【《基于单片机的载物流智能车系统硬件设计案例》4200字】

基于单片机的载物流智能车系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23588基于单片机的载物流智能车系统硬件设计案例 1284071.1单片机处理模块 283461.1.1主控芯片STM32F103C8T6 2217671.1.3电源稳压电路 512011.1.4外部时钟电路 6215241.1.5配置启动电路 6151591.1.6按键复位电路 7298511.2GPRS模块 7286641.3采集模块 9275051.1.1DHT11温湿度传感器 9173561.1.2MQ-2烟雾传感器模块 12246011.4蜂鸣器模块 13189501.5LED显示模块 14设计该系统控制电路时,我选择了一种模块化设计方案,主要包含有一个单片式处理控制模块、GPRS控制模块、数据采集控制模块、LED显示控制模块及蜂鸣器报警控制模块等几个部分。系统的集成电路原理图结构如下图2所示。图SEQ图\*ARABIC2系统电路图1.1单片机处理模块1.1.1主控芯片STM32F103C8T6STM32F103C8T6是基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器（ARM公司在出ARM11之后使用Cortex定名，并分为三类：M系列为A，R和M。M类含M0，M0+和M3等。采用由STMicroelectronics（ST）推出的LQFP48封装；属于STM32系列。闪存程序的存储容量为64KB（64Kx8位），RAM容量为20KB（20Kx8位）。含2个12bitADC合计12路通道（外部通道只有PA0到PA7、PB0到PB1，并不是18通道），37个通用I/O口（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），4个16bit定时器（TIM1（高级控制定时器，带死区插入，常用于产生PWM控制电机）、TIM2、TIM3、TIM4），2*IIC，2*SPI，3*USART，1*CAN，工作电压2V~1.6V，工作温度为-40°C~85°C，系统时钟最高可到72MHz（一般是由）。微处理器系统时钟最高可以达到72MHz（通常通过8MHz的外部时钟经锁相环9倍频到72MHz）。设计时采用stm32f103c8t6处理器，该处理器有三个串口，分别是USART1、USART2、USART3。采用CPU的USART2串口连接GPRS模块USART2串口实现通信功能。引脚图如图3所示。图SEQ图\*ARABIC3STM32F103C8T6引脚图设计STM32F103C8T6最下系统外围电路时，含有USB转串口电路，电源稳压电路，外部时钟电路，配置启动电路，按键复位电路等。1.1.2USB转串口电路在进行串口电路的设计时先对其串口概念有所了解，再进行芯片选型进行电路设计。串口介绍串行接口通常称为COM接口，数据传输时，将数据的每一位的数据按顺序逐位发送出去。可以以单工或者双工实现通信功能。因此,它显著地降低了其成本,特别是很适用于进行长距离的通信,但其数据传输的速度也是比较缓慢。设计时，采用CP2102作为SUB转转串口芯片，下面对CP2102进行相关介绍。CP2102介绍CP2102是具有高集成度的振荡器。它可以集成一个内置的USB2.0全速功能控制器，USB收发器，晶体振荡器，EEPROM和异步串行数据总线（UART）。支持不带USB设备的全功能调制解调器信号。CP2102部分特性如表格1所示。表格SEQ表格\*ARABIC1CP2102相关特性1、内置USB收发器，无需外部电路2、集成时钟电路，无需外部电路装置3、内含上电复位电路4、片内电压调节可输出1.3V电压5、SUSPEND引脚支持USB状态挂起7、异步串行数据总线与所有链路控制和调制控制接口信号兼容8、支持的数据格式为数据位8，停止位1、2和奇偶校验位9、包含一个512字节的接收缓冲区和一个512字节的发送缓冲区CP2102部分引脚如表格2所示表格2CP2102引脚说明引脚名称引脚号类型说明/RST9数字l/0内部接入端口或者vdd监控器的开漏数据输出。外部源设备可以直接通过将此引脚设置到低电平至少15us来进行启动系统的复位REGlN7电源输入5V稳压器输入。该引脚是片上稳压器的输入VBUS8数字输入VBUS检测输入。