便攜式傳感器巡檢儀實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)報(bào)告--郭勇 精品.doc

設(shè)計(jì)題目：便攜式傳感器巡檢儀的設(shè)計(jì)1.引言1.1 設(shè)計(jì)背景隨著信息化時(shí)代的到來(lái),信息科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，傳感器作為信息技術(shù)的重要組成部分，其發(fā)展水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平，成為信息時(shí)代的焦點(diǎn)，各類傳感器已經(jīng)廣為應(yīng)用于生產(chǎn)生活的方方面面，傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，被認(rèn)為是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，也是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。傳感器的輸入通常是各種外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙、霧），輸出信號(hào)通常是電量。它便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等。電量有很多形式，如電壓、電流、電阻、電容等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用到各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，是設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。傳感器成為感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)，所以傳感器的作用與地位就特別的重要了。正是因?yàn)閭鞲衅鞯膽?yīng)用如此廣泛，所以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集傳感器檢測(cè)信號(hào)，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制過(guò)程有非常重要的意義。溫度和壓力是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量，它也是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍最重要的參數(shù)，溫度和壓力與控制十分重要。1.2 設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)的思想是自己上學(xué)期對(duì)熱力控制站的實(shí)地觀察以后提出。在熱力站里，溫度、壓力傳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溫的檢測(cè)和壓力的檢測(cè)，且數(shù)量居多，通過(guò)控制柜對(duì)各路傳感器采集回來(lái)的溫度、壓力值進(jìn)行顯示，但是有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些弊端，當(dāng)顯示器上出現(xiàn)某一通道的數(shù)據(jù)與此通道正常顯示出現(xiàn)較大偏差時(shí)，維修人員很難去判斷發(fā)生故障的地方，不知道是傳感器出現(xiàn)故障還是控制柜中的AD模塊出現(xiàn)了問(wèn)題，或者是其他硬件發(fā)生故障等。由于熱力站里的傳感器都安裝在高處或是條件較復(fù)雜的地方，對(duì)傳感器進(jìn)行檢查不太方便，所以設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式的傳感器巡檢儀設(shè)備是很有必要的。另外通過(guò)本次實(shí)訓(xùn)即可以鍛煉自己的動(dòng)手能力，還能夠?qū)⒆约核鶎W(xué)知識(shí)運(yùn)用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)之中。1.3 設(shè)計(jì)要求1）設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32單片機(jī)的手持儀器，包括CPU與顯示模塊、AD采集模塊。采集的模擬量中1路為4-20mA的電流信號(hào)、1路為1-5V的電壓信號(hào)，并在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留RS485接口電路。2）protel 99se完成硬件設(shè)計(jì)，以STM32為核心控制器完成電路的設(shè)計(jì)，包括CPU、顯示電路、AD采集電路、存儲(chǔ)電路等。3）完成PCB圖的布線及電路板的制作。整理電路元器件，完成電路板的焊接。4）軟件設(shè)計(jì)：編寫驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序， 調(diào)試電路，完成整體的設(shè)計(jì)要求。1.4 設(shè)計(jì)思路通過(guò)對(duì)所提出問(wèn)題的分析以及所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用場(chǎng)合、范圍和溫度壓力各項(xiàng)參數(shù)的考慮，本次實(shí)訓(xùn)是要設(shè)計(jì)一個(gè)操作方便、易于攜帶的溫度壓力測(cè)試儀，去檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度或壓力傳感器采集回來(lái)的信息，進(jìn)而通過(guò)測(cè)試儀判斷其好壞。