基于單片機(jī)的載物流智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23588基于單片機(jī)的載物流智能車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 1284071.1單片機(jī)處理模塊 283461.1.1主控芯片STM32F103C8T6 2217671.1.3電源穩(wěn)壓電路 512011.1.4外部時(shí)鐘電路 6215241.1.5配置啟動(dòng)電路 6151591.1.6按鍵復(fù)位電路 7298511.2GPRS模塊 7286641.3采集模塊 9275051.1.1DHT11溫濕度傳感器 9173561.1.2MQ-2煙霧傳感器模塊 12246011.4蜂鳴器模塊 13189501.5LED顯示模塊 14設(shè)計(jì)該系統(tǒng)控制電路時(shí),我選擇了一種模塊化設(shè)計(jì)方案,主要包含有一個(gè)單片式處理控制模塊、GPRS控制模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊、LED顯示控制模塊及蜂鳴器報(bào)警控制模塊等幾個(gè)部分。系統(tǒng)的集成電路原理圖結(jié)構(gòu)如下圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC2系統(tǒng)電路圖1.1單片機(jī)處理模塊1.1.1主控芯片STM32F103C8T6STM32F103C8T6是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器（ARM公司在出ARM11之后使用Cortex定名，并分為三類：M系列為A，R和M。M類含M0，M0+和M3等。采用由STMicroelectronics（ST）推出的LQFP48封裝；屬于STM32系列。閃存程序的存儲(chǔ)容量為64KB（64Kx8位），RAM容量為20KB（20Kx8位）。含2個(gè)12bitADC合計(jì)12路通道（外部通道只有PA0到PA7、PB0到PB1，并不是18通道），37個(gè)通用I/O口（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），4個(gè)16bit定時(shí)器（TIM1（高級控制定時(shí)器，帶死區(qū)插入，常用于產(chǎn)生PWM控制電機(jī)）、TIM2、TIM3、TIM4），2*IIC，2*SPI，3*USART，1*CAN，工作電壓2V~1.6V，工作溫度為-40°C~85°C，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可到72MHz（一般是由）。微處理器系統(tǒng)時(shí)鐘最高可以達(dá)到72MHz（通常通過8MHz的外部時(shí)鐘經(jīng)鎖相環(huán)9倍頻到72MHz）。設(shè)計(jì)時(shí)采用stm32f103c8t6處理器，該處理器有三個(gè)串口，分別是USART1、USART2、USART3。采用CPU的USART2串口連接GPRS模塊USART2串口實(shí)現(xiàn)通信功能。引腳圖如圖3所示。圖SEQ圖\*ARABIC3STM32F103C8T6引腳圖設(shè)計(jì)STM32F103C8T6最下系統(tǒng)外圍電路時(shí)，含有USB轉(zhuǎn)串口電路，電源穩(wěn)壓電路，外部時(shí)鐘電路，配置啟動(dòng)電路，按鍵復(fù)位電路等。1.1.2USB轉(zhuǎn)串口電路在進(jìn)行串口電路的設(shè)計(jì)時(shí)先對其串口概念有所了解，再進(jìn)行芯片選型進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。串口介紹串行接口通常稱為COM接口，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將數(shù)據(jù)的每一位的數(shù)據(jù)按順序逐位發(fā)送出去?？梢砸詥喂せ蛘唠p工實(shí)現(xiàn)通信功能。因此,它顯著地降低了其成本,特別是很適用于進(jìn)行長距離的通信,但其數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫彩潜容^緩慢。設(shè)計(jì)時(shí)，采用CP2102作為SUB轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)串口芯片，下面對CP2102進(jìn)行相關(guān)介紹。CP2102介紹CP2102是具有高集成度的振蕩器。它可以集成一個(gè)內(nèi)置的USB2.0全速功能控制器，USB收發(fā)器，晶體振蕩器，EEPROM和異步串行數(shù)據(jù)總線（UART）。支持不帶USB設(shè)備的全功能調(diào)制解調(diào)器信號。