本项目设计内容涉及：传感器、嵌入式系统应用、模拟电子技术。

  课程：《智能传感技术》

  指导老师：覃园芳老师

一、任务要求

  设计PT100温度传感器的信号采集电路，使用嵌入式系统实验板采集外部的温度并显示。

要求：

1. 范围：$20$
2. 精度：与标准仪器比较小于$0.3℃$
3. $30$

注：本次设计采用的主板芯片为STM32F103RCT6
 

二、硬件设计

1、分析所要使用的PT100温度传感器。

  结合有关PT100的资料，可得几个重要知识：

• PT100的阻值会随温度的变化而成正比变化（温度越高阻值越大），但阻值变化很小，约等于$0.385\Omega /度$
• PT100的测温范围是$﹣200℃$
• PT100的工作电流要小于$5mA$
• PT100的阻值虽然随温度的变化而成正比变化，但在不同温度区间内其变化的速率（也就是$K值$

2、设计PT100驱动电路。

  结合所学经验，开始有想法：

  如果把PT100当电阻串联在电路中，并用主板上STM32F103RCT6芯片的PA1引脚的ADC功能去读取电压值并进行温度转换，可得出温度，如图1所示：

图1 PT100串联电路测AD法

 
  但结合资料，这种想法秒速推翻。

  常温（

25

℃

25℃

25℃）水中的PT100的阻值大概在

109.89

Ω

109.89Ω

109.89Ω左右。

  假设主板给PT100的供电是标准的

3.3

V

3.3V

3.3V直流电，并且通过PT100的电流也是其最大

5

m

A

5mA

5mA直流电流，那么在此刻，PT100所要分掉的电压约为

109.89

∗

0.005

=

0.54945

V

109.89*0.005=0.54945V

109.89∗0.005=0.54945V
  将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为

0.54945

/

3.3

∗

4096

=

681.98

≈

682

0.54945/3.3*4096=681.98≈682

0.54945/3.3∗4096=681.98≈682
  当温度上升一度，假设PT100的阻值刚好上升了

0.385

Ω

0.385Ω

0.385Ω，那么其分掉的电压的变动值约等于

0.385

∗

0.005

=

0.001925

V

0.385*0.005=0.001925V

0.385∗0.005=0.001925V
  将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为

0.001925

/

3.3

∗

4096

=

2.39

≈

2

0.001925/3.3*4096=2.39≈2

0.001925/3.3∗4096=2.39≈2
  

0.5

℃

/

A

D

0.5℃/AD

0.5℃/AD ?好像还不错，但任务要求所设计的PT100电路测温得出的结果，精度要小于

0.3

℃

0.3℃

0.3℃。

  

0.3

℃

0.3℃

0.3℃是什么概念?换算为PT100的阻值变化，也就约为

0.1155

Ω

0.1155Ω

0.1155Ω，那么其精度下，PT100变化

0.1155

Ω

0.1155Ω

0.1155Ω阻值，要变化的电压约为，将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为，连

1

1

1个AD值都不到，无法达到这个精度。

  所以，这种方法被推翻。
 

直流电桥（微小电阻变化转微小电压变化）

  找到了关键问题所在，就是PT100的随温度的变化而成正比变化太小了，只要把这种变化变大，大到很明显，就解决了问题。

  电阻的阻值是没法调大的，只能通过电阻变化导致的电压变化调大，就可以解决变化小的问题。

  结合所学知识，只要将微小的电阻变化转化为微小的电压变化，再将微小的电压变化转化为大的电压变化，也就是用直流电桥配上一个放大电路，就很完美地解决这个问题。

  如图2为一个直流电桥，R1、R2、R3、R4为该直流电桥的桥臂，且R1、R2、R3、R4皆为固定电阻，U1为该直流电桥的供电电源，U2为该直流电桥的输出电压。

图2 直流电桥

 
  结合所学的直流电桥知识，可得公式：

U

2

=

U

1

∗

(

R

1

R

1

+

R

4

−

R

2

R

2

+

R

3

)

U2=U1*(\frac{R1}{R1+R4} -\frac{R2}{R2+R3})

U2=U1∗(R1+R4R1​−R2+R3R2​)

  当

R

1

∗

R

3

=

R

2

∗

R

4

R1*R3=R2*R4

R1∗R3=R2∗R4，该直流电桥会达到平衡，带入公式可得输出U2的值为

U

2

=

U

1

∗

0

=

0

V

U2=U1*0=0V

U2=U1∗0=0V  也就是该直流电桥在平衡状态下，输出电压为

0

V

0V

0V；

  当

R

1

∗

R

3

≠

R

2

∗

R

4

R1*R3≠R2*R4

R1∗R3​=R2∗R4时，该直流电桥的平衡会被打破，带入公式可得输出U2的值。

  利用直流电桥不平衡状态下会输出电压的特性，应用不平衡电桥之一——单臂电桥，来把微小的电阻变化转化为微小的电压变化。

  如图3为一个直流电桥，R1、R2、R3、R4为该直流电桥的桥臂，且R1为可变电阻，R2、R3、R4为固定电阻，且

R

3

=

R

4

R3=R4

R3=R4，U1为该直流电桥的供电电源，U2为该直流电桥的输出电压。

图3 直流单臂电桥

 
  该单臂电桥应用于本次设计，R1为PT100，R2为与PT100接近的阻值，这样可以使得在一定（温度）情况下（PT100的阻值等于R2的阻值）电桥可以达到平衡，使得单臂电桥的输出趋近于

0

0

0。

  又因为通过PT100的电流不能大于

5

m

A

5mA

5mA，不然可能会烧坏PT100，所以R3与R4的阻值虽然要取相等，但又要把电桥电流稳定到

5

m

A

5mA

5mA以下，所以R2和R3要给PT100分流。

  本次设计，实验板可接出供电为

3.3

V

3.3V

3.3V和

5

V

5V

5V两种，为了提高精度，也就是提高单臂电桥的输出电压的范围，故选择5V供电。

  在先前的计算中，常温（

25

℃

25℃

25℃）水中的PT100的阻值大概在

109.89

Ω

109.89Ω

109.89Ω左右。假设主板给PT100的供电是标准的

5

V

5V

5V直流电，并且通过PT100的电流也是其最大

5

m

A

5mA

5mA直流电流，那么在此刻，PT100所占电压最大为

109.89

∗

0.005

=

0.54945

V

109.89*0.005=0.54945V

109.89∗0.005=0.54945V  也就是说R3和R4至少要分掉的电压为

5

－

0.54945

=

4.45055

V

5－0.54945=4.45055V

5－0.54945=4.45055V

  设

R

1

=

R

2

=

109.89

Ω

R1=R2=109.89Ω

R1=R2=109.89Ω，在此刻，

5

V

5V

5V通电的电桥为一个并联电路，可变形为图4所示的电路：

图4 PT100单臂电桥变形图

 
  又R3和R4至少要分掉

4.45055

V

4.45055V

4.45055V的电压，所以R3和R4的阻值至少为

4.45055

/

0.005

=

0.5

V

4.45055/0.005=0.5V

4.45055/0.005=0.5V

  又由于本次设计PT100用来测量

20

℃

20℃

20℃ ~

80

℃

80℃

80℃的水温，水常压下的极端液态也就是

0

℃

0℃

0℃。

  重新计算PT100将分掉的电压，PT100的阻值放入

0

℃

0℃

0℃的水中，其阻值为

100

Ω

100Ω

100Ω左右。假设主板给PT100的供电是标准的

5

V

5V

5V直流电，并且通过PT100的电流也是其最大

5

m

A

5mA

5mA直流电流，那么在此刻，PT100所占电压最大为，在此刻，R3和R4又至少要分掉的电压为

5

－

0.5

=

405

V

5－0.5=405V

5－0.5=405V  所以R3和R4的阻值至少为

4.5

/

0.005

=

900

Ω

4.5/0.005=900Ω

4.5/0.005=900Ω

  所以R3和R4的电阻取值，在理想状态下至少是

900

Ω

900Ω

900Ω，但现实中没有刚刚好的阻值可以挑，那就可以选择比该值大的电阻，例如

1

K

Ω

1KΩ

1KΩ，或者是比

1

K

Ω

1KΩ

1KΩ再大的，但是如果选用的电阻太大，则分压过多，依旧导致电桥的输出范围越来越少，最后使得微弱的电压变化变得更加微弱，甚至是不变化了，而且电阻的型号选用金属膜电阻，因为其体积小、噪声低、稳定性好，选它很不错，误差1%可接受。

  又因为R2要与PT100趋近，所以对水的温度测量中，温度变化最大为

0

℃

0℃

0℃ ~

100

℃

100℃

100℃，所以PT100的电阻变化约为

100

Ω

100Ω

100Ω ~

139

Ω

139Ω

139Ω，因而要使得电路达到最佳的变化R2为

150

Ω

150Ω

150Ω的可变电阻最佳，又可调精度要非常高，所以要选用精密电阻。

  但现实中没有刚刚好阻值的精密电阻可以挑，那就可以选择比该值大一点点的精密电阻，所以3296w不错，多圈式精密可调，例如3296w电位器201（

200

Ω

200Ω

200Ω）。

  所以本次设计选用的R3和R4为

1

K

Ω

1KΩ

1KΩ，单臂电桥部分的设计完成，如图5所示。

图5 PT100单臂电桥部分

 

差分放大电路（放大微小的电压变化）

  接下来就是放大电路部分，通过放大电路来实现把电压的微小变化扩大，使用模电所学过的差分放大电路（减法电路），可以把电桥的输出进行减法运算，并增益放大输出。

  当电桥平衡，电桥输出电压电势相等，差分放大电路的减法运算的结果为

0

V

0V

0V；

  当电桥的平衡被破坏，电桥输出电压电势拉开，此时差分放大电路的减法运算即可有一定的差值，放大器对其进行放大到合适的差值变动并输出，即当电桥输出最大时，经过差分放大电路，放大到我们所需的最大差值电压

0

V

0V

0V ~

3.3

V

3.3V

3.3V。如图6为一个差分放大电路：

图6 差分放大电路

 
  △假设U1 = U2：

  ①因输入端U1、U2的电流趋近相等，为“虚断”特性，同相输入端为高阻态，其输入电压值仅仅取决于R2、R4分压值。同相输入端的电压可以看作成为输入端比较基准电压；

  ②因输入端U1、U2的电压趋近相等，为“虚短”特性，进而又推知其为反相输入端，即R1、R3串联分压电路，这是反馈电压。放大器的控制目的是使反馈电压等于基准电压；

  ③由R1=R2，R3=R4条件可知，放大器输出端OUT只有处于“虚地”状态，即输出端OUT为0V，才能满足反馈电压等于基准电压，这可以由此导出差分放大器的一个工作特征。

