【《车库管理系统的硬件和软件设计案例》5000字】

第1章绪论[5]，最大时钟速率可高达72MHz，拥有48K静态RAM，256KFLASH集成于芯片上，工作时仅需要2.0-1.6V应用电源供电。当CPU不需继续运行时，可以利用多种低功耗模式来节省功耗REF_Ref17094\w\h[6]，所以STM32F1系列单片机具有低功耗和性能与价格比高的优势，完全适合用于本次设计开发。本次设计开发采用的是STM32F1系列的STM32F103C8T6芯片作为整个系统的主控电路。STM32F103C8T6芯片有48引脚，因为有一些非编程或其他需连接相关运行电路的引脚不需要引出，故核心板有40引脚。该核心板的USB接口电路目前只用于对核心板设备供电，如果外接电源过高，其中的电源控制电路使用ME6211芯片进行高电压转化，转化后的1.3V电压提供给STM32F103C8T6单片机稳定供电的，且可利用SWD接口下载烧录程序，对STM32F103C8T6单片机进行调试。STM32F103C8T6核心板原理图详见图3-1，实物及对应接口详见图3-2。图3-1STM32F103C8T6核心板原理图图3-2STM32F103C8T6核心板实物及对应接口图1.3DS1302实时时钟模块DS1302是一种被广泛运用的涓流式充电时钟控制器芯片，具有高性能、低功耗的优势REF_Ref4563\w\h[7]。它内含有一个实时时钟/日历和318位暂存数据储存RAM，接有一个备用纽扣电池CR2032，其电压为3V，其体积小，被运用于各种系统装置和机器。DS1302芯片的管脚少，可以仅通过三个接口就可以通过SPI通信与其他控制器进行连接通信，这样方便单片机的外部加用，也更能广泛被推广运用。它的时钟的读/写数据以一个字节式与单片机进行通信，也可以多字节与单片机进行通信REF_Ref4563\w\h[7]。本设计利用DS1302模块进行时间跟踪，设置STM32F103C8T6核心板的PB_8引脚接DS1302的CLK接口，PB_1引脚接DS1302的DAT接口，PB_0引脚接DS1302的RST接口。DS1302模块的电路原理图见图3-3，实物见图3-4。图3-3DS1302模块电路原理图图3-4DS1302模块实物图1.4环境监测模块1.2.1AM2320温湿度传感器AM2320数字温湿度传感器是一款复合型传感器，它输出给控制器的信号是已经经过校准的数字信号。该款传感器组成包括一个电容式感湿元件和一个高精度集成测温元件，且与一个高性能微处理器相连接。这款温湿度传感器具有材料与性能卓越、灵敏且工作反应快速、性价比对其他类型温湿度传感器而言高、超强抗干扰能力、可测量的温湿度范围广且测量结果精度高等优势。AM2320温湿度传感器与MCU间通信可以通过I2C和单总线两种方式，简单方便外接。本设计采用的是单总线的通信方式，将AM2320温湿度传感器的SDA接口上拉电阻后引接到STM32单片机的PB_7口，AM2320温湿度传感器测到的数据通过该接口传入单片机。该传感器的实物和引脚接线见图3-5。图3-5AM2320温湿度传感器实物及接口图1.2.2YL-38火焰传感器YL-38火焰传感器对火焰光谱最敏感，一般应用于发现火焰并报警的场景。该传感器通过红外发射管可以灵敏地检测到在波长范围内的光源，且可以通过模块上的数字电位器调节对火焰感应灵敏度。YL-38火焰传感器上接有两个LED指示灯，一个接通电源就会亮是作为电源指示灯D1，一个检测到火焰就会亮是作为开关警告指示灯D2，详见YL-38火焰传感器的电路原理图3-6。图3-6YL-38火焰传感器原理图YL-38火焰传感器有三线和四线接口的类型，本设计采用的是三线接口。YL-38火焰传感器的D0口接到STM32F103C8T6核心板的PA_0口，工作时向单片机传输数字信号，信号杂质少干净，故检测灵敏精确。该传感器封装器件小，方便外接使用，且驱动能力强。其接口定义见实物图3-7。图3-7YL-38火焰传感器实物图1.5OLED显示模块OLED是有机发光二极管（OrganicLightEmittingDiode）的简称。OLED有传送时间短、驱动反应快速，屏幕厚度薄，通上电后就可以亮的明显优势，且其构造生产过程较为简单，对于坏境温度的要求低，故被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术REF_Ref25588\w\h[8]。