基于STM32的設(shè)備溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李玉秋，章曉忠，吳玲玲

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 亳州236800)

溫度和人們生活生產(chǎn)息息相關(guān)，在大型倉儲、溫室大棚、電子設(shè)備等領(lǐng)域溫度監(jiān)控有著重要的意義[1].例如電子設(shè)備有一定的工作溫度范圍，溫度過高會影響正常使用該設(shè)備，甚至損壞設(shè)備.本文利用嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)等，設(shè)計了基于STM32F103的設(shè)備溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)，控制芯片收集測量結(jié)果，處理后發(fā)出相應(yīng)控制指令，完成對設(shè)備的溫度實時監(jiān)測和有效的降溫處理.

1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行框圖

系統(tǒng)由多點溫度傳感器采集設(shè)備的熱源溫度，送主控芯片處理，主控芯片由溫度數(shù)據(jù)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速然后計算出新的轉(zhuǎn)速控制風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，對設(shè)備進(jìn)行降溫處理.運(yùn)行結(jié)構(gòu)由主控芯片、散熱模塊(散熱器、風(fēng)扇)、溫度傳感器等組成，整個系統(tǒng)形成一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)給設(shè)備的熱源進(jìn)行降溫處理，并維持一個動態(tài)平衡.運(yùn)行框圖如1所示.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計硬件電路主要由主控芯片STM32F103模塊，溫度傳感器DS18B20模塊、散熱風(fēng)扇控制模塊、電源模塊等組成.工作原理為采用三組溫度傳感器去監(jiān)視設(shè)備熱源三個點的溫度，控制芯片綜合三個溫度點的信息，來判斷設(shè)備目前的狀態(tài)，根據(jù)采樣溫度的范圍調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，任何一組數(shù)據(jù)失效(比如溫度異常或者傳感器失效)，系統(tǒng)都會進(jìn)行告警關(guān)機(jī)處理，避免損害設(shè)備.

2.1 控制芯片

主控芯片采用STM32F103C8T6，ARM Cortex-M 內(nèi)核的32位微控制器，多種低功耗工作模式，豐富的I/O端口，工作電壓2～3.6 V，最高工作頻率76 MHz.完成溫度的數(shù)據(jù)處理，降溫控制及報警指示等功能[2].系統(tǒng)部分硬件電路如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

2.2 溫度采集模塊

常用的溫度傳感器有熱敏電阻和溫度傳感器集成模塊，熱敏電阻成本低，但是在使用時需要標(biāo)定.對比選用集成數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該器件自帶A/D轉(zhuǎn)換器，8位CRC生成器校驗傳輸數(shù)據(jù)的正確與否，不需要外圍器件節(jié)省硬件開銷，單線接口方式使測量溫度的結(jié)果直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號從DQ送單片機(jī)處理[3].DS18B20內(nèi)部光刻ROM中64位序列號可以看做每個溫度傳感器地址碼，可以并聯(lián)組網(wǎng)，實現(xiàn)“一線總線”傳輸.

本設(shè)計采集三個不同點的溫度數(shù)值送STM32處理，依次比較三個溫度值，找到其中最大值a，再次比較三個溫度值，找到其中最小值c，然后最大值a減去最小值c，得到之間差值(a-c).

如果差值大于某個限定值或者三組溫度點的最小值小于限制值，板子上故障燈會閃爍.由于是同一熱源，測試的是三個位置不同的溫度點，所以三組溫度不可能相差很大；若其中一個或多個溫度相差較大，則有故障產(chǎn)生，可能散熱器或溫度傳感器異常.

溫度傳感器每3 s讀取一次，累計讀，三個溫度傳感器都是一樣處理，以防止第一次初始化的時候數(shù)值不正確導(dǎo)致誤動作.如果讀出的數(shù)據(jù)異常，這個值會引起故障燈的閃爍，表明溫度傳感器的異常；若是這個溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)，依據(jù)溫度的大小，調(diào)整冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速.同時取出來的溫度值都會和給定的溫度報警值比較，只要其中一個值大于溫度報警值，控制芯片做出相應(yīng)的處理[4].

2.3 電路電源

系統(tǒng)供電由電源適配器把220 VAC轉(zhuǎn)24 VDC的電源經(jīng)過LM2576穩(wěn)壓濾波后輸出.風(fēng)扇和溫度傳感器的電源分別是12 V和5 V電壓，控制芯片用3.3 V電壓供電.LM2576是開關(guān)型集成穩(wěn)壓電源，具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力和可靠的工作性能，是線性三端穩(wěn)壓電源的替代品.