  △假设U1 ≠ U2，例如U1 > U2：

  ①此时因同相输入端电压高于反相输入端，输出端电压往正方向变化，其R1、R3偏置电路中的电流方向为R3→R1；

  ②由R1、R3的阻值比例可知，R1两端电压降为

（

同

向

输

入

端

电

压

)

－

U

1

（同向输入端电压)－U1

（同向输入端电压)－U1  则R3两端电压降为

[

(

同

向

输

入

端

电

压

)

－

U

1

]

∗

(

R

3

/

R

1

)

[(同向输入端电压)－U1]*(R3/R1)

[(同向输入端电压)－U1]∗(R3/R1)  输出端电压为

(

同

向

输

入

端

电

压

)

＋

[

(

同

向

输

入

端

电

压

－

U

1

)

∗

(

R

3

/

R

1

)

(同向输入端电压)＋[(同向输入端电压－U1)*(R3/R1)

(同向输入端电压)＋[(同向输入端电压－U1)∗(R3/R1)

  ③若此时的输入电压差为

U

1

－

U

2

U1－U2

U1－U2，输出电压为

X

∗

(

U

1

－

U

2

)

X*(U1－U2)

X∗(U1－U2)。则该差分放大器的差分电压放大倍数为

R

4

/

R

3

=

X

R4/R3=X

R4/R3=X  可得该差分放大电路的放大倍数是

X

X

X倍。

  △假设U1 ≠ U2，例如U1 < U2：

  ①此时因同相输入端电压低于反相输入端，输出端电压往反方向变化，其R1、R3偏置电路中的电流方向为R3←R1；

  ②由R1、R3的阻值比例可知，R1两端电压变为

－

U

1

－

(

同

向

输

入

端

电

压

)

－U1－(同向输入端电压)

－U1－(同向输入端电压)  则R3两端电压变为

－

[

U

1

－

(

同

向

输

入

端

电

压

)

]

∗

(

R

3

/

R

1

)

－[U1－(同向输入端电压)]*(R3/R1)

－[U1－(同向输入端电压)]∗(R3/R1)  输出端电压为

－

(

同

向

输

入

端

电

压

)

－

(

同

向

输

入

端

电

压

－

U

1

)

∗

(

R

3

/

R

1

)

－(同向输入端电压)－(同向输入端电压－U1)*(R3/R1)

－(同向输入端电压)－(同向输入端电压－U1)∗(R3/R1)  结果是一个负电压。

  所以故障维修的经验就冒出来了：

  如果直接测量R1、R3串联电路的分压状态，只要R1、R3串联分压是成立的，则该差分电路就大致上就是好的，电路的电压放大倍数也由此得出；

  只要测量输入电压差（R1、R2左端电压差），再测量输出端电压进行比较，则外围偏置电路的好坏，也会得出明确的结论。

  所以公式就推出来了：

  其输出公式为：

O

U

T

=

(

R

2

＋

R

4

)

∗

R

3

∗

U

1

(

R

1

＋

R

4

)

∗

R

2

−

R

4

∗

R

2

R

2

OUT=\frac{(R2＋R4)*R3*U1}{(R1＋R4)*R2} -\frac{R4*R2}{R2}

OUT=(R1＋R4)∗R2(R2＋R4)∗R3∗U1​−R2R4∗R2​

  在实际应用中，一般使

R

1

=

R

2

R1=R2

R1=R2、

R

3

=

R

4

R3=R4

R3=R4化简电路，则

  其输出公式为：

O

U

T

=

(

U

1

－

U

2

)

∗

R

4

R

1

OUT=\frac{(U1－U2)*R4}{R1}

OUT=R1(U1－U2)∗R4​

  当所前边所设计的电桥与差分放大电路结合起来，

U

1

－

U

2

U1－U2

U1－U2就为电桥输出的电势差，OUT输入到STM32F103RCT6实验板ADC1口，其最大可读取电压为

3.3

V

3.3V

3.3V，则电势差放大的倍数也就是

R

4

/

R

1

R4/R1

R4/R1即可进行计算了。

  假设所设计的单臂电桥达到理想状态，最小电桥输出

U

2

=

0

V

U2=0V

U2=0V，最大电桥输出为

U

2

=

M

a

x

B

r

i

d

g

e

U2=Max Bridge

U2=MaxBridge

O

u

t

Out

Out。水温最高为

100

℃

100℃

100℃，最大电桥输出为PT100置于

100

℃

100℃

100℃时电桥的输出。

  实测100℃时PT100的阻值约为

138.8

Ω

138.8Ω

138.8Ω，电桥所接输入电压为

5

V

5V

5V，

R

3

=

R

4

=

1

K

R3=R4=1K

R3=R4=1K，若要使得测温范围是从

0

℃

0℃

0℃ ~

100

℃

100℃

100℃，则精密电阻R2的阻值应该调为

0

℃

0℃

0℃时PT100的阻值，也就是

100

Ω

100Ω

100Ω，带入公式可得电桥的输出

U

2

=

U

1

∗

(

R

1

R

1

＋

R

4

－

R

2

R

2

＋

R

3

)

=

5

∗

(

138.8

138.8

＋

1000

－

100

100

＋

1000

)

=

0.154867963087

V

≈

0.155

V

U2=U1*(\frac{R1}{R1＋R4}－\frac{R2}{R2＋R3}) =5*(\frac{138.8}{138.8＋1000}－\frac{100}{100＋1000})=0.154867963087V≈0.155V

U2=U1∗(R1＋R4R1​－R2＋R3R2​)=5∗(138.8＋1000138.8​－100＋1000100​)=0.154867963087V≈0.155V

  将其放大到ADC1最大可检测电压

3.3

V

3.3V

3.3V，所需的放大倍数为

3.3

/

0.155

≈

21.29

≈

21

3.3/0.155≈21.29≈21

3.3/0.155≈21.29≈21倍。

  但是在现实中，

100

℃

100℃

100℃的开水降温速度很快，所以理想的倍数有点浪费，所以我们只测到

80

℃

80℃

80℃，常温下的冰水升温速度也很快，所以我们最小也只测到

20

℃

20℃

20℃，这就是设计条件的由来吧。

  实测

80

℃

80℃

80℃时PT100的阻值约为

131.1

Ω

131.1Ω

131.1Ω，电桥所接输入电压为

5

V

5V

5V，

R

3

=

R

4

=

1

K

R3=R4=1K

R3=R4=1K若要使得测温范围是从

20

℃

20℃

20℃ ~

80

℃

80℃

80℃，则精密电阻R2的阻值应该调为

20

℃

20℃

20℃时PT100的阻值，实测约为

108

Ω

108Ω

108Ω，带入公式可得电桥的输出

U

2

=

U

1

∗

(

R

1

R

1

＋

R

4

－

R

2

R

2

＋

R

3

)

=

5

∗

(

131.1

131.1

＋

1000

－

108

108

＋

1000

)

=

0.0.2159735882

V

≈

0.092

V

U2=U1*(\frac{R1}{R1＋R4}－\frac{R2}{R2＋R3})=5*(\frac{131.1}{131.1＋1000}－\frac{108}{108＋1000})=0.0.2159735882V≈0.092V

U2=U1∗(R1＋R4R1​－R2＋R3R2​)=5∗(131.1＋1000131.1​－108＋1000108​)=0.0.2159735882V≈0.092V

  将其放大到ADC1最大可检测电压

3.3

V

3.3V

3.3V，所需的放大倍数为

3.3

/

0.092

≈

35.87

≈

35

3.3/0.092≈35.87≈35

3.3/0.092≈35.87≈35倍。

  接下来就要计算电阻取值了，因为

35

∗

R

1

=

35

∗

R

2

=

R

3

=

R

4

35*R1=35*R2=R3=R4

35∗R1=35∗R2=R3=R4，所以可以设R1、R2的阻值为

1

∗

X

Ω

1*XΩ

1∗XΩ，R3、R4的阻值为

35

∗

X

Ω

35*XΩ

35∗XΩ，只要算出

X

X

X即可算出全部的电阻，

X

X

X为该差分放大电路的输入电阻值，如图7：

图7 35倍差分放大电路

 
  现在生产的运放，一般其输入阻抗都很高，所以运放输入端电阻选择余地比较大，但又为了减少偏置电流带来的影响，降低噪声和温漂的影响，输入电阻的取值一般选择在

10

k

Ω

10kΩ

10kΩ ~

100

K

Ω

100KΩ

100KΩ的区间。

  本次设计所使用的运算放大器为LM358，其内部集成结构如图7所示：

图7 LM358集成结构

 
  LM358增益高（高达

100

d

B

100dB

100dB），自带内部频率补偿，低功耗，差模输入电压范围宽（单电源

3

V

3V

3V ~

30

V

30V

30V），输出电压摆幅大（

0

V

0V

0V ~

V

C

C

VCC

VCC）。
  使用R1和R2选用

10

K

Ω

10KΩ

10KΩ，保证输入稳定的同时也尽可能地保证精度，所以R3和R4选用

350

K

Ω

350KΩ

350KΩ。在现实中，有

10

K

Ω

10KΩ

10KΩ的金属膜电阻和

300

K

300K

300K的金属膜电阻考虑到实际放大倍数可能不够，因为不是理想电路，所以用电位器503（

50

K

Ω

50KΩ

50KΩ）串联

300

K

300K

300K来达到想要的放大倍数。

图8 PT100驱动电路

 
  电路构思完成，将单臂电桥和差分放大电路合二为一，加上

0.1

u

F

0.1uF

0.1uF的电容给输入

5

V

5V

5V电压滤波，搭建成完整的PT100驱动电路，如图8所示。届时调节电路，根据测温范围调节R2至合适，根据电压放大效果调节R9、R10至合适即可。
 

3、电路焊接

  关于电路的焊接，我焊接了三次。

• 第一次焊接的板子为：“PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）”，其精度特别满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.1℃，但其毕竟是实验板，不是成品板，不能作为设计成品；

• 第二次焊接为：“PT100驱动电路V2.0（测试板）”，其精度基本满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.2℃，但毕竟是校验板，还不是成品板，不能作为设计成品；

• 第三次焊接为：“PT100驱动电路V3.0”，属于成品板，其精度基本满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.2℃，可作为设计成品。

