O引腳電容5pF①、施密特觸發(fā)器開關(guān)電平的遲滯電壓。②、5%VDD至少為100mv③、M32所有的I/O端口都與CMOS和TTL兼容。輸出電壓特性如表3.2：表3.2符號參數(shù)條件最小值最大值單位VOL輸出低電平，當8個I/O引腳同時吸收電流TTL端口+8mA2.7V<VDD<3.6V0.4VVOH輸出高電平，當8個I/O引腳同時輸出電流VDD-0.4VOL輸出低電平，當8個I/O引腳同時吸收電流CMOS端口8mA2.7V<VDD<3.6V0.4VVOH輸出高電平，當8個I/O引腳同時輸出電流2.4VOL輸出低電平，當8個I/O引腳同時吸收電流Iio=+20mA2.7V<VDD<3.6V1.3VVOH輸出高電平，當8個I/O引腳同時輸出電流VDD-1.3VOL輸出低電平，當8個I/O引腳同時吸收電流Iio=+6mA2.7V<VDD<3.6V0.4VVOH輸出高電平，當8個I/O引腳同時輸出電流VDD-0.4芯片吸收的電流不得超過絕對最大額定值IVSS；芯片輸出的電流不得超過絕對最大額定值IVDD；3.2存儲器系統(tǒng)包括：①、512K的閃存程序存儲器閃存是一種長壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲的數(shù)據(jù)信息）的存儲器，數(shù)據(jù)刪除不是以單個的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位，區(qū)塊大小一般為256KB到20MB。閃存是電子可擦除只讀存儲器（EEPROM）的變種，閃存與EEPROM不同的是，它能在字節(jié)水平上進行刪除和重寫而不是整個芯片擦寫，這樣閃存就比EEPROM的更新速度快。由于其斷電時仍能保存數(shù)據(jù)，閃存通常被用來保存系統(tǒng)自帶的程序和數(shù)據(jù)。閃存存儲器特性如表3.3：表3.3符號參數(shù)數(shù)值單位最小值典型值最大值Fpll-inPLL輸入時鐘18.025MHzPLL輸入時鐘占空比4060%Fpll-outPLL倍頻輸出時鐘1672MHzTlockPLL鎖相時間200us優(yōu)點：1．閃存的體積小。并不是說閃存的集成度就一定會高。微硬盤做的這么大一塊主要原因就是微硬盤不能做的小過閃存，并不代表微硬盤的集成度就不高。2．相對于硬盤來說閃存結(jié)構(gòu)不怕震，更抗摔。硬盤最怕的就是強烈震動。雖然我們使用的時候可以很小心，但老虎也有打盹的時候，不怕一萬就怕萬一。3．閃存可以提供更快的數(shù)據(jù)讀取速度，硬盤則受到轉(zhuǎn)速的限制。4．質(zhì)量輕。②、64K的SRAM（靜態(tài)存儲器）RAM包括SRAM（靜態(tài)存儲器）和DRAM（動態(tài)存儲器）兩種。SRAM是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，它不需要刷新電路就能保存它內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)。而DRAM每隔一段時間要刷新充電一次，不然它內(nèi)部的數(shù)據(jù)就會丟失。它用來存放系統(tǒng)的即時數(shù)據(jù)和程序。3.3地址空間分配地址空間分配表如下：表3.43.4信號采樣電路根據(jù)控制對象及控制精度，選擇DS1820作為系統(tǒng)的溫度傳感器，下面為它的原理和引腳說明：系統(tǒng)中所用的傳感器的DS1820，引腳說明如下：電源端；數(shù)據(jù)輸入輸出端；接地端；其引腳圖如圖3.圖3.2DS1820具有以下特性：①、獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。