基stm32健身行车数采集系统设计
基stm32健身行车数采集系统设计
摘
着科技进步领域运数采集系统数采集系统研发越越受重视次目标设计开发套应健身行车数采集系统该数系统控芯片STM32F407ZET6实现健身行车数采集传输存储显示功
结合设计求文设计系统硬件电路连接系统软件控制设计中硬件电路连接包括温湿度采集电路连接电流电压采集电路连接速度采集电路连接显示电路连接电源电路连接等软件控制述模块进行驱动模块间采IIC协议串口协议等通讯软件进行测试测试结果表明：系统够准确采集数整系统运行效果良数视化达课题设计求
关键词：数采集系统STM32F407ZET6IIC协议串口协议视化
Design of data collection system for exercise bike based on stm32
Abstract
With the advancement of technology data collection systems are used in various fields The research and development of data acquisition systems is also gaining more and more attention The goal of this time is to design and develop a data collection system for fitness bicycles The main chip of this data system is STM32F407ZET6 which mainly realizes the collection transmission storage and display functions of fitness bicycle data
Combined with the design requirements this paper mainly designs the system hardware circuit connection and system software control design The hardware circuit connection includes temperature and humidity acquisition circuit connection current and voltage acquisition circuit connection speed acquisition circuit connection display circuit connection and power circuit connection The software control is mainly to drive the abovementioned modules and the IIC protocol and serial port protocol are used for communication between the modules Finally the software is tested The test results show that the system can accurately collect data and the entire system operates well making the data visible To meet the design requirements of the subject
Keywords Data acquisition system STM32F407ZET6 IIC protocol serial port protocol visualization
目 录
1 绪 1
11 课题选择背景意义 1
12 研究现状 1
121 国外数采集系统现状 2
122国数采集系统现状 2
123 发展动态 3
13 课题容 4
2 系统总体设计方案模块选型 6
21 系统总体设计方案 6
22 模块选型 7
221 温湿度传感器模块选型 7
222 速度传感器模块选型 8
223 电流电压传感器模块选型 8
224 显示模块选型 9
225 警报模块选型 10
3 系统硬件连接设计 11
31 STM32F407XX芯片简介 11
32 温湿度传感器模块 11
33 速度传感器模块 12
34 电流电压传感器模块 12
35 数显示模块 13
36 警报模块 14
4 系统软件设计 15
41 系统开发软件介绍 15
42 系统程序设计 16
421 温湿度传感器模块程序设计 16
422 速度传感器模块程序设计 17
423 电流电压传感器模块程序设 18
424 数显示模块程序设计 18
425 警报模块程序设计 19
5 系统测试 20
6 总结 22
参考文献 23
致谢 24
附页 25
附页1 25
附页2 30
1 绪
11 课题选择背景意义
着科学技术断完善行业逐渐走完善化传统纯机械满足需求慢慢走走动化舞台套完整数采集系统日益受行业重视数采集系统然存较足未数采集系统会更迷化趋势发展目前工业农业数采集系统应越越见数采集系统社会发展影响容觑市场位市场价值想知
科技迅速发展代步工具改变目前言汽车然 出行代步工具行车慢慢淡出流舞台长时间坐汽车外加现班族日夜沉迷工作导致现年轻班族少时间甚没时间进行体育运动谓生命运动长时间参加体育运动身体健康度着影响果采行车车出行方式骑行车车身种运动会群体健康疑较保障传统行车纯机械（结合电子价格高）骑行乐趣低年轻群体没吸引力次设计 STM32 控模块数采集系统传统行车结合起 STM32 市场价格高低成时提高行车骑行乐趣目前追求新事物年轻群体说疑巨吸引时群体健康提供定保障
12 研究现状
数收集系统通记录识机程序设计相协调采集机械设备中安装种传感器检测信号机械设备种电信号作数采集输入数采集系统仅提供实时数采集现场记录数分析提供离线分析设备状态数重功[1]前数采集系统技术已应许领域例机械设备定期设备状态检测数采集系统计算机机器监视系统结合起计算机提供诊断机器状况检测机器运作状态效方法
121 国外数采集系统现状
前数采集系统正越越智方式开发模块化特点变越越明显海外市场数采集系统发展已初见规模海外市场已三种类型数种型号数采集系统数收集基功相简单较三种数采集系统性：
第代表EnglandIMP3595该系统运行工业环境恶劣条件采输入通道ADC温度压力流量电流等慢变化模拟信号量转换数信号量进行输出两实时检测检测非法量告警进实现生产程中数采集检测控制该套数采集系统特点抗干扰力强够恶略条件稳定采集检测数该系统数测量精度采集数性较高功耗低安装简便
第二代表然EnglandEnglandDATASCAN7000系列该数采集系统数采集原理功面IMP3595较相似较IMP3595DATASCAN7000系列数采集范围更广采集数精度更高DATASCAN7000系列附加网络功系统更加强
第三代表西盟电子国际限公司ALPHA900系列该系列中数收集系统功文述健身行车数收集系统相似济实智监控方法工业行业中广泛程监视状态监视处理该系统独立模块通讯采RS485方式通RS485独立模块采集温度压力电阻应变系数数字事件频率数进行传输实现模块间信息交互
122国数采集系统现状
发展数采集技术国1980年代开始1990年代初国仪表仪器制造工厂已成功开发种数采集系统中SP201SC247两种单通道数采集系统具较快数采集速度胡特点双通道胡数采集系统代表EG3300YE5938该类型数采集系统较硬件较高成时较 902921数采集系统具代表性SMC9012型数采集系统成功收集静态信号专门配备两软件包包括设备维护软件包基频谱分析软件包数采集系统应机械设备中正常条件完成监视障诊断务实现设备情况分析维护理目前类系统性国处较高水然国目前数采集技术国外数收集技术发展初始水基相
目前国外数采集系统方面差异：
（1）传感器存差异：发展时间较晚传感器技术方面起国外较差距包括传感器采样周期采样范围传感器精度等定差异
（2）存储器存差异：国数采集系统存储器容量相较数处理运算力高导致国数采集系统性低复杂数处理需时间较长满足速度求较高场景
（3）软件方面存差异：软件方面国数采集系统段时间改进需改进系统机交互界面户体验感提高改进前数收集技术重方发展紧迫问题例提高数收集准确性数收集速度改进系统功实现数采集系统许领域中发挥着越越重作运动控制快速生产程（例石油化工程）医疗设备中高速数收集需求日益增长类生命安全相关诸CT核磁振治疗仪器系统采集准确性清晰度准确性高求数收集实现爆炸检查变电站等动化领域系统行业中高速数收集需求远远超实际达水高性数收集系统具发展空间数收集研究前途光明项科学技术
123 发展动态
1950年代全世界数收集系统研究集中测试美国率先研究种测试系统军事领域目完成数收集测试操作该测试系统优势非专业士操作极提高灵活性外该数采集系统执行测试务时赖相关测试文件通测试设备进行高速动控制完成广泛1960年许成型数收集系统产品开始国际台转移期间该收集技术研究应专领域市场覆盖面非常限数设备系统具单功更高特异性
着1970年代中期计算机应程序扩展基计算机嵌入式技术开始普微型计算机逐渐成电子市场导力量时计算机集成数采集系统已开始进入历史舞台种类型数采集系统具操作简单性优良特点目前数采集系统开始逐渐消领域专线路特点
1980年代中期计算机广泛微电子学动化技术研究中促进数收集技术研究数采集系统发展较快期间赖计算机监视系统开始发展时数采集系统实现功开发总体消前接口单胡缺点兼容性增强提高动测试系统功性前数采集系统发展两方面两数采集系统间差异体现接口总线差异中间代表国际标准ICE626（GPIB）总线系统种类型数采集系统仪表采集器通接口总线计算机组成实验室工业生产现场特定应类型数收集系统第类型数收集系统处计算机控制数收集设备收集数通标准接口总线传输计算机接口系统类型通常采构建块结构相应接口卡安装专机箱中传统数收集系统相述两数收集系统数收集技术实现质飞跃系统样性达定水通专机箱添加数采集卡完成硬件配置通添加删模块程序成新系统然果仅更改收集输入信号需新输入信号电缆连接系统简单方便工业现场数采集系统通常称STD总线系统
1990年代21世纪数收集技术飞速发展应领域断扩特军事航空电子航空航天技术工业等领域数收集技术已应国际发达国家外集成电路制造技术断改进诸集成电路单芯片计算机类集成电路数采集系统高性准确性高性广泛种新型数采集系统单片机基处理单元产品精度达16位数采集速度提高时期数采集系统实际功性方面趋完美系统结构简单模块化结构理开发空间幅度增强通更改模块结构调整程序更改参数形成新功时系统稳定性进步提高国外研究中获技持续研究专门技需紧急研究
13 课题容
系统务实现健身行车数周围环境温湿度采集中采集目标数该健身行车产生电流电压该行车速度等采集数通IIC协议传输OLED屏幕显示
课题通方面进行描述：
第关数采集系统简介绍数采集系统国外研究现状简述课题研究背景意义发展前景文容
第二系统总体设计方案模块选型介绍介绍系统体框架相应模块选型包括温湿度传感器模块速度传感器模块电流电压传感器模块显示模块等
第三系统硬件设计包括温湿度传感器模块速度传感器模块电流电压传感器模块显示模块等
第四系统软件设计中包括数采集单元软件实现模块间数通讯单元软件实现
第五系统测试关整数采集系统检测模块检测性检测
2 系统总体设计方案模块选型
21 系统总体设计方案
