本科毕业设计论文报告.docx

南通大擘本科毕业设计（论文）报告题目基于无线通信的织布机状态监测装置设计学生姓名：金选专业：通信工程指导教师：许鹏完成日期：2023年5月19日诚信承诺书本人承诺：所呈交的毕业设计是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，其中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：H期：2023.05.19本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）学生签名：指导教师签名：日期：2023.05.19在实际生产中，只有正常运行的设备才能满足生产需求，才能保障产品的生产效率和质量，因此保障设备的正常运行状态变得越来越重要。目前常见的织布机自动化程度较高,但很少提供数据采集接口，无法对织布生产状态进行实时采集与监测，而且随着设备状态监测技术的不断创新和发展，传统的通信技术已经难以满足实际监测需求，当务之急是充分利用现代先进的无线通信技术，来实现对织布机运行状态的有效监测。本课题以STCl5处理器为核心，硬件还包括电流互感器、接近开关、电压监测模块、按键模块、无线通信模块，以及RTC等。通过上述硬件组成，结合具有低功耗、窄带、远距离等特点的LORa无线通信技术，经过编程开发，对织布机的用电情况、工作状态及报警信息进行实时监测并上传至云平台，实现对织布机状态的远程监测功能。当监测数据异常时，管理人员可以识别到对应ID号的织布机，便于修复异常。本课题根据生产实际需求，通过该状态监测装置获取织布机工作状态，提升了企业管理水平，具有较好的应用前景。关键词：织布机；状态监测；单片机；云平台ABSTRACTInactualproduction,onlydevicesthatoperatenormallycanmeetproductionrequirementsandensuretheproductivityandqualityofproducts.Therefore,ensuringthenormaloperationofequipmenthasbecomeincreasinglyimportant.Currently,weavingmachineshaveahighdegreeofautomation,butfewprovidedataacquisitioninterfaces,makingitimpossibletomonitortheproductionstatusofweavinginreal-time.Inaddition,withthecontinuousinnovationanddevelopmentofequipmentstatusmonitoringtechnology,traditionalcommunicationtechnologyisnolongerabletomeetactualmonitoringneeds.Therefore,itisurgenttofullyutilizemodernadvancedwirelesscommunicationtechnologytoachieveeffectivemonitoringoftheoperatingstatusofweavingmachines.Thisproject,whichusestheSTC15processorasthecorehardware,includescurrenttransformers,proximityswitches,voltagemonitoringmodules,keymodules,wirelesscommunicationmodules,andRTCdevices.BycombiningtheabovehardwarecomponentswithLoRawirelesscommunicationtechnology,whichfeatureslowpowerconsumption,narrowband,long-distancecommunicationandthroughprogramminganddevelopment,remotemonitoringfunctionisspecificfunctionistomonitorthepowerconsumption,workingstatus,andalarminformationoftheweavingmachineinreal-timeanduploadittothecloudabnormalmonitoringdataoccurs,managerscanidentifythecorrespondingIDnumberoftheweavingmachineforrapidtroubleshooting.Basedonpracticalproductionneeds,thisstatusmonitoringdeviceenhancestheenterprise'smanagementcapabilitiesandhasgoodapplicationprospects.Keywords:Weavingmachine,Conditionmonitoring,MCU,LoRawirelesscommunication,CloudplatformABSTRACT第一章绪论1.1 研究背景和意义1.2 发展现状和趋势1.3 本设计的主要工作第二章系统结构2.1 系统整体结构2.2 系统设计方案2.3 系统无线网络结构2.4 本章小结第三章系统硬件设计3.1 系统设计框图3.2 系统芯片的选型3.3 功能模块的选型3.3.1 系统时钟模块3.3.2 系统供电模块3.3.3 光耦电路模块334按键模块3.3.5 电流互感器模块3.3.6 显示模块3.3.7 无线通信模块3.4 PCB设计3.4.1 PCB原理图设计3.4.2 PCB版图设计3.5 本章小结错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。1011111112错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。第四章系统软件设计4.1 系统软件流程图4.2 功能模块设计错误!未定义书签。4.2.1 系统时钟的软件设计错误!未定义书签。4.2.2 AD采集的软件设计194.2.3 按键的软件设计194.2.4 1.CD显示模块的软件设计194.2.5 无线通信模块的软件设计204.3 云平台的界面实现204.4 本章小结错误!未定义书签。第五章系统的调试与实现错误!未定义书签。5.1 系统成品展示错误!未定义书签。5.2 功能测试错误!未定义书签。5.2.1 工作电流监测的功能测试225.2.2 转速监测的功能测试235.2.3 预警信息的功能测试245.2.4 按键的功能测试255.2.5 装置整体的功能测试265.3 云平台界面展示265.4 本章小结27第六章结束语28参考文献29致谢错误!未定义书签。第一章绪论1.1 研究背景和意义在工业化进程不断加快的背景下，为了保证工业生产的顺畅运行，我国越来越重视工业设备的运行状态。在实际生产中，只有正常运行的设备才能满足生产需求，保障产品的生产效率和质量，因此保障设备的正常运行状态变得越来越重要。通过相应的手段对设备运行数据进行整理、分析，以此来对设备运行状态进行判断，这就是设备状态监测。通过状态监测技术，管理人员能够全面掌握设备的实时状态信息，及时发现设备潜在隐患并进行处理，为缩短维修时间提供支持依据，减少人力消耗，进而有效提高设备的管理水平。具体的监测中，不仅应该对设备自身的特征进行充分分析，也应该通过监测对其发展趋势进行判断，以此来预测设备可能会出现的问题，并采取相应的措施进行维护。这种维护可以让设备保持在一个良好的工作状态中，避免由于自身问题或外部影响而导致设备运行停止情况。通过无线通信技术，可实现设备运行状态的无线监测，及时发现设备故障，缩短维修时间，保障设备的安全稳定运行，合理应用通信技术至关重要。随着设备状态监测技术的不断创新和发展，传统的通信技术已经难以满足实际监测需求。