STM32F4控制的低功耗热敏电阻温度无线监测系统设计

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Scientific Journal of Information Engineering
April 2015, Volume 5, Issue 2, PP.50-55
A Wireless Temperature Monitoring System
Design with Low Consumption Thermistor
Based on STM32F4
Chen Liu, Shuqin Geng # , Jinhui Wang, Ligang Hou, Xiaohong Peng, Ying Yuan
Electrnid Control Department, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
# Email: gengshuqin@bjut.edu.cn
Abstract
A design of wireless temperature measuring system based on STM32F4 processor is introduced. STM32F407VG micro-controller
is the system core, using low-power thermal resistor and voltage follower circuits, AD conversion, temperature measurement, LCD
display, using low-power low-voltage monitoring circuit. The system is small, low power consumption, easy to implement, high
precision, remote temperature measurement and other convenient features, suitable for remote temperature monitoring.
Keywords: Wireless; Temperature Measurement; Low Power Consumption
基 于 STM32F4 控 制 的 低 功 耗 热 敏 电 阻 温 度 无 线
监 测 系 统 设 计
刘 晨 , 耿 淑 琴 , 汪 金 辉 , 侯 立 刚 , 彭 晓 宏 , 袁 颖
北 京 工 业 大 学 电 控 学 院 电 子 科 学 与 技 术 学 科 部 , 北 京 100124
摘 要 : 介 绍 一 种 基 于 STM32F4 处 理 器 控 制 的 温 度 无 线 测 量 系 统 设 计 方 案 。 以 STM32F407VG 微 控 制 器 为 核 心 , 采 用 低
功 耗 热 敏 电 阻 和 电 压 跟 随 器 电 路 , 经 AD 转 换 , 测 量 温 度 用 LCD 显 示 , 采 用 低 功 耗 低 电 压 监 测 电 路 。 具 有 体 积 小 、 功 耗
低 、 易 实 现 、 精 度 高 、 远 程 测 温 方 便 等 特 点 , 适 用 于 远 程 环 境 温 度 监 测 。
关 键 词 : 无 线 ; 温 度 测 量 ; 低 功 耗
引 言
温 度 是 日 常 生 活 与 工 农 业 生 产 中 的 一 个 重 要 参 数 , 传 统 的 温 度 计 存 在 反 应 速 度 慢 、 测 量 精 度 不 高 以 及
读 数 麻 烦 等 缺 点 , 随 着 电 子 技 术 的 发 展 , 各 种 基 于 单 片 机 的 温 度 测 量 系 统 先 后 被 提 出 [1-4] [5]
。 文 献 采 用 了 另 一
[6]
种 CC1101 射 频 模 块 实 现 家 庭 智 能 控 制 , 通 信 的 距 离 较 近 , 不 能 实 现 远 程 通 信 。 文 献 设 计 了 一 套 基 于
STM32 单 片 机 的 智 能 家 居 控 制 系 统 , 该 系 统 结 合 了 Wi-Fi 无 线 通 信 、 传 感 器 等 技 术 。 用 户 使 用 手 机 或 个 人
电 脑 通 过 Wi-Fi 访 问 STM32 单 片 机 , 实 现 远 程 无 线 智 能 控 制 。 本 系 统 通 过 手 机 短 信 与 智 能 温 度 测 量 系 统 的
通 信 , 实 现 对 温 度 数 据 的 远 程 监 控 , 当 温 度 较 高 或 较 低 时 发 出 报 警 信 号 , 具 有 体 积 小 、 精 度 高 、 处 理 能 力
强 等 特 点 。 不 受 WIFI 限 制 。STM32F407VG 是 一 款 ST( 意 法 半 导 体 ) 推 出 的 以 基 于 ARM Cortex-M4 为
