基于细纱工序自主数据采集系统设计

1、 郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文）题目 基于细纱工序自主数据采 集系统设计 陈璐 电气工程 13-02 541305080102学生姓名专业班级学号院 （系） 电气信息工程学院指导教师(职称) 江豪（副教授）完成时间 2017 年 6 月 5 日郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目 基于细纱工序自主数据采集系统设计专业 电气工程及其自动化 学号 541305080102 姓名 陈 璐 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容： 收集，整理与课题相关技术与产品资料，学习单片机高速计数器接口电路硬件设计，理解纺织机械转速及纺纱产量数据计算，了解工程信号接入及稳定性要求，实现采集单元对多

2、路输入点信号高速采集功能。设计硬件电路并制作实物。 基本要求： （1）查阅文献资料不少于 15 篇，其中外文文献不少于 2 篇。根据查阅的文献资料情况，写出文献综述，字数不少于 3000 字；翻译外文文献一篇，译文字数不少于 3000 字。 （2）完成开题报告，文献综述以及外文文献翻译等。 （3）查阅相关文献和资料，熟悉课题有关技术和产品资料。 （4）撰写合格毕业论文，正文篇幅为 1.5 万字左右。 主要参考资料： 1胡汉才.单片机原理及其接术（第 3 版）M.北京:清花大学,2010. 2 Brian W.Kernighan.C 程序设计语言(第 2 版)M.北械工业,2006. 3陈兴强.

3、现代控制技术和数字化的纺织机械J.纺织机械,2006. 完成期限： 2017.01 2017.06 指导教师签名： 专业负责人签名： 2017 年 1 月 10 日基于细纱工序自主数据采集系统设计 目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题的背景及现状11.1.1 课题的背景11.1.2 纺织行业国内外发展现状11.2 研究的目的与意义21.2.1 研究的目的21.2.2 研究的意义31.3 本论文的主要设计工作32 采集系统的工作原理及结构组成42.1 系统的工作原理42.2 系统的结构组成43 系统的整体设计54 系统硬件电路设计64.1 电源电路设计64.1.1 单相 AC-D

4、C 转换电路64.1.2 DC-DC 转换电路74.2 MCU 模块94.3 按键、显示屏模块104.4 光耦隔离模块114.5 RS485 通信模块134.6 传感器模块155 系统软件设计15基于细纱工序自主数据采集系统设计 5.1 数据采集程序设计155.2 按键和屏幕显示程序设计176 系统软硬件调试结果和分析186.1 系统硬件调试结果186.2 系统软件调试结果206.3 实验结果分析22结束语23致谢24参考文献25附录27附录一 系统硬件电路设计原理图27附录二 采集程序和显示屏部分程序代码28基于细纱工序自主数据采集系统设计 基于细纱工序自主数据采集系统设计摘要当今纺织行业发

5、展迅速，设备都在向高速化、自动化、智能化方向发展。在这个过程中，纺织工序中各项数据的采集和通信变得尤为重要。目前一些纺织企业采用 PLC 做采集系统的核心控制器，虽然 PLC 设备稳定可靠，使用寿命长， 但其成本非常高。针对这个问题，本设计用 STM32 系列单片机开发了一套细纱工序数据采集系统，此采集系统开发成本低，有丰富的底层接口，而且可以和外部设备通信，其电源模块设计稳定可靠，短时断电再上电后可以稳定地工作。此采集系统在纺织厂使用时接线方便，空间占地面积小，安装方便，而且兼容 NPN型和 PNP 型的传感器。关键词 自动化 单片机 数据采集 底层接口I基于细纱工序自主数据采集系统设计 D

6、esign of the independent data acquisition system based on the spinning processABSTRACTToday, the textile industry is developing rapidly , equipments are in the high-speed, automation, intelligent direction. In this process, the textile process of the data collection and communication has become part

7、icularly important. At present, some textile enterprises use PLC to do the core controller of the acquisition system, although the PLC equipment is stable and reliable, long service life, but its cost is very high. In order to solve this problem, this design has developed a set of spooling process d

8、ata acquisition system with STM32 series MCU. The acquisition system has low development cost and rich bottom interface, and can communicate with external devices. The power module is stable and reliable. Electric power can be stable after the work. This collection system is easy to use in the texti

9、le mill, the space is small, easyto install, and compatible with NPN and PNP type of sensor.KEYWORDSAutomation，Single chip，Data collection，The underlying interfaceII基于细纱工序自主数据采集系统设计 1 绪论1.1 课题的背景及现状1.1.1 课题的背景纺织工业是我国传统支柱产业和重要的民生产业，也是国际竞争优势明显的产业，在我国国民经济发展中占有举足轻重的地位1。从上世纪 80 年始到现在，经过了 30 多年的成长和发展，纺织工业