在当今的设备状态监测中，应加大力度进行无线通信技术的应用研究，充分利用现代先进的无线通信技术，使其发挥出更加充分的作用与优势，进一步提升设备状态的远程无线监测质量。无线通信技术分为近距离无线通信技术和广域网无线通信技术两种，随着物联网业务的发展以及相关技术的进步，低功耗广域物联网技术LPWAN(LoW-PowerWide-AreaNetwork)快速兴起。LPWAN技术能够实现大范围低成本的全区域覆盖，是一种专为需要低带宽、超低功耗、远距离传输、大量连接的物联网应用而设计的通信技术。针对工业现场实际需求，需要对多种无线通信技术的特点进行比较，目前应用最广泛的LPWAN技术包括LORa和NB-IOT。经过分析比较后，决定在织布机状态监测系统中采用LORa技术。LORa技术是一种无线数据传输技术，工作在IGHz以下的非授权频段，通过采用线性调频技术，牺牲频谱利用率，LoRa技术实现了良好的信号穿透能力和网络接入距离。同时它拥有超长的通信距离以及超低功耗，灵敏度可以达到148dbm°LoRa组网采用最低延迟、最简单的星型网络拓扑架构，具有网络层、应用层以及设备的多重加密方式，安全性很高，同时具有超强的抗干扰能力，不同扩频列的终端使用相同的频率依然不会发生干扰。作为物理层技术规范，LoRa技术在物联网应用中得到了广泛的应用。目前常见的织布机自动化程度较高，但很少提供数据采集接口，无法对织布生产状态进行实时采集与监测。本设计以STCl5处理器为核心,硬件还包括电流互感器、接近开关、电压监测模块、按键模块、无线通信模块，以及RTC等。通过上述硬件组成，经过编程开发，对织布机的用电情况、工作状态及报警信息进行实时监测并上传至云平台，实现对织布机状态的远程监测功能。ID号是每个机器特有的编号，当监测数据异常时，管理人员可以识别到对应ID号的织布机，便于修复异常。本课题根据生产实际需求，通过该状态监测装置获取织布机工作状态，提升了企业管理水平，具有较好的应用前景。1.2 发展现状和趋势目前，我国的无线通信技术应用口益成熟，在医疗健康、煤矿开采、农业养殖等场景均有借助无线通信技术实现设备状态监测的身影。物联网是新一代信息技术的高度集成与综合运用，其应用与发展有利于促进生产生活和社会管理方式向智能化、精细化、网络化方向转变网。利用移动终端与无线网络连接，医生可以通过实时视频会诊，为患者提供远程医疗服务，又如现今流行的运动手环等可穿戴式健康测量设备，也是一种典型的物联网系统的应用，它可以实现心率、血氧饱和度、步数等实时监测，结合定位信息通过4G网络发送到云平台，后端数据库进行管理，最后提取到手机客户端小程序或电脑端显示，能够实现对使用者健康状况的长期监控和管理；同时物联网在矿区也投入使用，利用物联网技术可以建立无线传感器网络，对煤矿的各项数据进行实时监测和录取，如温度、氧气浓度、二氧化碳浓度、风速等参数，可根据数据分析实现对煤矿工作环境的智能化控制，实现井下多源信息的采集融合，在一定程度上缓解了井下信息孤岛的状态，管理人员对煤矿信息能够更加全面、准确、实时地了解，为及时发现排除事故隐患，制定防灾减灾措施提供强力的保障；在果园中，基于物联网的系统能够通过部署在园区中的设备监测果树生长相关的天气、土壤水分等，为农业生产提供更加精细化的管理和优化，同时在养殖场中，管理人员也能实现实时监测养殖环境的温湿度、光照强度等，对于实现智慧养殖有一定意义。根据IoTAnalytiCS机构的预测，2019年到2025年，世界各地连接到物联网的设备数量将保持13%的复合增速，到2025年物联网设备总量将超过300亿网。运用物联网技术实现设备状态监测是物联网应用中非常重要的一个领域，未来这一领域的发展前景非常广阔,具有以下几个方面的特点。市场需求日益增长：随着工业自动化的不断推广，以制造业为主的行业如工业、机械、电力等对设备状态监测的需求不断增加。由于设备故障常常会导致生产线停车、损失产值等问题，因此企业需要及时有效地监测设备的健康状态。这种需求的提高促进了物联网技术在设备状态监测中的应用。技术不断创新：物联网技术目前己经广泛应用，设备状态监测也在逐渐从单一的传感器向网络化、复杂系统智能化转型。