基于藍牙的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 畢業(yè)論文

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編號 2017138206本科生畢業(yè)設(shè)計基于藍牙的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計Design of wireless data acquisition system based on Bluetooth學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué) 號 1738206指 導(dǎo) 教 師 分 院 電子工程分院2017 年 06 月 北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計摘 要本設(shè)計旨在利用藍牙技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計一個基于藍牙的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了藍牙無線數(shù)據(jù)采集和傳輸?；谒{牙的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。其中采集系統(tǒng)主要由溫度傳感器、藍牙主模塊和 STM32 單片機組成，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理及發(fā)送等功能；控制系統(tǒng)由TFT 彩色液晶顯示器、藍牙從模塊和 STM32 單片機組成，主要完成數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲等功能，并向采集系統(tǒng)發(fā)送命令。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)場高精度、高速度實時數(shù)據(jù)采集，利用藍牙的數(shù)據(jù)透傳模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。本系統(tǒng)中STM32 單片機是系統(tǒng)的核心部分，通過串口發(fā)送動作指令控制前端溫度傳感器模塊進行數(shù)據(jù)采集，同時將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理，由藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)完成后續(xù)的相應(yīng)處理工作，并將溫度在彩晶上顯示。經(jīng)過最終驗證本設(shè)計可以達到設(shè)計目的。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 藍牙 STM32 溫度傳感器 TFT 彩晶北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計ABSTRACTThe purpose of this design is to use Bluetooth technology to collect data and design a wireless data acquisition system based on Bluetooth. The wireless data acquisition system based on Bluetooth is composed of two parts: acquisition system and control system.The acquisition system is composed of temperature sensor, Bluetooth module and STM32 single chip microcomputer, mainly to complete data acquisition, processing and transmission functions; the control system consists of a TFT color LCD display, Bluetooth module and STM32 single chip microcomputer, mainly completes the data receiving, display and storage functions, and send commands to the acquisition system. The system mainly realizes the real-time data acquisition with high precision and high speed, and realizes the wireless transmission of data using the Bluetooth data transmission mode. In this system, STM32 microcontroller is the core part of the system, through the serial port to send commands to control the front temperature sensor module for data collection, and the collected data will be processed by the computer, the Bluetooth module transmits the data to the control system, the corresponding work is completed by the computer after continued, and the temperature displayed on the color crystal. After the final verification of the design can achieve the purpose of design.Keywords: Data acquisition. Bluetooth. STM32. Temperature sensor. TFT color LCD北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計1目 錄摘 要 1第一章 緒 論 .21.1 課題研究相關(guān)背景 .21.2 課題研究的目的及意義 .31.3 藍牙技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r .3第二章 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 42.