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STM32外设应用技术博文：基于UART的温度传感器数据采集

news 2024/10/22 9:39:28

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🥭本文内容：STM32外设应用技术博文：基于UART的温度传感器数据采集

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文章目录

- 引言
- 硬件环境
- - 1. 硬件组成
  - - 1.1 STM32开发板
    - 1.2 温度传感器
    - 1.3 USB转TTL模块
    - 1.4 其他配件
  - 2. 连接方式
  - - 2.1 DS18B20与STM32的连接
    - 2.2 USB转TTL模块与STM32的连接
  - 3. 硬件布局示意图
  - 4. 注意事项
- 软件环境
- - 1. 开发工具
  - - 1.1 STM32CubeIDE
    - 1.2 STM32CubeMX
  - 2. 项目设置
  - - 2.1 创建新项目
    - 2.2 外设配置
    - 2.3 生成代码
  - 3. 编写代码
  - - 3.1 代码结构
    - 3.2 代码实现
  - 4. 调试工具
  - - 4.1 串口监视器
    - 4.2 调试器
  - 5. 注意事项
- 代码实现
- - 1. 初始化UART和GPIO
  - - 1.1 包含头文件
    - 1.2 UART和GPIO初始化函数
  - 2. 温度读取函数
  - 3. 数据发送
  - 4. 完整代码示例
  - 5. 注意事项
- 结论
- - 1. 项目总结
  - 2. 技术优势
  - 3. 应用前景
  - 4. 未来工作
  - 5. 总结

引言

随着物联网（IoT）和智能设备的快速发展，嵌入式系统在各个领域的应用越来越广泛。STM32系列微控制器因其高性能、低功耗和丰富的外设接口，成为了开发者的热门选择。STM32不仅支持多种通信协议，还具备强大的处理能力，能够满足复杂应用的需求。

在众多外设中，UART（通用异步收发传输器）是最常用的串行通信接口之一。它的简单性和灵活性使得UART在微控制器与其他设备（如传感器、模块和计算机）之间的通信中得到了广泛应用。通过UART，开发者可以轻松实现数据的发送和接收，进行实时监控和数据采集。

本博文将围绕STM32的UART外设，结合具体案例，展示如何通过UART接口实现温度传感器的数据采集。我们将使用DS18B20温度传感器作为示例，介绍其基本原理、连接方式以及如何通过STM32进行数据读取和传输。通过这个案例，读者将能够深入理解STM32外设的应用，并掌握UART通信的基本操作。

在实际应用中，温度监测是许多系统的基本功能之一，如环境监测、智能家居和工业控制等。通过STM32与温度传感器的结合，开发者可以构建出高效、可靠的温度监测系统，为后续的数据处理和分析提供基础。希望通过本博文的介绍，能够激发读者对STM32外设应用的兴趣，并为他们的项目提供实用的参考和指导。

硬件环境

在进行STM32外设应用开发时，硬件环境的选择和配置至关重要。以下是本案例中所需的硬件组件的详细阐述。

1. 硬件组成

1.1 STM32开发板

型号：STM32F103C8T6
特点：
- 采用ARM Cortex-M3内核，主频高达72MHz。
- 具有64KB的闪存和20KB的SRAM，适合中小型应用。
- 提供丰富的外设接口，包括GPIO、UART、I2C、SPI等，方便与各种传感器和模块连接。

1.2 温度传感器

型号：DS18B20
特点：
- 数字温度传感器，具有较高的精度（±0.5°C）。
- 采用单总线接口，支持多点连接，多个DS18B20可以共享同一数据线。
- 工作温度范围广，从-55°C到+125°C，适合多种环境监测应用。

1.3 USB转TTL模块

型号：FTDI FT232或CP2102
特点：
- 用于将STM32的UART信号转换为USB信号，方便与计算机进行通信。
- 提供调试功能，可以通过串口监视器查看STM32发送的数据。
- 具有简单的接线方式，通常只需连接TX、RX、GND和VCC。

1.4 其他配件

跳线：用于连接各个模块和开发板，确保信号的稳定传输。
面包板：用于搭建原型电路，方便进行硬件连接和调试。

2. 连接方式

2.1 DS18B20与STM32的连接

VCC引脚：连接到STM32的3.3V引脚，提供电源。
GND引脚：连接到STM32的GND引脚，形成电路的地。
数据引脚：连接到STM32的某个GPIO引脚（如PA0），用于数据传输。

