基于STM32單片機的張緊力無線測量電路的設計

張育林，張新雨，包佃清，鄧 睿

（連云港師范高等專科學校 數學與信息工程學院，江蘇 連云港 222006）

1 概 述

1.1 研究背景及意義

隨著工業技術的發展，傳送類裝置被廣泛應用于流水線生產和載人載貨電梯等。張緊力的測量模塊作為傳送系統中重要的組成部分，對于安全穩定的工業生產、保障用戶的人身安全以及減少傳送帶運輸過程中產生的損耗等起著重要作用[1]。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，依據這個協議規定的網絡通信技術被稱為ZigBee無線網絡通信技術[2]。這項技術的特點是適合中、近程距離通信，并且像蜂群一樣擁有自組織能力。此外，其具有復雜程度低、嵌入方便、可靠性強、能量損耗低以及使用成本低等優點，在各領域得到了廣泛應用。ZigBee通信系統適用于自動化控制和遠程控制領域，可以嵌入到各種設備中進行基于專網的無線數據傳輸。

1.2 研究現狀

現有已經投入生產使用的傳送類系統裝置（例如電梯）張緊力的測量是基于多組CPU模塊通過接口技術連接并集成在一起，使用串并行傳輸數據的方法來實現各組模塊信息交互功能。其缺點是開發成本較高、功耗較大、靈活性差且無法簡單便捷地實施遠程監測等，并且通過集成的各CPU模塊一旦其中一個損毀，將會面臨整體更換[3]。這些缺點對于系統后期的使用、維護以及更換必然增加相應的負擔，同時也不利于資源的充分利用。

2 系統總體方案設計

2.1 設計要求

STM32系列單片機是由意法半導體公司生產的一種基于ARMv7架構的32位微型處理器，支持仿真處理和跟蹤功能[4]。該系統使用以STM32F030c6_c8t芯片為核心的單片機作為控制系統模塊，并基于ZigBee通信裝置模塊、壓力傳感器系統模塊以及電池電量監控與充電模塊為輔助模塊組成。其基本的設計思路是由單片機系統發出控制信號使壓力傳感器系統開始運作，其中壓力傳感器是由電阻應變片和差動電橋測量電路組合而成。當傳感器受力形變導致電橋兩端電壓發生改變時，系統會將內部電壓模擬信號的變化轉換為電平數字信號并反饋傳回單片機中，再經過單片機進行數據處理。將已處理的數據通過ZigBee通信裝置傳輸至與其連接通信的顯示器設備中，同時通過電池電量監控與充電模塊實時監測電池的電量。一旦檢測到電量不足，先利用不同顏色的LED顯示電量的狀態，然后再執行自動充電功能，從而延長系統的使用壽命。

2.2 系統框圖

該系統分為4個部分，即信號采集、信號分析、信號處理以及系統通信。其中，信號采集部分包括電阻應變片式壓力傳感器的力學值信息采集與各模塊之間輸入、輸出信號的信息采集；信號分析部分通過HY3116A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，并分析采集到的數字信號與力學值的關系；系統通信部分由ZigBee通信系統實施數據遠程傳輸；信號顯示部分包括液晶顯示器等。系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架

3 系統硬件設計

3.1 單片機系統模塊

STM32F030c6_c8t單片機共有48個引腳，其中第5引腳PF0-OSC_IN和第6引腳PF1-OSC_OUT皆為時鐘引腳。接入晶振模塊，調整晶振模塊的工作頻率，并將其設置在48 MHz。在第7引腳上接入上電復位模塊，便于程序出現問題后得以復位[5]。為了減小電源不穩定對單片機造成的干擾，將電源接在5個0.1 μf電容并聯接地的電路中，以提高電路的品質因數,從而提升電路的效率。第34和37引腳接入SWD，便于實物仿真時需要下載大量數據，并保證數據的準確性，節約PCB分布空間。單片機控制系統原理如圖2所示。

3.2 傳感器系統模塊

基于電橋測量方法的應變式壓力傳感器，最終測得的皆為電壓模擬信號，需通過模數轉換裝置將模擬信號轉化為單片機可識別的數字信號后才可進行數據處理。HY3116是由菲諾克科技有限公司生產的24位A/D轉換器，其內置PGA，具有精度高、能耗小的優點。通過第9引腳SCL和第8引腳SDA接入單片機PA6和PA7引腳實現單片機對傳感器系統的控制。壓力傳感器與HY3116相應數據傳輸引腳相連，當壓力傳感器不受力時，測量當前電壓值和轉換的數字信號數據，傳感器系統的原理如圖3所示。

圖3 傳感器系統原理

3.3 電池監測充電系統模塊

電池監測充電系統是基于芯片TP4054和芯片SP6201EM5-L-3-3設計而成的，其電路原理如圖4所示。通過簡單的電路將電壓的模擬信號量轉化為數字信號，并通過ADC_BAT處端口接入單片機，將電池電壓數據傳輸到單片機中進行數據處理，在內部判斷電量是否充足。同時，為了方便地監測電量，用LED的紅色和綠色分別代表電池缺電和滿電兩種情況，并將兩個接口接入單片機實施電量顯示控制。當電池處于缺電狀態時，LED顯示紅色，電路自動充電；當電池處于滿電時，LED顯示綠色，電路停止自動充電。電池監測充電系統框架如圖4所示。

圖4 電池監測充電系統框架

3.4 通信裝置模塊

通信裝置基于ZigBee的通信架構，通過z-0004的20和21引腳實現單片機對該通信裝置傳送和接收數據的控制，進而實施數據傳輸，使各模塊之間得以相互聯系。其原理如圖5所示。

圖5 通信裝置系統原理

4 系統軟件設計

單片機的實質就是一個相對于計算機微處理器結構更為簡單的CPU，因此對其進行編程控制時，編程語言的選擇關乎工程的進度和效率。由于單片機的編程相對偏底層，因此機器語言、匯編語言以及C語言相對更為適用。機器語言與匯編語言雖然在系統運行效率和系統存儲分配等方面是最優選擇，但是其龐大及晦澀的代碼給團隊協作和代碼修改帶來了很大的麻煩，不利于實際工程應用。C語言作為UNIX操作系統的開發語言，在保留機器語言和匯編語言相關特性的條件下，簡化了代碼量，并且書寫相對靈活、結構清晰，解決了低級語言的通病。本文基于Keil μVision5單片機專用編程軟件進行編程，并對單片機實施控制。

5 結 論

本設計方案將現在智能家居流行使用的ZigBee通信網絡技術和單片機控制技術緊密結合，對傳統傳送類系統中張緊力的測量進行了可遠程控制的優化，大大降低了成本。同時，根據ZigBee通信技術的特點，可以與任意基于該通信協議組成的其他功能相互嵌套，擴大通信范圍，從而構建功能更加強大的系統。