通過(guò)對(duì)STM32的學(xué)習(xí)，了解到由于其具有豐富的外設(shè)和功能，所以本次設(shè)計(jì)主要以STM32為主控制器，采用雙通道對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)DMA通道把數(shù)據(jù)暫存到數(shù)組中，最后通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)（標(biāo)度變換、補(bǔ)償算法），把經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換后的溫度/壓力值顯示在LCD上。了解了需要實(shí)現(xiàn)的功能后，要做的工作主要包括：前期相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、畫電路原理圖、硬件的焊接、軟硬件的調(diào)試以及后期的總結(jié)工作、的寫作。1.5傳感器的分類和性能指標(biāo)為了使傳感器便于生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，人們開(kāi)始從不同的角度對(duì)傳感器進(jìn)行分類歸納：按傳感器的機(jī)理及轉(zhuǎn)換形式分類有結(jié)構(gòu)型、物性型、數(shù)字（頻率）型、量子型、信息型和智能型。按敏感材料分類有半導(dǎo)體型、功能陶瓷型、功能高聚物型等。按測(cè)量對(duì)象參數(shù)分類有光傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、磁傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、超聲波傳感器等。按應(yīng)用領(lǐng)域分類有機(jī)器人傳感器、醫(yī)用傳感器、環(huán)保傳感器、各種過(guò)和檢測(cè)傳感器等。一般來(lái)說(shuō)，前兩種分類方法便于傳感器的研究制造；后兩種分類方法有利于選擇用，不過(guò)任何一種分類方法都不是絕對(duì)的，都不同程度地帶有局限性、就觀性或隨意性。為方便選擇、應(yīng)用起見(jiàn)基本上按第三種方法進(jìn)行分類。電壓敏感元件在國(guó)外一般只作為一種非飽和性電阻或變阻器，而不把它當(dāng)作敏感元件或傳感器來(lái)看待?；緟?shù)指標(biāo)：1、量程指標(biāo)：量程范圍、過(guò)載能力2、靈敏度指標(biāo)：靈敏度、滿量程輸出、分辨力、輸入輸出阻抗等。3、精度指標(biāo)：精度誤差、重復(fù)性、線性、滯后、靈敏度誤差、閥值、穩(wěn)定性、漂移等。4、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：固有頻率、阻尼系數(shù)、頻率范圍、頻率特性等分辨力：傳感器在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)能夠檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量稱為分辨力。測(cè)量范圍和量程：在允許誤差限內(nèi)，被測(cè)量值得下限到上限之間的范圍稱為測(cè)量范圍。1.6檢測(cè)范圍與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)對(duì)主流傳感器性能和參數(shù)的了解，結(jié)合熱力站溫度、壓力傳感器使用情況，本設(shè)計(jì)中巡檢儀采用接入的信號(hào)為1-5V，4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。若用戶接入的傳感器不是這兩種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的輸出，測(cè)試結(jié)果將是不正確的。目前便攜式巡檢儀只是針對(duì)熱力控制站回水、供水管道上的溫度、壓力傳感器的測(cè)試，通過(guò)控制柜上顯示器顯示各路傳感器采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，控制溫度、壓力的大小，當(dāng)某一路的顯示出現(xiàn)明顯異常時(shí)，通過(guò)測(cè)試儀對(duì)此路進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)傳感器從現(xiàn)場(chǎng)采集回來(lái)的溫度和壓力數(shù)據(jù)，以及設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的參數(shù)作為對(duì)傳感器好壞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由于熱力的溫度和壓力值相對(duì)比較穩(wěn)定，當(dāng)測(cè)得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為傳感器沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，反之，認(rèn)為傳感器出現(xiàn)故障。 2. 