基于ARM的六氟化硫的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本科畢業(yè)論文

1、摘 要針對(duì)變電站內(nèi)六氟化硫氣體濃度采集檢測(cè)，本課題結(jié)合江蘇省教育廳實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練工程，提出了一種基于自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線收發(fā)技術(shù)和智能控制技術(shù)的分布式主從測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站室內(nèi)的六氟化硫氣體濃度自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警，并監(jiān)視變電站內(nèi)溫度、濕度的解決方案。 本文基于變電站內(nèi)的特點(diǎn)，研發(fā)了基于NRF403的無(wú)線連續(xù)。以ARM7芯片LPC2131為控制器的變電站內(nèi)六氟化硫氣體濃度的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能進(jìn)行對(duì)變電站內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，檢測(cè)其濃度是否超標(biāo)，該系統(tǒng)具有SF6濃度檢測(cè)，溫度、濕度檢測(cè)顯示功能，解決了傳統(tǒng)變電站內(nèi)六氟化硫氣體濃度超標(biāo)導(dǎo)致人員傷害的問(wèn)題，防止了不必要的人員傷害事件的發(fā)

2、生。本測(cè)量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大局部，硬件局部由四局部組成：數(shù)據(jù)采集模塊、ARM 系統(tǒng)電路模塊、無(wú)線收發(fā)電路模塊、顯示模塊組成；軟件局部的設(shè)計(jì)包括：通道選擇程序設(shè)計(jì)、A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)、無(wú)線收發(fā)程序設(shè)計(jì)、液晶模塊程序設(shè)計(jì)、以及 PC 端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：SF6，ARM，數(shù)據(jù)采集，nRF403 AbstracWithin six fluoride in substation sulfur gases concentration acquisition detection，This topic combination of practical innovation training pro

3、ject in jiangsu province，Proposed based on automatic detection technology, wireless transceiver technology and intelligent control technique of distributed control network subordinate，To achieve the substation indoor six fluorination concentration of sulfur gases automatic detection and alarm，And mo

4、nitoring substation of temperature and humidity in solution.Based on the characteristics of substation inside，Based on the research NRF403 wireless continuous，LPC2131 ARM7 chip in the substation as controller within six fluoride gas concentrations of sulfur surveillance systems。This system can perfo

5、rm the substation of data acquisition internal environment，And comprehensive processing of data，Testing whether its concentration exceed bid，The system has SF6 density detection，temperature，Humidity test showed that function。Solve the traditional substation sulfur gases within six fluorination chrom

6、a cause injuries problems。Avoid unnecessary injuries events。The measurement system includes two parts, hardware and software。Hardware consists of four parts：Data acquisition module、ARM system circuit module、Wireless transceiver circuit module、Display module。The design of software components include：

7、Channel selection process design、A/D conversion program design、Wireless transceiver programming、LCD module design programand PC application design。 keywords：SF6, ARM, data collection, nRF403目錄TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc4036 摘 要 PAGEREF _Toc4036 I HYPERLINK l _Toc21114 Abstrac PAGEREF _Toc21114 II

8、 HYPERLINK l _Toc3474 第1章 緒論 PAGEREF _Toc3474 - 1 - HYPERLINK l _Toc20363 1. 1 課題背景 PAGEREF _Toc20363 - 1 - HYPERLINK l _Toc30991 1. 2 氣敏傳感器的應(yīng)用 PAGEREF _Toc30991 - 1 - HYPERLINK l _Toc4777 1. 3 課題主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc4777 - 2 - HYPERLINK l _Toc5659 1. 4 課題方案 PAGEREF _Toc5659 - 2 - HYPERLINK l _Toc8945 2

9、.2關(guān)鍵模塊的選用 PAGEREF _Toc8945 - 3 - HYPERLINK l _Toc24348 電源模塊的選擇 PAGEREF _Toc24348 - 3 - HYPERLINK l _Toc18952 處理器芯片的選擇 PAGEREF _Toc18952 - 4 - HYPERLINK l _Toc5290 傳感器模塊的選擇 PAGEREF _Toc5290 - 5 - HYPERLINK l _Toc5511 六氟化硫傳感器 PAGEREF _Toc5511 - 5 - HYPERLINK l _Toc10196 濕/溫度傳感器 PAGEREF _Toc10196 - 6 -

10、 HYPERLINK l _Toc19632 2.2.4 無(wú)線收發(fā)芯片選擇 PAGEREF _Toc19632 - 7 - HYPERLINK l _Toc15231 2.2.5 顯示芯片的選擇 PAGEREF _Toc15231 - 7 - HYPERLINK l _Toc17627 第3章 硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc17627 - 9 - HYPERLINK l _Toc7582 3.1數(shù)據(jù)采集電路 PAGEREF _Toc7582 - 9 - HYPERLINK l _Toc4669 SF6采集電路 PAGEREF _Toc4669 - 9 - HYPERLINK l _To

11、c24413 溫/濕度采集電路 PAGEREF _Toc24413 - 9 - HYPERLINK l _Toc16373 3.2 電源電路 PAGEREF _Toc16373 - 11 - HYPERLINK l _Toc11125 3.3 ARM微處理器LPC2131電路 PAGEREF _Toc11125 - 11 - HYPERLINK l _Toc20875 LPC2131 的主要性能 PAGEREF _Toc20875 - 12 - HYPERLINK l _Toc13373 結(jié)構(gòu)概述 PAGEREF _Toc13373 - 13 - HYPERLINK l _Toc8504 3.