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 .42.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) .52.3 系統(tǒng)的整體功能設(shè)計圖 .5第三章 溫度傳感器模塊 73.1 溫度傳感器的分類及其型號 .73.1.1 接觸式溫度傳感器 .73.1.2 非接觸式溫度傳感器 .73.1.3 常見溫度傳感器 .93.2 溫度傳感器的選型 .9第四章 STM32F103 處理器 .124.1 STM32 處理器簡介： 124.2 STM32 重要參數(shù)： 124.3 STM32 性能特點： 12第五章 TFT 彩色液晶顯示屏 .135.1 TFT LCD 介紹 135.2TFT 特點 .135.3 驅(qū)動芯片 13第六章 HC-05 藍牙模塊 .156.1HC-05 藍牙模塊介紹 .156.2 藍牙配置 15第七章 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計 .187.1 數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計與實現(xiàn) 187.2 控制部分程序設(shè)計及實現(xiàn) 197.3 系統(tǒng)的軟件調(diào)試 20結(jié) 論 .24致 謝 .25參考文獻 26附 錄 .27北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計2第一章 緒 論1.1 課題研究相關(guān)背景藍牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)。可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換，藍牙的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE802.15，工作在2.4GHz 頻帶，帶寬為 1Mb/s。藍牙技術(shù)最初由電信巨頭愛立信公司于 1994 年創(chuàng)制，當(dāng)時是作為 RS232 數(shù)據(jù)線的替代方案。藍牙可連接多個設(shè)備，克服了數(shù)據(jù)同步的難題。如今藍牙由藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth Special Interest Group，簡稱 SIG)管理。藍牙技術(shù)聯(lián)盟在全球擁有超過 25,000 家成員公司，它們分布在電信、計算機、網(wǎng)絡(luò)、和消費電子等多重領(lǐng)域。藍牙技術(shù)在低功耗和體積小方面有著其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，并且可以實現(xiàn)點對點、點對多點的連接，特別是用于便攜式設(shè)備。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機、智能儀器與外界世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科技的重要分支，它不僅應(yīng)用在智能儀器中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無論是過程控制、狀態(tài)檢測，還是故障診斷、質(zhì)量檢測，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，具體的說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號,然后送入計算機或相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)，根據(jù)不同需要進行相應(yīng)的計算和處理，得出所需要的數(shù)據(jù)。與此同時，將計算機得到的數(shù)據(jù)進行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某種物理量的監(jiān)視，其中的一部分數(shù)據(jù)還將被控制生產(chǎn)過程中的計算機控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。1.2 課題研究的目的及意義隨著微電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，微處理器、存儲器和 I/O 接口技術(shù)的不斷提高、體積越來越小、價格越來越低，使數(shù)據(jù)的采集器不斷像智能化、集成化、小型化發(fā)展，信息采集技術(shù)是獲得信息的主要手段，它廣泛用于信號監(jiān)測、信號處理、儀器儀表等領(lǐng)域。而傳統(tǒng)的信息采集端和控制端是以有線的形式連接的，目前工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中，復(fù)雜的線纜給工作帶來不便，甚至是事故發(fā)生的隱患，同時存在著線纜無法完成的任務(wù)，因此，采用無線的數(shù)據(jù)采集方式，利用更好的軟件開發(fā)數(shù)據(jù)采集北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計3及分析系統(tǒng)顯得尤為必要。藍牙技術(shù)在低功耗和體積小方面有著其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，并且可以實現(xiàn)點對點、點對多點的連接，特別是用于便攜式設(shè)備。本文正是將無線藍牙技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，集成在一起組成數(shù)據(jù)采集與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，設(shè)計出一種體積小、低功耗、安裝維護方便的便攜式產(chǎn)品，實現(xiàn)了藍牙無線數(shù)據(jù)采集和傳輸，使之在工礦企業(yè)或在實驗室都能得到廣泛的應(yīng)用。