巡檢儀簡(jiǎn)介2.1巡檢儀的特點(diǎn)本次實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)的便攜式測(cè)試儀最主要是具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、重量輕等特點(diǎn)，主要以檢測(cè)輸出電壓信號(hào)為1-5V、電流信號(hào)為4-20mA信號(hào)的溫度、壓力傳感器，由外接9V直流電源為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，外面還有一排接線，包括傳感器接線引腳，RS485通信接口，一個(gè)電源開(kāi)關(guān)以及四個(gè)功能按鍵，電源指示燈和功能指示燈等幾部分組成，顯示器采用諾基亞5110液晶顯示器。當(dāng)進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)時(shí)，操作人員只需拿在手上，接好與傳感器引腳的接線，根據(jù)菜單選項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)量程的設(shè)定后，顯示器上所顯示的數(shù)據(jù)與實(shí)際比較來(lái)判斷傳感器的好壞。2.2 巡檢儀技術(shù)參數(shù)本巡檢儀的相應(yīng)技術(shù)參數(shù)如下：1工作電壓：9V直流電源2采集信號(hào)范圍：420mA電流信號(hào)、15V電壓信號(hào)3量程可調(diào)范圍：下限：0999；上限：0999 注：上限值下限值4分辨率：1/40955工作溫度范圍：-4085 3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 整體設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)基于STM32F103RBT6單片機(jī)的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，通過(guò)溫度壓力傳感器轉(zhuǎn)換來(lái)的電壓值進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，進(jìn)而進(jìn)行運(yùn)算、標(biāo)度變換等，再利用LCD液晶屏顯示出來(lái)。并且可以通過(guò)按鍵進(jìn)行量程設(shè)置，溫度壓力測(cè)量的轉(zhuǎn)換。其硬件主要由STM32單片機(jī)的最小系統(tǒng)、ADC接口轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路、液晶顯示電路、MAX485通信轉(zhuǎn)換電路、EEPROM存儲(chǔ)器接口電路、下載電路以及電源電路等部分組成。系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖如圖1所示：圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)以STM32為核心，顯示器采用諾基亞5110顯示屏，所需要做的工作是把51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序移植到STM32上；四個(gè)功能按鍵實(shí)現(xiàn)不同的功能，即S1實(shí)現(xiàn)“確定”功能，S2實(shí)現(xiàn)“返回”功能，S3實(shí)現(xiàn)菜單“上翻”功能，S4實(shí)現(xiàn)菜單“下翻”功能；模擬信號(hào)輸入電路有兩個(gè)輸入端，模擬信號(hào)輸入端A1、模擬信號(hào)輸入端A2，對(duì)不同模擬信號(hào)的輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中電壓信號(hào)為1-5V，電流信號(hào)為4-20mA，將其轉(zhuǎn)換為0-3.3V的電壓信號(hào)輸入到主控制器對(duì)其進(jìn)行處理；EEPROM主要用于對(duì)用戶上次設(shè)置的量程進(jìn)行存儲(chǔ)，方便用戶下次使用時(shí)，若量程與上次一致，則不需要重新設(shè)置新的量程而可以直接使用，LCD顯示所設(shè)計(jì)的菜單和轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，下載電路實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的下載。硬件設(shè)計(jì)的原理圖見(jiàn)附錄二所示。3.2 控制芯片的選擇及其最小系統(tǒng)控制器核心處理器選用嵌入式芯片STM32F103 ZET6，STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。本設(shè)計(jì)控制芯片的最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。其最小工作系統(tǒng)由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)方式電路以及電源濾波電路構(gòu)成。時(shí)鐘電路選擇的是8MHz的晶振做外部起振電路，復(fù)位按鍵電阻電容組成復(fù)位電路，單片機(jī)的BOOT0、BOOT1引腳接選擇接地，即程序從用戶閃存存儲(chǔ)器模式開(kāi)始運(yùn)行，電源引腳接電容進(jìn)行濾波處理。圖2 最小系統(tǒng)及濾波電路3.3 電平轉(zhuǎn)換電路如圖 所示的電路，由于stm32的供電電壓為3.3V，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很少能找到合適的電源，所以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)中采用電池供電，其電壓為9V，在設(shè)計(jì)時(shí)，利用LM1117-5.0和LM1117-3.3兩塊電源轉(zhuǎn)換芯片將9V電壓轉(zhuǎn)換成3.3的穩(wěn)壓電源。