便携式传感器巡检仪实训设计报告--郭勇 精品.docVIP

设计题目：便携式传感器巡检仪的设计1.引言1.1 设计背景随着信息化时代的到来,信息科学技术飞速发展，传感器作为信息技术的重要组成部分，其发展水平标志着一个国家的科学技术发展的水平，成为信息时代的焦点，各类传感器已经广为应用于生产生活的方方面面，传感器作为现代科技的前沿技术，被认为是现代信息技术的三大支柱之一，也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业和朝阳产业。传感器的输入通常是各种外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟、雾），输出信号通常是电量。它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电阻、电容等，输出信号的形式由传感器的原理确定。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用到各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，是设备工作在正常状态或最佳状态，没有众多的优良传感器，现代化生产也就失去了基础。传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号，所以传感器的作用与地位就特别的重要了。正是因为传感器的应用如此广泛，所以在工业现场采集传感器检测信号，对工业现场的控制过程有非常重要的意义。温度和压力是科学技术中最基本的物理量，它也是工业生产中最普遍最重要的参数，温度和压力与控制十分重要。1.2 设计目的本设计的思想是自己上学期对热力控制站的实地观察以后提出。在热力站里，温度、压力传感器主要用于一次供水一次回水和二次供水二次回水中水温的检测和压力的检测，且数量居多，通过控制柜对各路传感器采集回来的温度、压力值进行显示，但是有时会出现一些弊端，当显示器上出现某一通道的数据与此通道正常显示出现较大偏差时，维修人员很难去判断发生故障的地方，不知道是传感器出现故障还是控制柜中的AD模块出现了问题，或者是其他硬件发生故障等。由于热力站里的传感器都安装在高处或是条件较复杂的地方，对传感器进行检查不太方便，所以设计一个便携式的传感器巡检仪设备是很有必要的。另外通过本次实训即可以锻炼自己的动手能力，还能够将自己所学知识运用的工业现场之中。1.3 设计要求1）设计一个基于STM32单片机的手持仪器，包括CPU与显示模块、AD采集模块。采集的模拟量中1路为4-20mA的电流信号、1路为1-5V的电压信号，并在设计时预留RS485接口电路。2）protel 99se完成硬件设计，以STM32为核心控制器完成电路的设计，包括CPU、显示电路、AD采集电路、存储电路等。3）完成PCB图的布线及电路板的制作。整理电路元器件，完成电路板的焊接。4）软件设计：编写驱动程序和应用程序， 调试电路，完成整体的设计要求。1.4 设计思路通过对所提出问题的分析以及所设计产品的使用场合、范围和温度压力各项参数的考虑，本次实训是要设计一个操作方便、易于携带的温度压力测试仪，去检测现场温度或压力传感器采集回来的信息，进而通过测试仪判断其好坏。通过对STM32的学习，了解到由于其具有丰富的外设和功能，所以本次设计主要以STM32为主控制器，采用双通道对现场传感器信号进行采集，经A/D转换后，通过DMA通道把数据暂存到数组中，最后通过软件的设计（标度变换、补偿算法），把经过标度变换后的温度/压力值显示在LCD上。了解了需要实现的功能后，要做的工作主要包括：前期相关理论知识的学习、画电路原理图、硬件的焊接、软硬件的调试以及后期的总结工作、的写作。1.5传感器的分类和性能指标为了使传感器便于生产和推广应用，人们开始从不同的角度对传感器进行分类归纳：按传感器的机理及转换形式分类有结构型、物性型、数字（频率）型、量子型、信息型和智能型。按敏感材料分类有半导体型、功能陶瓷型、功能高聚物型等。按测量对象参数分类有光传感器、湿度传感器、温度传感器、磁传感器、压力传感器、振动传感器、超声波传感器等。按应用领域分类有机器人传感器、医用传感器、环保传感器、各种过和检测传感器等。一般来说，前两种分类方法便于传感器的研究制造；后两种分类方法有利于选择用，不过任何一种分类方法都不是绝对的，都不同程度地带有局限性、就观性或随意性。为方便选择、应用起见基本上按第三种方法进行分类。电压敏感元件在国外一般只作为一种非饱和性电阻或变阻器，而不把它当作敏感元件或传感器来看待。基本参数指标：1、量程指标：量程范围、过载能力2、灵敏度指标：灵敏度、满量程输出、分辨力、输入输出阻抗等。