  具体如下：

  ①PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）

  功能：多固定电阻和可调电位器的焊接，使得每个电阻的电阻值可精确调节，其中R3、R4精确到1K，R5、R6可精确的阻值范围为

10

K

10K

10K ~

15

K

15K

15K，R7、R8可精确的阻值范围为

250

K

250K

250K ~

350

K

350K

350K；多排针焊接，可用万用表探查线路中电阻、电压、电流的变化；双色排针，用于标注电路的整体布线。

  焊接布局图：

图9 PT100驱动电路V1.0布局图

 
  焊接效果图：

图10 PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）-未接线

 
  使用杜邦线连接各个电阻，对电阻阻值进行精确调整；再用杜邦线连接整个电路，完成驱动板的硬件制作，如图11。

图11 PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）-接线

 
  ②PT100驱动电路V2.0（测试板）

  功能：在V1.0所测的数据后，选用更加合适阻值电阻的焊接，其中R3、R4精确到

1

K

1K

1K，R5、R6的阻值为

10

K

10K

10K，R7、R8的阻值为

300

K

300K

300K；多排针焊接，跳线帽完成各元件的连接，可用万用表探查线路中电阻、电压、电流的变化。

  焊接布局图：

图12 PT100驱动电路V2.0布局图

 
  焊接效果图：

图13 PT100驱动电路V2.0（测试板）

 
  较上一版本，新增电源控制模块，控制PT100驱动板的开关；并且体积明显减小，方便携带。

图14 PT100驱动电路V2.0（测试板）

 
  ③PT100驱动电路V3.0

  功能：在V2.0的基础下，双面焊接，提高电路阻值精度和电路布线简洁度；新增可调整放大倍数（30倍~35倍）的5K电位器于底部；去除测试数据用的端口（排针、跳线帽）；新增独立电源接口，可单独给该驱动板供电。

  焊接布局图：略。

  焊接效果图：

图15 PT100驱动电路V3.0

 

4、设计PT100驱动电路与STM32F103RC实验板的电气连接思路框图。

图16 PT100驱动板与STM32F103RC实验板的电气连接框图

 

5、了解已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图。

图17 已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图

 

6、了解已有OLED电路与STM32F103RCT6实验板的电路图。

图18 已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图

 

7、实现STM32F103RCT6实验板外设改装。

图19 STM32F103RCT6实验板外设

 
  表：STM32F103RCT6实验板外设平面接口

电源IO	ADC 0~3	其余IO	4*4矩阵键盘
（3.3V）红Pin1~Pin6	OLED	OLED	4*4矩阵键盘
（GND）黑Pin7~Pin12	OLED	OLED	4*4矩阵键盘
（5V）红Pin13~Pin18	串口 1~2	其余IO	4*4矩阵键盘

 

8、实现PT100驱动电路V3.0与STM32F103RCT6实验板的电气连接（实际电路连接）。

图20 PT100驱动电路V3.0与STM32F103RCT6实验板的电气连接图

 

三、软件设计

 
  总代码工程链接下载：PT100测温系统
 

1、设计PT100测温系统，完成各驱动模块总调配。

  为了完成本次的设计目标，需要开始代码的构思，根据任务要求，在本次PT100测温系统的软件设计中，所需要使用的代码模块有：STM32F103RCT6自带的Time内部时钟模块、STM32F103RCT6自带的ADC模数转换模块、主板上的蜂鸣器模块、外设的OLED显示模块。

  系统运行前，要先初始化将要使用的这些模块。

  初始化后，让所有模块达到“备战”状态。

  当PT100驱动电路的输出被实验板上的STM32F103RCT6芯片的ADC1端口（PA1）读取到的时候，芯片自带的ADC模数转换模块会启动，将在ADC1端口（PA1）所读到的电压值用12位的AD值表示出来，并将这表示出来的AD值用液晶屏显示在屏幕上，此时AD值通过计算公式算出该AD时对应的温度，并将温度也一起显示出来，当转化出来的温度达到报警的要求（30℃，50℃，70℃），蜂鸣器鸣叫，即可完成本次设计的要求。

  总程序流程图如图21所示：

图21 各驱动模块总调配流程图

  主程序“main.c”

//***************************************************************************************       
//***                                                           __----~~~~~~~~~~~------___
//***                                          .  .   ~~//====......          __--~ ~~
//***                          -.            \_|//     |||\\  ~~~~~~::::... /~
//***                       ___-==_       _-~o~  \/    |||  \\            _/~~-
//***               __---~~~.==~||\=_    -_--~/_-~|-   |\\   \\        _/~
//***           _-~~     .=~    |  \\-_    '-~7  /-   /  ||    \      /
//***         .~       .~       |   \\ -_    /  /-   /   ||      \   /
//***        /  ____  /         |     \\ ~-_/  /|- _/   .||       \ /
//***        |~~    ~~|--~~~~--_ \     ~==-/   | \~--===~~        .\
//***                 '         ~-|      /|    |-~\~~       __--~~
//***                             |-~~-_/ |    |   ~\_   _-~            /\
//***                                  /  \     \__   \/~                \__
//***                              _--~ _/ | .-~~____--~-/                  ~~==.
//***                             ((->/~   '.|||' -_|    ~~-/ ,              . _||
//***                                        -_     ~\      ~~---l__i__i__i--~~_/
//***                                        _-~-__   ~)  \--______________--~~
//***                                        //.-~~~-~_--~- |-------~~~~~~~~
//***                                             //.-~~~--\
//***
//***   PT100驱动程序V4.0              (2021.05.28)
//***   By XingDala.2905469493.All Rights Reserved.
//***************************************************************************************

#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"
#include "OLED.h"
#include "PT100INT.h"
#include "sound.h"
#include "time.h"

int main(void)
{
	ADC_init();//ADC初始化
	time_init();//时钟初始化
	OLED_Init();//OLED初始化
	PT100_OLED();//PT100驱动程序显示初始化
	sound_init();//蜂鸣器初始化
	
	while(1)
	{
		PT100INT();//PT100驱动程序
	}
}

2、TIME系统内部时钟模块

  为流畅运行本次设计，因而选用STM32F103RCT6自带的系统时钟TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、TIM6、TIM7。以往会使用高精度的中断函数加以控制，以达到STM32F103RCT6最极限的延时精度，但这里不要求精度，所以不需要使用内部中断来写延时。

  其中，TIM2、TIM3、TIM4用来控制蜂鸣器报警系统，TIM5用来控制足以驱动并流畅运行系统各模块的延时（三种时间单位：us、ms、s），TIM6和TIM7用来控制AD采集的速度和滤波频次及速率。

图22 STM32F103RCT6系统内部时钟树

（1）初始化时钟TIM6、TIM7：

  在所调用的6个系统时钟中，用来处理AD采集的两个系统时钟TIM6、TIM7是固定的速率，所以要对固定速率的系统时钟进行初始化。

（2）时钟程序：

  时钟程序“time.c”

void time_init(void)//初始化
{
	time6();
	time7();
}

void time2(unsigned int n)//蜂鸣器响的持续时长
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time2;
	time2.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time2.TIM_Period = n*10 - 1;
	time2.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, & time2);
	TIM_SetCounter(TIM2,0);
	TIM_ClearFlag(TIM2,TIM_FLAG_Update);
}

void time3(unsigned int n)//蜂鸣器关的持续时长
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time3;
	time3.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time3.TIM_Period = n*10 - 1;
	time3.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, & time3);
	TIM_SetCounter(TIM3,0);
	TIM_ClearFlag(TIM3,TIM_FLAG_Update);
}

void time4(unsigned int n)//蜂鸣器音调
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time4;
	time4.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time4.TIM_Period = n - 1;
	time4.TIM_Prescaler = 72 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, & time4);
	TIM_SetCounter(TIM4,0);
	TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
}

void T(unsigned int n,unsigned int x)//延时函数（us、ms、s）eg:T(152,1)表示延时125微秒，T(254,2)表示延时254毫秒
{
	unsigned int j = 0,k = 0;
	if(x == 1){j=72;k = 1;}//us
	if(x == 2){j=7200;k = 10;}//ms
	if(x == 3){j=7200;k = 10000;}//s
	
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time5;
	time5.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time5.TIM_Period = n*k - 1;
	time5.TIM_Prescaler = j - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM5, & time5);
	TIM_SetCounter(TIM5,0);
	TIM_ClearFlag(TIM5,TIM_FLAG_Update);
	TIM_Cmd(TIM5, ENABLE);
	
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM5,TIM_FLAG_Update)==RESET);
	TIM_Cmd(TIM5, DISABLE);
}

void time6(void)//1S
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time6;
	time6.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time6.TIM_Period = 10000 - 1;
	time6.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM6, & time6);
	TIM_SetCounter(TIM6,0);
	TIM_ClearFlag(TIM6,TIM_FLAG_Update);
}

void time7(void)//1ms
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM7, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time7;
	time7.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time7.TIM_Period = 10 - 1;
	time7.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM7, & time7);
	TIM_SetCounter(TIM7,0);
	TIM_ClearFlag(TIM7,TIM_FLAG_Update);
}

  时钟程序“time.h”

#ifndef _TIME_H__
#define _TIME_H__

void time_init(void);
void time2(unsigned int n);
void time3(unsigned int n);
void time4(unsigned int n);
void T(unsigned int n,unsigned int x);
void time6(void);
void time7(void);

#endif

3、AD采集模块

（1）初始化：

  配置STM32F103RCT6的ADC1接口的读取模式，打开ADC1的时钟，设置为模拟输入模式，配置单通道扫描模式，配置连续转化模式，定义规则通道的外部触发方式为内部触发，设置数据对齐方式为右对齐，设置ADC模拟通道个数为1，设置被采集的通道为ADC1，使能ADC1，使能ADC1的复位校准，开始ADC1的复位，ADC1的复位和校准结束后，ADC1初始化结束，把LM358的输出接到ADC1上即可准备AD值的读取。

图23 ADC1初始化流程图

（2）AD采集程序：

  由于5V电压不稳定，导致输出的AD值也会微微波动，此刻就需要用到程序滤波。

  使用时钟，每隔1ms采集一次AD值，并将所采集的AD值加起来，用IN存起来；使用时钟，每隔1s输出一次IN值，并将所输出的IN值除以1000，因为在这1s内采集了1000个AD值，除以1000后，就可以得到1S内平均AD值，也就是滤波。

  接着，再利用sprintf把要转换的AD数值格式化为字符串，并用OLED显示屏显示出来，由于IN值1s输出一次，使用滤波后的平均AD值1秒刷新一次。

图24 STM32F103RCT6AD采集程序流程图

 
  AD采集程序“adc.c”

#include "stm32f10x.h"

void ADC_init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
	
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
	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_RegularChannelConfig(ADC1 ,ADC_Channel_1 ,1 ,ADC_SampleTime_1Cycles5);
	ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);
	
	ADC_ResetCalibration(ADC1);
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
	
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

  AD采集程序“adc.h”

#ifndef _ADC_H__
#define _ADC_H__

void ADC_init(void);

