（机械制造及其自动化专业论文）便携式西瓜成熟度测试装置的研制.pdf

摘要 进入2 l 世纪，人民生活水平不断提高，更加关注生活质量。以日常生活中的瓜果消费 为例，人们对瓜果蔬菜的品质要求越来越高。对于瓜果蔬菜品质评定的要求日渐增多，这方 面最好采用无损检测( n d t ) 技术。本文就是利用无损检测方法实现对西瓜成熟度的测量。 本文所研制的测量装置携带方便、成本较低、功耗小、操作简单、运行稳定。 本文所做的工作主要有以下几个方面： 1 ) 测量装置的硬件设计，包括机械上的设计和电路方面的硬件设计。机械上的硬件设 计又包括两个方面，一个是敲击装置的设计，另一个是西瓜半径测量装置的设计。这两个方 面都关系到测量装置的外形问题，而装置的外形又直接关系到便携性的好坏。所以这部分设 计要尽量做到方便合理。电路的硬件设计主要是加速度传感器的调理电路的设计，以及单片 机数据采集与处理电路设计。最终能够做到在实现其功能的基础上提高板子的抗干扰性，降 低其功耗。 2 ) 测量装置的软件设计。软件设计包括数据采集的a d 转换程序设计，数据存储程序 设计，研究阶段单片机与p c 机通信程序设计，频谱分析程序设计以及液晶显示模块程序设 计等。 3 ) p c 机的辅助处理程序设计。由于本装置的设计需要以大量的实验为基础，所以为了 方便实验，节约实验时间，在研究阶段本课题借助p c 机的强大功能。p c 机的编程处理软 件使用的是n i 公司的l a b v i e w 。本课题需要在p c 机上实现与下位机进行数据传输的程序 设计，以及对所采集信号的数字处理，提取信号的特征值。 本文提出了一种基于单片机和振动传感器的西瓜成熟度无损检测方案，是把工业领域中 的新技术新成果应用到日常生活中来，对于提高瓜果品质鉴定的效率和准确度，促进生活质 量的提高有一定意义。 关键词：单片机，信号调理，西瓜成熟度，l a b v i e w ，特征提取 a b s t r a c t i n t ot h e2 1s tc e n t u r y , r i s i n gl i v i n gs t a n d a r d s ，p e o p l ep a ym o r e a t t e n t i o nt oq u a l i t yo fl i f e t a k et h ef r u i t c o n s u m p t i o no fd a i l yf i f ef o re x a m p l e ，p e o p l eh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l y d e m a n d i n go fq u a l i t yo ff r u i t sa n dv e g e t a b l e s f o rt h ea s s e s s m e n to ft h eq u a l i t yo f 肌i t sa n d v e g e t a b l e s ，w ep r e f e r a b l yc h o o s en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) t e c h n i q u e s t h i s p a p e ri s b a s e do nn o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n gm e t h o d t or e a l i z em e a s u r e m e n to ft h e m a t u r i t y o f w a t e r m e l o n m e a s u r i n gd e v i c ed e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a v e 矗p o r t a b l el o w c o s t ，l o w - p o w e r e a s yo p e r a t i o na n ds t a b l eo p e r a t i o na n ds oo n t h i sw o r k m a i n l yi nt h ef o l l o w i n ga r e a s ： 1 ) t h eh a r d w a r ed e s i g no fm e a s u r i n gd e v i c ei n c l u d e sm e c h a n i c a lh a r d w a r ed e s i g na n d t h eh a r d w a r ed e s i g no fc i r c u i t m e c h a n i c a lh a r d w a r ed e s i g na l s oi n c l u d e st w o a s p e c t s ，o n ei s t h ep e r c u s s i o nd e v i c ed e s i g n ，t h eo t h e ri st h ew a t e r m e l o nr a d i u sm e a s u r i n gd e v i c ed e s i g n t h e s et w oa s p e c t sa r er e l a t e dt ot h es h a p eo fm e a s u r i n gd e v i c ea n dt h es h a p e o fd e v i c e si s d i r e c t l yr e l a t i v e t ot h ep o r t a b i l i t y s ot h i sp a r to ft h ed e s i g nw es h o u l dt r yt om a k ei t r e a s o n a b l e t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec i r c u i ti sm a i n b v i b r a t i o ns e n s o r c o n d i t i o n i n gc i r e u i t d e s i g n ，a n dm i c r o c o n t r o l l e rd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gc i r c u i td e s i g n e v e n t u a i i vw ec a n b ea b l et o i m p r o v et h ea n t i i n t e r f e r e n c eo ft h eb o a r da n dr e d u c ei t sp o w e rc o n s u m p t i o ni n f u l f i l l i n gi t sf u n c t i o n s 2 ) m e a s u r i n gd e v i c es o f t w a r ed e s i g n ，i ti n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o na dc o n v e r s i o np r o c 鹤s d e s i g n ，d a t as t o r a g ep r o g r a md e s i g n ，r e s e a r c hp h a s eo fm c ua n dp c c o m m u n i c a t i o n p r o g r a md e s i g n ，f r e q u e n c ya n a l y s i ss o f t w a r ed e s i g na sw e l la sl c d d i s p l a ym o d u l ep r o g r a m d e s i g n 3 ) p c - a s s i s t e dt r e a t m e n tp r o g r a md e s i g n b e c a u s et h ed e s i g no ft h ed e v i c en e e d st ob e b a s e do nal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，s of o rt h ec o n v e n i e n c eo f e x p e r i m e n t s ，s a v i n gt e s t “m e a tt h er e s e a r c hs t a g ew en e e dt h eh e l po fp c - p o w e r p c p r o g r a m m i n gp r o c e s s i n g s o f t w a r ei sn i sl a b v i e w w en e e dt oa c h i e v ep r o g r a md e s i g no fd a t at r a n s f e rb e t w e e nt h e p ca n dt h es l a v e ，a sw e l la sd i g i t a lp r o c e s s i n go fs i g n a l sc o l l e c t e d ，m a i n l yt h ev a l u eo ft h e s i g n a lf e a t u r ee x t r a c t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o do ft h em a t u r i t yo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n go fw a t e r m e l o n b a s e do n “b r a t i o ns e n s o ra n ds i n g l ec h i p w et a k et h ei n d u s t r i a lf i e l do fa p p l i c a t i o no ft h e r e s u l t so fn e w t e c h n o l o g i e si n t ot h ed a n yl i f e ，w h i c hh a v es o m es