嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现尚毕业设计论文.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学 院：电子与电气工程学院 专 业： 自 动 化 学 生： 指导教师： 完成日期 2014 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 Design and Implementation of the Intelligent Industrial Instrument Based on Embedded System 总 计： 30 页 表 格： 3 个 插 图 ： 25 幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 Design and Implementation of the Intelligent Industrial Instrument Based on Embedded System 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 自动化专业 摘摘 要要 本系统完成了嵌入式技术的智能工业仪表的软件和硬件的设计，实现了 温度的采集和控制。本系统属于典型的智能工业仪表的温度信号采集控制系统，用 PT100、桥式电路和差分放大电路完成对温度信号的采集，把放大后的信号通过 STM32 片内 12 位 AD 转化为数字信号，进行数字滤波。调用 PID 控制算法计算出 PWM 波的占空比，进而通过继电器和接触器控制加热丝的通断；系统使用 LCD 和按 键做为人机交互，并且通过 Modbus 通信协议和上位机通信，用上位机监控温度变化曲 线。 关键词关键词 智能工业仪表；嵌入式技术；温度采集；PID 控制 Design and Implementation of the Intelligent Industrial Instrument Based on Embedded System Automation Specialty Abstract: The system has completed software and hardware design of the embedded technology of intelligent industrial instrumentation,which has achieved the acquisition and control of the temperature. This system belongs to a typical temperature signal acquisition and control system of intelligent industrial instrumentation , with PT100, the bridge circuit and a differential amplifier circuit to complete acquisition of the temperature signal. The amplified signal is converted into digital signals through the inner sheet 12 AD of STM32 , and then carry out the digital filter. It call proportional integration differential control algorithm to calculate the duty cycle of the PWM wave and then control heating wire off and on through the relay and contactor. The system uses liquid crystal dispiay and buttons as human- computer interaction and communicates with the host computer via Modbus protocols, with the host computer monitoring the temperature variation curve. Key words: Intelligent industrial instrumentation; embedded technology; temperature acquisition; proportional integration differential control 