#endif

4、蜂鸣器响应模块

（1）初始化：

  打开蜂鸣器引脚所在的时钟，设置其为推挽输出模式。

图25 蜂鸣器响应模块初始化流程图

（2）蜂鸣器响应：

  TIM2控制蜂鸣器通电的时长，TIM3控制蜂鸣器断电的时长，TIM4控制蜂鸣器发声的音调（频率），以此来调出万能的警报声音。当温度达到报警温度，触发蜂鸣器响应程序，程序流程图如图22所示：

图26 蜂鸣器响应模块报警主程序流程图

 
  蜂鸣器鸣响程序“sound.c”

#include "stm32f10x.h"
#include "sound.h"
#include "time.h"

void sound_init(void)//初始化蜂鸣器
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef FMQ;
	FMQ.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
	FMQ.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	FMQ.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_Init(GPIOB, &FMQ);
	
	GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
}

void FMQ_T(void)//蜂鸣器响
{
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM2,TIM_FLAG_Update) == RESET)
	{
		TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
		while(TIM_GetFlagStatus(TIM4,TIM_FLAG_Update) == RESET)
		{
			GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
		}
		TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
		while(TIM_GetFlagStatus(TIM4,TIM_FLAG_Update) == RESET)
		{
			GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
		}
		TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
		TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);
	}
	TIM_ClearFlag(TIM2,TIM_FLAG_Update);
	TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
}

void FMQ_F(void)//蜂鸣器关
{
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM3,TIM_FLAG_Update) == RESET)
	{
		GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
	}
	TIM_ClearFlag(TIM3,TIM_FLAG_Update);
	TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);
}

void sound1(void)//蜂鸣器鸣叫，节奏调节
{
	time2(100);//响的持续时长
	time4(100);//音调
	FMQ_T();//蜂鸣器开始响一段时间
	time3(100);//关的持续时长
	FMQ_F();//蜂鸣器关闭一段时间
	time2(100);//响的持续时长
	time4(100);//音调
	FMQ_T();//蜂鸣器开始响一段时间
	GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);//蜂鸣器关
}

  蜂鸣器鸣响程序“sound.h”

#ifndef _SOUND_H__
#define _SOUND_H__

void sound_init(void);
void FMQ_T(void);
void FMQ_F(void);
void sound1(void);

#endif

5、OLED显示模块

（1）初始化：

  打开OLED接口的时钟，推挽输出OLED两条信号线（SCL、SDA），并且一块拉高，延时200ms；关闭显示，设置时钟分频因子和震荡频率（[3:0]分频因子、[7:4]震荡频率），设置驱动路数为默认0X3F(1/64)，设置显示偏移默认为0，设置显示开始行 [5:0]，电荷泵设置为bit2，设置内存地址模式页地址模式，段重定义设置为bit0:0,0->0;1,0->127，设置COM扫描方向为普通模式，设置COM硬件引脚配置为[5:4]配置，对比度设置为默认0X7F最亮，设置预充电周期为[3:0]、PHASE 1、[7:4]、PHASE 2，设置VCOMH 电压倍率为[6:4] 0.83*3.3，开启全局显示，设置显示方式为正常，开启显示，清屏，OLED初始化完成。

图27 OLED初始化流程图

（2）显示：

ZFC(0,0,"abc254!");//在坐标（0,0）显示字符串abc254!
ZF(0,0,'0');//在坐标（0,0）显示字符0
WZ(0,0,2,3);//在坐标（0,0）显示第3页的第2个汉字
TP(0,0,128,64,2);///在坐标（0,0）显示第二张图片，显示的图片范围为x:0~128，y:0~64

4、PT100系统总驱动模块

  PT100的阻值是随着温度的变化而变化，在对各标准温度下温度AD采集的结果可以得出，AD值随着温度的升高而升高，其线性关系近乎是一条直线，但这条直线有略微的弯曲，所以需要进行大量的AD采集进行数据拟合。

  本次设计计划使用100个AD采集数据，也就是100个温度区间，但一百个区间很多，不可能用计算器一个一个计算，所以这一百个区间（温度-AD）将被分别放入两个数组（一个数组放温度值，一个数组放AD值，两两对应），再在程序中用AD比对，找出此刻LM358传来的AD在哪个区间，再用固定的公式算出每个AD的温度是多少

该

区

间

温

度

变

化

/

该

区

间

A

D

变

化

=

每

个

A

D

是

多

少

温

度

该区间温度变化/该区间AD变化=每个AD是多少温度

该区间温度变化/该区间AD变化=每个AD是多少温度  再乘以此刻测出的实时AD值，算出准确的温度。

  又由于供电不稳定，每次供电接口的微微位移，都会使得V供电偏大或者偏小，间接导致同温度下，LM358输出的AD与AD采集时的电压不一致，所以在AD值进入计算前，先借助标准仪表对比同温度下与AD采集时的AD偏移了多少AD，对程序中的AD进行误差加减，把微微偏移的AD曲线平移到AD采集时的曲线。
  PT100测温系统程序“PT100INT.c”

#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"
#include "SSA.h"
#include "time.h"
#include "OLED.h"

unsigned int wucha = 0;//误差偏移修正

void PT100INT(void)
{
	unsigned int Dout = 0;//清除AD数据缓存
	unsigned int IN = 0;//采集AD前清零
	
	TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);//1s计时准备
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM6,TIM_FLAG_Update) == RESET)//开始1s计时，1s内采集1000次AD并软件滤波
	{
		TIM_Cmd(TIM7, ENABLE);//1ms计时准备
		while(TIM_GetFlagStatus(TIM7,TIM_FLAG_Update) == RESET)//开始10ms计时，采集100次
		{
			ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//AD采集准备
			while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);//AD采集
			Dout = ADC_GetConversionValue(ADC1);//AD数据缓存
		}
		TIM_ClearFlag(TIM7,TIM_FLAG_Update);//10ms结束，定时器清零，为下一次计时10ms做准备
		TIM_Cmd(TIM7, DISABLE);//关闭10ms定时器
		IN = IN + Dout;//AD累加，为滤波做准备
	}
	TIM_ClearFlag(TIM6,TIM_FLAG_Update);//1s结束，定时器清零，为下一次计时1s做准备
	TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);//关闭1s定时器
	
	IN = (IN / 1000)+wucha;//滤波
	
	PT100show_AD(IN);//AD值显示
	
	//AD采集值，请从低温到高温排
	unsigned int TEMP[]= //温度值
	{
		26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,
		36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,
		46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,
		56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,
		66,67,68,69,70,71,72,73,74,75
	};
	
	unsigned int AD[]= //AD值
	{
		 937, 977,1017,1057,1098,1144,1101,1240,1289,1332,
		1378,1423,1474,1525,1560,1610,1661,1706,1753,1786,
		1847,1902,1949,1984,2048,2100,2188,2231,2275,2322,
		2372,2420,2465,2511,2554,2602,2652,2701,2747,2802,
		2841,2886,2937,2994,3037,3065,3139,3164,3194,3347
	};

	unsigned int Temp = 0;//温度值清零
	
	if(IN < 937)//温度超过测量范围，使用最后测量范围的K值进行计算
	{
		Temp = IN*10*TEMP[1]/AD[1];//动态拟合比对，动态显示温度
	}
	
	else if(IN >= 937 && IN <= 3347)//温度在测量范围内，开始测温
	{
		unsigned int a=0;
		while(Temp == 0)//算出温度后跳出
		{
			if(IN > AD[a])//按区间比对
			{
				Temp = IN*10*TEMP[a]/AD[a];//动态拟合比对，动态显示温度
			}
			a++;//AD采集区间切换
		}
	}
	
	else if(IN > 3347)//温度超过测量范围，使用最后测量范围的K值进行计算
	{
		Temp = IN*10*TEMP[49]/AD[49];//动态拟合比对，动态显示温度
	}
	
	PT100show_Temp(Temp);温度显示
}

  PT100测温系统程序“PT100INT.h”

#ifndef _PT100INT_H__
#define _PT100INT_H__

void PT100INT(void);

#endif

  最终结果，所测试的温度与标准仪表相差

0.1

℃

0.1℃

0.1℃ ~

0.2

℃

0.2℃

0.2℃。

  图28为PT100测温系统的测温显示效果：

图28 PT100测温系统显示面板

 
  当前面板所显示的AD值每1s刷新一次；

  所显示的温度值每1s刷新一次；

  警报未响起时蜂鸣器状态显示“静音”，警报响起时蜂鸣器报警鸣叫，且状态显示“鸣响”，当报警声响三遍后，报警声停止，蜂鸣器报警系统进入睡眠状态，当温度继续上升超过报警温度1℃时，蜂鸣器报警系统又会进入预备触发状态，等待报警温度的再次达到报警温度值；

  最底下的图案为系统运行指示灯，当系统正在（流畅）运行时，该图标是动态显示的动画状态，最右边的方形图标闪烁。
 

四、调试

1、电路调试

  在设计电桥中，一开始是把

5

V

5V

5V接在PT100与精密电阻间，把GND接在两个

1

K

1K

1K中间，模拟软件测试没有问题，但实际电路中会出现问题，LM358的2号引脚和3号引脚不能承受过大的电压，最终导致LM358的输出为爆输出状态（标准温度下超过

3.3

V

3.3V

3.3V），但在LM358的芯片手册上提到这两个引脚所能接受的电压远远不止这么少，百思不得其解。

  所以在设计中将GND接在PT100与精密电阻间，把

5

V

5V

5V接在两个

1

K

1K

1K中间，让

1

K

1K

1K去分掉电压，模拟软件测试也是没有问题，最终LM358的2号引脚和3号引脚所承受的电压降到了

0.5

V

0.5V

0.5V以下，输出也和模拟差不多，电路调试成功。
 

2、放大倍数调试

  根据实测，实物与理论出现预料范围内的偏差（电桥输出比理论偏大，放大倍数比理论偏小），通过串联电位器（由于元件不足，没有过大的电位器），勉强把放大倍数调整到了32倍。
 

3、AD采集：

  此时刚好测出一百个温度区间内的AD值（当温度降的慢AD变化率小的时候，选最大温度区间为

1

℃

1℃

1℃，；但当温度降得快，AD变化很大的时候，选用最小温度区间为

0.5

℃

0.5℃

0.5℃，多次高温采样），其折线图25所示。

图29 AD采集

 
  一百个区间已出，每个区间的斜率

K

=

温

度

变

化

/

A

D

变

化

=

每

个

A

D

是

多

少

温

度

K= 温度变化/AD变化=每个AD是多少温度

K=温度变化/AD变化=每个AD是多少温度  很容易可以求出来，只要把AD乘上对应区间的该斜率，则可求出对应的温度。

版权声明：本文为CSDN博主「星达拉」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/xingdala/article/details/117934599