CP2102部分特性如表格1所示。表格SEQ表格\*ARABIC1CP2102相關(guān)特性1、內(nèi)置USB收發(fā)器，無需外部電路2、集成時(shí)鐘電路，無需外部電路裝置3、內(nèi)含上電復(fù)位電路4、片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)可輸出1.3V電壓5、SUSPEND引腳支持USB狀態(tài)掛起7、異步串行數(shù)據(jù)總線與所有鏈路控制和調(diào)制控制接口信號兼容8、支持的數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)位8，停止位1、2和奇偶校驗(yàn)位9、包含一個(gè)512字節(jié)的接收緩沖區(qū)和一個(gè)512字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)CP2102部分引腳如表格2所示表格2CP2102引腳說明引腳名稱引腳號類型說明/RST9數(shù)字l/0內(nèi)部接入端口或者vdd監(jiān)控器的開漏數(shù)據(jù)輸出。外部源設(shè)備可以直接通過將此引腳設(shè)置到低電平至少15us來進(jìn)行啟動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)位REGlN7電源輸入5V穩(wěn)壓器輸入。該引腳是片上穩(wěn)壓器的輸入VBUS8數(shù)字輸入VBUS檢測輸入。該引腳應(yīng)連接到USB網(wǎng)絡(luò)上的VBUS信號。當(dāng)連接到USB網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，此引腳上的信號為5V。D+4數(shù)字I/OUSBD+D-5數(shù)字I/OUSBD-TXD26數(shù)字輸出異步數(shù)據(jù)輸出(UART發(fā)送)RXD25數(shù)字輸入異步數(shù)據(jù)輸入(UART接收)DSR27數(shù)字輸入數(shù)據(jù)設(shè)置準(zhǔn)備好控制輸出(低電平有效)DTR28數(shù)字輸出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好控制輸出（低電平有效)/SUSPEND11數(shù)字輸出當(dāng)CP2101進(jìn)入U(xiǎn)SB掛起狀態(tài)時(shí)，該引腳被驅(qū)動(dòng)為低電平。CP2102電路圖當(dāng)USB線插入電腦COM口或者充電寶COM進(jìn)行5V供電時(shí)，USBCON1VCC端輸出5V電壓，按鍵S2控制系統(tǒng)電路的供電輸入，通過D+、D-將數(shù)據(jù)傳入cp2102，cp2102通過RXD和TXD將和MCU通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。增加了兩個(gè)LED的輔助電路可明顯看到數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中LED會(huì)不停閃爍。如圖4所示。圖4下載電路圖1.1.3電源穩(wěn)壓電路采用簡單的5V轉(zhuǎn)1.3V的穩(wěn)壓芯片進(jìn)行對系統(tǒng)電路供電。原理圖如圖5所示。圖5穩(wěn)壓電路1.1.4外部時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)采用8M晶振給芯片提供時(shí)鐘，OSC_IN端和MCUPD0引腳相連，OSC_OUT端和MCUPD1引腳相連；32.768KHz晶振給MCU提供系統(tǒng)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘,OSC32_IN端和MCUPC14引腳相連，OSC32_OUT端和MCUPC15引腳相連。阻容器件對晶振的品質(zhì)因子有著影響。原理圖如圖6所示。圖6外部時(shí)鐘1.1.5配置啟動(dòng)電路每個(gè)stm32芯片上均設(shè)置一個(gè)booto引腳與一個(gè)boot1引腳?？梢酝ㄟ^設(shè)置兩個(gè)導(dǎo)線引腳之間的電平來改變該芯片的開始運(yùn)行。stm32共有三種主要的啟動(dòng)模型:從用戶閃存開始啟動(dòng),從內(nèi)部sram開始啟動(dòng),從系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)存開始啟動(dòng)。其啟動(dòng)程序如表格3所示。表格啟動(dòng)方式BOOT0BOOT1MODE0XFLASH11SRAM10ISP選擇在設(shè)計(jì)時(shí)從系統(tǒng)內(nèi)存即ISP模式啟動(dòng)。選擇此啟動(dòng)模式可從串行端口下載程序。串行端口下載器固件由制造商提供的BootLoader提供，使得可以將程序下載到系統(tǒng)的閃存中。