本设计选用的显示器是四线OLED显示屏，该显示屏有四个外接接口，用两根线可以跟STM32单片机采用I2C方式通信，其中它的SCL引脚与STM32F103C8T6核心板的PB_10引脚相连，SCL引脚与核心板的PB_11引脚相连。该显示屏字体颜色为蓝色，尺寸大小为0.96寸，且其屏幕分辨率达到128*64，可满足文字、数字的清晰显示。图3-8OLED显示屏原理图本设计选用的OLED显示屏硬件原理图见上图3-8，可知该屏采用的驱动IC为SSD1306芯片。该电路包含一个稳压电压电路用来保护电路，一个复位电路确保一上电SSD1306能正常工作，排针引出四个引脚方便外接使用。OLED显示屏实物器件详见图3-9。图3-9OLED显示屏实物图1.6RFID-RC522模块射频识别（RFID）技术是无线电广播通信技术和雷达感应技术的发展与结合。RFID技术是通过感应与接收无线射频信号来实现感应与接收双方的双向通信的，达到主动识别标签目标并对其进行读写操作的技术，这是技术的优势是可以实现非接触式通信，往往被运用于物流交通过程中对目标货品的跟踪定向。RFID系统主要由硬件部分和软件系统，其中的硬件部分包括读写器、电子标签REF_Ref25085\w\h[9]。本设计采用的读写器电路采用的是MF-RC522芯片，该读卡器价格低廉，大范围使用成本低，使用操作简单容易上手，非常适合用于设计开发的用户。RC522模块读卡器由频射模块、高频磁场组成，MF-RC522是应用于高频段的，能适用于绝大多数坏境。RC522读卡器外拉七个引脚，与单片机采用SPI通信方式。RFID-RC522电路原理图详见图3-10。图3-10RFID-RC522模块电路原理图RFID-RC522模块的实物及引脚注释详见图3-11，本设计设计了该读卡器的RST、IRQ、MISO、SCK、SDA引脚分别与STM32F103C8T6核心板的PB_9、PB_15、PB_14、PB_13、PB_12引脚相接，采用SPI通信方式。图3-11RFID-RC522模块实物图本设计的电子标签采用的是S50非接触式IC卡，其容量为8K位EEPROM。每张IC卡都有唯一的32位编码序列号，支持多卡进行操作，内部自带有天线，没有安装内部电源，需要读写器感应进行外部供电。它且具有防冲突机制，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路，内部数据保存期可达10年REF_Ref32253\w\h[10]。1.7TTS语音模块TTS是TextToSpeech的缩写，即"从文本转到语音"，是人与机器对话的一部分，指让机器能够说话REF_Ref324\w\h[11]。本文采用的是CN-TTS文字转语音模块，它可以利用MX25L6445E芯片对中文、英文字母和阿拉伯数字的文本进行合成，并且支持中文GBK编码集、支持大、小写英文字母混合播报REF_Ref24378\w\h[12]。该模块的实物器件外设九个接口，其采用UART串口模式与MCU进行通信，其串口通信支持9600bps，想要其播报什么内容就向其发送什么内容数据，非常简单方便使用。CN-TTS语音播报模块的实物图详见图3-12。图3-12TTS语音模块实物图4系统软件设计2.1软件开发平台本次设计使用的是KeilMDKv5软件开发平台，这款软件开发平台是针对ARM微控制器，是一款操作界面简洁全面、功能专业齐全的集成开发工具。该软件可以下载相关的库函数包，库函数功能全面且调用方便，是电子行业内开发人员使用率最高的C/C++编译的工具。该软件能够让用户高效进行单片机开发，提供用户C编译器、宏汇编、链接器、库管理等功能，因此用该软件平台来执行本次软件开发。其主程序页面见图4-1。图4-1KeiluVision5主程序页面2.2系统软件的整体架构本次系统软件设计包含了多个模块功能，要求单片机控制多个模块，这就要求在编写程序代码时分成几个模块来编写。在编写复杂程序时采用模块化方式编程，可以把杂糅的程序模块进行结构划分，这样可以方便程序的查错与增删修改，提高系统的调试效率，还能增加程序的可持续性和可移植性REF_Ref2199\w\h[13]。模块化编程是将系统分为几个部分，实现程序的模块化设计，降低程序复杂性，使整个设计的设计难度变小，调试过程变得更加简单。本次设计的整体程序框架如图4-2所示。