10、已发展经成为我国产业体系中市场文化程度最高，竞争最激烈，产业链最完整的制造行业，在吸纳社会就业、增加农民收入、出口创汇、支援工业建设，繁荣市场、促进区域经济发展等方面都作出了巨大的贡献。随着科技和经济的飞速发展，现代纺织技术也在不断地进步与跟新。目前纺织技术都在向设备高速化、自动化，工序连续化方向发展，传统技术与新技术之间的差距越来越大，传统设备的升级换代迫在眉睫，而在这个过程中，信息化的发展尤为重要。在这个大数据时代，纺织行业中数据的采集的快速性，高效性，精准性对于一个企业来说是非常重要的。在新型的经济体制下，要求企业从部门管理向行业管理方向发展，在这个过程中，纺织行业信息的采集和管理非常重

11、要，必须要求其精准、高效、快速，这对建立和完善纺织工业信息管理系统、加快完成纺织工业内部结构调整，使其转入良性循环，提高经济效益，实现纺织工业的进一步发展是非常关键的。随着我国经济的进一步深化，在新的经济运行机制下，信息已成为一种新的生产力资源。为了确保纺织行业持续稳定地发展，必须建立准确的与国民经济和纺织经济相关的信息和决策服务系统。1.1.2 纺织行业国内外发展现状纺织业在我国是一个劳动密集程度高和对外依存度较大的产业。我国是世界1基于细纱工序自主数据采集系统设计 上最大的纺织品服装生产和出口国，纺织品服装出口的持续稳定增长对保证我国外汇储备、国际收支平衡、人民币汇率稳定、解决社会就业以及

12、纺织业可持续发展至关重要。从国内经济环境看，国内需求将成为纺织行业增长的重要驱动力，80%左右的中国纺织品在国内消费。随着国内经济的持续快速增长，居民的收入也在稳定地提升，这将拉动内需市场的进一步发展。然而当前我国纺织行业还存在许多问题。首先是国内纺织行业技术装备普遍比较落后，新产品开发不足。据统计我国纺织品三大行业（纺织业、服装业、化学纤维制造业）产值占比约分别为 61%、28%、11%，除化学纤维生产技术和服装骨干企业的缝纫设备接近国际先进水平以外，纺纱、织造、染整等传统工艺与世界水平有较大差距1；其次是标准低，大部分企业都在生产质量低，价格低的产品，只有一小本分企业生产高质量产品；再一个

13、是高素质人才缺乏，行业缺乏品牌运作、资本运筹、国际交往人才，缺乏国际化经营经验和适应国际竞争的复合型人才3；还有，企业信息化程度不高。行业性技术开发力量薄弱，软硬件产品少，企业管理软件应用比例低，信息化普及率低，电子商务起步慢，多数企业管理方式落后，难以真正建立起“小批量、多品种、高质量、快交货”的市场快速反应机制。从国外环境看，一些发达国家像美国、日本、法国、英国、德国等纺织工业的机电一体化程度比较高，装备先进，技术成熟，都有其纺织品技术标准体系，而且也都比较完善，其中一些也在被采用为我国的标准。1.2 研究的目的与意义1.2.1 研究的目的在这个高速发展的大数据时代，数据信息的精准高效采集

14、对于一个企业来说是非常重要的。针对纺织企业来说，由于其涉及的设备数量多，产品链较长，数据采集一直是许多纺织企业的难题。随着大数据技术的出现和发展，对棉纺织企业来说，如何采集设备的状态、产品的状态以及能源消耗等生产数据，以利于企2基于细纱工序自主数据采集系统设计 业利用大数据对其进行分析，为企业产品质量的追踪和增值提供必要的服务是现在纺织企业急需解决的问题。本设计研究的是对棉纺织行业中细纱工序的数据采集，这些数据可以为企业的监测和管理提供直接依据。1.2.2 研究的意义随着国内制造行业信息化的转型升级，纺织行业也在跟随着时代的步伐前进，国内一些大型企业早已把场内设备跟新换代。为提高纺织行业的自动

15、化程度，在数据采集方面，大多公司选用 PLC 设备作核心控制器，对工厂内纺纱机的一些数据进行采集和运算处理。尽管 PLC 设备可靠性高，稳定性好，但其体系结构是封闭的，各 PLC 生产厂家的硬件体系互不兼容， 编程语言和指令系统也各不相同，当用户选择了一种 PLC 产品后，必须选择与其相应的控制规程，学习特定的编程语言，而且设备的各种接口也比较复杂，要花时间慢慢学习，这对企业来说是一种束缚，也是时间的浪费。PLC 由于可靠性高，稳定性好，其成本也比较高，对于一些小型企业来说不太能承受，而且机身较大，空间占地面积大，安装费时费力。本设计用单片机作采集系统的核心控制器，其成本低，结构简单，操作方便

16、，编程语言用 C 语言和汇编语言都可以。用单片机开发的数据采集系统体积小，安装便捷，接线方便，对各模块采用质量好的芯片做硬件设计也可以做到高可靠性和稳定性，总体成本相对 PLC 设备来说要低很多，是一些小型纺织企业的最佳选择。1.3 本论文的主要设计工作本毕业设计的主要工作是细纱工序自主数据采集系统的硬件电路设计和制作，其中包括 20 路脉冲信号地稳定采集，运算处理和对外通信。20 路信号中有8 路高速的和 12 路普通的，系统要可以同时采集这 20 路脉冲信号。系统的硬件电路设计中要求电源模块稳定可靠，短时断电再上电后系统采集的数据不能丢失。系统的硬件电路设计还要解决 NPN 型和 PNP

