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1、球磨机是对物料进行粉碎的关键设备。球磨机负荷（包括球负荷、物料负荷以及水量）是磨矿过程的一个重要参数。然而，球磨机在工作时，其内部犹如一个黑匣子，其工作状态无法显性描述和控制。球磨机筒体的振动信号可以较准确地反映磨机内部的载荷情况，因此，本文提出了球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统的研究与开发，为后期磨机负荷识别及优化控制提供硬件平台。本系统通过在球磨机筒体上安装振动传感器采集筒体振动信号，并经过无线通信的方式将采集的数据发送到计算机，通过设计上位机软件将接收到的数据进行存储与分析。根据功能要求，本文设计了由振动加速度传感器、STM32微处理器、NRF24L01无线射频模块组成的系统硬件电路
2、，并制作了实物；使用C语言对STM32编写了系统程序，包括主程序、初始化程序、延时程序、按键程序、A/D转换程序、NRF24L01通信程序和串口通信程序，并在硬件实物上调试成功；通过MATLAB中GUl工具制作了上位机界面，上位机界面实现了实时串口通信、动态绘图显示、FFT分析和保存数据等功能；最后，通过在实验室球磨机上进行实验，实验结果表明本文所开发的球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统运行功能正常，达到了研究目标。关键词：球磨机；振动；STM32；无线传输；上位机；MATLABABSTRACTTheballmillisthekeyequipmentforcrushingthemateria
3、l.Theloadofballmillinclude(ballload,materialloadandwater)isanimportantparameterofgrindingprocess.However,whentheballmillworks,itsinternallikeablackbox.itsworkingstatecannotbedescribedandcontrolledexplicitly.Theloadinsidethemillcanbereflectedfromthevibrationsignal.Inthisthesis,Avibrationsignalacquisi
4、tionandwirelesstransmissiondeviceofballmillwasdeveloped,provideahardwareplatformforthesoftsensormodelingfortheloaddetectionofthemill.ThesysteminstalledbytheBallMillcylindervibrationsensortocollectvibrationsignals,andtransmittingthedatabywirelesscommunicationtoaComputerJhenthroughdesigningPCsoftwaret
5、omakeitreceivethedataforstorageandanalysis.Accordingtofunctionalrequirements,thisthesisdesignsthesystemhardwarecircuitwhichiscomposedofaccelerationsensors,STM32microprocessor,NRF24L01RFmodules,andproducedamaterialobject.UsingCprogramminglanguagetowritetheSTM32systemprogramwhichincludesthemainprogram
6、,initializationprogram,delayprogram,keyprogram,Aconversionprogram,NRF24L01communicationprogramandserialcommunicationprogramanddebuggedsuccessonthematerialobject.Inadditiontothese,makingthePCinterfacebyMATLABGUItooljtenablesmanyfunctionssuchasreal-timeserialcommunication,dynamicgraphicsdisplay,FFTana
