一種科普展品控制單元的設計

劉衛莊，洪先亮，李瑞敏

（合肥通用環境控制技術有限責任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

對于全民的科學教育，科技館已經成為全民學習科普知識的重要場所。但隨著科技館建設的全面展開，科技館展品廠家越來越多，展品的種類也越來越多，這樣就導致了展品的控制單元種類眾多，控制方法眾多，從后續的維修、維護、升級與可持續性發展來看，無法達到科普展品的通用性要求，急需設計一種能基本適用于科技館展品的通用控制單元。

1 科技館科普展品組成

科技館科普展品一般有機械機構、電氣控制、計算機控制和機電設備等組成。通過對這些設備功能和結構的分析，控制單元需具備：①輸入量采集功能（傳感器、按鈕等）；②輸出驅動功能（電機、電磁閥、燈光等）；③數據顯示功能（顯示設備的運行參數及互動數據）；④數據通信功能（和計算機，投影機通信、UPS 通訊、中控系統通信等）。

控制單元主要由STM32F103RC 處理器為核心，展開電子電路設計，組成一個能適用于科技館展品控制的單元系統，能夠根據展項的具體控制功能及要求搭建電氣控制系統，使其科技館展品控制系統實現統一標準，容易設計，為后續的設備管理、維護及擴展奠定好基礎。

2 基于STM32F103RC 控制單元的設計

STM32F103RC 單片機屬于32 位ARM 微控制器，該芯片是由意法半導體（ST）公司出品，Cortex-M3 內核，最高工作頻率為72 MHz，集成了高速存儲器和通過APB 總線連接的眾多外設輸入/輸出接口，其中片上存儲器Flash 可達到256 kB，SRAM可達48 kB。這么強大的功能，STM32F103RC 處理器可以比較容易的實現較高的指令吞吐量和豐富的系統設計資源[1]。

控制單元選用STM32F103RC 單片機作為CPU，是其STM32F103RC 單片機具有資源豐富、成本低、功能性強，低功耗、抗干擾能力強等特點[1]。針對目前科技館展品廠家眾多，展項眾多，控制單元種類繁多，各種各樣的設計，非標多且，大相徑庭。把科技館展品的功能及要求進行分析，從系統硬件方面大致可以分為：輸入接口采集、輸出接口驅動、通信接口的數據傳輸和IO 口的擴展應用幾個方面。控制單元作為展項控制系統的核心設計，需具有很強的邏輯運算能力和擴展功能。根據展品的實際功能需要，結合設計的擴展模塊可以靈活組裝搭配，可靠便捷的完成展品電路系統的設計及制作。

根據科技館目前展品的實際功能分析，該設計的控制單元需具備多串口設計、藍牙設計、無線模塊設計、LED 和LCD 顯示功能設計、I/O 接口驅動采集單元設計等（圖1）。控制單元原理如圖2 所示。

（1）串口功能：串口1 可以和計算機投影機設備數據通信，串口2 可以和UPS 設備通信，串口3（RS485）可以和終端設備通信，展項數據可上傳到中控系統。

（2）藍牙功能：通過藍牙模塊CPU 可以和手機、PAD 等數據交互。

（3）無線功能：通過無線數據模塊CPU 可以和外接子設備數據交互，對有些不便于布線的設備可以通過數據網連接。

（4）LED 顯示功能：LED 顯示模塊可以顯示CPU 的運行情況以及設置參數。

（5）輸入功能（X0—X7；X8—X15）：控制單元的輸入接口可根據展項的輸入設備的數量進行配置，選擇相應的輸入擴展模塊，這樣可以節約資源節省成本。

（6）輸入功能（Y0—Y7；Y8—Y15）：控制單元的輸出接口可根據展項的控制設備進行配置，根據設備的電壓、電流配置，選擇相應輸出控制模塊或相應的驅動設備。這樣可以節約資源節省成本，更便于維護和保養。

（7）I/O-TTL 功能：此功能可以控制伺服電機、步進電機、LED 數碼串行顯示、語音控制等擴展功能。

圖1 控制單元結構

圖2 控制單元原理

3 輸入量采集模塊的設計

控制單元的擴展輸入模塊分為數字量輸入模塊和模擬量輸入模塊。數字量輸入模塊是經采集電路后，信號直接送到單片機的I/O 口，單片機對開關量經過邏輯判斷或運算產生相應指令[2]。數字量輸入模塊適用于按鈕開關、PNP 及NPN 傳感器、旋轉編碼器等檢測對象。模擬量輸入模塊就是用來采集模擬量，比如說電壓電流、熱電阻熱電偶或者是溫度等數值，通過采集電路AD 通道將模擬量信號采集到控制單元中，控制單元根據模擬量數值在一定的范圍內所連續變化的取值，表示和數字量是相對立的一個狀態，簡單的說就是把模擬信號轉換成控制單元能處理的數字信號。模擬量輸入模塊適用于溫度傳感器、濕度傳感器、角度傳感器等設備，其模擬信號值為0～5 V或4～20 mA 的范圍。

為了增加輸入模塊的可靠性和寬電壓的匹配性，數字輸入模塊采用TLP521 光電隔離，輸入信號和光電隔離的輸出信號實現電氣隔離，信號單項傳播，輸出信號對輸入信號無影響，抗干擾能力強，傳輸信號效率高[3]（圖3）。