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 目 录 1 引言.1 1.1 智能工业仪表在工业领域中的应用 .1 1.2 智能工业仪表在国内外研究现状与发展趋势 .2 1.3 论文组织结构安排 .2 2 系统整体方案设计.3 2.1 温度信号的采集原理 .3 2.2 温度信号采集电路方案的选择 .4 2.3 智能仪表功能的设计 .4 3 智能仪表硬件的设计.5 3.1 温度信号采集电路的设计 .5 3.1.1 电阻电桥电路的设计.5 3.1.2 差分放大电路的设计.6 3.2 最小核心系统的设计 .7 3.2.1 处理器的选型.7 3.2.2 最小核心系统电路的设计.9 3.3 人机交互界面的设计 .10 3.3.1 显示界面的设计.10 3.3.2 功能按键的设计.11 3.4 电源电路的设计 .12 3.4.1 开关电源的设计.12 3.4.2 STM32 电源的设计 .13 3.5 输出驱动电路的设计 .14 3.6 无线传输模块的设计 .14 4 智能仪表的软件设计.15 4.1 软件开发平台 .15 4.2 硬件驱动的设计 .16 4.2.1 AD 驱动的设计.16 4.2.2 LCD 驱动的设计.16 4.2.3 MODBUS 通信协议的设计.17 4.2.4 PWM 波产生模块的设计.18 4.3 采样与滤波算法的设计 .18 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 4.3.1 信号采集程序的设计.18 4.3.2 数字滤波程序的设计.18 4.4 PT100 阻值与温度的最小二乘法拟合.19 4.5 温度控制算法的设计 .20 4.5.1 积分分离 PID 算法的设计.20 4.5.2 模糊控制算法的设计.20 5 系统调试及结果分析.22 5.1 调试方法 .22 5.2 系统整体的调试 .22 5.2.2 Modbus 的调试.23 5.2.3 滤波算法和 PID 参数的调试.24 结束语.26 参考文献.27 附录.28 致谢.30 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 1 1 引言 随着微电子、计算机、网络和通讯技术的飞速发展以及综合自动化程度的不断提 高，目前智能仪表广泛应用于工业自动化领域，其技术也同样在过去的二十多年里得 到了迅猛的发展。智能仪表在结构上自成一体，有的仪表内部还带有专用的微型计算 机系统和通用接口总线接口，能独立完成测试1。由于引入了计算机，功能强大、性能 优异、使用灵活、方便，是现阶段高档电子仪表的主体。 随着新技术、新工艺和嵌入 式系统技术的不断进步，智能仪器还在不断发展，不断推陈出新，不断提高智能水平。 但是目前国外智能仪表占据了国际应用市场的绝大比重，如何结合目前智能仪表的工 业应用经验并快速跟踪国际智能前沿技术，应用于我国智能仪表的开发研究中，成为 振民族智能仪器仪表的一大突出问题2。因此嵌入式技术的智能工业仪表的开发是非常 必要的。 1.1 智能工业仪表在工业领域中的应用 智能仪表是把一个微型计算机系统嵌入到数字式电子测量仪器中而构成的独立式 仪器。 嵌入的计算机系统可以是芯片级。如单片机、数字信号处理等。模板级如 PC - 4，也可以是系统级，如微型计算机系统，可编程单芯片系统等。 智能仪表用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析，并根据处理结 果对生产过程进行控制的重要技术工具。其中包括检测仪表、分析仪表、执行与控制 仪表、记录仪表等几大类，也有将几部分功能集成在一起的仪表，是工业控制领域的 核心之一3。 微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革， 即以微型计算机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代具有某种智能的 灵巧仪表。这类仪表的设计重点，己经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板 或微机功能部件、接口电路和输入、输出通道的设计，以及应用软件的开发4。传统模 拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的，而在以单片机或嵌入式系统为主体的仪表 中，则由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种 典型应用的控制策略包等模块组成的软件，来完成众多的数据处理和控制任务5。 工业用户对于能源及物耗成本的计量要求、控制精度的要求、减轻现场作业量 （工艺操作和仪表维护）的要求无一例外的将扩大智能仪表的应用市场。此外，仪表 行业的自身发展已经趋于智能化。 