系统设计数采集系统功结构应采集健身行车基数健身行车运行状态变更加视化系统运行模式：STM32作控制芯片模块采集数进行处理显示显示模块采集电流模拟信号通ADC单元转换数字信号数稳定发送显示模块显示系统空闲时实时显示时间周围环境温湿度变化检测周围温湿度正常范围时时告知警报模块做出警报系统发现行车转速空时系统切换采集行车数模式中该模式然会实时时间显示温湿度检测增加新开启时钟采集行车车速电流等数进行计算实时数发送显示模块显示总体系统框图（图21）示
图21 总体系统框图
22 模块选型
221 温湿度传感器模块选型
温度湿度基物理量实际环境中基涉温湿度温湿度传感器早早开发出众产品广泛应变电站环境检测汽车等等领域见行业环境温室度重视次设计健身行车数采集高低温度湿度极程度者造成影响周围环境检测超出范围温湿度告警相必
温湿度传感器技术发展较早技术方面较成熟温湿度种类种样选择应具体设计异选择合适盲目追求高精度高范围应选择合理性价高选时应注意参考项：
合适测量范围
种测量仪器言测量范围选型中忽视选项次测量周围环境温湿度测量范围需高温湿度低温湿度间包含温湿度极限值
合适测量精度
样测量精度选择款测量仪器必须考虑条件需量量产产品说更需谨慎选择精度越高价格越高应该合理选择满足求测量范围完成工作需前提量降低成次设计显示温湿度告知户精度需保持整数部分数部分课忽略结合实际情况精度选择保留整数
合适采样周期
采样周期决定款测量仪器价格高低重素应选择合理次测量周围环境温湿度众周知生活环境般情况会短时间（十秒 ）出现骤变次采样周期求高市面功传感器均满足求
DHT11数字温湿度传感器（图22示）款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器应专数字模块采集技术温湿度传感技术抗干扰力强价格亲民性价高具极高性卓越长期稳定性湿度精度+5RH温度精度+2℃量程湿度2090RH 温度0~50℃[2]基满足次设计求次选择DHT11温湿度传感器作测量温湿度模块
图22 DHT11模块
222 速度传感器模块选型
目前市面速度传感器原理分电磁测速光电测速两种中电磁代表霍尔传感器光电代表光电解码器两种相较言霍尔传感器体积面更巧重量轻抗振动力强易安装霍尔传感器广泛应方面次设计系统应健身行车选择速度传感器时体积太分析霍尔传感器非常符合次设计求次选择霍尔传感器作速度传感器模块（图23示）
图23 霍尔传感器模块
223 电流电压传感器模块选型
工业汽车商业等通讯系统中确保设备安全设备员安全需某关键器件设备进行电流电压检测次系统应健身行车该健身行车特点够发电选款较合适电流电压采集器关重
传统电流电压检测方法存许足例测量精度低反应时间长等问题体积重量重容易受干扰等典型代表电流互感器
次需选择种体积重量轻抗干扰力强电流电压传感器求价格便宜ACS712种新型线性电流传感器Allegro公司研发推出款具低噪音高灵敏度传感器该传感器体积方便价格较合适符合次设计求次目标传感器确定：ACS712图24示
图24 ACS712传感器模块
224 显示模块选型
目前嵌入式设备中显示模块LED灯显示LCD屏幕显示OLED显示中LED灯显示应简单数字简单字符显示LCD屏幕较LCD屏幕显示较复杂图形界面LCD屏幕色彩显示较丰富LCD屏幕手机等电子设备应较广泛OLED屏幕目前非常流行显示效果面说OLED屏幕优LEDLCD屏幕OLED屏幕更加节价格说OLED屏幕相前两者说略微显高次设计系统显示数文类信息类似电脑终端显示屏幕求高基前面三种显示方式说处选OLED更恰文选择OLED屏幕图25示
图25 OLED屏幕模块
225 警报模块选型
目前领域中警报装置较三方面出发方面视觉效果传递危险信号方面听觉效果传递危险信号第三方面通嗅觉传递危险信号常见做法出现危险情况时视觉较显眼设备提高警惕性听觉采带危险信号声音提高警惕性嗅觉采刺激性气味传播提高警惕性
嗅觉发出警报般工作某危险性气体防止危险性气体声息传播导致造成伤害危险性气体中加入刺激性气味物质危险性气体带刺激性气味通知危险说家煤气次设计未涉危险性气体方面忽略
视觉听觉发出警报目前绝数设备采种方式听觉发出警报性声音听觉加视觉发出警报性声音结合带警报信号灯直观提高警报优先级震时会发出特殊声音通知救护车执行务时候会闪灯加特殊声音发出警报
次设计报警系统针室温湿度发出警报次选择视觉结合听觉非法温湿度发出警报采电子元件LED灯蜂鸣器出现非法情况时通LED灯高频率闪烁加蜂鸣器持续高响传播危险信号图26示LED灯图27蜂鸣器
图26 LED灯 图27 蜂鸣器模块
3 系统硬件连接设计
31 STM32F407XX芯片简介
STM32系列芯片目前广泛应行业包括汽车行业变电站等等STM32系列ST公司开发种性高功耗低价格合理微控制器STM32ART技术芯片程序执行效率提高相传统51单片机STM32说质提高高速运算力丰富外设51单片机拟
STM32F4具丰富定时器百引脚起STM32F1两32位定时器STM32F4拥更加持久更加精确定时更引脚STM32F4更强拓展性拥重AHB总线矩阵通道DMA：支持程序执行数传输行处理[3]数传输速率非常快优点STM32目前嵌入式市场非常流行图31STM32F407ZGT6
图31 STM32F407ZGT6芯片
32 温湿度传感器模块
图32示DHT11模块3引脚中引脚接VCC（5伏电压）引脚接GND剩引脚DATA引脚数传输引脚次DHT11DATA引脚接STM32PG9引脚通读取PG9引脚值获取DHT11获取数硬件连接图32示
图32 DHT11硬件连接
33 速度传感器模块
霍尔传感器模块VCCGNDD0A0 四引脚次VCCGNDD0三引脚中VCCGND分5伏电压连接D0引脚STM32IO口相连需说明D0默认高电磁铁特定面（磁铁面）霍尔传感器模块时D0会拉低[4]根特性计算出行车车速设行车骑行时间tD0拉低n次行车轮半径r计算出行车速度v：
V 2πr * n t
霍尔传感器硬件连接图33示（次D0接引脚PA8）
图33 霍尔传感器硬件连接图
34 电流电压传感器模块
ACS712引脚8中四脚接收测电流输入端防止超范围电流值控制芯片影响四引脚均置保险详细引脚分布图34示
图34 ACS712引脚图
引脚功描述见表31示
表31 ACS712引脚描述
引脚
名称
功描述
1
P+
测电流输入输出
2
P+
测电流输入输出
3
P
测电流输入输出
4
P
测电流输入输出
5
GND
线
6
FILTER
外接电容
7
VIOUT
模拟电压输出
8
VCC
电源电压
根引脚功描述说明需VIOUT引脚接入控制芯片具ADC功引脚
35 数显示模块
次设计096寸OLED屏幕该屏黄蓝白白蓝三种颜色选分辨率128*64提供种接口方式中包括68008080 两种行接口方式3线4线串行SPI接口方式IIC接口方式次选择IIC接口方式面针IIC接口方式相关引脚必说明[5]
1 GND 电源
2 VCC 电源正（3～55V）
3 SCL OLED D0 脚 IIC 通信中时钟脚
4 SDA OLED D1 脚 IIC 通信中数脚
OLED模块原理图图35示
图35 OLED模块原理图
36 警报模块
基第二章选型根LED灯蜂鸣器特点LED灯蜂鸣器直接应连接引脚实现度控制选引脚时选功较简单引脚结合次控制片次两LED灯分连接PF9PF10引脚蜂鸣器连接PF8引脚硬件连接图36示
图36 警报模块硬件连接
4 系统软件设计
41 系统开发软件介绍
基控制器基STM32F4 ARM核许基ARM嵌入式开发环境应软件程序开发常见ARM开发工具MDKIAR Evaram次选择MDK作系统开发工具ARM2007年发布嵌入式开发工具环境LTV优势ARM Real View编译器工具RVCT 31优势结合起ARM嵌入式开发工具MDK数完全支持皮质工具STM 32F40X系列处理器外围接口获取完整数手册[6]图41显示面开发环境
图41 KeilMDK开发环境
42 系统程序设计
421 温湿度传感器模块程序设计
DHT11温湿度传感器模块制芯片采单总线协议通讯方式控芯片发送次复位信号请求DHT11传输数DHT11接受机复位信号低功率模式转换高速模式控芯片复位信号结束DHT11立控芯片发送响应信号时总线电拉高准备开始数传输DHT11传输数规定协议次完整传输包括40bit5字节数中8bit湿度整数部分数+8bit湿度数部分数+8bit温度整数部分数+8bit温度数部分数8bit数校验数校验位数果前4字节数相加[7]表示数传输正确否表示数传输异常数传输正常控芯片次发送复位信号请求数时DHT11动切换回低功率模式出现异常时控芯片应次发送复位信号请求DHT11传输数连续5次接受异常数时控芯片视DHT11模块异常短时间DHT11发送数请求
DHT传输数时严格实求操作时序应严格时序图进行操作般分步骤进行：
1）控芯片发送复位信号（时序图图42示）
首先控芯片动拉低总线电（少保持18ms）然拉高总线电（少保持2040us）时控芯片已完成复位信号发送
2）控芯片发送完成复位信号DHT11发送应答信号（时序图图42示）
DHT11监听控芯片复位信号时立切换高速运作模式时控芯片发送响应信号时DHT11总线电拉低80us（误差避免实际开发中难保证电拉低时间80us允许时间波动低电时间20100us时视DHT11响应成功）告诉控芯片数准备完成DHT11拉高总线电80us（控芯片接受响应信号时立会监听总线监听总线电80us高电时认DHT11已做数传输准备）做开始传输数准备
图42 DHT11起始相应时序信号图
3）数传输（时序图图43示）
DHT11拉高总线电80us开始数传输图43示两bit数间总线50us间隙说完成传输1bit数时DHT11会总线拉低50us开始bit数传输传输数容总线高电持续时间确定DHT11拉高总线电时间2628us时表示数0DHT11拉高总线电时间70us时表示数1
图43 DHT11数传输时序信号图
具体代码实现见附页
422 速度传感器模块程序设计
根霍尔传感器硬件特性（详细介绍见33 速度传感器模块）结合控制芯片 STM32F407xx 具通定时器（TIMx）功微控制器霍尔传感器接口非常简单事实特点磁铁霍尔传感器时霍尔传感器D0引脚高电跳变低电时需定时器输入捕获功捕获霍尔传感器电变化周期刻车轮旋转圈需时间根获取时间车轮半径刻简单计算出车轮转速
图44 霍尔传感器电变化
图44示霍尔传感器空闲时高电状态信号时高电跳变低电时需设置定时器输入捕获功捕获高电跳变低电开始计时捕获第二高电跳变低电结束定时捕获电变化周期时间T（时速度V根33 速度传感器模块描述方法计算出）
具体代码实现见附页
423 电流电压传感器模块程序设
次选应模块ACS712模块该模块输出模拟量时应采集模拟量进行转换转换成视化数字量次控制芯片STM32F407ZGT6具ADC功需采集模拟量ADC转换器完成模数转换
424 数显示模块程序设计
文中显示模块选择OLEDOLED屏提供种口方式中行68008080两种提供三线四线SPI接口IIC接口次选择IIC接口
首先介绍IIC协议IIC种步通讯协议数传输SCL时钟线SDA数线两根线传输次传输8bit数[8]
图45 IIC总线协议图
时钟线作时间步数线顾名思义数传输图45示空闲状态时SDA线SCL线处高电状态SCL线处高电机控制SDA线高电跳变低电时时作数传输开始信号数传输结束时相似SDASCL高电期间低电跳变高电时结束两器件间通讯[9]
传输数时机SCL线高电时候检测SDA线期间机必须保持SCL线高电直机读取数机拉低时钟线准备次传输数数容SDA线电决定高电1低电0}