通过借助人工智能和大数据技术的支持，可以实现更加精细化的设备状态分析和预测，及时发出警报并采取对应的补救措施。应用场景不断丰富：物联网技术在设备状态监测中的应用场景不断扩展，不仅可以应用于传统的工业制造、设备维护等领域，而且还能够应用于各种智能家居、智慧城市、医疗健康等领域。未来，随着新型物联网技术的融入，设备状态监测将会更加自动化、高效化和便捷化。总而言之，运用物联网技术实现设备状态监测的发展前景非常广阔，未来将会逐步实现设备数据的全方位、跨界面、跨系统、跨国界的无缝接入，显著提高设备监测与防范水平，提高对设备正常工作的安全保障能力，让设备管理变得更加高效、智能。1.3 本设计的主要工作随着现代纺织工业的发展，出现了剑杆织机、片梭织机、喷气织机、喷水织机、多相织机、磁力引纬织机等多种形式的无梭织机。目前，无线通信技术应用日益成熟，常见的织布机自动化程度较高，但很少提供数据采集接口，无法对织布生产状态进行实时采集与监测，因此提高对织布机的状态监测水平以及设备自动化、连续化程度具有相当的应用意义。通过对工业现场实际需求的分析，比较多种无线通信技术的特点，选择使用LoRa技术来设计织布机状态监测系统。本文设计了一款采用LoRa技术的织布机状态监测装置，此装置以STel5处理器为核心，硬件还包括电流互感器、接近开关、电压监测模块、按键模块、LORa通信模块，以及RTC等。通过上述硬件组成，经过编程开发，对织布机的用电情况、工作状态及报警信息进行实时监测并上传至云平台，实现对织布机状态的远程监测功能。本文共六章，每章的大致内容如下。第一章是绪论，其主要目的是介绍研究背景和意义，并探讨设备状态监测和无线通信技术的发展现状和趋势。此外，还在该部分中阐述了本项目的主要工作内容。第二章主要介绍了系统的结构安排，包括系统的总体结构、设计思路以及无线网络结构等方面。第三章主要介绍了系统的硬件设计，具体分析了系统硬件框图、系统芯片和功能模块的选择介绍，同时还介绍了PCB设计原理，提供了PCB布局思路。第四章主要介绍了系统的软件设计，具体分析了系统整体的软件设计流程，详细论述了各功能模块的软件设计，同时还介绍了云平台界面的实现。第五章是系统的调试与实现。完成系统的成品展示，各功能的测试和云平台网页界面展示。第六章是对整个项目设计的小结。第二章系统结构2.1 系统整体结构本项目设计了一种采用STC15作为系统处理器的织布机状态监测装置，基于无线通信技术，结合电流互感器、接近开关、电压监测模块、按键模块、无线通信模块、RTC等实现对织布机的用电情况、工作状态及报警信息进行实时监测并上传至云平台。当监测数据异常时，管理人员可以识别到对应编号的织布机，便于修复异常。本设计采用LoRa技术传输数据，并结合无线通信模块将数据上传至云平台，具有抗干扰能力强、传输距离远的特点。系统整体结构如图2.1所示。LoRa无线通信数据采集节点I<vccc数据采集节点2数据采集节点n图2.1织布机状态监测整体结构图2.2 系统设计方案本项目设计目的是对工厂中的织布机进行数据采集，通过电流互感器、接近开关、电压监测等模块采集数据，将数据发送给IAP15F2K61S2进行处理，对织布机的用电情况、工作状态及报警信息进行实时监测并通过无线通信模块把数据上传至云平台，实现对织布机状态的远程监测功能。管理人员可以观测采集到的数据是否异常，同时识别到对应ID号的织布机，以便修复异常，设计思路如图2.2所示。(1)参数采集：结合主控芯片IAPI5F2K61S2配置选用的DS1302时钟芯片并将时间显示在LCD屏上，同时结合AD模块采集到电压信息。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通断目的开关为接近开关，实际应用中，将接近开关安装在齿轮附近，感应物体是否接近开关的感应面，以便测量齿轮的转速，实验室环境下选用光电传感器以及带电机的扇叶来模拟接近开关的功能，利用光电效应来检测物体的存在，一般情况下，发射器发出的光束被接收器接收，当光束被扇叶遮挡阻断时，就会产生控制信号，通过这个过程实现转速的测量。