 
  本项目设计内容涉及：传感器、嵌入式系统应用、模拟电子技术。

  课程：《智能传感技术》

  指导老师：覃园芳老师

一、任务要求

  设计PT100温度传感器的信号采集电路，使用嵌入式系统实验板采集外部的温度并显示。

要求：

1. 范围：$20$
2. 精度：与标准仪器比较小于$0.3℃$
3. $30$

注：本次设计采用的主板芯片为STM32F103RCT6
 

二、硬件设计

1、分析所要使用的PT100温度传感器。

  结合有关PT100的资料，可得几个重要知识：

• PT100的阻值会随温度的变化而成正比变化（温度越高阻值越大），但阻值变化很小，约等于$0.385\Omega /度$
• PT100的测温范围是$﹣200℃$
• PT100的工作电流要小于$5mA$
• PT100的阻值虽然随温度的变化而成正比变化，但在不同温度区间内其变化的速率（也就是$K值$

2、设计PT100驱动电路。

  结合所学经验，开始有想法：

  如果把PT100当电阻串联在电路中，并用主板上STM32F103RCT6芯片的PA1引脚的ADC功能去读取电压值并进行温度转换，可得出温度，如图1所示：

图1 PT100串联电路测AD法

 
  但结合资料，这种想法秒速推翻。

  常温（

25

℃

25℃

25℃）水中的PT100的阻值大概在

109.89

Ω

109.89Ω

109.89Ω左右。

  假设主板给PT100的供电是标准的

3.3

V

3.3V

3.3V直流电，并且通过PT100的电流也是其最大

5

m

A

5mA

5mA直流电流，那么在此刻，PT100所要分掉的电压约为

109.89

∗

0.005

=

0.54945

V

109.89*0.005=0.54945V

109.89∗0.005=0.54945V
  将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为

0.54945

/

3.3

∗

4096

=

681.98

≈

682

0.54945/3.3*4096=681.98≈682

0.54945/3.3∗4096=681.98≈682
  当温度上升一度，假设PT100的阻值刚好上升了

0.385

Ω

0.385Ω

0.385Ω，那么其分掉的电压的变动值约等于

0.385

∗

0.005

=

0.001925

V

0.385*0.005=0.001925V

0.385∗0.005=0.001925V
  将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为

0.001925

/

3.3

∗

4096

=

2.39

≈

2

0.001925/3.3*4096=2.39≈2

0.001925/3.3∗4096=2.39≈2
  

0.5

℃

/

A

D

0.5℃/AD

0.5℃/AD ?好像还不错，但任务要求所设计的PT100电路测温得出的结果，精度要小于

0.3

℃

0.3℃

0.3℃。

  

0.3

℃

0.3℃

0.3℃是什么概念?换算为PT100的阻值变化，也就约为

0.1155

Ω

0.1155Ω

0.1155Ω，那么其精度下，PT100变化

0.1155

Ω

0.1155Ω

0.1155Ω阻值，要变化的电压约为，将其根据AD转换的换算公式换算成AD值大概为，连

1

1

1个AD值都不到，无法达到这个精度。

  所以，这种方法被推翻。
 

直流电桥（微小电阻变化转微小电压变化）

  找到了关键问题所在，就是PT100的随温度的变化而成正比变化太小了，只要把这种变化变大，大到很明显，就解决了问题。

  电阻的阻值是没法调大的，只能通过电阻变化导致的电压变化调大，就可以解决变化小的问题。

  结合所学知识，只要将微小的电阻变化转化为微小的电压变化，再将微小的电压变化转化为大的电压变化，也就是用直流电桥配上一个放大电路，就很完美地解决这个问题。

  如图2为一个直流电桥，R1、R2、R3、R4为该直流电桥的桥臂，且R1、R2、R3、R4皆为固定电阻，U1为该直流电桥的供电电源，U2为该直流电桥的输出电压。

图2 直流电桥

 
  结合所学的直流电桥知识，可得公式：

U

2

=

U

1

∗

(

R

1

R

1

+

R

4

−

R

2

R

2

+

R

3

)

U2=U1*(\frac{R1}{R1+R4} -\frac{R2}{R2+R3})

U2=U1∗(R1+R4R1​−R2+R3R2​)

  当

R

1

∗

R

3

=

R

2

∗

R

4

R1*R3=R2*R4

R1∗R3=R2∗R4，该直流电桥会达到平衡，带入公式可得输出U2的值为

U

2

=

U

1

∗

0

=

0

V

U2=U1*0=0V

U2=U1∗0=0V  也就是该直流电桥在平衡状态下，输出电压为

0

V

0V

0V；

  当

R

1

∗

R

3

≠

R

2

∗

R

4

R1*R3≠R2*R4

R1∗R3​=R2∗R4时，该直流电桥的平衡会被打破，带入公式可得输出U2的值。

  利用直流电桥不平衡状态下会输出电压的特性，应用不平衡电桥之一——单臂电桥，来把微小的电阻变化转化为微小的电压变化。

  如图3为一个直流电桥，R1、R2、R3、R4为该直流电桥的桥臂，且R1为可变电阻，R2、R3、R4为固定电阻，且

R

3

=

R

4

R3=R4

R3=R4，U1为该直流电桥的供电电源，U2为该直流电桥的输出电压。

图3 直流单臂电桥

 
  该单臂电桥应用于本次设计，R1为PT100，R2为与PT100接近的阻值，这样可以使得在一定（温度）情况下（PT100的阻值等于R2的阻值）电桥可以达到平衡，使得单臂电桥的输出趋近于

0

0

0。

  又因为通过PT100的电流不能大于

5

m

A

5mA

5mA，不然可能会烧坏PT100，所以R3与R4的阻值虽然要取相等，但又要把电桥电流稳定到

5

m

A

5mA

5mA以下，所以R2和R3要给PT100分流。

  本次设计，实验板可接出供电为

3.3

V

3.3V

3.3V和

5

V

5V

5V两种，为了提高精度，也就是提高单臂电桥的输出电压的范围，故选择5V供电。

  在先前的计算中，常温（

25

℃

25℃

25℃）水中的PT100的阻值大概在

109.89

Ω

109.89Ω

109.89Ω左右。假设主板给PT100的供电是标准的

5

V

5V

5V直流电，并且通过PT100的电流也是其最大

5

m

A

5mA

5mA直流电流，那么在此刻，PT100所占电压最大为

109.89

∗

0.005

=

0.54945

V

109.89*0.005=0.54945V

109.89∗0.005=0.54945V  也就是说R3和R4至少要分掉的电压为

5

－

0.54945

=

4.45055

V

5－0.54945=4.45055V

5－0.54945=4.45055V

  设

R

1

=

R

2

=

109.89

Ω

R1=R2=109.89Ω

R1=R2=109.89Ω，在此刻，

5

V

5V

5V通电的电桥为一个并联电路，可变形为图4所示的电路：

图4 PT100单臂电桥变形图

 
  又R3和R4至少要分掉

4.45055

V

4.45055V

4.45055V的电压，所以R3和R4的阻值至少为

4.45055

/

0.005

=

0.5

V

4.45055/0.005=0.5V

4.45055/0.005=0.5V

  又由于本次设计PT100用来测量

20

℃

20℃

20℃ ~

80

℃

80℃

80℃的水温，水常压下的极端液态也就是

0

℃

0℃

0℃。

  重新计算PT100将分掉的电压，PT100的阻值放入

0

℃

0℃

0℃的水中，其阻值为

100

Ω

100Ω

100Ω左右。假设主板给PT100的供电是标准的

5

V

5V

5V直流电，并且通过PT100的电流也是其最大

5

m

A

5mA

5mA直流电流，那么在此刻，PT100所占电压最大为，在此刻，R3和R4又至少要分掉的电压为

5

－

0.5

=

405

V

5－0.5=405V

5－0.5=405V  所以R3和R4的阻值至少为

4.5

/

0.005

=

900

Ω

4.5/0.005=900Ω

4.5/0.005=900Ω

  所以R3和R4的电阻取值，在理想状态下至少是

900

Ω

900Ω

900Ω，但现实中没有刚刚好的阻值可以挑，那就可以选择比该值大的电阻，例如

1

K

Ω

1KΩ

1KΩ，或者是比

1

K

Ω

1KΩ

1KΩ再大的，但是如果选用的电阻太大，则分压过多，依旧导致电桥的输出范围越来越少，最后使得微弱的电压变化变得更加微弱，甚至是不变化了，而且电阻的型号选用金属膜电阻，因为其体积小、噪声低、稳定性好，选它很不错，误差1%可接受。

  又因为R2要与PT100趋近，所以对水的温度测量中，温度变化最大为

0

℃

0℃

0℃ ~

100

℃

100℃

100℃，所以PT100的电阻变化约为

100

Ω

100Ω

100Ω ~

139

Ω

139Ω

139Ω，因而要使得电路达到最佳的变化R2为

150

Ω

150Ω

150Ω的可变电阻最佳，又可调精度要非常高，所以要选用精密电阻。

  但现实中没有刚刚好阻值的精密电阻可以挑，那就可以选择比该值大一点点的精密电阻，所以3296w不错，多圈式精密可调，例如3296w电位器201（

200

Ω

200Ω

200Ω）。

  所以本次设计选用的R3和R4为

1

K

Ω

1KΩ

1KΩ，单臂电桥部分的设计完成，如图5所示。

图5 PT100单臂电桥部分

 

差分放大电路（放大微小的电压变化）

  接下来就是放大电路部分，通过放大电路来实现把电压的微小变化扩大，使用模电所学过的差分放大电路（减法电路），可以把电桥的输出进行减法运算，并增益放大输出。

  当电桥平衡，电桥输出电压电势相等，差分放大电路的减法运算的结果为

0

V

0V

0V；

  当电桥的平衡被破坏，电桥输出电压电势拉开，此时差分放大电路的减法运算即可有一定的差值，放大器对其进行放大到合适的差值变动并输出，即当电桥输出最大时，经过差分放大电路，放大到我们所需的最大差值电压

0

V

0V

0V ~

3.3

V

3.3V

3.3V。如图6为一个差分放大电路：

图6 差分放大电路

 
  △假设U1 = U2：

  ①因输入端U1、U2的电流趋近相等，为“虚断”特性，同相输入端为高阻态，其输入电压值仅仅取决于R2、R4分压值。同相输入端的电压可以看作成为输入端比较基准电压；

  ②因输入端U1、U2的电压趋近相等，为“虚短”特性，进而又推知其为反相输入端，即R1、R3串联分压电路，这是反馈电压。放大器的控制目的是使反馈电压等于基准电压；

  ③由R1=R2，R3=R4条件可知，放大器输出端OUT只有处于“虚地”状态，即输出端OUT为0V，才能满足反馈电压等于基准电压，这可以由此导出差分放大器的一个工作特征。