17、型两种传感器的3基于细纱工序自主数据采集系统设计 复用接口问题使其在使用时不必拘泥于其中的一种。原理图设计好后要进行实物的制作，焊接好的实物要进行各模块的调试并且要联合软件设计进行联机调试，通过调试，系统要可以稳定地采集 20 路脉冲信号，并进行运算处理，经运算处理后的数据经硬件电路中的 485 通信模块要可以对外通信。2 采集系统的工作原理及结构组成2.1 系统的工作原理纺织行业中为了方便计算纺纱机锭子的转速及纺纱的产量，人们在设计锭子的时候会在其上端或下端留一个缺口或凸起的部分。锭子在旋转的过程中，一般工业上用的光电传感器或接近开关可以通过检测锭子上的缺口或凸起部分的有无把锭子的机械信号转

18、换成单片机可采集的脉冲信号（电信号）。此设计选用高性能的 ARMCortex-M3 32 位的RISC 内核的 STM32F103VET6单片机作为核心控制器，该单片机的 2 个高级定时器/计数器和 4 个普通定时器/计数器中每个定时器都有 4 个独立通道可以用于信号的地捕捉。由传感器转化的脉冲信号经滤波降压处理后被单片机捕捉，通过计一定时间内的脉冲数可以计算出锭子的转速，而锭子的转速再乘以一个系数后便可计算出产量。本采集系统可以同时采集 20 路信号，其中包括 8 路高速脉冲信号和 12 路普通的脉冲信号，分别分配给四台车，一台车上采集 2 路高速脉冲信号和 3 路普通的脉冲信号。系统采集打

19、脉冲信号后，经过程序算法计算出 20 台纺织机的转速和产量并把这些数据储存起来，再通过 485 通信，把数据传给 PC 机或其他外部设备，用于数据的检测和管理。2.2 系统的结构组成此采集系统主要包括这几部分组成：电源模块，MCU 模块，按键、显示屏模块，光耦隔离模块，传感器模块和 485 通信模块。为满足工业用电标准，电源4基于细纱工序自主数据采集系统设计 模块采用 220V 的交流电供电，交流 220V 电源经过 AC-DC 转换变为直流 24V， 24V 再经 DC-DC 转成 5V 和 3.3V，5V 电源给一些芯片供电，3.3V 电源给单片机供电。传感器模块的用法和工业上一样，采用直

20、流 24V 电源供电，其他模块因没有特殊要求，均采用一般常用的。下图 2-1 是系统整体的结构图。电源MCU传感器光耦隔离485通信按键、显示屏其他设备图 2-1 系统结构组成3 系统的整体设计该系统的电源模块先把交流 220V 电源转化成直流 24V 电源，直流 24V 电再转化成直流 5V 和两路直流 3.3V 电源。直流 24V 电源作为光耦隔离电路的辅助电源，直流 5V 电源给 MAX485 芯片供电，两路 3.3V 电源一路专门给单片机供电，一路给显示屏和其他外围电路供电。该系统选用增强型的 STM32F103 系列单片机作为核心控制器，采集各路经过处理的脉冲信号，并对采集的信号进行

21、运算，计算出各路纺纱机锭子的转速、产量等数据，后将其显示在一个小的 OLED 显示屏上。该系统设计了上下左右和确定五个按键，可以实现显示屏的翻页功能，轮流显示各路纺纱机锭子的转速和产量，并且可以对一些参数进行设置。该系统采用 RS485 通信方式实现采集系统与其他外部设备通信功能。选用MAX485 作为 RS-485 通信的低功耗收发器，把计算出的各路纺纱机锭子的转速、产量等数据传送给其他外部设备。外部设备接收到数据后可对纺纱机进行检测和管理。5基于细纱工序自主数据采集系统设计 该采集系统为解决 NPN 型传感器和 PNP 型传感器的复用问题，采用光耦隔离来对其中一种信号进行反向处理。本设计默

22、认使用的传感器是 NPN 型的，PNP 型传感器采集的信号在被单片机的 IO 口捕捉前先通过光耦隔离芯片对其进行反向降压处理，经处理后的脉冲信号和 NPN 型的传感器经光耦隔离降压后的脉冲信号一样，这样单片机的各 IO 口便可以同时稳定地捕捉两种传感器的脉冲信号，解决了两种传感器的复用问题。4 系统硬件电路设计4.1 电源电路设计电源电路应该说是任何一个电子类产品必备的模块，因为不同的电子产品需要不同电压，不同电流的供电需求。在本设计中也不例外，相比较一些小的电子产品而言，这次的供电需求模块有些不同。由于此设备是在工业中使用，所以主电源的来源是工频 50Hz 的单相交流 220V 电源。此系统