(2)参数处理：对现有的电流互感器进行参数的测量，然后通过其对采集到的电压信息进行处理，根据参数实现电压电流的转换，将电流值显示在LCD屏上。(3)数据通信：LoRa无线通信实现用户MCU的LoRa模块与用于上传云平台的LoRa模块之间的数据传输，然后结合WiFi模块将数据上传至云平台及显示在网页上。通过该状态监测装置获取织布机工作状态，提升了企业管理水平，具有较好的应用前景。(4)云平台：通信模块传输的数据显示在云平台网页界面上，管理人员通过云平台网页实时查看织布机状态，根据己有经验，判断织布机状态是否出现异常。当监测数据异常时，管理人员可以识别到对应ID号的织布机，便于修复异常，数据上传云平台使织布机状态监测设备实时性强、可靠性高。参数采集参数处理数据通信图2.2织布机状态监测装置设计思路框图2.3 系统无线网络结构本项目采用LoRa无线通信实现用户MCU的LoRa模块与用于上传云平台的LoRa模块之间的数据传输，然后结合WiFi模块将数据上传至云平台及显示在网页上，实现对织布机状态的远程监测功能。管理人员可以观测采集到的数据是否异常，同时识别到对应ID号的织布机，以便修复异常。打开LORa设置软件，打开串口选择A、B对应的串口号，然后分别进行配置状态、读取参数、配置上表中的参数、一键设置所有参数等步骤，最后关闭LORa设置软件。本项目选用透传模式，关键在于A、B的速率等级相同（SPD）、信道一致（CH）以及目标地址相同（ADDR）或为广播地址（65535）,实现LORa模块之间的通信后将传输的数据上传到云平台。首先在阿里云物联网平台中进行创建产品、设置产品属性，然后在产品中添加设备，填写完设备名称后完成设备创建。接着在产品详情里进行功能定义，将要显示的数据添加为自定义功能属性。整套装置的无线网络架构如图2.3所示。MCUWH-Ll02AWH-L102B用户图2.3系统无线网络结构图2.4 本章小结本章首先介绍了织布机状态监测装置的硬件部分，包括使用的系统芯片以及各功能模块的选型，同时阐述了各功能模块的作用以及优势。然后介绍了系统芯片、系统供电模块、光耦电路模块、显示模块、无线通信模块的电路设计。同时介绍了版图设计时对于各模块的布局考虑，做出合理分配，有效避免干扰。第三章系统硬件设计3.1 系统设计框图系统的硬件部分包括IAP15F2K61S2主控芯片、电流互感器、接近开关、电压监测模块、按键模块、LoRa通信模块以及RTC,装置直接连接来自供电电网的交流电，采用DC电源将220V、50HZ的交流电转换为直流电。系统设计框图如图3.1所示。织布机转速织布机预警信息织布机工作电流图3.1系统设计框图3.2 系统芯片的选型本项目选用的主控芯片为IAP15F2K61S2,如图3.2所示,封装类型为LQFP贴片封装,管脚数为44。以其为主控芯片的单片机为1T8051单片机，在相同工作频率时，该单片机速度是普通8051单片机的812倍，其SRAM空间大小为2K(2048)字节，程序空间大小为61K,具有内部EEPROM、A/D转换、CCP/PCA/PWM功能，同时具有3个USART串行口，包括两组高速异步串行通信端口。图3.2IAPI5F2K61S2LQFP44芯片实物图3.3 功能模块的选型3.3.1 系统时钟模块本项目选用DS1302时钟芯片，该芯片是由美国DALLAS公司推出的一款低功耗实时时钟芯片，具有涓细电流充电能力。除了能对年、月、周、日、时、分、秒进行计时外,还具备闰年补偿等多种功能°DS1302时钟芯片包含一个时钟/日历和31字节的静态RAM,若想与之通信，可以通过串行接口连接主控MCU实现。该芯片具备时间计算准确、断电后不失真、操作方便等优点，适用于多种应用场景。DS1302时钟模块实物如图3.3所示,引脚说明如表3.1所示。ClR2FIGNO7sclkHUCCl:rvcc2:,空一恒刊IC图3.3DS1302时钟模块实物图表3.1DS1302模块引脚说明引脚号丝印名称注释1VCC2主电源工作电源2Xl振荡源夕卜接32.768kHz晶振3X2振荡源外接32.768kHz晶振4GND地接地5RST复位信号/片选信号接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；高电平时初始化所有数据传送，低电平时终止此次数据传送。