一、項目介紹

當(dāng)前介紹的項目是基于 STM32F103ZET6 系列 MCU 設(shè)計的數(shù)顯熱水器，通過顯示屏來顯示熱水器的溫度及其工作狀態(tài)，通過 PT100 傳感器來檢測熱水器的溫度變化，并通過電加熱片實現(xiàn)加熱過程，以達(dá)到控制熱水器溫度的目的。

二、設(shè)計流程

2.1 硬件選型

• STM32F103ZET6 系列 MCU
• OLED 顯示屏
• PT100 溫度傳感器
• 電加熱片
• 繼電器

2.2 軟件設(shè)計

（1）顯示屏

使用 OLED 顯示屏來顯示熱水器的溫度及其工作狀態(tài)，通過 SPI 接口與 STM32 芯片進(jìn)行通訊。設(shè)計溫度值及其單位、熱水器工作狀態(tài)等。

（2）溫度傳感器

使用 PT100 溫度傳感器來檢測熱水器內(nèi)部溫度的變化，并將數(shù)據(jù)通過 ADC 轉(zhuǎn)換后，傳輸給 STM32 芯片，以實現(xiàn)對熱水器加熱過程的控制。

（3）電加熱片

使用電加熱片模擬熱水器加熱過程，通過繼電器控制電加熱片的通斷，以調(diào)節(jié)熱水器的溫度。

（4）控制系統(tǒng)

通過 STM32 芯片來實現(xiàn)對熱水器的控制，讀取溫度傳感器的數(shù)據(jù)。

三、代碼設(shè)計

3.1 OLED顯示屏

（1）SPI 接口初始化

需要對 STM32F103ZET6 的 SPI 接口進(jìn)行初始化配置，設(shè)置相關(guān)的時鐘和模式，使其能夠與 OLED 顯示屏進(jìn)行通訊。

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI3, ENABLE); // 打開SPI3時鐘
 SPI_InitTypeDef spi_init_type;
 spi_init_type.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
 spi_init_type.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
 spi_init_type.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
 spi_init_type.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
 spi_init_type.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
 spi_init_type.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
 spi_init_type.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_32; // 設(shè)置 SPI 時鐘頻率為 72 MHz / 32 = 2.25MHz
 spi_init_type.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
 SPI_Init(SPI3, &spi_init_type);
 SPI_Cmd(SPI3, ENABLE);

（2）OLED 顯示屏初始化

以下是 OLED 顯示屏的初始化代碼：

void OLED_Init(void) {
     GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6);   //RST SET
     GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6); //RST RESET
     GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6);   //RST SET
 ?
     write_command(0xAE); // 關(guān)閉顯示
     write_command(0xD5); // 設(shè)置時鐘分頻因子,震蕩頻率
     write_command(0x80); // 分頻因子=1 ,震蕩頻率(fosc)=8MHz
     write_command(0xA8); // 設(shè)置驅(qū)動路數(shù)：MUX(復(fù)用方式)
     write_command(0x1F); // 1/32 duty (0x0F~0x3F)
     write_command(0xD3); // 設(shè)置顯示偏移
     write_command(0x00); // 不偏移
     write_command(0x40); // 設(shè)置顯示開始行[5:0], 對于設(shè)置了32行的液晶，
     // 這里的值為0表示從0行開始顯示
     write_command(0x8D); // 對比度設(shè)置
     write_command(0x14); // AHB參考電壓256等分 移位[3:0]100[n,1/256]
     write_command(0x20); // 水平方向上的尋址模式
     write_command(0x00); // 垂直方向上的尋址模式
     write_command(0xA1); // 設(shè)置段再映射
     write_command(0xC0); // 設(shè)置COM掃描方向
     write_command(0xDA); // 設(shè)置COM引腳硬件配置
     write_command(0x12);
     write_command(0x81); // 對比度設(shè)置
     write_command(0xBF); // 設(shè)置電荷泵電壓
     write_command(0xD9); // 設(shè)置預(yù)充電周期
     write_command(0xF1);
     write_command(0xDB); // 設(shè)置VCOMH電壓倍率
     write_command(0x40);
     write_command(0xAF); // 打開顯示
 ?
     OLED_Clear(); // 清屏
 }

（3）OLED 顯示函數(shù)

接下來編寫 OLED 顯示函數(shù)，實現(xiàn)字符和數(shù)字的顯示功能。

void OLED_show_string(uint8_t x, uint8_t y, char *str) {
     uint8_t i = 0;
     while (str[i] != '') {
         OLED_show_char(x, y + i * 8, str[i]);
         ++i;
     }
 }
 ?
 void OLED_show_char(uint8_t x, uint8_t y, char ch) {
     uint8_t c = ch - 32;
     if (c >= 96) return;
     uint8_t* buffer = (uint8_t*)oled_buffer;
     uint8_t cx, cy;
     for (cy = 0; cy < 8; cy++) {
         uint8_t line = font[c][cy];
         for (cx = 0; cx < 6; cx++) {
             if (line & 0x1) {
                 buffer[(y + cy) * OLEDWIDTH + x + cx] = 1;
             } else {
                 buffer[(y + cy) * OLEDWIDTH + x + cx] = 0;
             }
             line > >= 1;
         }
     }
     OLED_Draw_Pixel(x + 6, y, 0);
     OLED_Draw_Pixel(x + 6, y + 1, 0);
     OLED_Draw_Pixel(x + 6, y + 6, 0);
     OLED_Draw_Pixel(x + 6, y + 7, 0);
 }

