【《基于单片机的水质监测系统的硬件电路设计案例》5300字】

基于单片机的水质监测系统的硬件电路设计案例硬件电路是本系统正常运行的基础保证，本章将根据系统的方案要求，选择性价比较高的STM32嵌入式控制芯片，在此芯片典型电路的基础上设计硬件电路。本监测系统的硬件部分主要包括终端节点、接收节点和LoRa网关。1.1终端节点电路设计终端节点电路框图如图4-1，终端节点由水质采集模块、微控制器模块、LoRa通信模块、GSM模块。水质采集模块可以采集所需要的参数数据；微控制器模块是硬件系统最核心的部分；LoRa模块实现了水质数据的传输；GSM模块的作用是当水质出现异常时，给用户发送报警短信。图4-1终端节点硬件框图Fig4-1EndNodeHardwareBlockDiagram1.1.1水质采集模块水质采集模块用于检测水体的五个重要的参数(PH值、温度、浊度、TDS和电导率）。下面将详细介绍各个模块的设计原理及技术参数。1.1.1.1PH值采集模块PH值即酸碱度，用来检测水体中的酸碱度，可反映微生物的活动情况。PH是水体监测分析中的比较重要参数，表示溶液中酸碱度的高低情况。为了达到本系统中PH检验的要求，故使用PH计检测法。本系统的PH采集模块电路图如图4-2(a)。图4-2(a)PH采集模块电路图Fig4-2(a)PHacquisitionmodulecircuitdiagram本文的PH采集模块的工作原理为：先把水中的酸碱度数据用微弱的电信号反映,并将微弱电信号利用放大电路加以放大使之转换为标准电信号,之后再使用AD转换将其数据读取。该模块的引脚接线图如图4-2(b)，其1脚接5V电源，2脚接地，3脚接单片机的PB1（ADC9）。图4-2(b)PH模块引脚接线图Fig4-2(b)PHmodulepinwiringdiagram本PH模块的技术参数如表4-1。表4-1PH值采集模块技术参数表Tab4-1PHvalueacquisitionmoduletechnicalparametertable模块电压（V）+5（直流电）测量范围（PH）0~14精确度（PH）±0.01温度范围（℃）0~60输出信号模拟信号（电压）接线方式接单片机的ADC响应时间＜1秒1.1.1.2温度采集模块水中生物的繁殖与生存受温度的影响[47]。当水温过高时，水域中的生物有可能呼吸存在困难，而水温过低，水中生物可能将会出现死亡的情况。故温度是水质参数指标中必须检测的一种。此次试验为进行长距离水质检测温度收集,使用了美国Dallas半导体公司的DS18B20。其基本原理是把模拟信号转换成数字信号,再利用测量命令就可以获取此时的实际温度数值。该模块的电路图如图4-2(c)。图4-2(c)温度采集模块电路图Fig4-3(c)Temperatureacquisitionmodulecircuitdiagram本温度采集模块的相关技术参数如表4-2。表4-2温度采集模块技术参数表Tab4-2Temperatureacquisitionmoduletechnicalparametertable模块电压（V）3~5.5（直流电）测温范围（℃）-55~125精确度（℃）±0.5通讯方式单总线数据输出信号数字信号响应时间（毫秒）＜7501.1.1.3浊度采集模块浊度是指水面漂浮物对光源通过时所形成的阻碍情况,是衡量水域通透程度的重要度量指标,是衡量水域优良程度的一个主要技术指标。常见的检测方法主要为透光检测法和比浊法。本文所采用的是透光测量技术,其原理是把水的散射度和透光度综合转换成标准的电流信号,然后再将该信号转化为标准形式的电压信号,最后利用AD转换技术来获得水中悬浮物所产生的混浊程度。本浊度传感器模块电路如下图。图4-2(d)浊度采集模块电路图Fig4-2(d)Turbidityacquisitionmodulecircuitdiagram本浊度采集模块的引脚接线图如图4-2(e)。图4-2(e)浊度模块引脚接线图Fig4-2(e)TurbidityModulePinWiringDiagram该模块的1脚接电源，2脚接地，3脚接单片机的PC3(ADC13)，其技术参数如表4-3。