i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo fi d e n t i f y i n gt h ef r u i tq u a f i t ya n dp r o m o t eq u a l i t yo fl i f e k e y w o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r , s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，w a t e r m e l o nm a t u r i t y , l a b v i e w , f e a t u r e e x t r a c t i o n 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除 文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 移_ j 了 妇) i e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国 学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：弱拗 导师签名： 夕蛳 j 签字日期： 抄f 。年月y j 日 签字日期：加l 口年厂月纱日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 争。 1 1 基础理论 第一章绪论 农产品无损检测( n d t ) 技术是在不破坏被检对象的前提下，运用各种物理学的方法如 声、光、电、图像视觉技术等手段对物料进行检测分析的一种技术【1 1 。主要是基于被检物的 物理性质如密度、硬度、形态、颜色等，进而判定成熟度、以及内部的含糖量、糖酸比、水 分、内部病变等。在获取样品信息的同时保证了样品的完整性，检测速度较传统的化学方法 迅速，且能在一定的准确度范围内判定出从外观无法得出的样品内部品质信息。目前常见的 无损检测方法有：声学特性法、电磁特性法、可见光与近红外分析法、机器视觉技术检测法 等【2j 。其中声学特性法是基于农产品的声学参数的一种方法。农产品的声学特性是指农产品 在声波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰减系数、传播速度及其本身 的声阻抗与固有频率等，它们反应了声波与农产品相互作用的基本规律。对于水果类产品， 利用声振动法对其成熟度进行无损检测是一种很有效的方法i3 1 。 1 2 国内外有关研究情况 国外早对农产品品质的无损检测技术起步较早。1 9 7 0 年，美国一家公司首先研制出应用 近红外技术的农产品分析仪，主要用于分析农产品中水分、蛋白等含量。y a m a m o t o 等人 ( 1 9 8 0 ，1 9 8 1 ) 基于瓜果的声学响应研究了无损测量苹果与西瓜内部质量的技术。s a s a o ( 1 9 8 5 ) 利用橡胶球敲击西瓜进行了田间实测西瓜声学响应的研究。m i z r a c h ( 1 9 9 1 - 2 0 0 0 ) 小组对在不同生长期采摘、在不同温度下储藏，且储藏不同时间后的鳄梨、芒果，其成熟度、 硬度、固溶物含量、含糖量等与果品组织的成熟参数、冷藏条件等与声学参量有着密切相关， 且成熟度最显著的标志一果品硬度与超声信号衰减量间有良好线性关系【5 。】。a b o o tt 等 ( 1 9 9 2 ) 对苹果的声学特性进行了研究，发现苹果在受到声波激励后有许多共振点，第二个 共振点的频率f 强烈地受到苹果尺寸和硬度的影响，其硬度与刚性系数f 2 m ( m 为苹果质量) 高 度相关f 8 l 。何东健( 1 9 9 4 ) 对西瓜的打击声波特性值和感官评价基础特性之间的相关性分析 进行了分析1 9 】。s u g i y a m a ( 1 9 9 4 ) 为了在生长过程中随时监测甜瓜的成熟度，研究了甜瓜的 声波响应特性，发现随着甜瓜的成熟，共振频率降低，据此还制成便携式甜瓜硬度测定仪。 k s i t o ( 1 9 9 6 ) 等人用磁共振图像显示西瓜成熟过程中形成的内部空洞，用于西瓜深加工分 拣线，速度达到0 9 秒只【i 们。r e y e smu ( 1 9 9 6 ) 用组装的冲击探针对木瓜果进行成熟度硬 度测试。葛屯( 1 9 9 8 ) 等人利用动态分析仪对西瓜进行振动模态分析，发现了多边形振型这 一区分生瓜和熟瓜的特征模态。韩东海( 1 9 9 8 ) 用x 射线对柑橘皱皮果进行了检测：当软射 线通过柑橘时，由于正常柑橘与皱皮柑橘密度不同，x 射线通过率不同。将一正常果的波形 作为基准波形预先存入计算机内，然后计算新测波形和基准波形的面积差并作为判断值。王 书茂( 1 9 9 9 ) 等通过测定西瓜的固有频率，提出了用f 留门作为成熟度的判别指标，其中f 为西 瓜振动的第1 阶固有振动频率，m 为西瓜质量，这一成熟度指标与西瓜含糖量相关性达n o 8 0 左右，也是一个与国际接轨的成熟度指标 1 1 - 1 3 j 。b e l i e ( 2 0 0 0 ) 等利用声脉冲响应技术对生 长过程中梨的硬度变化进行了检测，发现梨的硬度与其声脉冲特性的相关性达0 8 2 b a r t d k ( 2 0 0 1 ) 通过研究西红柿的声学共振频率确定其成熟度，他的研究发现只有在西红柿的南 极( 底部) 进行振动激励，才能得到稳定的响应模型。