毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 2016 年 3 月 9 日 课题名称 ：基于 STM32 的超市冷链压力采集系统 学院 ：机械工程学院 专业 ：机械工程及自动化 姓名 ： 学号 ： 指导教师 ： 1 基于 STM32 的超市冷链压力采集系统 1、课题背景 近年来，随着人们消费需求的不断提高，连锁超市、便利店、大卖场等商超 不但提供了各种各样的新鲜食品，而且采用统一进货和冷链储藏的方式，从而不 但使得商品质量有保证，而且购物环境良好，越来越成为人们购物的主要场所。 超市作为冷链物流产品的末端，在分销以及零售过程中都对产品质量、运营成本 和功耗等方面有着较高的要求， 而冷链系统的压力参数作为保证这一品质的重要 参数之一，实现智能压力检测和控制对于时刻掌握冷链的工作状态非常重要， 可 以保证运营的安全性和经济性。因此，如果能够设计一款压力数据采集系统， 就 可以实现对冷链系统进行实时监控，达到经济性运营的目的，对提高企业经济效 益具有非常重要的意义。 随着微电子技术与数字信号处理技术的快速发展， 数据采集及其应用技术在 各行各业也得到了迅速地发展。数据采集系统，顾名思义是用来收集信息并作出 分析处理的产品或过程，在工业生产和控制中主要用于将采集传感器输出的湿 度、温度、光照强度、压力、流量等模拟信号通过转换器转换成计算机可以识别 的数字信号，并进行相应的计算处理和存储；同时，计算出的数据也可以进行显 示或打印，从而实现了对一些物理量的监测和控制12。数据采集系统的主要组 成元素包括：传感器，将物理参数转换成电信号；信号调理电路，将传感器输出 的信号转换成可以被转换为数字值的形式；模数转换器，将模拟信号转换为数字 信号。 嵌入式作为目前最为流行的前沿技术之一，若能够将嵌入式技术引入到数 据采集系统中，那么将会极大得提高系统的实时性和柔性，从而满足日益渐增的 测量需求3。随着嵌入式系统的飞速发展，嵌入式数据采集技术已经成为如今社 会的主流，在数据采集系统的设计上不断创新出新的设计思路和方法。基于 Cortex-M3 架构的 ARM STM32 微处理器， 有着性能一流、 接口方便、 功耗超低、 高集成度和开发高效等诸多优点， 以其如此强大的功能在数据采集领域得到了人 们广泛的应用45。鉴于其在数据采集方面的优势和良好的发展前景，本课题便 是基于嵌入式系统设计一套数据采集系统。 本文旨在介绍一套高精度的超市冷链压力采集系统的下位机部分的设计方 法。以高性能的 STM32 微控制器为核心，实现 4 路压力数据的采集、压力数据 2 的显示和报警，达到实时和可靠检测冷链系统工作状态的目的。本文采用模块化 的思想完成系统的软硬件设计，硬件设计主要包括主 CPU 模块、检测模块、显 示模块和报警模块等；软件设计主要包括采集压力数据并处理、保存并显示压力 数据、若超过报警值则控制报警等。本文通过以上设计所要达到的实验目的是： 利用 STM32 单片机片内 ADC 完成 4 路采集数据的模数转换，然后通过软件对 数据进行平均值滤波处理后，最后显示到液晶显示屏上，如若采集的数据超过预 设范围，则控制发出报警信号，从而实现现场工作人员对冷链系统工作状态的实 时监管。 2、研究现状 2.1 数据采集系统的发展历程 将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据 采集，而相应的系统则为数据采集系统(Data Acquisition System)68。近年来， 数 据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发 展，它可以广泛的应用于各种领域，数据采集系统也朝着微型化、小型化、便携 式、低电压、低功耗方向发展。 数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代，1956 年美国首先研究了用在军事上 的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作， 并 且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。 由于该种数据采集测试系统具有 高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任 务，因而得到了初步的认可。大概在 60 年代后期，国内外就有成套的数据采集 设备和系统多属于专用的系统9。 20 世纪 70 年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶 为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动 检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从 70 年代起，数据采 集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场 数据采集系统10。 20 世纪 80 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展， 开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两 类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成，例如：国际标准 3 ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要应用于实验 室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机 构成，例如：STD 总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结 构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制，这一类在工业 现场应用较多。 20 世纪 80 年代后期， 数据采集发生了很大的变化， 工业计算机、 单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本减低、体积变小、 功能成倍增加、数据处理能力大大加强11。 