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一种基于PIC单片机的便携式磁记忆检测仪(06-100)
引言
金属构件和零部件发生损坏的主要原因，是各种微观和宏观机械应力集中导致疲劳失效，其基本特征表现为材料在低于静强度极限的交变应力持续作用下，生成多种类型的微观内部缺陷，并逐渐演化为宏观裂纹，裂纹扩展最终导致结构破坏。
因此，进行疲劳分析，有效评价应力变形状况，测定未来裂缝发展的位置、大小和方向，成为评价金属零部件与构件结构强度和可靠性的一个重要依据。
为了及时准确的找出最大机械应力变形区域，20 世纪90 年代后期，以杜波夫为代表的俄罗斯学者率先提出一种崭新的诊断技术金属磁记忆检测。
本文采用PIC 单片机，设计了高性价比的便携式磁记忆检测仪，具有低成本、低功耗和快速检测等特点，可以满足各种场合，特别是难以到达部位的应力集中区检测。
磁记忆检测
铁磁学研究表明，当弹性应力作用于铁磁材料时，铁磁体不但会产生弹性应变，还会产生磁致伸缩性质的应变，改变其自发磁化的方向，这就是磁弹性效应。
根据实际存在的状态必定是能量最小的状态原则，由于磁机械效应的作用引起工件内部的磁畴重新取向排列，以增加磁弹性能的形式来抵消应力能的增加，结果在铁磁工件内部产生的磁场强度将高于地球磁场强度，在应力集中区，形成类似缺陷的漏磁场分布形式，磁场的切向分量Hp(x)为最大值，而法向分量Hp(y)在应力集中线两侧符号发生变化，应力集中线处有过零点。
磁记忆检测技术，是基于磁记忆效应原理的全新无损检测方式。
磁记忆检测技术在地磁环境下，通过对铁磁材料所制成的工件表面散射磁场法向分量Hp(y)的测量，确定工件应力集中区域，从而有效预测缺陷发生的区域。
磁记忆检测仪的硬件设计。
基于PIC单片机的智能检测装置
刘涛; 宋仲康; 熊珂
【期刊名称】《《可编程控制器与工厂自动化(PLC FA)》》
【年(卷),期】2007(000)001
【摘要】本文设计了一种基于单片机PIC的智能检测装置,该装置采用平均滑动滤波技术对输入信号进行滤波从而提高输入信号的精确度,对超越限度的信号进行报警显示,及时通知现场工作人员,确保生产安全。
【总页数】3页(P80-82)
【作者】刘涛; 宋仲康; 熊珂
【作者单位】武汉理工大学自动化学院; 湖北工业大学电气与电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于Arduino和PIC单片机智能小车平台的研究与设计 [J], 章杰瑞;周屹
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基于PIC单片机的便携式测试记录仪设计基于PIC单片机的便携式测试记录仪设计基于ＰＩＣ单片机的便携式测试记录仪（以下简称记录仪）既有一般数据采集装置的实时采集与保存功能，同时又能够对采集数据进行实时处理、显示和打印。
适用于对采集速度要求不高、交流供电比较困难以及无须长期留人值班的场合。
以追求高可靠、低功耗、小体积设计思想的本记录仪具有如下功能对现场物理量进行实时采集、保存、处理与显示；自动识别现场安装的传感器数量、传感器号和量程；自动和手动两种采集方式，自动采集适用于长期无人值班的固定场合，手动采集便于对分布在不同区域的物理量进行测试；与ＰＣ机通讯，可根据需要将采集数据下载至ＰＣ数据库；实时打印；自检功能，避免了系统运行过程中可能遇到本身无法容错处理的异常事件而导致的死机现象。
１硬件设计１．１总体设计原则根据高可靠、低功耗、小体积的设计思想及应用对象几乎对采集速度无要求（此处指系统本身的采集速度已远远超过实际应用要求）的特性，总体设计原则是元器件采用低功耗、宽范围工作电源的ＣＭＯＳ集成电路；总线采用口线少的串行总线；允许情况下，尽量用软件实现硬件功能，用中断代替查询工作方式；一旦系统空闲则立即使其进入低功耗休眠状态，当需要时再用外部中断予以唤醒。
１．２硬件组成根据总体设计原则，硬件组成如图１所示。
其中单片机为美国ＭｉｃｒｏＣｈｉｐ公司的中档产品ＰＩＣ１６Ｃ７４，＋５Ｖ供电、４ＭＨｚ主频时功耗低于２ｍＡ；Ｅ２ＰＲＯＭ存储阵列由超低工作电压（＋２．５Ｖ～＋５．５Ｖ）、具有可编程选择多种特性的８ＫＢ智能化电可擦除存贮器２４ＬＣ６５芯片组成。
其中，０＃为传感器识别片（以下简称识别片），保存现场实际安装的传感器数量、传感器号及量程。
