基于ARM的六氟化硫的监控系统的设计与实现本科毕业论文

常州工学院毕业设计论文 摘 要 针对变电站内六氟化硫气体浓度采集检测 本课题结合江苏省教育厅实践创新训练项目 提出了一种基于自动检测技术 无线收发技术和智能控制技术的分布式主从测控网络 来实 现对变电站室内的六氟化硫气体浓度自动检测和报警 并监视变电站内温度 湿度的解决方 案 本文基于变电站内的特点 研发了基于 NRF403 的无线连续 以 ARM7 芯片 LPC2131 为控 制器的变电站内六氟化硫气体浓度的监控系统 该系统能进行对变电站内环境的数据采集 并对数据进行综合处理 检测其浓度是否超标 该系统具有 SF6 浓度检测 温度 湿度检测 显示功能 解决了传统变电站内六氟化硫气体浓度超标导致人员伤害的问题 避免了不必要 的人员伤害事件的发生 本测量系统包括硬件和软件两大部分 硬件部分由四部分组成 数据采集模块 ARM 系 统电路模块 无线收发电路模块 显示模块组成 软件部分的设计包括 通道选择程序设计 A D 转换程序设计 无线收发程序设计 液晶模块程序设计 以及 PC 端应用程序设计 关键词 关键词 SF6 ARM 数据采集 nRF403 常州工学院毕业设计论文 I Abstrac Within six fluoride in substation sulfur gases concentration acquisition detection This topic combination of practical innovation training project in jiangsu province Proposed based on automatic detection technology wireless transceiver technology and intelligent control technique of distributed control network subordinate To achieve the substation indoor six fluorination concentration of sulfur gases automatic detection and alarm And monitoring substation of temperature and humidity in solution Based on the characteristics of substation inside Based on the research NRF403 wireless continuous LPC2131 ARM7 chip in the substation as controller within six fluoride gas concentrations of sulfur surveillance systems This system can perform the substation of data acquisition internal environment And comprehensive processing of data Testing whether its concentration exceed bid The system has SF6 density detection temperature Humidity test showed that function Solve the traditional substation sulfur gases within six fluorination chroma cause injuries problems Avoid unnecessary injuries events The measurement system includes two parts hardware and software Hardware consists of four parts Data acquisition module ARM system circuit module Wireless transceiver circuit module Display module The design of software components include Channel selection process design A D conversion program design Wireless transceiver programming LCD module design programand PC application design keywords SF6 ARM data collection nRF403 常州工学院毕业设计论文 II 目录 摘 要 I Abstrac II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 气敏传感器的应用 1 1 3 课题主要内容 2 1 4 课题方案 2 2 2 关键模块的选用 3 2 2 1 电源模块的选择 3 2 2 2 处理器芯片的选择 4 2 2 3 传感器模块的选择 5 2 2 3 1 六氟化硫传感器 5 2 2 3 2 湿 温度传感器 6 2 2 4 无线收发芯片选择 7 2 2 5 显示芯片的选择 7 第 3 章 硬件电路设计 9 3 1 