2.2 USB转TTL模块与STM32的连接

TX引脚：连接到STM32的RX引脚，接收STM32发送的数据。
RX引脚：连接到STM32的TX引脚，发送数据到STM32。
GND引脚：连接到STM32的GND引脚，确保信号的共地。
VCC引脚：可选，连接到STM32的3.3V引脚，为USB转TTL模块供电。

3. 硬件布局示意图

在实际搭建过程中，可以参考以下连接示意图（请根据具体硬件调整）：

STM32F103C8T6          DS18B20
-----------------      ----------------
|               |      |              |
|   VCC ------->|----->| VCC          |
|   GND ------->|----->| GND          |
|   PA0 ------->|----->| Data         |
|               |      |              |
-----------------      ----------------STM32F103C8T6          USB转TTL模块
-----------------      ----------------
|               |      |              |
|   TX -------> |----->| RX           |
|   RX <------- |<-----| TX           |
|   GND ------->|----->| GND          |
|               |      |              |
-----------------      ----------------

4. 注意事项

电源电压：确保DS18B20和STM32的供电电压一致，通常为3.3V，避免损坏组件。
数据线拉高：在DS18B20的数据引脚上添加一个4.7kΩ的上拉电阻，以确保数据传输的稳定性。
接线牢固：在面包板上连接时，确保所有连接牢固，避免因接触不良导致的通信失败。

软件环境

在进行STM32外设应用开发时，软件环境的配置和选择同样重要。以下是本案例中所需的软件工具和配置的详细阐述。

1. 开发工具

1.1 STM32CubeIDE

简介：STM32CubeIDE是STMicroelectronics提供的集成开发环境，基于Eclipse平台，支持STM32系列微控制器的开发。
特点：
- 提供代码编辑、编译、调试等一体化功能，简化开发流程。
- 集成了STM32CubeMX，方便进行外设配置和代码生成。
- 支持多种编译器，如GCC和IAR，适合不同开发需求。

1.2 STM32CubeMX

简介：STM32CubeMX是一个图形化配置工具，帮助开发者快速配置STM32微控制器的外设和时钟。
特点：
- 通过图形界面配置GPIO、UART、I2C等外设，生成初始化代码。
- 支持时钟树配置，确保系统时钟的稳定性。
- 提供中间件支持，如FreeRTOS、USB等，方便开发复杂应用。

2. 项目设置

2.1 创建新项目

打开STM32CubeMX，选择“新建项目”。
选择目标微控制器，如STM32F103C8T6，点击“下一步”。
配置引脚：
- 在“Pinout & Configuration”中，选择UART1并配置为“异步模式”。
- 配置PA0为GPIO，用于连接DS18B20的数据引脚。

2.2 外设配置

UART配置：
- 在“Configuration”选项中，设置UART的波特率为115200，数据位为8位，停止位为1位，无奇偶校验。
- 启用中断（可选），以便在接收数据时触发中断处理。
GPIO配置：
- 配置PA0为推挽输出，确保与DS18B20的数据引脚连接稳定。

2.3 生成代码

点击“Project”菜单，设置项目名称和保存路径，选择“STM32CubeIDE”作为工具链。
点击“生成代码”，STM32CubeMX将自动生成初始化代码和项目结构。

3. 编写代码

3.1 代码结构

在STM32CubeIDE中，生成的项目结构通常包括以下几个重要文件：

main.c：主程序文件，包含主循环和外设初始化代码。
stm32f1xx_hal_conf.h：HAL库配置文件，包含外设的初始化和配置函数。
stm32f1xx_it.c：中断处理函数文件（如果启用中断）。

3.2 代码实现

在main.c中，添加初始化UART和GPIO的代码，并实现温度读取和数据发送的逻辑。具体代码实现可参考前文中的代码示例。

4. 调试工具

4.1 串口监视器

工具：可以使用如PuTTY、Tera Term或Arduino Serial Monitor等串口监视器。
功能：用于接收STM32通过UART发送的数据，方便调试和验证程序的正确性。
设置：确保串口监视器的波特率与STM32的UART配置一致（如115200），并选择正确的COM端口。

