【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓力的數(shù)據(jù)量很大，要求系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)大量壓力數(shù)據(jù)，并在現(xiàn)場(chǎng)有需要時(shí)提供給工作人員相應(yīng)數(shù)量的壓力數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)分析。電源轉(zhuǎn)換功能紅外接收功能LED點(diǎn)陣顯示功能驅(qū)動(dòng)電機(jī)功能 系統(tǒng)組成及功能描述 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件組成共包括兩大部分，分別為發(fā)送端的：主控模塊（單片機(jī)最小系統(tǒng)及其外圍電路），車輛信息傳輸模塊（串口通信），電源監(jiān)視模塊，紅外發(fā)送模塊，以及接收端的：主控模塊（單片機(jī)最小系統(tǒng)及其外圍電路），紅外接收模塊，電源轉(zhuǎn)換模塊， LED點(diǎn)陣顯示模塊及驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊。系統(tǒng)軟件組成包括溫度補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)程序及各個(gè)功能模塊程序設(shè)計(jì)，其中功能模塊程序包括五個(gè)部分，分別為單片機(jī)初始化及控制程序，壓力測(cè)量及A/D轉(zhuǎn)換程序，溫度測(cè)量程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸程序，LED顯示控制程序。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示。圖21 系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)功能描述本設(shè)計(jì)的核心為實(shí)現(xiàn)以某一特定的采樣頻率采集當(dāng)前的壓力值，并根據(jù)補(bǔ)償算法在主控芯片中完成運(yùn)算得到溫度補(bǔ)償之后的壓力值。整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：第一，采集到的壓力值可以通過(guò)LED顯示出來(lái)，當(dāng)壓力值超過(guò)某一上限時(shí)會(huì)發(fā)生閃爍，用于監(jiān)測(cè)員的實(shí)時(shí)監(jiān)控；第二，采集到的壓力值存入外擴(kuò)存儲(chǔ)器中以備查看分析，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送命令時(shí)，單片機(jī)可以根據(jù)命令從存儲(chǔ)器中取出相應(yīng)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。除上位機(jī)外供電裝置采用+/12V及+5V穩(wěn)壓直流電源，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換將+5V轉(zhuǎn)換為+3V，上位機(jī)采用220V交流電供電。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，在開(kāi)始工作時(shí)可以根據(jù)井下或其他工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)信號(hào)頻率選擇適合的采樣頻率。上位機(jī)與主控模塊的數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)。采樣頻率可以人工設(shè)定。為克服采樣頻率不準(zhǔn)確的問(wèn)題，系統(tǒng)采用定時(shí)器方式嚴(yán)格設(shè)定采樣間隔，即使在大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以連續(xù)采樣。每隔一定的時(shí)間間隔，存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)會(huì)全部傳給上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。 系統(tǒng)工作過(guò)程將工作電源開(kāi)啟后，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位并進(jìn)入等待狀態(tài)，操作人員根據(jù)井下或其它工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)信號(hào)選擇適合的采樣頻率，用上位機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，主控模塊開(kāi)始以此頻率采集壓力值。