应答信号（ACK）：机接收8bit数会第九时间周期拉低SDA电机发送应答信号告诉机已接收数时等应答机接收机应答会根实际需确定否继续机发送数机应答机接收机应答机会认机出现障结束机数交互
设计中需采集数实时写OLED屏幕代码见附页
425 警报模块程序设计
警报模块设置安全范围采集数超安全范围时候拉低拉高LED蜂鸣器应引脚发出报警代码实现见附页
5 系统测试
通常保证系统稳定性需系统做定测试次数采集系统例外系统言常见测试项目性测试稳定性测试中性包括软件性硬件性软件性针软件基功否正常运行硬件性针硬件定压力条件否正常运行硬件测试方法高温测试稳定性测试测试系统长时间运行时否保持正常状态系统选硬件目前说较成熟技术次硬件进行高温测试次针软件进行测试
根系统功制定测试表格系统性稳定性等做全面测试见表51
表51 系统测试表
序号
测试项目
操作方法
预期结果
否符合预期结果
备注
1
DHT11模块
1手触碰DHT11模块
1DHT11采集温度湿度持续变化稳定值该值手温度湿度
2
霍尔传感器模块
1保持电机恒速转动
2PMW波控制电机变速转动
1霍尔传感器采集速度变化变化幅度较
2霍尔传感器采集速度PWM波波形变化
3
电流电压传感器模块
1电流电压输入稳定电流电压
1电流电压传感器采集数变化变化幅度较
4
报警模块
1温度超出安全范围
2湿度超出安全范围
3温度湿度超出安全范围
1LED等闪烁蜂鸣器长鸣
2LED等闪烁蜂鸣器长鸣
3LED等闪烁蜂鸣器长鸣
5
系统稳定性
1持续8时运行系统
1系统稳定出现死机现象
根表51列出测试项目测试结果表52示：
表52 系统测试结果表
序号
测试项目
操作方法
预期结果
测试次数时长
否符合预期结果
备注
1
DHT11模块
1手触碰DHT11模块
1DHT11采集温度湿度持续变化稳定值该值手温度湿度
20
2
霍尔传感器模块
1保持电机恒速转动
2PMW波控制电机变速转动
1霍尔传感器采集速度变化变化幅度较
2霍尔传感器采集速度PWM波波形变化
20
3
电流电压传感器模块
1电流电压输入稳定电流电压
1电流电压传感器采集数变化变化幅度较
20
4
报警模块
1温度超出安全范围
2湿度超出安全范围
3温度湿度超出安全范围
1LED等闪烁蜂鸣器长鸣
2LED等闪烁蜂鸣器长鸣
3LED等闪烁蜂鸣器长鸣
20
5
系统稳定性
1持续8时运行系统
1系统稳定出现死机现象
10h
测试结果显示系统够准确采集数整系统运行稳定数采集效果良达预期求
6 总结
数采集系统绝数领域广泛应国国外极力开发数采集系统
通段时间设计开发总体完成项工作：
1 学数采集系统理参考相关文献资料现数采集系统数采集系统定解
2 学嵌入式软件开发方法理
3 查阅资料数采集系统选合适传感器模块
4 设计开发数采集系统中温湿度速度电流电压告警装置等模块
5 设计出系统进行必测试
通次实践学较专业知识设计中存许足设计出系统功然较单应加利控制芯片强功实现更实性高功
参考文献
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附页
附页1
#include dht11h
*
DHT11_DQ >PG9
*
*
* 功 ：DHT11初始化
* 参 数：
* 返回值：
*
void DHT11_Init(void)
{
定义结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct
1 GPIOG 时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG ENABLE)
2配置初始化 GPIO
GPIO_InitStructGPIO_Mode GPIO_Mode_OUT 输出模式
GPIO_InitStructGPIO_OType GPIO_OType_PP 推挽
GPIO_InitStructGPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP 拉
GPIO_InitStructGPIO_Speed GPIO_Speed_25MHz 求高速率越高功耗会越高
GPIO_InitStructGPIO_Pin GPIO_Pin_9
GPIO_Init(GPIOG &GPIO_InitStruct)
空闲时处高电
GPIO_SetBits(GPIOGGPIO_Pin_9)
}
*
* 功 ：DHT11_DQ设置输出模式
* 参 数：
* 返回值：
*
static void DHT11_DQ_OUT(void)
{
定义结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct
1 GPIOG 时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG ENABLE)
2配置初始化 GPIO
GPIO_InitStructGPIO_Mode GPIO_Mode_OUT 输出模式
GPIO_InitStructGPIO_OType GPIO_OType_PP 推挽
GPIO_InitStructGPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP 拉
GPIO_InitStructGPIO_Speed GPIO_Speed_25MHz 求高速率越高功耗会越高
GPIO_InitStructGPIO_Pin GPIO_Pin_9
GPIO_Init(GPIOG &GPIO_InitStruct)
}
*
* 功 ：DHT11_DQ设置输入模式
* 参 数：
* 返回值：
*
static void DHT11_DQ_IN(void)
{
定义结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct
1 GPIOG 时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG ENABLE)
2配置初始化 GPIO
GPIO_InitStructGPIO_Mode GPIO_Mode_IN 输出模式
GPIO_InitStructGPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP 拉
GPIO_InitStructGPIO_Pin GPIO_Pin_9
GPIO_Init(GPIOG &GPIO_InitStruct)
}
*
* 功 ：DHT11读取字节数
* 参 数：
* 返回值：
*
static uint8_t DHT11_ReadByte(void) 假设读取 0001 1110
{
uint8_t i
uint8_t data xxxxxxxx
for(i0i<8i++) 遍历8次次识位数 高位先出
{
0150us低电需等
while( DQ_IN() 0 )
if(DQ_IN() 1)
{
delay_us(40)
if(DQ_IN() 1) 果等40us检测1说明1
{
data | 0x1<<(7i) i3 data 0001xxxx
}else{
data & ~(0x1<<(7i)) i0 data 0xxxxxxx
i1 data 00xxxxxx
i2 data 000xxxxx
}
等剩余高电结束
while( DQ_IN() 1 )
}
}
return data
}
*
* 功 ：DHT11读取温湿度数
* 参 数：
* 返回值：
*
int DHT11_Readdata(uint8_t Data[])
{
uint8_t cnt 0 超时检测
********************** 第步：STM32DHT11发送起始信号 ***********************
DHT11_DQ_OUT() DQ引脚设置输出模式
DQ 1
delay_ms(1)
DQ 0
delay_ms(20) 少拉低18ms
DQ 1
delay_us(30) 需拉高20~40us
********************** 第二步：DHT11STM32发送响应信号 ***********************
DHT11_DQ_IN() DQ引脚设置输入模式
while( 0 DQ_IN() ) 等 80us 低电结束
{
delay_us(1)
cnt++
if(cnt > 100) 超时判断
return 1
}
cnt 0 定记清零
while( 1 DQ_IN() ) 等 80us 高电结束
{
delay_us(1)
cnt++
if(cnt > 100) 超时判断
return 2
}
********************** 第三步：DHT11STM32发送40位数 ***********************
for(cnt0cnt<5cnt++) 40bit数分5次读取次读取8bit(字节)
{
Data[cnt] DHT11_ReadByte()
}
********************** 第四步：检测读取数否正常 ***********************
if( Data[4] (Data[0]+Data[1]+Data[2]+Data[3]) )
{
return 0
}else{
return 3
}
}
#include speed_hsh
D0默认高电磁铁特定面（磁铁面）霍尔传感器模块时D0会拉低
*********************宏定义************************
霍尔传感器引脚
#define GUA_HALL_SENSOR_PORT GPIOB
#define GUA_HALL_SENSOR_PIN GPIO_Pin_10
void GUA_Hall_Sensor_IO_Init(void)
{
IO结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure
时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA ENABLE)
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB ENABLE)GPIOA时钟
霍尔IO配置 GPIO_Mode_OUT
GPIO_InitStructureGPIO_Pin GUA_HALL_SENSOR_PIN
GPIO_InitStructureGPIO_Mode GPIO_Mode_IPU
GPIO_InitStructureGPIO_Mode GPIO_Mode_IN
GPIO_Init(GUA_HALL_SENSOR_PORT &GPIO_InitStructure)
}
附页2
原文
