摘 要

水泵测试系统是能够实时检测水泵的各种必要参数，并通过计算分析来确定水泵工作性能和安全的一种检测装置。水泵测试系统在水泵出厂前或者使用中对水泵进行性能检测能够有效避免出厂产品的安全问题。

本文设计一种水泵测试系统。分析了水泵测试系统的工作环境，确定了对水泵电压、电流、压力、流量等参数的实时监测，并将其数据上传给上位机数据库，完成对水泵的电压、电流、压力和流量等参数的实时监测功能。

本文实现了传感器信号采集模块、电源模块、AD转换模块与电压电流检测模块组成的水泵测试系统。信号采集模块与单片机之间使用串口通信，采用电压传感器、电流传感器、压力传感器和流量传感器采集相关数据同时进行分析，并对水泵的具体数据进行可视化处理，以检测水泵性能的优劣和了解水泵的性能。

关键词：信号采集；AD模数转换；串口通信；DMA存储

Abstract

The pump test system is a kind of detection device that can detect various necessary parameters of the pump in real time and determine the performance and safety of the pump through calculation and analysis. The pump test system can effectively prevent the safety of the manufactured products by testing the performance of the pump before or during the pump.

This paper designs a pump test system. The working environment of the pump test system is analyzed, and the real-time monitoring of the parameters such as pump voltage, current, pressure and flow is determined, and the data is uploaded to the upper computer database to complete the parameters of voltage, current, pressure and flow of the pump. Real-time monitoring.

This paper realizes the pump test system consisting of sensor signal acquisition module, power module, AD conversion module and voltage current detection module. The serial communication is used between the signal acquisition module and the single-chip microcomputer. The voltage sensor, current sensor, pressure sensor and flow sensor are used to collect relevant data and analyze at the same time, and the specific data of the pump is visualized to detect the performance of the pump and understand the pump. Performance.

Keywords: signal acquisition；AD analog-to-digital conversion；serial communication；DMA storage

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容说明 4

第二章 方案论证及选择 5

2.1 需求分析及系统总体结构 5

2.2 单片机性能比较 6

2.2.1 51单片机性能分析 6

2.2.2 STM32单片机性能分析 8

2.3 方案器件选择 10

第三章 硬件设计方案 11

3.1 电源模块设计 11

3.2 信号采样模块设计 13

3.2.1.电压信号采集 13

3.2.2.电流信号采集 14

3.2.3.压力信号采集 15

3.2.4.流量信号采集 15

第四章 软件设计方案 17

4.1 系统初始化 18

4.2 ADC相关设置 18

4.3 相关参数的计算 19

第五章 总结与展望 20

参考文献 21

致谢 22

第一章 绪论

在汽车工业技术飞速发展的今天，与此同时高速的进步也发生在汽车产业相关的设施和配套的装置上，新型汽车水泵的汽车电子水泵应运而生。汽车电子水泵是汽车安全的保障和性能提升的重要技术的基础，它的功能优劣时刻的影响着汽车的性能和质量。由于国内制造业水平良莠不齐，造成产品质量飘忽不定以及性能指标迥异，因此必须对企业所制造的汽车电子水泵进行详细的测试得出关联的各项数据，以便能够更好地使用在汽车发动机的冷却系统上。然而当前我国已存在的试验设施测试项目大同小异，水泵的各项试验却需要使用各不相同的实验装置，并且各个厂商采用的实验测试装置并不尽相同，造成测试结果互异，因此目前存在的测试装置不完全能够适用海内相关行业的高速发展和产品的测试要求，必须对测试装置进行新的探索。按照业内水泵应用内的相关标准，本文设计了一种简单的水泵测试系统。

