基于STM32的通用HMI终端设计
基于STM32的通用HMI终端设计[20200406131625]
摘要
人机界面终端是一种智能终端，是人与机器交流的平台，已经广泛的运用在人们的生活中。
本文首先介绍HMI的发展的历史跟现状，引出HMI的定义和功能。后面介绍HMI的主要组成部分。这次设计的通用终端主要分为两个部分，分别是薄膜按键与液晶屏屏组成的交流液晶显示平台和RS485串口通讯组成。本次设计选STM32芯片作为HMI的微控制器。要对STM32系列的单片机做一定的了解。再对一些基本的硬件电路做的分析，注重对驱动电路，液晶接口电路，按键电路的具体分析。软件方面是在IAR环境下编写C程序，可以让STM32单片机驱动液晶显示和薄膜按键，并且在液晶桌面上显示内容和光标驱动。设计出的终端可以先和上位机进行调试，最后通过RS485串口与工业控制器连接。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:人机界面STM32单片机RS485串行接口IAR
目录
1绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2 课题的引入 2
2研究的思路和设计方案 3
2.1通用HMI终端的系统阐述 3
2.2HMI终端的设计方案 3
3 硬件设计 4
3.1 ARM处理器的介绍 4
3.2 STM32F103RCT6的性能及特点 4
3.3液晶模块的介绍 5
3.4 RS485 的串口介绍 6
3.5硬件的电路设计与分析 6
3.5.1供电模块的设计与介绍 7
3.5.2 STM32微处理器以及辅助电路的模块设计 7
3.5.3复位电路 8
3.5.4晶振电路 9
3.5.5电源开关数据保护电路 9
3.5.6JTAG仿真下载接口电路 9
3.5.7RS485的接口设计 11
3.5.8液晶模块的电路 11
3.5.9按键模块的电路 13
3.6处理器端口配置与功能表 14
4软件设计 15
4.1液晶模块的设计 15
4.1.1LCD初始化 15
4.1.2液晶显示内容模块 19
4.2按键模块 23
4.3 RS485通讯协议 25
5调试过程 29
5.1硬件的调试 29
5.2软件的调试 29
5.3 调试过程中的问题与解决方法 29
5.4实物展示 30
结束语 31
参考文献 32
1绪论
1.1研究的背景及意义
随着我国经济的飞速发展，我们此时已近生活在一个高科技的时代。HMI终端的使用也已经越来越广泛，为人们提供者方便与快捷。 现在很多的人机界面终端产品的被大家广泛的使用，产品性能的提高也已经是大家心里的一个期盼，虽然中国在这方面的发展速度不是很快，但是HMI已经在越来越多的领域被使用，中国市场对HMI终端的需求还在不断地增长[1]。人们现在开始越来越关注HMI的功能和技术。HMI有很好的实用性，但在中国的发展速度还是比较缓慢,还是因为国内的技术比起欧美还不够成熟，中国的市场对HMI的发展推动还不够。在早期的时候工业上的一些工控机都是比较大，系统比较复杂，花费也比较大给工业上带来的利润也比较少，而且这些工控机的串口也比较单一，工作起来也不是太稳定。这些因素都给我们生产和生活带来不利的因素。随着我国工业的快速发展，工业上的一些控制设备都朝着设备体积能小一点，工作起来能更稳定一点，体积更小一点，成本低一点的方向发展。由于这一系列的原因，体积比较小，功耗比较低，适应环境比较强，成本又比较低的人机界面活跃与市场上。人机界面可以很好的去控制工业设备，串口也比较丰富。给工业的发展起到巨大的推动作用。只需要通过串口与工业上的设备相连接，通过可编程器来控制工业设备，现在一些人机界面的终端体积很小，可以随声携带非常方便，其功能却是非常强大的。使现在的很多行业的操作都变得很方便。虽然说一开始人机界面是更多的适用在工业方面的，但是现在的人机界面已经广泛的运用于各个行业；汽车业，纺织业，服务业等等[2]。