6I/O双向数据线数据输入输出7SCLK时钟输入低电平时才能置RST为高电平8VCCl后备电源主电源关闭也能保持时钟连续运行3.3.2 系统供电模块本装置直连额定输出电压为12V的电源适配器，经12V转5V电路转换电压对单片机进行供电。由于部分模块如LoRa模块的使用要求，电路中也设计了其他电压转换电路，如5V转3.3V电路。本项目选用7805线性三端稳压器来实现12V转5V的电路,该稳压器对输入电压的要求不大于35V,输出电压范围为4.8V-5.2V,输入输出压差为2V,最大输出电流可达1.5A。7805稳压器只有三条引脚：输入端、接地端和输出端。同时具有热过载保护、短路保护、原理简单的特点，使用十分方便【助。7805线性三端稳压器实物如图3.4所示。图3.47805线性三端稳压器实物图本项目选用AMSl117-3.3线性稳压器来实现5V转3.3V的电路,它的输入电压要求不大于12V,输出电压范围为3.267-3.333V,在最大输出电流下，它的输入输出压差随着负载电流的减小而逐渐减小并且保证不超过1.3V。AMSl117-3.3线性稳压器只有三条引脚:输入端、接地端和输出端。它通过调整电流限制来实现最大限度地减少稳压器和电源电路过载造成的压力，将参考电压调整到1.5%的误差范围内。AMSlII73.3线性稳压器实物如图3.5所示。图3.5AMSl117-3.3线性三端稳压器实物图333光耦电路模块为了将微处理器控制电路与织布机的市电启动的电机隔离开来，同时结合接近开关实现监测转速以及监测警示灯，本项目设计多个光耦模块，选用PC817光耦合器作为核心组成。它是一种常见的线性光耦合器，由一个红外发射二极管和一个与其光耦合的光电晶体管组成。输入和输出端没有任何物理连接，电信号以光学方式在两端之间传输。由于其体积小而紧凑，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响，可用作控制操作，因此用途广泛。PC817光耦合器实物如图3.6所示，引脚说明如表3.2所示。图3.6PC817光耦合器实物图表3.2PC817光耦合器引脚说明引脚号名称注释1阳极将逻辑信号输入到内部IR2阴极与电路和电源连接到公共地3发射极通过电路和电源建立公共地4集电极在接收到IR信号时传输逻辑输出1.1.4 按键模块本项目设计了四个按键，其中按键1和按键2用于设定当前设备的ID号，按下按键1则ID号加一，按下按键2则ID号减一，按键3和按键4没有实际功能，预留下方便后续的测试与功能添加。1.1.5 电流互感器模块本项目选用ZMCTlO3C电流互感器，也称为0.5A电流互感器，主要实现交流电路中的电流测量。它是一种电气变压器，通过电磁感应原理将电流信号转化为等效的小电流模拟信号输出，变比系数为I(MM):1。采用开口式结构，方便安装和拆卸，采用阻燃材料的外壳以及高质量的磁芯和电线，具有较高的精度和稳定性，能够适应多种工作环境和应用场景。ZMCTIO3C电流互感器模块实物如图3.7所示，引脚说明如表3.3所示。图3.7ZMCT103C电流互感器模块实物图表3.3ZMCTI03C电流互感器模块引脚说明引脚号丝印名称注释1VCC电源接5.0V2OUT输出输出模拟电流3GND地接地4GND地接地1.1.6 显示模块本项目选用LCDI602液晶显示屏，它能够同时显示16x2,共32个字母、数字、符号。LCDl602液晶显示屏的组成包括字符型液晶显示屏、控制驱动主电路HD44780、扩展驱动电路HD44100,还有少量的电阻、电容元件和结构件1川，具有耗电量低、体积小、辐射低等优点。LCDl602液晶显示器实物如图3.8所示，引脚说明如表3.4所示。图3.8LCD1602液晶显示器实物图表3.4LCD1602液晶显示器引脚说明引脚号丝印名称注释1VSS地接地2VDD电源接5.0V3VL液晶显示偏压可外接电位器调整其对比度4RS寄存器选择选择数据/指令寄存器5R/W读/写选择选择读/写操作6E使能信号由高电平跳变为低电平时，执行命令714D0D7双向数据数据15BLA背光源正极16BLK背光源负极1.1.7 无线通信模块本项目选用WHL102L作为LORa无线通信模块，实现装置和网络汇总节点之间的通信。