图4-2整体程序框架如上图4-2所示，本设计主程序下包括九个主要程序模块：初始化模块、显示模块、刷卡监测模块（IC卡识别模块和计时计费模块）、串口通信模块、实时监测模块、语音播报模块、环境监测模块（AM2320温度传感器和YL-38火焰传感器）、按键复位模块和指示灯模块。采用模块化编程来编写整个程序，先分别编写好各模块的.h和.c文件，其中各模块的.c文件包含各模块的功能函数，然后在主函数中调用各模块的功能函数就可以实现各模块的功能，执行循环操作，最终实现整个系统所要求的的功能。2.3系统程序模块2.1.1主程序模块外部电源给系统装置上电，下载编译好的程序，程序会开始按照主程序MAIN.C执行，首先完成各串口各模块初始化步骤，RC522模块复位；其次获取并显示环境监测信息，包括AM2320温湿度，YL-38火焰传感器检测；然后调取DS1302模块的实时时间，RC522检测IC卡执行是否有车辆出入库的相关判断语句，根据反馈更新车库信息，出库则计算停车时间和停车费用，执行完成本设计功能的程序代码，不断地循环执行工作。当检测到有外部控制命令输入时，中断优先执行实现相关功能的语句。相关的主程序流程图如图4-3所示。图4-3主程序流程图2.1.2DS1302模块的程序设计STM32单片机对DS1302模块的驱动程序开始，先初始化变量，去掉写保护，进行初始时间的设置。要想实现STM32单片机对DS1302模块的运用控制，进行计时操作，就要对它的内部寄存器进行相关读写的操作，对于SCLK时钟信号的上升沿和下降沿对DS1302芯片进行不同的读写操作，这样不断地读取时间和日期并进行显示REF_Ref4563\w\h[7]。DS1302实时时间的程序流程图如图4-4所示。图4-4DS1302实时时间程序流程图2.1.3AM2320温湿度采集的程序设计本设计的AM2320温湿度传感器采用单总线的通信方式，将温湿度传感器的SDA接口上拉电阻后引接到STM32单片机的PB_7口。单片机上电后对AM2320温湿度传感器进行初始化，对它发送信号，释放总线等待温湿度传感器响应。当温湿度传感器响应后，单片机再读取其内部的40位数据，高16位为温度数据，再后16位为湿度数据，最后低8位为校验数据，计算并校验准确后更新显示输出REF_Ref15026\w\h[14]。以上为一个采样周期内的实现步骤，以周期时间为单位不断的循坏更新温湿度数据并显示输出，完整的AM2320温湿度采集程序设计流程图详见图4-5。图4-5AM2320温湿度采集程序设计流程图2.1.4YL-38火焰监测的程序设计YL-38火焰传感器模块在环境中火焰光谱或者光源达不到设定阈值时，它的D0口输出高电平，当外界环境火焰光谱或者光源超过设定阈值时，模块D0输出低电平。本设计中STM32F3C8T6核心板的PA_0与YL-38火焰传感器的D0口相连，单片机只要监测PA_0的值就可以监测到火焰并做出相应的命令操作，其程序代码详见图4-6。图4-6YL-38火焰传感器发现火焰并警报代码2.1.5OLED模块的程序设计进行OLED显示前可利用取模软件对要显示的内容进行C51语言的十六进制转换，STM32单片机控制OLED显示屏显示相关文字或者数据，这主要通过配置STM32单片机I/O口与OLED显示屏实现SPI通信，将想要显示数据传送给OLED显示驱动芯片SSD1306，令其通过设置页和列的地址完成片选、复位而进行显示和清屏等操作REF_Ref9288\w\h[15]。程序流程图如图4-8所示。图4-8OLED显示程序流程图2.1.6RFID模块的程序设计RC522模块的检测IC卡和读写操作程序设计思路是：在读取范围内，当RC522模块检测到了IC卡就会读取到IC卡的唯一标识码（序列号）和数据，并执行对该IC卡的操作程序命令。这一实现过程可以分为六个执行步骤：第一步为STM32单片机对RC522的各寄存器进行初始化操作，第二步为寻卡操作，第三步为防碰撞操作，第四步进行选卡操作，第五步进行密码验证操作REF_Ref2995\w\h[16]，第六步对IC卡进行读数据块或者写数据块。根据上述过程RFID模块就完成了单片机、读写器和IC卡间的通信，RFID模块程序的驱动过程详见如图4-6。图4-6RC522程序驱动流程图2.1.7TTS语音播报模块的程序设计本设计采用的CN-TTS语音播报模块，该模块采用串口通信方式与控制器进行连接通信，在通信是把UART串口的波特率设置为9600bps，就可以通过串口传送想播报的内容来进行播放，