  △假设U1 ≠ U2，例如U1 > U2：

  ①此时因同相输入端电压高于反相输入端，输出端电压往正方向变化，其R1、R3偏置电路中的电流方向为R3→R1；

  ②由R1、R3的阻值比例可知，R1两端电压降为

（

同

向

输

入

端

电

压

)

－

U

1

（同向输入端电压)－U1

（同向输入端电压)－U1  则R3两端电压降为

[

(

同

向

输

入

端

电

压

)

－

U

1

]

∗

(

R

3

/

R

1

)

[(同向输入端电压)－U1]*(R3/R1)

[(同向输入端电压)－U1]∗(R3/R1)  输出端电压为

(

同

向

输

入

端

电

压

)

＋

[

(

同

向

输

入

端

电

压

－

U

1

)

∗

(

R

3

/

R

1

)

(同向输入端电压)＋[(同向输入端电压－U1)*(R3/R1)

(同向输入端电压)＋[(同向输入端电压－U1)∗(R3/R1)

  ③若此时的输入电压差为

U

1

－

U

2

U1－U2

U1－U2，输出电压为

X

∗

(

U

1

－

U

2

)

X*(U1－U2)

X∗(U1－U2)。则该差分放大器的差分电压放大倍数为

R

4

/

R

3

=

X

R4/R3=X

R4/R3=X  可得该差分放大电路的放大倍数是

X

X

X倍。

  △假设U1 ≠ U2，例如U1 < U2：

  ①此时因同相输入端电压低于反相输入端，输出端电压往反方向变化，其R1、R3偏置电路中的电流方向为R3←R1；

  ②由R1、R3的阻值比例可知，R1两端电压变为

－

U

1

－

(

同

向

输

入

端

电

压

)

－U1－(同向输入端电压)

－U1－(同向输入端电压)  则R3两端电压变为

－

[

U

1

－

(

同

向

输

入

端

电

压

)

]

∗

(

R

3

/

R

1

)

－[U1－(同向输入端电压)]*(R3/R1)

－[U1－(同向输入端电压)]∗(R3/R1)  输出端电压为

－

(

同

向

输

入

端

电

压

)

－

(

同

向

输

入

端

电

压

－

U

1

)

∗

(

R

3

/

R

1

)

－(同向输入端电压)－(同向输入端电压－U1)*(R3/R1)

－(同向输入端电压)－(同向输入端电压－U1)∗(R3/R1)  结果是一个负电压。

  所以故障维修的经验就冒出来了：

  如果直接测量R1、R3串联电路的分压状态，只要R1、R3串联分压是成立的，则该差分电路就大致上就是好的，电路的电压放大倍数也由此得出；

  只要测量输入电压差（R1、R2左端电压差），再测量输出端电压进行比较，则外围偏置电路的好坏，也会得出明确的结论。

  所以公式就推出来了：

  其输出公式为：

O

U

T

=

(

R

2

＋

R

4

)

∗

R

3

∗

U

1

(

R

1

＋

R

4

)

∗

R

2

−

R

4

∗

R

2

R

2

OUT=\frac{(R2＋R4)*R3*U1}{(R1＋R4)*R2} -\frac{R4*R2}{R2}

OUT=(R1＋R4)∗R2(R2＋R4)∗R3∗U1​−R2R4∗R2​

  在实际应用中，一般使

R

1

=

R

2

R1=R2

R1=R2、

R

3

=

R

4

R3=R4

R3=R4化简电路，则

  其输出公式为：

O

U

T

=

(

U

1

－

U

2

)

∗

R

4

R

1

OUT=\frac{(U1－U2)*R4}{R1}

OUT=R1(U1－U2)∗R4​

  当所前边所设计的电桥与差分放大电路结合起来，

U

1

－

U

2

U1－U2

U1－U2就为电桥输出的电势差，OUT输入到STM32F103RCT6实验板ADC1口，其最大可读取电压为

3.3

V

3.3V

3.3V，则电势差放大的倍数也就是

R

4

/

R

1

R4/R1

R4/R1即可进行计算了。

  假设所设计的单臂电桥达到理想状态，最小电桥输出

U

2

=

0

V

U2=0V

U2=0V，最大电桥输出为

U

2

=

M

a

x

B

r

i

d

g

e

U2=Max Bridge

U2=MaxBridge

O

u

t

Out

Out。水温最高为

100

℃

100℃

100℃，最大电桥输出为PT100置于

100

℃

100℃

100℃时电桥的输出。

  实测100℃时PT100的阻值约为

138.8

Ω

138.8Ω

138.8Ω，电桥所接输入电压为

5

V

5V

5V，

R

3

=

R

4

=

1

K

R3=R4=1K

R3=R4=1K，若要使得测温范围是从

0

℃

0℃

0℃ ~

100

℃

100℃

100℃，则精密电阻R2的阻值应该调为

0

℃

0℃

0℃时PT100的阻值，也就是

100

Ω

100Ω

100Ω，带入公式可得电桥的输出

U

2

=

U

1

∗

(

R

1

R

1

＋

R

4

－

R

2

R

2

＋

R

3

)

=

5

∗

(

138.8

138.8

＋

1000

－

100

100

＋

1000

)

=

0.154867963087

V

≈

0.155

V

U2=U1*(\frac{R1}{R1＋R4}－\frac{R2}{R2＋R3}) =5*(\frac{138.8}{138.8＋1000}－\frac{100}{100＋1000})=0.154867963087V≈0.155V

U2=U1∗(R1＋R4R1​－R2＋R3R2​)=5∗(138.8＋1000138.8​－100＋1000100​)=0.154867963087V≈0.155V

  将其放大到ADC1最大可检测电压

3.3

V

3.3V

3.3V，所需的放大倍数为

3.3

/

0.155

≈

21.29

≈

21

3.3/0.155≈21.29≈21

3.3/0.155≈21.29≈21倍。

  但是在现实中，

100

℃

100℃

100℃的开水降温速度很快，所以理想的倍数有点浪费，所以我们只测到

80

℃

80℃

80℃，常温下的冰水升温速度也很快，所以我们最小也只测到

20

℃

20℃

20℃，这就是设计条件的由来吧。

  实测

80

℃

80℃

80℃时PT100的阻值约为

131.1

Ω

131.1Ω

131.1Ω，电桥所接输入电压为

5

V

5V

5V，

R

3

=

R

4

=

1

K

R3=R4=1K

R3=R4=1K若要使得测温范围是从

20

℃

20℃

20℃ ~

80

℃

80℃

80℃，则精密电阻R2的阻值应该调为

20

℃

20℃

20℃时PT100的阻值，实测约为

108

Ω

108Ω

108Ω，带入公式可得电桥的输出

U

2

=

U

1

∗

(

R

1

R

1

＋

R

4

－

R

2

R

2

＋

R

3

)

=

5

∗

(

131.1

131.1

＋

1000

－

108

108

＋

1000

)

=

0.0.2159735882

V

≈

0.092

V

U2=U1*(\frac{R1}{R1＋R4}－\frac{R2}{R2＋R3})=5*(\frac{131.1}{131.1＋1000}－\frac{108}{108＋1000})=0.0.2159735882V≈0.092V

U2=U1∗(R1＋R4R1​－R2＋R3R2​)=5∗(131.1＋1000131.1​－108＋1000108​)=0.0.2159735882V≈0.092V

  将其放大到ADC1最大可检测电压

3.3

V

3.3V

3.3V，所需的放大倍数为

3.3

/

0.092

≈

35.87

≈

35

3.3/0.092≈35.87≈35

3.3/0.092≈35.87≈35倍。

  接下来就要计算电阻取值了，因为

35

∗

R

1

=

35

∗

R

2

=

R

3

=

R

4

35*R1=35*R2=R3=R4

35∗R1=35∗R2=R3=R4，所以可以设R1、R2的阻值为

1

∗

X

Ω

1*XΩ

1∗XΩ，R3、R4的阻值为

35

∗

X

Ω

35*XΩ

35∗XΩ，只要算出

X

X

X即可算出全部的电阻，

X

X

X为该差分放大电路的输入电阻值，如图7：

图7 35倍差分放大电路

 
  现在生产的运放，一般其输入阻抗都很高，所以运放输入端电阻选择余地比较大，但又为了减少偏置电流带来的影响，降低噪声和温漂的影响，输入电阻的取值一般选择在

10

k

Ω

10kΩ

10kΩ ~

100

K

Ω

100KΩ

100KΩ的区间。

  本次设计所使用的运算放大器为LM358，其内部集成结构如图7所示：

图7 LM358集成结构

 
  LM358增益高（高达

100

d

B

100dB

100dB），自带内部频率补偿，低功耗，差模输入电压范围宽（单电源

3

V

3V

3V ~

30

V

30V

30V），输出电压摆幅大（

0

V

0V

0V ~

V

C

C

VCC

VCC）。
  使用R1和R2选用

10

K

Ω

10KΩ

10KΩ，保证输入稳定的同时也尽可能地保证精度，所以R3和R4选用

350

K

Ω

350KΩ

350KΩ。在现实中，有

10

K

Ω

10KΩ

10KΩ的金属膜电阻和

300

K

300K

300K的金属膜电阻考虑到实际放大倍数可能不够，因为不是理想电路，所以用电位器503（

50

K

Ω

50KΩ

50KΩ）串联

300

K

300K

300K来达到想要的放大倍数。

图8 PT100驱动电路

 
  电路构思完成，将单臂电桥和差分放大电路合二为一，加上

0.1

u

F

0.1uF

0.1uF的电容给输入

5

V

5V

5V电压滤波，搭建成完整的PT100驱动电路，如图8所示。届时调节电路，根据测温范围调节R2至合适，根据电压放大效果调节R9、R10至合适即可。
 

3、电路焊接

  关于电路的焊接，我焊接了三次。

• 第一次焊接的板子为：“PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）”，其精度特别满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.1℃，但其毕竟是实验板，不是成品板，不能作为设计成品；

• 第二次焊接为：“PT100驱动电路V2.0（测试板）”，其精度基本满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.2℃，但毕竟是校验板，还不是成品板，不能作为设计成品；