s t i j i ns a e v e l s ( 2 0 0 3 ) 等人研究 用电子鼻对苹果中的挥发组分进行测定，优化苹果的采摘日期。章程辉等( 2 0 0 5 ) 研究了利 用x 射线图像处理及识别方法检测红毛丹内部品质一可食率、可溶性固形物含量。刘燕德等 ( 2 0 0 5 ) 提出了应用近红外漫反射光谱技术并结合光纤传感技术快速检测苹果糖度和有效酸 度的新方法。熊利荣等( 2 0 0 7 ) 应用计算机图像处理技术，根据花生图像中完好部位与破损 部位的颜色特征参数，编制了自动检测程序1 1 4 - 2 0 】。 综上所述：我国对农产品无损检测技术的研究应用相对国外起步晚，技术不完善，实用 性差，对于对无损检测技术的研究本课题还有很长的路要走。要想取得进步就要在充实自己 的知识的基础上不断实现创新，不断的学习国外的先进技术。随着改革开放的不断深入，我 国同国外的技术交流也日益频繁，使得本课题的技术水平有了长足的进步。 1 3 对以上综述的评价 综合目前国内外的研究方法，在各无损检测方法中，利用声振法对西瓜产品进行成熟度 的无损检测无疑是种颇有价值的有效方法。而且，前人已经对西瓜的敲击声学特性进行了 大量研究，证实了能够通过敲击声学判断西瓜的成熟度。但是大多数实验仪器多是基于p c 机或大型仪器，价格十分昂贵，也不易操作，而且多数体积较大，因此目前的西瓜成熟度检 测仪器离实用还有定的距离。如何在前人研究基础上，对西瓜成熟过程中非生物学信息进 行有效的特征提取，研制出方便实用、能适合多种西瓜成熟度快速检测的设备，是本课题的 研究目标。 1 4 本文主要工作 本论文主要完成了便携式西瓜成熟度检测装置的硬件电路、检测软件的设计以及西瓜敲 击振动信号的成熟度特征值提取。具体包括如下： 1 、西瓜敲击振动信号的数据采集系统的硬件电路及控制软件的设计，包括了敲击发牛 装置、信号放大及调理电路、信号的模数转换、信号数据的存储、数据的发送等软硬件设计。 2 、基于l a b v i e w 的数字信号处理，包括了串口数据的采集、数据转换为数字信号、数 字信号的处理、信号特征的提取。 3 、基于单片机的信号处理程序的软件设计，包括信号的时频转换，特征值的计算、成 熟度的计算。 1 5 论文的结构和主要内容 s t c 5 1 单片机在各个领域都有着广泛的应用，本论文基于s t c 9 0 c 5 1 4 a d 单片机，对西瓜 敲击振动信号进行采集，并用l a b v i e w 对数据进行分析处理，提取与成熟度相关的特征值。 根据提取出的特征值，最终把数据分析处理移植到单片机上，最终实现了成熟度检测装置的 便携性和低成本。 全文包括七章，各章的主要内容如下： 第一章主要介绍了课题研究的背景和意义及国内外研究动向，同时给出了本文的工作任 务和章节安排。 第二章主要介绍了西瓜成熟度信号的调理与提取。其中重点是加速度传感器的调理电路 的设计，这部分也是整个测量装置的重点之一。根据加速度传感器的特点，本课题选择了 t l 0 8 4 用于信号调理。这部分还包括了西瓜半径参数的测量，由应变片产生信号，经a d 6 2 0 进行放大，最终由单片机进行信号的a d 转换与采集。 第三章介绍了数据采集系统的硬件部分，逐一介绍了各单元的电路设计及其功能，包括 单片机部分、数据显示模块以及和p c 机的通信模块。该部分是整个测量装置的计算核心部 分同时具有数据显示及于p c 机通信的功能。 第四章首先简略介绍了单片机c 语言的编写，然后是各模块程序的编写思想，其中包括 a d 转换、外部数据寄存器的读写、串口通信等。 第五章首先介绍了图形化虚拟仪器软件l a b v i e w 软件，对其特点、编程语言、编程方法 以及界面给予简要的说明。然后详细说明了串口数据采集模块、数据处理模块、信号处理模 块的程序编写。最后通过对大量的采集到的敲击振动信号进行分析，提取出西瓜成熟度的特 征值。 第六章简单介绍了f f t 的一般软件实现方法，然后详细介绍了本课题针对s t c 5 1 单片机 对数字信号处理时进行的算法优化处理和具体的软件编写。最后编写了根据西瓜敲击振动信 号的特征值得出西瓜成熟度的程序。 第七章总结了全文研究工作，并对今后的研究方向进行了展望。 第二章西瓜成熟度信号的调理与提取 西瓜的固有振动频率通常在1 0 0 h z - - 2 0 0 h z 的范围内，且其敲击振动频率一般不会大于 3 0 0 h z ，信号属于低频信号。本课题所选择的加速度传感器以及调理电路的设计都需要保持 较好的低频特性。敲击振动信号是一衰减信号，且信号的频率与西瓜大小、品种、敲击部位 以及敲击工具有关。也与敲击的力量有关，力量小，瓜皮浅表受激励，频率高，力量大，瓜 瓤深部受激励，频率低。 所以西瓜本身的固有特性是本课题测量装置的机械设计，电路设计，以及软件设计的基 础。本章将依据西瓜的固有特性来设计信号调理电路，以及敲击装置。 2 1 西瓜振动信号的提取 2 1 i 加速度传感器简介 目前测量加速度应用最广泛的传感器有电阻应变式传感器，电容式传感器，压电式传感 器等。这几种传感器都有其各自的特点，基于本测量装置的需要，本课题选择了压电式传感 器。 压电式加速度传感器又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。