它目前开放的接口包括电源接口、IO、串口、射频接口，通过简单配置，在AT模式下改变其工作模式，信道，地址等。WH-L102-L有三种工作模式，分别为透明传输模式(TransparentTransmissionMode)、点对点传输模式(Point-to-PointTransmissionMode)和LoRaWAN模式(LoRaWANMode)oWH-LIO2-L无线通信模块实物如图3.9所示,引脚说明如表3.5所示。它具有功率密度集中，抗干扰能力强的优势，符合织布机工业现场的实际需求。图3.9WH-L102-L无线通信模块实物图表3.5WH-L102-L无线通信模块引脚说明引脚号丝印名称注释1MO电源拉低3s以上恢免出厂设置2Ml输入引脚休眠模式下降沿唤醒引脚，如使用休眠模式请加IOK上拉电阻3RXUART串口引脚RX信号4TXUART串口引脚TX信号5AUX输出引脚默认输出高电平6VCC电源接5.0V7GND地接地8-10NC空引脚悬空3.4 PCB设计PCB设计是本项目开发的重要一环，其设计质量不仅关系到织布机状态监测装置性能的稳定性和可靠性，还直接影响到生产成本和市场竞争力。在版图设计时，一般分模块集成化来设计，综合考虑成本、信号传输性能和布局规划，需要预先设定好整个PCB板的大概尺寸，根据各模块大小适当调整整体尺寸，并预留设计装置的整体布局和各模块的摆放位置，此外还要计算线宽，制定版图的规则。3.4.1 PCB原理图设计织布机状态监测装置的PCB原理图主要包括IAP15F2K61S2相关电路、电流互感器模块、供电以及电路转换模块、光耦电路、LoRa无线通信模块、时钟芯片等模块电路。其中电流互感器的输出端接入主控MCU的ADC输入进行采样，将所用的ADC引脚引出，如图3.10所示，图中还包括RST复位电路以及主芯片的核心电路。43C-Io65; 654*WowIgrl25ilokopdEOnyssnx4/0Soil4/耳/OSllIGInXd937o.:DVJUrF* 强偏编50.l23.4' M.P3.P3,P3,P3.P3.nnx/cZOWEl/9 CdrtIISOlVInymelAa rio,SIe2<e!J* IIsm图3.10电流互感器模块采样、RST复位电路以及主芯片核心电路原理图电源电路包括电源指示灯、双刀双掷开关和电源接口。本装置直连额定输出电压为12V的电源适配器，经以7805线性三端稳压器为主要组成部分的12V转5V电路转换电压，对单片机进行供电。图中VeCA为电源适配器输出端的12V,VCC2为双刀双掷开关隔开VCCA的电压，开关连接时一般也为12V,VCC为5V。电源指示灯在设备接入电源时长亮，双刀双掷开关耐用性高，可承受高达500mA的电流，可以在50V的电压下正常工作。电源电路如图3.11所示。Sl图3.11电源电路原理图为了提供安全可靠的电气隔离和信号隔离，将微处理器控制电路与织布机的市电启动的电机隔离开来，设计使用多个光耦电路。同时与接近开关结合实现监测转速，其余三个辅助实现监测警示灯，并引出部分端口到排针，增加其工作范围和灵活性，实现更高的信号隔离效果“叫光耦电路模块如图3.12所示。图3.12光耦电路模块原理图设计了四个按键，其中按键1和按键2用于设定当前设备的ID号，按下按键1则ID号加一，按下按键2则ID号减一，按键3和按键4没有实际功能，预留下方便后续的测试与功能添加，按键模块如图3.13所示。K4SW-PBGND按键图3.13按键模块原理图1.CDI602液晶显示屏的工作电压为5V,在电源线上设置适当的滤波电路，以减少电源噪声，同时它可以通过一个可调电位器来调节液晶显示模块的偏置电压，以此来改变显示对比度，使屏幕显示更为清晰。考虑到LCDI602液晶显示屏的尺寸，需要确定它在PCB板上的布局位置和大小，为其留出足够的空间。LCDI602液晶显示屏相关电路如图3.14所示。