23、的电源模块主要有两个部分，一个是单相 AC-DC 转换电路，一个是DC-DC 降压电路。4.1.1 单相 AC-DC 转换电路现阶段，开关电源广泛用于各种电子产品，随着科学技术的不断发展，对开关电源的要求也越来越高。如今，各种高科技的产品都在向小型化，轻便化的方向发展，AC-DC 变换器作为开关电源变换器的一种，也需要向小体积、高精度的方向发展。在本设计中，由于考虑到我自己的设计能力达不到 AC-DC 转化电路的一些参数要求，所以采用现在技术比较成熟的广州高雅信息科技的HIECUBE 高能立方 HD0524P36SR 隔离电源模块来完成工频交流 220V 电源对直流 24V 电源的转化。HD

24、系列的产品是 HIECUBE 为客户提供的小型封装形式的高效绿色模块电源，该型号电源具有交直流两用、输入电压范围宽、 高可靠性、低功耗、安全隔离等优点。广泛适用于工控、电力仪器仪表和智能家居等对体积要求苛刻的6基于细纱工序自主数据采集系统设计 场合。本设计中用的 HD0524P36SR 隔离电源模块体积为 48*36*23mm，占用面积小；输入电压为 85365VAC；隔离电压 3000VDC；工作温度范围在-20+85；空载功率小于 0.1W；绝缘电阻输入对输出达 10G 欧姆；安全等级为 CLASS ；功率降额为 1.35%/，达到了欧洲能源标准，符合 RoHS 标准。这种隔离电源模块广泛

25、应用于无线网络、电信/数据通信、电力系统、工业控制系统、测量仪器仪表、汽车电子和智能化领域。下图 4-1 为 HD0524P36SR隔离电源模块。图 4-1 HD0524P36SR 隔离电源模块4.1.2 DC-DC 转换电路经 HD0524P36SR 隔离电源模块转换的直流 24V 电源要再经过降压处理给其他电路供电。本设计中用 LM2596 芯片实现 DC24V 向 DC5V 的转化，DC5V 在经过两个 AMS117 芯片稳出两路 DC3.3V 电源，一路专门给单片机供电，一路给显示屏和其他外围电路供电。LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，可以输出高达 3A 的驱动

26、电流，而且具有很好的线性和负载调节特性9。该芯片有两种版本，固定输出版和可调电压输出版，固定输出版本可以输出 3.3V、5V 和 12V 三个等级的电压，可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。该芯片内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接元7基于细纱工序自主数据采集系统设计 件，能够使用通用的规范电感，这使得 LM2596 的使用更加优化，极大地简化了开关电源电路的设计。本设计中使用的是 LM2596T5.0 固定输出 5V 芯片，直流 24V 电源经两个滤波电容处理后输入 LM2596 芯片

27、的输入端，输出端用电感、肖特基二极管、电解电容搭配组合稳定地输出 5V，具体原理图设计如图 4-2：图 4-2 直流 24V 转 5V 电路设计原理图经 LM2596T5.0 芯片转化的 5V 直流电源要再降压处理给单片机和其他外围电路供电。AMS1117 是一款正电压输出低压差三端线性稳压芯片，在输出 1A 电流时，输入输出的电压差典型值为 1.8V。此款芯片也有两个版本，一种是固定电压输出版，另一种是可调电压输出版，固定电压输出版本的输出电压有 1.8V、3.3V、5.0V 三种，可调电压输出版本能提供的输出可调电压范围为 1.8V5.5V。AMS1117 芯片内部集成热保护和限流电路，可

28、以确保芯片和电源系统的稳定性10。该器件广泛用于掌上电脑、笔记本电脑、电池充电器、电池供电系统等各类电子产品中。本次设计采用的是 AMS1117-3.3 固定输出 3.3V 版，用两片 AMS1117-3.3 芯片稳出两路直流 3.3V 电源，具体设计原理图如图 4-3。由于两路转 3.3V 电路原理一样，所以只介绍其中一路。图 4-3 中的电容 C1、C2、C3 都为输出滤波电容，作用是抑制自激振荡；电容 C4、C5 是输入电容，作用是防止断电后出现电压倒置，因此通常输入电容的容量比输出电容的容量大。另外，在外界环境电磁干扰较大的情况下，这些电容还可以起到抑制电磁干扰的作用。8基于细纱工序自

29、主数据采集系统设计 图 4-3 直流 5V 转 3.3V 电路设计原理图4.2 MCU 模块由于本设计要用到多个高速计数器/ 定时器，所以我们选用了 STM32F1023VET6 单片机， 此单片机是一款由意法半导体集团设计的STM32F103xx 增强型系列单片机，采用高性能的 ARMCortex-M3 32 位的 RISC 作内核，工作频率为 72MHz。该单片机内置高速存储器(高达 128K 字节的闪存和 20K 字节的 SRAM)，有丰富的增强 I/O 端口和联接到两条 APB 总线的外设。在本设计中主要用到了 STM32F103VET6 单片机的定时器和通用同步异步收发器（USART