However memory barrier instructions are not required if the MPU setup process starts by entering an exception handler or is followed by an exception return because the exception entry and exception return mechanism cause memory barrier behavior Software does not need any memory barrier instructions during MPU setup because it accesses the MPU through the PPB which is a StronglyOrdered memory regionFor example if you want all of the memory access behavior to take effect immediately after the programming sequence use a DSB instruction and an ISB instruction A DSB is required after changing MPU settings such as at the end of context switch An ISB is required if the code that programs the MPU region or regions is entered using a branch or call If the programming sequence is entered using a return from exception or by taking an exception then you do not require an ISB
ANSI cannot directly access some CortexM3 instructions This section describes intrinsic functions that can generate these instructions provided by the CMIS and that might be provided by a C compiler If a C compiler does not support an appropriate intrinsic function you might have to use an inline assembler to access some instructions The CMSIS provides the intrinsic functions listed in Table 21 to generate instructions that ANSI cannot directly access
If a pending interrupt is enabled the NVIC activates the interrupt based on its priority If an interrupt is not enabled asserting its interrupt signal changes the interrupt state to pending but the NVIC never activates the interrupt regardless of its priority
A levelsensitive interrupt is held asserted until the peripheral deasserts the interrupt signal Typically this happens because the ISR accesses the peripheral causing it to clear the interrupt request A pulse interrupt is an interrupt signal sampled synchronously on the rising edge of the processor clock To ensure the NVIC detects the interrupt the peripheral must assert the interrupt signal for at least one clock cycle during which the NVIC detects
the pulse and latches the interrupt When the processor enters the ISR it automatically removes the pending state from the interrupt see Hardware and software control of interrupts For a levelsensitive interrupt if the signal is not deasserted before the processor returns from the ISR the interrupt becomes pending again and the processor must execute its ISR again This means that the peripheral can hold the interrupt signal asserted until it no longer needs servicing
A pending interrupt remains pending until one of the following
The processor enters the ISR for the interrupt This changes the state of the interrupt from pending to active Then
– For a levelsensitive interrupt when the processor returns from the ISR the NVIC samples the interrupt signal If the signal is asserted the state of the interrupt changes to pending which might cause the processor to immediately reenter the ISR Otherwise the state of the interrupt changes to inactive
– For a pulse interrupt the NVIC continues to monitor the interrupt signal and if this is pulsed the state of the interrupt changes to pending and active In this case when the processor returns from the ISR the state of the interrupt changes to pending which might cause the processor to immediately reenter the ISR If the interrupt signal is not pulsed while the processor is in the ISR when the processor returns from the ISR the state of the interrupt changes to inactive
Software writes to the corresponding interrupt clearpending register bit
For a levelsensitive interrupt if the interrupt signal is still asserted the state of the interrupt does not change Otherwise the state of the interrupt changes to inactive
For a pulse interrupt state of the interrupt changes to
– Inactive if the state was pending
– Active if the state was active and pending
An instruction operand can be an ARM register a constant or another instructionspecific parameter Instructions act on the operands and often store the result in a destination register When there is a destination register in the instruction it is usually specified before the operands
译文：
果MPU设置程通输入异常处理程序开始返回异常需存屏障指令异常输入异常返回机制会导致存屏障行 MPU设置期间软件需存屏障指令通PPB（强序存区域）访问MPU 例果您希存储器访问行编程序立生效请DSB指令ISB指令 更改MPU设置（例文切换结束时）需DSB 果分支调输入MPU区域编程代码需ISB 果异常返回通接受异常输入编程序需ISB
ANSI法直接访问某CortexM3指令 节介绍生成指令部函数指令CMIS提供C编译器提供 果C编译器支持适部函数必须联汇编器访问某指令 CMSIS提供表21中列出固功生成ANSI法直接访问指令
果启处理中断NVIC会根优先级激活该中断 果未启中断断言中断信号会中断状态更改挂起NVIC会激活该中断优先级
高电敏感中断保持效直外设中断信号置效止 通常发生种情况ISR访问外围设备导致清中断请求 脉中断处理器时钟升步采样中断信号 确保NVIC检测中断外设必须少时钟周期声明中断信号期间NVIC检测脉锁存中断 处理器进入ISR动中断中删挂起状态请参阅中断硬件软件控制 电敏感中断果处理器ISR返回前没取消声明信号中断次变未决状态处理器必须次执行ISR 意味着外设保持断言中断信号直需服务止
决中断直决直列情况：
处理器输入中断ISR会中断状态挂起更改活动然：
–级敏感中断处理器ISR返回时NVIC中断信号进行采样果该信号效中断状态变挂起导致处理器立重新输入ISR否中断状态变非活动状态
–脉中断NVIC继续监视中断信号果发出脉中断状态更改未决效种情况处理器ISR返回时中断状态变挂起状态导致处理器立重新进入ISR果处理器处ISR时未发出中断信号处理器ISR返回时中断状态变非活动状态
软件写入相应中断清挂起寄存器位
电敏感中断果中断信号然效中断状态会改变否中断状态变非活动状态
脉中断中断状态更改：
–非活动状态（果状态定）
–活动果状态活动未决
指令操作数ARM寄存器常量特定指令参数 指令作操作数通常结果存储目标寄存器中 指令中目标寄存器时通常操作数前指定目标寄存器
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基stm32健身行车数采集系统设计
基stm32健身行车数采集系统设计
摘
着科技进步领域运数采集系统数采集系统研发越越受重视次目标设计开发套应健身行车数采集系统该数系统控芯片STM32F407ZET6实现健身行车数采集传输存储显示功