將BOOT1端接地，且和MCUPB2引腳連接；BOOT0和MCUBOOT0引腳連接；當(dāng)按鍵S3按下時(shí)，BOOT0置高電平即可實(shí)現(xiàn)從ISP模式啟動(dòng)。原理圖如圖7所示。圖7ISP模式啟動(dòng)1.1.6按鍵復(fù)位電路按鈕復(fù)位電路連接到MCUNRST引腳，以實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位功能。原理圖如圖8所示。圖8復(fù)位按鍵1.2GPRS模塊GPRS英文全稱為Generalpacketradioservice，中文全名為通用無線分組業(yè)務(wù)，它指的是一種基于通用GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)分組數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)技術(shù)。使用GPRS模塊時(shí)需要配上SIM卡，兩者之間建立通信，通信成功后方可實(shí)現(xiàn)無線信號傳輸功能。采用現(xiàn)成的設(shè)備及模塊，不進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，因此不作詳細(xì)討論。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用G510作為無線射頻數(shù)據(jù)傳輸接口模塊,G510模塊不僅可以同時(shí)支持850/900/1800/1900mhz四頻段的GSM模塊,而且GPRS模塊可以同時(shí)支持class10。該控制模塊是一款微型智能手機(jī),具有非常強(qiáng)大的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊控制功能。G510相關(guān)參數(shù)如表格4所示。表格4G510參數(shù)發(fā)射功率2W，850/900MHz1W，1800/1900MHz接收靈敏度850/900MHz：-109dBm1800/1900MHz：-108dBm串口串口UART1是8線串行數(shù)字通訊接口,是主要的串行端口。UART2是僅支持某些AT命令的2線串行端口。HOSTUART是UART的調(diào)試端口，主要任務(wù)是下載，校準(zhǔn)，跟蹤等。傳輸速度范圍為2400bps至460800bps。設(shè)計(jì)時(shí)以G510UART2和MCU通信，G510UART2RX引腳和MCUUART2TXD引腳，即PA2引腳連接，G510UART2TX引腳和MCUUART2RXD引腳，即PA3引腳連接。UART1RXD串口1實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)數(shù)據(jù)接收，UART1TXD串口1實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送。使用G510是需要插入SIM卡實(shí)現(xiàn)無線傳輸。系統(tǒng)G510模組外圍電路配有天線和聯(lián)網(wǎng)成功指示燈，聯(lián)網(wǎng)成功后指示燈會(huì)不停的閃爍，不會(huì)停止。引腳結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。圖9GPRS引腳圖1.3采集模塊1.1.1DHT11溫濕度傳感器圖10DHT11DHT11是經(jīng)過校驗(yàn)過的數(shù)字溫濕度傳感器，內(nèi)部含電容式濕度檢測器和NTC熱敏電阻,外加一個(gè)8位芯片。實(shí)物圖如圖10所示。在圖10中，引腳1為VDD，電源為1.5v至5.5v。引腳2是DATA單總線串行數(shù)據(jù)端口。引腳3為NC，懸空。引腳4為GND，負(fù)極電源。DHT11相關(guān)參數(shù)如表格5所示。表格5DHT11參數(shù)測量范圍-20~60℃5~95%RH測量精度(25℃)±2℃±5%RH分辨率0.1℃0.1%RH響應(yīng)時(shí)間5S工作溫度范圍0~50℃DHT11引腳說明DHT11的電源引腳電壓為3至5.5V。打開傳感器后，在此期間須等待1秒鐘才能擺脫不穩(wěn)定狀態(tài)，而無需發(fā)送任何指令?？梢栽陔娫匆_（VDD，GND）之間添加一個(gè)100nF的電容，以進(jìn)行去耦和濾波。DATA引腳用于微處理器和DHT11之間的通信和同步。使用單總線數(shù)據(jù)格式，一次用于大約4ms的通信時(shí)間。數(shù)據(jù)含小數(shù)部分和整數(shù)部分，一個(gè)完整的數(shù)字信號系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)長度分為40bit,并且是高位先出。其數(shù)據(jù)格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit整數(shù)溫度數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。