一、项目概述
1.1 项目目标与用途
在现代制造业中，电解加工机床因其高精度和高效率而广泛应用于复杂零件的加工。为了提高加工质量并降低故障率，实时监测加工过程中各项参数（如电流、电压、温度等）变得尤为重要。本项目旨在研发一套基于STM32微控制器的数据采集系统，能够实时采集多种传感器的数据，并将数据传输至上位机进行可视化处理和分析。该系统的主要目标包括：
-
实时监控：实现对加工过程中的关键参数的实时监控，提高生产效率。
-
数据分析：为后续的数据分析和加工优化提供基础数据支持。
-
报警功能：当监测到的参数超过设定的阈值时，及时发出报警通知操作人员，以减少设备损坏和生产事故的发生。
1.2 技术栈关键词
-
硬件：STM32F103RCT6微控制器、各类电流传感器、电压传感器、温度传感器、RS485通信模块、RS232通信模块。
-
软件：Qt、Modbus RTU协议、STM32 HAL库、数据可视化工具。
二、系统架构
2.1 系统架构设计
本数据采集系统主要由三个核心部分组成：传感器模块、数据采集模块和上位机。系统架构设计旨在确保数据采集的实时性、准确性和可靠性。
-
传感器模块：用于采集电解加工过程中所需的各种参数，具体包括电流、电压和温度等传感器。传感器通过RS485接口连接至数据采集模块，确保数据传输的稳定性和抗干扰能力。
-
数据采集模块：以STM32F103RCT6为核心，负责接收传感器数据、进行数据处理和通过RS232接口将数据传输至上位机。数据采集模块通过Modbus RTU协议与上位机进行通信，确保数据格式的标准化和可解析性。
-
上位机：使用Qt开发的可视化界面，实时显示传感器数据，支持数据的保存和分析，并具备报警功能，用于在传感器数据超过设定阈值时及时通知操作人员。
2.2 系统架构图
三、环境搭建与注意事项
3.1 环境搭建
3.1.1 硬件连接
-
STM32F103RCT6微控制器与各类传感器之间采用RS485总线连接，确保数据采集的稳定性和实时性。在总线末端添加适当的终端电阻，以减少信号反射。
-
RS232模块与上位机连接，确保数据的无误传输。
3.1.2 软件开发环境
-
开发工具：使用STM32CubeIDE或Keil进行STM32的固件开发，确保代码的高效性和可维护性。
-
上位机开发：使用Qt Creator进行上位机软件的开发，采用Qt Widgets进行用户界面设计。
-
Modbus RTU库：选择开源的Modbus RTU库（如libmodbus）以支持数据通信，确保协议的标准化和兼容性。
3.2 注意事项
-
电源管理：确保所有设备的电源及接地良好，避免因电源不稳定导致的设备误操作。
-
通信稳定性：在RS485和RS232通信时，需定期检查连接线和接口，保持良好的接触，以避免数据传输中断。
四、代码实现过程
在本项目中，系统功能模块主要分为以下几个部分：传感器数据采集模块、数据处理与传输模块以及上位机显示与报警模块。以下将详细介绍每个功能模块的实现过程、代码示例及其说明。
4.1 传感器数据采集模块
4.1.1 功能描述
传感器数据采集模块的主要功能是通过RS485接口从多个传感器中实时获取数据。该模块使用STM32F103RCT6微控制器进行控制，定期读取传感器数据并进行初步处理。
4.1.2 硬件连接
-
传感器通过RS485总线连接至STM32F103RCT6的UART接口。每个传感器都有唯一的地址，以便于区分和选择。
-
RS485收发器需要连接至STM32的GPIO引脚，以控制数据的发送和接收状态。
4.1.3 代码示例
以下是传感器数据采集模块的代码示例：
#include "stm32f1xx_hal.h"// 定义传感器数据结构体
typedef struct {uint16_t current; // 电流uint16_t voltage; // 电压float temperature; // 温度
} SensorData;SensorData sensorData;// UART句柄
extern UART_HandleTypeDef huart1;// 定义传感器地址
#define SENSOR_ADDRESS 0x01// 读取传感器数据
void readSensorData() {uint8_t request[8];uint8_t response[32];// 构建Modbus RTU请求帧request[0] = SENSOR_ADDRESS; // 从站地址request[1] = 0x03; // 功能码：读寄存器request[2] = 0x00; // 起始地址高字节request[3] = 0x00; // 起始地址低字节request[4] = 0x00; // 读寄存器数量高字节request[5] = 0x03; // 读寄存器数量低字节// 计算CRCuint16_t crc = calculateCRC(request, 6);request[6] = crc & 0xFF; // CRC低字节request[7] = (crc >> 8) & 0xFF; // CRC高字节// 发送请求HAL_UART_Transmit(&huart1, request, sizeof(request), HAL_MAX_DELAY);// 接收响应HAL_UART_Receive(&huart1, response, sizeof(response), HAL_MAX_DELAY);// 解析响应数据sensorData.current = (response[3] << 8) | response[4];sensorData.voltage = (response[5] << 8) | response[6];sensorData.temperature = (float)((response[7] << 8) | response[8]) / 10.0; // 假设温度数据以0.1°C为单位