12、4 串行接口電路 PAGEREF _Toc8504 - 16 - HYPERLINK l _Toc2493 3.5 顯示模塊電路 PAGEREF _Toc2493 - 16 - HYPERLINK l _Toc16964 3.6 無(wú)線收發(fā)電路 PAGEREF _Toc16964 - 19 - HYPERLINK l _Toc32650 nRF403 芯片的介紹 PAGEREF _Toc32650 - 19 - HYPERLINK l _Toc26199 nRF403 芯片電路 PAGEREF _Toc26199 - 20 - HYPERLINK l _Toc7300 3.7 JATG接口電路

13、PAGEREF _Toc7300 - 21 - HYPERLINK l _Toc9971 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc9971 - 22 - HYPERLINK l _Toc31413 4.1 A/D轉(zhuǎn)換程序 PAGEREF _Toc31413 - 23 - HYPERLINK l _Toc30835 4.2 顯示程序 PAGEREF _Toc30835 - 27 - HYPERLINK l _Toc23966 12864 液晶根本的操作時(shí)序 PAGEREF _Toc23966 - 27 - HYPERLINK l _Toc30366 液晶顯示的驅(qū)動(dòng)程序和接口函數(shù) PAGER

14、EF _Toc30366 - 27 - HYPERLINK l _Toc26380 4.3 無(wú)線收發(fā)程序 PAGEREF _Toc26380 - 30 - HYPERLINK l _Toc25765 4.4 固化程序 PAGEREF _Toc25765 - 33 - HYPERLINK l _Toc15260 總結(jié) PAGEREF _Toc15260 - 35 - HYPERLINK l _Toc21023 致謝 PAGEREF _Toc21023 - 36 - HYPERLINK l _Toc23633 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc23633 - 37 - HYPERLINK l _T

15、oc26089 附錄 PAGEREF _Toc26089 - 39 - HYPERLINK l _Toc1227 PAGEREF _Toc1227 - 39 - HYPERLINK l _Toc11222 附錄 PAGEREF _Toc11222 - 40 - HYPERLINK l _Toc6863 PAGEREF _Toc6863 - 40 - HYPERLINK l _Toc5128 附錄 PAGEREF _Toc5128 - 41 - 第1章 緒論1.1 課題背景在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)生活中，人們對(duì)污染環(huán)境的各種氣體越來(lái)越重視，尤其是隨著煤氣、瓦斯氣、液化石油氣和天然氣的開(kāi)發(fā)利用，各種氣體

16、災(zāi)害的危險(xiǎn)性隨之增加，因此需要對(duì)各種易燃、易爆和有毒氣體進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)。目前已開(kāi)展出許多不同類(lèi)型的氣體傳感器，能滿足不同場(chǎng)合使用的要求。把氣體傳感器與專門(mén)的檢測(cè)分析電路結(jié)合，能夠進(jìn)行特定氣體的檢測(cè)、分析。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、人民生活水平和生活質(zhì)量的提高，氣敏傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越擴(kuò)大，隨之，人們對(duì)氣敏傳感器的要求也越來(lái)越高，要求其靈敏度高、選擇性好、功耗低，體積小、重量輕、價(jià)格低，集成化、智能化、多功能化等。這些都使得氣敏測(cè)試技術(shù)得到了極大的重視與開(kāi)展，現(xiàn)在已被公認(rèn)為是對(duì)人類(lèi)生命和健康、豐富國(guó)民生活以及促進(jìn)其它技術(shù)開(kāi)展的關(guān)鍵技術(shù)。開(kāi)展好此技術(shù)，不但能對(duì)其它領(lǐng)域的技術(shù)具有極大的推動(dòng)作用，而且還能

17、改善人類(lèi)的生存條件和生活質(zhì)量。 1.2 氣敏傳感器的應(yīng)用 現(xiàn)代社會(huì)，人們每天都在接觸大量的各種各樣的氣體，如汽車(chē)尾氣、工業(yè)廢氣及家用燃?xì)獾?。這些氣體大都對(duì)人體有毒性，會(huì)污染環(huán)境，而且易燃易爆。因此，通過(guò)對(duì)各種氣體的檢測(cè)、報(bào)警來(lái)控制其排放、泄露具有非常重要的意義。對(duì)氣體的檢測(cè)必須依賴于各種各樣的氣敏傳感器。氣體傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，一般應(yīng)用在以下幾個(gè)方面： 1工業(yè)生產(chǎn)方面：在工業(yè)生產(chǎn)尤其是化工生產(chǎn)和燃料或冶煉過(guò)程中常常會(huì)產(chǎn)生許多有毒有害氣體和易燃易爆氣體(Cl2、H2S、NH3、H2、CO、CH4)。為了保證平安生產(chǎn)和工作人員的健康，對(duì)產(chǎn)生的毒害氣體和易爆炸氣體進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)和嚴(yán)格的控制是十

18、分必要的。 2農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面：如今塑料大棚已經(jīng)在我國(guó)農(nóng)村廣泛的應(yīng)用，而大棚內(nèi)的農(nóng)作物進(jìn)行光合作用時(shí)需要消耗大量的CO2，應(yīng)用氣體傳感器對(duì)棚內(nèi)的CO2的含量進(jìn)行適當(dāng)監(jiān)測(cè)和控制，可以大大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。 3環(huán)境保護(hù)方面：日常生活中燃燒所產(chǎn)生的廢氣如CO、SO2、CO2以及汽車(chē)尾氣中NOx、SOx等毒害氣體已嚴(yán)重的污染了人們賴以生存的環(huán)境。其中NOx、SOx是造成酸雨的主要原因，而CO2是造成溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)?，從而?dǎo)致全球的氣候異常和自然災(zāi)害的增多。并且這些氣體大多都是致癌物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人的健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害，所以必須應(yīng)用氣體傳感器給與及時(shí)的監(jiān)測(cè)及控制。 4提高人民生活質(zhì)量方面。隨著人們生活水平

19、的提高，人們對(duì)醫(yī)療保健更加關(guān)注，也就更加希望尋求一種無(wú)傷害、高準(zhǔn)確度的檢測(cè)手段，所以利用呼吸氣體進(jìn)行疾病的診斷3近年來(lái)已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。還有對(duì)家居裝修中的甲醛和甲苯氣體以及食品中甲醛和SO2的監(jiān)測(cè)也是現(xiàn)代社會(huì)所關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。此外，在航空航天、軍事國(guó)防生化武器防御等方面，也越來(lái)越顯示出氣體傳感器的重要作用。 1.3 課題主要內(nèi)容本課題研究了一種新型、高精度的智能SF6氣體濃度測(cè)量設(shè)備，并將采集到的信號(hào)處理后通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備傳送。該設(shè)備將 ARM7 應(yīng)用到電路中,利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力及控制能力,設(shè)計(jì)出了顯示氣體濃度值的測(cè)量電路。另外，應(yīng)用具有 ARM7 內(nèi)核的 LPC2131 為微