该引脚应连接到USB网络上的VBUS信号。当连接到USB网络上时，此引脚上的信号为5V。D+4数字I/OUSBD+D-5数字I/OUSBD-TXD26数字输出异步数据输出(UART发送)RXD25数字输入异步数据输入(UART接收)DSR27数字输入数据设置准备好控制输出(低电平有效)DTR28数字输出数据终端准备好控制输出（低电平有效)/SUSPEND11数字输出当CP2101进入USB挂起状态时，该引脚被驱动为低电平。CP2102电路图当USB线插入电脑COM口或者充电宝COM进行5V供电时，USBCON1VCC端输出5V电压，按键S2控制系统电路的供电输入，通过D+、D-将数据传入cp2102，cp2102通过RXD和TXD将和MCU通信进行数据传输。增加了两个LED的辅助电路可明显看到数据传输的过程中LED会不停闪烁。如图4所示。图4下载电路图1.1.3电源稳压电路采用简单的5V转1.3V的稳压芯片进行对系统电路供电。原理图如图5所示。图5稳压电路1.1.4外部时钟电路设计时采用8M晶振给芯片提供时钟，OSC_IN端和MCUPD0引脚相连，OSC_OUT端和MCUPD1引脚相连；32.768KHz晶振给MCU提供系统RTC实时时钟,OSC32_IN端和MCUPC14引脚相连，OSC32_OUT端和MCUPC15引脚相连。阻容器件对晶振的品质因子有着影响。原理图如图6所示。图6外部时钟1.1.5配置启动电路每个stm32芯片上均设置一个booto引脚与一个boot1引脚。可以通过设置两个导线引脚之间的电平来改变该芯片的开始运行。stm32共有三种主要的启动模型:从用户闪存开始启动,从内部sram开始启动,从系统内部内存开始启动。其启动程序如表格3所示。表格启动方式BOOT0BOOT1MODE0XFLASH11SRAM10ISP选择在设计时从系统内存即ISP模式启动。选择此启动模式可从串行端口下载程序。串行端口下载器固件由制造商提供的BootLoader提供，使得可以将程序下载到系统的闪存中。将BOOT1端接地，且和MCUPB2引脚连接；BOOT0和MCUBOOT0引脚连接；当按键S3按下时，BOOT0置高电平即可实现从ISP模式启动。原理图如图7所示。图7ISP模式启动1.1.6按键复位电路按钮复位电路连接到MCUNRST引脚，以实现低电平复位功能。原理图如图8所示。图8复位按键1.2GPRS模块GPRS英文全称为Generalpacketradioservice，中文全名为通用无线分组业务，它指的是一种基于通用GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)无线网络管理系统的无线网络分组数据交换业务技术。使用GPRS模块时需要配上SIM卡，两者之间建立通信，通信成功后方可实现无线信号传输功能。采用现成的设备及模块，不进行硬件设计，因此不作详细讨论。在进行系统设计时采用G510作为无线射频数据传输接口模块,G510模块不仅可以同时支持850/900/1800/1900mhz四频段的GSM模块,而且GPRS模块可以同时支持class10。该控制模块是一款微型智能手机,具有非常强大的手机网络通讯控制功能。G510相关参数如表格4所示。表格4G510参数发射功率2W，850/900MHz1W，1800/1900MHz接收灵敏度850/900MHz：-109dBm1800/1900MHz：-108dBm串口串口UART1是8线串行数字通讯接口,是主要的串行端口。UART2是仅支持某些AT命令的2线串行端口。HOSTUART是UART的调试端口，主要任务是下载，校准，跟踪等。传输速度范围为2400bps至460800bps。设计时以G510UART2和MCU通信，G510UART2RX引脚和MCUUART2TXD引脚，即PA2引脚连接，G510UART2TX引脚和MCUUART2RXD引脚，即PA3引脚连接。UART1RXD串口1实现远数据接收，UART1TXD串口1实现远程数据发送。使用G510是需要插入SIM卡实现无线传输。系统G510模组外围电路配有天线和联网成功指示灯，联网成功后指示灯会不停的闪烁，不会停止。引脚结构图如图9所示。图9GPRS引脚图1.3采集模块1.1.1DHT11温湿度传感器图10DHT11DHT11是经过校验过的数字温湿度传感器，内部含电容式湿度检测器和NTC热敏电阻,外加一个8位芯片。实物图如图10所示。