20 世纪 90 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运 用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不 断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术 已经成为一种专门的技术， 在工业领域得到了广泛的应用12。 该阶段的数据采集 系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结 合系统编程，就可扩展或修改系统，从而迅速组成一个新的系统13。 2.2 国内外的研究现状 随着社会工业化、信息化进程的不断发展，采集数据的信息化成为目前社会 的主流发展方向14。数据采集系统应用于工业、农业等各个领域，并广泛应用于 工业生产的控制，国内外许多科研单位和技术公司都在积极研制，国外的数据采 集器的研制已经相当成熟，而且种类不断增多，性能越来越好，功能也越来越强 大。目前国外许多科研单位和技术公司都在积极研制便携式数据采集系统15。 市 场上较早出现的具有代表性的万次/S。主要有：美国 PASCO 公司生产的“科学 工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭新系统。它由 3 部分组成：（1）传 感器： 利用先进的传感技术和实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数 据16；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高 为 25 万次/S;（3）软件：中文及英文的应用软件。还有美国 Fluke 公司生产的 Hydra 系列便携式数据采集器： Hydra 系列有三种型号， 可满足不同的应用需要。 2620AHydra 数据采集器是和 PC 配合使用的紧凑式前端17；便携式的 2625A Hydra 数据记录器内置有非易失存储器，可以保存多达 2000 次的扫描数据， 用 于独立式的应用；2635AHydra 数据采集器具有可插拔的存储卡，可以保存数据 和设置，是最为通用的型号，非常适宜于远程监控等应用。又如 TEMPRO 天正 4 通大气环境部开发的 CR23X 微数据采集器18。国外的产品很早进入我国市场， 但是就当前市场而言，并没有占据的主要市场份额，主要原因是高昂的价格和非 汉化的操作界面使其推广受到限制。 与国外各种复杂、高可靠、高性能的数据采集存储系统相比，因我国数据采 集记录装置的研究和设计起步较晚，在诸多技术层面相对比较落后，一些性能参 数指标相对较低。直到 20 世纪 70 年代末，才开始在航天、航空和军用领域研制 一些弹载、 航天用数据记录仪， 并且大多数是作为整套系统的配套测试单元使用， 主要用于记录各类飞行器和武器系统在研制过程中，在飞行试验中系统的过载、 压力、振动、电池电压、图像和转速等信息状态参数19。虽然起步较晚但也有了 很多的发展， 比如我国数字地震观测系统主要采用 TDE-124C 型、 TDE-224C 型 地震数据采集系统。近年来又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更 强、低功耗可靠性的 TDE-324C 型地震数据采集系统。又如北京优采公司的 UA5OO 系列、郑州科诚自动识别设备公司的 NLS-P、T-90O 系列便携式数据 采集器等20。国内这些产品价格优势占据市场主导，但是与国外同类产品相比， 国内便携式数据采集器性能指标还有较大的差距。（1）我国部分产品仍采用的 是 USB1.1 协议，而国外产品则早已采用 USB2.O 规范；（2）存储容量小， 软 件功能不够完善，使用不够方便。（3）数据采集频率低，精度和分辨率低，数 据处理能力差。 中国制造 2025 提出了智能制造的概念，要实现无人工厂，数据采集技术作 为工厂自动化的前沿技术，必须朝着测试精度高、响应速度快以及实现该功能的 成本低等方向发展。高效且实时的数据采集技术在运动控制、爆炸检测、医疗设 备（如 CT 等）、快速生产过程（如石油化工过程）等领域内都有着广泛的应用 场合2122。因此，我国的高速数据采集技术和产品仍有着很大的发展空间。 3、课题研究内容 压力参数对于时刻掌握超市冷链的工作状态非常重要，本课题将采用 STM32 系列单片机来设计一套超市冷链压力采集系统，实现对压力数据的采集、 显示和报警。 本课题主要内容是设计基于 STM32 单片机的超市冷链压力采集系统，系统 以 STM32 单片机为核心，以超市冷链为检测对象，采集压力信号并通过用户的 5 报警设置来发送报警信号。主要包括硬件设计和软件设计： （1）硬件设计包括:主 CPU 模块（选用 STM32 系列单片机）、检测模块、 显示模块（利用 LCD 进行显示）和报警模块（采用蜂鸣器报警）。 （2）软件设计包括： A)采集压力数据并处理； B)保存压力数据； C)显示压力信号； D)若超过报警值，则控制报警电路等。 4、技术路线 4.1 利用 STM32 的片内 ADC 完成至少 2 路压力数据的采集，然后通过 STM32 的 FSMC 总线驱动 TFTLCD 完成数据的显示工作，同时，如若采集的数 据超出预设的范围，则控制报警电路向用户发出报警信号。 4.2 系统的硬软件设计采用模块化的设计思想，系统的硬件设计主要包括 STM32 单片机最小系统设计、模拟数据采集模块的设计、TFTLCD 液晶显示模 块的设计、 报警和指示模块的设计以及程序下载和调试接口的设计等辅助部分的 设计，本文利用 Altium Designer 完成原理图以及 PCB 的绘制，并独立完成硬件 焊接与调试；软件设计利用 Keil uVision5 完成数据采集与处理、LCD 数据显示、 LED 指示灯、蜂鸣器报警等子程序以及主程序的编写与调试工作。 5、关键技术介绍 5.1 主控模块 STM32 芯片介绍 本文选用 STM32F103VCT6 作为 MCU，该微处理器是为要求高性能、低功 耗的嵌入式系统而特意设计的 ARM Cortex-M3 内核， 是 STM32 增强型系列中的 32 位处理器， 高达 72MHz 的最高工作频率， 具有结构性能先进， 功耗控制优异， 性能出众以及片上外设功能较多，集成度较高，易于开发等诸多优点。片上资源 主要包括：48KB SRAM，256KB FLASH，2 个基本定时器、4 个通用定时器、 2 个高级定时器、2 个 DMA 控制器（共 12 个通道）、3 个 SPI、2 个 IIC、 5 个 串口、1 个 USB、1 个 CAN、3 个 12 位 ADC、2 个 12 位 DAC、1 个 SDIO 接