用無線產(chǎn)品代替有線產(chǎn)品將是科技發(fā)展的趨勢，基于藍牙技術(shù)的嵌入式監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的開發(fā)是自動化和智能化測控系統(tǒng)研究的熱點領(lǐng)域。因此，這方面的研究具有較為重大的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。1.3 藍牙技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r自從 1998 年提出藍牙技術(shù)以來，藍牙技術(shù)的發(fā)展異常迅速。藍牙 Bluetooth 作為一種新的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，受到全世界越來越多工業(yè)界生產(chǎn)廠家和研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。成立了世界藍牙組織 Bluetooth SIG，采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)公開的策略來推廣藍牙技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展成為一個相當(dāng)大的工業(yè)界高新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，全球支持藍牙技術(shù)的 2000 多家設(shè)備制造商都已經(jīng)成為它的會員，一項公開的、全球統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范得到了工業(yè)界如此廣泛的關(guān)注和支持在以往是罕見的。近年來，世界上一些權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)化組織，也都在關(guān)注藍牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)展。例如，IEEE 的標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)，也已經(jīng)成立了 802．15 工作組，專門關(guān)注有關(guān)藍牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的兼容和未來的發(fā)展等問題。IEEE 802．15．1 TG1 就是討論建立與藍牙技術(shù) 1．0 版本相一致的標(biāo)準(zhǔn)；IEEE 802．15．2 TG2 是探討藍牙如何與 IEEE 802．11b 無線局域網(wǎng)技術(shù)共存的問題；而IEEE 802．15．3 TG3 則是研究未來藍牙技術(shù)向更高速率(如 10-20Mbits／s)發(fā)展的問題。國內(nèi)的一些生產(chǎn)廠家與研究部門也準(zhǔn)備開始組織藍牙技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)。由來自國家主管部門、企業(yè)界、學(xué)術(shù)界以及研究生產(chǎn)機構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)、專家、教授等權(quán)威人士發(fā)起成立的中國藍牙技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用論壇，吸引了眾多關(guān)注藍牙技術(shù)的各界人士，還組織國內(nèi)各界與世界藍牙組織 SIG 的代表，就雙方所關(guān)注的問題進行了認真的討論。并就雙方今后進一步加強聯(lián)系、共享藍牙技術(shù)信息資源、共同促進藍牙技術(shù)在中國的推廣與應(yīng)用等問題達成共識。 藍牙是取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通信技術(shù)，可以支持物體與物體之間的通信，工作頻段是全球開放的 2．4GHz 頻段，可以同時進行數(shù)據(jù)和語音傳輸，傳輸速率可達到 10Mb／s，使得在其范圍內(nèi)的各種信息化設(shè)備都能實現(xiàn)無縫資源共享。 藍牙技術(shù)的應(yīng)用被認為非常廣泛而且極具潛力。它可以應(yīng)用于無線設(shè)備(如 PDA、手機、智能電話、無繩電話)、圖像處理設(shè)備(照相機、打印機、掃描儀)、安全產(chǎn)品(智能卡、身份識別、票據(jù)管理、安全檢查)、消費娛樂(耳機、MP3、游戲)汽車產(chǎn)品(GPS、ABS、動力系統(tǒng)、安全氣袋)、家用電器(電視機、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機)、醫(yī)療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域。藍牙行業(yè)對于市場的持續(xù)北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計4增長感到欣慰，現(xiàn)在沒有人再質(zhì)疑它的生命力。2002 年，400 余種藍牙產(chǎn)品的銷量總共達到了 3000 萬件；而 2003 年的數(shù)字是 2002 年的 2 倍。In-Stat／MDR 公司預(yù)測，藍牙市場的規(guī)模在 2007 年將膨脹到 6 億件。愛立信技術(shù)授權(quán)公司的總裁 Maria Khorsand 表示：“在如此艱難的經(jīng)濟環(huán)境下，藍牙是少數(shù)仍在增長的產(chǎn)品之一”第二章 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案根據(jù)課題的設(shè)計要求，提出系統(tǒng)設(shè)計的整體方案，其系統(tǒng)框圖如圖 2.1 所示。溫度傳感器S T M 3 2處理器藍牙模塊主機藍牙模塊從機T F TL C DS T M 3 2處理器圖 2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案整個系統(tǒng)由信號采集模塊 DS18B20、中心控制模塊 STM32、藍牙模塊 HC-05 及外圍電路組成。