数据采集电路 9 3 1 1 SF6 采集电路 9 3 1 2 温 湿度采集电路 9 3 2 电源电路 11 3 3 ARM 微处理器 LPC2131 电路 11 3 3 1 LPC2131 的主要性能 12 3 3 2 结构概述 13 3 4 串行接口电路 16 3 5 显示模块电路 16 3 6 无线收发电路 19 3 6 1 nRF403 芯片的介绍 19 3 6 2 nRF403 芯片电路 20 3 7 JATG 接口电路 21 第 4 章 系统软件设计 22 4 1 A D 转换程序 23 4 2 显示程序 27 4 2 1 12864 液晶基本的操作时序 27 4 2 2 液晶显示的驱动程序和接口函数 27 常州工学院毕业设计论文 III 4 3 无线收发程序 30 4 4 固化程序 33 总结 35 致谢 36 参考文献 37 附录 39 39 附录 40 40 附录 41 常州工学院毕业设计论文 0 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 在工农业生产和人类生活中 人们对污染环境的各种气体越来越重视 尤其是随着煤气 瓦斯气 液化石油气和天然气的开发利用 各种气体灾害的危险性随之增加 因此需要对各 种易燃 易爆和有毒气体进行及时的检测 目前已发展出许多不同类型的气体传感器 能满 足不同场合使用的要求 把气体传感器与专门的检测分析电路结合 能够进行特定气体的检 测 分析 随着科学技术的进步 人民生活水平和生活质量的提高 气敏传感器的应用领域越来越 扩大 随之 人们对气敏传感器的要求也越来越高 要求其灵敏度高 选择性好 功耗低 体积小 重量轻 价格低 集成化 智能化 多功能化等 这些都使得气敏测试技术得到了 极大的重视与发展 现在已被公认为是对人类生命和健康 丰富国民生活以及促进其它技术 发展的关键技术 发展好此技术 不但能对其它领域的技术具有极大的推动作用 而且还能 改善人类的生存条件和生活质量 1 2 气敏传感器的应用 现代社会 人们每天都在接触大量的各种各样的气体 如汽车尾气 工业废气及家用燃 气等 这些气体大都对人体有毒性 会污染环境 而且易燃易爆 因此 通过对各种气体的 检测 报警来控制其排放 泄露具有非常重要的意义 对气体的检测必须依赖于各种各样的 气敏传感器 气体传感器的应用领域越来越广泛 一般应用在以下几个方面 1 工业生产方面 在工业生产尤其是化工生产和燃料或冶炼过程中常常会产生许多有 毒有害气体和易燃易爆气体 Cl2 H2S NH3 H2 CO CH4 为了保证安全生产和工作人员 的健康 对产生的毒害气体和易爆炸气体进行及时检测和严格的控制是十分必要的 2 农业生产方面 如今塑料大棚已经在我国农村广泛的应用 而大棚内的农作物进行光合 作用时需要消耗大量的 CO2 应用气体传感器对棚内的 CO2 的含量进行适当监测和控制 可 以大大提高农作物的产量 3 环境保护方面 日常生活中燃烧所产生的废气如 CO SO2 CO2 以及汽车尾气中 NOx SOx 等毒害气体已严重的污染了人们赖以生存的环境 其中 NOx SOx 是造成酸雨的主 要原因 而 CO2 是造成温室效应的罪魁祸首 从而导致全球的气候异常和自然灾害的增多 常州工学院毕业设计论文 1 并且这些气体大多都是致癌物质 对环境和人的健康产生了严重的危害 所以必须应用气体 传感器给与及时的监测及控制 4 提高人民生活质量方面 随着人们生活水平的提高 人们对医疗保健更加关注 也 就更加希望寻求一种无伤害 高准确度的检测手段 所以利用呼吸气体进行疾病的诊断 3 近 年来已成为国际上的研究热点 还有对家居装修中的甲醛和甲苯气体以及食品中甲醛和 SO2 的监测也是现代社会所关注的热点问题 此外 在航空航天 军事国防 生化武器防御 等 方面 也越来越显示出气体传感器的重要作用 1 3 课题主要内容 本课题研究了一种新型 高精度的智能 SF6 气体浓度测量设备 并将采集到的信号处理 后通过无线传输设备传送 该设备将 ARM7 应用到电路中 利用其强大的数据计算处理能力及 控制能力 设计出了显示气体浓度值的测量电路 另外 应用具有 ARM7 内核的 LPC2131 为 微处理器 能够有效地缩小体积 减少成本 降低功耗 在无线传输部分 采用挪威 Nordic 公司的一体化无线收发芯片 nRF403 nRF403 工作在 433 或 315MHz 国际上通用的 ISM 频段 双工作频段可以自由切换 FSK 调制解调 采用直接数字合成 DSS 和锁相环稳频 PLL 进行频率 合成 频率稳定性好 发射数据时无方向性要求 在高速移动和振动等情况有抗干扰能力 整个设计包括硬件和软件两大部分 硬件电路的设计包括 采集电路的设计 LPC2131 及其外围电路的设计 电源电路的设计 液晶显示模块的设计 无线收发模块的连接与设计 与上位机连接电路的设计和程序下载电路的设计 软件包括 各部分驱动程序的编写 以及 所用算法的程序编写 1 4 课题方案 本课题研究的是基于 ARM 的六氟化硫监控系统的设计与实现 主要是针对与变电站内的 六氟化硫的浓度检测 同时检测出变电站内的温湿度 本课题的研究主要有硬件和软件两个 部分 首先硬件部分主要包括处理器模块 信号采集模 无线收发模块 电源模块和显示模 块 通过各个部分完成各个本课题的设计要求 软件不分主要包括 A D 转换程序 显示模块 程序 无线收发程序 固化程序完成了整个系统的设计需求 常州工学院毕业设计论文 2 第 2 章 