20、處理器，能夠有效地縮小體積，減少本錢(qián)，降低功耗。在無(wú)線傳輸局部，采用挪威 Nordic 公司的一體化無(wú)線收發(fā)芯片 nRF403。nRF403工作在433或315MHz國(guó)際上通用的ISM頻段,雙工作頻段可以自由切換,FSK調(diào)制解調(diào),采用直接數(shù)字合成DSS和鎖相環(huán)穩(wěn)頻 PLL 進(jìn)行頻率合成,頻率穩(wěn)定性好,發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)方向性要求,在高速移動(dòng)和振動(dòng)等情況有抗干擾能力。 整個(gè)設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩大局部。硬件電路的設(shè)計(jì)包括：采集電路的設(shè)計(jì)；LPC2131 及其外圍電路的設(shè)計(jì)；電源電路的設(shè)計(jì)；液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)；無(wú)線收發(fā)模塊的連接與設(shè)計(jì)；與上位機(jī)連接電路的設(shè)計(jì)和程序下載電路的設(shè)計(jì)。軟件包括：各局部驅(qū)動(dòng)程序的

21、編寫(xiě)，以及所用算法的程序編寫(xiě)。1.4 課題方案本課題研究的是基于ARM的六氟化硫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要是針對(duì)與變電站內(nèi)的六氟化硫的濃度檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)出變電站內(nèi)的溫濕度。本課題的研究主要有硬件和軟件兩個(gè)局部。首先硬件局部主要包括處理器模塊、信號(hào)采集模、無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊和顯示模塊。通過(guò)各個(gè)局部完成各個(gè)本課題的設(shè)計(jì)要求。軟件不分主要包括A/D轉(zhuǎn)換程序、顯示模塊程序、無(wú)線收發(fā)程序、固化程序完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu) 以本SF6濃度測(cè)量裝置能夠?qū)怏w濃度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。儀器的檢測(cè)靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)時(shí)實(shí)測(cè)量。 如圖2-1所示為變電站內(nèi)六氟化硫氣體監(jiān)控系統(tǒng)原理

22、框圖。該系統(tǒng)是有處理器模塊、信號(hào)采集模、無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊和顯示模塊組成。此方案以NRF403為通訊核心，以ARM7芯片LPC2131為微處理器核心，信號(hào)采集電路、MCU 及其外圍擴(kuò)展電路、無(wú)線收發(fā)電路、液晶顯示電路和電源電路組成。由于采用的是無(wú)線通信的方式，再加上考慮到本錢(qián)的原因。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看不可能采用大功率的無(wú)線發(fā)射芯片或者采用諸如GSM的控制方式。從本錢(qián)、性能、可靠、平安等因素出發(fā)，設(shè)計(jì)了采用NRF403無(wú)線接續(xù)的方式。這種方式的應(yīng)用就打破了傳輸距離的限制，在變電站內(nèi)適用開(kāi)發(fā)起來(lái)也更加的方便。 圖2-1 系統(tǒng)原理框圖2.2關(guān)鍵模塊的選用2.2.1電源模塊的選擇電源是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力所在，

23、電源的好壞直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與否。從宏觀、全局和經(jīng)營(yíng)效益的角度來(lái)看,單片機(jī)系統(tǒng)電源似乎顯得并不十分搶眼,但從微觀來(lái)看，是系統(tǒng)穩(wěn)定性的有利保障。在本模塊的選擇時(shí)，著重考慮了以下幾個(gè)方面： 類(lèi)型：一般而言線性穩(wěn)壓電源的體積會(huì)大一點(diǎn)，因?yàn)樵谳斎攵硕紩?huì)有一個(gè)變壓器。而開(kāi)關(guān)電源是由一些分類(lèi)元件做出來(lái)的，所以體積就可以做得很小。在滿足要求的同時(shí)，盡量選擇加工起來(lái)方便電源； 輸出功率：功率缺乏就會(huì)使電源超負(fù)荷，系統(tǒng)不能正常工作。這一點(diǎn)是系統(tǒng)平安的關(guān)鍵因素，選擇要求是足安足瓦； 紋波系數(shù)：由于直流電源是由交流電源經(jīng)整流、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而構(gòu)成，這就不可防止地在直流穩(wěn)定中帶有一些紋波成份，紋波的成分較為復(fù)雜，它有

24、多種脈動(dòng)量構(gòu)成，紋波干擾對(duì)二次保護(hù)系統(tǒng)邏輯控制危害極大，使系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性降低。所以應(yīng)該選擇紋波系數(shù)小的穩(wěn)壓器，來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性； 輸出電壓：每個(gè)系統(tǒng)都會(huì)有多個(gè)需要供電的器件。在電源的輸出電壓的選擇上，滿足大局部需要供電的器件，假設(shè)有個(gè)別例外的器件再在在現(xiàn)有的電壓值的根底上，通過(guò)升壓、降壓或者用線性的集成穩(wěn)壓器來(lái)滿足供電需求； 本錢(qián)：本錢(qián)和經(jīng)濟(jì)效益直接掛鉤，在性能要求達(dá)標(biāo)的情況下，盡量低本錢(qián)、高穩(wěn)定性的電源。本系統(tǒng)為5V單電源供電，但因系統(tǒng)內(nèi)各芯片所要求的供電電壓不同，需要的電源穩(wěn)定性也不同，所以電源由以下兩局部構(gòu)成。1微控制器LPC2131的工作電壓為3.3V，采用的SPX1117M-3.