该芯片被设计在放大器板上，永久安装于现场。
传感器号由４位数字组成，前２位表示组号，后２位表示传感器组内号。
１＃为字典片，分为三个存储区第一存储区被设置成高寿命写入区，保存表头参数，如疵点单元计数器、记录计数器、记录指针、自动采集时间等；第二存贮区为字典区，保存传感器修正系数、实时打印所涉及的汉字国标码等，查找时以传感器号为关键字进行指针定位；第三存储区被定义为疵点单元地址队列，保存在写过程中遇到的疵点单元地址。
基于单片机的行车记录仪的设计DESIGN OF DRIVING RECORDER BASED ON MICROCOMPUTER摘要行车记录仪是安装在汽车上的一种装置，他就像飞机上的黑匣子，可以随时记录车辆的行驶状态和在道路情况，也可以时时的提醒开车人的交通状况，让开车人小心驾驶，避免交通事故，在发生一些交通事故时，还可以调取记录仪记录的信息做为交通事故发生时的证据，保障受害人的权益。
随着社会经济的快速发展，汽车已经成为人们出行必不可少的交通工具，与之而来的交通事故也逐年呈现出上升趋势，如果使用行车记录仪的话,就可以有效的遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章行为，避免一些不必要的灾难。
因此，行车记录仪的出现极大的降低了交通事故的发生率。
就目前来说，无论是国内还是国外，对记录仪的研究还都没有达到一个很成熟的地步，或者是技术水平不够，不能够得到让人满意的效果，或者是费用过高，不能有一个让大众可以接受的产品价格，因此现在记录仪还没有普及到每一辆汽车中，只是在一些长途客车上少量的使用，因此对记录仪的研发还有很长的一段路要走。
本毕业设计所设计的行车记录仪不追求市场上那种强大的功能，它基于单片机进行设计。
通过GPS模块的天线接收数据，将数据通过GPS模块处理后传入单片机中，在单片机中将GPS数据解析为可识别的数据，然后连接液晶显示将信息显示出来。
可以实时的显示车辆的位置信息与车辆的行驶状态。
本文中详细介绍了单片机的各个引脚功能以及如何实现和其他设备之间的通信。
对于GPS模块，详细的介绍了GPS模块的工作原理以及如何对接收到的信号进行解析，最后详细的介绍了如何借助软件对解析完的数据进行处理并在液晶屏中显示，以及如何通过键盘切换液晶屏显示的内容，最终实现记录仪所要完成的功能，即实时记录车辆的位置与行驶状态。
关键字：行车记录仪；GPS模块；黑匣子ABSTRACTCar driving recorder is a device which is mounted in the car, just like the black box in the airplane, not only can which record the car’s running state and the problem coming from the road, but also can constantly remind the driver noticing the traffic condition, let the driver to drive carefully, in order to avoid the traffic accident. in the event of traffic accidents, It can also get recording information obtaining from the recorder for traffic accide nt’s evidence, safeguard the rights of the victims. With the rapid development of social economy, the automobile has become the people's travel indispensable communication tool, with the traffic accident also showed a rising trend year by year, if the use of the recorder, you can curb fatigue driving, speeding and other traffic violations effectively avoid