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工程师实战:巧手DIY热电偶温度计专为老妈定制

2019-07-16 12:35
        

  这是我今年年初做的一个项目。之前老妈说想要买一个食品内部温度计烤牛排用。去了趟宜家,他们家的食品内部温度计居然要将近两百块一个。记得说某板厂样板五片 30 包邮?食品用 304 不锈钢铠装 K 型热电偶淘宝价 12 一支?看来自己 DIY 一个恐怕比买一个要便宜得多,赶紧动手。

  铂金热电偶虽然说性能稳定,但太贵了。K 型热电偶价格便宜,又能满足我的需求,下单。热电偶需要一个放大器,不过找了一圈参考设计好像对电路匹配要求都比较高,而且冷端补偿和校准我不会做。转向去找集成式热电偶 ADC,找到 MAX31855。这个芯片 20 元左右,有点小贵,但是内部集成了高精度仪表放大器、冷端温度补偿和 ADC,用起来很省事。

  这个项目显示输出用 1602 似乎大材小用,LED 的话我有点担心电池续航。正好手里有两片上海正金 YE004 STN 公模四位半段码液晶屏样品,当年 5 元一片买的,可以拿来尝试一下。这个液晶屏是 1/3 占空比的,略奇葩……本来想用 HT16C21 来驱动液晶面板梦碎。那个时候我还不熟悉国内厂家的 LCD 单片机,顶着 25 一片的价格选了 STM32L433CBT6。这颗 STM32 有内置段码液晶控制器、内置液晶对比度控制,也支持 1/3 占空比,可以直接驱动 YE004。

  下一步就是供电。液晶屏和低功耗单片机的选用保证了电池消耗不会很高。这里的的选项是内置小体积锂离子充电电池 vs 七号电池。我没有单节七号电池电池盒,但是我有一些项目剩余的小锂离子聚合物电池,体积比 CR2032 都要小。电池管理我用了一颗 TP4057 锂离子充电芯片和 TPS63000 升降压芯片。这片升降压芯片可以在电池电压范围在 2.4V(保护电路自动切断)~4.2V(充满电)的任何时刻输出稳定的 3.3V。这个设计比锂电池接 LP2980 LDO 可以更充分的给电池放电,电池续航几乎翻倍。STM32 单片机对于电源其实没那么大所谓,但是热电偶 ADC 对电源电压要求就很高了。既然用了充电电池需要充电口,STM32L433 单片机又有 USB 支持,充电口索性就把数据线也接上,几乎免费增加了一个 USB 通信功能。

  整个 BOM 下来,这个设备成本都没有破百。相比于宜家的食品温度计,我自己做一个省了一半的钱,还多了一个 USB 支持。

  这个电路的设计基本可以说是中规中矩。充电芯片、升降压芯片、热电偶 ADC 直接照着数据手册里面的参考电路画。STM32L4 的 USB 有自带上拉电阻,不用外接。液晶面板的管脚对应到单片机执行的是就近原则,具体管脚和段码之间的对应关系,到驱动层去解决。另外,对于支持四线 JTAG 的 ARM 单片机,我一般尽量不用 SWD。SWD 虽然节约管脚,但不支持多芯片共用调试接口。这一点在这块板上虽然体现不出来,但在我曾设计过的另几款板上是实现了 ARM、FPGA、外设芯片等共用一个调试接口,相比于每一块芯片一个调试接口来说节省了不少空间。

  电路中对电源开关的处理值得一提。按照 USB 充电的规范,受电设备需要完成 USB 枚举才能全负荷充电,也是为了偷懒,我在这里设计了强制开机充电。这个设计靠的是升降压芯片的 EN 管脚来实现的:如果开关打开,或者如果 USB 连接,EN 管脚的电压会高于 2V,电路会自动开机。

  我也算是延续一贯风格,不用 Keil,不用 STM32CubeMX 或固件库,用开源的原装 Eclipse IDE 和 GCC 编译环境来开发。不用固件库,一方面来说所有外设都需要自己编码操作寄存器,开发比较累;另一方面,又因为没有了库的负荷,程序的体积和执行时间可以大幅缩短。

  MAX31855 有采样频率限制,因此我不能高频率访问之。同时这个芯片是只读 SPI,我只要给它时钟他就会自己传送数据,我就想到了一种办法:设置一个定时器,定时器中断频率决定访问 31855 的频率。同时设置一个 DMA,减少读取数据时 CPU 的干预程度。

  spitemp_begin_capture 函数在时钟中断中执行。这个函数配置好 SPI 硬件和 DMA,启动一笔 4 字节的 DMA 读访问。31855 芯片的报文长 4 字节,因此这一笔 DMA 可以将 31855 的报文完全读回来。spitemp_end_capture 函数则是在 DMA 中断中执行,将读入的数据整理,并清理 SPI 和 DMA 硬件。我这里偷懒了,直接复位 SPI 控制器了事。理想情况下,应该是不用涉及到 RCC-APB2RSTR 的。

  大家可以尽情发挥自己的脑洞,本次DIY分享活动不限主题,只要你想得到,只要你做得到,期待你的freestyle~~



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