HMI内部有显示控制和数据存储等单元，所以说HMI可以控制一些机器，可以对一些产品和器件监控，存储一些中腰数据 ， 也可以在网上进行通讯。人机界面也可以被称人机接口。人机界面可以使人们更加直观方便的了解信息并对数据做一些处理， 可以让人们看到一些原本机器内部的信息。随着电子技术和液晶显示技术的快速发展，现在的人机界面多趋向于大屏，彩色屏。其功能也越来越强大，寿命也会变得更长。这是也厚HMI终端的发展趋势，但是也有一些小屏的终端虽然其处理速度慢，存储的容量也不大，通讯的接口也比较少，没有什么资源优势，但是由于计算机硬件成本比较低，价格比较低，其在体积与价格上还是比较占优势的。还是在市场中被广泛的运用于一些小型机械设备中。
1.2 课题的引入
HMI终端广泛的使用与工业中，HMI一般有薄膜按键输入的，也有触摸输入的，现在大部分是触摸输入的。人机界面产品有硬件部分，也有它的软件部分。硬件部分包括处理器，液晶显示交流平台，按键输入、通讯串口等几个部分。处理器是HMI的核心单元。处理器决定了HMI是否有强大的功能。为了更好的提升HMI的性能，现在一般使用高位数的单片机，在保持高性能的同时也保持功耗比较低，为的是更好的提升HMI的性能。通过编写程序来初始化串口和液晶屏并驱动液晶屏跟薄膜按键。设计好的终端通过串口来连接工业设备，这些内容都是本次设计的重点所在。
2研究的思路和设计方案
2.1通用HMI终端的系统阐述
本次设计是采用单片机作为微控制器，设计出一个HMI终端并做对其做一定的研究。完整的HMI终端硬件主要包括液晶屏，输入设备，处理器，串口4个部分组成的。用微处理器来驱动按键，用微处理器来驱动液晶屏。处理器接口与串行接口相连接，串行接口再和工业设备器连接。在和工业设备相连接的时候要求要稳定，方便。然后处理器再通过接口与液晶屏模块连接，把处理好的信息通过显示屏表现出来。
2.2HMI终端的设计方案
系统框架如下；
图2-1 系统结构框图
如上图所示，本次设计的HMI终端实际上是基于ARM的液晶显示控制电路的设计，主要包括STM32F103RCT6，RS485串口，液晶显示，按键这四个部分。液晶选用的是3.8寸320*240的LCD。本次毕业设计的总体设计图如上图所示。HMI终端的核心器件就是它的处理器，本次使用的是ARM芯片，内部控制器STM32，处理数据快，外围接口多，能很好的提高本次设计的终端的性能。MCU通过接口电路连接并驱动液晶屏。按键选用的是薄膜按键，通过STM32的（PC0-PC7）端口来驱动。采用4*4的矩阵扫描得到按键的值。可以通过JTAG仿真接口电路来下载程序到STM32芯片里面。ARM芯片的串口与RS485的串口相连接，通过RS485串口与工业的控制器设备相连接，可以控制一些工业上的设备。RS485串口可以进行远距离传输，同时在传输过程中抗外界干扰性也比较强。
3 硬件设计
经过以上的系统分析之后，就要进入硬件设计的阶段，需要针对需求设计出实现相应功能的电路，绘出原理图，生成PCB板，最后再焊接相应的元器件。只有硬件做好，才能在相应的硬件基础上作软件开发。下面就主要的器件功能和原理做介绍，先从介绍ARM微处理器开始。
3.1 ARM处理器的介绍
微处理器现在也广泛的运用于各个行业，微处理器相比于早期时候一些老式的中央处理器，微处理器具有很多有点，正如它的名字一样微处理器肯定是体积很小，重量较轻。除此之外还容易模块化，这个优点使现在的操作更方便更简单[3]。微型计算机的运算控制部分可以取指令，然后再去执行指令。微处理器有很多的接口，可以与其它的外部器件交换信息，也可以与外围电路芯片和存储器组成小型的计算机，连接很非常方便。
我们本次选用的是ARM处理器，ARM处理器是由ARM公司开发研制出来的。ARM处理器现在已经被广泛的运用在很多的智能和高科技产品当中。ARM是一款32位的精简指令集。相比于一些其他的微处理器，比如说68000,8051,SC而言，ARM处理器处理数据快，体积小，还可以与外围设备连接方便的，因其适用的串口比较多，最主要的是其器件功耗也比较低。
