完整版基于Stm32控制器的LVDT位移测量系统设计终稿用于合并.docx
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完整版基于Stm32控制器的LVDT位移测量系统设计终稿用于合并
课程设计报告
题目:
基于STM32的LVDT位移丈量系统设计
姓
名:
余樾
班
级:
09011301
学
号:
2013302132
西北工业大学自动化学院
基于STM32的LVDT位移丈量系统设计任务书
1.设计目的与要求
设计一个基于STM32控制器的LVDT数字丈量系统设计,要求仔细并正确地理解有关要求,按组完成系统设计,详细设计要求以下:
(1)对流体传动管道中的压力进行,测温范围及精度:
38mm,0.5%。
(2)LVDT信号的调制与解调,丈量数据储存功能,掉电不扔掉;
(3)4位八段码及时数据显示;
(4)经过RS232通信接口与上位机进行数据通信;
(5)功能按键、指示灯和蜂鸣器报警。
2.设计内容
(1)查阅资料,熟习设计内容;
(2)依据设计要求选择传感器,确立系统方案和主控芯片;
(3)依据系统方案分别设计单元电路;确立元器件及元件参数;
(4)画出电路原理图,正确使用逻辑关系。
3.编写设计报告
写出设计的全过程,附上有关资料和图纸,并写出心得领会。
1.
前言
......................................................................................................................
1
2.
设计方案...................................................................................................................
2
2.1.
任务解析........................................................................................................
2
2.2.
设计思路........................................................................................................
2
3.
详细设计...................................................................................................................
3
3.1.
主控制器模块................................................................................................
3
3.1.1.微办理器电路.....................................................................................
3
3.1.2.电源模块.............................................................................................
5
3.1.3.JTAG/SWD电路.................................................................................
5
3.2.LVDT传感器的丈量原理与电路设计.........................................................
6
3.2.1.LVDT传感器的丈量原理..................................................................
6
3.2.2.LVDT传感器电路的设计..................................................................
6
3.3.
显示模块........................................................................................................
9
3.4.
串口通信模块..............................................................................................
10
3.5.
储存模块......................................................................................................
10
4.
总结与领会(不宜过长)...................................................................................
11
附录1MAX7219........................................................................................................
14
附录2I2C总线...........................................................................................................
16