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 2 1.2 智能工业仪表在国内外研究现状与发展趋势 随着大规模工业化装置对安全运行及自动化控制水平要求的不断提高，尤其是上 世纪 90 年代后期 DCS 系统的应用普及、现场总线技术的快速发展、各种标准通讯协 议的进一步开放和完善，促使智能仪表在工业自动化领域得到了更为广泛和大规模的 应用6。 仪表行业的自身发展已经趋于智能化。这一点无论是中国还是全球，仪表产品的 高科技化、高智能化已经成为必然的发展趋势。相比之下，国产智能化仪表无论是设 计还是制造都明显弱于国际先进水平；国内工业自动化用户在智能仪表的使用经验方 面也相对积累较晚、较少，智能仪表与现场总线的应用组合也还不多，这些现状表明 我国智能仪表的研究和应用还只是处于一个初级阶段7。 智能仪器以微处理器与大容量存贮器为核心, 将微处理器或计算机与传统仪器仪表 结合了起来，能够适应被测参数的变化， 集自动补偿、自动选择量程、自动校准、自 寻故障、 自动进行指标判断，以及进行逻辑操作，定量控制与程序控制等多种功能于 一身8。这些特点将使它更为广泛地应用在社会的各个领域。 智能仪表的智能化程度表征着其应用的广度和深度，目前的智能仪表还只是处于 一个较低水平的初级智能化阶段，某些特殊工艺及应用场合则对仪表的智能化提出了 较高的要求；当前智能化控制理论的研究方向是神经网络、遗传算法、小波理论、混 沌理论等，使传统仪表具有了目标准、 自适应、 自学习等功能，使精度和可靠性进 一步得到提高9。 1.3 论文组织结构安排 论文围绕嵌入式技术的智能工业仪表的设计与实现展开论证。第一节已经从智能 工业仪表的研究意义、国内外研究状况进行了阐述。第二节主要对温度信号的采集及 智能工业仪表的功能的设计进行介绍。第三节从信号采集的硬件电路、处理器、人机 交互、等方面进行了设计。然后第四节从硬件底层驱动、控制算法和应用程序进行设 计。最后第五节对各个模块的调试及结果分析，论文整体组织结构图如图 1 所示。 智能仪表研现状与 研究趋势 智能仪方案的设计 表的总体 智能仪表硬件电路 的设计 智能仪表软件的设 计 智能仪表的调试结 果与分析 第一节 第二节 第三节第四节 第五节 图 1 论文组织结构图 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 3 2 系统整体方案设计 系统的整体结构图如图 2 所示。 采集模块STM32 zigbee无线 传输模块 输出驱动 人机交互 Modbus通信 协议 上位机监控 图 2 系统整体结构图 2.1 温度信号的采集原理 温度是工业工过程中的四大参数之一，也是很多生产过程中都需要测量和控制的参数。 热电阻和热电偶是工业过程温度测量中最常用的温度传感器。热电阻以其测温精度高、 稳定性好而被广泛应用于 650以下的温度测量中，而热电偶一般用于更高温度的测量。 常用的热电阻有铂电阻和铜电阻，常用的热电阻型号有 S、R、B、K、N、E、J、T 八 种10。测温时热电阻或热电偶安装在现场温度检测点，与控制室内的温度显示仪表等 二次仪表有一定的距离，为保证温度测量的准确,对热电阻要考虑消除其导线电阻的影 响，同时由于被测温度与热电阻阻值之间存在非线性，应考虑非线性补偿问题。对热 电偶要采用补偿导线，并考虑冷端温度补偿及热电偶电压值与被测温度之间的非线性 补偿11。 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于 其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200650) 范围的温度测量中。PT100 是一种广泛应用的测温元件，在-50 600范围内具有其他 任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等12。由于 铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路 校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等 干扰因素影响；数字化校正则需要在微处理系统中使用，将 PT100 的电阻值和温度对 应起来后存入 EEPROM 中，根据电路中实测的 AD 值以查表方式计算相应温度值；或 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 4 者有 MATLAB 对阻值和温度值进行最小二乘法多项式拟合，其精度可以控制在 0.2% 一下13。 