基于STM32的钢丝绳芯输送带在线自动监测系统设计论文

南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）题 目 ： 基于 STM32 的钢丝绳芯输送带在线自动监测系统设计 专 业班 级学生姓名指导教师起迄日期设计地点： Graduation Design (Thesis)Steel cord conveyor belt line automatic monitoring system on STM32BySupervised bySchool of Automation Nanjing Institute of TechnologyJune, 2014南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）I摘 要钢丝绳在各个领域都有着广泛的应用，它的安全问题一直是大家所关注的问题。本设计基于 STM32 的钢丝绳芯输送带在线检测系统，运用钢丝绳弱磁检测的原理对皮带机中钢丝绳进行无损探伤，并通过以太网将检测到的数据传输给 PC 端或者移动客户端。本文首先对钢丝绳检测的原理进行分析和研究，设计出一套可行的设计方案:通过对钢丝绳加磁，检测钢丝绳断丝处的磁场变化，计算出钢丝绳此处断丝的程度；在液晶屏中显示实时的磁场变化量，并传输给上位机。其中，检测磁场的强度是通过线性霍尔元件输出的霍尔电压来检测的，这样可以实现二维磁场的描绘，形象、具体的表现磁场的变化。然后，分别设计软硬件，测试运行的稳定程度，优化弱磁检测中输出信号弱的缺陷；最后，制作电路板并焊接各元器件通过软硬件联调，使本设计达到设计计划的要求。 关键词：无损探伤；钢丝绳检测；弱磁检测；以太网数据传输； STM32南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IIABSTRACTRope in various fields have a wide range of applications , its security issue has been of concern to everyone . The design is based on the STM32 steel cord conveyor line detection system , using the principle of detection of weak magnetic rope belt wire rope NDT and detected by the Ethernet data transfer to the PC or mobile client .Firstly, the principle of wire rope testing analysis and research , design a workable design: By adding a magnetic rope , broken wire detect magnetic field changes at the calculated level of broken wire rope here ; on the LCD screen display real-time variation of the magnetic field , and transmitted to the host computer . Wherein the magnetic field strength is detected by the Hall element of linear output Hall voltage to detect , so that the magnetic field can be two-dimensional drawing , image, changing the magnetic field of specific performance . Then , the software and hardware were designed , the stability of the test run , optimize the detection of weak magnetic output signal is weak defects ; Finally, make circuit boards and soldering various components of hardware and