便携式传感器巡检仪的设计 乔坤.docx

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便携式传感器巡检仪的设计乔坤

便携式传感器巡检仪的设计

专业：

控制工程

班级：

研2010—10班

姓名：

乔坤

学号：

201002415

指导教师：

赵建敏

2011年5月15日

目　　录

第一章概要1

1.1便携式巡检仪设计背景及目的1

1.2工作原理1

1.3检测内容2

1.3.1检测条件和范围2

1.3.2检测评价标准2

1.4便携式巡检仪的参数和特点3

1.4.1技术参数3

1.4.2便携式巡检仪的特点3

第二章总体设计3

2.1设计思路4

2.2功能设计4

第三章硬件设计5

3.1STM32概述6

3.2设计原理6

3.3模块设计6

第四章程序设计11

4.1Keil概述11

4.2软件部分程序的设计12

4.3程序设计流程图12

4.4部分程序15

4.4.1STM32单片机的系统配置程序介绍15

4.4.2通道选择、转换显示函数介绍19

4.4.3温度转换显示函数介绍20

4.4.4压力转换显示函数介绍21

4.5设计采用的数学方法22

心理体会23

参考文献24

附图25

第一章概要

1.1便携式巡检仪设计背景及目的

随着传感器使用的重要性，对其好坏实时的检测也是一项十分重要的工作，通过对热力控制站的实地考察，其温度、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信息进行显示，但这也产生了一个问题，当显示器上出现某一通道的数据与此通道正常显示出现偏差时，即通过传感器采集回来的信息发生了异常，如何去判断发生故障的地方，即是传感器发生故障还是A/D转换时发生错误或者还是其他硬件发生故障等。

由于考虑到传感器使用数量之多，且都是采用多路采集，对其实时性要求比较高，随时保证传感器采集回来数据的正确性，以保证设备正常运行，对于传感器好坏的检测有时候也是只局限在传统意义上的检测，比如使用万用表对其电路进行检测，这不仅需要认真细心而且工作量也比较大，那么可以采用什么样的方法才能很方便的测试出传感器的好坏。

这也是本次实习的主要目的。

基于上述提出的问题，本次实习只针对传感器的检测为目的，也就是通过测试仪排除是不是传感器出现故障。

这就需要设计一个既方便又实用的检测仪器，且使用范围也是只针对热力控制站温度、压力传感器检测的场合下使用，比如只对一定检测量程范围内和一定温度条件下的某水温或压力而设计，是一种专用测试仪，而不是对所有的传感器都实用的通用测试仪，通过测试仪对传感器采集回来的信息经过A/D转换后在显示器上显示，根据显示的数据来判断传感器的好坏，最简单就是显示器没有读数，那么很轻松的判断是传感器出现故障，当显示数据在误差范围内表示传感器正常，反之，超过误差限时则认为传感器出现故障，当传感器正常时，可以排除是传感器故障，这就需要对其他电路进行检查，通过对测试仪的设计不仅在于了解现场控制的过程更在于在实践中锻炼动手能力和思维创新能力。

1.2工作原理

该设计所研究的便携式传感器检测仪是基于STM32芯片的检测显示系统，系统设计的接口接在传感器上。

如果在传感器接口处接上此接口检测信号量。

也就是传感器会产生对应的电物理量的输出，该电物理量通过测控电路的调理后会转换成相应电压或者电流，该电压经过模数转换后变成单片机能识别的数字量，输入单片机后经过一定数据处理、标度变换成相应的，将此温度和压力用LED显示，同时根据可以根据要测量的设备的温度和压力大小，可以调节测量量程，以此可以更加方便。

本设计的提出能够较好地解决以前量程大小在一定的范围内可以自行设置。

1.3检测内容

1.3.1检测条件和范围

温度、压力传感器由于其使用范围广、数量多，居各种传感器之首，一般温度传感器以使用热电阻和热电偶居多，通过对热力控制站供水回水的温度以及压力的各项参数和常用传感器的基本性能指标可以得知，目前常用传感器其标准输入为，电压信号：

