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1、毕业论文（设计）论文题目：二次仪表频率计设计学生：存永学 号：1008020205所在院系：电气信息工程学院专业名称：自动化届 次：2014 届指导教师：苗磊目 录前言21.总体方案设计21.1 系统方案实现框图21.2软硬件开发环境和工具32.硬件电路设计32.1 单片机模块设计42.2 信号输入电路62.3 人机界面设计73.系统软件设计93.1 系统软件实现框图93.2频率信号采集和测量程序设计103.3 人机界面程序设计134.系统测试154.1 软硬件调试154.2 调试总结175.总结17参考文献：18 / 二次仪表频率计设计学生：存永（指导老师：苗磊）（师学院电气信息工程学院）摘
2、要：本课题是基于stm32单片机设计的一个二次仪表频率计。通常，在工业生产中，各种现场信号如压力、温度、流量等都是通过相应压力变送器、温度变送器、流量变送器传送出来，即特定传感器把物理量变为对应的200-800HZ的频率信号。二次仪表频率计用来检测其对应频率，并将其转换为对应的实际物理量显示出来。关键字： stm32；二次仪表；频率计；传感器；实际物理量；频率信号Design Of Secondary Instrument Frequency MeterStudent: Fan Cunyong (Guidance Teacher: Miao Lei)（College of Electrical
3、 and Information Engineering ,Huainan Normal University)Abstract:This study designed a secondary instrument frequency meter based on the STM32 MCU (Micro Controller Unit).Generally, in the industrial production ,many spot signals like pressure and temperature and flux are send out by homologous pres
4、sure transmitter and temperature transmitter and flux transmitter respectively. All in all, the physical quantity is transfered by specific sensor into a frequency signal rated from 200HZ to 1000HZ.Secondary instrument frequency meter is used to detect the corresponding frequency and transfer it int
5、o corresponding physical quantity ,then display it.Keywords: stm32, secondary instrument, frequency meter, sensor, actual physical quantity, frequency signal前 言通常工业生产中，各种现场物理量如压力、温度、流量等都是通过相应压力变送器、温度变送器、流量变送器传送出来的。这些变送器是把物理量转变成对应的200Hz-800Hz的频率信号，为了准确读出这些物理量的值，就需要通过频率计准确无误的测量出变送频率并换算成实际的物理数值。无论是在科技研
6、究中还是在实际应用中，毫无疑问，频率测量的作用都显得尤为重要。但传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，不仅产品体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。与传统的测量方式相比，运用单片机频率计有着体积更小，运算速度更快，测量围更宽的优点，而且电路简单，开发周期和成本都降低。在传统的频率计中有许多功能是依靠硬件来实现的，而采用单片机测量频率之后，有许多以前需要用硬件才能实现的功能现在仅仅依靠软件编程就能实现，而且不同的软件编程能够实现不同的功能，因此使得制作成本大大降低。基于实际应用需求和当前技术发展，本文设计出以STM32单片机为测量和控制核心的频率计方案。该设
7、计能够检测出200Hz-800Hz的频率信号，并能根据现场需要换算成与一次仪表一样的物理数值，具有频率显示、按键设置、LED状态显示功能。1.总体方案设计1.1 系统方案实现框图本系统的方案框图如图1所示，包括信号输入端的滤波整形电路、STM32单片机部分和人机交互部分。图1 系统方案图为了去除包括工频干扰在的其他低频干扰，在信号输入端设计了高通滤波器，滤除200Hz以下的低频干扰。信号整形电路能将输入的三角波、正弦波、锯齿波整形为单片机可以识别的矩形波。STM32单片机通过输入捕获/比较功能捕获到脉冲信号，运算处理后得到脉冲频率，在LCD128128上显示。通过按键设置频率和温度、湿度等物理
8、量的关系，就能现场得到一次仪表一样的物理数值。此外，电源部分提供系统需要的5V和3.3V电压，下载接口用来下载程序和在线仿真，LED指示灯用来指示系统运行状态。1.2软硬件开发环境和工具设计工具分为：硬件设计工具、软件设计工具。硬件电路原理图和PCB的绘制使用的是Altium Designer winter 09；软件开发工具是KeilMDK V4.1。Altium Designer 是从Protel发展过来的，是将原理图编辑、电路仿真、PCB设计，FPGA设计以与打印等功能结合在一起的集成开发环境。Keil MDK，也称MDK-ARM，Realview MDK、I-MDK、uVision4等
