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位移测量系统设计姓 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 位移测量系统设计任务书1设计目的与要求设计一个基于 STM32 控制器的 LVDT 数字测量系统设计，要求认真并准确地理解有关要求，按组完成系统设计，具体设计要求如下：（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，测量数据存储功能，掉电不丢失；（3）4 位八段码实时数据显示；（4）通过 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，熟悉设计内容；（2）根据设计要求选择传感器，确定系统方案和主控芯片；（3）根据系统方案分别设计单元电路；确定元器件及元件参数；（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，并写出心得体会。目录1. 引言 .12. 设计方案 .22.1. 任务分析 .22.2. 设计思路 .23. 详细设计 .33.1. 主控制器模块 .33.1.1. 微处理器电路 .33.1.2. 电源模块 .43.1.3. JTAG/SWD 电路 .43.2. LVDT 传感器的测量原理与电路设计 .53.2.1. LVDT 传感器的测量原理 .53.2.2. LVDT 传感器电路的设计 .53.3. 显示模块 .83.4. 串口通信模块 .93.5. 存储模块 .104. 总结与体会 （不宜过长） .11附录 1 MAX7219.12附录 2 I2C 总线 .141基于 STM32 的 LVDT 位移测量系统设计摘要: LVDT 可以用来测量物体的伸长度、震动频率、振幅、物体厚薄程度和膨胀度等精确数据。具体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 还有无摩擦测量、无限的机械寿命、坚固耐用、环境适用性等优点，这使它应用范围也非常广泛。本文将基于 ARM Cortex-M 内核的 32 位微控制器，即 STM32 设计一款的LVDT 位移测量器，以期能够实现 LVDT 的位移测量。工作简单流程即通过LVDT 传感器获得电压信号，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实时的显示存储并传输给 PC 端进行后续的处理。本文将简单介绍设计思路与设计方案，并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，存储等功能模块。关键词: STM32；LVDT 传感器；译码显示；E2ROM 1. 引言随着科学技术的发展,测试工作量的不断加大,测试任务也越来越复杂,对测量的准确度要求越来越高。多年来,我国精密测量技术和仪器经历了许多变革,从最早广泛应用的机械仪表,到后来发展的光学、电学仪表,以及采用微处理器做成的智能仪表从静态测试到动态测试以及由计算机数字控制的多参数自动测试。由此可见,新的测试技术总是随着电子技术的飞速发展以及计算机科学技术的应用不断地更新换代。位移传感器已经渗透到我们的生活之中。位移传感器的种类繁多,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容易的事。常见的有电容式、电感式、还有精度较高的光纤式、激光式位移传感器。随着科技的发展,位移传感器家族必然会增加新的成员。现在较为常用的是电容电感式位移传感器,因为它们测量精度较高,价格也便宜于光纤、激光式传感器。在多数场合能够胜任。电感式传感器也有不同的总类,如单螺线管式、间隙式、差动变压式等等。其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,可靠性高,特别是测量精度较高,因此在工业生产中被广泛的应用。在信息采集系统中,传感器通常处于系统前端,即检测和控制系统之首,它提供给系统处理和决策所必需的原始信息,因此,传感器的精度对整个系统是至关2重要的。在位移、速度及加速度的测量中,经常使用差动变压器式传感器,原因是其灵敏度高、线性好且有配套集成电路,月贻精密长度测量仪是一种利用线圈自感或者互感的变化来实现测量的装置,具有灵敏度及分辨力高、线性度好、工作可靠、寿命长、易于实现监控等优点,广泛应用于工业、农业、医疗、军事等很多领域。随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测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、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显著提高。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、自动控制和形变测量等。该设计题目主要实现位移测量功能，具有一定的设计研究意义，除了测量位移本身外，其他的很多物理量也可以通过转化为位移来测量，测量精度也相对原始的方法较高。STM32 系列芯片 STM32F103，STM32F103 是基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位嵌入式微处理器，它具有出色的内核性能，丰富的外部接口和低功耗。该设计系统采用 STM32 单片机作为核心控制器件，实现磁棒的小距离位移的精确测量。本设计首先采用 AD598 元件提供用来驱动 LVDT 的激励电压，磁芯移动，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 转换器，A/D 转换结果送入单片机进行数据处理、存储，最后将结果通过四位七段数码管显示并传送至 PC 端。整个系统结构合理，设计简洁，性能稳定，具有较强的抗干扰能力。2. 设计方案2.1. 任务分析此次设计，将使用 STM32F103 芯片获取 LVDT 传感器的数据，并进行简单的处理，最终将数据传往 PC 端。具体可分为如下几个任务： 实现 LVDT 数据的获取 对 LVDT 数据进行处理并显示 将数据实时传输至 PC 端 完成数据的实时存储，掉电不丢失2.2. 设计思路针对以上任务，本次设计以嵌入式模块 STM32F103 为核心， 、通过八段数码管实时显示 LVDT 传感器的信息，方便用户观察，并可以通过串口将主要信息传送到 PC 端以进行后续的处理。