30、）。该单片机包含了两个高级定时器、四个通用定时器、两个基本定时器以及两个看门狗定时器和一个系统嘀嗒定时器。在本设计中用到了 STM32F103VET6 的两个高级定时器（TIM1、TIM8）和三个通用定时器（TIM3、TIM4、TIM5），每个定时器的 4 个独立通道都用于脉冲波的输入捕获。五个定时器的 20 个通道分别占用一个 IO 口资源，互不影响。20 路传感器采集到的脉冲信号经光耦隔离处理后直接接入五个定时器个通道所对应的 IO 口，供单片机进行采集和运算处理。9基于细纱工序自主数据采集系统设计 4.3 按键、显示屏模块在本设计中，为了配合显示屏的翻页功能和设置一些通信参数，设计了五个

31、按键，分别定义为上、下、左、右和确定功能。每个按键都是采用简单的四角按键和 100nF 的电容并联方式，一边接地，一边接单片机的通用 IO 口。和四角按键并联的电容可以起到减少按键开关动作时发出的电磁干扰和消除按键的机械抖动作用。STM32 单片机的通用 IO 口作为输入时，可以配置为上下拉电阻，在此设计中配置为上拉，当按键没有按下时，各按键对应的 IO 口检测到的电平为高电平，当有按键按下时，由于一边接地，所以对应 IO 口的电平被拉低，电平发生了由高到低的变化，这样当单片机检测到各按键对应的 IO 口电平变成低电平时便可以做出相应的处理。具体设计原理图如:图 4-4：图 4-4 按键设计原

32、理图为了直观方便地显示各纺织机锭子的转速和产量等参数，本设计中采用了一款小型 ATK-0.96OLED 显示模块来显示数据。ATK-0.96OLED 显示模块是 ALIENTEK 推出的一款小尺寸(0.96 寸)、高亮、自带升压电路的高性能 OLED 显示模块，分辨率为 128*64。该模块采用原10基于细纱工序自主数据采集系统设计 装维信诺高亮 OLED 屏，采用 SSD1306 驱动 IC，该芯片内部集成 DC-DC 升压电路，仅需 3.3V 供电即可正常工作，无需用户再添加升压 DC-DC 电路。该模块提供纯蓝色和蓝黄双色两种颜色可选择，而且提供 8080 并口、6800 并口、四线 S

33、PI 和 IIC 四中接口方式。该模块默认的是 8080 并口模式，而在本设计中采用的也是这种接口模式。这种模式的读写速度比其他三种模式要快很多。在这种模式下需要 13 跟根信号线通信，这些信号线分别是 CS：OLED 片选信号、WR（RW）：向 OLED 写入数据、RD：从 OLED 读数据、D7:0：8 位双向数据线、RST（RES）：硬复位 OLED、 DC：命令/数据标志（0：读写命令；1：读写数据）。在本设计中，OLED 显示模块的 5 根控制信号线分别接入到了所对应的单片机的特殊功能 IO 口，其他的 8 根信号线接入到了单片机的通用 IO 口。该款 OLED 显示模块尺寸小巧，结

34、构紧凑，可以通过一个 2*8P 的 2.54mm间距的排针与外部设备连接，使用起来特别方便。下图 4-5 是该 OLED 显示模块外观图。图 4-5 ATK-0.96OLED 显示模块4.4 光耦隔离模块为了把传感器采集的脉冲信号稳定地接入单片机的 IO 口，而且不影响单片机安全稳定地运行，在本设计中采用了单通道的 PC817 光耦隔离芯片来隔离传感器的脉冲信号和 MCU。PC817 是日本夏普电子公司的一款电子元器件的光电耦合器，当在输入端加11基于细纱工序自主数据采集系统设计 电信号时，芯片内的发光二极管发出光线，照射到光敏三极管上，光敏三极管受到光线照射后导通，产生光电流从输出端输出，从

35、而完成了“电-光-电”的转换。PC817 光电耦合器价格便宜，安全稳定，应用广泛，常用于电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器（如风扇），加热器等电路之间的信号传输，使前端与负载端完全隔离，可以达到增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计的目的。任何一种单片机的 IO 口都有共同的 COM 端，即单片机的 GND，当 NPN 型的传感器和 PNP 型的传感器共同使用时，由于两种型号的传感器在工作时NPN 型的传感器有效输出为低电平，PNP 型的传感器有效输出为高电平，两种型号的传感器同时有效时会造成单片机不能正常工作，所以本设计要解决两种型号的传感器接口复用问题。在本设