内 核 的 高 性 能 微 控 制 器 , 其 采 用 了 90 纳 米 的 NVM 工 艺 和 ART( 自 适 应 实 时 存 储 器 加 速 器 ,Adaptive Real-
Time Memory Accelerator) [7] 。 本 系 统 是 基 于 STM32、 热 敏 电 阻 和 电 压 跟 随 器 , 经 AD 转 换 , 测 量 温 度 用
LCD 显 示 的 温 度 监 控 系 统 的 设 计 。
1 温 度 系 统 架 构 模 型
系 统 框 图 如 图 1 所 示 , 由 控 制 器 、 手 机 通 信 模 块 、 显 示 模 块 、 热 敏 电 阻 电 路 和 电 压 跟 随 器 组 成 。 利 用 热

敏 电 阻 随 温 度 变 化 其 阻 值 发 生 变 化 , 因 此 热 敏 电 阻 上 的 电 压 就 会 发 生 变 化 。 电 压 信 号 经 电 压 跟 随 器 稳 定 、
隔 离 输 入 到 处 理 器 , 经 AD 转 换 而 后 由 液 晶 显 示 器 显 示 实 测 的 温 度 。 温 度 定 期 可 以 通 过 通 信 模 块 发 送 到 手 机 ,
当 温 度 过 高 或 过 低 会 发 出 报 警 信 息 , 实 现 远 程 测 温 。
2 各 个 模 块 的 选 择 和 设 计
2.1 微 处 理 器 开 发 板 的 选 择
ARM Cortex-M4 的 STM32F407VG 是 内 核 高 性 能 的 微 控 制 器 。 其 采 用 的 ART 技 术 使 得 程 序 零 等 待 执
行 , 提 升 了 程 序 执 行 效 率 ,STM32F407VG 可 达 到 210DMIPS@168MHz。 自 适 应 实 时 加 速 器 能 够 完 全 释 放
Cortex-M4 STM32F407VG 内 核 的 性 能 ;STM32F407VG 微 控 制 器 集 成 了 单 周 期 DSP 指 令 和 FPU(floating
point unit, 浮 点 单 元 ), 提 升 了 计 算 能 力 , 可 以 进 行 一 些 复 杂 的 计 算 和 控 制 , 为 温 度 浮 点 计 算 提 供 了 高 性 能
的 硬 件 准 备 。
热 敏
电 阻
显 示
模 块
控 制
器 开
发 板
电 压
跟 随
通 信
图 1 数 字 温 度 计 框 图 模 型
STM32F407VG 的 ADC 模 块 基 准 电 压 VREF+ 在 芯 片 内 部 与 电 源 信 号 线 相 连 , 本 系 统 选 用 一 个 高 精 度 的
3.3V 作 为 外 部 参 照 电 压 , 解 决 了 因 VCC 电 源 电 压 精 度 不 高 带 来 的 ADC 测 量 不 精 准 的 问 题 。STM32F407VG
的 ADC 是 12 位 逐 次 逼 近 型 的 模 拟 数 字 转 换 器 。 共 有 18 个 通 道 , 可 测 量 2 个 内 部 信 号 源 和 16 个 外 部 信 号 源 ,
足 以 满 足 温 度 的 测 量 需 求 。 各 通 道 的 A/D 转 换 可 以 单 次 、 连 续 扫 描 或 间 断 模 式 执 行 。ADC 的 结 果 可 以 以 右
对 齐 或 左 对 齐 方 式 存 储 在 数 据 寄 存 器 中 , 方 便 了 数 据 的 读 取 和 存 储 。
对 于 热 敏 电 阻 阻 值 和 温 度 的 计 算 , 为 了 提 高 精 度 , 我 们 采 用 了 浮 点 运 算 。 该 方 案 硬 件 电 路 简 单 , 电 路
功 耗 电 流 较 小 , 焦 耳 热 损 耗 很 小 , 温 度 测 量 误 差 可 以 控 制 在 很 小 的 范 围 内 。
2.2 热 敏 电 阻 测 温 电 路 模 块 和 对 应 的 温 度 计 算
由 于 MF58103F3950 产 品 为 负 温 度 系 数 (NTC) 轴 向 引 线 玻 璃 封 装 型 , 可 靠 性 高 , 稳 定 性 好 , 并 且 其 阻
值 及 B 值 精 度 高 。 本 系 统 选 用 了 MF58103F3950 的 10KΩ 电 阻 , 采 用 玻 璃 封 装 , 体 积 小 , 结 构 坚 固 , 可 在
高 温 和 恶 劣 环 境 下 使 用 。MF58103F3950 使 用 温 度 范 围 -40℃~+300℃, 额 定 功 率 ≤50mW, 灵 敏 度 高 , 热 感
应 快 等 特 点 , 满 足 温 度 测 量 的 需 求 。
图 2 是 热 敏 电 阻 测 温 电 路 。 图 3 为 其 对 应 的 PCB 板 电 路 。 为 了 使 处 理 器 内 部 的 ADC 采 样 信 号 稳 定 , 如
图 2 所 示 在 热 敏 电 阻 和 控 制 器 的 输 入 引 脚 之 间 加 入 电 压 跟 随 器 。 电 压 跟 随 器 的 输 入 电 压 与 输 出 电 压 大 小 和 相
位 一 样 , 其 输 入 阻 抗 高 , 输 出 阻 抗 低 , 提 高 了 电 路 的 驱 动 能 力 , 使 信 号 在 前 级 电 路 的 损 耗 降 到 最 低 , 从 而