另外電路中還包括濾波電路，電源指示燈，工作狀態(tài)指示燈及電源的接口電路。LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)為1.2V。它與國(guó)家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過(guò)2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.2513.8V輸出電壓范圍。另外還有5個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V 和 5V）的型號(hào)。LM1117提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在1%以內(nèi)。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封裝。輸出端需要一個(gè)至少10uF的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。圖3 電平轉(zhuǎn)換電路3.4 模擬信號(hào)采樣電路由于溫度、壓力傳感器的信號(hào)一般是4-20mA的電流值和1-5V的電壓值，所以在信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前需要將這兩種信號(hào)轉(zhuǎn)換成0-3.3V的電壓信號(hào)，于是在設(shè)計(jì)模擬信號(hào)輸入電路時(shí)分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)通道采集不同的模擬量，即分為電流輸入和電壓輸入兩個(gè)通道。經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)輸入電路的轉(zhuǎn)換后輸入為0-3.3V電壓信號(hào)。電路圖如圖3所示。選用2個(gè)ADC采集通道，A1為通道1，采集4-20mA的電流值，然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為D1輸出0.64-3.2V的電壓值，將其傳給單片機(jī)的PA0口。A2為通道2，采集1-5V的電壓值，然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為D2輸出0.6-3V的電壓值，將其傳給單片機(jī)的PA1口。圖3 模擬信號(hào)輸入電路3.5 按鍵接口電路本次設(shè)計(jì)共設(shè)有四個(gè)按鍵S1、S2、S3、S4，其中S1實(shí)現(xiàn)“確定”功能，S2實(shí)現(xiàn)“返回”功能，S3實(shí)現(xiàn)菜單“上翻”功能，S4實(shí)現(xiàn)菜單“下翻”功能，“確定”鍵用于選好目標(biāo)后確認(rèn)或進(jìn)入此功能界面，“返回”鍵用于返回上一級(jí)菜單或主菜單，“上翻”和“下翻”鍵用于菜單目錄上下的移動(dòng)選擇，或用于調(diào)整量程時(shí)數(shù)字的增加與減少。按鍵的一端與分別單片機(jī)的引腳相連，工作原理為按鍵不按下時(shí)單片機(jī)的PA2、PA3、PA4、PA5引腳接高電平，按鍵按下后單片機(jī)引腳讀入低電平，以此來(lái)檢測(cè)鍵盤電路按鍵的選取。圖4 按鍵接口電路3.6 AT24C04存儲(chǔ)電路AT24C04采用低功耗CMOS技術(shù)，可工作在電壓為2.5V的單電源供電條件下工作，它是由兩個(gè)256字節(jié)塊構(gòu)成的，也就是容量為22568bit（4kbit），完全可以滿足中小規(guī)模的應(yīng)用需要，它最顯著的特點(diǎn)是只占用CPU的兩根I/O線，就可以實(shí)現(xiàn)與CPU之間的數(shù)據(jù)交換，另外，串行EEPROM的體積小，價(jià)格低廉，二線電可擦編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM），為8腳雙列直插式塑料封裝主要用于存放設(shè)置好的量程，比如溫度、壓力量程，或者通過(guò)手動(dòng)設(shè)定的量程進(jìn)行存儲(chǔ)，方便在下次開(kāi)機(jī)時(shí)系統(tǒng)可以讀取上次退出時(shí)的狀態(tài)，省去重新設(shè)定的麻煩。AT24C04與單片機(jī)的接口電路如圖5所示：圖5 EEPROM存儲(chǔ)器電路原理圖引腳說(shuō)明：(1) SDA串行地址/數(shù)據(jù)輸入/輸出端這是一個(gè)雙向傳輸端，用于傳送地址和數(shù)據(jù)進(jìn)入器件或從器件發(fā)出數(shù)據(jù)，它是一個(gè)漏極開(kāi)路端，因此要求接一個(gè)上拉電阻到Vcc端。對(duì)于一般的數(shù)據(jù)傳輸，只有在SCL為低電平期間，SDA的電平才可以變化，在SCL為高電平期間SDA保持不變。(2) SCL串行時(shí)鐘端此輸入端用于同步傳輸進(jìn)入和發(fā)送器件的數(shù)據(jù)(3) WP端此端必須接到Vss或者Vcc如果此端接到Vss時(shí)，一般存儲(chǔ)器操作使能（讀/寫整個(gè)存儲(chǔ)器）如果此端接到Vcc，寫操作禁止，整個(gè)存儲(chǔ)器是寫保護(hù)的，讀操作不受到影響。當(dāng)WP被使能，也就是連接到Vcc，允許用戶可將24C04用作串行ROM(4) A0、A1、A2端用戶自定義地址碼，這是由用戶自己設(shè)置的，通常的做法就是由他們的組合電平?jīng)Q定的，也就是尋址碼，對(duì)于同一型號(hào)的IC只能最多掛8片同種類型的芯片，本次實(shí)習(xí)由于設(shè)計(jì)的電路只有一個(gè)AT24C04，故A0、A1、A2端接地，其地址碼為000。