25、3將電源穩(wěn)壓至3.3V。SPX1117M-3.3是Sipex公司生產(chǎn)的LDO芯片，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。該芯片輸出電流可到達(dá)800mA，輸出電壓的精變?cè)?%以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護(hù)功能。 2信號(hào)采集電路工作電壓為5V，采用7805穩(wěn)壓芯片，把電壓穩(wěn)定在5V。 2.2.2處理器芯片的選擇在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，最重要的就是要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求和特性選擇適宜的微處理器(MCU)。本次設(shè)計(jì)在選擇MCU時(shí)主要考慮以下幾個(gè)因素： 保密性強(qiáng)：選擇加密性強(qiáng)、很難解密或破解的單片機(jī)。讓一般的仿制者望而退步，使得其他人不能讀懂你的程序不能修改你的程序、有效的保護(hù)自己的科研成果； 抗干擾

26、性能：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是必須要保證的，所以選擇抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)成為首選條件； 速度：考慮到系統(tǒng)要求有較快的執(zhí)行速度，應(yīng)盡可能地選擇運(yùn)行速度快的單片機(jī)； 單片機(jī)功能：盡量選擇功能齊全，集成度高的單片機(jī)，同時(shí)也是對(duì)抗干擾和速度的一個(gè)促進(jìn)。 價(jià)格：考慮到產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用，在不影響質(zhì)量的前提下，盡量低本錢(qián)也是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)主要考慮因素。本系統(tǒng)中的微控制器采用了Philips的嵌入式處理器LPC2131，它是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位的ARM7 TDMI-STM CPU，采用3級(jí)流水線作業(yè)，并帶有32kB、嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大

27、時(shí)鐘速率下運(yùn)行。兩個(gè)32位定時(shí)器、一個(gè)10位8路ADC、6個(gè)PWM通道、和多達(dá)47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，較小的封裝和極低的功耗使LPC2131可以理想地應(yīng)用于小型設(shè)備中。2.2.3 傳感器模塊的選擇 針對(duì)于本課題的傳感器的選擇，本課題要對(duì)六氟化硫氣濃度進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)變電站內(nèi)的溫度、濕度也要進(jìn)行檢測(cè)。因此本課題要選取兩個(gè)傳感器原件。2.2.3.1六氟化硫傳感器氣敏傳感器是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、瓦斯氣體的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟

28、利昂R11、R12的檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等等。 本課題選用的為SF6氣敏傳感器該氣敏元件屬于金屬氧化物氣敏元件圖2-2，具有低功耗、高靈敏度、壽命長(zhǎng)、低本錢(qián)、后期電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它將氣體濃度的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得SF6氣體在變電站內(nèi)的濃度信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警。圖2-2 sf6氣敏元件其技術(shù)指標(biāo)與靈敏度特性有一下兩點(diǎn)：1SF6氣敏元件在空氣中有較低的電導(dǎo)率。假設(shè)處于混有可感測(cè)的氣體的環(huán)境中，它的電導(dǎo)率將隨著空氣中可感測(cè)的氣體濃度的增大而增大。一個(gè)簡(jiǎn)單電路就可以將這一電導(dǎo)率的化轉(zhuǎn)換為和可感測(cè)氣體濃度相關(guān)的輸出信號(hào)。2為使氣敏元件正常工

29、作，應(yīng)保證環(huán)境溫度在-10到 65之間，濕度95%。當(dāng)傳感器接入電路后，隨著氣體濃度的變化，負(fù)載電阻兩端的電壓將隨著傳感器電阻的減小而增加。 濕/溫度傳感器溫/濕度傳感器承當(dāng)了檢測(cè)變電站內(nèi)溫度、濕度的任務(wù)，和上述的六氟化硫氣敏傳感器結(jié)合起來(lái)完本錢(qián)系統(tǒng)的傳感器模塊。本課題中選用的是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。SHT75智能化數(shù)字傳感器內(nèi)部集成了相對(duì)濕度傳感器、帶隙式溫度傳感器、信號(hào)放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)存儲(chǔ)器、二線串行接口、CRC校驗(yàn)發(fā)生器。這樣就免去了傳感器外圍

30、電路，保證了高可靠性和高穩(wěn)定性，提高了看干擾能力。而且不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)、標(biāo)定過(guò)程，測(cè)量精度得到保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面都不錯(cuò)。在未來(lái)的大型溫濕測(cè)控系統(tǒng)中將得到廣泛的應(yīng)用。SHT75封裝如圖2-3所示，在pcb上有一個(gè)用液晶聚合物制成的帽，上面開(kāi)有傳感器窗口，與外界接觸。帽下部有一小塊環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)固定。左起四個(gè)引腳分別為：1-SCK，2-VDD，3-GND，4-DATA。SCK為時(shí)鐘輸入端,當(dāng)電源電壓大于4.5V時(shí)，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)10MHz；小于4.5V時(shí)也可到1MHz。圖2-3 SHT75封裝整個(gè)器件主要有以下局部組成：相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、信號(hào)放大器、14位

31、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)存儲(chǔ)器、I2C接口及CRC校驗(yàn)發(fā)生器。相對(duì)濕度與溫度傳感器通過(guò)放大器與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連。傳感器的相對(duì)濕度和溫度都與極為精確的溫度和濕度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，相關(guān)校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存于OTP校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中，在檢測(cè)處理過(guò)程中隨時(shí)提供調(diào)用。通過(guò)I2C總線與單片機(jī)控制模塊連接，可實(shí)現(xiàn)直接的數(shù)字量輸入輸出，測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)CRC通訊校驗(yàn)來(lái)確保其正確性。 無(wú)線收發(fā)芯片選擇本文設(shè)計(jì)的通用無(wú)線數(shù)傳模塊，主要以完成信號(hào)的傳輸為主，系統(tǒng)需要完成綜合報(bào)警節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線通信，傳輸實(shí)時(shí)性要求較高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，因此對(duì)無(wú)線通信方式的選擇可以有較大的空間。隨著無(wú)線通信技術(shù)的

32、開(kāi)展，無(wú)線收發(fā)芯片的集成度、性能都大幅度提高，芯片性能也各有特色。因而，無(wú)線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。正確的選擇可以減小開(kāi)發(fā)難度、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低本錢(qián)、更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。目前，生產(chǎn)此類(lèi)芯片的廠家主要有Nordic、XEMICS、Chipeon、n、Maxim等。選擇無(wú)線收發(fā)芯片時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸速度、從待機(jī)模式到工作模式的喚醒時(shí)間、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片本錢(qián)等。本系統(tǒng)的收發(fā)模塊采用挪威Nordic 公司的一體化無(wú)線收發(fā)芯片nRF403。nRF403 工作在433 或315MHz 國(guó)際上通用的ISM( Industrial , Sc