摘要
人机界面终端是一种智能终端，是人与机器交流的平台，已经广泛的运用在人们的生活中。
本文首先介绍HMI的发展的历史跟现状，引出HMI的定义和功能。后面介绍HMI的主要组成部分。这次设计的通用终端主要分为两个部分，分别是薄膜按键与液晶屏屏组成的交流液晶显示平台和RS485串口通讯组成。本次设计选STM32芯片作为HMI的微控制器。要对STM32系列的单片机做一定的了解。再对一些基本的硬件电路做的分析，注重对驱动电路，液晶接口电路，按键电路的具体分析。软件方面是在IAR环境下编写C程序，可以让STM32单片机驱动液晶显示和薄膜按键，并且在液晶桌面上显示内容和光标驱动。设计出的终端可以先和上位机进行调试，最后通过RS485串口与工业控制器连接。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:人机界面STM32单片机RS485串行接口IAR
目录
1绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2 课题的引入 2
2研究的思路和设计方案 3
2.1通用HMI终端的系统阐述 3
2.2HMI终端的设计方案 3
3 硬件设计 4
3.1 ARM处理器的介绍 4
3.2 STM32F103RCT6的性能及特点 4
3.3液晶模块的介绍 5
3.4 RS485 的串口介绍 6
3.5硬件的电路设计与分析 6
3.5.1供电模块的设计与介绍 7
3.5.2 STM32微处理器以及辅助电路的模块设计 7
3.5.3复位电路 8
3.5.4晶振电路 9
3.5.5电源开关数据保护电路 9
3.5.6JTAG仿真下载接口电路 9
3.5.7RS485的接口设计 11
3.5.8液晶模块的电路 11
3.5.9按键模块的电路 13
3.6处理器端口配置与功能表 14
4软件设计 15
4.1液晶模块的设计 15
4.1.1LCD初始化 15
4.1.2液晶显示内容模块 19
4.2按键模块 23
4.3 RS485通讯协议 25
5调试过程 29
5.1硬件的调试 29
5.2软件的调试 29
5.3 调试过程中的问题与解决方法 29
5.4实物展示 30
结束语 31
参考文献 32
1绪论
1.1研究的背景及意义
随着我国经济的飞速发展，我们此时已近生活在一个高科技的时代。HMI终端的使用也已经越来越广泛，为人们提供者方便与快捷。 现在很多的人机界面终端产品的被大家广泛的使用，产品性能的提高也已经是大家心里的一个期盼，虽然中国在这方面的发展速度不是很快，但是HMI已经在越来越多的领域被使用，中国市场对HMI终端的需求还在不断地增长[1]。人们现在开始越来越关注HMI的功能和技术。HMI有很好的实用性，但在中国的发展速度还是比较缓慢,还是因为国内的技术比起欧美还不够成熟，中国的市场对HMI的发展推动还不够。在早期的时候工业上的一些工控机都是比较大，系统比较复杂，花费也比较大给工业上带来的利润也比较少，而且这些工控机的串口也比较单一，工作起来也不是太稳定。这些因素都给我们生产和生活带来不利的因素。随着我国工业的快速发展，工业上的一些控制设备都朝着设备体积能小一点，工作起来能更稳定一点，体积更小一点，成本低一点的方向发展。由于这一系列的原因，体积比较小，功耗比较低，适应环境比较强，成本又比较低的人机界面活跃与市场上。人机界面可以很好的去控制工业设备，串口也比较丰富。给工业的发展起到巨大的推动作用。只需要通过串口与工业上的设备相连接，通过可编程器来控制工业设备，现在一些人机界面的终端体积很小，可以随声携带非常方便，其功能却是非常强大的。使现在的很多行业的操作都变得很方便。虽然说一开始人机界面是更多的适用在工业方面的，但是现在的人机界面已经广泛的运用于各个行业；汽车业，纺织业，服务业等等[2]。