系统总体设计 2 1 系统总体架构 以本 SF6 浓度测量装置能够对气体浓度进行准确的测量 仪器的检测灵敏度高 可实现时 实测量 如图 2 1 所示为变电站内六氟化硫气体监控系统原理框图 该系统是有处理器模块 信号采集模 无线收发模块 电源模块和显示模块组成 此方案以 NRF403 为通讯核心 以 ARM7 芯片 LPC2131 为微处理器核心 信号采集电路 MCU 及其外围扩展电路 无线收发电路 液晶显示电路和电源电路组成 由于采用的是无线通信的方式 再加上考虑到成本的原因 从长远来看不可能采用大功率的无线发射芯片或者采用诸如 GSM 的控制方式 从成本 性能 可靠 安全等因素出发 设计了采用 NRF403 无线接续的方式 这种方式的应用就打破了传 输距离的限制 在变电站内适用开发起来也更加的方便 图 2 1 系统原理框图 2 2 关键模块的选用 2 2 1 电源模块的选择 电源是整个系统的动力所在 电源的好坏直接影响到系统的稳定性与否 从宏观 全局和 经营效益的角度来看 单片机系统电源似乎显得并不十分抢眼 但从微观来看 是系统稳定性 的有利保障 在本模块的选择时 着重考虑了以下几个方面 类型 一般而言线性稳压电源的体积会大一点 因为在输入端都会有一个变压器 而 开关电源是由一些分类元件做出来的 所以体积就可以做得很小 在满足要求的同时 尽量 选择加工起来方便电源 输出功率 功率不足就会使电源超负荷 系统不能正常工作 这一点是系统安全的关 常州工学院毕业设计论文 3 键因素 选择要求是足安足瓦 纹波系数 由于直流电源是由交流电源经整流 稳压等环节而构成 这就不可避免地 在直流稳定中带有一些纹波成份 纹波的成分较为复杂 它有多种脉动量构成 纹波干扰对 二次保护系统逻辑控制危害极大 使系统运行的可靠性降低 所以应该选择纹波系数小的稳 压器 来提高系统的可靠性 输出电压 每个系统都会有多个需要供电的器件 在电源的输出电压的选择上 满足 大部分需要供电的器件 假如有个别例外的器件再在在现有的电压值的基础上 通过升压 降压或者用线性的集成稳压器来满足供电需求 成本 成本和经济效益直接挂钩 在性能要求达标的情况下 尽量低成本 高稳定性 的电源 本系统为5V单电源供电 但因系统内各芯片所要求的供电电压不同 需要的电源稳定性 也不同 所以电源由以下两部分构成 1 微控制器LPC2131的工作电压为3 3V 采用的SPX1117M 3 3将电源稳压至 3 3V SPX1117M 3 3是Sipex公司生产的LDO芯片 其特点为输出电流大 输出电压精度高 稳定性高 该芯片输出电流可达到800mA 输出电压的精变在 1 以内 还具有电流限制和热 保护功能 2 信号采集电路工作电压为5V 采用7805稳压芯片 把电压稳定在5V 2 2 2 处理器芯片的选择 在单片机的应用系统中 最重要的就是要根据应用系统的要求和特性选择合适的微处理 器 MCU 本次设计在选择 MCU 时主要考虑以下几个因素 保密性强 选择加密性强 很难解密或破解的单片机 让一般的仿制者望而退步 使 得其他人不能读懂你的程序不能修改你的程序 有效的保护自己的科研成果 抗干扰性能 系统稳定运行是必须要保证的 所以选择抗干扰能力强的单片机成为首 选条件 速度 考虑到系统要求有较快的执行速度 应尽可能地选择运行速度快的单片机 单片机功能 尽量选择功能齐全 集成度高的单片机 同时也是对抗干扰和速度的一 个促进 价格 考虑到产品的推广和应用 在不影响质量的前提下 尽量低成本也是本次设计 的一个主要考虑因素 常州工学院毕业设计论文 4 本系统中的微控制器采用了Philips的嵌入式处理器LPC2131 它是一个基于支持实时仿 真的16 32位的ARM7 TDMI STM CPU 采用3级流水线作业 并带有32kB 嵌入的高速Flash存 储器 128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行 两 个32位定时器 一个10位8路ADC 6个PWM通道 和多达47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发 的外部中断 较小的封装和极低的功耗使LPC2131可以理想地应用于小型设备中 2 2 3 传感器模块的选择 针对于本课题的传感器的选择 本课题要对六氟化硫气浓度进行检测监控 同时对变 电站内的温度 湿度也要进行检测 因此本课题要选取两个传感器原件 2 2 3 1 六氟化硫传感器 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器 它主要包括半导体气敏传感器 接触燃烧 式气敏传感器和电化学气敏传感器等 其中用的最多的是半导体气敏传感器 它的应用主 要有 一氧化碳气体的检测 瓦斯气体的检测 煤气的检测 氟利昂 R11 R12 的检 测 呼气中乙醇的检测 人体口腔口臭的检测等等 本课题选用的为 SF6 气敏传感器该气敏元件属于金属氧化物气敏元件 图 2 2 具有 低功耗 高灵敏度 寿命长 低成本 后期电路简单等特点 它将气体浓度的信息转换成电 信号 根据这些电信号的强弱就可以获得SF6 气体在变电站内的浓度信息 从而可以进 行检测 监控 报警 图 2 2 sf6 气敏元件 其技术指标与灵敏度特性有一下两点 常州工学院毕业设计论文 5 1 SF6气敏元件在空气中有较低的电导率 若处于混有可感测的气体的环境中 它的 电导率将随着空气中可感测的气体浓度的增大而增大 