33、ientific andMedical) 頻段，雙工作頻段可以自由切換，F(xiàn)SK 調(diào)制解調(diào)，采用直接數(shù)字合成DSS 和鎖相環(huán)穩(wěn)頻PLL 進(jìn)行頻率合成,頻率穩(wěn)定性好，發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)方向性要求，在高速移動(dòng)和振動(dòng)等情況有抗干擾能力。接收靈敏度高達(dá)-105dBm ，最大發(fā)射功率為+10dBm ，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20kbit/ s，開(kāi)闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000 米。采用的解調(diào)器是DC(Data Coding) 平衡的，輸入數(shù)據(jù)可以是各種0、1 序列，無(wú)需進(jìn)行曼切斯特編碼。nRF403 另一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是接收機(jī)的頻帶阻抗很高，這意味著不需要外部聲面波濾波器；外圍元件很少，僅外接一個(gè)4MHz 晶振，電感

34、和幾個(gè)阻容元件共10 個(gè)左右，無(wú)需調(diào)試部件。2.2.5 顯示芯片的選擇目前顯示器件的種類(lèi)很多，性能也各異，但在單片機(jī)測(cè)控領(lǐng)域，常用的顯示器件根本上是LED 顯示器和LCD顯示器兩種。LED顯示器是主動(dòng)發(fā)光式的顯示器，由發(fā)光二極管構(gòu)成或者LED數(shù)碼管組成。液晶顯示器LCD是一種被動(dòng)發(fā)光型的顯示器，即液晶本身并不發(fā)光，而是利用液晶經(jīng)過(guò)處理后能改變光線通過(guò)方向的特性，而到達(dá)白底黑字或黑底白字或者藍(lán)底白字顯示的目的。液晶顯示器具有體積小、重量輕、分辨率高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用在智能儀器、數(shù)字儀表、控制系統(tǒng)及人類(lèi)生活的各種顯示領(lǐng)域中。針對(duì)本課題的顯示要求，綜合以上分析

35、，本文選擇RT12864-16是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及12864全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示84個(gè)(1616點(diǎn)陣)漢字。第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1數(shù)據(jù)采集電路3.1.1 SF6采集電路實(shí)際應(yīng)用中，傳感器的輸出信號(hào)往往具有較寬的變化范圍，氣敏傳感器會(huì)隨著所處環(huán)境氣體濃度的不同發(fā)生較大的變化，因此測(cè)量電路傳出的信號(hào)電平也有較大的差異，從微伏到伏，變化范圍很寬，由于本測(cè)量電路中LPC2131的A/D轉(zhuǎn)換通道輸入電壓規(guī)定為0-3.3V，如果直接采用上述傳感器的輸出電壓的范圍直接作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，就不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的有效位，這樣就必然影

36、響測(cè)定范圍和測(cè)量精度。在氣敏傳感器測(cè)量裝置中，模擬電子開(kāi)關(guān)選擇了漏電流極低的nMOS模擬開(kāi)關(guān)MAX4237，其為精密的、8通道、低電壓、CMOS模擬多路復(fù)用器，其導(dǎo)通電阻小于100歐姆，通道之間的電阻在6歐之間，最大為11歐，相對(duì)于本裝置中選擇的高阻值基準(zhǔn)電阻高達(dá)百兆級(jí)來(lái)說(shuō)，可以忽略不計(jì)，在85C時(shí)，開(kāi)關(guān)漏電流小于2.5nA，轉(zhuǎn)換檔的速率極高，小于250ns，同時(shí)MAX4237為8通道復(fù)用器，能夠滿足本裝置精度要求，具體的電路圖如圖3-1所示。圖3-1 采集電路原理圖3.1.2 溫/濕度采集電路SCK是傳感器和單片機(jī)之間同步傳輸時(shí)鐘輸入端。DATA 三態(tài)門(mén)用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA 在SCK 時(shí)

37、鐘下降沿之后改變狀態(tài), 并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間,在SCK時(shí)鐘高電平時(shí),DATA 必須保持穩(wěn)定。SHT75傳感器需要一個(gè)5V的供電電壓。加電后，需要一個(gè)11ms的睡眠延遲時(shí)間，在這之前，不應(yīng)該向傳感器發(fā)送命令，電源VDD GND間接一個(gè)100nF的電容。其電路如以下圖3-2所示：圖3-2 SHT75傳感器電路SHT75內(nèi)部電路框圖如圖3-3所示：圖3-3 SHT75內(nèi)部電路框圖整個(gè)器件主要有以下局部組成：相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、信號(hào)放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)存儲(chǔ)器、I2C接口及CRC校驗(yàn)發(fā)生器。相對(duì)濕度與溫度傳感器通過(guò)放大器與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連。傳感器的

38、相對(duì)濕度和溫度都與極為精確的溫度和濕度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，相關(guān)校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存于OTP校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中，在檢測(cè)處理過(guò)程中隨時(shí)提供調(diào)用。表3-1 SHT75指令集合命令編碼說(shuō)明測(cè)量溫度00011溫度測(cè)量測(cè)量濕度00101濕度測(cè)量讀存放器狀態(tài)00111“讀狀態(tài)存放器寫(xiě)存放器狀態(tài)00110“寫(xiě)狀態(tài)存放器表3- 1 SHT75指令集合3.2 電源電路全系統(tǒng)為5V單電源供電，但因系統(tǒng)內(nèi)各芯片所要求的供電電壓不同，需要的電源穩(wěn)定性也不同39，所以電源由以下兩局部構(gòu)成。1微控制器LPC2131的工作電壓為3.3V，采用的SPX1117M-3.3將電源穩(wěn)壓至3.3V。SPX1117M-3.3是Sipex公司生產(chǎn)