software by the FBI , so that the design meet the requirements of the design plan.Keywords : NDT; rope testing; weak magnetic detection; Ethernet data transmission; STM32南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）III目录第一章 绪论 .11.1 课题的研究背景与意义 .11.2 钢丝绳芯检测的发展现状 .11.3 弱磁检测的发展现状及不足 .21.4 本文的章节安排 .31.5 本章小结 .3第二章 钢丝绳输送带检测系统总体方案的设计 .42.1 钢丝绳输送带检测系统设计目标和原则 .42.2 钢丝绳芯弱磁检测原理 .42.3 钢丝绳输送带检测系统工作原理及运行流程 .62.4 钢丝绳输送带检测系统主要元器件选择 .72.4.1 主控模块的控制器件选择 .72.4.2 弱磁检测传感器的选择 .82.5 本章小结 .8第三章 钢丝绳输送带检测系统硬件电路设计 .93.1 硬件模块框图 .93.2 主控电路设计 .93.2.1 功能特性 .103.2.2 管脚说明 .113.2.3 硬件结构设计 .123.3 弱磁检测模块电路设计 .123.3.1 霍尔元件性能参数 .133.3.2 内部结构 .13南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IV3.3.3 典型的磁电转换特性 .143.3.4 硬件设计 .143.4 以太网数据传输模块设计 .153.4.1 功能特性 .153.4.2 内部结构 .163.4.3 硬件结构 .163.5 电源模块设计 .173.5.1 功能特性 .173.5.2 内部结构 .183.5.3 硬件结构 .183.6 串口电路设计 .193.6.1 功能特性 .193.6.2 内部结构 .203.6.3 硬件结构 .203.7 调试电路设计 .203.7.1 设计注意事项 .213.7.2 电路设计 .213.8 钢丝绳输送带检测系统原理图、PCB 设计 .223.8.1 设计原理图流程 .223.8.2 设计 PCB 图流程 .243.9 本章小结 .26第四章 钢丝绳输送带检测系统软件的分析与设计 .274.1 开发环境介绍 .274.2 软件系统的设计 .284.3 主程序 .284.4 液晶屏驱动程序设计 .304.5 ADC 转换程序的设计 .31南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）V4.6 以太网驱动程序的设计 .344.7 本章小结 .36第五章 钢丝绳输送带检测系统调试 .375.1 硬件系统调试 .375.1.1 主控电路调试过程 .375.1.2 检测电路调试过程.385.2 软件系统调试 .395.3 系统的综合调试 .425.4 本章小结 .43第六章 结论 .44参考文献 .45致 谢 .46附录 A：硬件设计原理图与 PCB 图 .47附录 B：设计实物图片 .50附录 C：软件程序清单 .53南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 课题的研究背景与意义钢丝绳作为牵引、承载的重要部件，广泛应用于现代卷扬、提升、起重和牵引系统之中，它们的状态直接关系到设备和人生安全。设备运行时，其所用钢丝绳会不断受到磨擦、冲击和反复缠绕等损伤性机械运动，以及锈蚀等化学因素的影响， 很容易产生各种缺陷，从而导致其强度降低。一旦发生断裂，会造成人员伤亡与经济损失，后果将是严重的。因此，对这类钢丝进行监测是十分必要的 1。目前钢丝绳缺陷检测日益受到重视，大部分学者提出了两种检测方法，即破损检测技术和无损检测技术。破损检测技术难以了解整个钢丝绳的全貌和评价钢丝绳的损伤状态，因为强度试验不能够在不损坏钢丝绳的条件下进行，对于使用中的钢丝绳又不允许随意地在工作段上截取样本;无损检测技术能够在不改变钢丝绳状态和使用性能的前提下，直接对使用中的钢丝绳进行强度损耗测试，从而可以根据测试结果推测其残余使用寿命和承载能力。在无损检测中，各国学者提出了许多无损探伤方法，如 AC 方法、漏磁场测定法、磁通测定法、光学测定法和声发射检测法等等 2。本文提出了一种设计思路：将以太网接口应用于钢丝绳芯无损检测系统。以太网具有安装方便，便于工业环境使用，传输率高等优点，且应用广泛。