②、DS1820支持多點組網(wǎng)功能，多個DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。③、DS1820在使用中不需要任何外圍元件。④、測溫范圍－55℃～＋125℃，固有測溫分辨率0.5℃。⑤、測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.364位光刻ROM及接口64位光刻ROM及接口存儲器和控制邏輯暫存寄存器8位CRC發(fā)生器溫度傳感器上限寄存器TH下限寄存器TLI/OGND供電模式檢測VDD內(nèi)部VDD圖3.3DS1820測溫原理：低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在－55℃所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。當DS1820精度為0.5°C時，它所測得的溫度在其內(nèi)部轉(zhuǎn)換為9位的數(shù)字量，通過單線接口串行發(fā)送。CPU接受到溫度數(shù)據(jù)后，會自動將其最高位轉(zhuǎn)換為補碼的形式，形成16位的數(shù)據(jù)。其測量范圍為-55°C~+125°C，系統(tǒng)只取+0.5°C~+100°C之間的值。測量溫度與存儲器中的數(shù)據(jù)的對應關(guān)系如下表：表3.5溫度輸出/二進制存儲器/十六進制+125°C000000001111101000FAh+25°C00000000001100100032h+0.5°C0000000000000001001h0°C0000000000000000000h-0.5°C1111111111111111FFFFh-25°C1111111111001110FFCEh-55°C1111111110010010FF92h3.5輸入輸出端口設計端口分配表：表3.63.6復位及看門狗電路系統(tǒng)復位采用外部復位，電路圖及說明入下：圖3.4原理：正常情況下，STM32的復位引腳接3.3V電源，當需要復位時，按下S2，復位引腳就會對地短接，芯片恢復到初始化狀態(tài)。CPU內(nèi)嵌了看門狗電路，包括獨立看門狗和窗口看門狗。獨立看門狗：基于一個12位的遞減計數(shù)器和一個8位的預分頻器，它由一個內(nèi)部獨立的40KHz的RC振蕩器提供時鐘；因為這個RC振蕩器獨立于主時鐘，所以它可運行于停機和待機模式。它可以被當成是看門狗電路用于在發(fā)生問題時復位整個系統(tǒng)，或作為一個自由定時器為應用程序提供超時管理。窗口看門狗：其內(nèi)部有一個7位的遞減計數(shù)器，并可以設置成自由運行，它可以被當成是看門狗用于在發(fā)生問題時復位整個系統(tǒng)。它由主時鐘驅(qū)動，具有早期預警中斷功能；在調(diào)試模式下，計數(shù)器可以被凍結(jié)。3.7鍵盤電路由16個按鍵構(gòu)成鍵盤電路，其中10個為數(shù)字鍵，4個為數(shù)碼管選擇鍵即上下左右鍵，2個為確定刪除鍵。其部分電路圖如圖3.4圖3.53.8顯示器電路根據(jù)顯示范圍及控制所需精度，選擇由3個數(shù)碼管為一組，共3組的顯示電路為顯示器。部分顯示電路如圖3.5所示：圖3.6上圖中，共陰極數(shù)碼管的3號引腳接地，8號引腳在數(shù)碼管內(nèi)部與3號引腳是接在一起的。各74LS595之間通過Q7進行數(shù)據(jù)進位，其余部分顯示電路連接方法和上圖連接方法一樣。74LS595的引腳說明：圖3.774LS595的數(shù)據(jù)端：