结合设计求文设计系统硬件电路连接系统软件控制设计中硬件电路连接包括温湿度采集电路连接电流电压采集电路连接速度采集电路连接显示电路连接电源电路连接等软件控制述模块进行驱动模块间采IIC协议串口协议等通讯软件进行测试测试结果表明：系统够准确采集数整系统运行效果良数视化达课题设计求
关键词：数采集系统STM32F407ZET6IIC协议串口协议视化
Design of data collection system for exercise bike based on stm32
Abstract
With the advancement of technology data collection systems are used in various fields The research and development of data acquisition systems is also gaining more and more attention The goal of this time is to design and develop a data collection system for fitness bicycles The main chip of this data system is STM32F407ZET6 which mainly realizes the collection transmission storage and display functions of fitness bicycle data
Combined with the design requirements this paper mainly designs the system hardware circuit connection and system software control design The hardware circuit connection includes temperature and humidity acquisition circuit connection current and voltage acquisition circuit connection speed acquisition circuit connection display circuit connection and power circuit connection The software control is mainly to drive the abovementioned modules and the IIC protocol and serial port protocol are used for communication between the modules Finally the software is tested The test results show that the system can accurately collect data and the entire system operates well making the data visible To meet the design requirements of the subject
Keywords Data acquisition system STM32F407ZET6 IIC protocol serial port protocol visualization
目 录
1 绪 1
11 课题选择背景意义 1
12 研究现状 1
121 国外数采集系统现状 2
122国数采集系统现状 2
123 发展动态 3
13 课题容 4
2 系统总体设计方案模块选型 6
21 系统总体设计方案 6
22 模块选型 7
221 温湿度传感器模块选型 7
222 速度传感器模块选型 8
223 电流电压传感器模块选型 8
224 显示模块选型 9
225 警报模块选型 10
3 系统硬件连接设计 11
31 STM32F407XX芯片简介 11
32 温湿度传感器模块 11
33 速度传感器模块 12
34 电流电压传感器模块 12
35 数显示模块 13
36 警报模块 14
4 系统软件设计 15
41 系统开发软件介绍 15
42 系统程序设计 16
421 温湿度传感器模块程序设计 16
422 速度传感器模块程序设计 17
423 电流电压传感器模块程序设 18
424 数显示模块程序设计 18
425 警报模块程序设计 19
5 系统测试 20
6 总结 22
参考文献 23
致谢 24
附页 25
附页1 25
附页2 30
1 绪
11 课题选择背景意义
着科学技术断完善行业逐渐走完善化传统纯机械满足需求慢慢走走动化舞台套完整数采集系统日益受行业重视数采集系统然存较足未数采集系统会更迷化趋势发展目前工业农业数采集系统应越越见数采集系统社会发展影响容觑市场位市场价值想知
科技迅速发展代步工具改变目前言汽车然 出行代步工具行车慢慢淡出流舞台长时间坐汽车外加现班族日夜沉迷工作导致现年轻班族少时间甚没时间进行体育运动谓生命运动长时间参加体育运动身体健康度着影响果采行车车出行方式骑行车车身种运动会群体健康疑较保障传统行车纯机械（结合电子价格高）骑行乐趣低年轻群体没吸引力次设计 STM32 控模块数采集系统传统行车结合起 STM32 市场价格高低成时提高行车骑行乐趣目前追求新事物年轻群体说疑巨吸引时群体健康提供定保障
12 研究现状
数收集系统通记录识机程序设计相协调采集机械设备中安装种传感器检测信号机械设备种电信号作数采集输入数采集系统仅提供实时数采集现场记录数分析提供离线分析设备状态数重功[1]前数采集系统技术已应许领域例机械设备定期设备状态检测数采集系统计算机机器监视系统结合起计算机提供诊断机器状况检测机器运作状态效方法
121 国外数采集系统现状
前数采集系统正越越智方式开发模块化特点变越越明显海外市场数采集系统发展已初见规模海外市场已三种类型数种型号数采集系统数收集基功相简单较三种数采集系统性：
第代表EnglandIMP3595该系统运行工业环境恶劣条件采输入通道ADC温度压力流量电流等慢变化模拟信号量转换数信号量进行输出两实时检测检测非法量告警进实现生产程中数采集检测控制该套数采集系统特点抗干扰力强够恶略条件稳定采集检测数该系统数测量精度采集数性较高功耗低安装简便
第二代表然EnglandEnglandDATASCAN7000系列该数采集系统数采集原理功面IMP3595较相似较IMP3595DATASCAN7000系列数采集范围更广采集数精度更高DATASCAN7000系列附加网络功系统更加强
第三代表西盟电子国际限公司ALPHA900系列该系列中数收集系统功文述健身行车数收集系统相似济实智监控方法工业行业中广泛程监视状态监视处理该系统独立模块通讯采RS485方式通RS485独立模块采集温度压力电阻应变系数数字事件频率数进行传输实现模块间信息交互
122国数采集系统现状
发展数采集技术国1980年代开始1990年代初国仪表仪器制造工厂已成功开发种数采集系统中SP201SC247两种单通道数采集系统具较快数采集速度胡特点双通道胡数采集系统代表EG3300YE5938该类型数采集系统较硬件较高成时较 902921数采集系统具代表性SMC9012型数采集系统成功收集静态信号专门配备两软件包包括设备维护软件包基频谱分析软件包数采集系统应机械设备中正常条件完成监视障诊断务实现设备情况分析维护理目前类系统性国处较高水然国目前数采集技术国外数收集技术发展初始水基相
目前国外数采集系统方面差异：
（1）传感器存差异：发展时间较晚传感器技术方面起国外较差距包括传感器采样周期采样范围传感器精度等定差异
（2）存储器存差异：国数采集系统存储器容量相较数处理运算力高导致国数采集系统性低复杂数处理需时间较长满足速度求较高场景
（3）软件方面存差异：软件方面国数采集系统段时间改进需改进系统机交互界面户体验感提高改进前数收集技术重方发展紧迫问题例提高数收集准确性数收集速度改进系统功实现数采集系统许领域中发挥着越越重作运动控制快速生产程（例石油化工程）医疗设备中高速数收集需求日益增长类生命安全相关诸CT核磁振治疗仪器系统采集准确性清晰度准确性高求数收集实现爆炸检查变电站等动化领域系统行业中高速数收集需求远远超实际达水高性数收集系统具发展空间数收集研究前途光明项科学技术
123 发展动态
1950年代全世界数收集系统研究集中测试美国率先研究种测试系统军事领域目完成数收集测试操作该测试系统优势非专业士操作极提高灵活性外该数采集系统执行测试务时赖相关测试文件通测试设备进行高速动控制完成广泛1960年许成型数收集系统产品开始国际台转移期间该收集技术研究应专领域市场覆盖面非常限数设备系统具单功更高特异性
着1970年代中期计算机应程序扩展基计算机嵌入式技术开始普微型计算机逐渐成电子市场导力量时计算机集成数采集系统已开始进入历史舞台种类型数采集系统具操作简单性优良特点目前数采集系统开始逐渐消领域专线路特点
1980年代中期计算机广泛微电子学动化技术研究中促进数收集技术研究数采集系统发展较快期间赖计算机监视系统开始发展时数采集系统实现功开发总体消前接口单胡缺点兼容性增强提高动测试系统功性前数采集系统发展两方面两数采集系统间差异体现接口总线差异中间代表国际标准ICE626（GPIB）总线系统种类型数采集系统仪表采集器通接口总线计算机组成实验室工业生产现场特定应类型数收集系统第类型数收集系统处计算机控制数收集设备收集数通标准接口总线传输计算机接口系统类型通常采构建块结构相应接口卡安装专机箱中传统数收集系统相述两数收集系统数收集技术实现质飞跃系统样性达定水通专机箱添加数采集卡完成硬件配置通添加删模块程序成新系统然果仅更改收集输入信号需新输入信号电缆连接系统简单方便工业现场数采集系统通常称STD总线系统
1990年代21世纪数收集技术飞速发展应领域断扩特军事航空电子航空航天技术工业等领域数收集技术已应国际发达国家外集成电路制造技术断改进诸集成电路单芯片计算机类集成电路数采集系统高性准确性高性广泛种新型数采集系统单片机基处理单元产品精度达16位数采集速度提高时期数采集系统实际功性方面趋完美系统结构简单模块化结构理开发空间幅度增强通更改模块结构调整程序更改参数形成新功时系统稳定性进步提高国外研究中获技持续研究专门技需紧急研究
13 课题容
系统务实现健身行车数周围环境温湿度采集中采集目标数该健身行车产生电流电压该行车速度等采集数通IIC协议传输OLED屏幕显示
课题通方面进行描述：
第关数采集系统简介绍数采集系统国外研究现状简述课题研究背景意义发展前景文容
第二系统总体设计方案模块选型介绍介绍系统体框架相应模块选型包括温湿度传感器模块速度传感器模块电流电压传感器模块显示模块等
第三系统硬件设计包括温湿度传感器模块速度传感器模块电流电压传感器模块显示模块等
第四系统软件设计中包括数采集单元软件实现模块间数通讯单元软件实现
第五系统测试关整数采集系统检测模块检测性检测
2 系统总体设计方案模块选型
21 系统总体设计方案
系统设计数采集系统功结构应采集健身行车基数健身行车运行状态变更加视化系统运行模式：STM32作控制芯片模块采集数进行处理显示显示模块采集电流模拟信号通ADC单元转换数字信号数稳定发送显示模块显示系统空闲时实时显示时间周围环境温湿度变化检测周围温湿度正常范围时时告知警报模块做出警报系统发现行车转速空时系统切换采集行车数模式中该模式然会实时时间显示温湿度检测增加新开启时钟采集行车车速电流等数进行计算实时数发送显示模块显示总体系统框图（图21）示