1-5V，电流信号：

4-20mA，基于以上对传感器参数的了解，测试仪测量的范围除了在基本常用的温度量程在0-100℃、0-150℃、压力量程在0-1MPa、0-1.5MPa以外，还可以测量它们以外的其他量程范围，即量程可调，其量程下限范围在0-999℃，上限范围在0-999℃，下限要小于上限，测试仪检测的内容为一次供水回水温度压力、二次供水回水温度压力，传感器的量程范围不能超过上下限量程范围，超出这个范围的传感器将不能检测，测得的值也将是不正确的。

1.3.2检测评价标准

此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异常时，通过巡检仪对此路进行测试。

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，即传感器到底是好是坏，有时候凭长期的工作经验，在实际生产中根据某一设备在正常工作时的温度、压力作为评价传感器好坏的一个参照，即测得的数据在一定范围内时，则认为好，如果所测的数据与实际相比相差很大，超出或低于这个范围时，则认为传感器出现故障，本次实训所设计的测试仪的精度在±5℃，高于现场温度、压力传感器的精度，故理论上具有一定的可用性。

1.4便携式巡检仪的参数和特点

1.4.1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．测量单位：

温度：

℃；压力：

MPa

5．工作温度范围：

-40~85℃

1.4.2便携式巡检仪的特点

本次实训设计的便携式巡检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为主的温度、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，MAX485通信接口，方便与上位机进行通信，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。

第二章总体设计

本文中的巡检仪是以STM32F103RBT6单片机的ADC模数转换通道为主，通过温度、压力传感器将采集的模拟信号转换为电压值或电流值，采集并转换成单片机识别的数字信号，进而通过运算、标度变换等，利用LCD液晶屏显示出来。

同时该仪器还可以通过按键进行量程设置，可以进行温度压力测量的转换。

其硬件主要由STM32单片机、ADC模拟信号接口转换电路、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。

主要工作包括：

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。

2.1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，采用双通道对现场温度或压力进行采集，A/D采集采用软件滤波方法，也就是均值滤波，目的是减小误差，提高精度，经A/D转换后，通过DMA传送将转换数据暂存到数组AD_buffer[]中，最后通过软件的设计（标度变换、补偿算法），在LCD上分别显示通道一采集转换后电流信号和通道二采集回来转换后电压信号。

2.2功能设计

此巡检仪是基于STM32单片机最小应用系统为主以及四个控制选择按钮、LCD液晶显示、模拟输入信号采集、AT24C04的EEPROM存储芯片、MAX485通信芯片等实现的硬件电路。

使其通过相应的程序来实现温度或压力的采集、显示、量程设定选取、存储及通信处理的功能。

（1）通电以后，液晶屏幕显示“欢迎使用”界面，开始测量并转换ADC通道1（默认为通道1显示）采集来的12位二进制电压转换值，并把它通过十进制数显示出来，十进制数表示的转换范围为0~4095。

（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，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，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。

（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。

（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。

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。

（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。

在任一界面的操作过程中按下返回键即可返回其上一级菜单界面。

（6）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，可在下次开机使用时直接显示最近一次设定的量程范围值。

（7）用户可通过MAX485通信芯片将测得的测量值传送给上位机或其他设备。

第三章硬件设计

系统硬件设计总体上包括以下几个部分：

电源开关、工作指示灯、复位电路、滤波电路、模拟信号输入电路、电源转换电路、EEPROM、MAX485、LCD显示模块、程序下载模块、按键模块等几部分，最终实现对巡检仪设计的整体要求，达到此次实训的目的。

系统总体构成图如图1

系统以STM32为核心，显示器采用NOKIA5110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，最终转换为单片机识别的电压信号，输入到主控制器对其进行处理；EEPROM主要用于对数据进行存储或者由于某些传感器的量程不在所设定量程范围内，用于对其存储设定后的新量程，方便下次使用到此量程时直接使用，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。

