【《基于条形码技术的某智能分拣系统硬件设计案例》3500字】

目录TOC\o"1-3"\h\u15694 145591.1MCU模块 115648 210274 310728 432546 518178 521295 651061.5本章总结 7智能分拣系统的硬件部分由MCU部分、电源部分、摄像头部分、存储电路部分、舵机部分、电机驱动部分、RS232串口部分、PC机部分组成，其智能分拣系统的硬件结构如下：MCU为整个硬件结构的核心，电源给MCU供电，PC机通过RS232串口与MCU进行交互，摄像头采集到的数据同样传送给MCU进行处理。电源给电机驱动进行供电，MCU的一个IO与一个PWM给到电机驱动，进而控制电机的速度。另外，电源也给舵机进行供电，MCU分出两路PWM给到舵机，控制舵机的旋转角度，因为该系统中存在两台舵机，所以需要分出两路PWM对舵机进行控制，一台舵机分得一路PWM。智能分拣系统的硬件结构如图20所示。图20：智能分拣系统硬件结构1.1MCU模块MCU全称为Microcontroller，中文意为微控制单元，又可以称作单片微型计算机或者单片机。本文由于涉及到动态图像处理，所以对于单片机有较高的要求。本毕设单片机选用STM32单片机。ST为意法半导体，M表示微处理器，32表示计算机处理器位数，相对于8为的51单片机，STM32的性能还是非常强的。STM32单片机常用于嵌入式领域，如智能车、无人机、机器人、无线通信、娱乐电子产品等。STM32采用ARM公司推出的cortex-A,R,M三个系列中的M系列，其架构主要是基于ARMv7-M实现。ARM公司推出的cortex-A系列表示较高级的处理器，一般手机便是使用cortex-A系列的处理器，可以实现较为复杂的功能，例如投影仪、电视机、路由器、交换机等。cortex-R系列的处理器针对实时性较高、安全性较高的领域，例如机顶盒、数字电视、相机等，目前cortex-R系列应用范围还是较小，并没有cortex-A与cortex-M系列的应该广泛。cortex-M系列即指MCU微控制器，广泛应用于智能手环、飞行器、平衡车、智能家电、3D打印、工农业等各个领域，可以完成终端的控制、完成边缘计算等任务，是AI、云计算、大数据背景下的信息和流量的入口。不同的场景、不同的具体应用选用不同的ST系列单片机。考虑到本系统需要运用到动态图像锁定、条形码识别、舵机控制等，以及考虑到经济效益、性价比，需要运用功能较为强大的单片机。本系统采用ST公司推出的STM32单片机，该系列的单片机已有多年的发展历史，具有多种系列产品。STM32主要有四个系列，分别为高性能系列、主流系列、超低功耗系列以及无线系列。其中高性能系列主要包含STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7这些型号的产品.主流系列主要包含F0、F1、F3这些型号的产品，超低功耗系列包含L0、L1、L4、L5等型号的产品，无线系列包含STM32WL与STM32WB型号。本系统采用了STM32H743VIT6单片机，该单片机是32为MCU组成的具有双精度浮点单元的高性能单片机，单片机实物图如图21所示。其内核为Cortex-M7，电源电压最大为3.6V，电源电压最小为1.71V，程序储存器大小为2M，内存能够达到的最高工作频率为400MHz。同时，该单片机外设有欠压检测、复位、PWM、LCD、POR、WDT等，可以完成A/D、D/A转化，携带有CAN、USB、SPI、SAI等接口。该单片机具有运算快、耗能低、价格实惠、在满足该系统的要求下，能够有效减少本系统的设计成本。本系统所选用的STM32单片机的原理图如图22所示。图21：STMH743VIT6实物图22：STM32H743VIT6单片机原理图STM32单片机主要基于ARM公司的Cortex-M内核以及外围的存储电路和外设构成。ST（意法半导体）公司于1987年成立，在2007年时，世界首批基于Cortex-M的通用MCU——STM32F1诞生，2009年世界首批Cortex-M超低功耗MCU——STM32L1诞生。2010年世界首个高性能的MCU——STM32F2诞生，其具有120MHz的频率。2011年首个高性能基于Cortex-M4的MCU——STM32F4诞生，其具有168MHz的频率。2012年，首个入门级STM32F0诞生，2013年，研发出了入门级超低功耗的STM32L0单片机。2014年，意法半导体公司又研发出了基于Cortex-M7内核的MCU——STM32F7。2015年，研发出了领先的超低功耗MCU，该MCU时基于Cortex-M4的内核，该MCU被命名为STM32L4系列。