信息采集模塊是本設(shè)計系統(tǒng)的一個關(guān)鍵點，關(guān)系著采集信息的質(zhì)量和精度。模擬信號的采集電路通常由跟隨器、模擬開關(guān)、A/D 轉(zhuǎn)換器、緩沖器等部分組成。被采集的信號經(jīng)由 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存入存儲器，電路的整個時序由邏輯控制模塊協(xié)調(diào)控制。主控制模塊由 STM32 及其外圍電路構(gòu)成。STM32 是控制模塊的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)的存儲、計算及其相應(yīng)的邏輯控制，并實現(xiàn)與藍牙模塊的通信等重要任務(wù)。藍牙模塊主要負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，完成數(shù)據(jù)的無線通信。2.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體機構(gòu)如圖 2.2、2.3 所示。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計5模擬信號電壓跟隨器模擬開關(guān)S T M 3 2F 1 0 3Z E T 6控制系統(tǒng)藍牙模塊主機A / D轉(zhuǎn)換器溫度傳感器 D S 1 8 B 2 0圖 2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖--采集模塊部分S T M 3 2F 1 0 3Z E T 6T F TL C DS T 7 7 9 3屏幕驅(qū)動藍牙模塊從機采集系統(tǒng)圖 2.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖—控制模塊部分2.3 系統(tǒng)的整體功能設(shè)計圖系統(tǒng)的硬件原理圖如下圖 2.4 和 2.5 所示。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計6圖 2.4 采集系統(tǒng)原理圖圖 2.5 控制系統(tǒng)原理圖北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計7第三章 溫度傳感器模塊3.1 溫度傳感器的分類及其型號溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。3.1.1 接觸式溫度傳感器 接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。 一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K 以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學(xué)溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉?。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K 范圍內(nèi)的溫度。例如圖3.1。圖 3.1 溫度傳感器3.1.2 非接觸式溫度傳感器它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計8測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計） 、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計） 。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)式中 ε 為材料表面發(fā)射率，ρ 為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質(zhì)真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質(zhì)達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進行修正而得到介質(zhì)的真實溫度。非接觸測溫優(yōu)點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800℃以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測溫 逐漸由可見光向紅外線擴展， 700℃以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計9圖 3.2 非接觸式溫度傳感器舉例3.1.3 常見溫度傳感器（1）模擬式溫度傳感器：其原理是將驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片 IC 上，具有實際尺寸小、使用方便、靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。常見模擬式溫度傳感器有 LM3911、LM335、LM45、AD22103（電壓輸出型） ；AD590（電流輸出型）等。LM135\235\335系列是美國國家半導(dǎo)體公司（NS）生產(chǎn)的一種高精度易校正的集成溫度傳感器，是電壓輸出型溫度傳感器，工作特性類似于齊納穩(wěn)壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K，具有小于1Ω 的動態(tài)阻抗，工作電流范圍從400μA 到5mA，精度為1℃，LM135的溫度范圍為-55℃～+150℃，LM235的溫度范圍為-40℃～+125℃，LM335為-40℃~+100℃。封裝形式有 TO-46、TO-92、SO-8。該器件廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫差測量以及溫度補償系統(tǒng)中。AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，可以承受44V 正向電壓和20V 反向電壓，測溫范圍為-55℃～+150℃，輸出電流為223μA~423μA，輸出電流變化1μA 相當(dāng)于溫度變化1℃，最大非線性誤差為±0.3℃，響應(yīng)時間僅為20μs，重復(fù)性誤差低至±0.05℃，功耗約為2mW,輸出電流信號的傳輸距離可達到1km 以上，作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開關(guān)或 CMOS 多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差,適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。 （2）數(shù)字式溫度傳感器：其原理是將敏感元件、A/D 轉(zhuǎn)換單元、存儲器等集成在一個芯片上，直接輸出反應(yīng)被測溫度的數(shù)字信號，使用方便，但響應(yīng)速度較慢（100ms 數(shù)量級） 。DS18B20是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的世界上第一片支持“一線總線”接口的數(shù)字式溫度傳感器，供電電壓范圍為3～5.5V，測溫范圍為-55℃～+125℃，可編程的9～12位分辨率，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，出廠設(shè)置默認為12位，在12位分辨率時最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。 3.2 溫度傳感器的選型DS18B20因為其將敏感元件、A/D 轉(zhuǎn)換單元、存儲器等集成在一個芯片上，直接輸出反應(yīng)被測溫度的數(shù)字信號，使用方便等優(yōu)點符合本設(shè)計特點，所以選用 DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。DS18B20主要特征：? 獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計10? 簡單的多點分布應(yīng)用? 無需外部器件? 可通過數(shù)據(jù)線供電? 零待機功耗? 測溫范圍-55~+125℃，以0.5℃遞增。華氏器件-67~+2570F，以0.90F 遞增? 溫度以9 位數(shù)字量讀出? 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms（典型值）? 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置? 報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件? 應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)DS18B20內(nèi)部框圖如圖3.3圖3.3 DS18B20內(nèi)部框圖DS1820 有三個主要數(shù)字部件：?64 位激光 ROM，?溫度傳感器，?非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計11寄生電源有兩個優(yōu)點：?進行遠距離測溫時，無需本地電源供電；?可以在沒有常規(guī)電源的情況下度 ROM，要想使 DS18B20能夠進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O 口必須在轉(zhuǎn)化期間供電。DS1820 通過一種片上溫度測量技術(shù)來測量溫度。圖 3.4 示出了溫度測量電路的方框圖。圖 3.4 測溫電路方框圖表 3.1 溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系表DS1820 是這樣測溫的：用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預(yù)北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計12置到對應(yīng)于-55℃的一個值。如果計數(shù)器在門周期結(jié)束前到達0，則溫度寄存器（同樣被預(yù)置到-55℃）的值增加，表明所測溫度大于-55℃。第四章 STM32F103 處理器4.1 STM32 處理器簡介：STM32 處理器基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3 內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為 36MHz，以 16 位產(chǎn)品的價格得到比 16 位產(chǎn)品大幅提升的性能，是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置 32K 到 128K 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率 72MHz 時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗 36mA，是 32 位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于 0.5mA/MHz。STM32 采用 ARM 公司的高性能 Cortex-M3 內(nèi)核 1.25DMips/MHz,而 ARM7TDMI 只有0.95DMips/MHz，一流的外設(shè) 1μs 的雙 12 位 ADC，4 兆位/秒的 UART，18 兆位/秒的SPI，18MHz 的 I/O 翻轉(zhuǎn)速度，低功耗在 72MHz 時消耗 36mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，待機時下降到 2μA，最大的集成度復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的 RC 振蕩器等簡單的結(jié)構(gòu)和易用的工具。4.2 STM32 重要參數(shù)：?2V-3.6V 供電?容忍 5V 的 I/O 管腳?優(yōu)異的安全時鐘模式?帶喚醒功能的低功耗模式?內(nèi)部 RC 振蕩器?內(nèi)嵌復(fù)位電路?工作溫度范圍：?-40℃至+85℃或 105℃4.3 STM32 性能特點：?Cortex - M3 采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有多重總線，可以進行并行處理，因而提升了整體性能。?有完全基于硬件進行中斷處理，最多可減少 12 個時鐘周期數(shù)，在實際應(yīng)用中可減少70％中斷。?Cortex-M3 在支持傳統(tǒng)的 JTAG 基礎(chǔ)上更采用了新型的單線調(diào)試(SingleWire)技術(shù)，專門拿出一個引腳來做調(diào)試，從而節(jié)約了大筆的調(diào)試工具費用。?Cortex．