}// CRC校验函数
uint16_t calculateCRC(uint8_t* data, uint8_t length) {uint16_t crc = 0xFFFF;for (uint8_t pos = 0; pos < length; pos++) {crc ^= (uint16_t)data[pos]; // XOR byte into least sig. byte of crcfor (uint8_t i = 8; i != 0; i--) { // Loop over each bitif ((crc & 0x0001) != 0) { // If the LSB is setcrc >>= 1; // Shift right and XOR 0xA001crc ^= 0xA001;} else { // Else just shift rightcrc >>= 1;}}}return crc;
}
4.1.4 代码说明
-
数据结构：定义了一个
SensorData结构体，用于存储传感器采集的电流、电压和温度数据。 -
UART传输：使用UART接口发送Modbus RTU请求，读取传感器的数据。请求帧中包括从站地址、功能码、起始地址和读取数量，并通过
calculateCRC函数计算CRC校验码以确保数据的完整性。 -
响应解析：接收到的响应帧解析后将数据存储到
SensorData结构体中。
4.2 数据处理与传输模块
4.2.1 功能描述
数据处理与传输模块的主要功能是对采集到的传感器数据进行处理，并通过RS232接口将数据传送至上位机。该模块还负责实现报警功能，当某一传感器数据超过预设阈值时，系统将触发报警。
4.2.2 代码示例
以下是数据处理与传输模块的代码示例：
#include "stm32f1xx_hal.h"// 定义报警阈值
#define CURRENT_THRESHOLD 500 // 500mA
#define VOLTAGE_THRESHOLD 2200 // 220Vextern UART_HandleTypeDef huart2;// 发送数据到上位机
void sendDataToPC() {uint8_t modbusFrame[8];// 构建Modbus RTU数据发送帧modbusFrame[0] = 0x01; // 从站地址modbusFrame[1] = 0x03; // 功能码modbusFrame[2] = sizeof(SensorData); // 数据长度modbusFrame[3] = (sensorData.current >> 8) & 0xFF; // 电流高字节modbusFrame[4] = sensorData.current & 0xFF; // 电流低字节modbusFrame[5] = (sensorData.voltage >> 8) & 0xFF; // 电压高字节modbusFrame[6] = sensorData.voltage & 0xFF; // 电压低字节modbusFrame[7] = calculateCRC(modbusFrame, 7); // CRC校验// 发送数据HAL_UART_Transmit(&huart2, modbusFrame, sizeof(modbusFrame), HAL_MAX_DELAY);
}// 检查传感器数据并触发报警
void checkAlarm() {if (sensorData.current > CURRENT_THRESHOLD) {// 触发电流报警triggerAlarm("Current exceeds threshold!");}if (sensorData.voltage > VOLTAGE_THRESHOLD) {// 触发电压报警triggerAlarm("Voltage exceeds threshold!");}
}// 报警处理函数
void triggerAlarm(const char* message) {// 通过蜂鸣器或LED灯等方式发出报警HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 假设GPIO_PIN_0为报警输出// 发送报警信息到上位机HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message, strlen(message), HAL_MAX_DELAY);
}
4.2.3 代码说明
-
报警阈值：定义了电流和电压的报警阈值，当传感器数据超过这些值时，将触发相应的报警。
-
数据发送：使用UART接口通过Modbus RTU协议将传感器数据发送到上位机。数据帧包括从站地址、功能码和数据长度，最后计算并附加CRC校验。
-
报警功能：在
checkAlarm函数中判断电流和电压是否超过设定的阈值，并调用triggerAlarm函数进行报警处理。报警可以通过GPIO引脚控制蜂鸣器或LED灯实现。
4.3 上位机显示与报警模块
4.3.1 功能描述