9、。MDK-ARM软件为基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器设备提供了一个完整的开发环境。2.硬件电路设计硬件电路设计部分包括STM32单片机模块设计、信号输入电路设计和人机界面设计，如图2所示。图2硬件电路图2.1 单片机主板模块设计在考虑硬件资源、开发容易程度和成本之后，本设计选用意法半导体的STM32F103RCT6，STM32系列是专为高性能、低成本和低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cotex-M3核。STM32片上拥有ADC、DAC、TIM、FSMC、USART、DMA、USB、以太网等众多资源，而且自带底层库函数，极缩短了开发周期。2.1.1 STM3
10、2最小系统 本设计主要利用STM32的GPIO、USART、输入捕获和定时器功能，因此考虑功能和成本选用QFP64封装的STM32F103RCT6。STM32F103RCT6部具有256K FLASH和48K RAM，并且具有丰富的片上资源，包括IIC、SPI、UART、SDIO和三路ADC。单片机最小系统包括主控MCU、复位电路、时钟电路和程序下载仿真接口，该部分设计如图3所示。STM32F103RCT6采用3.3V供电，为了去除电源噪声干扰，在每个电源引脚接了去耦电容，并且将模拟地和数字地分开，在单点处用0欧电阻或电感连接。STM32有多个时钟可以选择，HIS振荡器时钟、HSE振荡器时钟和
11、PLL时钟可以用来驱动系统时钟，LSI 振荡器和LSE外部低速时钟可以用来驱动看门狗或RTC。由于没有使用RTC功能，本设计只接了8M外部高速时钟，并联20pf的电容帮助起振。图3 STM32主控电路图STM32的RST引脚是低电平复位，该部分由电容、电阻和按键构成上电复位和按键复位电路。如图3所示。2.1.2 电源部分本系统需要3.3V和5V两种电压供电。5V用来给单电源运放、电压比较器LM393供电，以与LCD12864液晶的背光供电。为了达到低功耗，STM32采用低电压3.3V供电。所以3.3V用来给单片机供电和LED供电。为了获得3.3V电压，需要对输入的5V直流电进行稳压，这里采用L
12、M1117-3.3V芯片。稳压电路如图4所示。LM1117是一个低压差电压调节器，具有较宽的电压输入和800mA的电流输出。另外，为了直观显示3.3V电压状态，本设计在输出端加了发光二极管指示灯，当有3.3V电压输出时，发光二极管点亮。图4 电源稳压电路2.1.3下载仿真电路STM32可以用串口下载，可以用JTAG和SWD方式进行仿真调试。JTAG是国际标准测试协议，主要用于芯片部测试。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。许多器件都用它来仿真调试，STM32当然也不例外。但是考虑到引脚使用和下载速度问题，本设计采用SWD模式。S
13、WD模式在高速模式下比JTAG更可靠，基本使用JTAG仿真模式的情况下都可以直接使用SWD模式的。当电路板子空间有限或者单片机引脚欠缺的情况下，SWD是最好的选择，这里只使用到SWDATA和SWCLK两个IO端口，加上电源和地即可进行下载和仿真。设计电路如图5所示。图5 SWD下载仿真电路2.2 信号输入电路为了获得单片机能够识别的脉冲信号，必须对输入的信号进行滤波整形。本设计在信号输入端加入高通滤波电路和信号整形电路。 2.2.1 高通滤波电路滤波电路选用二阶有源高通滤波器。有源滤波电路相对于无源滤波电路，具有较高的开环电压增益和输入阻抗、较低的输出阻抗和很好的自适应能力。 二阶滤波器相对于
14、一阶滤波器而言，具有更好的滤波效果。为了获得单片机能够识别的脉冲信号，必须对输入的信号进行滤波整形。本设计在信号输入端加入高通滤波电路和信号整形电路。本设计的二阶有源高通滤波器能滤除低于200Hz的低频干扰，滤除诸如50Hz的工频等干扰频率。滤波电路如图6所示。运算放大器选用LM358芯片。LM358可双电源也可单电源供电，具有宽电压、高增益、低功耗和部频率补偿等特点，完全满足设计要求。图6高通滤波电路2.2.2 信号波形整形高通滤波电路输出的是频率信号的正电压部分，为了获得单片机能够是别的脉冲信号就必须对其整形。整形电路可以选用施密特触发器或者比较器，当电压高于某一阈值事输出高电压，低于某一
15、阈值时输出低电压，从而将频率信号整形为脉冲信号。本设计选用LM393比较器，通过改变电位器的阻值调整比较器的正向端阈值电压，在反相端输入频率信号时，输出端获得输出脉冲。此外，为了防止电压过高烧坏单片机，在输出端加了一个3.3V的稳压二极管。电路如图7所示图7 比较整形电路2.3 人机界面设计为了给用户提供一个有好的人接界面，将测量结果直观的显示出来，并能通过按键设置一些参数，本系统设计了LCD1602液晶显示、按键操作和LED状态指示灯。2.3.1 LCD128x128液晶显示器人机界面的显示使用LCD128x128，可以显示128x128点阵单色或4灰度级的图片，可以显示英文、数字、符号或64个16x16的汉字。该液晶采用3.3V供电，采用6800总线驱动。由于不需要显示很多的汉字，本设计没有选用带有字库的液晶，而是使用软件生成需要的字库添加到代码里。LCD128128控制端口为数据命令选择端口（RS）、片选端口（CS）、读端口(RD)、写端口(WR)，以与八位数据端口（D0-D7）。2.3.2 按键和状态指示灯当采集到频率信号时，为了转换成一次仪表的物理量，需要用户手动输入物理量与频率之间的线性关系数据，所以加入按键功能。按键设计四个，分别定义为功能键、增大建、减小键和确认键。功能键用来切换主