3、精度指标：精度误差、重复性、线性、滞后、灵敏度误差、阀值、稳定性、漂移等。4、动态性能指标：固有频率、阻尼系数、频率范围、频率特性等分辨力：传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。测量范围和量程：在允许误差限内，被测量值得下限到上限之间的范围称为测量范围。1.6检测范围与评价标准根据对主流传感器性能和参数的了解，结合热力站温度、压力传感器使用情况，本设计中巡检仪采用接入的信号为1-5V，4-20mA的标准信号。若用户接入的传感器不是这两种标准信号的输出，测试结果将是不正确的。目前便携式巡检仪只是针对热力控制站回水、供水管道上的温度、压力传感器的测试，通过控制柜上显示器显示各路传感器采集回来的数据，控制温度、压力的大小，当某一路的显示出现明显异常时，通过测试仪对此路进行测试。根据传感器从现场采集回来的温度和压力数据，以及设备正常运行时的参数作为对传感器好坏评价标准，由于热力的温度和压力值相对比较稳定，当测得的数据在一定范围内时，则认为传感器没有出现问题，反之，认为传感器出现故障。 2. 巡检仪简介2.1巡检仪的特点本次实训设计的便携式测试仪最主要是具有携带方便、操作简单、重量轻等特点，主要以检测输出电压信号为1-5V、电流信号为4-20mA信号的温度、压力传感器，由外接9V直流电源为整个系统提供电源，外面还有一排接线，包括传感器接线引脚，RS485通信接口，一个电源开关以及四个功能按键，电源指示灯和功能指示灯等几部分组成，显示器采用诺基亚5110液晶显示器。当进行设备检测时，操作人员只需拿在手上，接好与传感器引脚的接线，根据菜单选项进行相应量程的设定后，显示器上所显示的数据与实际比较来判断传感器的好坏。2.2 巡检仪技术参数本巡检仪的相应技术参数如下：1工作电压：9V直流电源2采集信号范围：420mA电流信号、15V电压信号3量程可调范围：下限：0999；上限：0999 注：上限值下限值4分辨率：1/40955工作温度范围：-4085 3. 硬件电路设计3.1 整体设计框图本设计基于STM32F103RBT6单片机的ADC模数转换通道，通过温度压力传感器转换来的电压值进行采集并转换成数字量，进而进行运算、标度变换等，再利用LCD液晶屏显示出来。并且可以通过按键进行量程设置，温度压力测量的转换。其硬件主要由STM32单片机的最小系统、ADC接口转换电路、键盘电路、液晶显示电路、MAX485通信转换电路、EEPROM存储器接口电路、下载电路以及电源电路等部分组成。系统总体构成框图如图1所示：图1 系统总体设计框图系统以STM32为核心，显示器采用诺基亚5110显示屏，所需要做的工作是把51单片机驱动程序移植到STM32上；四个功能按键实现不同的功能，即S1实现“确定”功能，S2实现“返回”功能，S3实现菜单“上翻”功能，S4实现菜单“下翻”功能；模拟信号输入电路有两个输入端，模拟信号输入端A1、模拟信号输入端A2，对不同模拟信号的输入进行转换，其中电压信号为1-5V，电流信号为4-20mA，将其转换为0-3.3V的电压信号输入到主控制器对其进行处理；EEPROM主要用于对用户上次设置的量程进行存储，方便用户下次使用时，若量程与上次一致，则不需要重新设置新的量程而可以直接使用，LCD显示所设计的菜单和转换后的数据，下载电路实现对程序的下载。硬件设计的原理图见附录二所示。3.2 控制芯片的选择及其最小系统控制器核心处理器选用嵌入式芯片STM32F103 ZET6，STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设，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。本设计控制芯片的最小系统原理图如图2所示。其最小工作系统由单片机、时钟电路、复位电路、启动方式电路以及电源滤波电路构成。时钟电路选择的是8MHz的晶振做外部起振电路，复位按键电阻电容组成复位电路，单片机的BOOT0、BOOT1引脚接选择接地，即程序从用户闪存存储器模式开始运行，电源引脚接电容进行滤波处理。图2 最小系统及滤波电路3.3 电平转换电路如图 所示的电路，由于stm32的供电电压为3.3V，工业现场很少能找到合适的电源，所以结合现场的实际情况，本设计中采用电池供电，其电压为9V，在设计时，利用LM1117-5.0和LM1117-3.3两块电源转换芯片将9V电压转换成3.3的稳压电源。另外电路中还包括滤波电路，电源指示灯，工作状态指示灯及电源的接口电路。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V 和 5V）的型号。LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。图3 电平转换电路3.4 模拟信号采样电路由于温度、压力传感器的信号一般是4-20mA的电流值和1-5V的电压值，所以在信号进入单片机之前需要将这两种信号转换成0-3.3V的电压信号，于是在设计模拟信号输入电路时分别设计了两个通道采集不同的模拟量，即分为电流输入和电压输入两个通道。经过模拟信号输入电路的转换后输入为0-3.3V电压信号。电路图如图3所示。选用2个ADC采集通道，A1为通道1，采集4-20mA的电流值，然后经过转换电路转换为D1输出0.64-3.2V的电压值，将其传给单片机的PA0口。A2为通道2，采集1-5V的电压值，然后经过转换电路转换为D2输出0.6-3V的电压值，将其传给单片机的PA1口。图3 模拟信号输入电路3.5 按键接口电路本次设计共设有四个按键S1、S2、S3、S4，其中S1实现“确定”功能，S2实现“返回”功能，S3实现菜单“上翻”功能，S4实现菜单“下翻”功能，“确定”键用于选好目标后确认或进入此功能界面，“返回”键用于返回上一级菜单或主菜单，“上翻”和“下翻”键用于菜单目录上下的移动选择，或用于调整量程时数字的增加与减少。按键的一端与分别单片机的引脚相连，工作原理为按键不按下时单片机的PA2、PA3、PA4、PA5引脚接高电平，按键按下后单片机引脚读入低电平，以此来检测键盘电路按键的选取。图4 按键接口电路3.6 AT24C04存储电路AT24C04采用低功耗CMOS技术，可工作在电压为2.5V的单电源供电条件下工作，它是由两个256字节块构成的，也就是容量为22568bit（4kbit），完全可以满足中小规模的应用需要，它最显著的特点是只占用CPU的两根I/O线，就可以实现与CPU之间的数据交换，另外，串行EEPROM的体积小，价格低廉，二线电可擦编程只读存储器（EEPROM），为8脚双列直插式塑料封装主要用于存放设置好的量程，比如温度、压力量程，或者通过手动设定的量程进行存储，方便在下次开机时系统可以读取上次退出时的状态，省去重新设定的麻烦。AT24C04与单片机的接口电路如图5所示：图5 EEPROM存储器电路原理图引脚说明：(1) SDA串行地址/数据输入/输出端这是一个双向传输端，用于传送地址和数据进入器件或从器件发出数据，它是一个漏极开路端，因此要求接一个上拉电阻到Vcc端。对于一般的数据传输，只有在SCL为低电平期间，SDA的电平才可以变化，在SCL为高电平期间SDA保持不变。(2) SCL串行时钟端此输入端用于同步传输进入和发送器件的数据(3) WP端此端必须接到Vss或者Vcc如果此端接到Vss时，一般存储器操作使能（读/写整个存储器）如果此端接到Vcc，写操作禁止，整个存储器是写保护的，读操作不受到影响。当WP被使能，也就是连接到Vcc，允许用户可将24C04用作串行ROM(4) A0、A1、A2端用户自定义地址码，这是由用户自己设置的，通常的做法就是由他们的组合电平决定的，也就是寻址码，对于同一型号的IC只能最多挂8片同种类型的芯片，本次实习由于设计的电路只有一个AT24C04，故A0、A1、A2端接地，其地址码为000。3.7 LCD液晶显示电路本设计中才用的是液晶显示屏型号为诺基亚5110。诺基亚5110是8448点阵LCD，每行可以显示7个汉字，可以显示4行，购买此液晶屏时已经带有51单片机的驱动例程，我们只需将51单片机上驱动移植到STM32上，从而实现与主处理器通信。5110一共有8个引脚，其中有5个引脚与单片的I/O相连，如图6所示：图6 LCD管脚分配图图中引脚分别是：SDIN:串行数据输入端SCLK:串行时钟输入端D/C:数据/命令SCE:芯片使能RST:复位输入端3.8 JTAG接口电路JTAG也是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议,如DSP、FPGA、单片机器件等。JTAG 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线。本系统的JTAG调试单元电路如图8所示。图8 JTAG接口电路相关JTAG引脚的定义为：1 ,VTref 目标板参考电压，接电源2，VCC接电源3，nTRST 测试系统复位信号4,6,8,10,12,14,16,18,20， GND 接地5，TDI测试数据串行输入7，TMS 测试模式选择9，TCK 测试时钟11，RTCK 测试时钟返回信号未连接13，TDO 测试数据串行输出15，nRESET 目标系统复位信号17,19 NC 未连接4 软件设计4.1 系统主程序流程图程序采用模块化、结构化设计，其软件的可靠性较好，可维护性强。