它是一种典型的有源 传感器或发电型传感器。它以某些电介质材料如石英晶体的压电效应为基础，在外力作用下 电介质的表面上会有电荷产生，从而实现非电量测量。加速度计受振时，质量块加在压电元 件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，力的变化与被测加速 度则成正比例关系。压电式加速度传感器重量轻、体积小、结构简单、频响范围宽、输出阻 抗高、频带宽，因此在航空、航天、兵器、造船、农机、车辆、电气、纺织等各种系统的振 动、信号分析、冲击测试、故障诊断、优化设计等许多领域得到了非常广泛的应用 2 u 。 2 1 2 压电式加速度传感器的工作原理 压电式传感器以某些电介质的压电效应为基础，这些物质在沿一定方向受到压力或拉力 作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又回到不带电的状态，这种 现象就称为压电效应。它是典型的有源传感器( 发电型传感器) 。电介质材料中石英晶体是最 常用的天然压电材料，此外，人造压电陶瓷，如钦酸钡、错钦酸铅、妮酸钾等多晶体也具有 良好的压电性能而作为压电材料得到应用。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电 敏感元件( 压电材料) 的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。它能测量最终能变换 为力的那些物理量，例如压力、应力、位移、加速度等。压电式传感器是应用较广的种传 感器，而且特别适合于动态测量，绝大多数加速度( 振动) 传感器属压电式传感器。压电式传 感器的主要缺点是压电转换元件无静态输出，输出阻抗高，需高输入阻抗的前置放大级作为 阻抗匹配，而且很多压电元件的工作温度最高只有1 2 5 左右。 压电式加速度传感器的灵敏度与压电材料的压电系数成正比，也和质量块的质量成正 比。为了提高传感器的灵敏度，应当选用压电系数大的压电材料做压电元件，在一般精度要 求的测量中，大多采用以压电陶瓷为敏感元件的传感器。压电式加速度传感器原理图如图 2 1 ，它由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时， 支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块的与加速度相反方向的惯性力的作 用，在晶体的两个表面上产生交变电荷( 电压) 。当振动频率远低于传感器的固有共振频率时， 传感器的输出电荷( 电压) 与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可通过检测电路得 到物体的加速度。 f ! 重物 压电元件电信号输出 支座 图2 1 压电加速度传感器原理图 2 1 3 加速度传感器的选择 因为本课题测量的对象是西瓜不是钢铁，所以所选择的传感器不能太重，且要容易放置， 最终本课题选择了l d t l 0 2 s k ( 力r 质量块) 型号的传感器。l d t l - 0 2 8 k 是一种高分子压电薄 膜振动传感器，主要用于汽车防盗报警，卧式滚筒洗衣机振动不平衡及其他要求安静，小噪 音的家用电器如空调及电子靶镖记分等振动信号的检测，也可以用于计数器的触发器作为柔 性开关【2 2 1 。 l d t l 0 2 8 k 的柔性元件采用的是一种高分子薄膜压电薄膜，它是一种柔性，很薄， 质轻，高韧性塑料膜，并可制成多种厚度和较大面积的阵列元件。作为一种高分子功能的传 感材料，它的主要特点如下： 频带宽电0 0 lh z l0 9h z 夺宽动态范围( 1 0 一一1 0 6 p s i 或pt o r r m b a r ) 夸低声阻抗与水，人体组织和粘胶体系接近，是水的2 6 倍，便于匹配 高弹性柔顺性好，便于贴近人体，与人体接触安全舒适 夸高介电强度可耐受强电场作用( 7 5 w gm ) ，而此时大部分压电陶瓷退极化 专高机械强度和抗冲击一( 1 0 9 一1 0 1 0 p a s c a l 模数) 夸高稳定性耐潮湿( 吸湿性 7 、夕l 图2 8 西瓜质量测量原理图 图即为西瓜体积粗略测量的原理图。由图中的物理关系本课题可以得到以下关系式： r + l - a x = 错误! 未找到引用源。r ( 2 1 ) 进一步变换得到 r ( l x ) ( 错误! 未找到引用源。错误! 未找到引用源。- 1 ) ( 2 2 ) 其中l 为触头长度，已知，本课题设为5 c m 。则只要知道x 就可以得到西瓜的半径r 的大 小，然后根据体积公式v = 4 , p i , r 3 3 ，即可计算出西瓜的体积大小v = 3 9 1 - 1 5 1 x + x2 。最 后再根据西瓜密度得到西瓜的质量m 。 2 3 敲击装置的设计 本装置利用小球自由下落的能量来对西瓜进行敲击( 见图2 9 ) ，从而产生振动信号。此 种敲击方法可以简化测量装置，从而为实现测量装置的便携奠定基础。本课题可以从测量装 置总体设计图中可以看出此种敲击方法对装置的便携起到的积极作用。 图2 9 测量装置的整体结构图 根据j a m a ln o u r a i ni b r a h i m 的研究，敲击点置于水果外表面的中部附近，采用直径为 3 0 m m 的木质小球产生激振信号，用加速度传感器对振动信号进行采集阻m 引。 