2016-2017年，研发出了目前最高性能的基于Cortex-M7的MCU——STM32H7。ST公司对于微型处理器的研发一直没有停止，除了STM32系列单片机还有STM8系列的单片机，顾名思义，STM8时8位处理器，STM8分为STM8A、STM8S、STM8L系列，分别表示为汽车级应用、标准系列以及超低功耗MCU。电机驱动模块主要作用是控制电机的转动，在机械部分提到电机是通过PWM（脉冲宽度调节）来控制电机的转速。电机驱动模块中，芯片选用TB6612FNG，该芯片是电机驱动控制中常用的，是东芝半导体公司生产的一种直流电机驱动件，是基于MOSFET的H桥集成电路，该芯片的效率比晶体管H桥电路要高。该驱动模块可以满足电机的四种控制模式，分别是正转、反转、制动和停止。PWM的支持频率达100kHZ，工作温度为零下28°到零上85°，并且具有低压检测电路和热停机保护电路。其引脚图如下。在众多信息获取途径中，图像是包含信息最丰富的，作为机器视觉识别领域的核心部件，摄像头广泛应用于安防、车牌识别等场合。摄像头按输出信号的类型分类，可以分为模拟摄像头和数字摄像头，模拟摄像头是将视频采集设备产生的模拟信号转化为数字信号，数字摄像头输出的是数字信号，是可以直接捕捉影响，通过串口传输。数字摄像头与模拟摄像头的接口也有所不同，数字摄像头接口一般有USB接口、IEE1394火线接口、千兆网接口等，而模拟摄像头的接口采用AV视频端子或者S-VIDEO。模拟摄像头的像素数一般为41万左右，而数字摄像头的分辨率可以从数十万到数千万。按照摄像头传感器材料进行分类可以分为CCD和CMOS两类。CCD指的是“电荷耦合器件”，而CMOS指的是“互补金属氧化物半导体”。除此之外，CCD与CMOS得到功耗也不相同，由于CCD的像素是由MOS电容组成的，当读取信息的时候，所需要的电压加大，至少是12V的二相或者三相甚至是四相时序脉冲信号，才能够有效的传输信号。而CMOS只需要一个单电源5V或者3V，耗电量非常小，消耗20mW至50mW，另外CCD的起步比较早，技术更为成熟，采用二氧化硅或者PN结的隔离层用来对噪音进行隔离，所以CCD的噪音较小，成像较好。CMOS与CCD相比，其最主要的缺点就是噪音较大以及灵敏度较低，但是，随着CMOS的逐渐发展，他的消噪技术也随之发展，为生产更优质的CMOS传感器提供了良好的基础，目前，CMOS已经占领了大部分市场，目前在智能手机、单反相机中都已经普遍应用了CMOS传感器。OV7725是CMOS类型数字摄像头，分辨率为30万，主要由镜头、图像传感器、板载电路以及信号引脚构成。OV7725摄像头具有体积小、工作电压低、输出图像的数据格式支持YUV、YCbCr422以及RGB565格式的特点，并且可以对采集到的图像进行补偿，支持白平衡、饱和度、色度等处理。OV7725的封装方法采用BGA封装，其封装图如图25所示，前面是图像采集窗口，引脚在后面引出。其中D0到D9为数据输出引脚，RSCK是系统复位管脚，低电平有效，PWDN是掉电或者是省电模式，高电平有效。HREF是行同步信号，VSYNC是场同步信号，PLCK是像素时钟。HREF、VSYNC、PLCK共同输出VGA时序。XCLK是系统时钟输入端，SCL是SCCB总线的时钟线。OV7725摄像头的接口图如图26所示。图25：OV7725封装图图26：OV7725摄像头接口图系统是否稳定、高效的运行与电源模块有着密切的关系[21]。电源电路的设计时要考虑到各个模块的供电电压[22]。本系统的供电模式为电源分别给总控制和电机驱动模块。总控制包含MCU、摄像头、舵机等。其中MCU、摄像头都需要3.3V的电压，而舵机与电机需要5V的电压。在本次项目中，电源电压是5V，为了能够满足MCU、摄像头以及舵机供电电压3.3V的需求，需要运用AMS1117_3.3芯片完成由5V到3.3V的转化。该芯片是一个低压差电压调节器系列，其输入电压为5V到12V，工作温度范围为零下四十度到零上一百二十五度，存储温度为零下六十五度到零上一百五十度。电路图如图27所示。图27：3.3V电源模块除此之外，电机的工作电压与舵机的工作电压为5V，为了能够保证该电压的稳定，选用AMS1117-5的芯片。该芯片广泛应用于电脑、电池充电器、电池供电系统、移动电话等领域。虽然电源是5V，但是仍然需要稳压电路。电路如图28所示。图28：5V电源模块1.5本章总结本章主要涉及到硬件的组成，分别为MCU、摄像头、电机驱动等部分，MCU为STM32H743VIT6单片机，该单片机内核为Cortex-M7，电源电压最1.71V到3.6V，可以完成A/D、D/A转化，并且外设有欠压检测、复位、PWM等。摄像