一个简单电路就可以将这一电导率的 化转换为和可感测气体浓度相关的输出信号 2 为使气敏元件正常工作 应保证环境温度在 10 到 65 之间 湿度 95 当传 感器接入电路后 随着气体浓度的变化 负载电阻两端的电压将随着传感器电阻的减小而增 加 2 2 3 2 湿 温度传感器 温 湿度传感器承担了检测变电站内温度 湿度的任务 和上述的六氟化硫气敏传感器结 合起来完成本系统的传感器模块 本课题中选用的是瑞士 Sensirion 公司推出的基于 CMOSens 技术的新型温湿度传感器 该传感器将 CMOS 芯片技术与传感器技术结合起来 发挥出强大的优势互补作用 SHT75 智能化数字传感器内部集成了相对湿度传感器 带隙式温度传感器 信号放大器 14 位 A D 转换器 数据校准存储器 二线串行接口 CRC 校验发生器 这样就免去了传感器 外围电路 保证了高可靠性和高稳定性 提高了看干扰能力 而且不需要经过复杂的校准 标定过程 测量精度得到保证 且在线性度 重复性 互换性 一致性等方面都不错 在未 来的大型温湿测控系统中将得到广泛的应用 SHT75 封装如图 2 3 所示 在 pcb 上有一个用液晶聚合物制成的帽 上面开有传感器窗 口 与外界接触 帽下部有一小块环氧树脂黏结固定 左起四个引脚分别为 1 SCK 2 VDD 3 GND 4 DATA SCK 为时钟输入端 当电源电压大于 4 5V 时 最高时钟频率可达 10MHz 小于 4 5V 时也可到 1MHz 常州工学院毕业设计论文 6 图 2 3 SHT75 封装 整个器件主要有下列部分组成 相对湿度传感器 温度传感器 信号放大器 14 位 A D 转换器 数据校准存储器 I2C接口及 CRC 校验发生器 相对湿度与温度传感器通过放大器与 一个 14 位的 A D 转换器相连 传感器的相对湿度和温度都与极为精确的温度和湿度标准数据 进行校准 相关校准系数以程序形式存于 OTP 校准存储器中 在检测处理过程中随时提供调 用 通过I2C总线与单片机控制模块连接 可实现直接的数字量输入输出 测量数据可通过 CRC 通讯校验来确保其正确性 2 2 4 无线收发芯片选择 本文设计的通用无线数传模块 主要以完成信号的传输为主 系统需要完成综合报警节 点与监控节点之间的一点对多点无线通信 传输实时性要求较高 传输的数据量不大 因此 对无线通信方式的选择可以有较大的空间 随着无线通信技术的发展 无线收发芯片的集成 度 性能都大幅度提高 芯片性能也各有特色 因而 无线收发芯片的选择在设计中是至关 重要的 正确的选择可以减小开发难度 缩短开发周期 降低成本 更快地将产品推向市场 目前 生产此类芯片的厂家主要有Nordic XEMICS Chipeon n Maxim等 选择无线收发芯 片时 应考虑以下几点因素 功耗 发射功率 接收灵敏度 传输速度 从待机模式到工作 模式的唤醒时间 收发芯片所需的外围元件数量 芯片成本等 本系统的收发模块采用挪威Nordic 公司的一体化无线收发芯片nRF403 nRF403 工作在 433 或315MHz 国际上通用的ISM Industrial Scientific andMedical 频段 双工作频 段可以自由切换 FSK 调制解调 采用直接数字合成DSS 和锁相环稳频PLL 进行频率合成 频 率稳定性好 发射数据时无方向性要求 在高速移动和振动等情况有抗干扰能力 接收灵敏 度高达 105dBm 最大发射功率为 10dBm 数据传输速率可达20kbit s 开阔地的使用距 离最远可达1000 米 采用的解调器是DC Data Coding 平衡的 输入数据可以是各种0 1 序列 无需进行曼切斯特编码 nRF403 另一个非常重要的特点是接收机的频带阻抗很高 这 意味着不需要外部声面波滤波器 外围元件很少 仅外接一个4MHz 晶振 电感和几个阻容元 件共10 个左右 无需调试部件 2 2 5 显示芯片的选择 目前显示器件的种类很多 性能也各异 但在单片机测控领域 常用的显示器件基本上 是LED 显示器和LCD显示器两种 LED显示器是主动发光式的显示器 由发光二极管构成或者 LED数码管组成 常州工学院毕业设计论文 7 液晶显示器LCD是一种被动发光型的显示器 即液晶本身并不发光 而是利用液晶经过处 理后能改变光线通过方向的特性 而达到白底黑字或黑底白字或者蓝底白字显示的目的 液 晶显示器具有体积小 重量轻 分辨率高 功耗低 抗干扰能力强 驱动电压低等优点 因 此被广泛地应用在智能仪器 数字仪表 控制系统及人类生活的各种显示领域中 针对本课题的显示要求 综合以上分析 本文选择RT12864 16是一种图形点阵液晶显示 器 它主要由行驱动器 列驱动器及128 64全点阵液晶显示器组成 可完成图形显示 也可以 显示8 4个 16 16点阵 汉字 常州工学院毕业设计论文 8 第 3 章 硬件电路设计 3 1 数据采集电路 3 1 1 SF6 采集电路 实际应用中 传感器的输出信号往往具有较宽的变化范围 气敏传感器会随着所处环境 气体浓度的不同发生较大的变化 因此测量电路传出的信号电平也有较大的差异 从微伏到 伏 变化范围很宽 由于本测量电路中LPC2131的A D转换通道输入电压规定为0 3 3V 如果 直接采用上述传感器的输出电压的范围直接作为A D转换器的输入电压 就不能充分利用A D 转换器的有效位 这样就必然影响测定范围和测量精度 在气敏传感器测量装置中 模拟电子开关选择了漏电流极低的nMOS模拟开关 MAX4237 