所以基于以太网传输的钢丝绳芯无损检测系统有着经济、方便的意义 3。对应目前钢丝绳在生产、运输、工程等各方面广泛应用，其应用场所、环境不同，基于以太网传输的数据采集可以方便地链接 PC 机或路由器，可以随时随地进行数据采集传输，为现场检查带来了方便。1.2 钢丝绳芯检测的发展现状多年来，人们一直在探索钢丝绳的损伤机理和检测钢丝绳缺陷的各种方法，国内外的科技工作者已经提出了很多适合于钢丝绳状态检测的无损检测方法，其中具有代表性的有下面几种：声学检测法、机械检测法、射线检测法、电流检测法、光学检测法、电涡流检测法、超声波检测法、振动检测法、声发射检测法和磁检测法4。上述方法中，前四种或因检测信号易受干扰，或因检测结果难以记录，或因设备费用太高，或因检测性能太差，至今未能走出实验室。其他方法均得到过实际应用 5。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）2而磁检测法是检测钢铁工件的首选方法，也是目前被公认为最可靠的钢丝绳检测方法。这一方法长期以来受到人们的重视，也是目前最为成熟的检测方法 6。钢丝绳绝大多数采用导磁性能良好的高碳钢制成，很适合于利用电磁检测法进行检测；同时磁检测法具有成本较低，易于实现等优点，因而，目前实用的钢丝绳技术和仪器几乎都采用磁检测法。磁检测方法检测钢丝绳缺陷(断丝、磨损、锈蚀等)的基本原理是，用一磁场沿钢丝绳轴向磁化钢丝绳段，当钢丝绳通过这一磁化磁场时，一旦钢丝绳中存在缺陷，则会在钢丝绳表面产生漏磁场，或者引起磁化钢丝绳磁路内的磁通变化，采用磁敏感元件检测这些磁场的畸变即可获得有关钢丝绳缺陷的信息 7。1.3 弱磁检测的发展现状及不足目前，在钢丝绳电磁检测技术领域中，国外比较领先的是加拿大矿业能源技术中心和美国 NDT 公司 8。1986 年至 1996 年期间，以加拿大矿业能源技术中心为主组成了一个研究小组，实施了一个钢丝绳缺陷电磁检测技术十年研究计划，由加拿大和美国的多个矿业公司、钢丝绳制造公司参与 9。1986 年研究小组从调查各矿业公司使用钢丝绳电磁检测仪的情况着手，对当时的电磁探头作了全面的评估，深入分析了各矿业公司在使用钢丝绳电磁检测仪的同时仍然连续发生重大事故的深层原因。1990 年开始对基于永久磁铁和霍尔元件的监测探头做深入的机理研究。在实验室和工业现场做了大量实验，筹建钢丝绳检测的数据库，对换绳标准做了细致分析，制定了一套钢丝绳电磁检测仪操作规范。1994 年前后研制成一套双功能、计算机辅助钢丝绳缺陷检测系统。1996 年完成此系统的工业现场实验。此系统较以前的检测仪器有较大的改进，借助计算机增加了不少选择项目，除了检测 LF 和 LMA 缺陷外，还可检测TCMA(绝对金属截面积变化)，数据存储量大，操作提示多，人机界面友好。但是从发表的文献看，此系统的智能化程度还不够，检测曲线仍然需要操作人员解释，也没有和科学的换绳标准联系起来，整个系统体积较大，现场操作仍显麻烦 10。在加拿大研究基于永久磁铁和霍尔元件钢丝绳检测探头的同时，美国无损检测技术中心(NDT)又单独研究了以永久磁铁和积分线圈为基础的钢丝绳金属截面积损失检测系统 11。此系统可以定量检测钢丝绳截面积损失，但只能定性检测 LF 缺陷。近几年，他们深入研究这种探头检测 LMA 的分辨率，在计算机上开发了一种检测信号处理程序，提高了 LMA 的分辨率，使 LMA 的轴向分辨率明显小于探头长度 12。近几年，俄罗斯的 Intron 公司在钢丝绳检测系统的数字化方面也做了很多工作，南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）3使检测仪器向小型轻便、多功能方向发展 13。在国内，华中科技大学的杨叔子、康宜华 14等人在 90 年代初对钢丝绳断丝研究取得一系列成果基础上，近几年对基于永久磁铁和霍尔元件的钢丝绳缺陷探头又进行了深入研究，采用偶极子模型计算了钢丝绳断丝的漏磁场，研制了相应的检测装置，其检测器件为霍尔元件；为了提高检测的灵敏度和信噪比，采用了聚磁技术；在信号处理方面采用了人工神经网络方法对检测的结果进行定量分析；给出的实验结果显示，可以定量区分出断丝的根数和断丝的位置(内部或表面)。但是由于它采用强磁激励，使得检测时钢丝绳的运行阻力很大，运行速度被限制；而且由于霍尔元件的灵敏度较低，探伤仪要求贴近钢丝绳表面，很难实现钢丝绳的在线监测 15。