表4-3浊度采集模块技术参数Tab4-3Turbidityacquisitionmoduletechnicalparameters模块电压（V）5（直流电）测量范围（NTU）0~4000精确度（NTU）±3%输出信号模拟信号（电压）接线方式接单片机的ADC测量原理散射光法耗电0.5W1.1.1.4TDS采集模块TDS即总溶解性固体。通常,当TDS值越大时,就意味着水所含溶解物的数量越多[48]。其原理是把置于水中的探针两级之间所形成的光交变信息转变成标准格式的电信号,并以此得到TDS数据值。TDS采集模块的电路图如图4-2(f)。图4-2(f)TDS采集模块电路图Fig4-2(f)TDSacquisitionmodulecircuitdiagram本TDS采集模块的技术参数如表4-4。表4-4TDS模块技术参数表Tab4-4TDSmoduletechnicalparametertable模块电压（V）3.3（直流电）测量范围（ppm）0~2000精确度（ppm）±2%通讯方式UART波特率（bps）96001.1.1.5电导率采集模块电导率反应了某物体的导电能力情况。电导率的测定原理,实际上是根据欧姆定律计算电极间的溶液部分流过的电流值。本系统采用AD5933这款自带频率发生器功能的芯片，采集到的是阻抗形式的信号，从而提升了电导率测试的精确度值，设计的电路如下图。图4-2(g)电导率采集模块电路图Fig4-2(g)Conductivityacquisitionmodulecircuitdiagram电路一的设计采用数字隔离型的器件，选择了由ADI公司制造的芯片，该芯片提供了两条双向的通道，并内置了热插拔电路，可以避免因将无源卡接入有源总线而造成的影响。电路二的设计采用芯片,该芯片是一种高质量的电阻检测芯片,它自带高频发生器并能够提供一定的高频电流来激励外部电阻,进而可以利用芯片中的DSP做傅立叶变换。经变换后,回到了在这些输出信号下所得的实部值R以及虚部值I。这样我们就能够非常方便地求出在每个扫描时间下的傅立叶变换后的模与电阻之间的相角值，最后基于求出的模和相角值来求电导率值。电路三是基于放大电路设计，利用运放把电导率值反相放大。本电导率采集模块的技术参数如表4-5。表4-5电导率模块技术参数表Tab4-5ConductivityModuleTechnicalDataSheet模块电压（V）3.3（直流电）测量范围（mS/cm）0~20精确度±5%接线方式接单片机的ADC1.1.2STM32最小系统设计本系统所采用的STM32无法单独工作，因此必须配置晶振、BOOT及其必要的外设电路。STM32最小系统，一般包括了时钟、复位、供电、JTAG下载、BOOT等。1.1.2.1主芯片主芯片是STM32F103RCT6，工作在的电压范围之间，工作时最大频率可高达，该芯片集成大量片上外设，如GPIO的端口多达五十一个，3个12位的ADC,2个DAC,13个通讯口,以及十一个定时器等[49]，STM32电路图如图4-3(a)。图4-3(a)STM32电路图Fig4-3(a)STM32circuitdiagram1.1.2.2时钟电路芯片支持的高速和低速时钟，本设计使用的无源晶振Y1作为外部高速时钟，时钟电路如图4-3(b)。由于晶振起振时可能会形成震荡的毛刺，进而影响微控制器的正常工作，所以设计时采用了两个22PF的起振电容，可以过滤谐波。为了保证晶振正常工作的稳定性，故使无源晶振Y2并联一个的电阻R8。图4-3(b)时钟电路Fig4-3(b)Clockcircuit1.1.2.3复位电路微控制器采用低电平的复位方式，在复位引脚处于低电平以上时，系统将会被复位，同时支持上电复位以及按键复位两种复位方式。当微控制器上电以后，的电源通过R12这个电阻器给C22这个电容器充电，此时将拉低复位引脚RST，经过时间t后，电容器C22已充满电，此时复位引脚跳为高电平，完成复位工作；在复位按键按下以后，复位引脚将会接地，复位按键弹起以后，复位引脚又跳为高电平，完成复位工作。