另外，为了防止掉电数据丢失的情况发生，3加入 E2ROM 存储器件以进行实时的数据采集与存储。总体框架结构如图 1 所示。L V D T 信号调制信号调理调试接口备用开关 / L E D 信号灯S T M 3 2 F 1 0 3数码管显示存储模块串口电源模块P C图 1主控模块：主控模块以 STM32F103 作为系统的主控制器，其最小系统电路包含电源电路，复位电路，时钟电路，这些均为芯片运行所必需的外接电路模块。LVDT 模块： LVDT 模块功能是获取外界位移物理量并且将其转化位电压信号传送至主芯片的 AD 转换通道，处理器将获取的到的电压信号按照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通过 4 位八段译码器显示出来，实现位移变量的实时监测。通讯模块：通讯模块将单片机与 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送至 PC 可以实现信息的互联，为后续开发留下接口。存储模块：存储模块的功能是将获取到的进行数据存储并保护，防止单片机工作过程中出现意外情况而丢失数据。3. 详细设计3.1. 主控制器模块3.1.1. 微处理器电路 1如 Error! Reference source not found.为 STM32 电路设计图。4PA0-WKU12653789/JTMSDIOC_NBRVE*F.ateryGuYpXL图 2STM32F103RBT6 主要技术指标如下： 最高频率 72MHz，1.25DMIPS/MHz 128KB 的 FLASH，20KB 的通用 SRAM 时钟，复位和电源管理;电压范围 2.03.6V，可外接 325M 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，突然掉电时可用电池为RTC 和备用寄存器供电 2 个 12 位 1s A/D , 2 个 12 位 D/A 12 通道 DMA 控制器，支持 TINIER，ADC，DAC， I S，SPI，I C 和 USART2 多达 10 个带有引脚重映射功能的定时器：4 个 16 位通用定时器，1 个 16 位马达专用 PWM 定时器，2 个看门狗定时器，1 个 24 位系统嘀嗒倒计数定时器，2 个用于 DAC 的 16 位基础定时器 14 个带有引脚重映射功能的通信接口：2 个 I C 接口，3 个2USART，3 个 SPI 接口， 2 个 CAN 接口，USB2.0 全速设备，10/1 OOM 以太网 MAC可以看出，STM32F103RBT6 是一款具有极其丰富的片内外设，在本设计中将使用其自带的 AD 转换器进行信号的电压转换。53.1.2. 电源模块系统采用锂电池供电，通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，其中 STM32 需要 3.3V 电压进行供电，液晶显示的 LCD电路以及蓝牙通讯模块需要 5V 电压供电。因此，设计中采用两级变压方式，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。采用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下降，自举电路也可以大致稳定输出电压不变，因此能够使用简单的自举电路完成升压过程。Error! Reference source not found.是将 SV 电压转换成 3.3V 的电路，在此选用 LM1117-33 芯片。它是一个低压差电压调节器系列，提供了电流限制和热保护，符合本系统的要求。图 33.1.3. JTAG/SWD 电路JTAG(Joint Test Action Group)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 S TM32F 103RB T6 处理器中，利用 JTAG可以直接控制芯片的内部总线以及 I/O 口，通过 JTAG 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。在设计中，对于 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 Error! Reference source not found.所示。图 463.2. LVDT 传感器的测量原理与电路设计3.2.1. LVDT 传感器的测量原理差动变压器(LVDT)的原理比较简单。它就是在一个线圈骨架(1)上均匀绕制一个一次线圈(2)作励磁。再在两侧绕制两个二次线圈(3 与 4)，与线圈同轴放置一个铁芯(5)，通过测杆 (6)与可移动的物体连接。线圈外侧还有一个磁罩(7)作屏蔽，如图 5 所示。图 5 图 6在未引入铁芯以前，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放置的二次线圈上产生的感应电动势当然相等，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（当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应强度就成为铁芯位置的轴向分布函数，于是两个二次线圈的感应电动势Es1 与 Es2 也成了铁芯位置的函数。如果设计得当，两者可成为线性函数关系。将两个二次线圈差接后，即可获得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例的 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，下图是 AD598 的功能图：7图 7AD598 为 LVDT 提供激励电源，检测 LVDT 次级绕组的输出电压，并提供一个与可动磁性位置成比例的 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） 、用来确定 LVDT 两个次级绕组输出电压之差与和的比例关系的解调器、滤波器（FILTER）和输出放大器（AMP ）组成。由于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（ ） 。下图是 AD598 采用 15 双电源时与1、 0.25% Schaevitz HR1000 型 LVDT 的连接图：图 8确定 LVDT 位移测量子系统所要求的带宽 fS