7、lysisandsavedata.Finally,ExperimentalresultsshowthatthesystemwhichdetectsandanalyzesBallMillvibrationsignalviawirelesscommunicationisrunningcorrectlyandreachingtheresearchgoalsbycarryingoutexperimentsinaballmill.Keywords:ballmill;vibration;STM32;wirelesstransmission;uppercomputer;MATLAB.第一章绪论11.1课题研
8、究背景11.2球磨机负荷检测研究的现状及发展趋势11.2.1 单因素检测法21.2.2 双因素检测法31.3本文主要工作与内容4第二章球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统方案设计52.1球磨机工作原理介绍52.2球磨机筒体振动信号无线检测系统的功能分析62.3系统硬件平台的选择62.4本章小结10第三章球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统硬件设计.113.1发射端电路的设计113.1.1发射端实物图183.2接收端电路的设计183.2.1接收端实物图223. 3本章小结22第四章球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统软件设计,234. 1主程序的设计234.2子程序的设计244.2.1初始化程序
9、244.2.2延时函数294.2.3按键程序294.2.4A/D转换程序304.2.5NRF24L01通信程序304.2.6串口通信程序314.3上位机的设计324.3.1MATLAB的GUI功能介绍324.3.2上位机界面介绍324.3.3上位机功能的实现334. 5本章小结40第五章系统实验与测试415. 1实验设计415.2实验过程425.3实验结果435. 4本章小结43第六章总结与展望446. 1论文完成的主要工作447. 2工作展望44附录45参考文献66外文资料68中文翻译72致谢77第一章绪论1.1 课题研究背景球磨机是对经过破碎机械破碎后的物料进行粉碎的关键设备。它具有运行可
10、靠、维护简单，对物料种类适应性强等特点。球磨机适用于粉磨各种矿石及其他物料，被广泛用于选矿，建材及化工等行业，是工业生产中广泛使用的高细研磨机械之一。但是，球磨机电耗和钢耗高、能量利用率低的缺点已成为各相关行业有待研究改进的突出问题。磨矿工序是选矿流程的瓶颈环节，磨机是保证选矿高效生产的关键设备。球磨机负荷包括球磨机中的钢球负荷、矿石负荷以及水负荷，它会直接影响球磨机的磨矿效果。磨机负荷的检测对矿物加工过程有着十分重要的意义。球磨机的磨矿能力与加入的钢球量有直接关系，磨机中加入的钢球量也间接影响着磨机的生产能力。在研磨过程中钢球会被不断磨损，因此在研磨过程中需要不断补充钢球。球磨机中加入矿石的
11、多少直接关系着磨机的生产效率，在磨矿过程中需要对其进行检测，从而决定是否需要加矿以保证钢球与矿石的比例处于最佳的状态。球磨机的负荷决定了磨机的效率和能耗，因此研究检测球磨机的负荷对磨矿过程的优化控制和节约能耗具有重要意义。然而，球磨机在工作时，其内部犹如一个黑匣子，其工作状态无法显性描述和控制。目前主要以依赖于操作人员的经验来调控磨机的给料量、加球量、加水量等参数，这种工作方式的经验性强、随意性大，难于使磨机达到最优工作状态,造成大量能源浪费。如果能够及时准确的检测到磨机的负荷参数，就可以通过分析，合理调整给料量，加球量和加水量，使球磨机处于最佳的工作状态，提高磨矿效率，产量及减少能耗。检测球