2.2 温度信号采集电路方案的选择 常用的 PT100 电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将 PT100 的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除，从而减小 系统误差。常用的采样电路有两种：一是恒流源式测温电路，它在测量中通过施加恒 定的电流将电阻值变为电压进行测量。然而, 测量误差还必须考虑其他环节的影响如测 温元件的长引线电阻变化对恒流源的影响;放大及信号调理电路中运算放大器的失调电 压、放大倍数以及零点电压的漂移，后级的 AD 转换器的漂移等以及电源电压的变化 等，最终对恒流源的要求将会更加苛刻14。只有全部使用精度很高、温漂极小的元件， 才有可能满足系统的测量精度要求，这在工程上实现起来有一定的难度。二是桥式电 阻测温电路，它简单容易实现，本次选择该电路。 2.3 智能仪表功能的设计 随着嵌入式技术的日益发展，工业控制对智能仪表的功能要求也渐渐提高。主要 包含以下部分：1、能够适应被测参数的变化，集自动补偿、自动选择量程、自动校准、 自寻故障、自动进行指标判断，以及进行逻辑操作，定量控制与程序控制等多种功能。 2、数据传输功能，可通过网络、以太网等技术进行数据远距离传输。3、由编程软件、 各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略 包等模块组成的软件，来完成众多的数据处理和控制任务15。因此，嵌入式技术智能 工业仪表的功能设计如下所示： (1) 温度变送器：采集温度并变换到片内 AD 可以转换的范围内。 (2) 主控：完成数据分析，通过控制算法计算输出 PWM 波的占空比，控制温度。 (3) LCD 显示：显示温度当前值、设定值以及 PID 算法的相关参数。 (4) 功能按键：完成参数的修改，使操作更为简单，设计更为人性化。 (5) 输出驱动电路：完成对控制结果的放大输出。 (6) 无线数据发送：完成上位机和 STM32 的数据传输。 (7) MODBUS 数据传送：使用 MODBUS 通信协议实现上位机和下位机的通信， 从而完成数据的传送。 (8) 上位机监控：完成对温度变化曲线的监控。 (9) 电源：开关电源为智能仪表供电。 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 5 3 智能仪表硬件的设计 嵌入式系统的硬件层包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash 等） 、 通用设备接口和 I/O 接口（A/D、D/A、I/O 等） 。在一片嵌入式处理器基础上添加电源 电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。 智能仪表要求具有再开发性，功能尽可能的完善能够实时对温度信号进行处理， 而且要求随着发展可以进一步升级满足工业控制更多的需求。基于嵌入式技术的智能 仪表要求集信号的采集、处理、传输三大功能于一体。对于这些功能，即需要相对独 立的模块化设计，又需要良好的协调。因此，在开发过程中，硬件设备的选择需要考 虑这些特定的需求，有针对性的进行器件的选择和设计。总体电路要遵循： 选择合适 的处理器，尽量选择片上系统（System on Chip，SoC）设计硬件系统，减少硬件复杂 度并降低成本。选择典型电路，按照模块化设计，系统扩展与 I/O 的配置充分满足应 用系统的功能要求，并留有适当冗余，以便进行二次开发。 注重软硬件结合，软件能 实现的功能尽可能由软件实现,以简化硬件结构，降低能耗和设备成本。 必须考虑芯片 的驱动能力，有必要的可靠性及抗干扰设计它包括去耦滤波、印刷电路板布线、通道 隔离等。系统硬件设计总图如图 3 所示。包含了处理器外围电路、电源及开关类电路、 显示电路、采集电路、放大电路等。 硬件电路 开关电源电路温度采集电路最小系统板人机交互电路无线传输模块输出驱动电路 图 3 系统硬件方框图 3.1 温度信号采集电路的设计 3.1.1 电阻电桥电路的设计 电阻电桥电路如图 4 所示，电路电阻参数的选择：R4 和 R8 选择为 2K，R5 为 100 欧姆，在这种情况下可以保证通过 RT100 的电流在 2.5mA 附近，保证 PT100 在最佳状 态和减小 R5 应为温度变化而导致的阻值变化，从而减小误差。 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 6 5K R4 1K R2 5V GND U1 U2 5K R1 3 2 1 P3 端子 图 4 电阻电桥路图 3.1.2 差分放大电路的设计 OP07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于 OP07 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A 最大为 25V） ，所以 OP07 在很多应用场合 不需要额外的调零措施。