图21 总体系统框图
22 模块选型
221 温湿度传感器模块选型
温度湿度基物理量实际环境中基涉温湿度温湿度传感器早早开发出众产品广泛应变电站环境检测汽车等等领域见行业环境温室度重视次设计健身行车数采集高低温度湿度极程度者造成影响周围环境检测超出范围温湿度告警相必
温湿度传感器技术发展较早技术方面较成熟温湿度种类种样选择应具体设计异选择合适盲目追求高精度高范围应选择合理性价高选时应注意参考项：
合适测量范围
种测量仪器言测量范围选型中忽视选项次测量周围环境温湿度测量范围需高温湿度低温湿度间包含温湿度极限值
合适测量精度
样测量精度选择款测量仪器必须考虑条件需量量产产品说更需谨慎选择精度越高价格越高应该合理选择满足求测量范围完成工作需前提量降低成次设计显示温湿度告知户精度需保持整数部分数部分课忽略结合实际情况精度选择保留整数
合适采样周期
采样周期决定款测量仪器价格高低重素应选择合理次测量周围环境温湿度众周知生活环境般情况会短时间（十秒 ）出现骤变次采样周期求高市面功传感器均满足求
DHT11数字温湿度传感器（图22示）款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器应专数字模块采集技术温湿度传感技术抗干扰力强价格亲民性价高具极高性卓越长期稳定性湿度精度+5RH温度精度+2℃量程湿度2090RH 温度0~50℃[2]基满足次设计求次选择DHT11温湿度传感器作测量温湿度模块
图22 DHT11模块
222 速度传感器模块选型
目前市面速度传感器原理分电磁测速光电测速两种中电磁代表霍尔传感器光电代表光电解码器两种相较言霍尔传感器体积面更巧重量轻抗振动力强易安装霍尔传感器广泛应方面次设计系统应健身行车选择速度传感器时体积太分析霍尔传感器非常符合次设计求次选择霍尔传感器作速度传感器模块（图23示）
图23 霍尔传感器模块
223 电流电压传感器模块选型
工业汽车商业等通讯系统中确保设备安全设备员安全需某关键器件设备进行电流电压检测次系统应健身行车该健身行车特点够发电选款较合适电流电压采集器关重
传统电流电压检测方法存许足例测量精度低反应时间长等问题体积重量重容易受干扰等典型代表电流互感器
次需选择种体积重量轻抗干扰力强电流电压传感器求价格便宜ACS712种新型线性电流传感器Allegro公司研发推出款具低噪音高灵敏度传感器该传感器体积方便价格较合适符合次设计求次目标传感器确定：ACS712图24示
图24 ACS712传感器模块
224 显示模块选型
目前嵌入式设备中显示模块LED灯显示LCD屏幕显示OLED显示中LED灯显示应简单数字简单字符显示LCD屏幕较LCD屏幕显示较复杂图形界面LCD屏幕色彩显示较丰富LCD屏幕手机等电子设备应较广泛OLED屏幕目前非常流行显示效果面说OLED屏幕优LEDLCD屏幕OLED屏幕更加节价格说OLED屏幕相前两者说略微显高次设计系统显示数文类信息类似电脑终端显示屏幕求高基前面三种显示方式说处选OLED更恰文选择OLED屏幕图25示
图25 OLED屏幕模块
225 警报模块选型
目前领域中警报装置较三方面出发方面视觉效果传递危险信号方面听觉效果传递危险信号第三方面通嗅觉传递危险信号常见做法出现危险情况时视觉较显眼设备提高警惕性听觉采带危险信号声音提高警惕性嗅觉采刺激性气味传播提高警惕性
嗅觉发出警报般工作某危险性气体防止危险性气体声息传播导致造成伤害危险性气体中加入刺激性气味物质危险性气体带刺激性气味通知危险说家煤气次设计未涉危险性气体方面忽略
视觉听觉发出警报目前绝数设备采种方式听觉发出警报性声音听觉加视觉发出警报性声音结合带警报信号灯直观提高警报优先级震时会发出特殊声音通知救护车执行务时候会闪灯加特殊声音发出警报
次设计报警系统针室温湿度发出警报次选择视觉结合听觉非法温湿度发出警报采电子元件LED灯蜂鸣器出现非法情况时通LED灯高频率闪烁加蜂鸣器持续高响传播危险信号图26示LED灯图27蜂鸣器
图26 LED灯 图27 蜂鸣器模块
3 系统硬件连接设计
31 STM32F407XX芯片简介
STM32系列芯片目前广泛应行业包括汽车行业变电站等等STM32系列ST公司开发种性高功耗低价格合理微控制器STM32ART技术芯片程序执行效率提高相传统51单片机STM32说质提高高速运算力丰富外设51单片机拟
STM32F4具丰富定时器百引脚起STM32F1两32位定时器STM32F4拥更加持久更加精确定时更引脚STM32F4更强拓展性拥重AHB总线矩阵通道DMA：支持程序执行数传输行处理[3]数传输速率非常快优点STM32目前嵌入式市场非常流行图31STM32F407ZGT6
图31 STM32F407ZGT6芯片
32 温湿度传感器模块
图32示DHT11模块3引脚中引脚接VCC（5伏电压）引脚接GND剩引脚DATA引脚数传输引脚次DHT11DATA引脚接STM32PG9引脚通读取PG9引脚值获取DHT11获取数硬件连接图32示
图32 DHT11硬件连接
33 速度传感器模块
霍尔传感器模块VCCGNDD0A0 四引脚次VCCGNDD0三引脚中VCCGND分5伏电压连接D0引脚STM32IO口相连需说明D0默认高电磁铁特定面（磁铁面）霍尔传感器模块时D0会拉低[4]根特性计算出行车车速设行车骑行时间tD0拉低n次行车轮半径r计算出行车速度v：
V 2πr * n t
霍尔传感器硬件连接图33示（次D0接引脚PA8）
图33 霍尔传感器硬件连接图
34 电流电压传感器模块
ACS712引脚8中四脚接收测电流输入端防止超范围电流值控制芯片影响四引脚均置保险详细引脚分布图34示
图34 ACS712引脚图
引脚功描述见表31示
表31 ACS712引脚描述
引脚
名称
功描述
1
P+
测电流输入输出
2
P+
测电流输入输出
3
P
测电流输入输出
4
P
测电流输入输出
5
GND
线
6
FILTER
外接电容
7
VIOUT
模拟电压输出
8
VCC
电源电压
根引脚功描述说明需VIOUT引脚接入控制芯片具ADC功引脚
35 数显示模块
次设计096寸OLED屏幕该屏黄蓝白白蓝三种颜色选分辨率128*64提供种接口方式中包括68008080 两种行接口方式3线4线串行SPI接口方式IIC接口方式次选择IIC接口方式面针IIC接口方式相关引脚必说明[5]
1 GND 电源
2 VCC 电源正（3～55V）
3 SCL OLED D0 脚 IIC 通信中时钟脚
4 SDA OLED D1 脚 IIC 通信中数脚
OLED模块原理图图35示
图35 OLED模块原理图
36 警报模块
基第二章选型根LED灯蜂鸣器特点LED灯蜂鸣器直接应连接引脚实现度控制选引脚时选功较简单引脚结合次控制片次两LED灯分连接PF9PF10引脚蜂鸣器连接PF8引脚硬件连接图36示
图36 警报模块硬件连接
4 系统软件设计
41 系统开发软件介绍
基控制器基STM32F4 ARM核许基ARM嵌入式开发环境应软件程序开发常见ARM开发工具MDKIAR Evaram次选择MDK作系统开发工具ARM2007年发布嵌入式开发工具环境LTV优势ARM Real View编译器工具RVCT 31优势结合起ARM嵌入式开发工具MDK数完全支持皮质工具STM 32F40X系列处理器外围接口获取完整数手册[6]图41显示面开发环境
图41 KeilMDK开发环境
42 系统程序设计
421 温湿度传感器模块程序设计
DHT11温湿度传感器模块制芯片采单总线协议通讯方式控芯片发送次复位信号请求DHT11传输数DHT11接受机复位信号低功率模式转换高速模式控芯片复位信号结束DHT11立控芯片发送响应信号时总线电拉高准备开始数传输DHT11传输数规定协议次完整传输包括40bit5字节数中8bit湿度整数部分数+8bit湿度数部分数+8bit温度整数部分数+8bit温度数部分数8bit数校验数校验位数果前4字节数相加[7]表示数传输正确否表示数传输异常数传输正常控芯片次发送复位信号请求数时DHT11动切换回低功率模式出现异常时控芯片应次发送复位信号请求DHT11传输数连续5次接受异常数时控芯片视DHT11模块异常短时间DHT11发送数请求
DHT传输数时严格实求操作时序应严格时序图进行操作般分步骤进行：
1）控芯片发送复位信号（时序图图42示）
首先控芯片动拉低总线电（少保持18ms）然拉高总线电（少保持2040us）时控芯片已完成复位信号发送
2）控芯片发送完成复位信号DHT11发送应答信号（时序图图42示）
DHT11监听控芯片复位信号时立切换高速运作模式时控芯片发送响应信号时DHT11总线电拉低80us（误差避免实际开发中难保证电拉低时间80us允许时间波动低电时间20100us时视DHT11响应成功）告诉控芯片数准备完成DHT11拉高总线电80us（控芯片接受响应信号时立会监听总线监听总线电80us高电时认DHT11已做数传输准备）做开始传输数准备
图42 DHT11起始相应时序信号图
3）数传输（时序图图43示）
DHT11拉高总线电80us开始数传输图43示两bit数间总线50us间隙说完成传输1bit数时DHT11会总线拉低50us开始bit数传输传输数容总线高电持续时间确定DHT11拉高总线电时间2628us时表示数0DHT11拉高总线电时间70us时表示数1
图43 DHT11数传输时序信号图
具体代码实现见附页
422 速度传感器模块程序设计
根霍尔传感器硬件特性（详细介绍见33 速度传感器模块）结合控制芯片 STM32F407xx 具通定时器（TIMx）功微控制器霍尔传感器接口非常简单事实特点磁铁霍尔传感器时霍尔传感器D0引脚高电跳变低电时需定时器输入捕获功捕获霍尔传感器电变化周期刻车轮旋转圈需时间根获取时间车轮半径刻简单计算出车轮转速
图44 霍尔传感器电变化
图44示霍尔传感器空闲时高电状态信号时高电跳变低电时需设置定时器输入捕获功捕获高电跳变低电开始计时捕获第二高电跳变低电结束定时捕获电变化周期时间T（时速度V根33 速度传感器模块描述方法计算出）
具体代码实现见附页
423 电流电压传感器模块程序设
次选应模块ACS712模块该模块输出模拟量时应采集模拟量进行转换转换成视化数字量次控制芯片STM32F407ZGT6具ADC功需采集模拟量ADC转换器完成模数转换
424 数显示模块程序设计
文中显示模块选择OLEDOLED屏提供种口方式中行68008080两种提供三线四线SPI接口IIC接口次选择IIC接口
首先介绍IIC协议IIC种步通讯协议数传输SCL时钟线SDA数线两根线传输次传输8bit数[8]
图45 IIC总线协议图
时钟线作时间步数线顾名思义数传输图45示空闲状态时SDA线SCL线处高电状态SCL线处高电机控制SDA线高电跳变低电时时作数传输开始信号数传输结束时相似SDASCL高电期间低电跳变高电时结束两器件间通讯[9]
传输数时机SCL线高电时候检测SDA线期间机必须保持SCL线高电直机读取数机拉低时钟线准备次传输数数容SDA线电决定高电1低电0}
应答信号（ACK）：机接收8bit数会第九时间周期拉低SDA电机发送应答信号告诉机已接收数时等应答机接收机应答会根实际需确定否继续机发送数机应答机接收机应答机会认机出现障结束机数交互
设计中需采集数实时写OLED屏幕代码见附页
425 警报模块程序设计
警报模块设置安全范围采集数超安全范围时候拉低拉高LED蜂鸣器应引脚发出报警代码实现见附页