求充电时间ｔ如式4-1：(4-1)因此，选择10K的电阻以及0.1uF的电容即可满足设计要求，复位电路如图4-3(c)。图4-3(c)复位电路Fig4-3(c)Resetcircuit1.1.2.4电源电路由于USB口输入的是5V直流电，故通过稳压芯片，将5V转为3.3V，给系统供电。电源电路如图4-3(d)。图4-3(d)电源电路Fig4-3(d)Powercircuit1.1.2.5JTAG下载电路是在国际中通用的标准化协议，本文使用接口来烧录代码。下载电路如图4-3(e)。图4-3(e)JTAG下载电路Fig4-3(e)JTAGdownloadcircuit1.1.2.6BOOT电路微控制器通电启动时能从内部的以及里启动，也能从外部的里启动，所以有三种启动模式，可通过和两个引脚来选择不同的启动模式，微控制器的启动模式与、电平关系，如表4-2中给出。表4-2STM32的启动模式与B00T1电平、BOOT0电平的关系Tab4-2TherelationshipbetweenthestartupmodeofthemicrocontrollerandthelevelsofBOOT0andBOOT1BOOT1BOOT0启动模式功能X0外部的Flash从外部的Flash里启动，正常地工作01内部的Flash从内部的Flash里启动，通过串口下载11内部SRAM从片内的SRAM里启动，用来调试微控制器正常工作时需从外部Flash启动，故设计的BOOT电路如图3-3(f)所示，BOOT0和BOOT1两个引脚脚通过两个10K电阻接地。图4-3(f)BOOT电路Fig4-3(f)BOOTcircuit1.1.2.7电源滤波电路微控制器采用电源供电，由于在工作过程中电源电压可能会存在波动，从而会出现频繁地复位和重启现象，甚至发生停机的故障，严重影响系统的正常工作，所以必须设计高稳定特性的滤波电路。电源滤波电路见图4-3(g)，该电路利用5个的电容均匀地分布在微控制器电源的周围，方便提供最近距离的电源滤波。图4-3(g)电源滤波电路Fig4-3(g)Powerfiltercircuit1.1.3外围电路设计1.1.3.1LED指示电路将发光二极管LED与一个470Ω的电阻串联可组成LED指示电路。串联电阻的主要功能是降压以及限流，以保证Led灯的正常工作。当系统正常工作时，D1亮；当系统未工作时，D1灭。LED指示电路如图4-4(a)。图4-4(a)LED指示电路Fig4-4(a)LEDindicationcircuit1.1.3.2OLED显示电路OLED指的是由有机材料物质所构成的一个发光型二极管，也就是有机电激光器件。OLED显示屏采用了特别薄的有机材质和玻璃基板。它的特点是自发光、厚度很薄、视角很宽、相应时间很快、对比度很高。本系统用OLED模块作为下位机显示水质数据，其电路图如图4-4(b)。图4-4(b)OLED显示电路图Fig4-4(b)OLEDdisplaycircuitdiagram该显示模块采用的是7针的spi接口，其引脚接线图如图4-4(c)。图4-4(c)OLED模块引脚接线图Fig4-4(c)OLEDmodulepinwiringdiagram该显示模块的各引脚介绍说明在表中给出。表4-3显示模块引脚介绍Tab4-3Displaymodulepinintroduction引脚名称介绍GND接地VDD接3.3V电源D0spi时钟信号D1spi数据信号RES复位信号，低电平复位DC命令/数据输入信号；低电平：信号；高电平：数据CS片选信号，低电平使能1.1.3.3按键电路水质参数阈值的设定由KEY1、KEY2、KEY3三个独立的按键组成。从KEY1到KEY3，分别是“界面设置”按键、水质参数阈值的“+”按键、水质参数阈值的“-”按键。它们分别和微控制器STM32的PA0、PC1、PC13相连，设计的简易按键电路如下。图4-4(d)按键电路Fig4-4(d)Keycircuit1.1.3.4蜂鸣器电路用N沟道MOS管和bell设计而成的蜂鸣器电路，如图4-4(e)。当bell引脚为高电平的时候，MOS管导通，蜂鸣器报警；反之，为低电平时，蜂鸣器关闭。