HMI内部有显示控制和数据存储等单元，所以说HMI可以控制一些机器，可以对一些产品和器件监控，存储一些中腰数据 ， 也可以在网上进行通讯。人机界面也可以被称人机接口。人机界面可以使人们更加直观方便的了解信息并对数据做一些处理， 可以让人们看到一些原本机器内部的信息。随着电子技术和液晶显示技术的快速发展，现在的人机界面多趋向于大屏，彩色屏。其功能也越来越强大，寿命也会变得更长。这是也厚HMI终端的发展趋势，但是也有一些小屏的终端虽然其处理速度慢，存储的容量也不大，通讯的接口也比较少，没有什么资源优势，但是由于计算机硬件成本比较低，价格比较低，其在体积与价格上还是比较占优势的。还是在市场中被广泛的运用于一些小型机械设备中。
1.2 课题的引入
HMI终端广泛的使用与工业中，HMI一般有薄膜按键输入的，也有触摸输入的，现在大部分是触摸输入的。人机界面产品有硬件部分，也有它的软件部分。硬件部分包括处理器，液晶显示交流平台，按键输入、通讯串口等几个部分。处理器是HMI的核心单元。处理器决定了HMI是否有强大的功能。为了更好的提升HMI的性能，现在一般使用高位数的单片机，在保持高性能的同时也保持功耗比较低，为的是更好的提升HMI的性能。通过编写程序来初始化串口和液晶屏并驱动液晶屏跟薄膜按键。设计好的终端通过串口来连接工业设备，这些内容都是本次设计的重点所在。
2研究的思路和设计方案
2.1通用HMI终端的系统阐述
本次设计是采用单片机作为微控制器，设计出一个HMI终端并做对其做一定的研究。完整的HMI终端硬件主要包括液晶屏，输入设备，处理器，串口4个部分组成的。用微处理器来驱动按键，用微处理器来驱动液晶屏。处理器接口与串行接口相连接，串行接口再和工业设备器连接。在和工业设备相连接的时候要求要稳定，方便。然后处理器再通过接口与液晶屏模块连接，把处理好的信息通过显示屏表现出来。
2.2HMI终端的设计方案
系统框架如下；
图2-1 系统结构框图
如上图所示，本次设计的HMI终端实际上是基于ARM的液晶显示控制电路的设计，主要包括STM32F103RCT6，RS485串口，液晶显示，按键这四个部分。液晶选用的是3.8寸320*240的LCD。本次毕业设计的总体设计图如上图所示。HMI终端的核心器件就是它的处理器，本次使用的是ARM芯片，内部控制器STM32，处理数据快，外围接口多，能很好的提高本次设计的终端的性能。MCU通过接口电路连接并驱动液晶屏。按键选用的是薄膜按键，通过STM32的（PC0-PC7）端口来驱动。采用4*4的矩阵扫描得到按键的值。可以通过JTAG仿真接口电路来下载程序到STM32芯片里面。ARM芯片的串口与RS485的串口相连接，通过RS485串口与工业的控制器设备相连接，可以控制一些工业上的设备。RS485串口可以进行远距离传输，同时在传输过程中抗外界干扰性也比较强。
3 硬件设计
经过以上的系统分析之后，就要进入硬件设计的阶段，需要针对需求设计出实现相应功能的电路，绘出原理图，生成PCB板，最后再焊接相应的元器件。只有硬件做好，才能在相应的硬件基础上作软件开发。下面就主要的器件功能和原理做介绍，先从介绍ARM微处理器开始。
3.1 ARM处理器的介绍
微处理器现在也广泛的运用于各个行业，微处理器相比于早期时候一些老式的中央处理器，微处理器具有很多有点，正如它的名字一样微处理器肯定是体积很小，重量较轻。除此之外还容易模块化，这个优点使现在的操作更方便更简单[3]。微型计算机的运算控制部分可以取指令
我们本次选用的是ARM处理器，ARM处理器是由ARM公司开发研制出来的。ARM处理器现在已经被广泛的运用在很多的智能和高科技产品当中。ARM是一款32位的精简指令集。相比于一些其他的微处理器，比如说68000,8051,SC而言，ARM处理器处理数据快，体积小，还可以与外围设备连接方便的，因其适用的串口比较多，最主要的是其器件功耗也比较低。
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