5 系统测试
通常保证系统稳定性需系统做定测试次数采集系统例外系统言常见测试项目性测试稳定性测试中性包括软件性硬件性软件性针软件基功否正常运行硬件性针硬件定压力条件否正常运行硬件测试方法高温测试稳定性测试测试系统长时间运行时否保持正常状态系统选硬件目前说较成熟技术次硬件进行高温测试次针软件进行测试
根系统功制定测试表格系统性稳定性等做全面测试见表51
表51 系统测试表
序号
测试项目
操作方法
预期结果
否符合预期结果
备注
1
DHT11模块
1手触碰DHT11模块
1DHT11采集温度湿度持续变化稳定值该值手温度湿度
2
霍尔传感器模块
1保持电机恒速转动
2PMW波控制电机变速转动
1霍尔传感器采集速度变化变化幅度较
2霍尔传感器采集速度PWM波波形变化
3
电流电压传感器模块
1电流电压输入稳定电流电压
1电流电压传感器采集数变化变化幅度较
4
报警模块
1温度超出安全范围
2湿度超出安全范围
3温度湿度超出安全范围
1LED等闪烁蜂鸣器长鸣
2LED等闪烁蜂鸣器长鸣
3LED等闪烁蜂鸣器长鸣
5
系统稳定性
1持续8时运行系统
1系统稳定出现死机现象
根表51列出测试项目测试结果表52示：
表52 系统测试结果表
序号
测试项目
操作方法
预期结果
测试次数时长
否符合预期结果
备注
1
DHT11模块
1手触碰DHT11模块
1DHT11采集温度湿度持续变化稳定值该值手温度湿度
20
2
霍尔传感器模块
1保持电机恒速转动
2PMW波控制电机变速转动
1霍尔传感器采集速度变化变化幅度较
2霍尔传感器采集速度PWM波波形变化
20
3
电流电压传感器模块
1电流电压输入稳定电流电压
1电流电压传感器采集数变化变化幅度较
20
4
报警模块
1温度超出安全范围
2湿度超出安全范围
3温度湿度超出安全范围
1LED等闪烁蜂鸣器长鸣
2LED等闪烁蜂鸣器长鸣
3LED等闪烁蜂鸣器长鸣
20
5
系统稳定性
1持续8时运行系统
1系统稳定出现死机现象
10h
测试结果显示系统够准确采集数整系统运行稳定数采集效果良达预期求
6 总结
数采集系统绝数领域广泛应国国外极力开发数采集系统
通段时间设计开发总体完成项工作：
1 学数采集系统理参考相关文献资料现数采集系统数采集系统定解
2 学嵌入式软件开发方法理
3 查阅资料数采集系统选合适传感器模块
4 设计开发数采集系统中温湿度速度电流电压告警装置等模块
5 设计出系统进行必测试
通次实践学较专业知识设计中存许足设计出系统功然较单应加利控制芯片强功实现更实性高功
参考文献
[1] 刘伟 基STM32直升机数采集系统设计[D] 河北工程学 2014
[2] 刘天飞 李志球 韦建海 邬磊 赵建胜 装备制造技术[D] 海海通学机器研究 2015
[3] 道客巴巴 激光坦克战玩具系统 [D]互联网
[4] 张晓晓 马华 晨曦 王悦 韩惠羽 传感器微系统[J] 期刊 2019
[5] 谢鑫 生理参数线监测系统研究设计[J] 哈尔滨理工学2016 (03)
[6] 周柱 基STM32智车研究[J] 西南交通学 2011 (04)
[7] 时伟伟 智穿戴服装中数线传输研究[J] 北京服装学院 2017 (03)
[8] ST STM32F10xx CortexM programming manual[J]STApril 2010
[9] 孙猛 基FPGA运动目标检测系统[M] 北京交通学 2012(10)
附页
附页1
#include dht11h
*
DHT11_DQ >PG9
*
*
* 功 ：DHT11初始化
* 参 数：
* 返回值：
*
void DHT11_Init(void)
{
定义结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct
1 GPIOG 时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG ENABLE)
2配置初始化 GPIO
GPIO_InitStructGPIO_Mode GPIO_Mode_OUT 输出模式
GPIO_InitStructGPIO_OType GPIO_OType_PP 推挽
GPIO_InitStructGPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP 拉
GPIO_InitStructGPIO_Speed GPIO_Speed_25MHz 求高速率越高功耗会越高
GPIO_InitStructGPIO_Pin GPIO_Pin_9
GPIO_Init(GPIOG &GPIO_InitStruct)
空闲时处高电
GPIO_SetBits(GPIOGGPIO_Pin_9)
}
*
* 功 ：DHT11_DQ设置输出模式
* 参 数：
* 返回值：
*
static void DHT11_DQ_OUT(void)
{
定义结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct
1 GPIOG 时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG ENABLE)
2配置初始化 GPIO
GPIO_InitStructGPIO_Mode GPIO_Mode_OUT 输出模式
GPIO_InitStructGPIO_OType GPIO_OType_PP 推挽
GPIO_InitStructGPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP 拉
GPIO_InitStructGPIO_Speed GPIO_Speed_25MHz 求高速率越高功耗会越高
GPIO_InitStructGPIO_Pin GPIO_Pin_9
GPIO_Init(GPIOG &GPIO_InitStruct)
}
*
* 功 ：DHT11_DQ设置输入模式
* 参 数：
* 返回值：
*
static void DHT11_DQ_IN(void)
{
定义结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct
1 GPIOG 时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG ENABLE)
2配置初始化 GPIO
GPIO_InitStructGPIO_Mode GPIO_Mode_IN 输出模式
GPIO_InitStructGPIO_PuPd GPIO_PuPd_UP 拉
GPIO_InitStructGPIO_Pin GPIO_Pin_9
GPIO_Init(GPIOG &GPIO_InitStruct)
}
*
* 功 ：DHT11读取字节数
* 参 数：
* 返回值：
*
static uint8_t DHT11_ReadByte(void) 假设读取 0001 1110
{
uint8_t i
uint8_t data xxxxxxxx
for(i0i<8i++) 遍历8次次识位数 高位先出
{
0150us低电需等
while( DQ_IN() 0 )
if(DQ_IN() 1)
{
delay_us(40)
if(DQ_IN() 1) 果等40us检测1说明1
{
data | 0x1<<(7i) i3 data 0001xxxx
}else{
data & ~(0x1<<(7i)) i0 data 0xxxxxxx
i1 data 00xxxxxx
i2 data 000xxxxx
}
等剩余高电结束
while( DQ_IN() 1 )
}
}
return data
}
*
* 功 ：DHT11读取温湿度数
* 参 数：
* 返回值：
*
int DHT11_Readdata(uint8_t Data[])
{
uint8_t cnt 0 超时检测
********************** 第步：STM32DHT11发送起始信号 ***********************
DHT11_DQ_OUT() DQ引脚设置输出模式
DQ 1
delay_ms(1)
DQ 0
delay_ms(20) 少拉低18ms
DQ 1
delay_us(30) 需拉高20~40us
********************** 第二步：DHT11STM32发送响应信号 ***********************
DHT11_DQ_IN() DQ引脚设置输入模式
while( 0 DQ_IN() ) 等 80us 低电结束
{
delay_us(1)
cnt++
if(cnt > 100) 超时判断
return 1
}
cnt 0 定记清零
while( 1 DQ_IN() ) 等 80us 高电结束
{
delay_us(1)
cnt++
if(cnt > 100) 超时判断
return 2
}
********************** 第三步：DHT11STM32发送40位数 ***********************
for(cnt0cnt<5cnt++) 40bit数分5次读取次读取8bit(字节)
{
Data[cnt] DHT11_ReadByte()
}
********************** 第四步：检测读取数否正常 ***********************
if( Data[4] (Data[0]+Data[1]+Data[2]+Data[3]) )
{
return 0
}else{
return 3
}
}
#include speed_hsh
D0默认高电磁铁特定面（磁铁面）霍尔传感器模块时D0会拉低
*********************宏定义************************
霍尔传感器引脚
#define GUA_HALL_SENSOR_PORT GPIOB
#define GUA_HALL_SENSOR_PIN GPIO_Pin_10
void GUA_Hall_Sensor_IO_Init(void)
{
IO结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure
时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA ENABLE)
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB ENABLE)GPIOA时钟
霍尔IO配置 GPIO_Mode_OUT
GPIO_InitStructureGPIO_Pin GUA_HALL_SENSOR_PIN
GPIO_InitStructureGPIO_Mode GPIO_Mode_IPU
GPIO_InitStructureGPIO_Mode GPIO_Mode_IN
GPIO_Init(GUA_HALL_SENSOR_PORT &GPIO_InitStructure)
}
附页2
原文