其为精密的 8通道 低电压 CMOS模拟多路复用器 其导通电阻小于100欧姆 通 道之间的电阻在6欧之间 最大为11欧 相对于本装置中选择的高阻值基准电阻 高达百兆级 来说 可以忽略不计 在85 C时 开关漏电流小于2 5nA 转换档的速率极高 小于250ns 同时MAX4237为8通道复用器 能够满足本装置精度要求 具体的电路图如图3 1所示 图3 1 采集电路原理图 3 1 2 温 湿度采集电路 SCK 是传感器和单片机之间同步传输时钟输入端 DATA 三态门用于数据的读取 DATA 在 SCK 时钟下降沿之后改变状态 并仅在 SCK 时钟上升沿有效 数据传输期间 在 SCK 时钟 高电平时 DATA 必须保持稳定 SHT75 传感器需要一个 5V 的供电电压 加电后 需要一个 常州工学院毕业设计论文 9 11ms 的睡眠延迟时间 在这之前 不应该向传感器发送命令 电源 VDD GND 间接一个 100nF 的电容 其电路如下图 3 2 所示 图 3 2 SHT75 传感器电路 SHT75 内部电路框图如图 3 3 所示 图 3 3 SHT75 内部电路框图 整个器件主要有下列部分组成 相对湿度传感器 温度传感器 信号放大器 14 位 A D 转换器 数据校准存储器 I2C接口及 CRC 校验发生器 相对湿度与温度传感器通过放大器与 一个 14 位的 A D 转换器相连 传感器的相对湿度和温度都与极为精确的温度和湿度标准数据 进行校准 相关校准系数以程序形式存于 OTP 校准存储器中 在检测处理过程中随时提供调 用 表 3 1 SHT75 指令集合 命令编码说明 测量温度 00011 温度测量 测量湿度 00101 湿度测量 读寄存器状态 00111 读 状态寄存器 写寄存器状态 00110 写 状态寄存器 表 3 1 SHT75 指令集合 常州工学院毕业设计论文 10 3 2 电源电路 全系统为5V单电源供电 但因系统内各芯片所要求的供电电压不同 需要的电源稳定性 也不同 39 所以电源由以下两部分构成 1 微控制器LPC2131的工作电压为3 3V 采用的SPX1117M 3 3将电源稳压至 3 3V SPX1117M 3 3是Sipex公司生产的LDO芯片 其特点为输出电流大 输出电压精度高 稳定性高 该芯片输出电流可达到800mA 输出电压的精变在 1 以内 还具有电流限制和热 保护功能 具体电路如图3 4所示 2 信号采集电路工作电压为5V 采用7805稳压芯片 把电压稳定在5V 具体电路如图 3 5所示 图3 4 微控制器的电源电路 图3 5 采集电路电源产生电路 3 3 ARM 微处理器 LPC2131 电路 本装置中的微控制器采用了Philips的嵌入式处理器LPC2131 它是一个基于支持实时仿 真的16 32位的ARM7 TDMI STM CPU 采用3级流水线作业 并带有32kB 嵌入的高速Flash存 常州工学院毕业设计论文 11 储器 128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行 两 个32位定时器 一个10位8路ADC 6个PWM通道 和多达47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发 的外部中断 较小的封装和极低的功耗使LPC2131可以理想地应用于小型设备中 3 3 1 LPC2131 的主要性能 以下为LPC2131的主要特性 1 16 32位ARM7TDMI S核 超小LQFP64封装 利用此特点 可以有效降低装置的体积 2 小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I O口 可承受5V电压 3 实时时钟具有独立的电源和时钟 可在节电模式中极大地降低功耗 4 1个8路10位的A D转换器 共提供16路模拟输入 每个通道的转换时间低至2 44us 5 8kB的片内静态RAM和32kB的片内Flash程序存储器 128位宽度接口 加速器可实现高 达60MHz工作频率 利用此特点 能够实现程序的快速运行 6 多个串行接口 包括2个16C550工业标准UART 2个高速I2C接口 400kbit s SPITM和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP 7 通过片内boot装载程序实现在系统编程 在应用编程 ISP IAP 单扇区或整片擦除 时间为400ms 256字节行编程时间为1ms 8 EmbeddedICE RT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitorTM软件对代码进行实时调试 和高速跟踪 9 2个32位定时器 计数器 带4路捕获和4路比较通道 PWM单元 6路输出 和看门狗 10 向量中断控制器 可配置优先级和向量地址 11 通过片内PLL 100us的设置时间 可实现最大为60MHz的CPU操作频率 12 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒 13 片内晶振频率范围 1 30MHz 14 低功耗模式 空闲和掉电 15 多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚 16 单电源 具有上电复位 POR 和掉电检测 BOD 电路 17 可通过个别使能 禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗 18 CPU操作电压范围 3 0V 3 6V 3 3V 10 I O口可承受5V的电压 常州工学院毕业设计论文 12 ARM结构是基于精简指令集计算机 RISC 原理而设计的 指令集和相关的译码机制比复杂 指令集计算机要简单得多 这样使用一个小的 廉价的处理器核 就可实现很高的指令吞吐 量和实时的中断响应 处理器采用三级流水线技术 通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码 并将 第三条指令从存储器中取出 从而使处理和存储系统的所有部分都可连续工作 同时 ARM7TDMI S处理器使用了一个被称为THUMB的独特的结构化策略 THUMB指令集的 16位指令长度使其可以达到标准ARM代码两倍的密度 却仍然保持ARM的大多数性能上的优势 这些优势是使用16位寄存器的16位处理器所不具有的 这是因为THUMB代码和ARM代码一样 在相同的32位寄存器上进行操作 它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度 的大批量产品的应 3 3 2 结构概述 ARM7TDMI S是一个通用的32位微处理器 它可提供高性能和低功耗 ARM结构是基于精简 指令集计算机 RISC 原理而设计的 指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得 多 这样使用一个小的 廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应 由于使用了流水线技术 处理和存储系统的所有部分都可连续工作 通常在执行一条指 令的同时对下一条指令进行译码 并将第三条指令从存储器中取出 ARM7TDMI S处理器使用了一个被称为THUMB的独特的结构化策略 它非常适用于那些对存 储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用 在THUMB后面一个关键的概念是 超 精简指令集 ARM7TDMI S处理器基本上具有两个指令集 标准32位ARM指令集及16位THUMB 指令集 THUMB指令集的16位指令长度使其可以达到标准ARM代码两倍的密度 却仍然保持ARM的大 多数性能上的优势 这些优势是使用16位寄存器的16位处理器所不具有的 这是因为THUMB代 码和ARM代码一样 在相同的32位寄存器上进行操作 THUMB代码仅为ARM代码规模的65 但其性能却相当于连接到16位存储器系统的相同ARM 处理器性能的160 以下简单介绍一下本装置用到的各种集成功能 1 片内FLASH程序存储器 LPC2131集成了一个32kB的FLASH存储器系统 该存储器可用作代码和数据的存储 对 FLASH存储器的编程可通过几种方法来实现 可通过串口进行在系统编程 也可以在应用程序 运行时进行在应用编程 这样为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性 当使用 片内bootloader时 32kB的Flash存储器可作用户代码使用 常州工学院毕业设计论文 13 LPC2131Flash存储器至少含有10 000个擦除 写周期 数据至少可保存10年 2 片内静态RAM 片内静态RAM可用作代码和 或数据的存储 SRAM支持8位 16位和32位访问 LPC2131具 有8kB静态RAM 3 10位A D转换器 LPC2131分别包含1 个模 数转换器 它们是简单的带8路输入的10位逐次逼近模数转换器 其具有的特性 1 测量范围 0 3 3V 2 每秒可执行400 000次10位采样 3 单路或多路输入的突发转换模式 4 根据输入脚的跳变或定时器匹配信号执行转换 4 UART LPC2131包含2个UART 除了标准的发送和接收数据线外 LPC2138UART1还提供一个完全 的调制解调器控制握手接口 LPC2131发送FIFO控制使能实现2个UART的软件 XON XOFF 流 控制 UART的特性如下 16字节接收和发送FIFO 寄存器位置遵循550工业标准 接收器FIFO触发点为1 4和14个字节 内置波特率发生器 LPC2131将信号采集电路的输出接入其AD转换的引脚 进行10位AD转换 所需测量的模拟 量为2路 一路测量电源电压 实时监测电源电压 自动调整占空比 保证恒定的加热电压 另一路测量气敏元件信号采集电路中的分压 转换为相应的电阻 并利用其与气体浓度之间 的关系 将所测气体的浓度输出到显示电路中 同时其GPIO要留出足够的引脚用来与显示电 路进行并行连接 以及中断处理 人机联系按键 量程控制引脚等等 本装置中主要应用了LPC2131的以下四部分功能 A D转换器 片内FLASH程序存储器 片 内静态RAM UART 其引脚图如图3 6所示 常州工学院毕业设计论文 14 图3 6 LPC2131引脚图 引脚排列如图3 7所示 各引脚功能如下 图3 7 nRF403 的引脚图 5 XC1 晶振输入 XC2 晶振输出 这里采用4MHz 基准晶振 与MCU 共享 6 VDD 芯片电源 2 7 3 6V 一般取3V 7 VSS 电源接地端 FILT1 环路滤波器 8 VCO1 VCO2 输入电感 DIN 数据输入 9 DOUT 数据输出 RF PWR 发射功率调节输入端 10 FREQ 