<think>我们正在设计一个基于嵌入式系统的温度记录仪。根据要求，需要实现以下功能：
1. 按键控制（矩阵键盘）
2. LCD显示学号（或其他信息）
3. SPI通信（用于连接温度传感器或其他SPI设备）
4. 温度数据采集与串口传输
5. RTC（实时时钟）时间设置与显示
6. FLASH数据存储与回显
我们将分步骤讨论硬件设计和软件编程。
### 硬件设计
1. **微控制器选择**：可以选择常见的嵌入式微控制器，如STM32系列（例如STM32F103）或51系列增强型单片机（如STC12C5A60S2）。这里以STM32为例，因为它具有丰富的外设资源。
2. **温度传感器**：可以使用DS18B20（单总线）或MAX6675（SPI接口）等。为了满足SPI通信要求，我们选择MAX6675（热电偶温度传感器）或类似SPI接口的温度传感器（如LM74）。这里假设使用MAX6675。
3. **RTC模块**：通常使用DS1302或DS3231。DS3231精度高，具有I2C接口，但题目要求中未限定接口，我们可以选择SPI接口的RTC芯片（如DS3234）以统一接口，但考虑到I2C更常用且节省IO，这里使用DS3231（I2C接口），但注意题目要求有SPI通信，所以温度传感器用SPI，RTC用I2C，这样两个通信方式都涉及。也可以选择SPI接口的RTC（如MCP79510）来统一。
4. **FLASH存储**：可以使用SPI接口的FLASH芯片，如W25Q64（8MB）。
5. **LCD显示**：可以使用常见的1602（字符型）或12864（图形点阵，带字库或不带字库），接口可以是并行或串行。为了节省IO，我们使用SPI接口的LCD（如0.96寸OLED，SSD1306驱动，SPI接口）。这样，FLASH和OLED可以共用SPI总线（通过片选区分）。
6. **按键控制**：使用矩阵键盘（例如4x4），连接到单片机的IO口。
7. **串口通信**：用于与PC通信，使用单片机的UART外设，通过USB转串口芯片（如CH340）连接到PC。
硬件连接示意图：
- 温度传感器（MAX6675）: SPI1（SCK, MISO, CS）
- FLASH（W25Q64）: SPI1（与温度传感器共用SCK和MISO，但使用不同的CS和MOSI？注意：MAX6675是只读的，只需要MISO；而W25Q64需要MOSI和MISO。因此，可以共用SPI总线，但CS分开。
- OLED（SSD1306）: 可以使用SPI模式（SCK, MOSI, DC, RST, CS）。为了共用SPI总线，我们将其连接到SPI1的MOSI和SCK，但使用不同的CS。
- RTC（DS3231）: I2C1（SCL, SDA）
- 矩阵键盘：连接到单片机的IO口（例如PB0-PB7，4行4列）
- 串口：USART1（TX, RX）连接到CH340
注意：由于SPI设备较多，我们可以使用同一个SPI外设，通过不同的片选信号（CS）来控制。但要注意，MAX6675是只读的，而W25Q64和SSD1306都需要写操作。SSD1306的写操作可以通过SPI完成。
引脚分配（以STM32F103C8T6为例）：
- SPI1:
- SCK: PA5
- MISO: PA6 (用于MAX6675和W25Q64)
- MOSI: PA7 (用于W25Q64和SSD1306)
- MAX6675_CS: PA4
- W25Q64_CS: PA3
- OLED_CS: PA2
- OLED_DC: PA1
- OLED_RST: PA0
- I2C1:
- SCL: PB6
- SDA: PB7
- 矩阵键盘：
- 行0-3: PB0, PB1, PB2, PB3
- 列0-3: PB4, PB5, PB8, PB9
- 串口1：
- TX: PA9
- RX: PA10
注意：实际设计时需注意引脚是否冲突，以及是否具有复用功能。
### 软件设计
我们将使用HAL库（如果使用STM32）或标准外设库进行开发。主要功能模块：
1. **系统初始化**：初始化所有外设（SPI、I2C、UART、GPIO等）。
2. **按键扫描**：定时扫描矩阵键盘，获取按键值。
3. **LCD显示**：显示学号、温度、时间等信息。
4. **温度采集**：通过SPI读取MAX6675的温度值。
5. **RTC时间设置与读取**：通过I2C设置和读取DS3231的时间。
6. **FLASH存储**：将温度数据（包括时间戳）存储到SPI FLASH中，并支持回显（通过串口输出）。
7. **串口通信**：接收PC指令（如设置时间、读取数据等）并发送数据。
主程序流程：
1. 初始化
2. 显示学号（例如在OLED上显示）
3. 检查按键，根据按键执行功能（例如：设置时间、开始记录、停止记录、回显数据等）
4. 定时采集温度（例如每1秒采集一次），并存储到FLASH（如果处于记录状态）
5. 刷新显示（显示当前时间、当前温度等）
功能细化：
**按键功能定义**（4x4键盘，这里定义部分按键）：
- 0-9: 数字键（用于输入时间等）
- A: 进入时间设置模式
- B: 确认设置
- C: 开始/停止记录
- D: 回显数据（通过串口发送存储的数据）
- *: 取消/返回
- #: 切换显示内容
**RTC时间设置**：
1. 按下'A'键，进入时间设置模式，LCD提示输入时间（年、月、日、时、分、秒）。
2. 通过数字键输入时间，按'B'确认每一步，最后完成设置。
**温度采集**：
1. 通过SPI读取MAX6675。MAX6675的SPI通信为16位，返回的数据中高12位为温度值（单位：0.25摄氏度），需转换。
**FLASH存储**：
1. 设计存储结构：每条记录包括时间戳（例如6字节：年月日时分秒）和温度值（2字节，整数，单位0.1摄氏度）。