模擬量輸入模塊是將0～5 V 或者4～20 mA 的模擬信號轉化為控制單元能處理的數字量模塊，該模塊采用PCF8591 低功耗芯片，8－bit COMS 數據器件，PCF8591 具有4 路模擬輸入和1 個模擬輸出口。在PCF8591 器件上輸入輸出的地址，控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C 總線以串行的方式進行傳輸，它轉換精度高、使用方便、可靠性好（圖4）。

圖3 數字量輸入模塊原理

4 輸出驅動模塊的設計

本控制單元輸出擴展模塊分為8 路繼電器輸出模塊和8 路晶體管輸出模塊。

繼電器輸出模塊：為了繼電器動作脈沖的影響，在繼電器輸出部分使用光耦與控制單元的I/O 口進行隔離，光耦除電氣隔離外，還起了電平轉換的作用。選用繼電器輸出功率為10 A 的功率設計，可以直接驅動直流電機、LED 燈板、電磁線圈、交流繼電器等設備，使控制系統簡潔可靠（圖5）。

圖5 繼電器輸出模塊原理

晶體管輸出模塊：為了高頻輸出的設備控制，如PWM 方式控制LED 燈或者直流電機調速，模塊采用達林頓管IRF540 耐高壓，大電流驅動芯片，輸出端最大允許通過電流500 mA，可以直接用來驅動繼電器、LED 燈條、小型直流電機等設備（圖6）。

5 顯示模塊的設計

設計顯示模塊可以增加展品運行狀態數據的可視化，也能增加展品游戲互動的度量化，如規定的游戲時間、正確和錯誤的次數、軟件互動階段過程的記錄等。

控制單元顯示展品運行參數和軟件設置參數，在此選用LCD—12864 液晶顯示屏，此功能可以集成到控制單元核心板上，便于操作。12864 顯示模塊可以顯示字母、數字、中文字和自定義圖形，將12864 顯示模塊接口和控制單元I/O 接口直接相連就可以完成數據傳輸，通過控制單元上的按鍵就可以瀏覽和設定功能參數（圖7）。

圖6 晶體管輸出模塊原理

圖7 12864 液晶顯示模塊原理

對于展品游戲互動的度量化顯示功能，采用串行控制方式，節省控制單元板I/O 口資源。用74HC595 作為串行數據的功能芯片，具有速度快、功耗小、操作簡單的特點。可以很方便的和控制單元的3 個I/O 口連接進行操作（數據口SDA/時鐘口SCLK/鎖存口SLCK）（圖8）。

6 通信模塊的設計

數據通信是目前一個比較廣泛的通信技術，串行通信口經過多年的應用和發展，能夠安全可靠地進行數據交換和信息傳遞，目前出現了幾種比較規范和標準的接口，最為常用的有RS232、RS422 和RS485 標準接口。根據控制單元的設計，通信模塊可以分為2 個RS232 數據接口、1 個RS485 數據接口、1 個藍牙數據接口和1 個無線數據接口。

圖8 串行顯示模塊接口原理

RS232 數據接口是標準的串口接口，是單端輸入/輸出多用于計算機通信接口，采用DB-9 針的封裝型態設計，這樣就可以和市場上標準的串口通信線進行連接。用MAX232 作為串口電平轉換的通信芯片，此芯片是美信公司專為RS232 標準串口設計的單電源電平轉換芯片，功能穩定可靠性強（圖9）。

RS485 數據接口和RS232 數據接口一樣，都是標準的串行接口，只是傳輸方式不一樣，RS232 采取的是不平衡傳輸方式，即所謂單端通信，而RS485 采用的是平衡傳輸，即差分傳輸方式。兩者的傳輸距離不同，RS232 適合本地之間的通信，傳輸距離一般不超過20 m，而RS485 的傳輸距離為幾十米到上千米。RS232 是一對一數據通信，而RS485 接口總線允許連接多達128 個收發器，便于總線控制[4]。RS485 接口采用MAX485 芯片作為電平轉換橋梁，它傳輸速度快，數據穩定性高（圖10）。

藍牙技術是一種替代便攜或固定電子設備使用的電纜或連線的短距離無線連接技術。通過藍牙可以形成一點到多點的連接，可以組成一個微網進行數據或語音傳輸[5]。控制單元設置藍牙數據通信模塊是讓我們可用通過手機/PAD 等操作參與和展品之間的互動（圖11）。

無線數據傳輸是指利用無線技術進行數據傳輸的一種方式，安裝方便、靈活性強、性價比高。此無線數據模塊采用E30-TTL-100 無線傳輸模塊作為橋梁，實現數據的收發，可應用在展項設備功能擴展、現場不便于鋪設線纜的情況（圖12）。

7 結語

此中控單元的設計和擴展模塊的設計，能基本適用于科技館自動化展品電氣系統控制的應用，根據具體展品控制功能的要求，合理的選擇搭配擴展，一個控制單元核心板搭配相應的擴展模塊，組成展品控制系統的最便捷最有效的控制方式。該控制單元的設計可以有效的節約成本，提升展品控制的統一化、標準化，便于展品控制系統的維護及擴展，對以后展館實現智能中控系統墊下基礎。

圖9 RS232 通信模塊原理

圖10 RS485 通信模塊原理

圖11 藍牙通信模塊原理

圖12 無線數據模塊原理