在图10中，引脚1为VDD，电源为1.5v至5.5v。引脚2是DATA单总线串行数据端口。引脚3为NC，悬空。引脚4为GND，负极电源。DHT11相关参数如表格5所示。表格5DHT11参数测量范围-20~60℃5~95%RH测量精度(25℃)±2℃±5%RH分辨率0.1℃0.1%RH响应时间5S工作温度范围0~50℃DHT11引脚说明DHT11的电源引脚电压为3至5.5V。打开传感器后，在此期间须等待1秒钟才能摆脱不稳定状态，而无需发送任何指令。可以在电源引脚（VDD，GND）之间添加一个100nF的电容，以进行去耦和滤波。DATA引脚用于微处理器和DHT11之间的通信和同步。使用单总线数据格式，一次用于大约4ms的通信时间。数据含小数部分和整数部分，一个完整的数字信号系统传输数据长度分为40bit,并且是高位先出。其数据格式为：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit整数温度数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。如果数据发送正确，则校验和数据将是“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。刚开始主机发出启动开始信号唤醒DHT11,使其进入高速状态。随后DHT11发出响应信号，最后开始发送采集的数据。通信过程如图11所示。图11DATA通讯模式如果总线空闲状态为高，则需要使主机降低总线并等待DHT11响应；主机拉低总线至少大于18ms，这样就可以使DHT11检测到启动信号。主机拉高等待20-40us之时DHT11响应信号开始，并随后发送低电平80us的响应信号；响应信号完成后，再把总线拉高80us,准备好发送的数据。每一为数据都是从50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1。格式显示在下面的图12中。如果读取响应信号为高，则DHT11没有响应，需要检查线路是否正确连接。传输完最后一位数据后，DHT11可以将总线降低50us，然后使用上拉电阻将其上拉以使其空闲。图12DHT响应过程数字0信号表示方法如图13所示图13数据0数字1信号表示方法如图14所示图14数据1设计时以DHT11DATA引脚和MCUPB3引脚连接。典型电路图和模块引脚结构图分别如图15和图16所示。图15DHT11典型电路图16DTH11模块引脚图1.1.2MQ-2烟雾传感器模块MQ-2气体传感器敏感于直接检测民用液化气,丙烷和液化氢气,也是用于检测民用天然气和其它可燃性气体有害物质的一种理想检测装置。该气体传感器系统能够准确检测多种具有易燃性的化学气体,其中可以检测天然气甲烷300to10000pm。该模块具有快速响应和恢复特性，较长的使用寿命以及可靠的稳定性。MQ-2气体传感器内含二氧化锡（Sn02）。当空气中可燃气体的浓度越高，传感器的电导率就越高。可以使用简单的电路将电导率的变化转换为与气体浓度相对应的输出信号。VCC引脚接5v正极；GND连接到5v负极。引脚作为控制开关输出信号，以TTL电平 输出。有效的TTL输出信号为低电平。（如果输出为低电平，则表明光信号已激活，可以直接连接到微控制器或继电器模块）。模拟信号输出端子为A0。模拟输出的电压与外部浓度相关。浓度越高,电压也就越高。电位器可实现对TTL输出灵敏度进行控制，同时也是关乎外界电压的阀门。顺时针的调节方式可以大幅提高其灵敏度,而逆时针的调节方式可以降低其灵敏度。开启传感器后，预热大约需要20秒钟，直到测量数据稳定下来。MQ-2内部原理图电位器RP的变化改变RP的电压当浓度变大时，即比较器3脚电压，起到调节灵敏度的作用。电阻R2两端得电压增高，即比较器2脚电压增高。当比较器2脚电压大于比较器3脚电压时，驱动LED点亮，DOUT端输出TTL低电平，表示烟雾浓度偏高。AOUT端的模拟电压即电阻R2的电压，可实现AD采集功能。如图17所示。图17MQ-2内部电路设计时，以DOUT端和MCUPB4连接，当PA4引脚为低电平时，MCU通过和G510通信后将数据无线传输出去，机智云后台和APP可显示为烟雾传感器异常报警，表示烟雾浓度偏高；同时，MCU会驱动led和蜂鸣器发出警报。MQ2模块引脚图如图18所示。图18MQ2模块引脚图1.4蜂鸣器模块使用有源蜂鸣器，并使用s8050晶体管驱动，