如果數(shù)據(jù)發(fā)送正確，則校驗(yàn)和數(shù)據(jù)將是“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。剛開始主機(jī)發(fā)出啟動(dòng)開始信號喚醒DHT11,使其進(jìn)入高速狀態(tài)。隨后DHT11發(fā)出響應(yīng)信號，最后開始發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。通信過程如圖11所示。圖11DATA通訊模式如果總線空閑狀態(tài)為高，則需要使主機(jī)降低總線并等待DHT11響應(yīng)；主機(jī)拉低總線至少大于18ms，這樣就可以使DHT11檢測到啟動(dòng)信號。主機(jī)拉高等待20-40us之時(shí)DHT11響應(yīng)信號開始，并隨后發(fā)送低電平80us的響應(yīng)信號；響應(yīng)信號完成后，再把總線拉高80us,準(zhǔn)備好發(fā)送的數(shù)據(jù)。每一為數(shù)據(jù)都是從50us低電平時(shí)隙開始,高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1。格式顯示在下面的圖12中。如果讀取響應(yīng)信號為高，則DHT11沒有響應(yīng)，需要檢查線路是否正確連接。傳輸完最后一位數(shù)據(jù)后，DHT11可以將總線降低50us，然后使用上拉電阻將其上拉以使其空閑。圖12DHT響應(yīng)過程數(shù)字0信號表示方法如圖13所示圖13數(shù)據(jù)0數(shù)字1信號表示方法如圖14所示圖14數(shù)據(jù)1設(shè)計(jì)時(shí)以DHT11DATA引腳和MCUPB3引腳連接。典型電路圖和模塊引腳結(jié)構(gòu)圖分別如圖15和圖16所示。圖15DHT11典型電路圖16DTH11模塊引腳圖1.1.2MQ-2煙霧傳感器模塊MQ-2氣體傳感器敏感于直接檢測民用液化氣,丙烷和液化氫氣,也是用于檢測民用天然氣和其它可燃性氣體有害物質(zhì)的一種理想檢測裝置。該氣體傳感器系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測多種具有易燃性的化學(xué)氣體,其中可以檢測天然氣甲烷300to10000pm。該模塊具有快速響應(yīng)和恢復(fù)特性，較長的使用壽命以及可靠的穩(wěn)定性。MQ-2氣體傳感器內(nèi)含二氧化錫（Sn02）。當(dāng)空氣中可燃?xì)怏w的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高?？梢允褂煤唵蔚碾娐穼㈦妼?dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。VCC引腳接5v正極；GND連接到5v負(fù)極。引腳作為控制開關(guān)輸出信號，以TTL電平 輸出。有效的TTL輸出信號為低電平。（如果輸出為低電平，則表明光信號已激活，可以直接連接到微控制器或繼電器模塊）。模擬信號輸出端子為A0。模擬輸出的電壓與外部濃度相關(guān)。濃度越高,電壓也就越高。電位器可實(shí)現(xiàn)對TTL輸出靈敏度進(jìn)行控制，同時(shí)也是關(guān)乎外界電壓的閥門。順時(shí)針的調(diào)節(jié)方式可以大幅提高其靈敏度,而逆時(shí)針的調(diào)節(jié)方式可以降低其靈敏度。開啟傳感器后，預(yù)熱大約需要20秒鐘，直到測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來。MQ-2內(nèi)部原理圖電位器RP的變化改變RP的電壓當(dāng)濃度變大時(shí)，即比較器3腳電壓，起到調(diào)節(jié)靈敏度的作用。電阻R2兩端得電壓增高，即比較器2腳電壓增高。當(dāng)比較器2腳電壓大于比較器3腳電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮，DOUT端輸出TTL低電平，表示煙霧濃度偏高。AOUT端的模擬電壓即電阻R2的電壓，可實(shí)現(xiàn)AD采集功能。如圖17所示。圖17MQ-2內(nèi)部電路設(shè)計(jì)時(shí)，以DOUT端和MCUPB4連接，當(dāng)PA4引腳為低電平時(shí)，MCU通過和G510通信后將數(shù)據(jù)無線傳輸出去，機(jī)智云后臺(tái)和APP可顯示為煙霧傳感器異常報(bào)警，表示煙霧濃度偏高；同時(shí)，MCU會(huì)驅(qū)動(dòng)led和蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。MQ2模塊引腳圖如圖18所示。圖18MQ2模塊引腳圖1.4蜂鳴器模塊使用有源蜂鳴器，并使用s8050晶體管驅(qū)動(dòng)，