However memory barrier instructions are not required if the MPU setup process starts by entering an exception handler or is followed by an exception return because the exception entry and exception return mechanism cause memory barrier behavior Software does not need any memory barrier instructions during MPU setup because it accesses the MPU through the PPB which is a StronglyOrdered memory regionFor example if you want all of the memory access behavior to take effect immediately after the programming sequence use a DSB instruction and an ISB instruction A DSB is required after changing MPU settings such as at the end of context switch An ISB is required if the code that programs the MPU region or regions is entered using a branch or call If the programming sequence is entered using a return from exception or by taking an exception then you do not require an ISB
ANSI cannot directly access some CortexM3 instructions This section describes intrinsic functions that can generate these instructions provided by the CMIS and that might be provided by a C compiler If a C compiler does not support an appropriate intrinsic function you might have to use an inline assembler to access some instructions The CMSIS provides the intrinsic functions listed in Table 21 to generate instructions that ANSI cannot directly access
If a pending interrupt is enabled the NVIC activates the interrupt based on its priority If an interrupt is not enabled asserting its interrupt signal changes the interrupt state to pending but the NVIC never activates the interrupt regardless of its priority
A levelsensitive interrupt is held asserted until the peripheral deasserts the interrupt signal Typically this happens because the ISR accesses the peripheral causing it to clear the interrupt request A pulse interrupt is an interrupt signal sampled synchronously on the rising edge of the processor clock To ensure the NVIC detects the interrupt the peripheral must assert the interrupt signal for at least one clock cycle during which the NVIC detects
the pulse and latches the interrupt When the processor enters the ISR it automatically removes the pending state from the interrupt see Hardware and software control of interrupts For a levelsensitive interrupt if the signal is not deasserted before the processor returns from the ISR the interrupt becomes pending again and the processor must execute its ISR again This means that the peripheral can hold the interrupt signal asserted until it no longer needs servicing
A pending interrupt remains pending until one of the following
The processor enters the ISR for the interrupt This changes the state of the interrupt from pending to active Then
– For a levelsensitive interrupt when the processor returns from the ISR the NVIC samples the interrupt signal If the signal is asserted the state of the interrupt changes to pending which might cause the processor to immediately reenter the ISR Otherwise the state of the interrupt changes to inactive
– For a pulse interrupt the NVIC continues to monitor the interrupt signal and if this is pulsed the state of the interrupt changes to pending and active In this case when the processor returns from the ISR the state of the interrupt changes to pending which might cause the processor to immediately reenter the ISR If the interrupt signal is not pulsed while the processor is in the ISR when the processor returns from the ISR the state of the interrupt changes to inactive
Software writes to the corresponding interrupt clearpending register bit
For a levelsensitive interrupt if the interrupt signal is still asserted the state of the interrupt does not change Otherwise the state of the interrupt changes to inactive
For a pulse interrupt state of the interrupt changes to
– Inactive if the state was pending
– Active if the state was active and pending
An instruction operand can be an ARM register a constant or another instructionspecific parameter Instructions act on the operands and often store the result in a destination register When there is a destination register in the instruction it is usually specified before the operands
译文：
果MPU设置程通输入异常处理程序开始返回异常需存屏障指令异常输入异常返回机制会导致存屏障行 MPU设置期间软件需存屏障指令通PPB（强序存区域）访问MPU 例果您希存储器访问行编程序立生效请DSB指令ISB指令 更改MPU设置（例文切换结束时）需DSB 果分支调输入MPU区域编程代码需ISB 果异常返回通接受异常输入编程序需ISB
ANSI法直接访问某CortexM3指令 节介绍生成指令部函数指令CMIS提供C编译器提供 果C编译器支持适部函数必须联汇编器访问某指令 CMSIS提供表21中列出固功生成ANSI法直接访问指令
果启处理中断NVIC会根优先级激活该中断 果未启中断断言中断信号会中断状态更改挂起NVIC会激活该中断优先级
高电敏感中断保持效直外设中断信号置效止 通常发生种情况ISR访问外围设备导致清中断请求 脉中断处理器时钟升步采样中断信号 确保NVIC检测中断外设必须少时钟周期声明中断信号期间NVIC检测脉锁存中断 处理器进入ISR动中断中删挂起状态请参阅中断硬件软件控制 电敏感中断果处理器ISR返回前没取消声明信号中断次变未决状态处理器必须次执行ISR 意味着外设保持断言中断信号直需服务止
决中断直决直列情况：
处理器输入中断ISR会中断状态挂起更改活动然：
–级敏感中断处理器ISR返回时NVIC中断信号进行采样果该信号效中断状态变挂起导致处理器立重新输入ISR否中断状态变非活动状态
–脉中断NVIC继续监视中断信号果发出脉中断状态更改未决效种情况处理器ISR返回时中断状态变挂起状态导致处理器立重新进入ISR果处理器处ISR时未发出中断信号处理器ISR返回时中断状态变非活动状态
软件写入相应中断清挂起寄存器位
电敏感中断果中断信号然效中断状态会改变否中断状态变非活动状态
脉中断中断状态更改：
–非活动状态（果状态定）
–活动果状态活动未决
指令操作数ARM寄存器常量特定指令参数 指令作操作数通常结果存储目标寄存器中 指令中目标寄存器时通常操作数前指定目标寄存器
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