M3 中還集成了大部分存儲器控制器，這樣工程師可以直接在 MCU 外連接Flash，降低了設(shè)計難度和應(yīng)用障礙。?Cortex．M3 處理器支持新型 ARM Thumb – 2 指令集，由于 Thumb – 2 指令集融合了 Thumb 指令集和 ARM 指令集，使 32 位指令集的性能和 16 位指令集的代碼密度取得了平衡。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計13?Cortex．M3 處理器支持兩種處理器的操作模式，還支持兩級特權(quán)操作，大大提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。?內(nèi)部集成了硬件乘法器和除法器，在運算效率上大大提高。?最高 72MHz CPU 多達 20K 字節(jié) SRAM 2x12 位 ADC 溫度傳感 PWM 定時器 CAN USB 第五章 TFT 彩色液晶顯示屏TFT 液晶屏為每個像素都設(shè)有一個半導(dǎo)體開關(guān)，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。由于每個像素都可以通過點脈沖直接控制，因而，每個節(jié)點都相對獨立，并可以進行連續(xù)控制，這樣的設(shè)計不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時可以精確控制顯示灰度，所以 TFT 液晶的色彩更逼真。5.1 TFT LCD 介紹TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶體管，意即每個液晶像素點都是由集成在像素點后面的薄膜晶體管來驅(qū)動，從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息，是目前最好的 LCD 彩色顯示設(shè)備之一，其效果接近 CRT 顯示器，是現(xiàn)在筆記本電腦和臺式機上的主流顯示設(shè)備。TFT 的每個像素點都是由集成在自身上的 TFT 來控制，是有源像素點。因此，不但速度可以極大提高，而且對比度和亮度也大大提高了，同時分辨率也達到了很高水平。TFT-LCD 液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏，也就是“真彩”(TFT)。TFT 液晶為每個像素都設(shè)有一個半導(dǎo)體開關(guān)，每個像素都可以通過點脈沖直接控制，因而每個節(jié)點都相對獨立，并可以連續(xù)控制，不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時可以精確控制顯示色階，所以 TFT 液晶的色彩更真。TFT 為薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器件。TFT 液晶顯示器在每個像素點上設(shè)計一個場效應(yīng)開關(guān)管，這樣就容易實現(xiàn)真彩色、高分辨率的液晶顯示器件?，F(xiàn)在的 TFT型液晶一般都實現(xiàn)了 18bit 以上的彩色(218 色)，甚至達到 24bit 彩色；在分辨率上，實現(xiàn) VGA(640×480)、SVGA(800×600)、XGA(1024×768)、SXGA (1280×1024)，甚至 UXGA(1600×1200)都已成為現(xiàn)實。5.2TFT 特點TFT 的亮度好，對比度高，層次感強，顏色鮮艷。缺點是比較耗電，成本較高。TFT 型的液晶顯示器主要的構(gòu)成包括：螢光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。5.3 驅(qū)動芯片采用ST7793驅(qū)動芯片驅(qū)動，該芯片是一種萬色單片機/驅(qū)動控制器、圖形型液晶。它由720源線和432柵線驅(qū)動電路。該芯片能夠直接連接到外部微處理器，并接受8位/9位/16位/18位并行接口、SPI和MDDI。顯示數(shù)據(jù)可以存儲在240x432x18位片上顯示數(shù)據(jù)RAM。它可以執(zhí)行顯示數(shù)據(jù)RAM讀/寫操作與外部時鐘，以盡量減少功耗。此外，由于用于驅(qū)動液晶的集成電源電路，能夠使顯示系統(tǒng)具有最少組件。5.3.1芯片特點北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計14?單片TFT-LCD控制器/驅(qū)動器與片上幀存儲器? 顯示器的RGB分辨率：240×432（H）×（V）?幀內(nèi)存大?。?40×432×18位= 1866240位?液晶驅(qū)動輸出電路源輸出：240個RGB通道輸出：432通道公共電極輸出?顯示顏色（顏色模式）彩色：262k，RGB =（666）最大，空閑模式下顏色：彩色，降低RGB =（111） ，空閑模式?用于各種顯示數(shù)據(jù)輸入格式的可編程像素顏色格式（顏色深度）16位/像素：RGB =（565）8位/像素：RGB =（666）?接口8080系列單片機的并行接口（8位，9位、16位和18位）16 / 18 RGB接口（vsyncx，hsyncx，dotclk，啟用，DB [17點]）串行外設(shè)接口（SPI接口）垂直同步接口（8080系列單片機的接口+ vsyncx）fmark接口（8080系列單片機的接口+ fmark）MDDI（1型）?顯示功能部分顯示功能彩色顯示功能垂直滾動功能?LC介質(zhì)類型選項LC型- MVALC型-反射透射型液晶?芯片內(nèi)建電路DC直流轉(zhuǎn)換器非易失（NV）內(nèi)存存儲初始寄存器設(shè)置和出廠默認值（模塊ID模塊版本等）用于顯示時鐘產(chǎn)生的內(nèi)部振蕩器定時控制器?內(nèi)置內(nèi)存的LCD初始寄存器設(shè)置8位ID 7位閃爍的調(diào)整?驅(qū)動算法點反轉(zhuǎn)柱反演?寬電源電壓范圍- I/O電壓（VDDI到DGND）：1.65v ~ VDD對數(shù)字電路的電壓（VDD DGND）：2.5v ~ 3.3v對模擬電路的電壓（VDDA至AGND）：2.5v ~ 3.3v?片上電源系統(tǒng)北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計15源電壓：+6.4～-4.2vVCOM水平：AGND門驅(qū)動器的高水平（VGH至AGND）：+ 12.16v ~ + 15.05v門驅(qū)動的低水平（VGL至AGND）：-12.37v ~ -7.7v?