與此同時(shí)主控模塊也以相同的頻率采集當(dāng)前溫度值，在經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后，壓力值會(huì)顯示在LED上，以供監(jiān)測(cè)人員監(jiān)控。如果此值超過(guò)或低于某一事先規(guī)定的一個(gè)范圍，那么LED將會(huì)出現(xiàn)閃爍，報(bào)告壓力出現(xiàn)異常，需要工作人員及時(shí)處理。正常情況下，壓力值在一定時(shí)間段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)某種特定的變化趨勢(shì)，所以工作人員也可以利用這種方法對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)判斷壓力值是否正常。這一過(guò)程可以在系統(tǒng)正常工作后實(shí)現(xiàn)。工作人員用上位機(jī)將需要的數(shù)據(jù)量發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)命令傳送，傳送過(guò)程不會(huì)中斷采集過(guò)程，即不影響采樣間隔。每隔一定時(shí)間段存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)傳給上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)芯片中存儲(chǔ)位置重新定位到起始。注意：不要?jiǎng)h掉每章最后一行，保留回車符，因?yàn)榛剀嚪笥蟹止?jié)符天津大學(xué)本科畢業(yè)論文 第三章 硬件設(shè)計(jì)第三章 硬件設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件共分為六個(gè)部分：壓力傳感器電路，溫度傳感器電路，數(shù)據(jù)傳輸電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，LED顯示電路，單片機(jī)及其外圍電路。其方框圖如圖31所示：圖31 硬件總體方框圖其中主控模塊為單片機(jī)，每個(gè)子模塊都與單片機(jī)有相應(yīng)接口相連。壓力采集電路（A/D，放大器，單臂電橋）和溫度采集電路（18B20）將采集到的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)進(jìn)行處理，在顯示模塊（HD7279，LED）進(jìn)行顯示，存儲(chǔ)電路（IS2LV10246）及數(shù)據(jù)傳輸電路也在單片機(jī)的控制下通過(guò)MAX232進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。 單片機(jī)選型及外圍電路 單片機(jī)比較本系統(tǒng)主控模塊采用8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低廉在一些較簡(jiǎn)單的控制器中應(yīng)用很廣。即使到了本世紀(jì)，在單片機(jī)應(yīng)用中，仍占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。8位單片機(jī)種類繁多，每個(gè)系列都有自己的特點(diǎn)。51系列MOTOROLA系列PIC系列MSP430系列MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司(TI)近幾年開(kāi)發(fā)的新一代單片機(jī)，該系列是一款16位、具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗的全新概念混合型單片機(jī)。在眾多單片機(jī)系列中，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段，已成為一顆耀眼的新星。 單片機(jī)電路系統(tǒng)的控制模塊為單片機(jī)及其外圍電路，主要實(shí)現(xiàn)發(fā)送端的控制即車輛信息傳輸模塊（串口通信），電源監(jiān)視模塊，紅外發(fā)送模塊傳輸，以及實(shí)現(xiàn)接收端的控制即：紅外接收模塊，電源轉(zhuǎn)換模塊，LED點(diǎn)陣顯示模塊及驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊。單片機(jī)與各個(gè)模塊的連接方法在下面各節(jié)中詳細(xì)介紹，這里不再贅述，其電路如圖32所示。圖32 單片機(jī)模塊振蕩電路單片機(jī)工作時(shí)鐘由外部晶振提供，在XT2IN和XT2OUT兩管腳接8MHz的晶振。另外兩管腳各接一個(gè)15pF電容進(jìn)行濾波。電路如圖33所示：圖33 振蕩電路濾波電路整個(gè)工作系統(tǒng)中電源+/12V及5V由直流電源供給，并且包含濾波功能。3V通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片AS1117獲得，其輸入為5V，輸出為3V，電源轉(zhuǎn)換電路連接如圖34所示：圖35 濾波電路單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具JTAG口線定義JTAG口線用于和PC機(jī)相連，增加了jtag接口,能實(shí)現(xiàn)在線下載,在線調(diào)試功能,從而使整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單、可靠。