4.2 调试器

工具：ST-LINK/V2或其他兼容的调试器。
功能：用于单步调试、设置断点和查看变量值，帮助开发者快速定位问题。
设置：在STM32CubeIDE中配置调试器，确保与开发板连接正常。

5. 注意事项

库文件：确保在项目中包含STM32 HAL库，以便使用HAL函数进行外设操作。
中断优先级：如果使用中断，合理设置中断优先级，避免数据丢失。
编译选项：根据项目需求，选择合适的编译选项，确保代码的优化和稳定性。

代码实现

在本节中，我们将详细阐述如何在STM32上实现温度传感器数据采集的代码。代码实现包括外设初始化、温度读取、数据发送等步骤。我们将逐步分析每个部分的功能和实现方式。

1. 初始化UART和GPIO

首先，我们需要在main.c中初始化UART和GPIO，以便与DS18B20温度传感器进行通信。

1.1 包含头文件

在文件开头，确保包含必要的头文件：

#include "main.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

1.2 UART和GPIO初始化函数

在main.c中，添加UART和GPIO的初始化函数：

UART_HandleTypeDef huart1;void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);int main(void) {HAL_Init(); // 初始化HAL库SystemClock_Config(); // 配置系统时钟MX_GPIO_Init(); // 初始化GPIOMX_USART1_UART_Init(); // 初始化UARTwhile (1) {// 主循环}
}static void MX_USART1_UART_Init(void) {huart1.Instance = USART1;huart1.Init.BaudRate = 115200; // 设置波特率huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 数据位huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; // 停止位huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; // 无奇偶校验huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 发送和接收模式huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 无硬件流控制huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; // 过采样HAL_UART_Init(&huart1); // 初始化UART
}static void MX_GPIO_Init(void) {__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 启用GPIOA时钟GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; // DS18B20数据引脚GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 无上拉或下拉GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // 初始化GPIO
}

2. 温度读取函数

接下来，我们需要实现一个函数来读取DS18B20的温度数据。由于DS18B20使用单总线协议，具体的读取逻辑较为复杂，以下是一个简化的示例：

float Read_Temperature(void) {// 这里添加DS18B20的读取逻辑// 假设返回一个模拟的温度值return 25.0; // 示例温度
}

在实际应用中，您需要实现DS18B20的单总线协议，包括初始化、发送命令、读取数据等步骤。可以参考相关的库或文档来实现这一部分。

3. 数据发送

在主循环中，我们将定期读取温度并通过UART发送数据。以下是实现代码：

while (1) {float temperature = Read_Temperature(); // 读取温度char buffer[50]; // 数据缓冲区snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Temperature: %.2f C\r\n", temperature); // 格式化字符串HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY); // 发送数据HAL_Delay(1000); // 每秒发送一次
}

4. 完整代码示例

将上述代码整合，完整的main.c文件如下：

#include "main.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>UART_HandleTypeDef huart1;void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
float Read_Temperature(void);int main(void) {HAL_Init(); // 初始化HAL库SystemClock_Config(); // 配置系统时钟MX_GPIO_Init(); // 初始化GPIOMX_USART1_UART_Init(); // 初始化UARTwhile (1) {float temperature = Read_Temperature(); // 读取温度char buffer[50]; // 数据缓冲区snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Temperature: %.2f C\r\n", temperature); // 格式化字符串HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY); // 发送数据HAL_Delay(1000); // 每秒发送一次}
}static void MX_USART1_UART_Init(void) {huart1.Instance = USART1;huart1.Init.BaudRate = 115200; // 设置波特率huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 数据位huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; // 停止位huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; // 无奇偶校验huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 发送和接收模式huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 无硬件流控制huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; // 过采样HAL_UART_Init(&huart1); // 初始化UART
}static void MX_GPIO_Init(void) {__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 启用GPIOA时钟GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; // DS18B20数据引脚GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 无上拉或下拉GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // 初始化GPIO
}float Read_Temperature(void) {// 这里添加DS18B20的读取逻辑return 25.0; // 示例温度
}