图4-4(e)蜂鸣器电路Fig4-4(e)Buzzercircuit1.1.3.5USB转TLL电路为了便于开发人员在电脑端利用串口助手软件来调试程序，使电脑和主控板直接通信，因此设计了USB转TLL模块电路。电路中使用了USB转TTL串口的，实现了电脑与主控板串口间的数据传输。是全双工的串口，该芯片内置了独立工作的收发缓冲区、支持7个数据位以及奇偶校验等。该芯片的RX、TX管脚，分别连接微控制器的TX、RX管脚，实现数据的传输与交互。电路设计如图4-4(f)所示。图4-4(f)USB转TLL串口电路Fig4-4(f)USBtoTTLserialportcircuit1.1.4LoRa通信模块电路设计1.1.1.1LoRa模块电路设计LoRa核心电路时，芯片的选择最为重要，本文选择广州正点原子公司的LoRa产品，目前适用于LoRa远距离通信的芯片主要有三种型号，这三种芯片的主要技术参数在表4-4中给出。表4-4LoRa芯片参数表Tab4-4LoRachipparametertable型号频率范围(MHz)扩频因子带宽(kHZ)最大功率(dBm)灵敏度(dBm)SX1278137~5256~127.8~50020-111~-148SX1277137~10206~97.8~50020-111~-139SX1276137~10206~127.8~50020-111~-148从上表中可以分析得出，的扩频因子最小，而和的性能基本一致，但是的扩频范围更小一些，在通信传输时更稳定[50]，因此通信电路模块选择芯片。该模块一般由电源电路、射频电路、复位时钟电路和接口电路构成。具体的电路设计如图4-5(a)。图4-5(a)LoRa模块电路Fig4-5(a)LoRamodulecircuit1.1.1.2LoRa接口电路LoRa模块的数据传输是通过微控制器读写中的寄存器来实现的，将微控制器和射频芯片的口和中断信号连接即可。故设计模块和微控制器之间的接口电路来实现LoRa模块的数据通信工作。接口电路见图4-5(b)。图4-5(b)LoRa接口电路Fig4-5(b)LoRainterfacecircuit在图4-5(b)中，RXD2和TXD2为微控制器的的串口管脚，即USART2。将这两串口管脚与LoRa模块的TX和RX连接，可实现数据的传输和交互功能。模电各引脚的功能说明在表4-5中给出。表4-5LoRa模块引脚说明Tab4-5LoRamodulepindescription引脚序号名称方向介绍1MD0输入设置参数；上电后进入固件升级模式2AUX1.输出2.输入1.指示工作状态，唤醒STM322.上电后进入固件升级模式3RXD输入TTL电平输入，接STM32的TXD4TXD输出TTL电平输出，接STM32的RXD5GND-接地6VCC-接3.3V电源1.1.5GSM模块GSM是基于中国移动/联通的通信网络，通信不受距离限制。本GSM模块的型号为SIM800C，它支持四个不同的工作频率。模块原理图如图4-6(a)。图4-6(a)GSM电路图Fig4-6(a)GSMcircuitdiagramGSM模块的供电电压为5V，模块与单片机通过USART通信，其GND接地，TXD接微控制器的RXD，RXD接微控制器的TXD，接线图如图4-6(b)。图4-6(b)GSM接线图Fig4-6(b)wiringdiagram模块内部有两种指示灯：电源和网络指示灯，可从指示灯的闪烁情况来对模块状态做出对应的判断，工作状态在下表中给出。模块在搜索网络或者电源电阻不足的情况下，模块将无法进行正常的通信；只有在已搜索到网络、并初始化完毕以后才能保证GSM模块能够工作，并且可以通过AT命令进行软件的编写工作。表4-6GSM工作状态表Tab4-6GSMworkstatustable工作状态电源指示灯网络指示灯正在搜索网络长亮快速闪烁已搜索到网络长亮慢慢闪烁供电电压不足亮3秒灭1秒快速闪烁1.2接收节点电路设计终端节点与接收节点之间的数据传输采用LoRa技术，接收节点可通过USB转TLL接到电脑上，便于调试LoRa设备和查看电脑上位机数据。接收节点由STM32最小系统及外围电路、LoRa模块组