1.1研究目的及意义

汽车水泵是用于汽车制冷装置的使得水温能够强制循环的重要组成部分。多条水道在缸体之中连通着冷却水循环装置，在水管的帮助下与位于汽车前方的散热器相连通，形成完整的水循环系统。在位于发动机上方的出水口中，则安装着水泵，通过风扇皮带动其工作运转，构成一个冷热循环来把缸体水道内的热水抽出，同时将冷水输入。汽车水泵的作用是让冷却液在散热水箱与发动机之间往复，如果汽车水泵泄漏，会造成汽车的冷却液过少而导致发动机热度升高；如果汽车水泵不能正常工作，冷却液就无法进行循环而形成冷热交替，汽车发动机热度不能散发，随之而来的是汽车发动机温度上升，机油润滑能力因为发动机发烫而下降，引发机械磨损，热度过高会引发发动机拉缸或烧瓦等严重故障出现，致使发动机不能正常工作。由此可见，检测汽车水泵的相关参数是否正常是十分必要且合理的。水泵在经济领域的各行业中有广泛的应用，其运转效率与能源的利用率有着十分密切的关系。为保证水泵节约能源、高速有效的优点，需要使用水泵测试系统在水泵出厂前或者使用中对水泵进行性能检测。但落后的人工检测工作缺点明显，例如其劳动强度大，效益低下况且准确度也得不到保障。因此设计一个高效且操作便利的水泵测试系统十分关键。如果研发一个自动化的水泵测试系统，就可极大的改善眼下水泵测试外界条件差和测量准确度低的不足，促进当前技术的发展

1.2国内外研究现状

国外在水泵测试方面的研发起步早于国内，测试系统的成果己经比较完备。当前国外测试系统的优点主要集中在较高的集成度，较小的体积，可以灵活运动搬运方便，功能齐全，设备完整，操作简便等方面。正是因为泵测试系统的关键性，海内外在对泵的研发、设计、改进工作的基础上同时也创建了一系列与之相匹配的泵实验台。比方说从1961年1月以来就开始使用并流畅运行到现在的英国国立工程实验室的水力实验台，这个实验台可以在水泵和模型水轮机之中，并脱离手动来对其进行控制即可操作，使用开放和闭合电路的方法来验证效率和气蚀，可以自动控制一些参数。测试所收集到的数据可以通过计算机自动收集和处理，测试到的结果也将会自动输出和打印。如今实验台设备的也在持续的更新、数据收集分析方法也大为改善，最终所得出测量结果的准确度和自动化水平也都有了显著提升。又例如美国的TecQuipment Inc生产的Centrifugal Pump Test Set(GI-15)，是一台用于离心泵测试的装置，该装置可以根据水泵的扬程、流量、转速等不同情况测试出其特性的变化。这种水泵测试系统的优点主要集中在较高的集成度，较小的体积，可以灵活运动搬运方便，功能齐全，设备完整，操作简便等方面，但是处理数据时会略微显得的功能欠缺，大不如缺乏嵌入式的数据处理分析能力，这是一个明显缺陷。面对上述所提到的不足，科学家设计了一种基于计算机的测试技术。比如PTEST水泵测试系统，该系统由美国的AgriTechnology公司所开发，可以在Windows或Dos的工作环境下运行。使用者需要输入监测到的信息，在计算机中EST系统会自动根据水泵相关参数的公式、算法和ISO标准计算出需要的数据，并显示出拟合曲线，在保存数据的同时生成打印报表。此外，还有美国Scientific Software集团开发的Infinite Extent等水泵测试系统。

在内地，泵测试技术的探索则比较缓慢，它的历史进度能够简单的分成两个不同时期：20世纪80年代以前和20世纪80年代至今。

在上世纪80年代的改革开放初期，国内各行各业百废待兴，相应的水泵测试技术也十分过时。用于测试泵性能的装置主要是通过手动的方式进行测试，并进行人工的运算分析和手工绘图。这种测量方式手段落后，测量仪器繁琐复杂，测试精度也十分低下，并且其在高劳动强度的情况下它的低测试效率也让人诟病。