OP07 同时具有输入偏置电流低（OP07A 为2nA）和开环增 益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，而且还有 100 分贝左右的共模抑制比，这种 低失调、高开环增益和高共模抑制比的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和 放大传感器的微弱信号等方面。 差分放大电路如图 5 所示，参数选择：R7 和 R8 是 1K，R6 和 R9 是 35K，放大倍 数是 35 倍；应为电路只有两路输入且参数对称 U0=R6/R7(U1-U2)。 50k R9 GND 5V 104 C1 GND 104 C3 GND U1 U2 50k R6 104 C2 GND 104 C4 GND 2 3 7 5 6 8 4 1 U1 OP07CAD 1 2 P5 IN-AD 5k R7 5kR8 -5V 图 5 差分放大电路图 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 7 3.2 最小核心系统的设计 嵌入式系统要求以应用为中心、软件硬件可裁剪的、适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统，由硬件和软件两部分有 机的结合在一起，作为一种典型的嵌入式应用。由于智能仪表有很强的处理、通信能 力，同时也要求功能完善，能够实时对温度信号进行处理。集信号采集处理传输 几大功能于一体。对于这些功能，即需要相对独立的模块化设计，又需要良好的协调。 因此，在开发过程中，硬件设备的选择需要考虑这些特定的需求，有针对性的进行器 件的选择和设计。 3.2.1 处理器的选型 处理器相当于人体的大脑机制，整个系统在处理器合理指挥调度下才能完成我们 赋予他们的任务，所以一款合适的处理器对于整个系统来说是非常重要的。经过综合 考虑本设计对处理器的选择主要从以下五个方面来考虑： (1) 处理器的处理速度：在本设计中，处理器不仅要进行实时温度采集，同时还要 实时显示出来，并且要对温度进行控制，还要将采集数据传到上位机中，因此，处理 器要有较高的处理速度。 (2) 处理器在完成任务的复杂程度：在本设计中，处理器要负责信号的采集、信号 的处理、当前温度和设定温度的显示、对温度的控制以及通信。 (3) 尽可能简化外围电路的复杂程度：一个系统中所使用的元器件越多、电路结构 越复杂，则系统的出问题的概率越大，可靠性与稳定性越差。因此在选择 MCU 的时候， 希望 MCU 内部集成功能单元越多越好，这样就能简化系统设计，增加系统的可靠性及 稳定性。 (4) 尽可能减少生产成本：在本系统中，由于多数属于工业现场不确定性因素较多， 要求控制器的稳定要高，抗干扰能力要强，其中处理器的成本占了整个系统的重要的 一部分，能够降低处理器的成本也就从而降低了产品的总成本。 (5) 尽可能底的功耗：考虑到工程实际和成本，要尽可能的降低功耗。 综合以上几个方面，最终选用了意法半导体公司推出的新型 32 位 ARM 内核处理 器芯片 STM32 系列中的 STM32F103VET6。 STM32F103x 增强型系列芯片使用高性能的 ARM Cortex-M3 32 位的 RISC 内核， 工作频率为最高可达 72MHz，内置高速存储器(高达 128K 字节的 FLASH 和 20K 字节 的 SRAM)，丰富的增强 I/O 端口和连接到两条 APB 总线的外设。所有型号的器件都 包含 2 个 12 位的 ADC、3 个通用 16 位定时器和一个 PWM 定时器，还包含标准和先 进的通信接口：多达 2 个 I2C 和 SPI、3 个 USART、一个 USB 和一个 CAN。工作电压 为 3.3V。图 6 是 STM32F103x 的模块框图。 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 8 STM32 微控制器有如下优点： (1) STM32 内部有高达 128K 字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。多达 20K 字节的内置 SRAM，CPU 能以 0 等待周期访问(读/写)。这样在我们所设计的系统 中就去掉了以往很多嵌入式项目设计中所需要的用于外部程序存储器的 Flash 芯片和用 于外部数据存储器的 SRAM 芯片，大大节约了系统成本，提高了系统可靠性及稳定性 13。 (2) STM32 增强型系列拥有内置的 ARM 核心，因此它与所有的 ARM 工具和软件 兼容。 这给项目的开发工作带来了很大的便利，因为在以前的工作中曾经使用过其他 ARM 核心的微控制器，所积累的经验在本项目的开发中得到了充分发挥。