便携式传感器巡检仪实训设计报告郭勇

1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2目录1.引言 .11.1 设计背景 .11.2 设计目的 .11.3 设计要求 .21.4 设计思路 .21.5 传感器的分类和性能指标 .21.6 检测范围与评价标准 .32. 巡检仪简介 .52.1 巡检仪的特点 .52.2 巡检仪技术参数 .53. 硬件电路设计 .63.1 整体设计框图 .63.2 控制芯片的选择及其最小系统 .73.3 电平转换电路 .73.4 模拟信号采样电路 .83.5 按键接口电路 .93.6 AT24C04 存储电路 .103.7 LCD 液晶显示电路 .113.8 JTAG 接口电路 .124 软件设计 .134.1 系统主程序流程图 .134.2 子程序设计框图 .144.2.1 系统初始化流程图： .144.2.2 键盘扫描程序设计 .154.2.3 AD 采集初始化子程序 .164.2.4 读/取 EEPROM 存储器子程序 .174.2.5 LCD 液晶屏驱动的移植 .194.2.6 温度/压力显示子函数 .205 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 .2511.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2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2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。31.5 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3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4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。 52. 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：420mA 电流信号、15V 电压信号3量程可调范围：下限：0999；上限：0999 注：上限值下限值4分辨率：1/40955工作温度范围：-408563. 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：S t m 3 2 微 控制器用户按 键模 拟信号 输入L C D 显示J T A G 下载 电路R S 4 8 5E E P R O M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 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