36、计中，用 PC817 光耦隔离芯片配合 10K 的上拉电阻来解决两种型号的传感器接口复用问题，而且可以实现在不改变脉冲波频率的条件下脉冲信号幅值的降压处理。具体设计原理图如图 4-6：图 4-6 光耦隔离设计原理图在本设计中，默认处理的传感器信号为 NPN 型的。图 4-6 中的 H3 为一个 5 针的单排插针，当处理 NPN 型的传感器信号时，用跳帽把单排插针的 4 和 5 引脚连一起，2 和 3 引脚连一起，信号线接 3 引脚。当没有检测到机械转动信号时， 传感器输出的电平为高电平 24V，PC817 芯片中 1,2 引脚间没有电压差，片内二极管芯不导通，三极管也不导通，HS1 端输出的电

37、压为 3.3V 左右的高电平。当检测到机械转动信号时，传感器输出的电平为 0，芯片中 1，2 引脚有 23V 左右的电压差，片内二极管导通发光，三极管接收到光信号也导通，HS1 端输出电平为 0，这样原传感器输出的脉冲信号实现了频率不变，幅值降低处理，可以被单12基于细纱工序自主数据采集系统设计 片机的 IO 口采集；当处理 PNP 型的传感器信号时，用跳帽把单排插针的 3,4 引脚连一起，1,2 引脚连一起，信号线接 3 引脚。当没有检测到机械转动信号时， 传感器输出的电平为 0，PC817 芯片中 1,2 引脚间没有电压差，片内二极管不导通，三极管也不导通，HS1 端输出的电压为 3.3V

38、 左右的高电平。当检测到机械转动信号时，传感器输出的信号为 24V 高电平，芯片中 1，2 引脚有 23V 左右的电压差，片内二极管导通发光，三极管接收到光信号也导通，HS1 端输出电平为0，这样 PNP 型的传感器采集到的信号经过了一个反向，降压处理，而且频率没有发生变化。经过光耦隔离处理后，两种型号的传感器采集到的脉冲信号都变成低电平（0）有效，高电平（3.3V 左右）无效的脉冲波。这里说的有效和无效是指有没有检测到纺织机的机械转动信号。本设计中的用传感器采集的 20 路脉冲信号都是采用 PC817 光耦隔离模块来处理，经处理后的信号分别接入单片机对应的 IO 口，这里不再赘述其他路的分析

39、。4.5 RS485 通信模块STM32F103VET6 单片机内置了五个通用同步异步收发器（ USART1 、USART2、USART3、USART4 和 USART5）。这五个收发器提供异步通信、支持多处理器通信模式、IrDA SIR ENDEC 传输编解码、单线半双工通信模式和 LIN 主/从功能。在本设计中用 USART3 和 USART2 这两个同步异步收发器接口配合MAX485 接口芯片来实现单片机与 PC 上位机或其他外部设备的通信。RS485 总线构造简单、技术成熟、价格便宜、便于维护，广泛应用于工业现场中。它采用平衡发送和差分接收方式实现通信功能，发送端将串行口的 TTL 电

40、平信号转换成 “A”，“B”两路差分信号，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成 TTL 电平信号，这种通信方式共模抗干扰能力强，抗噪声干扰性好， 收发灵敏度高，可以检测到低至 200mV 的电压，所以传输信号在千米之外都可以恢复，具有很高的通信可靠性。RS485 总线最大的通信距离差不多可以达到1200m，最大传输速率可以达到 10Mb/s，但传输速率与传输距离成反比，在最大的通信距离下，传输速率会降到 100Kb/s，如果需传输更长的距离，需要加 48513基于细纱工序自主数据采集系统设计 中继器。此数据采集系统开发产品结构简单，空间占地面积小，安装位置没有固定要求，和主机进行通信的距离

41、可以根据需要来调整。RS485 半双工通信网络的电气接口有两种，一种是两线制接口，一种是四线制接口，四线制接口由于只能实现点对点的通信方式，基本上很少用，现在用的较多的是两线制接口。在本设计中采用的也是两线制接口，用常用的两线端子排做 A 端和 B 端两路信号线的接口，用低功耗的 MAX485 接口芯片做 RS485 通信的收发器。具体设计原理图如图 4-7：图 4-7 RS485 通信电路设计原理图MAX485 芯片结构简单，采用+5V 单一电源供电，额定电流为 300uA，内部有一个驱动器和。芯片的 RO 引脚和 DI 引脚分别为的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需要分别与单片机的

42、RXD 和 TXD 或单片机内部 USART的 RX 和 TX 接口相连即可；芯片的 RE 引脚和 DE 引脚分别为接收和发送的使能端，当 RE 为逻辑 0 时，器件处于接收状态，当 DE 为逻辑 1 时，器件处于发送状态。此设计中 MAX485 芯片工作在半双工状态，只需要用单片机的一个 IO 口控制RE 和 DE 这两个引脚即可；芯片的 A、B 引脚分别为接收的差分信号端和发送的差分信号端，当 A 引脚的电平高于 B 时，代表发送的数据为 1，当 A 的电平低于B 端时，代表发送的数据为 0。 在本设计中设计了两路 RS485 通信电路，两路 MAX485 芯片的 RO 端和 DI 端分别