21 世纪初，洛阳先导科技发展有限公司的窦毓掌等人研制了钢丝绳弱磁无损定量检测系统，采用了弱磁探伤仪，其中使用的检测器件为窦氏元件，灵敏度较高，检测时依据钢丝绳内外部空间磁矢量和磁能势分布变化，以附加弱磁与钢丝绳剩磁问的场能置换方式来获取钢丝绳内外部各类损伤导致的磁场差异信息。但是系统中的数据处理模式还存在不足，使得检测的精度还有待提高。1.4 本文的章节安排本文以钢丝绳输送带在线监测的研发工程项目为应用背景，对基于 ARM 的现场监测采集系统进行了系统的研究。全文共分为六章，各章的主要内容如下：第一章为绪论。扼要地介绍了钢丝绳无损检测的概念、特点与相关研究背景，以及弱磁检测的发展状况和研究内容。第二章对整个钢丝绳芯输送带在线监测系统的整体设计方案进行了研究，设计出检测原理。第三章对钢丝绳检测系统的硬件设计部分进行了说明，详细介绍了各个模块的设计方案。第四章对基于 STM32 的钢丝绳检测系统的软件系统进行介绍，主要是对几个功能模块如何实现设计流程进行了介绍，使之实现相应的功能。第五章详细介绍了基于 STM32 的的钢丝绳检测系统的 PCB 板的调试过程、利用 Keil 软件编写各部分子程序并对所编程序进行调试。第六章对全文的研究工作进行了总结，给出了存在的问题以及进一步研究的方向。1.5 本章小结本章首先介绍课题的研究背景与意义，然后阐述了钢丝绳芯检测技术的两种检测方式，着重分析了无损检测中的弱磁检测的发展。最后对本文的章节安排做了一南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4个简要的说明。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）5第二章 钢丝绳输送带检测系统总体方案的设计2.1 钢丝绳输送带检测系统设计目标和原则在设计系统前，要对整个系统进行很好的规划，进而统筹安排开发进度，为顺利完成项目做基础。本课题设计的目的是实现一个皮带机输送带钢丝绳芯无损检测系统，能够在工业现场中得到应用，因此在设计的时候需要遵循以下原则： 实用对于绝大多数中小型工业现场而言，数据采集系统功能的简单实用性具有十分重要意义的。目前，市面上一些看似比较先进的钢丝绳芯检测系统，之所以得不到有效推广的一个重要原因就在于其许多功能华而不实，有时会使简单的事情变得很麻烦，同时复杂的功能设置和操作界面也让人头疼，于是简单实用是系统设计的重要原则。 经济钢丝绳芯检测系统要想在国内市场得到普及，价格是一个很重要的门槛，这同样也是制约其现阶段发展的一个重要因素。要想做到价格低廉，首先要求成本低廉。要实现满足性能的同时降低成本，就须在器件选择上多下功夫。选择性价比较高的芯片、外围器件以及开发的软件。 稳定一个好的系统必然会是一个稳定的系统，钢丝绳芯检测系统也不例外。要想做到性能稳定，就必须保证系统结构的合理性，以及软硬件设计的协调性。 可扩展可扩展性作为判断一个系统好坏的重要因素，在设计各模块功能时要考虑使系统具备一定的可扩展性，便于日后的优化和升级。2.2 钢丝绳芯弱磁检测原理根据量子力学理论，由于相邻电子自旋磁矩的交换耦合作用，使得铁磁性介质内部排列形成一定形状的“磁畴” ，每个磁畴内部具有同一个自旋磁矩方向。图 2.1 铁磁性介质内部结构如果某一方向的磁畴在统计学分布中具备数量或者体积上的优势，就会宏观上南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）6显示出材料磁性。而如果各磁畴的分布杂乱无章，在任一方向上均无优势，则不会有宏观磁性产生。给定的外部磁场作用会改变某一方向的磁畴数量，使铁磁性材料储备或释放一定的磁能。而且这种改变不随外部磁场的退出而复原，即形成所谓磁载。磁载在一定的对称空间建立磁能势场，只要没有剧烈机械振动或高温变化等，就会在铁磁性材料内部稳定地保持较长时间。磁能势由磁载决定，并依托于钢丝绳体积元内参与机械负荷的铁磁性金属材料（以下称”载荷材料 ”）而分布。由于制造、存储、运输、安装、运行等历史过程对钢丝绳留下了未知的磁载，所以自然状态下的磁能势还不能真实地反映体积元的材质特征，即材料究竟是正常还是有缺陷。因此先需要一种方法以建立磁载与载荷材料材质特征之间的物理对应。图 2.2 弱磁检测图 2.3 无序的载体和均匀的载体向铁磁性构件（钢丝绳）施加给定磁载，使所有载荷材料具有同等适度的低量级磁能积（材料的磁能量密度） ，并且如果载荷材料沿钢丝绳轴向等量均匀，连续分布，则任意体积元的磁能积也是等量均匀的。即：沿钢丝绳所建的轴向磁场均匀而且连续，穿过任意体积元的磁通等量，而且磁通密度均匀。