便携式传感器巡检仪实训设计报告郭勇

研究生实训设计报告 设计题目：便携式传感器巡检仪的设计 学 号： 201002399 姓 名：郭 勇 专业名称：控制工程 指导教师：赵建敏 2011年5月10日 目录 1. 引言 1 1.1设计背景 1 1.2设计目的 1 1.3设计要求 2 1.4设计思路 2 1.5传感器的分类和性能指标 2 1.6检测范围与评价标准 3 2. 巡检仪简介 5 2.1巡检仪的特点 5 2.2巡检仪技术参数 5 3. 硬件电路设计 6 3.1整体设计框图 6 3.2控制芯片的选择及其最小系统 7 3.3电平转换电路 7 3.4模拟信号采样电路 8 3.5按键接口电路 9 3.6 AT24C04存储电路 10 3.7 LCD液晶显示电路 11 3.8 JTAG 接 口电路 12 4软件设计 13 4.1系统主程序流程图 13 4.2子程序设计框图 14 4.2.1系统初始化流程图： 14 4.2.2键盘扫描程序设计 15 4.2.3 AD采集初始化子程序 16 4.2.4读/取EEPROM存储器子程序 17 4.2.5 LCD液晶屏驱动的移植 19 4.2.6温度/压力显不子函数 20 5总结 22 参考文献 23 附件一：实物运行图 24 附件二：硬件设计原理图 25 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、论文的写作。 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：4〜20mA电流信号、1〜5V电压信号 3. 量程可调范围：下限：0〜999；上限：0—999注：上限值＞下限值 4. 分辨率：1/4095 5. 工作温度范围：-40〜85°C 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 ±；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SPL 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 BOOT。、B00T1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。 xca.3|- i C9 ] CIO ] Cll ] C12 ] C13 | lul 0.1] 0.1，0.1，0.对 o. I” eQJ 寸 S9 o U Q O £ 8 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1.25-13.8V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10u