频道选择端 FREQ 0 时 频段为433 92MHz 常州工学院毕业设计论文 15 11 FREQ 1 则频段为315 16MHz 12 ANT1 ANT2 收发天线终端 PWR UP 节电控制输入端 取值为1时 处于工作状态 取值为0时 处于待机状态 休 眠模式 3 4 串行接口电路 本装置测量数据可通过串口线将数据送到上位机进行显示 所以需要接口让LPC2131 和 上位机进行通信 目前 通信方式主要分为两种 串行通信 RS 232C RS 422A RS 485 USB 和并行通信 其中并行通信和USB标准的传输速率较快 适用于数据量较大对实时 性要求较高的场合 RS 422A和RS 485 传输距离远 抗干扰能力强 适合工业控制场合的远 距离多机之间通讯 RS 232C传输速率较低 最大为20kbit s 传输距离相对较短 最大距 离为30m 且只能进行点对点的通讯 但其电路简单 成本低廉 比较适合要求不高的场合 串行通信又分为异步通信和同步通信 本系统采用异步通信 8位可变波特率传输方式 选用 波特率为115200 由于LPC2131 是3 3V供电 所以要使用SP3232E进行RS 232 电平转换 SP3232E是3V工作电源的RS 232 转换芯片 电路图如图3 8 所示 图3 8 串行接口电路 3 5 显示模块电路 本设计中采用两种方式进行显示 液晶显示和上位机显示 其中液晶显示选择用RT 12864液晶显示器 可以直观地显示出当前被测气体浓度 除能显示数字外还可以显示汉字 同时用户可根据需要 利用LPC2131的UART串口 通过串口线与上位机相连 利用上位机显示 常州工学院毕业设计论文 16 使人机界面变得更加友好 当被测气体浓度超过警戒线时 智能传感器通过蜂鸣器发出声音 报警 同时显示中也会给出警示信号 提示用户做出相应的处理 以下主要介绍12864液晶显 示方式 RT12864 16是一种图形点阵液晶显示器 它主要由行驱动器 列驱动器及128 64全点阵液 晶显示器组成 可完成图形显示 也可以显示8 4个 16 16点阵 汉字 RT128 64的主要技术参数和性能 1 电源VDD 5V 2 显示内容 128 列 64 行 点 3 全屏幕点阵 4 七种指令 5 与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线 6 占空比1 64 7 工作温度 10 60存储温度 20 70 其硬件构成结构框图如图3 9所示 IC3为行驱动器 IC1 IC2为列驱动器 图3 9 12864的结构框图 RT12864 16工作过程可简析为 液晶显示模块经数据总线接收外部微处理器MCU发来的指 令和数据 并存入内部的指和数据寄存器中 在这些指令的控制下 行 列驱动器对128 64 点阵的LCD显示屏进行控制 从而实现所需信息的显示 RT12864 16液晶显示模块的各外部引 脚名称 功能和用法如表3 2所示 常州工学院毕业设计论文 17 表3 2 管脚及功能描述 在本装置中 为了获得友好的界面和方便装置的使用 采用汉字显示方式 汉字代码的 获取采用取字模软件 将每个汉字的代码记录在CAT1025中 在使用时调取 LPC2131具有32个GPIO口 P0 0 P0 31 没有外部总线 大多GPIO口是复用口 所 以它一般不适合连接大屏幕液晶显示器 但驱动小规模液晶模块进行工业控制上的参量显示 还是非常合适的 在编写驱动程序之前还必须了解LPC的GPIO寄存器的配置 GPIO包含四个寄 存器 如表3 3所列 常州工学院毕业设计论文 18 表3 3 配置GPIO口的四个寄存器 液晶RT128 64与LPC2131的连接电路如图3 10 图3 10 RT128 64与LPC2131的连接电路 3 6 无线收发电路 在收发芯片的选择上 经过对整个智能气敏传感器的综合考虑 从经济实用 效率及稳 定性能方面我们选择了挪威Nordic 公司的一体化无线收发芯片nRF403 nRF403 工作在433 或315MHz 国际上通用的ISM 频段 双工作频段可以自由切换 FSK 调制解调 采用直接数字合 成DSS 和锁相环稳频PLL 进行频率合成 频率稳定性好 发射数据时无方向性要求 在高速移动 和振动等情况有抗干扰能力 3 6 1 nRF403 芯片的介绍 本系统的收发模块采用挪威Nordic 公司的一体化无线收发芯片nRF403 nRF403 是目前低功率无线数据传输的理想选择 可广泛用于车辆监控 遥测 小型无线 网络 小区传呼 工业数据采集系统 非接触RF 智能卡 小型无线数据终端 安全防火系统 常州工学院毕业设计论文 19 生物信号采集 水文气象监控 无线232 数据通信 无线485 422 数据通信 数字音频 图 像传输等 其主要技术参数指标如表3 4所示 芯片内包含有功率放大器 PA 低噪声接收放大器 LNA 晶体振荡器 OSC 锁相环 PLL 压控振荡器 VCO 混频器 MIXER 等电路 在接收模式中 nRF403是被配置成传统 的外差式接收机 RF输入信号被LNA放大 经由MIXER变成中频 IF 在中频级 这个被变换 的信号在送入解调器 DEM 滤波 整个过程的频率稳定性极好 在发射模式中 VCO 的输出信 号是直接送入到PA RF 输出是被送至DIN 端 然后经过数字信号FSK 频移键控 编码发射出 去 FSK编码在工业设计中具有相当的优点 它抗干扰能力强 调制解调技术成熟 且实现方 便 接收灵敏度为 105dBm 