（4）結(jié)果顯示

在代碼中調(diào)用 OLED_show_string 函數(shù)和 OLED_show_char 函數(shù)顯示數(shù)值和字符。

OLED_Init();
 OLED_Clear();
 OLED_show_string(0, 0, "HELLO WORLD!");
 OLED_show_string(0, 16, "TEMP:20 C");

3.2 測溫代碼

（1）引腳配置

需要對 STM32F103ZET6 的 IO 口進(jìn)行配置，將用于連接 PT100 溫度傳感器的引腳設(shè)置為輸入模式。

這里以 PA0 引腳作為 PT100 傳感器的連接口（即 PT100 三線連接中的 R3 端），代碼如下：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉輸入模式
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

（2）ADC 配置

接下來需要對 STM32F103ZET6 的 ADC 進(jìn)行初始化配置，使其能夠讀取 PT100 溫度傳感器輸出的電壓信號。

這里以 ADC1 通道5 作為讀取口，代碼如下：

ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
 RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); // 設(shè)置 ADC 時鐘為 PCLK2 的 1/6
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); // 打開 ADC1 時鐘
 ADC_DeInit(ADC1); // 初始化 ADC1
 ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; // 連續(xù)轉(zhuǎn)換模式
 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
 ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
 ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 開啟 ADC1

（3）溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)

根據(jù) PT100 溫度傳感器輸出電壓與溫度的關(guān)系，可使用線性函數(shù)計算出溫度值。

轉(zhuǎn)換公式如下：

Rt = (Vref - Vpt) / Ipt // Rt 為 PT100 的阻值，Vref 為基準(zhǔn)電壓，Vpt 為 PT100 輸出電壓，Ipt 為 PT100 驅(qū)動電流
 Temp = a * Rt + b // Temp 為溫度值，a 和 b 為經(jīng)過擬合后的系數(shù)

其中 Rt 的計算需要使用差分運算放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這里不再贅述。假設(shè)已經(jīng)得到 Rt 值，則溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)代碼如下：

float PT100_Get_Temperature(float Rt)
 {
     float a = 3.9083e-3f, b = -5.775e-7f, R0 = 100.0f; // 根據(jù)實際數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到 a、b 和 R0 的值
     float Tem, delta;
     delta = pow(Rt / R0, 2) + a * (Rt / R0) + b;
     Tem = (delta > 0) ? (-R0*a + sqrt(delta)) / (2 * b) : 0;
     return Tem;
 }

（4）數(shù)據(jù)采集

根據(jù)差分放大器輸出的電壓值得到 PT100 溫度傳感器的阻值，再根據(jù)阻值計算出實際溫度，最后將溫度值通過串口打印出來。以下是數(shù)據(jù)采集代碼：

float ADC_Get_Voltage(void)
{
    float voltage = 0;
    uint16_t adc_val = 0;
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_5, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); // 配置 ADC 通道5
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 使能軟件觸發(fā) ADC 轉(zhuǎn)換
    while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)); // 等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
    adc_val = ADC_GetConversionValue(ADC1); // 讀取 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果
    voltage = (float)adc_val * 3.3f / 4096; // 計算基準(zhǔn)電壓
    return voltage;
}

float PT100_Get_Rt(float Vpt)
{
    float Rsource = 10e3f, Rpt = 100.0f; // Rsource 為差分放大器輸出電阻，Rpt 為 PT100 阻值
    float Ipt = (3.3f - Vpt) / Rsource; // 計算 PT100 驅(qū)動電流
    float Rt = (3.3f - Vpt) / Ipt; // 根據(jù)歐姆定律計算出 PT100 阻值
    return Rt;
}

void USART1_Send_Float(float f)
{
    char buf[32];
    sprintf(buf, "%.1f
", f); // 轉(zhuǎn)換為字符串
    while (*buf)
    {
        USART_SendData(USART1, *buf);
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
        buf++;
    }
}

int main(void)
{
    ...
    while (1)
    {
        float Vpt = ADC_Get_Voltage(); // 獲取差分放大器輸出電壓
        float Rt = PT100_Get_Rt(Vpt); // 計算 PT100 阻值
        float Temp = PT100_Get_Temperature(Rt); // 根據(jù)阻值計算溫度
        USART1_Send_Float(Temp); // 將溫度值打印到串口
        delay_ms(500);
    }
    ...
}

審核編輯 黃宇