其連接方法如圖36所示：圖36 JTAG連接圖看門狗電路看門狗定時(shí)器是一個(gè)計(jì)數(shù)器，基本功能是在發(fā)生軟件問(wèn)題和程序跑飛后使系統(tǒng)重新啟動(dòng)?？撮T狗計(jì)數(shù)器正常工作時(shí)自動(dòng)計(jì)數(shù)，程序流程定期將其復(fù)位清零，如果系統(tǒng)在某處卡死或跑飛，該定時(shí)器將溢出，并將進(jìn)入中斷。在定時(shí)器中斷中執(zhí)行一些復(fù)位操作，使系統(tǒng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，即在程序沒(méi)有正常運(yùn)行期間，如期復(fù)位。由于單片機(jī)的抗干擾能力有限，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表中，常會(huì)由于電壓不穩(wěn)、電弧干擾等造成死機(jī)。甚至?xí)斐上到y(tǒng)遭受干擾而無(wú)法重啟。為了保證系統(tǒng)在干擾后能自動(dòng)恢復(fù)正常，看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer)的利用是很有價(jià)值的。 本系統(tǒng)所選用的MSP430系列是具有內(nèi)部WDT的，理論上如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。但在實(shí)際使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)看門狗的作用并非萬(wàn)無(wú)一失。因此，可以選用外部的看門狗復(fù)位。采用片外看門狗專用芯片TPS3823由獨(dú)立的分頻振蕩電路提供計(jì)數(shù)脈沖。其連接方法如圖36所示： 發(fā)送部分電路 串口信息傳輸功能電路功能實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)車位信息的管理，使單片機(jī)的串口和PC機(jī)相連，將車位信息錄入到手持遙控器中。器件選型單片機(jī)串口需要通過(guò)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊與PC機(jī)進(jìn)行通信，也就是要加電平轉(zhuǎn)換電路,把ttl電平轉(zhuǎn)化為rs232電平, 可選的有SP3223，MAX3223，在本設(shè)計(jì)中選用的是SP3223芯片。電路結(jié)構(gòu)\ 電源監(jiān)視功能電路功能實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)車位信息的管理，使單片機(jī)的串口和PC機(jī)相連，將車位信息錄入到手持遙控器中。器件選型單片機(jī)串口需要通過(guò)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊與PC機(jī)進(jìn)行通信，也就是要加電平轉(zhuǎn)換電路,把ttl電平轉(zhuǎn)化為rs232電平, 可選的有SP3223，MAX3223，在本設(shè)計(jì)中選用的是SP3223芯片。電路結(jié)構(gòu) 紅外發(fā)送功能小四號(hào)字。中文字體為宋體，西文字體為Times New Roman。發(fā)射電路如圖 $所示 ， 圖中 LD2為發(fā)光二極管，波長(zhǎng)為940nm，發(fā)光管是硬件中的關(guān)鍵器件，對(duì)它的選擇尤為重要 ，常見(jiàn)發(fā)光管有兩種封裝形式：扁平封裝和圓形封裝，圓形封裝的發(fā)光管通信視角小， 距離遠(yuǎn)； 扁平封裝的發(fā)光管通信視角大， 但發(fā)射距離較近 。本設(shè)計(jì)可選用圓形封裝, 可方便車主遠(yuǎn)距離操作，遙控車位鎖。是 NPN型三極管，起放大作用，為發(fā)光管提供較大工作電流，設(shè)計(jì)電流為100mA/左右，C12為普通電容，它用來(lái)增大發(fā)光管峰值電流， 可有效改善發(fā)射距離 。傳輸協(xié)議紅外線數(shù)據(jù)通信不同于電視遙控方式，電視遙控每個(gè)按鍵發(fā)射數(shù)據(jù)串很短，而儀表紅外通信要完成大容量的數(shù)據(jù)交換，所以通信協(xié)議尤為重要 。 下面介紹一種常用通信協(xié)議的設(shè)計(jì)方法[1]。本協(xié)議為主—從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。字節(jié)格式設(shè)計(jì)為每個(gè)字節(jié)含 8 位二進(jìn)制碼，傳輸時(shí)加1個(gè)起始位、1個(gè)停止位， 共 10位， 其傳輸序列如圖 所示 D0 是字節(jié)最低有效位，D7是字節(jié)最高有效位；先傳低位，后傳高位。