VCCGND1.CDl602接口图3.14LCD1602液晶显示屏相关电路原理图在DS1302时钟模块原理图设计中加入一个CR2032锂电池，作为备份电源，以确保时钟模块始终具有可靠的备份电源，同时增加晶振电路来提供基准频率，包括晶振和2个负载电容器。DS1302时钟模块相关电路如图3.15所示。DS1302时钟模块§ _N BATTERY4S >14图3.15 DS1302时钟模块相关电路原理图无线通信LORa模块串口电平是3.3V,模块和外部进行串口通信时要保证电平匹配。因此，使用AMSl117-3.3芯片将工作电压稳定至3.3V给其供电。硬件设计时还设计了TTL转换电路，目的是将单片机输出的数字信号转换为TTL电平,从而与LoRa模块进行通信。LORa模块通常使用串行通信接口（如SPl或UART）,而单片机通常只能提供数字输出信号，因此，需要将单片机的数字信号转换为TrL电平，才能与LoRa模块进行通信。LoRa模块相关电路如图3.16所示。3.4.2 PCB版图设计首先设定好整个PCB尺寸，根据各模块大小适当调整整体尺寸，然后设计装置的整体布局，分配各模块的位置。将主芯片相关电路放在中间，电路尽可能短，避免复杂的布局形式，同时周围应保留一定的空间，以便进行散热；电源模块放置于PCB板左下侧，便于连接电源，与主芯片和其他器件之间进行隔离，避免干扰；LCDI602液晶显示屏放置于PCB板中上方，避免干扰其他的电路，根据尺寸预留出合适的位置，信号线应该尽可能短,降低信号干扰和损失；无线通信模块与其他部分之间的距离要合适，尽量减少信号干扰“4】。具体的PCB布局如图3.17所示。图3.17PCB布局图3.5 本章小结本章主要介绍了系统的硬件部分，首先介绍了系统的整体设计框图，然后详细分析了系统芯片的选择，按顺序依次介绍了各功能模块的作用和特点。然后论述了各功能模块的PCB原理图设计，最后介绍了PCB整体的布局考虑，分配各模块的位置，避免复杂的布局形式，提高散热，降低信号干扰和损失。第四章系统软件设计4.1 系统软件流程图终端模块中的各种功能模块都可以通过子程序实现。功能子程序包括:AD采集、UART程序、按键、LCD显示、无线通信程序。首先进行MCU时钟和各功能模块初始化，将采集到的数据发送给IAP15F2K61S2并进行处理，然后通过无线通信模块将处理后的参数上传至云平台口叫系统的软件流程图如图4.1所示。图4.1系统流程图4.2 功能模块设计4.2.1 系统时钟的软件设计本项目选用DS1302时钟芯片，首先要在工程里引入DS1302.h和DS1302.c库文件，对进行初始化，定义DS1302_Time数组存放时间初始值，读取时间后显示出来。DS1302的部分相关程序如下。sbitDS1302_SCLK=P12;sbitDS1302JO=P13;sbit DS1302-CE = P14;定义DS1302引脚voidDS13O2_Init(void)DS1302.CE=0;DS1302.SCLK=0;)/初始化422AD采集的软件设计本项目在设计时，选用的是STel5微处理器自带的10位ADC模数转换器，首先要在工程里引入ADCh和ADCx库文件。通过调用ADC初始化程序来采集引脚的AD输入,再经过数据处理得到输出的电压值。ADC初始化的部分程序如下。#define ADC_POWER 0x80#define ADC.START 0x08#define ADC-FLAG Ox 10#define ADC.SPEED 0x40#define ADRJ 0x20#defineAD_PI_0 0x00打开ADC转化器电源/ADC开始控制位/ADC完成标志位180个时钟周期转换一次/ADRJ = 1/P1.0为AD输入ADC-CONTr=ADC-POWErIADC-SPEEdIAD_P1_O;/设置AD电源开启、转速速度设置、AD输入端口ADC.CONTR=ADC.CONTRIADcLSTART;开始AD转换4.2.3 按键的软件设计本项目实际使用了两个按键,实现对当前设备ID号的设置。首先要在工程里引入Key.h和Key.c库文件，对按键进行松手检测，然后对按键功