齒輪裝配優(yōu)化布局?操作溫度范圍：?30oC + 85oC?低功率消耗第六章 HC-05 藍牙模塊6.1HC-05 藍牙模塊介紹藍牙模塊實物圖如圖6.1，藍牙模塊引腳圖如圖6.2圖6.1 產(chǎn)品實物圖 圖6.2 引腳對應(yīng)圖HC-05藍牙模塊的特點：?采用CSR主流藍牙芯片，藍牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)?輸入電壓:3.6V--6V,禁止超過7V?波特率為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200用戶可設(shè)置?帶連接狀態(tài)指示燈,LED快閃表示沒有藍牙連接;LED慢閃表示進入AT命令模式?板載3.3V穩(wěn)壓芯片,輸入電壓直流3.6V-6V;未配對時,電流約30mA(因LED燈閃爍,電流處于變化狀態(tài))；配對成功后,電流大約10mA?用于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，水電煤氣抄表系統(tǒng)，工業(yè)現(xiàn)場采控系統(tǒng)?可以與藍牙筆記本電腦、電腦加藍牙適配器等設(shè)備進行無縫連接?HC-05 嵌入式藍牙串口通訊模塊（以下簡稱模塊）具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master） 、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作角色。當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時能執(zhí)行下述所有 AT 命令，用戶可向模塊發(fā)送各種 AT 指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現(xiàn)模塊工北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計16作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。6.2 藍牙配置6.2.1配置方法①連線方式：USB轉(zhuǎn)TTL模塊（下載器）與HC-05藍牙模塊的連接方法如下：藍牙模塊 USB轉(zhuǎn)TTL模塊RXDTXDTXDRXDVCCVCCGNDGND注意：交叉連接②設(shè)置步驟? 進入AT指令模式（所有AT指令都必須換行）? 設(shè)置串口波特率115200，無校驗位，無停止位? 修改藍牙名稱、密碼? 設(shè)置藍牙的主從模式（1主1從）? 實現(xiàn)主從模塊的綁定（兩個模塊實現(xiàn)透傳）6.2.2 操作實例①用杜邦線連接好USB轉(zhuǎn)TTL模塊（下載器）與HC-05藍牙模塊②進入AT指令模式? 將下載器與電腦連接， （按住HC-05上的復(fù)位鍵，再接通電源，發(fā)現(xiàn)指示燈緩慢閃滅，表示進入AT指令模式） ，并且打開串口助手。設(shè)置波特率 38400，數(shù)據(jù)位 8 位，停止位 1 位，無校驗位，無流控制。? 測試通訊發(fā)送：AT（換行）返回：OK③設(shè)置藍牙串口波特率115200，無校驗位，1停止位指令：AT+UART=115200,0,0（換行）返回：OK設(shè)定好波特率后，可以通過查詢指令，查看設(shè)置是否正確。查詢波特率：指令：AT+UART？（換行）返回：+UART:115200,0,0 OK表示設(shè)置正確④修改藍牙名稱及密碼? 修改名稱指令：AT+NAME=HC-05CJ\r\n ——設(shè)置模塊設(shè)備名為：“HC-05CJ”返回：OK? 修改密碼指令：AT+PSWD=1335139返回：OK? 查詢密碼北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計17指令：AT＋PSWD？返回：+PSWD:1335139 OK⑤設(shè)置藍牙的主從模式指令：AT+ROLE=0（0—從，1—主）返回：OK⑥實現(xiàn)主、從模塊的通訊綁定實現(xiàn)綁定的條件：? 兩個藍牙模塊必須設(shè)置成一個為主模塊，一個為藍牙從模塊，密碼必須一致，設(shè)定藍牙連接模式（指定藍牙地址連接模式） ，互相綁定對方地址。前兩個條件通過①-⑥已經(jīng)設(shè)置好，主要是后兩個條件的設(shè)置。? 設(shè)定藍牙連接模式指令：AT+CMODE=0（0：指定藍牙地址連接模式）返回：OK? 互相綁定對方地址查詢自身地址指令：AT+ADDR？返回：+ADDR:2015:04:097966 OK綁定對方地址AT+BIND=98d3:32:7071f5返回：OK綁定好后，同樣使用查詢指令，查看是否綁定正確。使用同樣的方法，實現(xiàn)主模塊綁定從模塊地址。所有操作完成后，主從模塊就建立好了連接。對兩個模塊重新上電，觀察指示燈會發(fā)現(xiàn)，主從迅速建立好了通信。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計18第七章 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計最初單片機編程采用的是匯編語言，但是匯編語言冗長單調(diào)、易出 BUG、代碼不易維護、兼容性不好等缺點，近年來逐漸被 C 語言所取代。C 語言兼容了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。用 C 語言開發(fā)系統(tǒng)可以大大縮短開發(fā)周期，明顯增強程序的可讀性，便于改進、擴充和移植。鑒于 C 語言的優(yōu)點本設(shè)計采用 C 語言編程，編程軟件采用 Keil MDK。本設(shè)計軟件共分為以下兩個部分：7.1 數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計與實現(xiàn)上電后進行藍牙模塊及串口初始化，接著進行 DS18B20 初始化，然后發(fā)送命令讓DS18B20 進行溫度數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)采集完成后，藍牙模塊主機開始搜索藍牙模塊從機，搜索到并連接成功后，將數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸?shù)娇刂撇糠郑绦蛄鞒虉D如下圖7.1 所示：北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計19串口及藍牙初始化開始D S 1 8 B 2 0 初始化采集溫度信息S T M 3 2 處理數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束藍牙是否連接 ？