39、的LDO芯片，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。該芯片輸出電流可到達(dá)800mA，輸出電壓的精變?cè)?%以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護(hù)功能，具體電路如圖3-4所示。2信號(hào)采集電路工作電壓為5V，采用7805穩(wěn)壓芯片，把電壓穩(wěn)定在5V。具體電路如圖3-5所示。圖3-4 微控制器的電源電路圖3-5 采集電路電源產(chǎn)生電路3.3 ARM 微處理器LPC2131電路本裝置中的微控制器采用了Philips的嵌入式處理器LPC2131，它是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位的ARM7 TDMI-STM CPU，采用3級(jí)流水線作業(yè)，并帶有32kB、嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)

40、特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。兩個(gè)32位定時(shí)器、一個(gè)10位8路ADC、6個(gè)PWM通道、和多達(dá)47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，較小的封裝和極低的功耗使LPC2131可以理想地應(yīng)用于小型設(shè)備中。3.3.1 LPC2131 的主要性能以下為L(zhǎng)PC2131的主要特性：16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封裝；利用此特點(diǎn)，可以有效降低裝置的體積。小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)47個(gè)通用I/O口可承受5V電壓；實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立的電源和時(shí)鐘，可在節(jié)電模式中極大地降低功耗；1個(gè)8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，共提供16路模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.4

41、4us；8kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器。128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率；利用此特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)程序的快速運(yùn)行。多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個(gè)高速I(mǎi)2C接口400kbit/s、SPITM和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP；通過(guò)片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程ISP/IAP。單扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400ms。256字節(jié)行編程時(shí)間為1ms；EmbeddedICERT和嵌入式跟蹤接口通過(guò)片內(nèi)RealMonitorTM軟件對(duì)代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試和高速跟蹤；2個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器帶4路捕獲和4路比擬通道、PWM單元

42、6路輸出和看門(mén)狗；向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址；通過(guò)片內(nèi)PLL100us的設(shè)置時(shí)間可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率；通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒；片內(nèi)晶振頻率范圍：1-30MHz；低功耗模式：空閑和掉電；多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳；單電源，具有上電復(fù)位POR和掉電檢測(cè)BOD電路；可通過(guò)個(gè)別使能/禁止外部功能和外圍時(shí)鐘分頻來(lái)優(yōu)化功耗；CPU操作電壓范圍：3.0V-3.6V(3.3V10)，I/O口可承受5V的電壓。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)原理而設(shè)計(jì)的。指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單得多。這樣使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核，就可實(shí)

43、現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。處理器采用三級(jí)流水線技術(shù)，通常在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第三條指令從存儲(chǔ)器中取出，從而使處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有局部都可連續(xù)工作。同時(shí)，ARM7TDMI-S處理器使用了一個(gè)被稱為T(mén)HUMB的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)化策略，THUMB指令集的16位指令長(zhǎng)度使其可以到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)ARM代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)是使用16位存放器的16位處理器所不具有的。這是因?yàn)門(mén)HUMB代碼和ARM代碼一樣，在相同的32位存放器上進(jìn)行操作。它非常適用于那些對(duì)存儲(chǔ)器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)。3.3.2 結(jié)構(gòu)概述ARM7TDMI-S

44、是一個(gè)通用的32位微處理器，它可提供高性能和低功耗。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)原理而設(shè)計(jì)的。指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單得多。這樣使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就可實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。由于使用了流水線技術(shù)，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有局部都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第三條指令從存儲(chǔ)器中取出。ARM7TDMI-S處理器使用了一個(gè)被稱為T(mén)HUMB的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)化策略，它非常適用于那些對(duì)存儲(chǔ)器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用。在THUMB后面一個(gè)關(guān)鍵的概念是“超精簡(jiǎn)指令集。ARM7TDMI-S處理器根本上具有兩

45、個(gè)指令集：標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令集及16位THUMB指令集。THUMB指令集的16位指令長(zhǎng)度使其可以到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)ARM代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)是使用16位存放器的16位處理器所不具有的。這是因?yàn)門(mén)HUMB代碼和ARM代碼一樣，在相同的32位存放器上進(jìn)行操作。THUMB代碼僅為ARM代碼規(guī)模的65%，但其性能卻相當(dāng)于連接到16位存儲(chǔ)器系統(tǒng)的相同ARM處理器性能的160%。以下簡(jiǎn)單介紹一下本裝置用到的各種集成功能：片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器LPC2131集成了一個(gè)32kB的FLASH存儲(chǔ)器系統(tǒng)。該存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的編程可通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)

46、現(xiàn)?？赏ㄟ^(guò)串口進(jìn)行在系統(tǒng)編程，也可以在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)進(jìn)行在應(yīng)用編程。這樣為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)固件的升級(jí)都帶來(lái)了極大的靈活性。當(dāng)使用片內(nèi)bootloader時(shí)，32kB的Flash存儲(chǔ)器可作用戶代碼使用。LPC2131Flash存儲(chǔ)器至少含有10,000個(gè)擦除/寫(xiě)周期，數(shù)據(jù)至少可保存10年。片內(nèi)靜態(tài)RAM片內(nèi)靜態(tài)RAM可用作代碼和/或數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。SRAM支持8位、16位和32位訪問(wèn)。LPC2131具有8kB靜態(tài)RAM。10位A/D轉(zhuǎn)換器LPC2131分別包含1 個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。它們是簡(jiǎn)單的帶8路輸入的10位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其具有的特性：測(cè)量范圍：0-3.3V；每秒可執(zhí)行400,000次10位采樣

47、；單路或多路輸入的突發(fā)轉(zhuǎn)換模式；根據(jù)輸入腳的跳變或定時(shí)器匹配信號(hào)執(zhí)行轉(zhuǎn)換。UARTLPC2131包含2個(gè)UART。除了標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)線外，LPC2138UART1還提供一個(gè)完全的調(diào)制解調(diào)器控制握手接口。LPC2131發(fā)送FIFO控制使能實(shí)現(xiàn)2個(gè)UART的軟件XON/XOFF流控制.UART的特性如下：16字節(jié)接收和發(fā)送FIFO；存放器位置遵循550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；接收器FIFO觸發(fā)點(diǎn)為1、4和14個(gè)字節(jié)；內(nèi)置波特率發(fā)生器；LPC2131將信號(hào)采集電路的輸出接入其AD轉(zhuǎn)換的引腳，進(jìn)行10位AD轉(zhuǎn)換，所需測(cè)量的模擬量為2路。一路測(cè)量電源電壓，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓，自動(dòng)調(diào)整占空比，保證恒定的加熱電壓；另