2.4 散熱風(fēng)扇

散熱風(fēng)扇采用4PIN封裝，四個引腳分別是GND、電源12 V，轉(zhuǎn)速偵測、風(fēng)扇控制.STM32 用定時器功能輸出pwm直接連電扇的控制腳，對其進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制[5].

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分采用C語言編譯，軟件編譯環(huán)境keil5,(備注:keil軟件工具版本過低的話是無法編譯上面型號的芯片),燒寫工具JLink，采用的是SWD方式燒寫.

3.1 溫度采集及處理模塊

控制芯片通過一線制接口讀取三個不同點的DS18B20溫度數(shù)據(jù)，每次讀9位數(shù)據(jù)，8位數(shù)據(jù)+1位校驗位.控制芯片對8位溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗，得到的CRC校驗和從DS18B20寄存器讀出來的CRC校驗進(jìn)行比較；如果不一致，代表此次溫度讀取出錯，累計錯誤次數(shù)為tempCRCerrorCount，連續(xù)讀錯6次，即可視為傳感器損壞.為防止溫度異常損壞設(shè)備，控制芯片啟動報警關(guān)機(jī)流程，錯誤信息寫入EEPROM生成日志信息，方便后期維護(hù).如果在連續(xù)6次讀取過程中，有一次CRC校驗數(shù)據(jù)為正確，即可認(rèn)為傳感器正常，清零tempCRCerrorCount計數(shù).溫度過溫值和風(fēng)扇個數(shù)以及風(fēng)扇初始值可動態(tài)設(shè)置，設(shè)置生效后，數(shù)值存入EEPROM中，程序在初始化時候讀取相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行邏輯判斷.部分模塊程序如下：

if(readTempCount%4==3){

enviro_ReadTempValue();

tempDataCRCResult

enviro_CRCVerifyMultiBytes(ds18b20TempData,9);

//dbmsg_ftrace(DBM_ALWAYS,

“tempDataCRCResult=%u ”,tempDataCRCResult);

if(tempDataCRCResult > 0)

{

tempCRCerrorCount++;

}

if(tempCRCerrorCount>=6){

isOverTemp=TRUE;

tempCRCerrorCount=0;

}

if(tempDataCRCResult == 0)

{

enviro_TempHandle((uint08)tempDataValue);

tempCRCerrorCount=0;

//dbmsg_ftrace(DBM_ALWAYS,

“TempData=%u ”,(uint08)tempDataValue);

}

}

3.2 風(fēng)扇檢測處理模塊

實際工作中，風(fēng)扇的存在也至關(guān)重要，其中一個風(fēng)扇故障不工作，都會造成散熱器構(gòu)不成風(fēng)道，使整個設(shè)備不具備散熱的能力，所以STM32必須時刻監(jiān)視風(fēng)扇的運(yùn)行狀況.一旦檢測其中一個風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，主機(jī)進(jìn)報警管腳流程，錯誤信息寫入EEPROM生成日志信息，方便后期維護(hù).控制芯片通過采集的溫度數(shù)據(jù)，依據(jù)溫度對風(fēng)扇進(jìn)行分級處理，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨著溫度變化(Δt)進(jìn)行風(fēng)扇調(diào)節(jié)(默認(rèn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(Δt)和溫度變化(Δt)是線性關(guān)系).公式如下：

Speed(調(diào)速后風(fēng)扇轉(zhuǎn)速)= speed(初始轉(zhuǎn)速50)+(Δt)*系數(shù)，其中系數(shù)由實際的轉(zhuǎn)速和溫度線性關(guān)系生成.把風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等級劃分為100份，風(fēng)扇最低轉(zhuǎn)速為50，最高轉(zhuǎn)速為100.依據(jù)上述操作即可實現(xiàn)風(fēng)扇跟隨溫度變化而改變轉(zhuǎn)速.風(fēng)扇有轉(zhuǎn)速反饋腳，可通過實時檢測管腳，確認(rèn)風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)，如果風(fēng)扇檢測管腳為0，表示風(fēng)扇此時不在運(yùn)行狀態(tài)，為避免損壞設(shè)備，主機(jī)進(jìn)報警管腳流程，錯誤信息寫入EEPROM生成日志信息，方便后期維護(hù).系統(tǒng)流程圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)流程圖

4 結(jié) 語

通過設(shè)備溫度監(jiān)測與散熱系統(tǒng)，完成了對設(shè)備的溫度實時監(jiān)測和降溫處理.測試過程中風(fēng)扇轉(zhuǎn)速過快會造成噪音問題，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速過慢難以實現(xiàn)風(fēng)扇降溫的目的，通過軟件設(shè)計一個動態(tài)平衡的局面，既能穩(wěn)定降溫，又達(dá)到減小噪音的效果，具有較好的實用性.