某扭矩扳手系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10761某扭矩扳手系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 1224581 硬件電路設(shè)計(jì) 17151.1主控芯片電路 1239641.2傳感器信號(hào)采集電路 440391.3液晶顯示電路 4279971.4傳感器電路 611641.5按鍵電路 8191021.6電源電路 9172091.7時(shí)鐘電路 9286462系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì) 104062.1數(shù)模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 10132592.2按鍵設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì) 1271812.3LCD顯示程序設(shè)計(jì) 131 硬件電路設(shè)計(jì)扭矩扳手硬件電路設(shè)計(jì)需要符合使用要求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，由于采用紐扣電池作為硬件電路的能量源，因此主要注重節(jié)約電源，進(jìn)行降低功耗設(shè)計(jì)。因此硬件電路設(shè)計(jì)主要包括：主控芯片、電源電路、信號(hào)采集電路等，蜂鳴器發(fā)送信號(hào)并且進(jìn)行報(bào)警提示，在力矩的檢測上所使用的是應(yīng)力片。主控芯片電路主控芯片的作用是處理運(yùn)行設(shè)計(jì)好的運(yùn)算程序，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、組織邏輯等運(yùn)算，有很多優(yōu)點(diǎn)，主要有價(jià)格低廉、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。電源電路電源電路為整個(gè)電路硬件供電，由于各個(gè)模塊存在電壓差異，因此在不同的地點(diǎn)需要設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路，將電壓轉(zhuǎn)換為適合的值，由于電池供電過程中，電池的電壓波動(dòng)較大，需要設(shè)計(jì)濾波電路和穩(wěn)壓芯片，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定給硬件電路供電，本次設(shè)計(jì)采用高精度直流穩(wěn)壓電路，為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供5V電壓，再通過電壓轉(zhuǎn)換模塊將5V電壓轉(zhuǎn)化為1.3V，為硬件電路提供穩(wěn)定的電源。信號(hào)采集電路信號(hào)采集電路主要采集扭矩信號(hào)，將模擬量型號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，傳入主控芯片進(jìn)行處理和顯示，達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果。傳感器選擇力矩扳手傳感器是通過受力變形程度表征所施加的扭矩的大小，應(yīng)變式傳感器主要是由應(yīng)變片和彈性體組成的電路，應(yīng)變片通過樹脂粘貼在彈性元件的表面。1.1主控芯片電路STM32F103C8T6單片機(jī)，采用的是ARM內(nèi)核，外圍引腳功能繁多、性能優(yōu)異，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，它的微控制器是32位的，符合實(shí)驗(yàn)技術(shù)的條件。數(shù)據(jù)工作頻率控制在6到72mhz,數(shù)據(jù)處理速度快。STM32既能夠輕松進(jìn)行一個(gè)周期內(nèi)的乘法操作，同時(shí)也能進(jìn)行硬件方面的除法操作。STM32的FLASH有64KB，讀寫速度快。其豐富的GPIO接口能夠允許接入多個(gè)外接設(shè)備除此之外，成本低廉，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。綜上所述，STM32是該實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的處理芯片的最優(yōu)秀的選擇。本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能較為復(fù)雜，需要較多的接口，所以從這方面考慮，最終選擇方案四的STM32芯片作為控制核心。扭矩扳手主控芯片要求處理速度快、功耗低，所以選擇STM32F407ZGT6作為芯片是，STM32F407的配置非常強(qiáng)大的了，該芯片的架構(gòu)如下圖所示，主要由應(yīng)用程序代碼、實(shí)時(shí)內(nèi)核、中間件、內(nèi)核外函數(shù)、中間件函數(shù)、器件級(jí)外設(shè)函數(shù)、實(shí)時(shí)內(nèi)核定時(shí)器、嵌套向量中斷控制器、跟蹤接口等組成?；贏RMCORTEXM3核心的STM32系列微控制器為構(gòu)建大量嵌入式系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。