基于STM32的里氏硬度测量系统研究与设计

摘要

硬度测量是现在生产过程和质量检测中很重要的一项指标，以往便携式硬度计的精度较低，稳定性较差。精度一般在1％-5％之间，而精度较高的硬度计一般为台式硬度计，测量环境不够灵活，并且在现场作业的时候无法做到严苛工作条件的适应性以及仪器的便携性。所以本系统设计的目的是，在实现里氏硬度测量和单位转换的基础上，不仅要降低自身的开发成本，而且还将仪器机身做到可以单手持握操作，方便用户携带进行现场测试。另外系统中还加入了液晶显示屏显示数据，可以进行历史数据的保存、查询和现场打印的功能，以满足用户的不同需求。
　　在前期的需求分析阶段，首先考虑的是芯片选型的问题，为了满足便携式低功耗的要求，为系统核心选择了ARM Cortex-M4系列的处理器。Cortex-M4系列芯片具有高度可配置性，专为医疗、工业和消费类产品设计，具有集成度高性能强劲等优点。考虑到开发周期、效率和成本等因素，为系统选择了ST意法半导体公司推出的基于Cortex M4架构的STM32F4系列的嵌入式处理器。ST公司不仅在芯片性能上发展迅速，还在芯片的推广、开发上做出了相当多的努力，使得用户和企业的研发工作更顺利的进行。
　　系统在发开过程中，需要考虑两个方面的影响，硬件和软件需要相互补充相互配合。在系统开发的最初阶段，硬件设计时需要开发者从整体进行考虑，然后逐步细化功能，对硬件电路的原理图以及PCB从总体入手，再到各个功能模块的详细设计。软件方面需要对设备的功能进行区分，从最小系统起步，然后逐步将各个模块功能添加进去。配合SVN代码集成式管理，做到软件的每一步设计都有用有效。在系统开发的后期阶段，即进行软硬件结合调试时，要充分发挥软件的灵活性，尽量用软件设计的变动代替硬件设计的改变。
　　本系统直接采用STM32内部自带的AD采集模块进行数据的采集，并利用I2C总线、USART串行总线、FSMC静态存储控制模块、NVIC中断向量优先级的设定和EXTI外部中断配合STEmwin界面显示库等，结合相应的逻辑和时机操作，共同完成整个系统的功能。并将测量得到的数据经过相应算法的一系列计算之后显示到液晶屏幕上，也使得仪器的操作人员能更加直接的得到所需要的结果，操作也更加的人性化。
　　在整个硬度计系统完成之后，会在标准试块上进行准确度测试，分别在标准500试块和799试块上进行大量的重复性的测量，在检测系统精度的同时，也对系统的稳定性上提出了很高的要求。经测试结果分析得出，基于STM32的内部高速ADC设计的便携式里氏硬度计可达到0.5％，与市面上在售的精度为1％至5％的硬度计相比，在精度上也有所提高。并且本系统在实时数据打印上以及液晶屏幕显示上都优于市面上的里氏硬度计设备，具有很强的市场竞争优势。
　　仪器的测量也适用于对精度较为苛刻的检测环境。实现了低功耗、高精度、低成本的可靠硬度数据采集。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景及意义

1．3 论文的主要研究内容和章节安排

第2章 材料硬度及实验相关研究

2．1 硬度的定义及实验特点

2．2 里氏硬度计的发展历程

第3章 硬度计系统设计与分析

3．1 里氏硬度与里氏硬度计

3．1．1 里氏硬度计使用场景

3．1．2 里氏硬度计工作原理分析

3．1．3 里氏硬度与其他常用硬度的转换

3．2 硬度计的系统架构

3．2．1 硬度计的硬件架构

3．2．2 硬度计的软件架构

第4章 系统硬件实现

4．1 芯片选型

4．1．1 单片机选型

4．1．2 芯片部分电路原理

4．2 传感器模块

4．2．1 D型冲击装置架构

4．2．2 冲击装置原理及电路设计

4．3 电源模块

4．4 热敏微打印机模块

4．5 按键及显示模块

4．5．1 按键模块设计

4．5．2 显示部分原理及电路设计

4．6 PCB设计

4．6．1 PCB器件库文件制作

4．6．2 器件布局

4．6．3 PCB布线

第5章 系统软件实现

5．1 系统软件相关研究

5．1．1 系统软件的开发环境

5．1．2 程序调试与下载接口设计

5．1．3 系统软件模块划分

5．2 探头数据采集

5．2．1 数据采集的影响因素

5．2．2 ADC采集分析

5．2．3 里氏硬度值的计算与修正

5．3 历史测量数据存储

5．3．1 基于I2C协议的EEPROM存储

5．3．2 历史记录数据的保存

5．4 打印机打印存储记录

5．4．1 串口通讯的程序设计

5．4．2 打印程序的编写

5．5 液晶显示部分的编写

5．5．1 图形界面显示分析

5．5．2 基于STEmwin进行画面的绘制

5．6 RTC实时时钟分析

5．6．1 RCC时钟模块研究

5．6．2 RTC时钟的编写及时间设定

5．7 按键扫描部分的程序设计

5．7．1 嵌套向量中断控制器(NVIC)分析

5．7．2 外部中断(EXTI)探讨

5．7．3 扫描按键的编写

第6章 系统测试以及结果分析

6．1 里氏硬度计的操作

6．2 里氏硬度计测量误差影响分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录