some unnecessary disaster, therefore, vehicle traveling data recorder has greatly reduced the incidence of traffic accidents.At present, whether domestic or foreign, study of the recorder are still not reached a very mature stage, whether technical level is not enough, can not obtain satisfactory results or the cost is too high, can not let the public to accept the price of the product, so now recorder has not spread to every car, just in the use of a small amount of long-distance bus, so the study towards the recorder has a long way to go.In this article, mainly introduces the design of vehicle traveling data recorder based on MCU. Data is received by the antenna of the GPS module and then it through the GPS module was introduced into the MCU. In the micro-controller, the GPS data is translated for the identifiable data, then display information in the LCD.It can display the position information and the vehicle driving state of vehicle in real-time. This paper introduces in detail the communication between MCU each pin function and how to achieve the communication with other equipments. For the GPS module, describing in detail the working principle of GPS module and how to translate the received signal to the identifiable data.Finally a detailed description of how to use the software to process the data parsed and displayed on the LCD screen, and how to use keyboard switching liquid crystal display screen content, finally realizes the recorder to complete the functions, real-time record the position of the vehicle and driving state.Keywords：Car driving recorder；GPS module；the black box目录第一章绪论 (1)第一节行车记录仪的简介及研究的目的和意义 (1)第二节国内外在该方向的研究现状 (2)第二章行车记录仪系统的总体方案设计 (4)第一节行车记录仪的主要功能与系统组成 (4)第二节主要控制芯片的选择 (4)第三章行车记录仪系统的硬件设计 (7)第一节单片机模块 (7)第二节GPS模块 (11)第三节存储模块 (18)第四节液晶显示模块的硬件设计 (19)第五节键盘模块 (20)第四章行车记录仪系统的软件设计 (22)第一节编程语言的选择 (22)第二节主程序的设计 (23)第三节GPS接收模块的软件设计 (24)第四节数据存储模块的软件设计 (25)第五节键盘和液晶显示模块的软件设计 (26)结论 (27)致谢 (29)参考文献： (30)附录 (31)天津科技大学2013届本科生毕业设计第一章绪论近年来随着我国科技的发展以及国民经济的快速提高,道路交通事故逐年呈现出上升趋势,尤其是长途客运车辆的重、特大道路交通事故频频发生,给国家和人民生命财产带来了巨大损失。