发生退变的体积元，或因拉伸塑性径缩、碾压/研磨 /锈蚀性缺损（LMA ） ，或因疲劳裂隙、裂断等突变/间断（LF） ，磁力线在这些退变的体积元中只能沿不规则的低能耗路径排布，磁通密度随之变化，磁能积分布不均匀，使各体积元产生磁能势南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）7差异。而且，这些退变的程度越严重，磁能势差异就越突出。只要对钢丝绳正常载荷材料体积元进行“完好定义” 标定无缺陷体积元的磁能势特征量，通过与提取的钢丝绳全部载荷材料体积元磁能势特征量的模式对比，即可有效识别载荷材料因退变产生的磁能势差异，并由这种载荷材料物理场变量映射其机械承载性能相关变化的定量关系，也就实现了无损条件下定位、定性和定量检测钢丝绳各种退变特征的技术目标。图 2.4 各种缺陷的形态和对磁力线的影响2.3 钢丝绳输送带检测系统工作原理及运行流程本设计中，基于 ARM 的工业现场数据采集系统以 STM32F103RBT6 处理器为核心，通过外部的 12 个霍尔传感器进行磁场变化的采集，经 STM32 内部的 ADC通道转换成对应的二进制值存储于芯片的 RAM 中，当 STM32 检测到某一路 ADC通道采集的数据高于或低于正常值时，会通过以太网发送此异常数据。通过 PC 端或移动端的程序，可以观测并确定是那一路的采集出现异常。图 2.5 系统工作原理及运行流程南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）82.4 钢丝绳输送带检测系统主要元器件选择在本系统的设计中，系统主要由主控模块、磁场采集模块、电源模块、液晶显示模块以及上位机组成。在主控芯片的选择上，考虑到开发成本、难易程度等因素，采用了 STM32F103RBT6 这款芯片。对于检查弱磁的霍尔元件，采用的是 OH49E芯片，此芯片可以检查不同极性的磁场强度，分辨率为 2mv/Gs。由于分辨率低，所以加入运算放大器放大检测电压，放大器采用 LM324，此芯片为 4 路放大，12路采集共用 3 个 LM324 芯片。2.4.1 主控模块的控制器件选择早期的单片机基本是 8 位或 4 位的。INTEL 的 8031 是其中最具有代表性的，因为其简单、可靠性强而且性能优良受到了广泛的好评。继而以 8031 为基础上设计出 MCS51 系列单片机系统。以该系统的单片机为核心所设计出的产品直到现在仍然在广泛应用。由于工业控制领域需求的不断提高，16 位单片机出现了，但由于其性价比较高致使它未能得到广泛应用。到了 90 年代后期，消费电子产品得到了大力的发展，单片机技术也随之得到了巨大提高。后来的 ARM 系列开始进入主流市场并得到广泛应用，16 位单片机的高端地位迅速被 32 位单片机取代。同时传统的 8 位单片机的性能也有了巨大提升，比 80 年代的处理能力提高了数百倍。今天，32 位的高端单片机主频己经大于 300MHz，性能堪比 90 年代中期的专用处理器。此外，普通的型号出厂价格跌至 l 美元，最高端的型号也仅有 10 美元。32 位微处理器已经成为现在应用的主流，其性价比和开发程度都比较高。其考虑的主要方面如下：（1）处理器性能，包括处理器的核心、时钟频率、内部存储器大小；（2）外围功能模块，如各种总线和网络通信、模块 A/D 采集，选择集成度高的微处理器可以减少元器件的数量、降低开发成本、提高开发效率；（3）功耗，许多消费类电子产品都要求微处理器低功耗、高性能；（4）支持的工具，方便使用的程开发工具和调试工具能加快开发进度、缩短开发周期、降低调试的难度等；（5）厂商的支持，每个厂商在推出一款微处理器的时一般都会提供相应的技术手册，应用笔记，评估开发板以及配套工具等。要尽量选择厂商推广的主打系列产品，因此可以获得更多的技术支持。同时选择主流的微处理器体系架构。这样会有更多厂商的产品可供选择和替代。最后综合各方面因素，我们选用了 ST 公司推出的基于 ARM Cortex-M3 内核的南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）9STM32 系列处理器 STM32F103RBT6。2.4.2 弱磁检测传感器的选择从实际应用来看，磁敏感元器件和磁场测量原理的选择，应综合考虑下述几个方面。(1)灵敏度根据不同的检测目的和检测方法选择最佳的敏感元件。般而言，随着磁场测量灵敏度的提高，元件和测量装置的成本增高，磁场测量数值范围也相应变小。为了获得最优的性能价格比，灵敏度的选择应根据被测磁场的强弱选用适当的元件，并满足信号传输的不失真或干扰影响最小的要求。