43、与单片机内部的同步异步收发器 USART2 和 USART3 的 TX 和 RX 接口连接。用单片机的两个通用IO 口分别控制两路RS485 通信的收发。图4-7 中加在两MAX48514基于细纱工序自主数据采集系统设计 芯片 A，B 两端的电阻 R4 和 R5 叫做终端电阻，其阻值有特殊的要求，必须与电缆特性阻抗相匹配，一般为 120 欧，可以用来消除信号反射带来的信号失真问题。 4.6 传感器模块纺织行业中，为了方便检测纺织机的机械转动信号，通常采用接近开关传感器或光电开关传感器来做检测工具。这两种传感器外形种类多，结构简单，反应速度快，工作寿命长，而且对工作环境的要求低，即使在有水或油喷

44、溅的工作环境下也能稳定工作，因此被广泛用于日常生活如宾馆、饭店、车库自动门等和工业生产以及航空航天技术中。在本设计中没有为传感器设计供电电路，只是在硬件电路板上留出了传感器信号线的接口。由于本采集系统使用的传感器数量比较多，所以采用常用的端子排来做信号线接口，这种接口价格低廉，耐用性久，而且接线稳定。所用的传感器由外部直流 24V 电源供电，型号有 PNP 型和 NPN 型的，在使用时，根据具体的型号选择复用接口设计中跳帽的接法。5 系统软件设计5.1 数据采集程序设计在本设计中，设计了 20 路脉冲信号的采集，20 路脉冲波信号分别由STM32F103VET6 单片机的 TIM1、TIM3、

45、TIM4、TIM5、TIM8 这五个定时器中各独立通道对应的 IO 口来采集，每个定时器的四个独立通道都同时工作，共同完成 20 路传感器信号的采集。本设计采用 ARM 公司的 Keil uVision5 作编译环境，Kill 编译软件界面风格简约，操作方便，而且兼容多种类型的单片机，非常适合程序的编写和调试。为了验证设计思路的可行性，在程序设计中先设计 1 路脉冲信号的采集。在本设计中用的是 TIM5 定时器的一通道来实现输入捕获。首先，根据课题要求，即想要实现的功能，设计程序流程图，接着根据程序流程图编写具体的程序代码。15基于细纱工序自主数据采集系统设计 1 路脉冲信号采集的程序流程图如

46、图 5-11。开始在计数值装满前捕获到第二个下降沿否是记当前计数值T2计数溢出值加1计数差值=T2-T1捕获到第二个下降沿记当前计数值T2 否T2=T1是计数差值=（0XFFFF- (T1-T2)）计数差值=T2-T1图 5-1 1 路传感器脉冲信号采集流程图画好程序流程图后，开始对照着流程图编写程序，首先是程序的初始化，然后配置定时器五通道一的 IO 口程序，此程序中设置为捕获脉冲信号的下降沿。在主程序中设置计数频率，通过计算捕获前后两个下降沿的计数差值来运算脉冲信号的频率。纺织机转一圈，传感器输出一个脉冲信号，所以程序中运算出的脉冲波频率就是纺织机的转速，知道了转速用转速乘以一个系数后便可

47、以算出纺织机的产量。下面是捕获程序的主函数代码。extern u8TIM5CH1_CAPTURE_STA; extern volatile uint32_t Freq_InputCapture; int main(void)u32 temp=0;delay_init();NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); uart_init(115200);16根据计数差值和计数溢出值算脉冲频率根据计数差值算脉冲频率记当前计数值T1捕获到第一个下降沿配置定时器五通道一的捕获方式系统初始化基于细纱工序自主数据采集系统设计 TIM5_Cap_Init(0

48、XFFFF,72-1);while(1)if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F;temp*=65536; temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL;temp=1000/temp; printf(F:%d kHzrn,temp);TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;5.2 按键和屏幕显示程序设计在本设计中设计了五个按键来配合 OLED 显示屏的翻页显示功能，五个按键的一边接地，一边接单片机的 IO 口，这些 IO 口在程序中都配置上拉输入，当按键没有按下时，单片机检测到的对应的 IO 口电平为高电平，当

49、有按键按下时， 对应 IO 口电平被拉低，单片机检测到的是低电平，这样程序中可以做出相应的动作处理。显示屏在使用时首先要在程序中设置其工作模式，此设计中用 8080 并口模式，接着在程序中配置各控制引脚对应的 IO 口。显示屏的首页显示汉字，用到了汉字取模软件，把要显示的汉字转换成对应的代码添加到程序中。由于显示屏的尺寸较小，采集到的脉冲信号经运算处理后得到的对应纺织机的转速和产量数据要分页在显示屏上显示，显示程序中设定了五个按键按下的标志，程序在运行过程中有哪个按键按下，单片机检测到对应的标志就跳到该种情况下的显示程序中，显示屏显示对应的界面内容。具体的程序见论文后的附录。17基于细纱工序自