基于PIC单片机设计的电阻测试仪作者：荣华良寇继磊来源：《科教导刊·电子版》2014年第34期摘要在科学研究和工程实践中，对许多物理量的研究都是以电阻值测量为基础。
本次设计利用Microchip公司所生产的PIC16F877实现对电阻的测量。
测量结果采用1602液晶显示屏实时显示，实现测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。
关键词 Microchip 电阻测试仪 1602液晶显示屏中图分类号：TP368.1 文献标识码：A1系统方案1.1直流恒流源测量法恒流源，是一种能向负载提供恒定电流的电源装置，它在外界电网电源产生波动和阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定。
采用直流恒流源测量电阻，其测量思路是：由于直流恒流源电流通过电阻，经信号调理后进行信号采集，然后输出显示。
由于通常的直流恒流源电流较小，对于微电阻的测量，信号电压会淹没在噪声中无法提取，所以先应进行恒流源扩展，使其大到信号能提取出来，接着进行信号调理中的信号放大，然后进行信号采集和A/D转换，最后显示测量结果，测量电路框图如图1。
图1：直流恒流源测量电阻流程图1.2 直流恒压源测量法电阻测量原理电路如图2所示。
图2中：VS为激励电压压源，令VS=10000 mV。
图2：直流恒压源测量电阻原理图则输入输出关系为：V0=- （1）（2）其实质是将电阻值转化为电压值实现电阻测量。
对于大量程电阻，可以改变RF 或VS以适应分辨率和输出电压U0范围的要求。
改变VS称为程控激励源测量法，改变RF称作多量程法。
程控激励源方法可在全量程范围内保持一致的分辨率和测量误差，但程控激励源的输出范围限制了电阻测量范围，大高电压激励源虽可扩大测量范围但不能保证精度且实现困难；多量程方法可扩大测量范围，但在任意量程内，分辨率呈非线性。
考虑到直流恒压源测量对大电阻精度高，对于测量小电阻，直流恒压源明显精度不够，虽然直流恒压源不能满足我们的要求，但是它的多量程法对于我们还是有一定的启示。
PIC单片机设计的便携式测试记录仪PIC单片机设计的便携式测试记录仪以追求高可靠、低功耗、小体积设计思想的本记录仪具有如下功能:对现场物理量进行实时采集、保存、处理与显示;自动识别现场安装的传感器数量、传感器号和量程;自动和手动两种采集方式,自动采集适用于长期无人值班的固定场合,手动采集便于对分布在不同区域的物理量进行测试;与PC机通讯,可根据需要将采集数据下载至PC数据库;实时打印;自检功能,避免了系统运行过程中可能遇到本身无法容错处理的异常事件而导致的死机现象。
基于PIC单片机的便携式测试记录仪(以下简称记录仪)既有一般数据采集装置的实时采集与保存功能,同时又能够对采集数据进行实时处理、显示和打印。
适用于对采集速度要求不高、交流供电比较困难以及无须长期留人值班的场合。
1 硬件设计1.1 总体设计原则根据高可靠、低功耗、小体积的设计思想及应用对象几乎对采集速度无要求(此处指系统本身的采集速度已远远超过实际应用要求)的特性,总体设计原则是: 元器件采用低功耗、宽范围工作电源的CMOS集成电路;总线采用口线少的串行总线;允许情况下,尽量用软件实现硬件功能,用中断代替查询工作方式;一旦系统空闲则立即使其进入低功耗休眠状态,当需要时再用外部中断予以唤醒。
1.2 硬件组成根据总体设计原则,硬件组成如图1所示。
其中:单片机为美国MicroChip公司的中档产品PIC16C74,+5V供电、4MHz主频时功耗低于2mA;E2PROM存储阵列由超低工作电压(+2.5V～+5.5V)、具有可编程选择多种特性的8KB智能化电可擦除存贮器24LC65芯片组成。
其中,0#为传感器识别片(以下简称识别片),保存现场实际安装的传感器数量、传感器号及量程。
该芯片被设计在放大器板上,永久安装于现场。