• 第三次焊接为：“PT100驱动电路V3.0”，属于成品板，其精度基本满足设计要求，与标准温度的差值不超过0.2℃，可作为设计成品。

  具体如下：

  ①PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）

  功能：多固定电阻和可调电位器的焊接，使得每个电阻的电阻值可精确调节，其中R3、R4精确到1K，R5、R6可精确的阻值范围为

10

K

10K

10K ~

15

K

15K

15K，R7、R8可精确的阻值范围为

250

K

250K

250K ~

350

K

350K

350K；多排针焊接，可用万用表探查线路中电阻、电压、电流的变化；双色排针，用于标注电路的整体布线。

  焊接布局图：

图9 PT100驱动电路V1.0布局图

 
  焊接效果图：

图10 PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）-未接线

 
  使用杜邦线连接各个电阻，对电阻阻值进行精确调整；再用杜邦线连接整个电路，完成驱动板的硬件制作，如图11。

图11 PT100驱动电路V1.0（万用阻值可调实验板）-接线

 
  ②PT100驱动电路V2.0（测试板）

  功能：在V1.0所测的数据后，选用更加合适阻值电阻的焊接，其中R3、R4精确到

1

K

1K

1K，R5、R6的阻值为

10

K

10K

10K，R7、R8的阻值为

300

K

300K

300K；多排针焊接，跳线帽完成各元件的连接，可用万用表探查线路中电阻、电压、电流的变化。

  焊接布局图：

图12 PT100驱动电路V2.0布局图

 
  焊接效果图：

图13 PT100驱动电路V2.0（测试板）

 
  较上一版本，新增电源控制模块，控制PT100驱动板的开关；并且体积明显减小，方便携带。

图14 PT100驱动电路V2.0（测试板）

 
  ③PT100驱动电路V3.0

  功能：在V2.0的基础下，双面焊接，提高电路阻值精度和电路布线简洁度；新增可调整放大倍数（30倍~35倍）的5K电位器于底部；去除测试数据用的端口（排针、跳线帽）；新增独立电源接口，可单独给该驱动板供电。

  焊接布局图：略。

  焊接效果图：

图15 PT100驱动电路V3.0

 

4、设计PT100驱动电路与STM32F103RC实验板的电气连接思路框图。

图16 PT100驱动板与STM32F103RC实验板的电气连接框图

 

5、了解已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图。

图17 已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图

 

6、了解已有OLED电路与STM32F103RCT6实验板的电路图。

图18 已有蜂鸣器电路与STM32F103RCT6实验板的电路图

 

7、实现STM32F103RCT6实验板外设改装。

图19 STM32F103RCT6实验板外设

 
  表：STM32F103RCT6实验板外设平面接口

电源IO	ADC 0~3	其余IO	4*4矩阵键盘
（3.3V）红Pin1~Pin6	OLED	OLED	4*4矩阵键盘
（GND）黑Pin7~Pin12	OLED	OLED	4*4矩阵键盘
（5V）红Pin13~Pin18	串口 1~2	其余IO	4*4矩阵键盘

 

8、实现PT100驱动电路V3.0与STM32F103RCT6实验板的电气连接（实际电路连接）。

图20 PT100驱动电路V3.0与STM32F103RCT6实验板的电气连接图

 

三、软件设计

 
  总代码工程链接下载：PT100测温系统
 

1、设计PT100测温系统，完成各驱动模块总调配。

  为了完成本次的设计目标，需要开始代码的构思，根据任务要求，在本次PT100测温系统的软件设计中，所需要使用的代码模块有：STM32F103RCT6自带的Time内部时钟模块、STM32F103RCT6自带的ADC模数转换模块、主板上的蜂鸣器模块、外设的OLED显示模块。

  系统运行前，要先初始化将要使用的这些模块。

  初始化后，让所有模块达到“备战”状态。

  当PT100驱动电路的输出被实验板上的STM32F103RCT6芯片的ADC1端口（PA1）读取到的时候，芯片自带的ADC模数转换模块会启动，将在ADC1端口（PA1）所读到的电压值用12位的AD值表示出来，并将这表示出来的AD值用液晶屏显示在屏幕上，此时AD值通过计算公式算出该AD时对应的温度，并将温度也一起显示出来，当转化出来的温度达到报警的要求（30℃，50℃，70℃），蜂鸣器鸣叫，即可完成本次设计的要求。

  总程序流程图如图21所示：

图21 各驱动模块总调配流程图

  主程序“main.c”

//***************************************************************************************       
//***                                                           __----~~~~~~~~~~~------___
//***                                          .  .   ~~//====......          __--~ ~~
//***                          -.            \_|//     |||\\  ~~~~~~::::... /~
//***                       ___-==_       _-~o~  \/    |||  \\            _/~~-
//***               __---~~~.==~||\=_    -_--~/_-~|-   |\\   \\        _/~
//***           _-~~     .=~    |  \\-_    '-~7  /-   /  ||    \      /
//***         .~       .~       |   \\ -_    /  /-   /   ||      \   /
//***        /  ____  /         |     \\ ~-_/  /|- _/   .||       \ /
//***        |~~    ~~|--~~~~--_ \     ~==-/   | \~--===~~        .\
//***                 '         ~-|      /|    |-~\~~       __--~~
//***                             |-~~-_/ |    |   ~\_   _-~            /\
//***                                  /  \     \__   \/~                \__
//***                              _--~ _/ | .-~~____--~-/                  ~~==.
//***                             ((->/~   '.|||' -_|    ~~-/ ,              . _||
//***                                        -_     ~\      ~~---l__i__i__i--~~_/
//***                                        _-~-__   ~)  \--______________--~~
//***                                        //.-~~~-~_--~- |-------~~~~~~~~
//***                                             //.-~~~--\
//***
//***   PT100驱动程序V4.0              (2021.05.28)
//***   By XingDala.2905469493.All Rights Reserved.
//***************************************************************************************

#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"
#include "OLED.h"
#include "PT100INT.h"
#include "sound.h"
#include "time.h"

int main(void)
{
	ADC_init();//ADC初始化
	time_init();//时钟初始化
	OLED_Init();//OLED初始化
	PT100_OLED();//PT100驱动程序显示初始化
	sound_init();//蜂鸣器初始化
	
	while(1)
	{
		PT100INT();//PT100驱动程序
	}
}

2、TIME系统内部时钟模块

  为流畅运行本次设计，因而选用STM32F103RCT6自带的系统时钟TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、TIM6、TIM7。以往会使用高精度的中断函数加以控制，以达到STM32F103RCT6最极限的延时精度，但这里不要求精度，所以不需要使用内部中断来写延时。

  其中，TIM2、TIM3、TIM4用来控制蜂鸣器报警系统，TIM5用来控制足以驱动并流畅运行系统各模块的延时（三种时间单位：us、ms、s），TIM6和TIM7用来控制AD采集的速度和滤波频次及速率。

图22 STM32F103RCT6系统内部时钟树

（1）初始化时钟TIM6、TIM7：

  在所调用的6个系统时钟中，用来处理AD采集的两个系统时钟TIM6、TIM7是固定的速率，所以要对固定速率的系统时钟进行初始化。

（2）时钟程序：

  时钟程序“time.c”

void time_init(void)//初始化
{
	time6();
	time7();
}

void time2(unsigned int n)//蜂鸣器响的持续时长
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time2;
	time2.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time2.TIM_Period = n*10 - 1;
	time2.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, & time2);
	TIM_SetCounter(TIM2,0);
	TIM_ClearFlag(TIM2,TIM_FLAG_Update);
}

void time3(unsigned int n)//蜂鸣器关的持续时长
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time3;
	time3.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time3.TIM_Period = n*10 - 1;
	time3.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, & time3);
	TIM_SetCounter(TIM3,0);
	TIM_ClearFlag(TIM3,TIM_FLAG_Update);
}

void time4(unsigned int n)//蜂鸣器音调
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time4;
	time4.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time4.TIM_Period = n - 1;
	time4.TIM_Prescaler = 72 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, & time4);
	TIM_SetCounter(TIM4,0);
	TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
}

void T(unsigned int n,unsigned int x)//延时函数（us、ms、s）eg:T(152,1)表示延时125微秒，T(254,2)表示延时254毫秒
{
	unsigned int j = 0,k = 0;
	if(x == 1){j=72;k = 1;}//us
	if(x == 2){j=7200;k = 10;}//ms
	if(x == 3){j=7200;k = 10000;}//s
	
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time5;
	time5.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time5.TIM_Period = n*k - 1;
	time5.TIM_Prescaler = j - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM5, & time5);
	TIM_SetCounter(TIM5,0);
	TIM_ClearFlag(TIM5,TIM_FLAG_Update);
	TIM_Cmd(TIM5, ENABLE);
	
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM5,TIM_FLAG_Update)==RESET);
	TIM_Cmd(TIM5, DISABLE);
}

void time6(void)//1S
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time6;
	time6.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time6.TIM_Period = 10000 - 1;
	time6.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM6, & time6);
	TIM_SetCounter(TIM6,0);
	TIM_ClearFlag(TIM6,TIM_FLAG_Update);
}

void time7(void)//1ms
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM7, ENABLE);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef time7;
	time7.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	time7.TIM_Period = 10 - 1;
	time7.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM7, & time7);
	TIM_SetCounter(TIM7,0);
	TIM_ClearFlag(TIM7,TIM_FLAG_Update);
}

  时钟程序“time.h”

#ifndef _TIME_H__
#define _TIME_H__

void time_init(void);
void time2(unsigned int n);
void time3(unsigned int n);
void time4(unsigned int n);
void T(unsigned int n,unsigned int x);
void time6(void);
void time7(void);

#endif

3、AD采集模块

（1）初始化：

  配置STM32F103RCT6的ADC1接口的读取模式，打开ADC1的时钟，设置为模拟输入模式，配置单通道扫描模式，配置连续转化模式，定义规则通道的外部触发方式为内部触发，设置数据对齐方式为右对齐，设置ADC模拟通道个数为1，设置被采集的通道为ADC1，使能ADC1，使能ADC1的复位校准，开始ADC1的复位，ADC1的复位和校准结束后，ADC1初始化结束，把LM358的输出接到ADC1上即可准备AD值的读取。

图23 ADC1初始化流程图

（2）AD采集程序：

  由于5V电压不稳定，导致输出的AD值也会微微波动，此刻就需要用到程序滤波。

  使用时钟，每隔1ms采集一次AD值，并将所采集的AD值加起来，用IN存起来；使用时钟，每隔1s输出一次IN值，并将所输出的IN值除以1000，因为在这1s内采集了1000个AD值，除以1000后，就可以得到1S内平均AD值，也就是滤波。

  接着，再利用sprintf把要转换的AD数值格式化为字符串，并用OLED显示屏显示出来，由于IN值1s输出一次，使用滤波后的平均AD值1秒刷新一次。

图24 STM32F103RCT6AD采集程序流程图

 
  AD采集程序“adc.c”

#include "stm32f10x.h"

void ADC_init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
	
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
	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_RegularChannelConfig(ADC1 ,ADC_Channel_1 ,1 ,ADC_SampleTime_1Cycles5);
	ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);
	
	ADC_ResetCalibration(ADC1);
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
	
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

  AD采集程序“adc.h”

#ifndef _ADC_H__
#define _ADC_H__

void ADC_init(void);