自从1980年至今，国内的工业化进度明显加快，与水泵行业相关的电子技术、传感器技术、计算机技术、自动控制技术也随之发展起来，因此泵测试技术也取得了一定的成就。江苏理工大学、山东省农业机械科学研究所、中国农业机械化科学研究院等单位陆续对水泵试验装置进行了研究与讨论，创立了各不相同的测试系统，他们为水泵测试装置的持续完善产生了先驱性的重大作用。例如PMS水泵综合测试系统，以PC机为上位机、工控机为下位机，在上下协同配合的基础下构成的分布式大型水泵参数测试装置，功能完善，但操作繁琐。在1990年间，天津正大电子研究所研究发明出的GC-4水泵自动测试装置具有模块化的结构组合。这类开放式的构成方法极大的启发了科学工作者，创造出能够在仪器脱离计算机的情况下仍然能够单独工作，并实现系统的组合与拆分、检修和计算的测试装置。当然也有江苏理工大学所研发的泵参数综合测试仪，其结构紧凑，安装便利，优点众多。这一阶段，各研发机构所生产的水泵测试系统各具特色，适用方面各有千秋。与此同时计算机技术、通信技术和智能控制技术也在高速的发展，最终呈现出自动控制领域突飞猛进，智能仪表、先进的控制方法等层见迭出，这就引领了水泵的智能测试技术的新一轮变革。各种先进的电子仪器被相继使用在智能的水泵自动测试装置中，这些新兴技术仪器都对水泵测试系统的自动化水平提高，测试准确度上升，运行速度加快和效率的提升产生了巨大的帮助。

虽然国内的水泵测试系统水准已经有了极大的提升，但是其探索程度仍然不是一帆风顺，还是有许多的问题存在：

（1）测试设备成本高。国内很多泵产业的生产规模比不上国外的规模，众多小型水泵生产厂家因为测试设备生产成本巨大而无法承担泵测试装置的价格。

（2）测试精度低。准确度低下的测试系统不能检测水泵设计上的细微差别，这将导致对水泵开发人员在水力模型上钻研所消耗的大量研究时间和成果的浪费。传统的产品格局的局限性使得大多的泵类产品的机能水准难以达到用户的需求标准。

（3）缺乏相关专业高素质人才。水泵测试系统要求对计算机技术、通讯技术、传感器技术等多个专业技能的融会贯通，对相关知识有具体了解的综合型人才极度匮乏。另外，大多数的测试装置还有着设备通讯接口资源稀缺，仪表繁多，维护不便，系统体积庞大，接口众多，应用软件界面不够直观和程序编写困难等缺陷。

1.3研究内容说明

本文主要研究的是基于stm32的水泵测试系统。首先对水泵测试系统的工作环境进行分析，确定了对水泵电压、电流、压力、流量等参数的实时监测，并将其数据上传给上位机数据库，实现对水泵电压、电流、压力和流量等参数的实时监测功能。

因此，本文的主要任务是选择适当的实验手段与测试方案，实现对水泵相关参数的收集采样和处理，并对水泵的具体数据进行可视化处理，以检测水泵性能的优劣和了解水泵的性能。

第二章 方案论证及选择

2.1 需求分析及系统总体结构

为了能够更好的设计出符合现实需求的产品，更加便于发挥系统的功能和作用，水泵测试系统在设计时必须遵循以下几个原则：

1.可靠性原则。在一个工业系统中，系统的可靠性是指产品在规定的时间、规定的条件下，能够完成规定功能的能力，是产品质量的最基本保障。

2.完整性原则。在保证了系统的可靠性后，水泵测试系统应该具有完整的功能，其中包含了电源模块、信号采集模块、AD转换模块、信号检测模块等等。只有完整的模块化设计，才能正常保证设计系统的功能完整和维护调试过程，避免造成不必要的困难，并能够及时处理。

3.成本控制原则。在实现了水泵测试系统最基本的完整可靠原则后，必须针对其经济效益进行考虑，争取在最小的成本支出下实现产品的功能。只有这样，才能在众多设计产品中脱颖而出，受到使用者的青睐。