2 4 本章小结 本章主要介绍了加速度传感器的选择，特性，与其信号调理电路的设计，以及测量装置 的敲击部分和西瓜质量测量部分的设计。本章重点介绍了加速度传感器的信号调理电路的设 计，它是整个测量装置的基础，只有能够产生信号，才能送到单片机，由其处理。所以本章 严格根据加速度传感器的特性要求设计了与其相符的调理电路。 第三章振动信号采集系统的硬件设计 测量装置的硬件设计是整个系统实现其功能的基础，对系统的测量精度也起到非常重要 的作用。实现数据的采集，测量装置的运行状态及运算结果的显示，与p c 机通信等功能。 其中包括单片机最小系统部分，液晶显示部分，r s 2 3 2 与t t l 电平转换部分，电源部分。 下面将详细介绍各部分的主要内容。硬件原理图见附录a 。 3 1 单片机模块 3 1 1 单片机的选择 由于本系统拟采集1 0 2 4 个点，a d 转换采用1 0 位精度，则每个点需两个字节存储，所 以需要多于2 k 的存储空间。为了简化硬件系统，提高集成度，降低能耗，提高整个系统的 精确性和可靠性，以及测量装置的低成本，本课题选择了s t c 9 0 c 5 1 4 a d 单片机作为控制核 心。它具有5 6 k 的f l a s h 程序存储器，4 3 5 2 个字节的s r a m ，5 k 的e e p r o m ，8 路l o 位 a d ，3 9 个i o 口，支持双倍速，可以说片上资源非常丰富。同时s t c 9 0 c 5 1 系列单片机还 具有以下优点： 超大容量s r a m ，最高可达4 2 k 字节s r a m ，高速1 0 位a d ，可达2 5 万次秒。 超强抗干扰：高抗静电；轻松超过4 4 0 0 y 快速脉冲干扰( e f t 测试) ；宽电压， 不怕电源抖动；宽温度范围，4 0 _ 8 5 。 三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施：禁止a l e 输出；如选6 时钟机器周 期，外部时钟频率会降低一半：单片机时钟振荡器增益可设为1 2 增益。 超低功耗：掉电模式( 典型功耗 0 1 u h ) ；正常工作模式( 典型功耗4 m a 7 l a ) ： 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统，如水表，气表，便携设备等。 在系统可编程，无需编程器，无需仿真器。 内部有简单复位，时钟频率在1 2 m 以下时，可使用内部复位，原复位电路可以保 留，也可以不用，不用时r e s e t 接1 k 电阻到地。 3 1 2s t c 9 0 c 5 1 4 a d 单片机简介 s t c 9 0 c 5 1 系列解决了全球各厂家8 9 系列均已被解密的问题，软硬件完全兼容，其封 装如图3 1 所示。 s t c 9 0 c s l 4 a d 单片机片上资源十分丰富，不仅具有大容量内存5 6 k 的f l a s h 程序存 储器，4 3 5 2 个字节的s r a m ，5 k 的e e p r o m ，还拥有1 0 位高速a d ，大大简化的硬件电 路，提高了集成度。其丰要特性如下“j ： 8 0 c 5 1 核心处理单元； 5 v 工作电压，操作频率为o 8 0 眦z ； 5 6 k b 的片内f l a s h 程序存储器，具有i s p ( 在系统可编程) 和i a p ( 在应用可编程) 功 能； 通过软件或i s p 选择支持1 2 时钟( 默认) 或6 时钟模式； 3 9 个8 位i 0 口，复位后为：p i p 2 p 3 p 4 是准双向n 弱上拉( 普通8 0 5 1 传统i o h ) ， p 0 口是开漏输出作为总线使用时用，不用加上拉电阻，作为u o d 用时，需加卜扣电阻； 内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路，外部晶振在1 2 m 以下时，可省外部复位电路，复位脚 町直接接地。 3 个1 6 位定时器计数器； 可编程看门狗定时器( w ) ； 8 个中断源，4 个中断优先级 2 个d f f r 寄存器； 低e u l 方式( a 【e 禁能) i 兼容t t l 和c m o s 逻辑电平； 掉电检测； - 低功耗模式 掉电模式，外部中断唤醒： 空闲模式 多种封装可供选择。 3 2 液晶显示模块 图3 1s t c 9 0 c 5 1 4 a d 单片机封装图 为了显示最终的测量结果，以及测量装置的运行状态以便于操作和调试，本课题选择 丁1 2 8 6 4 液晶模块用于显示。 3 2 1 概述 带中文字库的1 2 8 x 6 4 是一种具有4 倒s 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含 有丽标级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块：其显示分辨率为1 2 8 x 6 4 ，内置 8 1 9 2 个1 6 1 6 点汉字，和1 2 8 个1 6 8 点a s c i i 字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、 方便的操作指令，可构成全中文人机交耳图形界面。可以显示8 x 4 行1 6 x 1 6 点阵的汉字。