48、一路測(cè)量氣敏元件信號(hào)采集電路中的分壓，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻，并利用其與氣體濃度之間的關(guān)系，將所測(cè)氣體的濃度輸出到顯示電路中。同時(shí)其GPIO要留出足夠的引腳用來(lái)與顯示電路進(jìn)行并行連接，以及中斷處理，人機(jī)聯(lián)系按鍵，量程控制引腳等等。本裝置中主要應(yīng)用了LPC2131的以下四局部功能，A/D轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)靜態(tài)RAM、UART。其引腳圖如圖3-6所示。圖3-6 LPC2131引腳圖引腳排列如圖3-7所示。各引腳功能如下：圖3-7 nRF403 的引腳圖XC1：晶振輸入；XC2：晶振輸出；這里采用4MHz 基準(zhǔn)晶振(與MCU 共享)。VDD：芯片電源， +2. 7 - + 3. 6V，

49、,一般取3V。VSS：電源接地端。FILT1：環(huán)路濾波器。VCO1、VCO2：輸入電感。DIN：數(shù)據(jù)輸入。DOUT：數(shù)據(jù)輸出。RF-PWR ：發(fā)射功率調(diào)節(jié)輸入端。FREQ ：頻道選擇端，F(xiàn)REQ = 0 時(shí)，頻段為433. 92MHz ；FREQ = 1 那么頻段為315. 16MHz。ANT1、ANT2 ：收發(fā)天線終端。PWR-UP ：節(jié)電控制輸入端，取值為1時(shí)，處于工作狀態(tài)；取值為0時(shí)，處于待機(jī)狀態(tài)(休眠模式 3.4 串行接口電路本裝置測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)串口線將數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，所以需要接口讓LPC2131 和上位機(jī)進(jìn)行通信。目前，通信方式主要分為兩種：串行通信RS-232C、RS-42

50、2A、RS-485、USB和并行通信，其中并行通信和USB標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率較快，適用于數(shù)據(jù)量較大對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合；RS-422A和RS-485 傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制場(chǎng)合的遠(yuǎn)距離多機(jī)之間通訊；RS-232C傳輸速率較低最大為20kbit/s，傳輸距離相對(duì)較短最大距離為30m，且只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊，但其電路簡(jiǎn)單，本錢(qián)低廉，比擬適合要求不高的場(chǎng)合。串行通信又分為異步通信和同步通信。本系統(tǒng)采用異步通信，8位可變波特率傳輸方式，選用波特率為115200。由于LPC2131 是3.3V供電，所以要使用SP3232E進(jìn)行RS-232 電平轉(zhuǎn)換。SP3232E是3V工作電源的RS-23

51、2 轉(zhuǎn)換芯片。電路圖如圖3-8 所示。圖3-8 串行接口電路3.5 顯示模塊電路本設(shè)計(jì)中采用兩種方式進(jìn)行顯示：液晶顯示和上位機(jī)顯示。其中液晶顯示選擇用RT-12864液晶顯示器，可以直觀地顯示出當(dāng)前被測(cè)氣體濃度，除能顯示數(shù)字外還可以顯示漢字。同時(shí)用戶可根據(jù)需要，利用LPC2131的UART串口，通過(guò)串口線與上位機(jī)相連，利用上位機(jī)顯示，使人機(jī)界面變得更加友好。當(dāng)被測(cè)氣體濃度超過(guò)警戒線時(shí)，智能傳感器通過(guò)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警，同時(shí)顯示中也會(huì)給出警示信號(hào)，提示用戶做出相應(yīng)的處理。以下主要介紹12864液晶顯示方式。RT12864-16是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及12864全點(diǎn)陣

52、液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示84個(gè)(1616點(diǎn)陣)漢字。RT128-64的主要技術(shù)參數(shù)和性能：1、電源VDD：+5V；2、顯示內(nèi)容：128(列)64(行)點(diǎn)；3、全屏幕點(diǎn)陣；4、七種指令；5、與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線；6、占空比1/64；7、工作溫度：-10 +60存儲(chǔ)溫度:-20+70。其硬件構(gòu)成結(jié)構(gòu)框圖如圖3-9所示。IC3為行驅(qū)動(dòng)器。IC1、IC2為列驅(qū)動(dòng)器。圖3-9 12864的結(jié)構(gòu)框圖RT12864-16工作過(guò)程可簡(jiǎn)析為：液晶顯示模塊經(jīng)數(shù)據(jù)總線接收外部微處理器MCU發(fā)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)，并存入內(nèi)部的指和數(shù)據(jù)存放器中，在這些指令的控制下，行、列驅(qū)動(dòng)

53、器對(duì)128*64點(diǎn)陣的LCD顯示屏進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)所需信息的顯示。RT12864-16液晶顯示模塊的各外部引腳名稱、功能和用法如表3-2所示。表3-2 管腳及功能描述在本裝置中，為了獲得友好的界面和方便裝置的使用，采用漢字顯示方式，漢字代碼的獲取采用取字模軟件，將每個(gè)漢字的代碼記錄在CAT1025中，在使用時(shí)調(diào)取。LPC2131具有32個(gè)GPIO口P0.0P0.31，沒(méi)有外部總線，大多GPIO口是復(fù)用口，所以它一般不適合連接大屏幕液晶顯示器，但驅(qū)動(dòng)小規(guī)模液晶模塊進(jìn)行工業(yè)控制上的參量顯示還是非常適宜的。在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序之前還必須了解LPC的GPIO存放器的配置，GPIO包含四個(gè)存放器，如表3-3