12、磨机的负荷参数可以通过检测球磨机的振动信号实现，从球磨机的筒体振动信号分析具有较高的灵敏度、实时性和较好的抗干扰性。但由于球磨机在工作时筒壁与地面的相对位置会发生改变，这对直接从筒体上采集和传输振动信号造成了不便。目前已有的球磨机振动检测系统是将检测元件安装在球磨机的轴承座上，再通过缆线将数据传输到上位机进行分析。此种方法的灵敏度和抗干扰性较差，而且传输距离收到缆线长度的限制。为解决以上问题，本文设计了一种用于球磨机筒体振动信号无线检测装置，该装置能够实时检测磨机筒体的振动信号，并通过无线射频通信将数据传输至上位机进行分析。为调整给料量、加矿量和加水量及对球磨机进行优化控制的实现提供了硬件平台
13、。1.2 球磨机负荷检测研究的现状及发展趋势早期球磨机负荷检测采用的是直接检测方法，这种方法在1973年第十届国际选矿会议上由捷克斯洛伐克布拉格矿山研究院B.Lanstiak报道过。直接检测法是通过测定球磨机内矿浆的液面高度来确定球磨机的负荷，但只能检测出球磨机中的矿浆面，而介质充填率、料球比和磨矿浓度则不能检测出来，而且实现起来比较困难，所以这种方法一直未能得到推广应用。目前在工业生产中应用比较广泛的是球磨机负荷的间接检测方法，即根据球磨机的内部负荷与外部响应之间存在一定的规律，通过检测出球磨机引起的外部响应来间接地识别出球磨机的内部负荷。球磨机负荷的间接检测方法是目前工业生产中的常用方法，
14、它分为单因素检测和双因素检测。1.2.1 单因素检测法单因素检测法包括声响法、有用功率法、振动法、压力传感器法、差动电磁传感器法、霍尔功率变送器法和示踪原子法。各种检测方法都有其优缺点和局限。（1）声响法声响法的实质就是由于球磨机噪音强度和球磨机中物料负荷之间存在着关系。因此，根据球磨机所产生噪音的不同就可以确定球磨机内的物料负荷状况。声响法检测球磨机负荷既可以用于湿式磨矿又可以用于干式磨矿，相对其它方法来说，测量信号比较灵敏。这种方法遇到的主要问题是其它磨机所产生的干扰，传感器的位置必须选择正确，以避免这种干扰现象。另外，声响法只能确定料球比，而不能确定介质充填率，也不能确定磨矿浓度。国内梅
15、山选矿厂、河北金厂峪选矿厂、安庆铜矿选矿厂、攀枝花选矿厂、大孤山选矿厂、桃林铅锌矿选矿厂、大冶铁矿选矿厂等，都使用电耳检测。（2）有功功率法在磨矿过程中，用于带动磨机简体内磨矿介质和矿浆一起转动的功率称为有用功率。根据理论推算和实际检测结果表明：随着球磨机负荷的增加，开始时球磨机电机的有用功率明显上升，到达某一极值后，随着球磨机负荷的增加，有用功率值反而下降，此极值可以认为是球磨机负荷的最佳点。因此，有用功率直接与球磨机负荷有关。有用功率法检测信号受周围环境的影响比较小，检测结果比较准确。但检测信号灵敏度不高，影响控制效果，而且影响有功功率的因素较多。因此，单靠球磨机的有用功率信号既不能确切判
16、断球磨机中介质充填率的水平，也不能确切判断料球比的水平。我国云南易门铜矿木奔选矿厂、铜陵凤凰山铜矿选矿厂、云南大姚铜矿选矿厂、德兴铜矿选矿厂等，都使用了有用功率法进行检测。（3）振动法球磨机运转时，研磨体和物料偏于磨机的一侧，并不断地滚滑和下落，冲击研磨物料，磨机的转动部分处于严重的不平衡状态，造成不平衡的离心力，使磨机系统振动。在磨机转速不变时其振动强度与被磨物料的多少有关，检测出磨机的振动强度就可间接反映出磨机中物料负荷的情况。振动法检测信号的灵敏度比较高，能随时显示球磨机内物料的变化。这对检测球磨机物料负荷非常有利，而且不受周围噪声源的影响，传感器密封好，能有效防水、防尘，因而可以适应选
17、矿厂的恶劣工作环境。但是当电网电压特别是电网频率发生变化时，磨机转速的微小波动，或者磨机内研磨体的损耗等的影响会使物料负荷控制点产生漂移，影响检测和控制质量。振动法不能检测出磨矿浓度的大小以及介质充填率。我国山东招远罗山金矿选矿厂使用这种方法检测磨机负荷。(4)压力传感器法利用一种负荷传感器安装在球磨机的给矿端和排矿端的轴承下连续对磨机称重，从而确定球磨机内球介质、矿石和水的总量，确定磨机的负荷。这种方法的优点是简单，其缺点是检测精度不高，不能准确检测出球磨机中球介质、矿石和水各自的量。另外，球磨机衬板的磨损、矿石性质的变化、钢球添加前后质量的变化等都会对检测结果产生比较大的影响。国内河东金矿
18、使用的是荷重传感器。南非某研究所通过在磨机内安装压力传感器的方法来测定磨机内负荷的情况，为确定磨机的负荷提供了一种新方法。该方法是在磨机内衬上安装了一个能测定径向压力和切向压力的传感器，由压力传感器测量得到的信息通过传导引入微机，微机可以将信号进行处理，得到频谱图。通过分析可以知道球负荷和物料负荷的比例。通过这个压力传感器的传递，掌握了大量磨机内运行的状态。该检测系统的数据传递是一大难题。国际控制公司根据这种原理生产的磨机监控系统可以将磨机内的信息通过无线电发射到微机进行接收，微机进行全面的分析并进行控制，该系统报价大约为30万美元左右。J-Kolacz采用一个压电应力传感器来测量磨机壳体应力