基于STM32的LVDT位移丈量系统设计
大纲:
LVDT可以用来丈量物体的伸长度、震动频率、振幅、物体厚薄程
度和膨胀度等精确数据。
详细还可以用在机床工具和液压缸的定位,以及辊缝
和阀门的控制等。
LVDT还有无摩擦丈量、无穷的机械寿命、坚固耐用、环境
合用性等长处,这使它应用范围也特别广泛。
本文将基于ARMCortex-M内核的32位微控制器,即STM32设计一款的
LVDT位移丈量器,以期可以实现LVDT的位移丈量。
工作简单流程即经过
LVDT传感器获取电压信号,进行信号的简单调理并送入STM32芯片进行处
理。
STM32主控电路将获取到的数据实现及时的显示储存并传输给PC端进行
后续的办理。
本文将简单介绍设计思路与设计方案,而且详细介绍该硬件主控制器设计,LVDT数据获取,数据显示,串口通信,储存等功能模块。
要点词:
STM32;LVDT传感器;译码显示;E2ROM
1.前言
跟着科学技术的发展,测试工作量的不停加大,测试任务也愈来愈复杂,对丈量的正确度要求愈来愈高。
多年来,我国精美丈量技术和仪器经历了好多改革,从最早广泛应用的机械仪表,到以后发展的光学、电学仪表,以及采纳微办理器做成的智能仪表从静态测试到动向测试以及由计算机数字控制的多参数自动
测试。
因而可知,新的测试技术老是跟着电子技术的飞速发展以及计算机科学技术的应用不停地更新换代。
位移传感器已经浸透到我们的生活之中。
位移传感器的种类众多,用途也各不相同,精度、量程更是千差万别。
为位移传感器分类不是一件简单的事。
常有的有电容式、电感式、还有精度较高的光纤式、激光
式位移传感器。
跟着科技的发展,位移传感器家族必然会增添新的成员。
此刻较
为常用的是电容电感式位移传感器,因为它们丈量精度较高,价格也廉价于光
纤、激光式传感器。
在多数场合可以胜任。
电感式传感器也有不一样的总类,如单
螺线管式、缝隙式、差动变压式等等。
此中精度最好的是差动变压式位移传感
器,它的工作原理简单,靠谱性高,特别是丈量精度较高,所以在工业生产中被广泛的应用。
在信息收集系统中,传感器平常处于系统前端,即检测和控制系统之首,它供应给系统办理和决策所必要的原始信息,所以,传感器的精度对整个系统是至关
1
重要的。
在位移、速度及加快度的丈量中,常常使用差动变压器式传感器,原由是其敏捷度高、线性好且有配套集成电路,月贻精美长度丈量仪是一种利用线圈自感也许互感的变化来实现丈量的装置,拥有敏捷度及分辨力高、线性度好、工作靠谱、寿命长、易于实现监控等长处,广泛应用于工业、农业、医疗、军事等好多领域。
跟着时代科技的迅猛发展,微电子学和计算机等现代电子技术的成
就给传统的电子丈量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。
惯例的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所代替,使得传统的电子丈量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化,并相应的出现了各种各
样的智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程的自动化程度得以明显提升。
差动变压器式位移传感器广泛应用于工业现场的领域测试,如过程检验、自动控制和形变丈量等。
该设计题目主要实现位移丈量功能,拥有必定的设计研究意义,除了丈量位移自己外,其余的好多物理量也可以经过转变成位移来丈量,丈量精度也相对原始的方法较高。
STM32系列芯片STM32F103,STM32F103是基于ARMCortex-M3内
核的32位嵌入式微办理器,它拥有优异的内核性能,丰富的外面接口和低功
耗。
该设计系统采纳STM32单片机作为中心控制器件,实现磁棒的小距离位
移的精确丈量。
本设计第一采纳AD598元件供应用来驱动LVDT的激励电压,
磁芯挪动,差动变压器的两个副线圈输出电压信号经过解调、滤波、放大后输
出到A/D变换器,A/D变换结果送入单片机进行数据办理、储存,最后将结果
经过四位七段数码管显示并传递至PC端。
整个系统结构合理,设计简洁,性
能稳固,拥有较强的抗搅乱能力。
2.设计方案
2.1.任务解析
此次设计,将使用STM32F103芯片获取LVDT传感器的数据,并进行简
单的办理,最后将数据传往PC端。
详细可分为以下几个任务:
实现LVDT数据的获取
对LVDT数据进行办理并显示将数据及时传输至PC端
完成数据的及时储存,掉电不扔掉
2.2.设计思路
针对以上任务,本次设计以嵌入式模块STM32F103为中心,、经过八段数码管及时显示LVDT传感器的信息,方便用户观察,并可以经过串口将主要信息传递到PC端以进行后续的办理。
别的,为了防范掉电数据扔掉的状况发生,
2
加入E2ROM储存器件以进行及时的数据收集与储存。
整体框架结构如图
1所
示。
LVDT信号
调制
数码管显示
信号调理储存模块
STM32F103PC
调试接口串口
备用开关/LED信
电源模块
号灯
图1
主控模块:
主控模块以STM32F103作为系统的主控制器,其最小系统电路包括电源电路,复位电路,时钟电路,这些均为芯片运转所必要的外接电路模块。
LVDT模块:
LVDT模块功能是获取外界位移物理量而且将其转变位电压信号传递至主芯片的AD变换通道,办理器将获取的到的电压信号依据建立好的
数学模型进行逆解获取位移信息。
显示模块:
显示模块功能是将获取到的位移信息经过4位八段译码器显示
出来,实现位移变量的及时监测。
通信模块:
通信模块将单片机与PC互联,实现单片机与PC端的信息交互。
将LVDT传感器获取到的数据传递至PC可以实现信息的互联,为后续开发留下接口。
储存模块:
储存模块的功能是将获取到的进行数据储存并保护,防范单片机工作过程中出现不测状况而扔掉数据。
3.详细设计
3.1.主控制器模块
3.1.1.微办理器电路[1]
如错误!