上位机模块的主要功能是通过Qt开发一个用户界面，实时显示传感器数据，并提供数据保存和报警信息显示的功能。用户可以通过界面设置报警阈值，并接收来自数据采集模块的实时数据和报警信息。
4.3.2 开发环境
-
Qt环境：确保安装Qt Creator和Qt SDK，配置好Qt Widgets模块。
-
Modbus RTU支持：使用libmodbus库或QtModbus库来实现Modbus RTU协议的支持。
4.3.3 代码示例
下面是上位机显示与报警模块的代码示例：
#include <QApplication>
#include <QMainWindow>
#include <QTimer>
#include <QLabel>
#include <QMessageBox>
#include <QtSerialPort/QSerialPort>
#include <QtSerialPort/QSerialPortInfo>class MainWindow : public QMainWindow {Q_OBJECTpublic:MainWindow(QWidget *parent = nullptr);~MainWindow();private slots:void readSerialData();void checkAlarmThreshold();private:QLabel *currentLabel;QLabel *voltageLabel;QLabel *temperatureLabel;QSerialPort *serialPort;QTimer *timer;const int currentThreshold = 500; // 电流阈值const int voltageThreshold = 2200; // 电压阈值
};MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) : QMainWindow(parent) {currentLabel = new QLabel(this);voltageLabel = new QLabel(this);temperatureLabel = new QLabel(this);// 设置串口serialPort = new QSerialPort(this);serialPort->setPortName("COM3"); // 根据实际情况修改serialPort->setBaudRate(QSerialPort::Baud9600);serialPort->setDataBits(QSerialPort::Data8);serialPort->setParity(QSerialPort::NoParity);serialPort->setStopBits(QSerialPort::OneStop);serialPort->open(QIODevice::ReadOnly);// 设置定时器，每500毫秒读取一次数据timer = new QTimer(this);connect(timer, &QTimer::timeout, this, &MainWindow::readSerialData);timer->start(500);
}MainWindow::~MainWindow() {serialPort->close();
}void MainWindow::readSerialData() {QByteArray data = serialPort->readAll();// 解析数据并更新UIif (data.size() >= 6) { // 假设数据总是6个字节int current = (data[3] << 8) | data[4];int voltage = (data[5] << 8) | data[6];// Update labelscurrentLabel->setText("Current: " + QString::number(current) + " mA");voltageLabel->setText("Voltage: " + QString::number(voltage) + " V");// 检查报警阈值if (current > currentThreshold) {QMessageBox::warning(this, "报警", "电流超出阈值!");}if (voltage > voltageThreshold) {QMessageBox::warning(this, "报警", "电压超出阈值!");}}
}
4.3.4 代码说明
-
串口配置：使用
QSerialPort类设置与STM32微控制器的串口通信。根据实际情况配置串口号和波特率。 -
数据读取：通过定时器定期读取串口数据，并解析数据。假设数据格式为固定长度，解析数据后更新界面上显示的电流和电压。
-
报警功能：检查电流和电压是否超过设定的阈值，如果超过，则弹出报警框提示用户。
五、项目总结
本项目成功研发了一套基于STM32的电解加工机床数据采集系统，主要功能包括：
-
数据采集：系统能够通过RS485接口从多种传感器实时采集电流、电压和温度数据。
-
数据处理与传输：采集到的数据经过处理后，通过RS232接口以Modbus RTU协议传输至上位机。
-
数据可视化：上位机界面实时显示传感器数据，并能根据设定的阈值进行报警。
-
报警功能：在电流或电压超出设定范围时，系统能够及时发出报警信号，提示操作人员。