如图1系统总体构成图

3.1STM32概述

基于STM32的高性能、低成本、低功耗并且采用ARMCortex-M3内核专门应用于嵌入式设计，按性能分为两个不同的系列：

STM32F103“增强型”和STM32F101“基本型”系列，增强型系列时钟频率达到72MHZ,是同类产品中性能最高的产品，基本型时钟频率为36MHZ,以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择，两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。

时钟频率72MHZ时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHZ。

本次设计采用增强型系列，其时钟频率可达到72MHZ，带有片内RAM和丰富的外设，比如双通道ADC、多功能定时器、通用输入输出端口、七通道的DMA、高速通信口（SPI、IIC、USART），Thumb-2®指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速；所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。

3.2设计原理

本实训的电路原理图见附图所示。

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。

3.3模块设计

①控制芯片的选择及其最小系统。

本设计采用意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机，基于ARM32位Cortex-M3控制器，72MHz工作频率，芯片为64脚，体积小，功耗低。

工作电压为+3.3V，128K的FLASH、20K的SRAM、2个SPI总线、2个I2C总线、3个串口、1个USB、1个CAN总线、2个12位ADC、RTC实时时钟、51个I/O口。

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

图2STM32单片机最小系统原理图

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。

②键盘接口电路。

本系统的功能键盘电路原理图如图3所示。

图3键盘接口电路原理图

本设计由四个功能键构成，分别设定其功能为确定键、返回键、增加或向上功能键、减少或向下功能键。

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，增加键或减少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。

键盘电路工作原理为按键不按下时单片机的PB5、PB6、PB7、PB8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。

③显示电路。

显示电路采用NOKIA5110型号的LCD液晶显示屏，其与单片机的接口电路原理图如图4所示。

图4LCD液晶屏也单片机的接口电路原理图

LPH7366是NOKIA公司生产的可用于其5110、6150、6100等系列移动电话的液晶显示模块，国内厂家也生产有类似的兼容产品。

该产品除应用于移动电话外，也可广泛应用于各类便携式设备的显示系统。

与其它类型的产品相比，该模块具有以下特点：

1）84*48的点阵LCD，可以显示4行汉字。

2）采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有8条。

支持多种串行通信协议（如AVR单片机的SPI、MCS51的串口模式0等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。

3）可通过导电胶连接模块与印制板，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。

4）LCD控制器/驱动器芯片已绑定到LCD晶片上，模块的体积很小。

5）采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200uA以下，且具有掉电模式。

LPH7366的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中。

④ADC采集转换电路。

AD采集接口转换电路如图5所示。

图5AD采集接口转换电路原理图

本设计选用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。

⑥MAX485通信接口电路。

MAX485通信接口电路原理图如图6所示。

MAX485是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器。

MAX485的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。

这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120μA至500μA之间。

所有器件都工作在5V单电源下。

驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态。

接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。

具有较高的抗干扰性能。

采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。

它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。

MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。

RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端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，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收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。

在与单片机连接时接线非常简单。

只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。

同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。

图6MAX485通信接口电路原理图

⑥EEPROM存储器模块电路。

EEPROM存储器模块电路原理图如图7所示。

EEPROM电可擦可编程只读存储器，一种掉电后数据不丢失的存储芯片。

AT24C04是一个4K位串行CMOSE2PROM，内部含有512个8位字节。

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。

数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。

主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多4个242C04器件连接到总线上。

I2C总线数据传送时，每成功地传送一个字节数据后，接收器都必须产生一个应答信号，应答的器件在第9个时钟周期时将SDA线拉低，表示其已收到一个8位数据。

AT24C04在接收到起始信号和从器件地址之后响应一个应答信号，如果器件已选择了写操作，则在每接收一个8位字节之后响应一个应答信号。

当AT24C04工作于读模式时，在发送一个8位数据后释放SDA线并监视一个应答信号，一旦接收到应答信号，AT24C04继续发送数据，如主器件没有发送应答信号，器件停止传送数据且等待一个停止信号。