使 ADC 能 够 采 样 到 比 较 精 确 的 数 值 。MCP6002 是 一 款 通 用 的 运 算 放 大 器 , 其 增 益 带 宽 积 为 1MHz, 支 持 轨
到 轨 的 输 入 输 出 , 其 共 模 输 入 电 压 范 围 是 VDD + 300 mV - VSS - 300 mV, 供 电 电 压 范 围 是 1.8V - 5.5V, 满
足 本 系 统 温 度 测 量 需 求 。
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热 敏 电 阻 的 计 算 公 式 如 公 式 (1) 所 示 :
R t = R *EXP(B*(1/T1-1/T2)) (1)
T1 和 T2 指 的 是 K 度 , 即 开 尔 文 温 度 ,K 度 是 273.15( 绝 对 温 度 ) 与 摄 氏 度 t 两 者 之 和 ; Rt 是 热 敏 电
阻 在 温 度 T1 下 的 阻 值 ;R 是 热 敏 电 阻 在 常 温 T2 下 的 标 称 阻 值 ;B 值 是 热 敏 电 阻 的 重 要 参 数 ;EXP 是 e 的 n
次 方 。 经 公 式 转 换 得 到 下 公 式 (2):
(2)
对 于 MF58103F3950 的 热 敏 电 阻 R=10000Ω,T2=273.15+25,B=3950, 根 据 测 量 的 电 阻 值 R t , 再 加 上
浮 点 运 算 , 可 以 求 出 对 应 的 环 境 温 度 t 如 公 式 (3) 所 示 。
t=(1.0f / ((((1.0f / 3950.0f) * log(R t / 10000.0f)) + (1.0f / (273.15f + 25.0f))))) - 273.15f (3)
式 中 f 是 浮 点 运 算 。
图 2 热 敏 电 阻 测 温 电 路
图 3 热 敏 电 阻 温 度 检 测 模 块 PCB 板
2.3 ADC 转 换
Rt= x* 10000.0/ (4096 - x)
图 4 热 敏 电 阻 与 采 样 值 的 关 系 曲 线
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由 于 热 敏 电 阻 经 电 压 跟 随 器 的 输 出 电 压 为 模 拟 信 号 , 需 经 过 STM32F407VG 片 内 的 ADC 转 换 。 由 于
控 制 器 的 ADC 采 用 12 位 逐 次 逼 近 型 的 模 拟 数 字 转 换 器 , 结 合 电 路 图 2 可 知 , 热 敏 电 阻 和 R1 串 联 的 总 阻 值
对 应 2 12 (4096), 则 ADC 的 实 际 采 样 值 x 与 测 量 电 阻 R t 对 应 的 关 系 如 公 式 (4) 所 示 , 将 R t 值 代 入 公 式 (4) 中
可 得 测 量 的 环 境 温 度 。 其 对 应 的 曲 线 如 图 4 所 示 。
(4)
2.4 显 示 电 路
本 系 统 采 用 点 阵 式 JLX12864G-086 LCD 显 示 器 , 结 构 轻 、 薄 、 带 背 光 , 使 用 SPI 通 信 协 议 。IC 采 用
UC1701X。 功 耗 低 , 不 带 背 光 10mW, 带 背 光 不 大 于 100mW;128*64 点 阵 单 色 图 片 ; 指 令 功 能 强 。
JLX12864G-086 LCD 模 块 接 口 简 单 方 便 如 图 5 所 示 : 采 用 4 线 SPI 串 行 接 口 。 其 中 PE11 连 接 LCD_CS,
PE13 连 接 LCD_RESET,PE15 连 接 LCD_RS,PB13 连 接 SCK。 由 于 微 控 制 器 是 主 设 备 , 所 以 用 PB15 引 脚
作 为 MOSI 与 LCD_SDA 连 接 。LCD_LEDA 与 VDD 相 连 , 作 为 LCD 的 背 光 灯 , 根 据 控 制 命 令 能 实 时 显 示
环 境 温 度 。
图 5 电 路 连 接 图
图 6 GSM 模 块 实 物 图
2.5 手 机 短 信 收 发 接 口 模 块
本 系 统 设 计 了 手 机 短 信 报 警 功 能 。 当 环 境 温 度 过 高 或 过 低 时 , 系 统 产 生 报 警 信 息 时 , 可 以 向 指 定 的 手
机 号 码 发 送 报 警 短 信 , 通 知 相 关 负 责 人 员 及 时 处 理 异 常 情 况 。
本 系 统 所 使 用 的 手 机 短 信 收 发 模 块 如 图 6 所 示 。 本 系 统 射 频 模 块 的 主 要 任 务 : 产 生 超 高 频 的 发 射 功 率 ;
对 温 度 或 报 警 信 息 传 送 给 对 应 的 手 机 ; 接 收 并 解 调 来 自 手 机 的 高 频 信 号 , 并 向 微 控 制 器 发 出 信 号 ; 且 地 址