19、的变化。传感器安装在磨机壳体应力变化最大的中间部位，当传感器位于磨机简体顶部时，测量的是压力，而位于简体底部时则测量的是张力。根据读数的变化来计算总压力的变化，该压力变化与磨机负荷成比例。1.2.2双因素检测法双因素检测法包括：功率-声响双信号检测、声响-振动双信号检测、功率-振动双信号检测等。(1)功率-声响双信号检测东北大学杨小生提出了采用功率一声响双因素联合，来检测和控制球磨机负荷。它是根据声响来判断料球比的值,然后再结合有用功率值得到介质的充填率。但这种方法不能确定磨矿的浓度及钢球的配比。国内大石河选矿厂、尖山铁矿选矿厂等使用了这种检测方法。(2)声响振动双信号检测该方法的研究结果表明
20、，振动信号的变化与磨矿操作参数的变化紧密相关。球磨机的功耗和产品粒度主要与机械振动信号有关，而其它因素则主要与声音振动信号有关。并指出，通过振动信号的测量，可以监测磨矿操作参数的变化情况。（3）功率振动双信号检测昆钢罗茨铁矿、山东焦家金矿、金川公司选矿厂等使用了这种检测方法。与检测单一信号相比，双信号检测和控制更加及时、准确。但总体来说，仍然不能确定球磨机内部状态。由于球磨机负荷包括球负荷、物料负荷以及球磨机中的水量，靠单因素检测不能实现球磨机负荷的准确检测，更无法判断球磨机的介质充填率、料球比和磨矿浓度；双因素检测虽然较单因素检测前进了一步，但仍无法判断球磨机的磨矿浓度。综上所述，单因素检测
21、和双因素检测都无法准确判断球磨机的内部工作状态（即介质充填率、料球比和磨矿浓度），因此难以实现球磨机的最优控制。球磨机负荷检测的发展趋势应该是多因素联合检测（至少应该是三因素），通过建立外部响应与内部参数之间的数学模型，用以判断球磨机的介质充填率、料球比和磨矿浓度，并将其在硬件上实现，最终研制精确、实用的球磨机负荷检测装置，实现球磨机负荷的准确、及时检测，为磨矿过程的优化实时控制奠定基础。1.3 本文主要工作与内容本文主要工作是设计开发一款球磨机筒体振动信号采集与无线传输装置，将振动传感器安装在球磨机筒壁上，利用无线传输设备将采集的数据传输到上位机，并设计上位机界面对采集的数据进行存储与分析，
22、为球磨机负荷识别及优化控制提供硬件平台。本文的主要内容：（1）球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统的总体方案设计（2）球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统的硬件系统设计与开发（3）球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统的软件系统设计与开发（4）球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统的上位机软件设计与开发（5）球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统的测试与实验第二章球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统方案设计本章通过对球磨机筒体振动信号无线检测的功能分析，设计了检测装置的总体方案，进行了硬件平台的选择。2.1球磨机工作原理介绍球磨机结构如图2-1所示，主要由进料轴、出料轴、磨机筒体、减速器，传动齿轮，
23、驱动电机等主要部分组成。球磨机筒体内镶有用耐磨材料制成的衬板，两端有承载筒体并维系其旋转的轴承。1-进料轴；2-磨机筒体；3-传动齿轮；4-出料轴；5-驱动电机；6-减速器图2-1球磨机结构图球磨机在工作过程中，原料通过进料轴给入空心圆筒进行磨碎，圆筒内装有各种直径的磨矿介质如钢球、钢棒或砾石等。当圆筒绕水平轴线以一定的转速回转时，装在筒内的介质和原料在离心力和摩擦力的作用下，随着筒体达到一定的高度，当自身的重力大于离心力时，便脱离筒体内壁抛射下落或滚下，由于冲击力而击碎矿石。同时在磨机转动过程中，磨矿介质相互间的滑动运动对原料也产生研磨作用，磨碎后的物料通过出料轴排出。2.2球磨机筒体振动信