50、主数据采集系统设计 6 系统软硬件调试结果和分析6.1 系统硬件调试结果在完全了解了课题的要求后，自己开始慢慢搭建各模块电路。从 MCU 的选型，到电源模块的设计以及其他外围电路的设计，到 PNP 型传感器和 NPN 型传感器复用接口的设计，再到 485 通信模块的设计，都进行了理论和实际的验证。首先，自己对各个模块电路的设计先有了大致的思路，然后通过查阅资料验证了其可行性，接着在网上和一些书籍里找到了对应电路的设计，对比常用的经典电路和自己的设计要求，结合一些经典电路设计的长处，慢慢的自己用专门设计硬件电路的 AD 软件画出了各模块电路的原理图。然后，在原理图中开始给所需元器件添加对应的封装

51、，其中有些元器件是常用的，其封装也很常见，自带的AD 库里就有，有些元器件不是很常用，要自己画。在网上买到这些远元器件后， 根据元器件的数据手册画出对应的封装，接着开始设计 PCB 板，并发工厂加工。最后，根据整体硬件电路焊接元器件，制作实物。如图 6-1 为焊接的电路板实物图。图 6-1 电路板实物图在焊接好电源模块后，先给板子上电测试。结果交流 220V 转直流 24V 电源输出正常，直流 24V 转 5V 电源不正常，LM2596 输出不是 5V，而是 1.8V 左右。18基于细纱工序自主数据采集系统设计 前面 5V 电源没有稳定输出 5V，很明显后面的两路 3.3V 电源也不正常。经过

52、仔细检查电路模块的设计和元器件的焊接，发现在直流 24V 转 5V 电路中，把肖特基二极管的正负接反了，导致直流 24V 转 5V 电源没有稳定输出 5V。在重新换了肖特基二极管，按正确的接法焊接好后，经测试观察到：直流 24V 转 5V 电源输出正常，直流 5V 转两路 3.3V 电源输出正常，显示屏供电电压正常，MAX485芯片供电电压正常，其他外围电路的供电电压也都正常。接着，自己把单片机最小系统焊接好后，也做了测试，上电测试和程序下载测试结果显示：单片机可以下载程序，各引脚焊接也没问题，可以正常工作。然后就是各路脉冲信号接入单片机前的光耦隔离模块的焊接和测试。焊接好元器件后用编码器代替

53、传感器测试，经测试观察到：编码器输出的脉冲信号通过光耦隔离处理，配合设计中跳帽的接法可以实现 NPN 型编码器输出脉冲信号的降压处理和 PNP 型编码器输出脉冲信号的反向处理和降压处理。降压后的脉冲信号幅值在 3.3V 附近可以直接被单片机的 IO 口采集。下图是测试结果图。图 6-2 编码器输出脉冲波信号图图 6-3 经光耦隔离后输出的脉冲信号图19基于细纱工序自主数据采集系统设计 6.2 系统软件调试结果通过对硬件的焊接和调试，电路板各个模块都能正常工作，这样软件的平台已经搭好，可以编写程序来实现本设计的要求了。本设计中主要的要求有两个，一个是要实现单片机对 20 路脉冲信号的采集和运算处

54、理，一个是用显示屏显示运算后的数据，并且可用按键设置一些相关参数。首先是单片机对 20 路脉冲信号的采集。自己先有了设计思路，然后搭建了程序流程图，接着按流程图写出了对应的代码。经过几次编译和修改，最终确定了具体的程序算法，但是由于路数教多，程序设计起来比较复杂，所以只测试了1 路脉冲信号的采集程序。在调试过程中由于编码器在手动转动下输出的脉冲信号波形不稳，经光耦隔离处理后输出的脉冲信号波形也不稳，在很大程度上影响到了程序调试，所以用比较稳定的信号发生器输出的脉冲信号代替了原编码器经光耦隔离输出的脉冲信号。测试时给信号发生器设置了一个频率为 15KHz,幅值为 3V 的脉冲波，用串口调试助手观

55、察单片机采集到的脉冲波频率。下图 6-3 和6-4 分别是信号发生器产生的脉冲信号图和单片机采集到的脉冲信号频率显示图。图 6-3 信号发生器产生的脉冲波20基于细纱工序自主数据采集系统设计 图 6-4 单片机采集到的脉冲信号频率显示图此次测试使用的是 STM32F103VET6 单片机的TIM5 定时器的通道一对脉冲信号的采集，由上图 6-3 和 6-4 可见：程序的算法成功的采集到了脉冲信号的频率。本设计中采集传脉冲信号的目的是为了计算纺织厂中纺织机的转速和产量，以便于对这些数据监控和管理。传感器的作用是把纺织机的机械转动信号转换成一种电信号，纺织机转一圈，传感器对应的输出一个脉冲，所以脉冲信号的频率就代表纺织机的转速，因此程序中捕获的脉冲信号的频率就是纺织机的转速，知道了转速再乘以一个系数后，便可以计算出纺织机的产量。此次调试只是实现了1 路脉冲信号的采集，要想实现其他路传感器脉冲信号的共同采集和运算处理还需要进一步设计程序代码。其次是显示屏和按键程序的调试。由于自己设计的电路板中接显示屏的一些引脚和