未找到引用源。
为STM32电路设计图。
3
图2
STM32F103RBT6主要技术指标以下:
最高频率72MHz,
128KB的FLASH,20KB的通用SRAM
时钟,复位和电源管理;电压范围,可外接3~25M晶振,自带内部
RC,用于RTC的32KHz晶振
低功耗管理:
有睡眠、停机和待机模式,忽然掉电时可用电池为RTC和备用寄
存器供电
2个12位1μsA/D,
2个12位D/A
12通道DMA控制器,支持TINIER,ADC,DAC,I2
,,
2
C
SSPII
和USART
多达10个带有引脚重映照功能的准时器:
4个16位通用准时器,1
个16位马
达专用PWM准时器,2个看门狗准时器,1个24位系统嘀嗒倒计数准时器,
2个用于DAC的16位基础准时器
2
14个带有引脚重映照功能的通信接口:
2个IC接口,3个USART,
网MAC
可以看出,STM32F103RBT6是一款拥有极其丰富的片内外设,在本设计
4
中将使用其自带的AD变换器进行信号的电压变换。
3.1.2.电源模块
系统采纳锂电池供电,平常的锂电池电压输出为3.7V,而系统正常工作需
要5V和3.3V电压,此中STM32需要3.3V电压进行供电,液晶显示的LCD电路以及蓝牙通信模块需要5V电压供电。
所以,设计中采纳两级变压方式,第一级将3.7V电压升至5V,第二级将5V电压降至3.3V对控制器供电。
采纳自举电路可以将电源输出的电压升至5V,同时,对应于锂电池使用过程中的电压降落,自举电路也可以大体稳固输出电压不变,所以可以使用简单的自举电路完成升压过程。
错误!
未找到引用源。
是将SV电压变换成3.3V的电路,在此采纳LM1117-33芯片。
它是一个低压差电压调理器系列,供应了电流限制和热保护,吻合本系
统的要求。
图3
3.1.3.JTAG/SWD电路
JTAG(JointTestActionGroup)是一种国际标准测试协议,主要用于芯片内部测试及系统进行仿真、调试。
在STM32F103RBT6办理器中,利用JTAG可以直接控制芯片的内部总线以及I/O口,经过JTAG接口,可对芯片内部的所有零件进行接见,是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。
在设计中,
关于nTRST,TDI,TMS,TDO端口,分别用lOK的上拉电阻上拉至3.3V。
电路设计如错误!
未找到引用源。
所示。
图4
5
3.2.LVDT传感器的丈量原理与电路设计
3.2.1.LVDT传感器的丈量原理
差动变压器(LVDT)的原理比较简单。
它就是在一个线圈骨架
(1)上平均绕制一个一次线圈
(2)作励磁。
再在双侧绕制两个二次线圈(3与4),与线圈同轴搁置一个铁芯(5),经过测杆(6)与可挪动的物体连接。
线圈外侧还有一个磁罩(7)作障蔽,如图5所示。
图5图6
在未引入铁芯从前,一次线圈通入交流电流后产生一个左右对称的沿轴向分布的交变磁场。
交变磁场在两个对称搁置的二次线圈上产生的感觉电动势自然相等,引入铁芯后,铁芯在一次交变磁场的激励下,产生沿铁芯中心轴(自然也是线圈的中心轴)分布并与铁芯对称的交变磁场。
这样,线圈中心轴上的磁感觉强度就成为铁芯地点的轴向分布函数,于是两个二次线圈的感觉电动势Es1与Es2也成了铁芯地点的函数。
假如设计适合,二者可成为线性函数关系。
将两个二次线圈差接后,即可获取与铁芯位移成线性关系的二次输
出:
Es=Es1-Es2。
这就是LVDT的简单工作原理(如图6示)。
3.2.2.LVDT传感器电路的设计
LVDT是一种机电换能器,它的输入为磁芯机械位移,而输出为一对与磁芯位移成比率的AC电压信号,而我们所需要的是DC电压信号,所以还要用到AD598信号调理器来调制信号,以下图是AD598的功能图:
图7
AD598为LVDT供应激励电源,检测LVDT次级绕组的输出电压,并供应
6
一个与可动磁性地点成比率的DC输出电压。
AD598由正弦波振荡器(OSC)、用来驱动LVDT初级绕组的功率放大器(AMP)、用来确立LVDT两个次级绕组输出电压之差与和的比率关系的解调器、滤波器(FILTER)和输出放大器(AMP)构成。
因为设计要求为位移量程为38mm,精度0.5%,经过比较选择Schaevitz
HR1000型LVDT()。
以下图是AD598采纳15双电源时与
SchaevitzHR1000型LVDT的连接图:
图8
确立LVDT位移丈量子系统所要求的带宽fSUBSYSTEM小于10HZ,取f=10HZ;
选择LVDT激励频率约为2.5KHZ;
选择工作范围在2.5KHZ的LVDT,实例中选择的SchaevitzHR1000型LVDT
工作在400HZ~5KHZ,所以吻合要求;
,
确立LVDT次级绕组电压VA和