其主要程序模块有： (1)主程序：主程序包括欢迎界面的显示、读取EEPROM数据、键盘的循环扫描、ADC的采集检测与LCD显示。 (2)菜单(设置)程序：菜单程序完成通道的选取、温度压力测量的选择、量程的设置。 (3)键盘扫描子程序：判断键盘按键的选取、去除抖动干扰、按下相应按键的结果处理程序。 (4)EEPROM存储程序：量程设定后相应量程数据的存储程序与读取子程序。本设计的软件部分主函数程序设计的流程图如图8所示。图8 主函数程序设计流程图当系统复位后，首先对时钟、I/O、IIC、ADC以及DMA等硬件进行初始化，然后紧接初始化LCD显示器，主控制器读取EEPROM中上一次测量存储的数据，并显示欢迎界面。紧接着进入按键扫描程序，并在主函数中判断是否需要调用相应温度、压力的显示子函数。4.2 子程序设计框图4.2.1 系统初始化流程图：图9 系统初始化流程图系统一上电，则会进行系统时钟初始化，在系统时钟初始化中，会将系统主时钟SYSCLK设置为72MHz，将APB1时钟频率设置为36MHz，APB2时钟频率设置为72MHz。并且启动将用到的外设资源的时钟，比如定时器，串口等等。STM32内部有2个ADC，每个ADC是12 位的逐次逼近型模拟数字转换器。它有18 个通道，可测16 个外部和2 个内部信号源。各通道的A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执。ADC的结果可由转换完成中断处理或由DMA存储，通道的转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，转换结果以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。通道采样时间可编程，总转化时间可缩减到1us，此外，多种转换模式供选择，支持DMA数据传输。直接存储器存取用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须CPU 任何干预，通过DMA 数据可以快速地移动，这就节CPU 的资源来做其他操作。直接存储器存取用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须CPU 任何干预，通过DMA 数据可以快速地移动，这就节CPU 的资源来做其他操作。LCD初始化包括对相应引脚的输入输出配置，并对LCD做一此清屏处理。4.2.2 键盘扫描程序设计为了给用户和现场检修人员创造一个良好的人机交互环境，在用户或检查人员进行通道选择，温度或压力测量，量程的设置时都采用菜单显示的方式，共分为：温度/压力测量子菜单、温度/压力量程设定子菜单、量程设定、显示温度/压力值子菜单，菜单以之间用状态切换的形式实现。如图9所示：图10 子菜单状态切换图在系统初始化完成以后，进入按键扫描子函数，判断四个功能按键是否被按下，从而执行相应用的动作，实现状态的切换，再通过相应的程序来实现温度或压力的选择、量程设定、显示等功能，具体的操作实现流程步骤如下。（1）通电以后，液晶屏幕显示“欢迎使用”界面，延时3秒进入通道选择界面。（2）按确定键进入采集通道选取菜单，两个选项分别为通道1和通道2，通道1采集的是4-20mA的电流信号，通道2采集的是1-5V的电压信号。每一个通道后面显示的是当前各个通道的AD测量值（以十进制数显示），选好通道后就进入了相应的测量采集通道。两个通道分别测量两个不同的信号， （3）按确定键进入主菜单，其中有三个选项分别为：温度测量、压力测量、量程设置。按上、下功能键对相应选项进行选择，选择好相应的选项后按确定键进入对应的子菜单。（4）选择温度测量功能，进入测量温度的界面，显示当前设置的量程范围以及在当前量程范围内测得的温度值大小。选择压力测量功能，进入测量压力的界面，显示当前设置的量程范围以及当前量程范围内测得的压力值大小。当前测量范围是用户上次测量是的数据，这些数据都存储在EEPROM中，若用户上电之后并没有进行相应量程的设置，此时的量程默认为用户上次使用时设置好的量程。选择量程设置功能后进入量程设置界面，可以对温度量程和压力量程两个选项进行选择，重新设置量程。每次设定好的温度以及压力的量程范围值将存入EEPROM存储器，若用户这次使用与上次量程完全一样，则不需要重新设定新的量程上、下限。（5）按确定键进入温度量程设定界面，通过上下功能键以及确定键可先进行温度的下限值设定，然后设定温度的上限值，然后按确定键开始测量当前温度值。同理可以设定压力量程。