传感器号由4位数字组成,前2位表示组号,后2位表示传感器组内号。
1# 为字典片,分为三个存储区:第一存储区被设置成高寿命写入区,保存表头参数,如疵点单元计数器、记录计数器、记录指针、自动采集时间等;第二存贮区为字典区,保存传感器修正系数、实时打印所涉及的汉字国标码等,查找时以传感器号为关键字进行指针定位;第三存储区被定义为疵点单元地址队列,保存在写过程中遇到的疵点单元地址。
2#~7# 为数据片,保存实时采集的数据。
RS232口为最简单的零调制3线经济型,具有双重功能,接上TPμP_T微型打印机,则进行实时打印;接上PC机,则与PC进行全双工通讯。
A/D转换器MAX189为串行、12位逐次逼近型,功耗75mW,最大转换时间8.5μs。
实时时钟DS1302具有可编程涓流充电功能,能够提供秒、分、时、日、月、星期、年至2100年,并且对闰年和小于31天的月份进行自动调节。
键盘由手动、自动、通讯、打印、清零等五个触摸按键组成,通过按键产生外部中断唤醒单片机完成相应功能。
液晶显示器(LCD)采用4位半静态方式驱动,用来显示处理后的结果以及系统运行过程中检错的代码。
32.768kHz 晶振用于自动采集时产生定时中断。
1.3 工作原理本记录仪基本工作原理是:一旦系统完成某项工作后,立即进入低功耗休眠状态,当需要时再由外部中断予以唤醒。
1.3.1 加电初始化加电后,首先初始化有关寄存器和接口,然后自检各功能部件。
测试结果无论正常或错误均以代码形式显示在LCD上,进入休眠状态。
1.3.2 采集本记录仪有自动和手动两种采集方式。
休眠状态下,当按手动键时则进入手动采集过程。
首先读识别片和字典片,以确立现场中实际安装的传感器数量、量程及数据片可写空间。
若数据片未写满,则从组内0通道传感器开始,循环对现场中实际安装的所有传感器进行采集、处理、显示,直至当再按一次手动键时,方将传感器号、量程、最近一次采集值(注意:不是实时处理后结果,而是原始A/D转换码值)以及采集时刻的日历信息─年、月、日、时、分、秒等组成的记录写入记录指针指向的数据片中,接着对表头参数进行修改,进入休眠状态。
休眠状态下,当按自动键时则进入自动采集过程。
首先开放定时中断,然后进入采集─保存─休眠─唤醒─再采集─再保存─再休眠─再唤醒的循环状态,直到数据片被写满或人工干预结束自动采集过程为止。
上述唤醒由外部中断完成,其单片机从休眠状态到唤醒工作之间的时间间隔有等距和变距两种形式可供选择。
所谓等距即每次采集的时间间隔相同。
与其相反,变距则每次采集的时间间隔随采集次数的增多而变长或缩短,视实际应用需要而确定。
本记录仪出厂设置为等距1小时,即每间隔1小时采集1次。
1.3.3 通讯和打印休眠状态下,当按通讯键时,进入和PC通讯过程。
首先由PC端Win98下的专门处理软件完成串口1(若记录仪与PC Com1口相连)或串口2(若记录仪与PC Com2口相连)的自动配置,然后可根据工具条上的图文进行等距、变距、选择、数据下载、事后处理等操作。
休眠状态下,当按打印键后,则在TPμP_T微型打印机上打印出所有保存的记录。
1.3.4 清零休眠状态下,当按清零键时,则清除数据片中保存的所有记录,即使记录指针指向数据片首址。
2 软件设计本记录仪软件由实时处理程序和组成记录仪诸功能部件的驱动程序组成。
2.1 实时处理程序实时处理程序调用相关驱动程序完成模拟量采集、数字滤波、插值运算、实时显示、记录合成及记录保存。
本记录仪采用的记录格式从高至低依序为:传感器号,量程,采集值,年,月,日,时,分,秒。
2.2 驱动程序设计驱动程序设计的基本思想是:首先完成相关接口、寄存器的初始化,然后根据具体物理部件产生微操作时序,并对操作过程中遇到的异常事件进行容错处理。
2.2.1 读/写E2PROM 驱动程序I2C总线由时钟线(SCL)和数据线(SDA)组成。
根据I2C总线协议,将图1所采用的24LC65芯片的读/写操作按操作顺序分解为:使总线处于空闲状态(SCL、SDA均为高电平);发送读/写启动信号(SCL保持高电平,SDA从高变低产生下降沿);在数据线SDA上读或写数据位(SCL高电平时,SDA状态为有效的读或写数据位,SDA状态,即0或1的变化必须在SCL低电平期间完成);发送读/写结束信号(SCL保持高电平,SDA从低变高产生上升沿)。
如果为写操作,每写完1字节数据后,24LC65在数据线SDA上回送握手应答信号,表示该字节数据已被可靠写入。