而且由于可 用于 ARM 开发的工具软件很多，大大加快了项目开发的速度和效率。 图 6 STM32F103x 的模块框图 (3) STM32 的内部 FLASH 是在线可编程的。在我们的项目中，设备运行的配置参 数 会存储在 FLASH 中的固定位置，每次启动设备时，程序会读取这些参数来进行初 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 9 始化。但在某些情况下，需要远程设置或修改配置参数。这一功能使得可以在不用接 JTAG 烧写器的情况下根据 USART 接口接收到的数据来修改 FLASH 中的配置参数， 在设备再次启动时，就会读取新参数来进行初始化9。 (4) STM32 有优秀的功耗控制。高性能并非意味着高功耗。STM32 经过特殊处理， 针对应用中三种主要的功耗需求进行优化，这三种能耗需求分别是运行模式下的高效 率的动态耗电机制、待机状态时极低的电能消耗和电池供电时的低电压工作能力。 (5) STM32 拥有强大的库函数。它采取与以往不同设计方法，通过把各个外设封 装成标准库函数 的方式，屏蔽了底层硬件细节，能够使开发人员很轻松地完成产品的 开发，缩短系统开发时间。 STM32 固件库。STM32 固件库提供易用的函数可以使用户方便地访问 STM32 的 各个标准外设，并使用它们的所有特性。 USB 开发工具集。在更广的应用领域中，USB 功能的实现将变得越来越方便，因 为 USB 开发工具集提供了完整的，经过验证的固件包，使得用户可以顺利地开发各个 类的 USB 固件。 (6) STM32F103xx 增强型支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间 和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。 总之，STM32 芯片在项目中的使用，使得整个系统的运行效率、稳定性、功耗、 生产成本等都比同类系统有了较大的提升。本设计中最小核心系统设计图如图 8 所示。 3.2.2 最小核心系统电路的设计 由图 7 中可以看出，在设计 STM32 最小系统电路时要注意一下几个部分： (1) 复位电路：利用 RC 电路的延时特性，设计了简单的复位电路，有此可简单计 算出延时时间，这里用一个 10 k 电阻和 1.0 F 的电容，时间延时大约为 3.6ms，符合 STM32 系统芯片的复位要求。 (2) 晶振电路：这里选用两个晶振，首先 8M 无源晶振，晶振两端分别通过 22pF 的电容接地，另一个 32.768K 的晶振使用的 15pF 的电容接地电路简单，并能很容易的 就能使晶振起振。 (3) 芯片上的 BOOT0 和 BOOT1 引脚分别通过跳线帽可选高低电平，以改变芯片 启动模式，其启动模式说明如表 1 所示。 (4) 模块有 4 个数字电源供电引脚，1 个模拟电源供电引脚以及相应的接地引脚。 在电源端要注意接滤波电容，模拟地和数字地引脚之间最好通过 0 电阻隔离。电源 和地之间加若干去藕电容。 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 10 表 1 启动模式说明 启动模式选择管脚 BOOT1BOOT0 启动模式说明 X0用户闪存存储器用户闪存存储器被选为启动区域 01系统存储器系统存储器被选为启动区域 11内嵌 SRAM内嵌 SRAM 被选为启动区域 图 7 最小核心系统设计图 3.3 人机交互界面的设计 人机交互界面是指人与计算机系统之间的通信媒体或手段，是人与计算机之间进 行各种符号和动作的双向信息交换的平台。 3.3.1 显示界面的设计 首先，对于智能工业仪表设计，那么在 LCD 的选择上，就要符合实际的需要，必 须要考虑功耗和成本。对于人机交互部分，显然采用单色液晶显然已经不能满足的需 要，因此把 LCD 的选择定位在了彩色液晶上。主要从以下几个参数做出选择： (1) 颜色要丰富：从美观角度来讲，在液晶上不同类型的数据最好能够以不同的颜 色来区分。汉字、数字最好颜色不同。所以在液晶的颜色上要达到一定的数量。 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 11 (2) 尺寸：因此液晶的尺寸不易过大，但也要便于观察，选择时要符合实际情况， 过小则可能出现汉字或数字不便于观察等问题。 (3) 功耗：对于工业设备来说，低功耗是一般都作为一项重要的指标。 (4) 材质：液晶主要有两类：STN 型和 TFT 型，后者较之前者显示效果更佳，但 耗电能方面也高于前者。 (5) 价格：正如上面所提到的，性价比高是本系统设计的一个目标，因此要可能的 用符合设计要求价格低廉的产品。 