图7EEPROM存储器模块电路原理图

第四章程序设计

4.1Keil概述

KeilIDE（μVision4）集成开环境是KeilSoftwareInc/KeilElektronikGmbH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具。

可以完成从工程建立和管理、编译、连接，目标代码的生成，软件仿真，硬件仿真等完整的开发流程。

尤其C语言的编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。

为了更好的编程和调试程序，我们一般在使用Keil的时候按以下流程来操作

1）建立工程

2）为工程选择目标器件。

例如选择ARM公司的STM32的STM32F103RBT6。

3）设置工程参数。

4）打开/建立程序文件。

5）编译和连接工程。

6）纠正程序中的书写和语法错误并重新连接。

7）对程序中某些纯软件的部分使用软件住址验证。

8）使用JTAG硬件仿真器对应用程序进行硬件仿真。

9）将生成的Hex文件烧写到ROM中运行测试

4.2软件部分程序的设计

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）主程序主程序包括读取EEPROM数据、欢迎界面的显示、键盘的循环扫描、ADC的采集检测与显示。

（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、量程的调整。

（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。

4.3程序设计流程图

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

驱动模块设计通过IO口模拟IIC总线时序，实现主控制器对EEPROM的控制，其中包括主机通过IIC对EEPROM写数据、主机通过IIC对EEPROM读数据两个过程，其读写流程图如图9所示：

图9IIC读写流程图

主机要向从设备写1个字节数据时，主机首先产生START信号，然后紧跟着发送一个从设备地址，这个地址有7位，紧接着的第八位是数据方向位（R/W），0表示主机发送数据，1表示主机接收数据，这时候等待从设备的应答信号，当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从设备的应答信号，当主机收到应答信号时，发送1个字节的数据，继续等待从设备的应答信号，当主机收到应答信号时，产生停止信号，结束传输过程。

主机要从从设备读1个字节数据时，主机首先产生START信号，然后紧跟着发送一个从设备地址，此时的第八位应该为0，这时候主机等待从设备应答信号，当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从设备的应答信号，当主机收到应答信号时，主机要改变通信模式，所以主机发送重新开始信号，然后紧跟着发送一个从设备地址，注意此时该地址的第八位为1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据，这时候主机等待从设备的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成时，主机发送非应答信号，表示不再接收数据，从设备进而产生停止信号，结束传送过程。

菜单共分为三个子模块：

温度测量模块、压力测量模块、量程设定模块等三个子模块，如图10所示：

图10子模块图

4.4部分程序

4.4.1STM32单片机的系统配置程序介绍

本设计的STM32单片机系统的资源配置用到了RCC、ADC、DMA、GPIO等，其相应的程序配置如下：

RCC时钟电路的配置函数如下所示：

voidRCC_Configuration（void）

{

/*RCCsystemreset（fordebugpurpose）*/

RCC_DeInit（）;

/*EnableHSE*/

RCC_HSEConfig（RCC_HSE_ON）;

/*WaittillHSEisready*/

HSEStartUpStatus=RCC_WaitForHSEStartUp（）;

if（HSEStartUpStatus==SUCCESS）

{

/*HCLK=SYSCLK*/

RCC_HCLKConfig（RCC_SYSCLK_Div1）;

/*PCLK2=HCLK*/

RCC_PCLK2Config（RCC_HCLK_Div1）;

/*PCLK1=HCLK/2*/

RCC_PCLK1Config（RCC_HCLK_Div2）;

/*Flash2waitstate*/

FLASH_SetLatency（FLASH_Latency_2）;

/*EnablePrefetchBuffer*/

FLASH_PrefetchBufferCmd（FLASH_PrefetchBuffer_Enable）;

/*PLLCLK=8MHz*9=72MHz*/

RCC_PLLCo