2. 存储时，按地址递增存储。需要实现写函数和读函数。
**串口通信**：
1. 接收命令：例如“SETTIME 2023 10 25 12 30 00”用于设置时间，“READDATA”用于请求回显数据。
2. 发送数据：当按下'D'键或收到“READDATA”命令时，从FLASH中读取所有记录并通过串口发送（格式：时间+温度）。
代码结构（伪代码）：
```c
#include "stm32f1xx_hal.h"
// 包含各模块驱动
// 全局变量
uint8_t record_status = 0; // 0:停止记录 1:正在记录
int main() {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 初始化外设
MX_GPIO_Init();
MX_SPI1_Init();
MX_I2C1_Init();
MX_USART1_UART_Init();
// 初始化OLED、RTC、FLASH、键盘等
OLED_Init();
RTC_Init(); // 初始化DS3231
W25Q64_Init();
KEYBOARD_Init();
// 显示学号
OLED_ShowString(0,0,"Student ID:20230001");
while (1) {
// 按键扫描
uint8_t key = KEYBOARD_Scan();
if (key != 0) {
// 处理按键
switch(key) {
case 'A': // 时间设置
TimeSettingMode();
break;
case 'C': // 开始/停止记录
record_status = !record_status;
break;
case 'D': // 回显数据
DataEcho();
break;
// ... 其他按键
}
}
// 每秒执行一次
static uint32_t last_tick = 0;
if (HAL_GetTick() - last_tick >= 1000) {
last_tick = HAL_GetTick();
// 读取当前时间
DateTime now = RTC_ReadTime();
// 读取温度
float temp = MAX6675_ReadTemp();
// 显示时间和温度
OLED_ShowDateTime(1,0,now);
OLED_ShowTemperature(2,0,temp);
// 如果正在记录，则保存到FLASH
if (record_status) {
// 保存数据：时间+温度
uint8_t data_buf[8];
// 时间：6字节（年、月、日、时、分、秒），温度：2字节（整数，单位0.1℃）
uint16_t temp_int = (uint16_t)(temp * 10);
data_buf[0] = now.year - 2000;
data_buf[1] = now.month;
data_buf[2] = now.day;
data_buf[3] = now.hour;
data_buf[4] = now.minute;
data_buf[5] = now.second;
data_buf[6] = temp_int >> 8;
data_buf[7] = temp_int & 0xFF;
// 写入FLASH
W25Q64_WriteData(current_addr, data_buf, 8);
current_addr += 8; // 更新地址
}
}
// 串口命令处理
if (UART1_ReceiveFlag) {
char *cmd = UART1_GetReceivedData();
ProcessUartCommand(cmd);
}
}
}
```
各模块驱动函数需要单独实现。由于代码量较大，这里不展开全部代码，但关键函数如下：
1. `MAX6675_ReadTemp()`: 通过SPI读取温度值。
2. `RTC_ReadTime()`: 从DS3231读取时间。
3. `TimeSettingMode()`: 进入时间设置模式，通过按键设置时间。
4. `DataEcho()`: 从FLASH读取所有数据并通过串口发送。
5. `W25Q64_WriteData()`和`W25Q64_ReadData()`: 对W25Q64进行读写。
注意事项：
- SPI总线操作需要互斥，因为多个设备共享SPI1。
- FLASH写入前需要先擦除（按扇区擦除），所以需要设计存储管理（例如循环存储，当存储满后擦除最早的数据或整个扇区擦除重新开始）。
以上是一个基本框架，具体实现时需根据硬件连接和芯片手册调整。
§§相关问题§§
1. 如何选择嵌入式系统的温度传感器？
2. 如何设计嵌入式系统的低功耗特性？
3. 如何优化嵌入式系统的存储管理？</think>### 基于嵌入式系统的温度记录仪开发方案
#### 一、系统架构设计
```mermaid
graph TD
A[STM32微控制器] --> B[SPI温度传感器]
A --> C[矩阵键盘]
A --> D[SPI FLASH存储]
A --> E[I2C RTC模块]
A --> F[SPI LCD显示屏]
A --> G[UART串口通信]
H[上位机] <--> G
```
#### 二、硬件选型与连接
1. **核心控制器**：STM32F103C8T6（72MHz Cortex-M3）
2. **温度传感器**：MAX6675（SPI接口，0.25℃精度）
- 连接：SCK(PA5), MISO(PA6), CS(PA4)
3. **RTC模块**：DS3231（I2C接口）