本水泵测试系统的测量参数精度必须在国家标准规定的范围内，即本系统应符合GB/T3216-2005标准：

图2.1 GB/T3216-2005标准

根据实际功能和现实需求，经过分析可以得出系统的结构如图2.1所示：

图2.2 系统总设计框图

信号采集模块：用来采集水泵的相关参数，并通过控制采集仪接受。

单片机模块：主要针对接受到的数据，运用AD模数转换进行量化，以便水泵软件上位机进行分析并得出最后的数据和可视化的图表。

水泵测试软件系统：对量化后的数字化数据进行运算分析，检测水泵的主要参数是否达标，并得出可视化图表。

由于上述需求中所使用的模块功能主要是AD转换功能和储存功能，仅需要使用简单的微处理器就可以达到要求，可以选用造价低廉的单片机作为微处理器来实现。

2.2 单片机性能比较

为节约实验成本，提高实验精度，易于操作，使实验更有说服力，本文将对单片机的CPU型号方面进行选择：

1.51单片机:它是一种老牌的高性能单片机，其在微处理器当中性能优越，操作简单，容易上手。

2.stm32单片机是新一代高性能、低成本、低功耗的单片机，其内置的AD转换器也给本次设计提供了方便。

3.PIC单片机：其各个型号兼容性强，功能齐全，抗干扰能力强，但是造价高昂，从成本上来说并不推荐。

综合上述类比的单片机型号，并从成本考虑，加上笔者所接触的单片机中，对51和32单片机比较熟悉，本文主要分析讨论51单片机与stm32单片机的优缺点，并从中选出性价比最高的方案。

2.2.1 51单片机性能分析

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微型处理器。该单片机的可擦除只读存储器的反复擦除次数能够达到100次之多，并且能够与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚兼容。因为采用多功能8位CPU和闪烁存储器并将其组合在一块独立的芯片内，所以ATMEL的AT89C51是一种高效快速的微控制器，能够提供一种价格低廉且灵活性高的方案给嵌入式的控制系统。51单片机的指令简单，不需要一些特别复杂的指令输入就可以实现实际需求。其通俗易懂的优点，可以很快就上手学会并能够熟练运用单片机的基本功能，而且其外围电路简单，硬件设计方便，可以简单地进行外设的扩展，简单的仿真之后可根据实际情况焊接出实物。51单片机的IO口操作简单，没有方向寄存器，内存资源丰富，能够满足一般设计需要，而且其价格便宜，很方便的可以在各大网站购买，相关知识的资料丰富详细，很容易能够查到，程序烧写操作简单。 51单片机从硬件到软件有整套详细完善的按位操作系统，它被称为位处理器，所分析的对象不是字或者字节而是位。它不仅可以对片内一些特殊的功能寄存器的某位进行运算，例如清零、传送、测试、置位等，而且可以对位进行逻辑运算，功能十分强大，使用极为方便。在此期间，片内的RAM区间还专门设置了一个双重功能的地址区间，使用起来得心应手，这一功能给操作者提供了很大的便利。相较于之前的8位单片机添加了乘法和除法功能，给编程带来了极大的便利。总体来说，AT89C51主要有以下几个特点：

1.与MCS-51 兼容；

2.4K字节可编程闪烁存储器

3.1000写/擦循环；

4.数据保留时间：10年；

5.全静态工作：0Hz-24Hz;

6.三级程序存储器锁定；

7.128*8位内部RAM

8.32可编程I/O线；

9.两个16位定时器/计数器；

10.5个中断源；

11.可编程串行通道；

12.低功耗的闲置和掉电模式；

13.片内振荡器和时钟电路。

然而，在以上如此多的优点之下，总会有其无法适用的场合和本身所具有的缺陷。虽然51单片机的外围电路简单，硬件设计方便，但也使其缺少了例如AD转换、EEPROM等重要功能，使用不方便，增加了系统硬件和软件的负担；尽管51单片机IO口引脚使用方便，然而端口在高电平时没有输出能力，这是51系列单片机的最大缺陷；51单片机毕竟是几十年前的设计成果，运行速度过慢，无法适应当前数据量日渐庞大所带来的运算速度方面的要求，只适用于运算量较小的场合；另外，51单片机的保护能力较差，在一些恶劣的场所中使用容易导致芯片的损坏，造成无法挽回的损失。

2.2.2 STM32单片机性能分析

STM32系列的芯片是专门为实现高性能、低成本、低功耗的需求而设计的产品，它包含了嵌入式应用设计的ARM Cortex®-M0，M0 ，M3, M4和M7内核。内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。STM32系列产品虽然有着不同的封装，但其仍努力保持引脚排列的一致性，这与STM32平台的设计理念保持了一致。开发人员可以选择适当的产品来重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足不同的应用需求。由于stm32系列产品众多，其命名方式按照型号、引脚数目、存储器容量以及封装等条件的不同有着不同的命名规则：

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