(2)测量范围不同的检测目的或检测对象，磁场具有不同的动态范围。传感器的测量范围必须与之相适应。磁传感器通常可按照高、中、低磁场感应范围分为 3 类。大于 10 Gs 的被称为偏置磁场传感器；在 1 LG 到 10 Gs 范围中的是地球磁场传感器；探测磁场小于 1“Gs 的装置被认为是微磁场传感器。无损检测用磁传感器一般处于中磁场感应范围。(3)空间分辨力在磁性无损检测中，被测磁场通常是空间上的三维向量，单个磁敏元件或检测探头往往测量的是某一点、线或面上的磁场的分量或均值。为了能够测量出空间域变化频率较高的磁场信号，必须要求测量元件或单元具有相应的空间分辨力。这一分辨力可在一维、二维或三维空间中来描述。(4)响应速度动态检测传感器移动速度较快时，要注意传感器的动态特性，否则输出信号幅度将明显衰减。对于自动化的漏磁探伤，频带宽度大致不小于 1KHz。其它指标还有信噪比、覆盖范围、稳定性和可靠性等。本设计采用的 OH49E 线性霍尔传感器，灵敏度为 2mv/Gs，测量范围为1000Gs，可以测量二维平面内的磁场强弱。2.5 本章小结本章首先阐述了系统设计的目标和原则，进而对系统设计的总体方案进行了综述，即系统由主控单元、数据采集单元、PC 三部分组成，同时对主控单元控制器件和传感器的选择做了详细的说明，最终确定了以 STM32 系列处理器STM32F103RBT6 为主控单元控制芯片并选用线性霍尔传感器 OH49E 采集数据，为后文的展开做了铺垫说明。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）10第三章 钢丝绳输送带检测系统硬件电路设计3.1 硬件模块框图本设计基于 STM32 的钢丝绳芯输送带在线监控系统包括如下硬件：主控模块、液晶屏显示模块、以太网传输模块、磁场检测模块、电源模块、调试模块、串口下载模块。以下为系统硬件模块图：主控模块S T M 3 2磁场检测电路电源模块U S B 转串口下载J T A G 调试模块液晶屏显示模块以太网传输上位机显示图 3.1 硬件模块框图3.2 主控电路设计本设计主控模块的核心器件是 STM32F103RBT6。STM32 处理器主要分为 3 个系列，STM32F101 系列是标准型，工作频率为 36MHz；STM32F103 系列是增强型，工作频率为 72MHz，该系列带有更多片内 RAM 和外设；STM32F105 和STM32F107 是最新的互联性产品，增加了全速 USB 接口以及硬件支持 IEEE1588协议的以太网接口。STM32 标准型系列处理器是入门产品，其价格与 16 位 MCU 相当，性能却是32 位水准，其外设的配置能提供优秀的控制和联接能力。增强型系列产品是 32 位MCU 新的级别。该系列的内核可工作在 72MHz 频率下，实现复杂的运算，而其外设的配置可以带来更好的控制和联接能力。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）11VBAT1PC3/N24OS5D0IU6R789WKM_HEXLJ图 3.2 STM32F103RBT63.2.1 功能特性内核：ARM 32 位的 Cortex-M3 CPU 最高 72MHz 工作频率，在存储器的 0 等待周期访问时可达 1.25DMips/MHz 单周期乘法和硬件除法 存储器 从 64K 或 128K 字节的闪存程序存储器 高达 20K 字节的 SRAM 时钟、复位和电源管理2.0 3.6 伏供电和 I/O 引脚 上电 /断电复位 (POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD) 416MHz 晶体振荡器 内嵌经出厂调校的 8MHz 的 RC 振荡器 内嵌带校准的 40kHz 的 RC 振荡器 产生 CPU 时钟的 PLL 带校准功能的 32kHz RTC 振荡器 2 个 12 位模数转换器，1s 转换时间(多达 16 个输入通道) 转换范围：0 至 3.6V 双采样和保持功能 温度传感器 多达 80 个快速 I/O 端口26/37/51/80 个 I/O 口，所有 I/O 口可以映像到 16 个外部中断；几乎所有端口均可南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）12接 5V 信号3.2.2 管脚说明STM32F103RBT6 处理器上共有 4 组 I/O 端口：A 、B、C 、每个端口有 16 个引脚， D 端口有 3 个引脚。