24、号无线检测系统的功能分析球磨机筒体振动信号无线检测系统主要包括振动信号的采集、信号的传输及上位机信号处理三大部分功能。(1)球磨机振动信号的采集对于振动信号的采集，采集点位置的选取是一个关键问题，传统的振动信号检测方法使用的是有线通信，由于通信线的限制采集点无法选取在球磨机筒体上，这样影响了测量的准确性。本文采用无线通信的方式传输数据，实现了从球磨机筒体上采集的振动信号。振动信号的采集过程是先通过加速度传感器将振动信号转换为电荷信号，再通过信号调理模块将电荷信号放大为03V电压信号，最后通过A/D转换模块进行采集存储数据。（2）球磨机振动信号的传输检测系统的硬件系统由采集端、发送端、接收端和上
25、位机这四部分组成，振动信号的传输在这四部分上进行。球磨机振动信号的传输过程如图2-2所示。图2-2球磨机振动信号传输过程图振动信号以电信号的方式通过数据线从采集端传输至发射端，通过无线射频通信的方式从发射端传输至接收端，再通过串口通信的方式从接收端传输至上位机。（3）球磨机振动信号的处理上位机接收到数据后可以完成实时显示、快速傅立叶变换及数据保存等功能。实时显示可以实现实时绘图显示和实时数值显示；快速傅立叶变换可以将信号变换到频域方便观察信号特征；数据保存可以将数据保存并以DAT文件形式导出。2.3系统硬件平台的选择振动信号无线检测系统由传感器、信号调理器、A/D转换器、无线通信模块、串口通信
26、模块和微处理器（MCU）组成。（1）传感器为了分析振动信号，首先要通过传感器将振动信号转变为电信号，然后再进行处理。对于选择传感器的选型，需要综合考虑传感器的性能参数。根据参数的不同可将测振传感器分为振动位移传感器、振动速度传感器、振动加速度传感器。目前工业用于测量振动的传感器主要为压电式加速度传感器，在选用时主要关注灵敏度和频带范围这两个参数。YD63压电加速度传感器是秦皇岛信恒电子科技有限公司生产的一款加速度传感器。YD63加速度传感器的灵敏度为30pcms-2,可测量的频带范围为0.240Hz,它的绝缘电阻为2X109,能在40C+120C温度下工作，它具有性能稳定，环境特性好，使用寿命
27、长的特点，YD63加速度传感器的壳体由不锈钢制成，外形尺寸为8mmX24mm,能够方便的安装在球磨机的筒体或轴承等部位。YD63压电加速度传感器实物图如图2-3所示。图2-3YD63加速度传感器实物图（2）信号调理器信号调理器的功能是将从振动传感器发出的微弱电荷信号转化为容易被检测到的电压信号。在选用信号调理器时主要关注的是信号调理器的工作频带范围、输出的电压范围及是否能与加速度传感器配接使用。本文所选用的微型电荷放大器是由秦皇岛信恒电子科技有限公司生产的CA电荷放大器。它的电源电压为5V,工作频带范围为0.120000Hz,可以和YD63加速度传感器配接组成测量系统。放大后输出电压为06V,
28、其中6V电压所对应加速度的值为200g。CA电荷放大器的外形尺寸为40mmX40mmX20mm,工作温度范围为-I（TC+85,性能稳定，安装方便。CA电荷放大器实物图如图2-4所示。图2-4CA电荷放大器实物图（3） A/D转换器A/D转换器的功能是对模拟电压信号进行采样并转换为数字信号，提供给微处理器进行处理。在选用A/D转换器时主要关注的性能指标有A/D转换器的分辨率、转换误差和转换时间。此外还应综合考虑A/D转换器的体积、价格等因素。目前市场上很多微处理器已经将A/D转换器集成为A/D转换模块,如80C51单片机F系列、STM32微处理器都具有A/D转换模块，只需对相应的寄存器进行配置
29、就可以使用。本文所选用的STM32F103ZET微处理器内部集成了3个12位逐次逼近型A/D转换器，它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。STM32F103ZET的A/D转换模块的最大转换速率为IMHz,可以满足对振动信号的数据采集要求。使用STM32自带的A/D转换模块与选用独立的A/D转换器相比，简化了硬件电路的设计，节约了制作成本而且分辨率和转换时间也满足对振动信号的采集要求。（4）无线通信模块无线通信模块的功能是将振动信号从球磨机筒体传输至接收端的STM32微处理器中进行存储和运算。近年来无线通信技术发展迅速，目前主流的