3.7 LCD液晶顯示電路本設(shè)計(jì)中才用的是液晶顯示屏型號(hào)為諾基亞5110。諾基亞5110是8448點(diǎn)陣LCD，每行可以顯示7個(gè)漢字，可以顯示4行，購(gòu)買此液晶屏?xí)r已經(jīng)帶有51單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)例程，我們只需將51單片機(jī)上驅(qū)動(dòng)移植到STM32上，從而實(shí)現(xiàn)與主處理器通信。5110一共有8個(gè)引腳，其中有5個(gè)引腳與單片的I/O相連，如圖6所示：圖6 LCD管腳分配圖圖中引腳分別是：SDIN:串行數(shù)據(jù)輸入端SCLK:串行時(shí)鐘輸入端D/C:數(shù)據(jù)/命令SCE:芯片使能RST:復(fù)位輸入端3.8 JTAG接口電路JTAG也是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持JTAG協(xié)議,如DSP、FPGA、單片機(jī)器件等。JTAG 主要應(yīng)用于：電路的邊界掃描測(cè)試和可編程芯片的在線。本系統(tǒng)的JTAG調(diào)試單元電路如圖8所示。圖8 JTAG接口電路相關(guān)JTAG引腳的定義為：1 ,VTref 目標(biāo)板參考電壓，接電源2，VCC接電源3，nTRST 測(cè)試系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)4,6,8,10,12,14,16,18,20， GND 接地5，TDI測(cè)試數(shù)據(jù)串行輸入7，TMS 測(cè)試模式選擇9，TCK 測(cè)試時(shí)鐘11，RTCK 測(cè)試時(shí)鐘返回信號(hào)未連接13，TDO 測(cè)試數(shù)據(jù)串行輸出15，nRESET 目標(biāo)系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)17,19 NC 未連接4 軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)主程序流程圖程序采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，其軟件的可靠性較好，可維護(hù)性強(qiáng)。其主要程序模塊有： (1)主程序：主程序包括歡迎界面的顯示、讀取EEPROM數(shù)據(jù)、鍵盤的循環(huán)掃描、ADC的采集檢測(cè)與LCD顯示。 (2)菜單(設(shè)置)程序：菜單程序完成通道的選取、溫度壓力測(cè)量的選擇、量程的設(shè)置。 (3)鍵盤掃描子程序：判斷鍵盤按鍵的選取、去除抖動(dòng)干擾、按下相應(yīng)按鍵的結(jié)果處理程序。 (4)EEPROM存儲(chǔ)程序：量程設(shè)定后相應(yīng)量程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)程序與讀取子程序。本設(shè)計(jì)的軟件部分主函數(shù)程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖8所示。圖8 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)流程圖當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，首先對(duì)時(shí)鐘、I/O、IIC、ADC以及DMA等硬件進(jìn)行初始化，然后緊接初始化LCD顯示器，主控制器讀取EEPROM中上一次測(cè)量存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并顯示歡迎界面。緊接著進(jìn)入按鍵掃描程序，并在主函數(shù)中判斷是否需要調(diào)用相應(yīng)溫度、壓力的顯示子函數(shù)。4.2 子程序設(shè)計(jì)框圖4.2.1 系統(tǒng)初始化流程圖：圖9 系統(tǒng)初始化流程圖系統(tǒng)一上電，則會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，在系統(tǒng)時(shí)鐘初始化中，會(huì)將系統(tǒng)主時(shí)鐘SYSCLK設(shè)置為72MHz，將APB1時(shí)鐘頻率設(shè)置為36MHz，APB2時(shí)鐘頻率設(shè)置為72MHz。并且啟動(dòng)將用到的外設(shè)資源的時(shí)鐘，比如定時(shí)器，串口等等。STM32內(nèi)部有2個(gè)ADC，每個(gè)ADC是12 位的逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18 個(gè)通道，可測(cè)16 個(gè)外部和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)。ADC的結(jié)果可由轉(zhuǎn)換完成中斷處理或由DMA存儲(chǔ)，通道的轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結(jié)果以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。通道采樣時(shí)間可編程，總轉(zhuǎn)化時(shí)間可縮減到1us，此外，多種轉(zhuǎn)換模式供選擇，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸。直接存儲(chǔ)器存取用來(lái)提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)須CPU 任何干預(yù)，通過(guò)DMA 數(shù)據(jù)可以快速地移動(dòng)，這就節(jié)CPU 的資源來(lái)做其他操作。直接存儲(chǔ)器存取用來(lái)提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)須CPU 任何干預(yù)，通過(guò)DMA 數(shù)據(jù)可以快速地移動(dòng)，這就節(jié)CPU 的資源來(lái)做其他操作。LCD初始化包括對(duì)相應(yīng)引腳的輸入輸出配置，并對(duì)LCD做一此清屏處理。4.2.2 鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)為了給用戶和現(xiàn)場(chǎng)檢修人員創(chuàng)造一個(gè)良好的人機(jī)交互環(huán)境，在用戶或檢查人員進(jìn)行通道選擇，溫度或壓力測(cè)量，量程的設(shè)置時(shí)都采用菜單顯示的方式，共分為：溫度/壓力測(cè)量子菜單、溫度/壓力量程設(shè)定子菜單、量程設(shè)定、顯示溫度/壓力值子菜單，菜單以之間用狀態(tài)切換的形式實(shí)現(xiàn)。如圖9所示：圖10 子菜單狀態(tài)切換圖在系統(tǒng)初始化完成以后，進(jìn)入按鍵掃描子函數(shù)，判斷四個(gè)功能按鍵是否被按下，從而執(zhí)行相應(yīng)用的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的切換，再通過(guò)相應(yīng)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度或壓力的選擇、量程設(shè)定、顯示等功能，具體的操作實(shí)現(xiàn)流程步驟如下。（1）通電以后，液晶屏幕顯示“歡迎使用”界面，延時(shí)3秒進(jìn)入通道選擇界面。（2）按確定鍵進(jìn)入采集通道選取菜單，兩個(gè)選項(xiàng)分別為通道1和通道2，通道1采集的是4-20mA的電流信號(hào)，通道2采集的是1-5V的電壓信號(hào)。每一個(gè)通道后面顯示的是當(dāng)前各個(gè)通道的AD測(cè)量值（以十進(jìn)制數(shù)顯示），選好通道后就進(jìn)入了相應(yīng)的測(cè)量采集通道。兩個(gè)通道分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同的信號(hào)， （3）按確定鍵進(jìn)入主菜單，其中有三個(gè)選項(xiàng)分別為：溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、量程設(shè)置。按上、下功能鍵對(duì)相應(yīng)選項(xiàng)進(jìn)行選擇，選擇好相應(yīng)的選項(xiàng)后按確定鍵進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子菜單。（4）選擇溫度測(cè)量功能，進(jìn)入測(cè)量溫度的界面，顯示當(dāng)前設(shè)置的量程范圍以及在當(dāng)前量程范圍內(nèi)測(cè)得的溫度值大小。選擇壓力測(cè)量功能，進(jìn)入測(cè)量壓力的界面，顯示當(dāng)前設(shè)置的量程范圍以及當(dāng)前量程范圍內(nèi)測(cè)得的壓力值大小。當(dāng)前測(cè)量范圍是用戶上次測(cè)量是的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在EEPROM中，若用戶上電之后并沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)量程的設(shè)置，此時(shí)的量程默認(rèn)為用戶上次使用時(shí)設(shè)置好的量程。選擇量程設(shè)置功能后進(jìn)入量程設(shè)置界面，可以對(duì)溫度量程和壓力量程兩個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行選擇，重新設(shè)置量程。每次設(shè)定好的溫度以及壓力的量程范圍值將存入EEPROM存儲(chǔ)器，若用戶這次使用與上次量程完全一樣，則不需要重新設(shè)定新的量程上、下限。（5）按確定鍵進(jìn)入溫度量程設(shè)定界面，通過(guò)上下功能鍵以及確定鍵可先進(jìn)行溫度的下限值設(shè)定，然后設(shè)定溫度的上限值，然后按確定鍵開(kāi)始測(cè)量當(dāng)前溫度值。同理可以設(shè)定壓力量程。（6）在量程設(shè)定完成并顯示當(dāng)前測(cè)量結(jié)果以后，用戶可以按一次“返回鍵”返回到選擇溫度/壓力測(cè)量的界面，更改操作，若用戶第二次按下“返回鍵”，即可進(jìn)行通道的重新選擇。4.2.3 AD采集初始化子程序在系統(tǒng)ADC模塊的初始化過(guò)程中將AD采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣，轉(zhuǎn)換模式設(shè)置為輪流轉(zhuǎn)化，通道個(gè)數(shù)為2，并且啟用AD的DMA通道。在AD初始化程序中，還要配置DMA通道，將其設(shè)置為數(shù)據(jù)大小為2，外設(shè)地址遞減，內(nèi)存地址不變。