匹 配 、CRC 校 验 等 由 射 频 模 块 自 动 完 成 , 降 低 了 微 控 制 器 的 软 件 消 耗 , 同 时 节 约 了 相 关 信 号 与 控 制 器 之 间
的 来 回 传 递 , 提 高 了 识 别 率 , 降 低 了 系 统 功 耗 。
2.6 电 源 监 测
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常 规 的 电 源 监 测 电 路 采 用 两 个 电 阻 R1 和 R2 串 联 监 测 电 源 电 压 , 长 期 接 在 电 池 正 极 与 地 之 间 , 则 会 一
直 产 生 额 外 的 电 流 。 当 电 源 电 压 为 4.5V, 该 电 流 是 1.8mA, 对 于 长 时 间 工 作 的 温 度 监 测 系 统 能 耗 积 累 不 可
忽 略 。 本 系 统 将 电 路 设 计 更 改 为 如 图 7 所 示 。 在 不 进 行 电 池 电 量 检 测 时 ,AD_STROBE 输 出 0V 的 低 电 平 ,
Q3 关 断 ,Q4 栅 极 电 压 由 R3 拉 高 到 VBAT 而 使 Q4 也 关 断 ,AD_R2 处 电 压 由 R2 拉 低 到 0V。 当 进 行 电 池 电
量 检 测 时 ,AD_STROBE 输 出 3.3V 的 高 电 平 ,Q3 开 启 将 Q4 栅 极 电 压 拉 低 到 地 ,Q4 开 启 ,R1 和 R2 对
VBAT 进 行 分 压 , 而 后 单 片 机 即 可 转 换 AD_R2 处 的 电 压 来 计 算 得 出 电 池 电 压 。
图 7 修 改 后 的 电 池 电 量 检 测 部 分 原 理 图
表 1 测 试 温 度 曲 线
27.22
27.2
27.18
27.16
27.14
27.12
27.1
温 度 1
温 度 2
温 度 3
温 度 4
27.08
27.06
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
3 测 试 数 据
表 1 是 我 们 连 续 四 次 的 测 试 结 果 曲 线 。 从 图 中 可 以 看 出 在 同 一 次 测 试 中 , 最 大 温 度 与 最 小 温 度 差 分 别 是
0.044°C、0.045°C、0.045°C、0.045°C, 与 平 均 值 的 误 差 率 分 别 是 0.1621%,0.1657%,0.1657%,
0.1656%, 远 远 小 于 1%。 因 此 能 满 足 日 常 生 活 工 作 的 温 度 测 试 需 求 。
4 结 论
以 STM32F407VG 微 控 制 器 为 核 心 , 采 用 低 功 耗 热 敏 电 阻 和 电 压 跟 随 器 电 路 , 经 AD 转 换 , 测 量 温 度 用
LCD 显 示 。 采 用 低 功 耗 低 电 压 监 测 电 路 。 具 有 体 积 小 、 功 耗 低 、 易 实 现 、 精 度 高 、 处 理 能 力 强 等 特 点 。 本
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系 统 满 足 日 常 生 活 工 作 的 温 度 测 试 需 求 。 本 系 统 在 楼 房 智 能 温 度 控 制 , 大 棚 蔬 菜 养 植 远 程 温 控 等 方 面 具 有
广 阔 的 应 用 前 景 。
REFERENCES
[1] 曾 炼 成 , 沈 岳 , 张 林 峰 , 嵌 入 式 系 统 实 践 教 学 研 究 , 中 国 电 力 教 育 , 2010 年 第 27 期 总 第 178 期
[2] 张 兢 , 路 彦 , 赵 家 斌 , 空 气 传 感 器 TGS2600 在 空 气 质 量 监 测 中 的 应 用 , 传 感 器 与 仪 器 仪 表 , 2006, vol22 (31), 201-203
[3] 常 波 , 张 新 荣 , 胡 荣 林 , 基 于 WSNs 的 大 型 楼 宇 空 气 质 量 监 测 系 统 设 计 木 , 传 感 器 与 微 系 统 , 2011, 30(3), 105-110
[4] 曹 哗 , 李 珍 , 邵 良 彬 , 便 携 式 NO 检 测 报 警 仪 的 研 制 , 分 析 仪 器 , 2009, 1, 5-7
[5] 曾 艳 , 程 文 彬 , 戴 跃 洪 . 智 能 家 居 RF 通 信 模 块 的 设 计 与 实 现 . 电 信 科 学 , 2014 (7): 95-99
[6] 韩 晓 英 , 张 方 樱 , 朱 静 . 基 于 STM32 单 片 机 的 智 能 家 居 控 制 系 统 设 计 与 实 现 . 硅 谷 , 2013 (132): 14-15
[7] STM32F407 VGT6 datasheet
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