也 可完成图形显示低电压低功耗是其叉一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型 的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价 格也略低于相同点阵的图形液晶模块f 2 5 】。 3 2 2 基本特性 专 低电源电压( v d d ：+ 3 o + 5 5 v ) 夸显示分辨率：1 2 8 x 6 4 点 睁 内置汉字字库，提供8 1 9 2 个1 6 x 1 6 点阵汉字( 简繁体可选) 睁 内置1 2 8 个1 6 x 8 点阵字符 参2 m h z 时钟频率 显示方式：s t n 、半透、正显 睁驱动方式：1 3 2 d u t y ，i s b i a s 专视角方向：6 点 背光方式：侧部高亮白色l e d ，功耗仅为普通l e d 的1 5 1 1 0 巾通讯方式：串行、并口可选 夸 内置d c d c 转换电路，无需外加负压 夸 无需片选信号。简化软件设计 工作温度：o + 5 5 ，存储温度： 2 0 + 们 3 2 3 模块接口说明 1 串口接口管脚信号 管辫号职称l e v e l 功旋 1v s s0 v 电源地 2v d d+ 5 v 电源诖：( 3 ( i v 5 5 v ) 3 v 0 对比度( 毙凄) 调整 ，主( 蕊l v 己校器l 脖选端，商电平有教 一 l b t 串； 数攥输入端 ：】s 工d 6 c l kl l串行硒步时钟：土升沿时渎墩s i d 数缀 1 5f s 8 乙 l ：球髓方式( 见 蕾释1 ) l7 r e s e t l复位端。低魄平有效( 见注释2 ) 1 9a 协d 背光源电压牛5 v ( 见滩释3 ) 2 0k v s s 背光源负端0 v ( 觅注释3 ) 木注释l ：如在实际应用中仅使用串口通讯模式，可将p s b 接固定低电平，也可以将模块上的j 8 和“g n d ” 用焊锡短接。 宰注释2 ：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。 奉注释3 ：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的j a 、j l ( 用焊锡短接。 ! 垒扬州叁堂亟途塞 2 并行接口 管脚号管脚名称电平管脚功能描述 1v s so v电源地 2v c c3 淞电源正 3v 0对比度( 亮度) 调整 4r s 一h ”，表示d b 7 _ d 踟为显示数据 r s ( c s ) h l r s = c l ，表示d b 7 - - d b o 为显示指令数据 r w - - - h ”，e - - - h ，数据被读到d b 7 - d 瑚 5 r w ( s m ) 肌 r w - - - - l ”，e - - h - - + l ，d b 7 _ - d b 0 的数据被写到瓜 或d r 6 e ( s c l k ) h l使能信号 7d b oh l三态数据线 8d b lh l三态数据线 9 d b 2h 几三态数据线 1 0 d b 3 h l 三态数据线 1 1d b 4肌= 态数据线 1 2 d b 5h l= 态数据线 1 3d b 6肌三态数据线 1 4 d b 7h l= 态数据线 1 5p s bh 几 h ：8 位或4 位并口方式，l ：串口方式( 见注释1 ) 1 6n c空脚 1 7 r e s e th l复位端，低电平有效( 见注释2 ) 1 8 v o u tl c d 驱动电压输出端 1 9av d d 背光源正端( + 5 v ) ( 见注释3 ) 2 0k v s s背光源负端( 见注释3 ) 术注释l ：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将p s b 接固定高电平，也可以将模块上的j 8 和“v c c ” 用焊锡短接。 = i ：注释2 ：模挟内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。 木注释3 ：如背光和模块共用个电源，可以将模块上的j a 、j k 用焊锡短接。 3 3 与p c 机通信模块 因为本装置在研制阶段需要p c 机进行数据分析与处理，所以需要与p c 机进行通信。本 课题选择的是p c 机通信中最常用酊r s 2 3 2 总线方式。 r s 2 3 2 c 是由美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的、在异步串行通信中应用最广泛的标 准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适用于数据终端设备( d t e ) 和 数据通讯设备( d c e ) 之间的接口。r s 2 3 2 串行信息格式为1 0 位，1 位起始位，1 位奇偶校 检位，1 位停止位，8 位数据位。r s 2 3 2 c 的机械指标规定：r s 2 3 2 c 接口通向外部的连接 器是一种“d ”型2 5 针插头，在微机通讯中，通常使r s 2 3 2 c 接口信号只有九根引脚，其引 脚如图3 2 所示： 嬲裂6 m7 洒8 l ! d 2 煳 3 黜 4 蕊 sg k d 图3 2d b 9 管脚图 r s 2 3 2 总线连接距离通信：1 5 米以内。