30、无线通信方式有蓝牙通信、WIFI通信及无线射频通信。选用无线通信模块时主要关注的性能指标有传输速率、抗干扰性和传输距离。本文所选用的无线通信模块为NRF24L01无线射频通信模块，实物图如图2-5所示。它的工作频率为2.4GHz,最高工作速率为2Mbps,最大传输距离达到2000m。信号采用GFSK调制，抗干扰性强，适合在工业控制场合使用。NRF24L01模块的收发模式有EnhancesShockBurstTM模式、ShockBurstTM模式和直接收发模式三种。本文使用的是EnhanCedShoCkBUrStTM收发模式，在EnhanCedShoCkBUrSITM收发模式下，使用片内的先入先
31、出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速（IMbPS）发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法的好处有：节约能源、系统费用低、数据在空中停留时间短，抗干扰性高。图2-5NRF24L01无线射频通信模块实物图（5）串口通信模块接收端收到数据后需要通过串口将数据传输至上位机，由于现在大多数笔记本电脑没有设置串口模块而只有USB接口，所以需要一个转换模块来实现两者的通信。本文所选用的USB转串口模块使用的芯片为CH340T,它具有以下特点.兼容USBV2.0,外围元器件只需要晶体和电容。 计算机端WindO
32、WS操作系统下的串口应用程序完全兼容。 硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps2Mbps。 支持常用的Me)DEM联络信号RTS、DTRsDCDRLDSR、CTSo 通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。 支持IrDA规范SlR红外线通讯，支持波特率240ObPS至J115200bps。USB转串口模块实物图如图2-6所示。图2-6USB转串口模块实物图(6)微处理器(MCU)处理器是整个振动无线检测系统的核心，它承担了数据处理、存储及对外围电路中各个模块的控制功能。运算速度是它最重要的一项性能指标，此外在选用时还需要关注它的内部所集成的模块。使
33、用有丰富内部集成模块的微处理器可以在很大程度上简化外围电路的设计，节省制作成本。目前工业上常用的微型处理器有C8051单片机、STM32微型控制器和DSP数字信号处理器。单片机适合实时控制和操作任务,是传统控制器,广泛应用于各领域STM32微型控制器具有高性能、低成本、低功耗的特点，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计，非常适用于移动通信领域。DSP(digitalsignalprocessor)是一种专用于(通常为实时的)数字信号处理的微处理器。本文所选用的微处理器是由意法半导体公司(STMicroeIectronics)生产的STM32微处理器。STM32微处理器基于ARM公司生产的高性能“C
34、ortex-M3”内核，具有高性能、低成本、低功耗的特点。相比于单片机而言STM32的运算速度更高，而且具有更丰富的外设。STM32的最高工作频率为72MHz,具有1s的双12位ADC,4兆位/秒的UART,18兆位/秒的SPL18MHZ的I/O翻转速度等高性能外设。相比于DSP而言STM32的能耗更低，其在72MHZ时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2A价格上STM32也具有很大优势,一片高性能大容量的STM32芯片仅需要20元。基于以上特点本文选用了STM32F103ZET芯片作为控制器,STM32基本电路模块实物图如图2-7所示。,8TnTTFn11T1111葬?TTi
35、TFilHMU-图2-7 STM32模块实物图2.4本章小结本章介绍了球磨机的基本结构与工作原理，对球磨机振动信号检测系统的功能要求进行了阐述，并搭建了检测系统的硬件平台，选择了YD63压电加速度传感器，CA电荷放大器，设计了无线通信电路及串口通信电路模块，确定了用基于ARM的STM32作为控制器。通过本章的介绍，读者可以对球磨机振动信号采集传输系统有一个总体上的认识，并为下一章硬件开发的介绍奠定了基础。第三章球磨机筒体振动信号无线检测与分析系统硬件设计球磨机振动信号无线检测系统的硬件系统设计是以STM32F103ZET为核心的外围电路的设计，包括发射端和接收端这两个部分的电路设计。本章对这两