搜索連接藍牙設(shè)備是否圖 7.1 采集部分程序流程圖7.2 控制部分程序設(shè)計及實現(xiàn) 系統(tǒng)上電后設(shè)備首先進行初始化工作，包括串口、藍牙模塊和 TFT-LCD 等系統(tǒng)的初始化，然后顯示開機畫面，等待藍牙主從設(shè)備的連接，待藍牙連接后進行數(shù)據(jù)的接收轉(zhuǎn)化，最終將數(shù)據(jù)顯示在 TFT-LCD 上，具體程序流程圖見圖 7.2 所示：北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計20串口及藍牙初始化開始T F T - L C D 初始化接收數(shù)據(jù)結(jié)束藍牙是否連接 ？等待藍牙連接請求是否校驗數(shù)據(jù)是否正確是否T F T - L C D 顯示數(shù)據(jù)圖 7.2 控制部分程序框圖根據(jù)以上程序流程圖，軟件設(shè)計由以下子程序組成：單片機串口中斷初始化、溫度傳感器初始化、藍牙模塊初始化、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示和延時等。采用庫函數(shù)開發(fā)的方法，分別調(diào)用個程序庫，經(jīng)過調(diào)試即可。程序見附錄。7.3 系統(tǒng)的軟件調(diào)試本設(shè)計的采用 Keil MDK 軟件進行編程設(shè)計，使用 Jlink 調(diào)試器運用 Debug 工具直接在線調(diào)試。調(diào)試過程中可以觀看各寄存器中的值、各端口和 RAM 中的值、設(shè)置斷點、單步運行等，因為加入了 Jlink 調(diào)試器可以把調(diào)試中過程在硬件上直接顯示。為了程序正確實現(xiàn)目的，應(yīng)該做好以下準(zhǔn)備工作：?正確安裝 Keil MDK 軟件，及 Jlink 驅(qū)動。?在 Keil 中設(shè)置好各項參數(shù)，調(diào)試過程中不要放過任何細節(jié)，細心調(diào)試解決各種北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計21BUG。?正確設(shè)置 Jlink 調(diào)試界面，加載芯片 Flash。以上準(zhǔn)備就緒，運用 Keil 軟件自帶的 Download 將程序下載進單片機。圖 7.3 Keil 編程界面北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計22圖 7.4 Jlink 設(shè)置界面經(jīng)過調(diào)試，基于藍牙的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終于完成。實物如下圖 7.5、7.6 所示。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計237.5 采集系統(tǒng)實物完成圖北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計247.6 控制系統(tǒng)實物完成圖北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計25結(jié) 論本設(shè)計目的在于設(shè)計一個利用藍牙技術(shù)進行無線數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。本設(shè)計由采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成，其中采集系統(tǒng)主要由溫度傳感器、藍牙主模塊和 STM32單片機組成，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理及發(fā)送等功能；控制系統(tǒng)由 TFT 彩色液晶顯示器、藍牙從模塊和 STM32 單片機組成，主要完成數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲等功能，并向采集系統(tǒng)發(fā)送命令。到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理，由藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)完成后續(xù)的相應(yīng)處理工作，并將溫度在彩晶上顯示。經(jīng)過最終驗證經(jīng)采集系統(tǒng)采集到的溫度信息可以實時傳送給控制系統(tǒng)，并且可以在液晶上實時顯示，本設(shè)計可以達到目的。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計26致 謝我的論文是在王老師的指導(dǎo)和幫助下完成的，在此，我要把最誠摯的謝意獻給他，他嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度、一絲不茍的工作作風(fēng)、誨人不倦的學(xué)者風(fēng)范、創(chuàng)造性的思維方法都極大地影響和教育了我，并成為我今后的學(xué)習(xí)和生活中寶貴的財富。學(xué)習(xí)期間老師為我創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，使我能夠順利地完成本科階段的學(xué)業(yè)。在大學(xué)生活即將結(jié)束之際，謹對老師多年的辛勤培養(yǎng)和關(guān)心表示衷心的感謝，表達我深深的敬意。感謝給予我?guī)椭耐瑢W(xué)，在我困惑時，他們常帶給我開拓性和建設(shè)性的意見，使我解決設(shè)計中的問題，完善設(shè)計。感謝關(guān)注我論文的所有老師和同學(xué)，在他們的幫助和支持下，我順利完成我的論文工作，我在此對他們表示衷心的感謝。北京大學(xué)畢業(yè)設(shè)計27參考文獻[1] 蒙博宇.STM32 自學(xué)筆記.北京航空航天大學(xué)出版社 .2012[2] 洽汗?合孜爾.C 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