便携式传感器巡检仪实习报告 常焰锋Word格式.docx
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2.2便携式巡检仪特点4
2.3巡检仪技术参数4
第三章总体设计6
3.1设计思路6
3.2系统总体构成6
3.3控制芯片的选择及最小系统7
3.3.1控制芯片STM32介绍7
3.3.2最小系统7
3.4设计模块介绍8
3.4.1模拟信号输入电路8
3.4.2电平转换电路9
3.4.3按键功能部分10
3.4.4IIC/EEPROM_AT24C0410
3.4.5诺基亚5110显示器14
3.4.6滤波电路17
第四章软件设计19
4.1程序模块介绍19
4.2部分模块功能介绍19
4.2.1主函数流程控制19
4.2.2读取EEPROM存储模块21
4.2.3菜单模块22
4.3设计采用数学方法23
4.3.1标度变换23
4.3.4滤波算法24
第五章实训总结25
5.1设计结果分析25
5.2设计心得体会25
附录26
第一章引言
1.1绪论
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,尤其是数据的实时性和正确性更是重中之重,比如在钢铁冶炼中对冷却水温度的实时控制,保证所生产出产品的质量,或保证使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量,因此可以说,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。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
而对传感器的检测也是一件很重要的工作。
1.2设计的目的及背景
随着传感器使用的重要性,对其实时好坏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,也就是通过巡检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,是一种专用巡检仪,而不是对所有的传感器都实用的通用巡检仪,通过巡检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,通过对巡检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。
1.3传感器性能指标
为了达到此次实训的目的,必须对传感器的一些基本参数、性能指标进行了解,才能设计出符合要求的产品。
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。
1.4检测内容
1.4.1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,巡检仪测量的量程范围,其下限范围在0-999℃,上限范围在0-999℃,下限要小于上限,巡检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。
1.4.2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,本次实训所设计的巡检仪的精度在±
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。
第二章便携式巡检仪
2.1巡检仪简介
本巡检仪是以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。
2.2便携式巡检仪特点
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。
2.3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.测量单位:
温度:
摄氏度;
压力:
MPa
5.工作温度范围:
-40~85℃
2.4巡检仪功能介绍
本巡检仪是基于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。
第三章总体设计
3.1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巡检仪,去检测现场温度或压力传感器采集回来的信息,进而通过巡检仪判断其好坏。
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。
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。
3.2系统总体构成
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3.1所示:
图3.1系统总体构成图
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,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。
3.3控制芯片的选择及最小系统
3.3.1控制芯片STM32介绍
控制器核心处理器选用嵌入式芯片STM32103ZET6,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。
3.3.2最小系统
本设计控制芯片的最小系统原理图如图3.2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3.2最小系统图
3.4设计模块介绍
利用STM32为主控制器,其中涉及到的电路包括:
模拟信号输入电路、JTAG下载电路、RS复位电路、MAX485接口电路、电平转换电路、滤波电路、AT24C04_EEPROM、诺基亚5110显示器,各个模块说明如下:
3.4.1模拟信号输入电路
温度、压力等模拟量需要通过相应传感器将这些模拟信号转换成电压或电流的模拟信号,即有的传感器输出信号为电流信号(通常为4-20mA),有的传感器输出信号为电压信号(通常为1-5V),而进入单片机的是电压信号,这就涉及到一个信号转换问题,把电流信号转换为电影信号,于是在设计模拟信号输入电路时考虑到这种情况,故设计为两种输入,即电流输入和电压输入。
经过模拟信号输入电路的转换最终转换为电压信号。
电路图如图3.3所示:
图3.3模拟信号输入电路
3.4.2电平转换电路
由于单片机供电压在3.3V,为了提供稳定的电压,一般的干电池都是1.5V,所以两节干电池的电压为3V,所以采用9V电池,经过两次电压转换最终得到3.3V电压,从而为整个电路提供稳定的电压,在电压转换电路中采用LM1117,它是一个低电压差动电压调节器系列,其压差在1.2V输出,负载电流为800mA时为1.2V。
通过2个外部电阻可实现1.25V-13.8V输出电压范围,另外还有五个固定电压输出(1.8、2.5、2.85、3.3和5V)的型号,本次采用LM1117-5.0和LM1117-3.3两个型号。
转换电路如图3.4所示:
图3.4电平转换电路
3.4.3按键功能部分
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,图3.5是按键电路图,通过对温度量程的选择、压力量程的选择,考虑到除了几种常用的量程范围,有的传感器的量程不在这几种常用的量程范围内,所以设计对量程的可变调节功能。
以保证可以用到各个量程范围,具有灵活的可变性。
图3.5按键电路
3.4.4IIC/EEPROM_AT24C04
1.IIC总线
它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
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。
主机向从机读取数据流程图如图3.6所示,进而控制对从设备的操作。
图3.6主机读取流程图
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。
2.AT24C04
它采用低功耗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2×
256×
8bit(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电路如图3.7所示:
图3.7AT24C04电路图
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EEPROM,故A0、A1、A2端接地,其地址码为000。
由于所使用的STM32开发板本身没有IIC总线通信接口,为了实现主控制器和EEPROM存储器进行通信,STM32单片机必须利用自身的两根I/O线(PC13和PC14)作为IIC的SDA和SCL信号线,利用软件模拟产生IIC通信协议规定的传输数据信号,以完成与24C04芯片之间的数据交换,实现主控制器通过对IIC总线的控制,实现对EEPROM的读写操作。
通过编写测试程序对实现了主控制器对EEPROM数据的读写。
3.4.5诺基亚5110显示器
诺基亚5110是84×
48点阵LCD,每行可以显示7个汉字,可以显示4行,与Nokia3110一样都是采用PHILIPSPCD8544驱动芯片,通过采用IO口模拟SPI串行通信协议与主处理器进行通信,通过把51单片机上5110驱动移植到STM32上,最终实现与主处理器通信。
引脚分配如图3.8所示:
图3.8LCD管脚分配图
部分引脚介绍:
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
当D/C(模式选择)置为低,即位变量dc=0,为发送指令模式,那么接下来发送的8位字节解释为命令字节,当D/C置为高,即位变量dc=1,为写入数据RAM模式,接下来的字节将存储到显示数据RAM。
注意:
(1)每一个数据字节存入之后,地址计数自动递增,在数据字节最后一位期间会读取D/C信号的电平。
(2)每一条指令可用任意次序发送到PCD8544驱动芯片上,指令集如图3.9所示,其符号说明如图3.10所示。
图3.9PCD8544指令集
图3.10符号说明表
第一条(绿色横线),功能设置指令:
首先,D/C为0,表示现在是指令模式,然后从图3.9看,若要“使用基本指令集”,则PD=0,V=0,H=0,那么相应地DB7-DB0分别为00100000b,即0x20。
也就是说,发送0x20就能设置液晶“使用基本指令集”。
同理,使用“使用扩展指令集”,指令值为0x21。
第二条(红色横线),显示控制:
显示模式有4种,分别是:
显示空白,普通模式,开所有显示段,反转映象模式。
这些模式分别使用DandE来组合控制。
这样,我们控制显示为“普通模式”,那么D要为1,E要为0,这时DB7-DB0分别为
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