每發(fā)一組數(shù)據(jù)， 必須先將數(shù)據(jù)按照幀格式： 幀起始符 （68H） 地址域 （表號(hào)） 幀起始符 （68H） 控制碼 （命令） 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域 （L ） 數(shù)據(jù)域 （DATA）效驗(yàn)碼（CS） 結(jié)束符（16H）,打包，然后發(fā)出。其中,效驗(yàn)碼為效驗(yàn)碼前面所有數(shù)據(jù)的和。命令中可定義上傳、下傳、是否有后續(xù)等功能。這樣就構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的紅外通信協(xié)議 。電路結(jié)構(gòu) 器件選型小四號(hào)字。中文字體為宋體，西文字體為Times New Roman。注意：不要?jiǎng)h掉每章最后一行，保留回車符，因?yàn)榛剀嚪笥蟹止?jié)符。 接收部分電路 串口信息傳輸功能電路功能此電路主要功能是實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)接收端信息的管理，使單片機(jī)的串口和PC機(jī)相連，將車位信息錄入到接收端的單片機(jī)中。其大致結(jié)構(gòu)，功能和發(fā)送端的串口信息傳輸功能是大致一樣的，以下將不做詳細(xì)介紹。經(jīng)過(guò)硬件和軟件的設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)了具有紅外接收、 發(fā)射功能電度表的智能遙控器， 但在整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中必須注意以下兩點(diǎn)：(1) 由于紅外通信基于38kHz載波傳送， 所以，波特率應(yīng)2400 字節(jié) /秒 (2) 在發(fā)送數(shù)據(jù)中， 不應(yīng)有太多連續(xù)的零出現(xiàn)，若使用環(huán)境中有大片的零出現(xiàn)，則應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)加以處理， 提高成功率。器件選型電路結(jié)構(gòu) 電源轉(zhuǎn)換功能能 紅外接收功能 LED點(diǎn)陣顯示功能 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功能（車位鎖的起落）天津大學(xué)本科畢業(yè)論文 第四章 軟件設(shè)計(jì)第四章 軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì) 軟件結(jié)構(gòu)小四號(hào)字。中文字體為宋體，西文字體為Times New Roman。圖41 主程序流程圖 單片機(jī)初始化 系統(tǒng)時(shí)鐘初始化 單片機(jī)管腳初始化 定時(shí)器初始化 中斷初始化 單片機(jī)程序 單片機(jī)功能小四號(hào)字。中文字體為宋體，西文字體為Times New Roman。 程序?qū)崿F(xiàn)溫度對(duì)于壓力傳感器的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)電阻率的影響，一是由于熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的附加應(yīng)力的影響，而后者為主要影響，前者可以忽略。設(shè)已知溫度在T0下的壓力輸出電壓曲線，在T1溫度時(shí)由于溫度變化引起的電阻變化為 （41）這里β2，β1分別為試件材料和應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)，R0為T0溫度下的電阻值，根據(jù)公式（34）（36）可得附加的電壓輸出dU0為 （42）通過(guò)式子可以看出附加的電壓輸出是關(guān)于溫度的單調(diào)函數(shù)，因此只要知道當(dāng)前的環(huán)境溫度，把輸出電壓減去附加電壓輸出就可得到修正到溫度下的電壓輸出，這樣就提高了測(cè)量的精度。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的參數(shù)，T0取15℃，由公式（42）可以計(jì)算出在1535℃，得到不同溫度下的電壓改變理想曲線，數(shù)據(jù)如圖43所示：圖43 壓力傳感器輸出電壓溫度關(guān)系由圖43可得公式： （43）所以在理想情況下，可以根據(jù)公式（43）和溫度值，得到電壓偏移，然后將測(cè)得結(jié)果減去相應(yīng)電壓偏移即可得到準(zhǔn)確電壓值，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于公式中的各個(gè)固定值會(huì)因?yàn)橹谱鞴に嚮蚱渌矫娴牟煌a(chǎn)生差異，所以如果要正確的得到溫度對(duì)傳感器的影響，就要求在不同的溫度下實(shí)際測(cè)量壓力曲線，通過(guò)這些曲線來(lái)得到準(zhǔn)確的溫度影響。通過(guò)查詢相關(guān)技術(shù)手冊(cè)得到分別在1235℃的溫度下標(biāo)定傳感器的壓力曲線，數(shù)據(jù)如表41所示：表41 不同溫度下的壓力輸出值 單位：V壓強(qiáng) P/105 Pa15℃20℃25