36、部分电路的设计进行了介绍。3.1发射端电路的设计发射端电路由振动信号采集模块、STM32微处理器和NRF24L01模块组成。本节将对发射端各硬件的引脚含义及它们与STM32F103ZET微处理器的连接方式进行介绍。发射端系统框图如图3-1所示。图3-1发射端系统框图（1）振动信号采集模块振动信号采集模块由YD63加速度传感器和CA电荷放大器组成，它们之间通过专用信号线连接。CA电荷放大器的引脚及功能如表3-1所示。表3-1CA电荷放大器引脚及功能引脚INAOVDDGND功能输入端输出口供电端接地端YD63加速度传感器将筒壁的振动信号转换为电荷信号，再通过信号线传输至CA电荷放大器放大为03V的
37、模拟电压信号。STM32通过PAO对CA电荷放大器上的模拟电压信号进行采集。振动信号采集模块与STM32的连接图如图3-2所示。图3-2CA电荷放大器与STM32连接图(2)A/D转换模块本文所选用的STM32F103ZET微处理器内部集成了3个12位逐次逼近型A/D转换器，它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源，其最大的A/D转换速率可达IMHzoSTM32中部分ADC通道与I/O口对应关系如表3-2所示。表3-2部分ADC通道与IO对应表ADClADC2ADC3通道0PAOPAOPAO通道1PAlPAlPAl通道2PA2PA2PA2通道3PA3PA3PA3通道4PA4PA4PF6
38、通道5P5PA5PF7通道6PA6PA6PF8通道7PA7PA7PF9通道8PBOPBOPFlO通道16温度传感器通道17内部参照电压由于检测系统所检测的为一路振动信号，本文使用ADCl的0通道，以PAO作为模拟信号输入端口，工作模式为规则通道单次转换模式。下文将对使用STM32中ADCl模块的这种工作方式所需配置的寄存器进行介绍。ADC控制寄存器(ADC.CR1和ADC_CR2)ADC_CR1为32位寄存器，在使用时需要关注以下位关键位，其描述如表3-3所示。表3-3ADCCRl寄存器关键位描述位名称寄存器中位置功能描述SCANEOCIEJEOCIEDUALMOD第8位设置ADC扫描模式第5
39、位设置EOC中断第7位设置JEoC中断第16T9位设置ADC的操作模式ADC-CRl的SCAN位，该位用于设置扫描模式，由软件设置和清除，如果设置为L则使用扫描模式，如果为0,则关闭扫描模式。在扫描模式下，由ADC_SQRx或ADCJSQRx寄存器选中的通道被转换。如果设置了EOCIE或JEOClE,只在最后一个通道转换完毕后才会产生EOC或JEOC中断。DUALMc)D19：16用于设置ADC的操作模式，详细的对应关系如表3-4所示。表3-4ADC操作模式位19：160000：独立模式0001：混合的同步规则+注入同步模式0010：混合的同步规则+交替触发模式0011：混合同步注入+快速交叉
40、模式0100：混合同步注入+慢速交叉模式0101：注入同步模式OIl0：规则同步模式0111：快速交叉模式1000：慢速交叉模式1001：交替触发模式由于所使用的是独立模式，所以要对ADC_CR1寄存器中的16-19位置0。ADC.CR2为32位寄存器，在使用时需要关注以下位关键位，其描述如表3-5所示。表3-5ADCCR2寄存器各位描述位名称寄存器中位置功能描述ADON第。位AD转换器开关CONT第1位连续转换开关CAL第2位AD转换校准RSTCAL第3位AD转换校准ALIGN第11位设置数据对齐方式EXTSEL第19-17位设置外部触发事件ADoN位用于开关AD转换器，设置为1则开启AD转
41、换，设置为0则关闭AD转换。而CONT位用于设置是否进行连续转换，本文使用单次转换，所以CONT位必须为0。CAL和RSTCAL用于AD校准。ALIGN用于设置数据对齐，本文使用右对齐，该位设置为OoEXTSEL用于选择启动规则转换组转换的外部事件，详细的设置关系如表3-6所示。表3-6ADC选择启动规则转换事件设置位19：17ADCl和ADC2的触发配置如下000：定时器1的CCI事件100：定时器3的TRGo事件001：定时器1的CC2事件101：定时器4的CC4事件110：EXTl线11/TIM8RG0事件010：定时器1的CC3事件011：定时器2的CC2事件111：SWSTARTAD