因此，根据上述几点本设计选用了 2.8 寸真彩 TFT 液晶触摸屏，320*240 像素，26 万色，16 位并行接口，可以直接用 AVR、ARM7、STM32 等 MCU 驱动。相关参数： (1) 分辨率：QVGA 240 x 320 (2) 尺寸：2.8 英寸 (3) 控制器：IL9325 (4) 触摸屏：4 线电阻式 (5) 接脚：40PIN 间距 2.54mm (6) 背光：4 LED 并联如图 8 所示 LCD 显示界面接口如图 9 所示 图 8 4LED 并联 图 9 LCD 显示界面接口 3.3.2 功能按键的设计 对于实现人机交互的场合，按键是比较常用的，通过按键来选择系统的功能，完 成对系统的访问控制。本系统采用按键作为功能按键，电路简单，实用可靠它的硬件 设计电路如图 10 所示。 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 12 S1 S2 S3 S4 GND3.3V 图 10 按键电路图 3.4 电源电路的设计 电源电路是整个系统中十分重要的一环，如何降低功耗成为工程师面临的急需解 决的问题。如果电源不稳定可能造成系统不能正常工作，严重的甚至烧坏芯片引发事 故。因此电源管理越发显得重要。 电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源电路设计主要考虑用 哪种类型的电源器件，输入输出电压，输出电流以及控制状态。 3.4.1 开关电源的设计 智能工业仪表需要高效的稳定的电源供电。开关电源有功耗小，效率高、转换速 度很快、功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到 80%；重量轻从开 关电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器；稳压范围宽，从 开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过 调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定 的输出电压。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关电源不 仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用 的要求，灵活地选用各种类型的开关电源； 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量 和体积大为减少15。智能仪表的供电选择开关电源来供电，电路图如图 11 所示。 嵌入式技术的智能工业仪表设计与实现 13 D2 1N4007 D4 1N4007 D3 1N4007 D5 1N4007 10uF,400V C7 AGND UN/UV 1 B P/M 2 D 4 S 5 S 6 S 7 S 8 U3 TNY280P R3 150K D6 FR107 0.1uf,25v C11 CAP A 1 K 2 C 4 E 3 U4 PC817 AGND 4700PF C3 CAP 23 1 U5 TL431 R9 1K GND R6 220 R4 2.2M 1 2 P3 220V R2 3.3,2W R8 1.5K 100NF C12 10K R7 RPot2 1 2 7 6 8 T1 EF20变压器 D1 FR307 D7 FR307 R1 27 470PF C1 CAP R5 27 470PF C6 CAP 470uF,25V C4 470uF,25V C5 470uF,25V C8 470uF,25V C9 INPUT 1 GND 2 OUTPUT 3 U1 7805 GND 1 INPUT 2 OUTPUT 3 U2 7905 470uF,16V C2 470uF,16V C10 GND 12V -12V 1 2 P1 Header 2 1 2 P6 Header 2 R32 1K D20 DIP-LED GND R33 1K D21 DIP-LED GND 5V 1 2 P2 Header 11 1 2 P4 Header 12 1 2 P5 Header 13-5V 图 11 开关电源电路 3.4.2 STM32 电源的设计 STM32 需要 3.3V 的电源供电，而 3.3V 的电压采用 AMS1117 产生，其最大的特 点是简单易用而且性价比高，输入电压 5V12V，直接输出 3.3V。电路如图 12 所示。 22uF C7 1K R7 D3 GND GND 1 V-OUT 2 V-IN 3 1117 U 22uF C8 VCC3.3V Q? S8050 key 2 con1 1 con2 3 chkai 5 chbi 4 relay U 12 Q M7 R1