V
B之和。
依据生产商的数据手册
V
PRI
B,丈量的两个之和
A
B
=3Vrms
调理磁芯到中间地点,此时有VA
=V
。
V
+V
确立LVDT的最正确激励电压VEXC,关于AD598的最大线性度和最小噪声
敏感系数来说,AD598输入信号VSEC的范围为
,所以选择
VSEC=3Vrms。
所以LVDT的激励电压为:
VEXC=VSEC*VTR
VTR为LVDT的电压变换率:
VSEC为用典型驱动电平VPRI驱动LVDT,而且磁芯到期满刻度时,次级绕组输出信号到最大时的输出电压。
关于输入电压为V时,依据以下图来确立激励信号幅值的电阻R1=6KΩ;
7
图9激励电压VEXC与R1的关系图选择确立激励频率的电容C1:
=
C2、C3、C4是AD598构成的位移丈量子系统带宽的函数,它们的取值应当相等:
C2=C3=C4==;
为了计算AD598增益和满刻度输出范围调理电阻R2,,需要认识以下几点信息:
LVDT的敏捷度;
满刻度可动磁芯位移d=1inch;
生产商介绍的初级驱动电平VPRI和VA+VB的值;
关于满刻度的d的位移来说,AD598的输出电压按下式来计算:
Vout丈量要相对与信号Pin17进行,如连接图,又由AD598手册,Vout=22V。
求出Ω。
针对上例,Vout与d的关系以下所示:
8
Vout(V)
+11
d(inch)
-1+1
-11
图10
3.3.显示模块
系统采纳的芯片为MAX7219。
MAX7219是一个高性能的多位LED显示驱动器,可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED。
MAX7219采纳串行接口方式,只需LOAD、DIN、CLK三个管脚即可实现数据传递。
DIN管脚上的16位串行数据包不受LOAD状态的影响,在每个CLK的上涨沿被移入到内部
16位移位寄存器中。
[2]
MAX7219的串行数据标志为D15~D0,此中低8位表示显示数据自己,最高
的4位D15~D12未使用,寻址内部寄存器的地址位占用D11~D8,选择14个内部
寄存器。
[3]
MAX7219内部拥有14个可寻址数字和控制寄存器。
此中的8个数字寄存
器由一个片内8×8双端口SRAM实现。
详细电路如图11所示:
图11
9
3.4.串口通信模块
位移丈量系统需要与PC端进行通信[4]。
在这里我们采纳MAXRS232作为
串口。
因为RS232信号的电平易单片机串口信号的电平不一致,一定进行二
者之间的电平变换。
MAX232由单调的+5V电源供电,只需配5个高精度10
UF/50V的钽电容即可完成电平变换,变换后的串行信号TXD,RXD直接
与上位机的串口连接采纳电平变换芯片MAX232实现TTL逻辑电平易RS232
电平间的互相变换,变换以后的串行信号TXDRXD直接与PC机的串口连接
MAXRS232的接口电路设计图如图12所示[5]
图12
3.5.储存模块
在设计中,为了防范掉电数据扔掉的状况发生,需要这样一种储存器,它既能写入数据,又能在掉电状况下将数据保存下来,经过查阅资料,我们选择了E2PROM,也就是可用电信号擦除的可编程ROM。
这是一种可擦除的可编程ROM(PROM),此中储存的数据可以擦除重写,因此在LVDT位移丈量系统设计中它便成为一种比较理想的器件。
24C02是一个2K串行CMOSE2PROM,内部含有256个8位字节,该器件通
过I2C总线接功能列表。
I2C总线是两线式串行总线,是供应集成电路之间同步通信的一种特别形式,经过串行数据(SDA)线和串行时钟(SCL)线在连接
到总线的器件间传达信息,是一个双向的两线连续总线,暨I2C总线,I2C总
线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线,可发送和接收数据。
在单片
机与被控IC之间,最高传递速率100kbps。
关于I2C总线的描述见附录2。
管脚名称功能
A0﹑A1﹑A2这三个引脚用于多个器件同时使用时设置划分器件地址,当这些引脚
悬空时默认0。
在同一总线中最多可同时使用8个24C02器件。
假如总
线只有一个24C02器件被寻址,这三个地址可悬或接地。
SDA双向串行数据/地址管脚,用于器件所有数据的发送或接收,SDA是
一个开漏输出管脚。
10
SCL
WP
串行时钟。
串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟,这是一个输入管脚。
写保护引脚。
当WP引脚连接到VCC时芯片里面的内容为只读内容而不可以进行写操作。
而当WP引脚连
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