发射功率仅为10dBm 表3 4RF403 主要技术参数指标 表3 4RF403 主要技术参数指标 3 6 2 nRF403 芯片电路 气敏传感器的无线收发过程可简单的描述为 气敏传感器通过敏感元件感受气体浓度变 化 并经过测量电路产生相应的电压信号变化 控制电路将电压信号通过串口传送给微处理 器 微处理器接收数据后 将需发送的数据 这里包括目标设备地址和所要发送的数据 通过 SPI 接口发送给nRF403 nRF403 将数据加前导码和CRC 码 将数据包发送 当nRF403 接收 到有效数据后 通过SPI 接口从nRF403 中读出接收数据 然后通过USART 传送给LCD 显示或 PC 机等其他外部设备 软件功能模块由CPU 寄存器初始化 串行口初始化 串口收发送程序 SPI 初始化 SPI 收发送程序 I O 口初始化 nRF403 配置寄存器操作 nRF403 接收程序 发送程序 主程序模块组成 nRF403 无线收发模块的硬件连接图如下图3 11示 常州工学院毕业设计论文 20 图3 11nRF403 无线收发模块 3 7 JATG 接口电路 本装置使用JATG接口下载程序到Flash EasyJTAG仿真器可支持LPC2000系列ARM7微控制 器的片内Flash下载 这样就可以使用该功能将程序下载到Flash里 以便脱机运行 JTAG电 路的原理图如图3 12示 图 3 12LPC2131 的 JTAG 电路原理 常州工学院毕业设计论文 21 第 4 章 系统软件设计 硬件电路搭建完毕后 就要下载驱动程序到LPC2131的片内Flash中 使MCU运行程序实现 所需的功能 在本设计中程序编写调试在ADS ARM Developer Suite 1 2集成开发环境中完 成 采用EasyJTAG仿真器烧写程序 系统软件设计流程如图4 1所示 图4 1 总流程图 常州工学院毕业设计论文 22 4 1 A D 转换程序 本装置采用的是LPC2131自带的A D转换器 LPC2131拥有1个10位8路A D转换器 启动A D 转换的方式非常灵活 既可以单路软件启动 也可以设置为BURST模式对某几路信号逐个循环 采样 本系统中采用单路软件启动 程序流程图如图4 2所示 采集到的数据送入处理器进行计 算后 通过异步通信口UART0 由上位机显示 串口通信程序采用的是查询方式 流程图如图 4 3所示 以下为单通道AD转换 通过上位机显示程序 图4 2 A D转换流程图 常州工学院毕业设计论文 23 图4 3 串口通信流程图 A D转换源程序 include config h void DelayNS uint32 dly uint32 i for dly 0 dly for i 0 i 80 x 0 y 常州工学院毕业设计论文 25 int main void uint32 ADC Data char str 20 PINSEL0 0 x00000005 管脚连接串口 PINSEL1 1 28 P0 30连接到AD0 3 UART0 Init AD0CR 1 3 SEL 8 选择通道3 Fpclk 1000000 1 8 CLKDIV Fpclk 1000000 1 转换时钟为1MHz 0 16 BURST 0 软件控制转换操作 0 17 CLKS 0 使用11clock转换 1 21 PDN 1 正常工作模式 0 22 TEST1 0 00 正常工作模式 1 24 START 1 直接启动ADC转换 0 27 直接启动ADC转换时 此位无效 DelayNS 10 ADC Data AD0DR 读取ADC结果 并清除DONE标志位 while 1 AD0CR 1 24 进行第一次转换 while ADDR 等待转换结束 AD0CR 1 6 ADC Data ADC Data 2480 ADC Data ADC Data 1024 ADC Res 5 4700 4700 ADC Data ADC Data 1000 sprintf str1 4d MV Voltage ADC Data 常州工学院毕业设计论文 26 sprintf str2 4d MOU Res ADC Res ISendStr 0 0 0 x30 str1 ISendStr 0 1 0 x30 str2 return 0 通过以上程序 可以把通过A D转换电路采集到的匹配电阻上的分压值和气敏元件的电阻 值输出到电脑上显示 我们的目的是对外界气体进行准确的测量 把测量到的电压值或计算 出的电阻值转换为对应的外界气体浓度值 4 2 显示程序 4 2 1 12864 液晶基本的操作时序 12864有四种基本操作时序 主要有读状态 输入为D I L CS1或CS2 H R W H E H 输出为D0 D7 状态字 写指令 输入为D I L CS1或CS2 H R W L E 高脉冲 D0 D7 指令 码 输出无 读数据 输入为D I H CS1或CS2 H R W H E H 输出为D0 D7 数据 写数据 输入为D I H CS1或CS2 H R W L E 高脉冲 D0 D7 数据 输出无 LCD显示屏由两片控制 器控制 每个内部带有64X64位 512字节 的RAM缓冲区 控制器内部设有一个数据地址页指针 和一个数据地址列指针 可通过他们来访问内部的全部512字节RAM 4 2 2 液晶显示的驱动程序和接口函数 液晶的驱动程序和接口函数如下 1 LCD Cls 定义 void LCD Cls 功能 在LCD的显示屏