适于短距离或带调制解调器的通信场合。其逻 辑电平对地是对称的，与t t l 、c m o s 逻辑电平完全不同。r s 2 3 2 c 电平是负逻辑电平( 逻辑 o ：+ 5 v + 1 5 v ，逻辑1 t 一1 5 v 一5 v ) ，而单片机的串口是t t l 电平的，t t l 为正逻辑 电平( 带负载时：逻辑l ：+ 5 v + 1 2 v ，逻辑o ：一5 v 一1 2 v 。不带负载时：逻辑1 ：2 4 v ， 逻辑o ：0 4 v ) ，所以单片机和p c 机进行通信时，两者之间必须有一个电平转换电路。 电平转换芯片采用专用于r s 2 3 2 c 电平和t t l 电平转换的芯片m a x 2 3 2 m 1 。其封装引脚图如图 3 3 ： 朋月x 1 月嵋 豫a x 2 m 姒2 3 2 镳怼3 2 戎 型v e c 习g n d 盈t 1 0 暇 习 司r 1 0 u 毛 团t 1 科 固t 2 飘 司r 2 铡i 图3 3m a x 2 3 2 封装图 本课题在这里采用了简单有效的三线制连接串口：计算机的9 针串口只连接其中的3 根线：第5 脚的g n d 、第2 脚的r x d 、第3 脚的t x d 。连接方法如图3 4 ： + + + _ l t 槽 叭 潞 协协弘 姗 3 4 电源模块 图3 4 电平转换的基本接线图 由于振动信号的的调理电路要正负电源电，所以本课题选择l 7 8 0 5 和l 7 9 0 5 的稳压芯片 来分别产出+ 5 v 和一5 v 电压。其电路如图3 5 所示： 图3 5 电源模块电路原理图 3 5 本章小结 本章主要介绍了采集系统的硬件电路设计和各集成模块的功能介绍及使用。其中包括单 片机模块，液晶显示模块，与p c 机的通信模块及电源模块。这部分是整个测量装置的硬件 核心部分，是测量装置功能实现的基础。 第四章振动信号采集系统的软件设计 前面几章主要是测量装置的“硬件设计 ，这个“硬件设计 包括了机械方面的硬件设 计，也包括了电路方面的硬件设计。这一章则是在前面的基础上进行软件设计，这好比是给 无生命的东西赋予“灵魂 ，这将使测量装置动作起来，去完成它的任务。 4 1 单片机c 语言编程 4 1 18 0 5 1 单片机c 语言 c 语言由早期的编程语言b c p l ( b a s i cc o m b i n dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ) 发展演变而来。 1 9 7 0 年美国贝尔实验室的k e nt h o m p s o n 根据b c p l 语言设计出b 语言，并用b 语言编写了 u n i x 操作系统。1 9 7 2 1 9 7 3 年，贝尔实验室的d m r i t c h i e 在b 语言的基础上设计出了c 语 言。c 语言发展迅速，成为最受欢迎的语言之一，主要原因它具有强大的功能，与混编语言 相比它具有如下特点 2 6 1 ： 1 ) 具有结构化控制语句 结构化控制语句的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息 交流外彼此独立。这种结构化方式可以使程序层次清晰，便于使用，维护及调试。 2 ) 使用范围大和可移植性好 同其他高级语言一样，c 语言不依赖于特定的c p u ，其源程序具有很好的可移植性。只 要某种c p u 或m c u 有相应的c 编译器，就能使用c 语言进行编程。 4 1 2k e i lc 软件简介 k e i lc 5 1p v i s i o n 3 集成开发环境是k e i ls o f t w a r e ，i n c k e i le l e k t r o n i kg m b h 开发的基 于8 0 c 5 1 内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成 从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程 尤其是c 编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的 控制选项，在开发大型项目时非常理想。k e i lc 5 1 集成开发环境的主要功能有以下几点： 令p v i s i o n 3f o rw i n d o w s ：是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程 序调试等组合在一个功能强大的环境中； 令c 5 1 国际际准化c 交叉编译器：从c 源代码产生可重定位的目标模块； 夺a 5 1 宏汇编器：从8 0 c 5 1 汇编源代码产生可重定位的目标模块； b l 5 1 链接器，定位器：组合由c 5 1 和a 5 1 产生的可重定位的目标模块，生成绝 送坐缱僵拨盛酉匝避塾崖捌遗韭篮丝壁划1 1 对目标模块： 辛l i b 5 1 库管理器：从目标模块生成连接器可以使用的库文件i 审o h 5 1 目标文件至h e x 格式的转换器，从绝对目标模块生成i n t e l h e x 文件 奇r t x 5 1 实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项日的设计。