以上微操作通过汇编语言编程实现。
本记录仪以记录方式读/写数据片。
因此,对写来说,首先读字典片,以便用其中的表头参数判断当前数据片是否已写满。
若已写满,则在LCD上显示无写空间标记代码,然后返回休眠状态;否则,将记录写入记录指针所指向的数据片中,同时对表头参数进行修改。
在写过程中,重要的是处理疵点单元。
尽管24LC65在写过程中出现的疵点概率极少,但若不正确处理,则会导致目标数据丢失甚至出现系统死机现象。
作者曾采用数据轮询技术进行容错处理,收到了良好的效果。
其基本思想是:每当在数据线上写完1字节数据后,便反复查询24LC65回送的应答信号,但最多不超过50次(此数足够24LC65写入时间);若超过查询次数仍无应答信号,便认为该单元为疵点单元,将其地址记入疵点单元地址队列,并使疵点单元计数器加1,然后在下一比邻单元继续写入原数据。
如果连续两单元为疵点单元,则认为整个芯片有问题,此时,在LCD上显示该单元所在的芯片号(芯片号参见图1),然后,返回休眠状态。
对读来说,首先判断数据片是否为空。
若为空,则在LCD上显示无记录标记代码,然后返回休眠状态。
否则,继续判断数据片是否有疵点,如果无疵点,则从数据片首址开始按序读出所有记录;否则,在按序读记录过程中,根据疵点单元地址队列内容,跳过所有疵点单元,以保证读出的记录连续、真实、可靠。
2.2.2 采集驱动程序设计A/D转换器MAX189所带串口与单片机PIC16C74的SPI口完全兼容。
因此,在A/D转换完成后,只要启动单片机SPI口产生13个同步时钟脉冲便可连续两次从SPI数据缓冲器上获得12位转换结果。
由于本记录仪采集的参数个数依现场安装的传感器数不同而不同,因此,驱动程序必须能予以自动识别。
图2为采集驱动程序流程,其基本设计思想是:首先读识别片,以确定实际安装的传感器数量,然后从0通道传感器开始进行采集,直到实际安装的最后一个传感器采集完毕为止。
图2中:CHAN:通道寄存器;COUNT:传感器数量寄存器。
3 测试设计测试设计是通过测试程序完成对记录仪本身各功能硬件的性能测试。
测试程序独立于实际应用程序,在单独的单片机中,使用时只要拔掉记录仪模板上的单片机而用其代之即可。
测试程序设计的基本思想是:首先根据不同测试对象(即部件)产生不同的测试数据和测试期望数据,然后以测试数据为入口参数,调度相关驱动程序产生目标数据,最后用测试期望数据与目标数据进行比较,以此判断所测硬件性能之良劣。
3.1 E2PROM测试设计E2PROM测试需要与PC机通讯。
其基本原理是:首先产生8种测试数据:0x00、0xff、0x55、0xaa、0x0f、0xf0、0x5a、0xa5(0x表示16进制数),然后分别以此8种测试数据为入口参数,交替调度写、读E2PROM驱动程序3次(即先写后读3次)。
每读一次,与测试期望数据(此处测试数据与测试期望数据相同)进行比较,若不相等,则对相应片错误计数器加1。
测试结果实时地显示在记录仪LCD和PC机上。
LCD只显示总错误个数,PC机则依次显示、保存总错误个数及错误单元地址。
3.2 A/D测试设计A/D测试也需要与PC机通讯。
由于本记录仪最多可采集8路传感器参数,因此,测试程序对键盘重新定义如下:当手动、自动、通讯、打印、清零键有键按下时,对应测试0～4通道传感器;当手动、自动、通讯键其中之一与清零键同时按下时,则对应测试5～7通道传感器。
测试只对放大器满量程的10%、50%、90%等3点进行采集。
其原理是:首先,测试程序扫描键盘,当扫描到有键按下时,则调度采集驱动程序对该键盘定义的通道传感器进行连续采集,采集结果不作任何处理,实时地显示在记录仪LCD和PC机上。
LCD只显示当前的A/D 转换码值,PC机则显示并保存当前A/D转换码值、各点最大、最小转换码值及两者绝对差值。
技术人员可以此判断前向通道(传感器、放大器、A/D)工作性能的好坏。
笔者曾连续测试0通道传感器6个半小时,发现最大码差为9,表明前向通道工作相当稳定。
3.3 实时时钟测试设计实时时钟DS1302测试需要借助PC机完成。
其测试原理是:首先PC机上的测试程序读PC系统日历信息─年、月、日、时、分、秒、星期,并进行发送。
记录仪在接收后,立即调度写DS1302驱动程序将接收的PC系统日历信息写入DS1302相关功能寄存器中,并使DS1302以此为时基进行计时。