O0—O7:八位并行輸出端，可以直接控制共陰數(shù)碼管的8個段。

Q7:級聯(lián)輸出端。

SER:串行數(shù)據(jù)輸入端。74LS595的控制端說明：

SRCLR(10腳):低點平時將移位寄存器的數(shù)據(jù)清零。一般情況下，SRCLR直接接VCC。SRCLK(11腳)：上升沿時數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位。O0-->O1-->O2-->...-->O7；下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。RCLK(12腳)：上升沿時移位寄存器的數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)存儲寄存器，下降沿時存儲寄存器數(shù)據(jù)不變。一般情況下RCLK置為低點平，當移位結(jié)束后，在RCLK端產(chǎn)生一個正脈沖，更新顯示數(shù)據(jù)。

E(13腳):高電平時禁止輸出（高阻態(tài)）。通常情況下，E接地。共陰數(shù)碼管簡介：圖3.8共陰數(shù)碼管的7段是由7個發(fā)光二極管構(gòu)成的，其中1、2、4、6、7、9、10分別控制數(shù)碼管的各段，5控制db，即小數(shù)點位，3腳和8腳實際是連通的，所以連線時，只需將3腳或8腳的一個接地即可。3.9時鐘電路STM32內(nèi)嵌8MHz和40KHz的RC振蕩器、帶校準功能的32KHzRTC振蕩器。同時支持4到16MHz的外部晶體振蕩器。系統(tǒng)采用外部晶振作為時鐘電路。外部晶振分為：①、8MHz高速外部時鐘；②、32.768KHz低速外部時鐘；下面為二者的典型連接圖示：STM32使用8MHz高速外部時鐘的典型應用增益控制增益控制Fhse施密特RfOSC-INOSC-OUT集成了電容器的8MHz諧振器REXT圖3.9其中REXT的數(shù)值由晶體特性決定，一般為5到6倍的RSSTM32使用32.768KHz低速外部時鐘的典型應用OSC-OUT增益控制OSC-OUT增益控制Fhse施密特RfOSC-IN集成了電容器的32.768KHz諧振器REXT圖3.10在系統(tǒng)設計中，就選擇了上述兩種外部時鐘作為系統(tǒng)的時鐘。其中，8MHz的高速外部時鐘源圖示如下：圖3.1132.768KHz低速外部時鐘源圖示如下：圖3.123.10電源電路STM32采用2~3.6V電源供電，系統(tǒng)中電源采用3.3V供電，3.3V電壓來源可以利用ASM1117穩(wěn)壓器的特性，即由5V變3.3V的特點直接獲得3.3V電壓。ASM1117特性如下：AMS1117系列穩(wěn)壓器具有可調(diào)版與多種固定電壓版，其設計用于提供1A輸出電流而且其工作壓差可低至1V。最大輸出電流時，AMS1117器件的壓差保證最大不超過1.3V，并隨負載電流的減小而逐步降低。AMS1117的片上具有微調(diào)功能，可以把基準電壓調(diào)整到5%誤差內(nèi)，而且電流上下限也得到了調(diào)整，以減少穩(wěn)壓器和電源電路超載而形成的壓力。AMS1117基本參數(shù)輸出電流(A)1輸出電壓(V)Adj,1.5,1.8,2.5,2.85,3.3,5.0,AMS1117應用高效線性穩(wěn)壓器、后置穩(wěn)壓器、用于交換式電源、5V至3.3V線性穩(wěn)壓器、電池充電器、有源SCSI終端、筆記本電源管理、電池供電設備。系統(tǒng)電源正是利用了ASM1117具有5V至3.3V線性轉(zhuǎn)換的特點而設計出來的。電源圖示如下：圖3.133.11STM32VBAT（備份工作電源）及BOOT引腳說明首先介紹RTC（實時時鐘）和后備寄存器RTC和后備寄存器通過一個開關(guān)供電，當VDD有效時選擇VDD供電，否則由VBAT引腳供電。后備寄存器（42個16位寄存器）可以用于在關(guān)閉VDD時，保存84個字節(jié)的用戶應用數(shù)據(jù)。RTC和后備寄存器不會被系統(tǒng)或電源復位源復位；當從待機模式喚醒時，也不會被復位。實時時鐘具有一組連續(xù)運行的計數(shù)器，可以通過適當?shù)能浖峁┤諝v時鐘功能，還具有鬧鐘中斷和階段性中斷功能。RTC的驅(qū)動時鐘可以是一個使用外部晶體的32.768KHz的振蕩器、內(nèi)部低功耗RC振蕩器或高速的外部時鐘經(jīng)過128分頻。內(nèi)部低功耗的RC振蕩器典型頻率為40KHz。為補償天然晶體的偏差，可以通過輸入一個512HZ的信號對RTC進行補償校準。下面介紹VBATVBAT為RTC和后背寄存器供電，VBAT=1.8~3.6V，當關(guān)閉VDD時，通過內(nèi)部電源切換器，為RTC，外部32.768KHz和后備寄存器供電。STM32BOOT引腳的功能與具體設置方法：在每個STM32的芯片上都有兩個管腳BOOT0和BOOT1，這兩個管腳在芯片復位時的電平狀態(tài)決定了芯片復位后從哪個區(qū)域開始執(zhí)行程序，如下：①BOOT1=x

BOOT0=0

從用戶閃存（FlasH）啟動，這是正常的工作模式。②BOOT1=0

BOOT0=1

從系統(tǒng)存儲器啟動，這種模式啟動的程序功能由廠家設置，這個區(qū)域的內(nèi)容在芯片出廠后沒有人能夠修改或擦除，即它是一個ROM區(qū)。③BOOT1=1

BOOT0=1

從芯片內(nèi)置的RAM區(qū)啟動，這種模式可以用于調(diào)試。要注意的是，一般不使用內(nèi)置SRAM啟動(BOOT1=1BOOT0=1)，因為內(nèi)置RAM掉電后數(shù)據(jù)就丟失。多數(shù)情況下SRAM啟動只在調(diào)試時使用，也可以做其他一些用途。如做故障的局部診斷，寫一段小程序加載到SRAM中診斷板上的其他電路，或用此方法讀寫板上的Flash或EEPROM等。還可以通過這種方法解除內(nèi)部Flash的讀寫保護，當然解除讀寫保護的同時Flash的內(nèi)容也被自動清除，以防止惡意的軟件拷貝。一般BOOT0和BOOT1都設置為0（GND）。只是在ISP下載的情況下，BOOT0=1，BOOT1=0，下載完成后，把BOOT0的跳線接回0，也即BOOT0=0，BOOT1=0。對于一般的應用來說，直接把BOOT0和BOOT1引腳接地