54、所列。表3-3 配置GPIO口的四個(gè)存放器液晶RT128-64與LPC2131的連接電路如圖3-10：圖3-10 RT128-64與LPC2131的連接電路3.6 無(wú)線收發(fā)電路在收發(fā)芯片的選擇上，經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)智能氣敏傳感器的綜合考慮，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用，效率及穩(wěn)定性能方面我們選擇了挪威Nordic 公司的一體化無(wú)線收發(fā)芯片nRF403。nRF403 工作在433 或315MHz 國(guó)際上通用的ISM 頻段,雙工作頻段可以自由切換,FSK 調(diào)制解調(diào),采用直接數(shù)字合成DSS 和鎖相環(huán)穩(wěn)頻PLL 進(jìn)行頻率合成,頻率穩(wěn)定性好,發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)方向性要求,在高速移動(dòng)和振動(dòng)等情況有抗干擾能力。3.6.1 nRF403 芯

55、片的介紹本系統(tǒng)的收發(fā)模塊采用挪威Nordic 公司的一體化無(wú)線收發(fā)芯片nRF403。nRF403 是目前低功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇，可廣泛用于車(chē)輛監(jiān)控、遙測(cè)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、非接觸RF 智能卡、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、平安防火系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、無(wú)線232 數(shù)據(jù)通信、無(wú)線485/422 數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、圖像傳輸?shù)?。其主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表3-4所示。芯片內(nèi)包含有功率放大器(PA)，低噪聲接收放大器(LNA)，晶體振蕩器(OSC)，鎖相環(huán)( PLL ) , 壓控振蕩器(VCO)，混頻器(MIXER)等電路。在接收模式中，nRF403是被配置成傳統(tǒng)的外差式接收

56、機(jī)。RF輸入信號(hào)被LNA放大，經(jīng)由MIXER變成中頻(IF)。在中頻級(jí)，這個(gè)被變換的信號(hào)在送入解調(diào)器(DEM)濾波。整個(gè)過(guò)程的頻率穩(wěn)定性極好。在發(fā)射模式中,VCO 的輸出信號(hào)是直接送入到PA ，RF 輸出是被送至DIN 端，然后經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)FSK(頻移鍵控)編碼發(fā)射出去。FSK編碼在工業(yè)設(shè)計(jì)中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，它抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)制解調(diào)技術(shù)成熟，且實(shí)現(xiàn)方便。接收靈敏度為 -105dBm ，發(fā)射功率僅為10dBm。表3-4RF403 主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)表3-4RF403 主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)3.6.2 nRF403 芯片電路氣敏傳感器的無(wú)線收發(fā)過(guò)程可簡(jiǎn)單的描述為：氣敏傳感器通過(guò)敏感元件感受氣體濃度變化，并

57、經(jīng)過(guò)測(cè)量電路產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)變化，控制電路將電壓信號(hào)通過(guò)串口傳送給微處理器，微處理器接收數(shù)據(jù)后，將需發(fā)送的數(shù)據(jù)(這里包括目標(biāo)設(shè)備地址和所要發(fā)送的數(shù)據(jù)) 通過(guò)SPI 接口發(fā)送給nRF403，nRF403 將數(shù)據(jù)加前導(dǎo)碼和CRC 碼，將數(shù)據(jù)包發(fā)送。當(dāng)nRF403 接收到有效數(shù)據(jù)后，通過(guò)SPI 接口從nRF403 中讀出接收數(shù)據(jù)，然后通過(guò)USART 傳送給LCD 顯示或PC 機(jī)等其他外部設(shè)備。軟件功能模塊由CPU 存放器初始化、串行口初始化、串口收發(fā)送程序、SPI 初始化、SPI 收發(fā)送程序、I/O 口初始化、nRF403 配置存放器操作、nRF403 接收程序、發(fā)送程序、主程序模塊組成。nRF4

58、03 無(wú)線收發(fā)模塊的硬件連接圖如以下圖3-11示。圖3-11nRF403 無(wú)線收發(fā)模塊3.7 JATG接口電路本裝置使用JATG接口下載程序到Flash。EasyJTAG仿真器可支持LPC2000系列ARM7微控制器的片內(nèi)Flash下載，這樣就可以使用該功能將程序下載到Flash里，以便脫機(jī)運(yùn)行。JTAG電路的原理圖如圖3-12示：圖3-12LPC2131的JTAG電路原理第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件電路搭建完畢后，就要下載驅(qū)動(dòng)程序到LPC2131的片內(nèi)Flash中，使MCU運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)所需的功能。在本設(shè)計(jì)中程序編寫(xiě)調(diào)試在ADSARM Developer Suite1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成，采用E

59、asyJTAG仿真器燒寫(xiě)程序。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4-1所示。圖4-1 總流程圖4.1 A/D轉(zhuǎn)換程序本裝置采用的是LPC2131自帶的A/D轉(zhuǎn)換器。LPC2131擁有1個(gè)10位8路A/D轉(zhuǎn)換器。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的方式非常靈活，既可以單路軟件啟動(dòng)，也可以設(shè)置為BURST模式對(duì)某幾路信號(hào)逐個(gè)循環(huán)采樣。本系統(tǒng)中采用單路軟件啟動(dòng)。程序流程圖如圖4-2所示。采集到的數(shù)據(jù)送入處理器進(jìn)行計(jì)算后，通過(guò)異步通信口UART0，由上位機(jī)顯示。串口通信程序采用的是查詢方式，流程圖如圖4-3所示。以下為單通道AD轉(zhuǎn)換，通過(guò)上位機(jī)顯示程序：圖4-2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖圖4-3 串口通信流程圖A/D轉(zhuǎn)換源程序：#includ

60、e config.hvoid DelayNS (uint32 dly)uint32 i;for ( ; dly0; dly-)for (i=0; i= 80)x = 0;y+;int main (void)uint32 ADC_Data;char str20;PINSEL0 = 0 x00000005; / 管腳連接串口PINSEL1 = 1 28; / P0.30連接到AD0.3UART0_Init();AD0CR = (1 3) | / SEL=8,選擇通道3(Fpclk / 1000000 - 1) 8) | / CLKDIV=Fpclk/1000000-1,轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為1MHz(0 16