（6）在量程设定完成并显示当前测量结果以后，用户可以按一次“返回键”返回到选择温度/压力测量的界面，更改操作，若用户第二次按下“返回键”，即可进行通道的重新选择。4.2.3 AD采集初始化子程序在系统ADC模块的初始化过程中将AD采样模式设置为连续采样，转换模式设置为轮流转化，通道个数为2，并且启用AD的DMA通道。在AD初始化程序中，还要配置DMA通道，将其设置为数据大小为2，外设地址递减，内存地址不变。如图11所示:图11 ADC初始化子程序4.2.4 读/取EEPROM存储器子程序1、I2C总线协议I2C总线作为用于连接微控制器及其外围设备的一种总线，由于其简单性和有效性，占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本，它是由串行数据地址线SDA和串行时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，其协议规定，只有在总线空闲时才允许启动数据传送、在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变，时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看做总线的开始信号或停止信号。通过主控制器发出的控制信号分别为地址码和控制量两部分，主控制器通过IIC总线对EEPROM进行读写操作,其特点如下：(1)只要求两条总线线路 一条串行数据线SDA ，一条串行时钟线SCL，且都为双向。 (2) 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从设备关系软件设定地址；主机可以作为主发送器或主机接收器 (3)它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏 (4)串行的 8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达 100kbit/s 快速模式下可达 400kbit/s 高速模式下可达.4Mbit/s (5)片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波保证数据完整(6)连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF 限制2、IIC协议总线信号时序如下：（1）数据的有效性：SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定数据线的高或低电平状态只有在 SCL线的时钟信号是低电平时才能改变。（2）起始和停止条件：当SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换，这个情况表示起始条件。当SCL线是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换表示停止条件。 （3）总线空闲状态：SDA和SCL两条信号线都处于高电平，即总线上所有的器件都释放总线，两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高； （4）地址格式：主机产生起始条件后，发送的第一个字节为寻址字节，该字节的头7位为从设备地址，最后位决定了报文的方向，0表示主机写信息到从设备，1表示主机读从设备的信息，当发送了一个地址后，系统中的每个器件都将头7位与它自己的地址比较，如果一样，器件会应答主机的寻址，至于是从设备接收器还是从设备发送器由R/W位决定。主机产生起始信号后的第一个寻址字节格式如图12所示：图12 寻址字节格式AT24C04支持I2C总线数据传送协议，I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。本设计中量程的最大值为999，超过了一个字节，程序中数据占用2个字节的空间，故需要将所要存入的数据分字节进行存取，程序设计时每一次上电或系统复位都会首先读取上次断电时EEPROM中存储的数据值，其流程图如图13所示，同理在用户设置每一次设定好量程以后，都会将上限、下限值存入到EEPROM中。其流程图如图14所示。读数据子函数读温度/压力下限值的高字节延时50ms读温度/压力下限值的低字节延时50ms高低字节合并读温度/压力上限值的高字节延时50ms读温度/压力上限值的低字节延时50ms高低字节合并结束图13 读EEPROM存储器数据子程序存数据子函数高低字节分离延时50ms存温度/压力下限值低字节延时50ms存温度/压力下限值低字高低字节分离延