#endif

4、蜂鸣器响应模块

（1）初始化：

  打开蜂鸣器引脚所在的时钟，设置其为推挽输出模式。

图25 蜂鸣器响应模块初始化流程图

（2）蜂鸣器响应：

  TIM2控制蜂鸣器通电的时长，TIM3控制蜂鸣器断电的时长，TIM4控制蜂鸣器发声的音调（频率），以此来调出万能的警报声音。当温度达到报警温度，触发蜂鸣器响应程序，程序流程图如图22所示：

图26 蜂鸣器响应模块报警主程序流程图

 
  蜂鸣器鸣响程序“sound.c”

#include "stm32f10x.h"
#include "sound.h"
#include "time.h"

void sound_init(void)//初始化蜂鸣器
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef FMQ;
	FMQ.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
	FMQ.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	FMQ.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_Init(GPIOB, &FMQ);
	
	GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
}

void FMQ_T(void)//蜂鸣器响
{
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM2,TIM_FLAG_Update) == RESET)
	{
		TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
		while(TIM_GetFlagStatus(TIM4,TIM_FLAG_Update) == RESET)
		{
			GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
		}
		TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
		while(TIM_GetFlagStatus(TIM4,TIM_FLAG_Update) == RESET)
		{
			GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
		}
		TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
		TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);
	}
	TIM_ClearFlag(TIM2,TIM_FLAG_Update);
	TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
}

void FMQ_F(void)//蜂鸣器关
{
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM3,TIM_FLAG_Update) == RESET)
	{
		GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
	}
	TIM_ClearFlag(TIM3,TIM_FLAG_Update);
	TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);
}

void sound1(void)//蜂鸣器鸣叫，节奏调节
{
	time2(100);//响的持续时长
	time4(100);//音调
	FMQ_T();//蜂鸣器开始响一段时间
	time3(100);//关的持续时长
	FMQ_F();//蜂鸣器关闭一段时间
	time2(100);//响的持续时长
	time4(100);//音调
	FMQ_T();//蜂鸣器开始响一段时间
	GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);//蜂鸣器关
}

  蜂鸣器鸣响程序“sound.h”

#ifndef _SOUND_H__
#define _SOUND_H__

void sound_init(void);
void FMQ_T(void);
void FMQ_F(void);
void sound1(void);

#endif

5、OLED显示模块

（1）初始化：

  打开OLED接口的时钟，推挽输出OLED两条信号线（SCL、SDA），并且一块拉高，延时200ms；关闭显示，设置时钟分频因子和震荡频率（[3:0]分频因子、[7:4]震荡频率），设置驱动路数为默认0X3F(1/64)，设置显示偏移默认为0，设置显示开始行 [5:0]，电荷泵设置为bit2，设置内存地址模式页地址模式，段重定义设置为bit0:0,0->0;1,0->127，设置COM扫描方向为普通模式，设置COM硬件引脚配置为[5:4]配置，对比度设置为默认0X7F最亮，设置预充电周期为[3:0]、PHASE 1、[7:4]、PHASE 2，设置VCOMH 电压倍率为[6:4] 0.83*3.3，开启全局显示，设置显示方式为正常，开启显示，清屏，OLED初始化完成。

图27 OLED初始化流程图

（2）显示：

ZFC(0,0,"abc254!");//在坐标（0,0）显示字符串abc254!
ZF(0,0,'0');//在坐标（0,0）显示字符0
WZ(0,0,2,3);//在坐标（0,0）显示第3页的第2个汉字
TP(0,0,128,64,2);///在坐标（0,0）显示第二张图片，显示的图片范围为x:0~128，y:0~64

4、PT100系统总驱动模块

  PT100的阻值是随着温度的变化而变化，在对各标准温度下温度AD采集的结果可以得出，AD值随着温度的升高而升高，其线性关系近乎是一条直线，但这条直线有略微的弯曲，所以需要进行大量的AD采集进行数据拟合。

  本次设计计划使用100个AD采集数据，也就是100个温度区间，但一百个区间很多，不可能用计算器一个一个计算，所以这一百个区间（温度-AD）将被分别放入两个数组（一个数组放温度值，一个数组放AD值，两两对应），再在程序中用AD比对，找出此刻LM358传来的AD在哪个区间，再用固定的公式算出每个AD的温度是多少

该

区

间

温

度

变

化

/

该

区

间

A

D

变

化

=

每

个

A

D

是

多

少

温

度

该区间温度变化/该区间AD变化=每个AD是多少温度

该区间温度变化/该区间AD变化=每个AD是多少温度  再乘以此刻测出的实时AD值，算出准确的温度。

  又由于供电不稳定，每次供电接口的微微位移，都会使得V供电偏大或者偏小，间接导致同温度下，LM358输出的AD与AD采集时的电压不一致，所以在AD值进入计算前，先借助标准仪表对比同温度下与AD采集时的AD偏移了多少AD，对程序中的AD进行误差加减，把微微偏移的AD曲线平移到AD采集时的曲线。
  PT100测温系统程序“PT100INT.c”

#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"
#include "SSA.h"
#include "time.h"
#include "OLED.h"

unsigned int wucha = 0;//误差偏移修正

void PT100INT(void)
{
	unsigned int Dout = 0;//清除AD数据缓存
	unsigned int IN = 0;//采集AD前清零
	
	TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);//1s计时准备
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM6,TIM_FLAG_Update) == RESET)//开始1s计时，1s内采集1000次AD并软件滤波
	{
		TIM_Cmd(TIM7, ENABLE);//1ms计时准备
		while(TIM_GetFlagStatus(TIM7,TIM_FLAG_Update) == RESET)//开始10ms计时，采集100次
		{
			ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//AD采集准备
			while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);//AD采集
			Dout = ADC_GetConversionValue(ADC1);//AD数据缓存
		}
		TIM_ClearFlag(TIM7,TIM_FLAG_Update);//10ms结束，定时器清零，为下一次计时10ms做准备
		TIM_Cmd(TIM7, DISABLE);//关闭10ms定时器
		IN = IN + Dout;//AD累加，为滤波做准备
	}
	TIM_ClearFlag(TIM6,TIM_FLAG_Update);//1s结束，定时器清零，为下一次计时1s做准备
	TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);//关闭1s定时器
	
	IN = (IN / 1000)+wucha;//滤波
	
	PT100show_AD(IN);//AD值显示
	
	//AD采集值，请从低温到高温排
	unsigned int TEMP[]= //温度值
	{
		26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,
		36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,
		46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,
		56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,
		66,67,68,69,70,71,72,73,74,75
	};
	
	unsigned int AD[]= //AD值
	{
		 937, 977,1017,1057,1098,1144,1101,1240,1289,1332,
		1378,1423,1474,1525,1560,1610,1661,1706,1753,1786,
		1847,1902,1949,1984,2048,2100,2188,2231,2275,2322,
		2372,2420,2465,2511,2554,2602,2652,2701,2747,2802,
		2841,2886,2937,2994,3037,3065,3139,3164,3194,3347
	};

	unsigned int Temp = 0;//温度值清零
	
	if(IN < 937)//温度超过测量范围，使用最后测量范围的K值进行计算
	{
		Temp = IN*10*TEMP[1]/AD[1];//动态拟合比对，动态显示温度
	}
	
	else if(IN >= 937 && IN <= 3347)//温度在测量范围内，开始测温
	{
		unsigned int a=0;
		while(Temp == 0)//算出温度后跳出
		{
			if(IN > AD[a])//按区间比对
			{
				Temp = IN*10*TEMP[a]/AD[a];//动态拟合比对，动态显示温度
			}
			a++;//AD采集区间切换
		}
	}
	
	else if(IN > 3347)//温度超过测量范围，使用最后测量范围的K值进行计算
	{
		Temp = IN*10*TEMP[49]/AD[49];//动态拟合比对，动态显示温度
	}
	
	PT100show_Temp(Temp);温度显示
}

  PT100测温系统程序“PT100INT.h”

#ifndef _PT100INT_H__
#define _PT100INT_H__

void PT100INT(void);

#endif

  最终结果，所测试的温度与标准仪表相差

0.1

℃

0.1℃

0.1℃ ~

0.2

℃

0.2℃

0.2℃。

  图28为PT100测温系统的测温显示效果：

图28 PT100测温系统显示面板

 
  当前面板所显示的AD值每1s刷新一次；

  所显示的温度值每1s刷新一次；

  警报未响起时蜂鸣器状态显示“静音”，警报响起时蜂鸣器报警鸣叫，且状态显示“鸣响”，当报警声响三遍后，报警声停止，蜂鸣器报警系统进入睡眠状态，当温度继续上升超过报警温度1℃时，蜂鸣器报警系统又会进入预备触发状态，等待报警温度的再次达到报警温度值；

  最底下的图案为系统运行指示灯，当系统正在（流畅）运行时，该图标是动态显示的动画状态，最右边的方形图标闪烁。
 

四、调试

1、电路调试

  在设计电桥中，一开始是把

5

V

5V

5V接在PT100与精密电阻间，把GND接在两个

1

K

1K

1K中间，模拟软件测试没有问题，但实际电路中会出现问题，LM358的2号引脚和3号引脚不能承受过大的电压，最终导致LM358的输出为爆输出状态（标准温度下超过

3.3

V

3.3V

3.3V），但在LM358的芯片手册上提到这两个引脚所能接受的电压远远不止这么少，百思不得其解。

  所以在设计中将GND接在PT100与精密电阻间，把

5

V

5V

5V接在两个

1

K

1K

1K中间，让

1

K

1K

1K去分掉电压，模拟软件测试也是没有问题，最终LM358的2号引脚和3号引脚所承受的电压降到了

0.5

V

0.5V

0.5V以下，输出也和模拟差不多，电路调试成功。
 

2、放大倍数调试

  根据实测，实物与理论出现预料范围内的偏差（电桥输出比理论偏大，放大倍数比理论偏小），通过串联电位器（由于元件不足，没有过大的电位器），勉强把放大倍数调整到了32倍。
 

3、AD采集：

  此时刚好测出一百个温度区间内的AD值（当温度降的慢AD变化率小的时候，选最大温度区间为

1

℃

1℃

1℃，；但当温度降得快，AD变化很大的时候，选用最小温度区间为

0.5

℃

0.5℃

0.5℃，多次高温采样），其折线图25所示。

图29 AD采集

 
  一百个区间已出，每个区间的斜率

K

=

温

度

变

化

/

A

D

变

化

=

每

个

A

D

是

多

少

温

度

K= 温度变化/AD变化=每个AD是多少温度

K=温度变化/AD变化=每个AD是多少温度  很容易可以求出来，只要把AD乘上对应区间的该斜率，则可求出对应的温度。

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