- 连接：SCL(PB6), SDA(PB7)
4. **存储芯片**：W25Q64（SPI FLASH，8MB）
- 连接：SCK(PA5), MOSI(PA7), MISO(PA6), CS(PA3)
5. **LCD显示**：0.96寸OLED（SSD1306，SPI接口）
- 连接：SCK(PB13), MOSI(PB15), DC(PB12), CS(PB14), RES(PB11)
6. **矩阵键盘**：4×4薄膜键盘
- 连接：行(PB0-PB3), 列(PB4-PB7)
7. **串口通信**：CH340 USB转串口
- 连接：TX(PA9), RX(PA10)
#### 三、关键功能实现代码
##### 1. 温度采集（SPI）
```c
float MAX6675_ReadTemp(void) {
uint16_t raw;
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, (uint8_t*)&raw, 2, 100);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
return ((raw >> 3) & 0xFFF) * 0.25; // 12位数据转换
}
```
##### 2. RTC时间设置（I2C）
```c
void RTC_SetTime(uint8_t hour, uint8_t min, uint8_t sec) {
uint8_t data[3] = {sec, min, hour};
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xD0, 0x00, 1, data, 3, 100);
}
```
##### 3. FLASH数据存储
```c
#define FLASH_PAGE_SIZE 256
void SaveToFlash(float temp) {
uint8_t buffer[4];
*(float*)buffer = temp;
W25Qxx_WriteData(current_addr, buffer, 4);
current_addr += 4;
if(current_addr >= FLASH_SIZE) current_addr = 0; // 循环存储
}
```
##### 4. 串口数据回显
```c
void UART_SendHistory(void) {
for(int addr=0; addr<FLASH_SIZE; addr+=4) {
uint8_t data[4];
W25Qxx_ReadData(addr, data, 4);
printf("Addr:%d Temp:%.2f℃\r\n", addr, *(float*)data);
}
}
```
##### 5. LCD显示学号
```c
void ShowStudentID(void) {
OLED_ShowString(0, 0, "ID:20230001", 16);
}
```
#### 四、主程序逻辑
```c
int main(void) {
// 外设初始化
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_SPI1_Init();
MX_I2C1_Init();
MX_USART1_UART_Init();
OLED_Init();
Keypad_Init();
ShowStudentID(); // 显示学号
RTC_Init(); // 初始化时钟
while(1) {
key = Keypad_Scan(); // 按键扫描
if(key == 'S') { // 设置键
SetDateTime();
}
// 每秒采集一次
if(HAL_GetTick() - last_tick > 1000) {
temp = MAX6675_ReadTemp();
OLED_ShowTemp(0, 2, temp); // LCD显示温度
SaveToFlash(temp); // 存储到FLASH
last_tick = HAL_GetTick();
}
// 串口数据处理
if(UART_RxFlag) {
ProcessUartCommand();
}
}
}
```
#### 五、关键技术点
1. **SPI总线复用**：温度传感器、FLASH和LCD共享SPI总线，通过片选(CS)控制
2. **数据压缩存储**：采用$float$类型存储温度值（4字节/记录），8MB FLASH可存储约200万条记录
3. **低功耗设计**：
- 空闲时进入STOP模式（<10μA）
- 定时器唤醒采集（RTC唤醒中断）
4. **数据完整性**：
- FLASH写前擦除（扇区管理）
- CRC16校验存储数据
5. **抗干扰处理**：
- SPI信号线加100Ω电阻
- 温度传感器陶瓷电容滤波
#### 六、测试方案
1. **温度准确性**：恒温水槽对比校准（误差<±0.5℃）
2. **RTC精度**：24小时误差测试（DS3231典型值±2ppm）
3. **存储压力测试**：连续写入72小时验证数据完整性
4. **按键寿命**：10万次机械耐久测试
> 实际开发中建议使用RTOS（如FreeRTOS）管理多任务，确保实时性要求[^1]。温度记录仪在工业监控、医疗冷链、农业大棚等领域有广泛应用[^2]。
这个Java代码示例展示了子类如何通过构造器初始化父类，并在父类的方法中处理异常。子类覆盖了父类的`setValue`方法，同时在构造器中调用了`getValue`进行计算。
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