42、C3的触发配置如下000：定时器3的CCl事件100：定时器8的TRGo事件001：定时器2的CC3事件101：定时器5的CCl事件010：定时器1的CC3事件110：定时器5的CC3事件011：定时器8的CCl事件111：SWSTART本文使用的是软件触发(SWSTART),所以设置这3个位HloADC_CR2的SWSTART位用于开始规则通道的转换，在单次转换模式下每次转换都需要向该位写1。ADC采样事件寄存器(ADC_SMPR)ADC_SMPR为32位寄存器，功能是用于设置通道09的采样时间，每个通道占用3个位。其描述如表3-7所示。表3-7ADJSMPR寄存器描述位29：0SMPx：选
43、择通道X的采样时间000：1.5周期100：41.5周期001：7.5周期101：55.5周期010：13.5周期110：71.5周期011：28.5周期111：239.5周期ADC的转换时间由以下公式计算：TCOVn=采样时间+12.5个周期其中：Tcovn为总转换时间，采样时间根据每个通道的SMP位的设置来决定的。对于每个要转换的通道，为获得较高的准确度，采样时间需要尽量长一点。但是这样会降低ADC的转换速率，在设置采样时间时需结合实际情况考虑。由于实验所测试的球磨机筒体振动的最高频率为25KHz,为完整地保留了原始信号中的信息，根据采样定理所设置的采样频率需要大于50KHz0由于ADC转
44、换所设置的晶振频率为12MHz,计算得当选用的采样周期小于240个周期时采样频率满足要求。因此本文选用的采样周期为55.5周期，计算得采样频率为216KHz,ADeLSMPR寄存器的值设置为101。ADC规则序列寄存器（ADC_SQR）ADC.SQR1的各位描述如表3-8所示。表3-8ADJSQR1寄存器各位描述位名称寄存器中位置功能描述L第20-23位定义规则通道数目SQx第0T9位设置转换序列1.位用于存储规则序列的长度，本文只用了1个通道，所以设置这几个位的值为0。由于选择的是单次转换，所以只有一个通道在规则序列里面，这个序列就是SQL可以通过ADC_SQR3的最低5位（也就是SQD设置
45、。ADC规则数据寄存器（ADC_DR）在ADC_DR中包含了DATA区，寄存器中的015位及ADC2DATA区，寄存器中的1631位。DATA区中包含了规则通道的转换结果，通过ADC_CR2寄存器中的ALIGN位设置数据的对齐方式。ADC2DATA区中包含了在双ADC模式下ADC2转换的规则通道数据。ADC状态寄存器（ADC_SR）ADC_SR的各位描述如表3-9所示。表3-9ADCSR寄存器各位描述位名称寄存器中位置功能描述STRT第4位规则通道开始位JSTRT第3位注入通道开始位JEOC第2位注入通道转换结束位EOC第1位转换结束位AWD第0位模拟看门狗标志位本文所用到的是EOC位，通过判
46、断该位来决定是否此次规则通道的AD转换已经完成，如果完成就从ADC_DR中读取转换结果，否则等待转换完成。（3）NRF24L01模块NRF24L01模块采用的是Nordic公司的生产的NRF24L01芯片，以这款芯片为核心设计制作了外围电路。NRF24L01芯片的框图如图3-3所示。图3-3NRF24L01芯片结构框图NRF24L01芯片采用的是SPI通信协议，从STM32微处理器对NRF24L01芯片的控制角度来看，需要关注结构框图右面的六个引脚的控制和数据信号。这六个引脚的功能如表3-10所示。表3-10NRF24L01通信引脚功能表引脚名称功能CSN芯片的片选线，CSN为低电平芯片工作SCK芯片控制的时钟线（SPI时钟）MTSO芯片控制数据线（主机输入，从机输出）MOSI芯片控制数据线（主机输出，从机输入）IRQ中断信号CE芯片的模式控制通过配置这些引脚就可以完成对芯片的配置。NRF24L01模块的电路原理图如图3-4所示。图3-4NRF24L01无线通信模块原理图STM32微处理器集成了SPI外设，只要将NRF24L01模块的通信引脚与STM32的对应引脚连接就可以使用。NRF24LOl模块与STM32连接原理图如图3-5所示。1 .1.1发射端实物图基于以上子系统的设计与开发，发射端实物图如图3-6所示。图3-6发射端实物图