每个 GPIO 端口都对应有 2 个 32 位配置寄存器(GPIOx_CRL, GPIOx_CRH)、2 个 32 位数据寄存器(GPIOx_IDR, GPIOx_ODR) 、1个 32 位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)、1 个 16 位复位寄存器(GPIOx_BRR)和 1个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR) 。STM32F103RBT6 处理器引管脚位置如图所示。图 3.3 STM32F103RBT6 LQFP64 的管脚分布图 3.4 I/O 端口的基本结构每个 GPIO 管脚都可以由软件配置为：输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、开漏输出、推挽式输出、推挽式复用功能、开漏式复用功能等模式之一。大部分 GPIO 管脚都与数字或模拟的外设共用。每个 GPIO 管脚都有较大电流通过的能力。为避免意外的写入 I/O 寄存器，如有需要每个 I/O 管脚的外设功能可以通过一个特定的操作锁定。在主函数运行之前必须对每个使用的引脚功能进行设置。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）133.2.3 硬件结构设计 VBAT1PC3/N24OS5D0IU6R789WKM_HEXLJF.GYuz图 3.5 STM 及外部电路设计原理图本设计 STM32 所需两个晶振，分别是 32.768Khz 和 8Mhz 的。其中 32.768Khz的晶振为 STM32 内部实时时钟提供震荡源， 8Mhz 晶振提供的震荡进入 STM32 内部被 9 分频产生 72Mhz 的频率，为整个单片机提供提供时钟。STM32 单片机 1 脚为电池引脚，此电池可提供内部实时时钟在没有电源的情况下继续运行。STM32有 4 组 VCC、 GND 引脚，每两个脚之间需要并联 104 电容，为输入电源滤波，提供 3.3V 稳定电压使 STM32 正常供电。BOOT0、BOOT1 用于设置 STM32 的启动方式，其对应启动模式如下表所示：表 3.1 STM32 启动方式设置BOOT0 BOOT1 启动模式 说明0 X 用于闪存存储 用户闪存存储器（Flash）1 0 系统存储器 系统存储器启动，用于串口下载1 1 SRAM 启动 SRAM 启动，用于在 SRAM 中调试代码在系统复位后，SYSCLK 的第 4 个上升沿，BOOT 引脚的值将被锁存。用户可以通过设置 BOOT1 和 BOOT0 引脚的状态，来选择在复位后的启动模式。3.3 弱磁检测模块电路设计本设计对于弱磁检测的霍尔元件采用 OH49E 芯片。这种芯片是一种小型的、南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）14多途的线性霍尔元件。其输出电压由输入的电源电压和成比例变化的磁场强度所决定。由于该集成电路具有低噪声输出，所以它不需要使用外部滤波。芯片内部的精密电阻器提供更高的温度稳定性和精确性。这种线性霍尔传感器的工作温度范围为-40to105。3.3.1 霍尔元件性能参数 在 5V 电源时，电源电流典型值为 5mA 内含修正的电阻提供精确的灵敏度和温度补偿 工作温度范围-40+150 可反应于正的或负的磁场 全电压范围输出性能可提供更有效的信号以达到更高精度3.3.2 内部结构图 3.6 OH49E 内部结构南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）153.3.3 典型的磁电转换特性图 3.8 OH49E 磁电转换特性上图为霍尔磁电转换特性图，以 5V 为例：零点电压（ B=0Gas）时，输出电压为 2.5000.1502.5000.15V，灵敏度为 2.5000.200mV/G。3.3.4 硬件设计 +31-2UALM4RGNDViH0OTVCC1GND2OUT3U 1O H 4 9 EVCC3.3GNDHALL0图 3.7 硬件电路设计霍尔元件输出的霍尔电压是一个比较小的电压值，所以必须要在霍尔电压上加入放大器，本设计采用的放大器为 LM324，为 4 路放大器。在放大器中通过改变电阻的阻值可以改变放大倍数。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）163.4 以太网数据传输模块设计本设计对于以太网模块选用