如圖11所示:圖11 ADC初始化子程序4.2.4 讀/取EEPROM存儲(chǔ)器子程序1、I2C總線協(xié)議I2C總線作為用于連接微控制器及其外圍設(shè)備的一種總線，由于其簡(jiǎn)單性和有效性，占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本，它是由串行數(shù)據(jù)地址線SDA和串行時(shí)鐘線SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其協(xié)議規(guī)定，只有在總線空閑時(shí)才允許啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送、在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，當(dāng)時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定狀態(tài)，不允許有跳變，時(shí)鐘線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被看做總線的開(kāi)始信號(hào)或停止信號(hào)。通過(guò)主控制器發(fā)出的控制信號(hào)分別為地址碼和控制量?jī)刹糠郑骺刂破魍ㄟ^(guò)IIC總線對(duì)EEPROM進(jìn)行讀寫操作,其特點(diǎn)如下：(1)只要求兩條總線線路 一條串行數(shù)據(jù)線SDA ，一條串行時(shí)鐘線SCL，且都為雙向。 (2) 每個(gè)連接到總線的器件都可以通過(guò)唯一的地址和一直存在的簡(jiǎn)單的主機(jī)/從設(shè)備關(guān)系軟件設(shè)定地址；主機(jī)可以作為主發(fā)送器或主機(jī)接收器 (3)它是一個(gè)真正的多主機(jī)總線，如果兩個(gè)或更多主機(jī)同時(shí)初始化數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)沖突檢測(cè)和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞 (4)串行的 8 位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá) 100kbit/s 快速模式下可達(dá) 400kbit/s 高速模式下可達(dá).4Mbit/s (5)片上的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)線上的毛刺波保證數(shù)據(jù)完整(6)連接到相同總線的IC數(shù)量只受到總線的最大電容400pF 限制2、IIC協(xié)議總線信號(hào)時(shí)序如下：（1）數(shù)據(jù)的有效性：SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在 SCL線的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變。（2）起始和停止條件：當(dāng)SCL線是高電平時(shí)，SDA線從高電平向低電平切換，這個(gè)情況表示起始條件。當(dāng)SCL線是高電平時(shí)，SDA線由低電平向高電平切換表示停止條件。 （3）總線空閑狀態(tài)：SDA和SCL兩條信號(hào)線都處于高電平，即總線上所有的器件都釋放總線，兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高； （4）地址格式：主機(jī)產(chǎn)生起始條件后，發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)為尋址字節(jié)，該字節(jié)的頭7位為從設(shè)備地址，最后位決定了報(bào)文的方向，0表示主機(jī)寫信息到從設(shè)備，1表示主機(jī)讀從設(shè)備的信息，當(dāng)發(fā)送了一個(gè)地址后，系統(tǒng)中的每個(gè)器件都將頭7位與它自己的地址比較，如果一樣，器件會(huì)應(yīng)答主機(jī)的尋址，至于是從設(shè)備接收器還是從設(shè)備發(fā)送器由R/W位決定。主機(jī)產(chǎn)生起始信號(hào)后的第一個(gè)尋址字節(jié)格式如圖12所示：圖12 尋址字節(jié)格式AT24C04支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，I2C總線協(xié)議規(guī)定，任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。本設(shè)計(jì)中量程的最大值為999，超過(guò)了一個(gè)字節(jié)，程序中數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié)的空間，故需要將所要存入的數(shù)據(jù)分字節(jié)進(jìn)行存取，程序設(shè)計(jì)時(shí)每一次上電或系統(tǒng)復(fù)位都會(huì)首先讀取上次斷電時(shí)EEPROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)值，其流程圖如圖13所示，同理在用戶設(shè)置每一次設(shè)定好量程以后，都會(huì)將上限、下限值存入到EEPROM中。其流程圖如圖14所示。讀數(shù)據(jù)子函數(shù)讀溫度/壓力下限值的高字節(jié)延時(shí)50ms讀溫度/壓力下限值的低字節(jié)延時(shí)50ms高低字節(jié)合并讀溫度/壓力上限值的高字節(jié)延時(shí)50ms讀溫度/壓力上限值的低字節(jié)延時(shí)50ms高低字節(jié)合并結(jié)束圖13 讀EEPROM存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)子程序存數(shù)據(jù)子函數(shù)高低字節(jié)分離延時(shí)50ms存溫度/壓力下限值低字節(jié)延時(shí)50ms存溫度/壓力下限值低字高低字節(jié)分離延