從簡單的電池供電軟件狗到復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，該組件系列包括幾十種不同的配置，可為本文數(shù)字扳手設(shè)計(jì)在內(nèi)存大小、可用外圍設(shè)備、性能和電源方面提供了廣泛的選擇。這些部件足夠便宜少量的——最簡單的設(shè)備只需幾美元——來證明它們可用于大多數(shù)低容量應(yīng)用。低端的“價(jià)值線”組件在成本上與用于流行的Arduino開發(fā)板，同樣提供可更高的性能和更強(qiáng)大的外圍設(shè)備。此外，所使用的外圍設(shè)備是在系列化板件之間共享（例如，USART模塊是所有STM32F1組件通用），并由單個(gè)固件支持圖書館。因此，學(xué)習(xí)如何為STM32F1系列的一個(gè)成員編程就可以為所有成員編程。不幸的是，功能和靈活性是以軟件為代價(jià)的對(duì)于擁有大量文檔和軟件庫的新手來說，STM32系列的開發(fā)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)通過。為了許多簡單的系統(tǒng)這提供了一個(gè)快速的原型路徑，然而，簡單性也有其自身的成本——STM32軟件平臺(tái)并不適合于管理復(fù)雜實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的并發(fā)活動(dòng)以及與外部設(shè)備交互的軟件依賴于開發(fā)的庫在STM32編程模型之外使用類似的工具和技術(shù)STM32所需的。此外，STM32平臺(tái)沒有提供調(diào)試能力，這嚴(yán)重限制了更多復(fù)雜系統(tǒng)。同樣，調(diào)試需要突破STM32平臺(tái)。最后，STM32環(huán)境不支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），在構(gòu)建更多復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)。STM32F103C8T6單片機(jī)核心芯片的引腳圖如圖3-1所示。圖3-1STM32單片機(jī)引腳圖這個(gè)電子系統(tǒng)的原理圖，包括電源轉(zhuǎn)換器、上拉電阻、單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成，電路板內(nèi)部原理圖如3-2圖所示。圖3-2單片機(jī)核心板內(nèi)部原理圖單片機(jī)的實(shí)物圖如圖3-3所示。圖3-3STM32單片機(jī)核心電路板實(shí)物圖1.2傳感器信號(hào)采集電路信號(hào)采集電路，采集傳感器的模擬量信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)傳入主控制器的邏輯程序。扭矩采集電路由濾波電路、應(yīng)變片測量電路、電路信號(hào)采集放大電路、數(shù)字量和模擬量轉(zhuǎn)換電路組成，一般將應(yīng)變片粘貼在形變的結(jié)構(gòu)上，當(dāng)使用時(shí)，測量的電壓施加在電橋兩端，輸出毫伏級(jí)電壓信號(hào)，經(jīng)過放大電路、本次設(shè)計(jì)通過選取PA5來讀取外部電壓的值。圖3-4數(shù)模轉(zhuǎn)換電路模塊1.3液晶顯示電路數(shù)字化顯示扳手人機(jī)交互主要包括液晶顯示電路，我們考慮的LCD模塊采用ST1602R控制器。1602LCD是一個(gè)像素可尋址顯示器，每一個(gè)像素需要多個(gè)字節(jié)來定義顏色-內(nèi)部顯示內(nèi)存使用18位/像素（紅、藍(lán)、綠各6位）。我們將使用這個(gè)顯示器在16位模式下，5位表示紅色，6位表示綠色，5位表示綠色定義藍(lán)色。顯示控制器從16位自動(dòng)推斷當(dāng)像素寫入顯示器時(shí)為18位。布局分開16位字中的顏色，以及由各種16位常量產(chǎn)生的顏色?？闪私?602LCD所需的接口，有三個(gè)主要組成部分需要考慮控制器、LCD面板和顯示RAM。顯示ram包含面板中每個(gè)（128x160）像素的18位顏色信息。圖3-5數(shù)字顯示電路模塊顯示RAM中的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸至面板-將設(shè)備配置為從下到上掃描。寫作模式像素（顏色）數(shù)據(jù)有些間接。首先，使用一個(gè)單獨(dú)的“控制”界面，配置一個(gè)繪圖矩形。然后，生成像素（顏色）數(shù)據(jù)寫的。數(shù)據(jù)寫入的位置由一對(duì)確定內(nèi)部地址計(jì)數(shù)器RAC（行地址計(jì)數(shù)器）和CAC（列地址計(jì)數(shù)器地址計(jì)數(shù)器）。每個(gè)連續(xù)的像素寫入都會(huì)導(dǎo)致這些地址計(jì)數(shù)器待更新。1602可以配置為“掃描”這個(gè)矩形任何左/右上/下順序。有三個(gè)內(nèi)部控制位（它們我們將在后面描述的接口中公開。除了掃除順序，可以“交換”行和列的地址，從而支持“橫向”模式。默認(rèn)情況下，我們使用模式0x6（MY=1，MX=1，MV）=0)。這些在ST1602數(shù)據(jù)手冊(cè)中有完整的描述，我的行地址順序：1（從下到上）、0（從上到下）MX列地址順序：1（從右到左）、0（從左到右）MV列/行交換：1（橫向模式），0（縱向模式）如前所述，我們將面板配置為接受16位顏色，因此，每次數(shù)據(jù)寫入都由SPI接口發(fā)送的一對(duì)字節(jié)組成。這些16位顏色數(shù)據(jù)通過內(nèi)部查找表；實(shí)際顯示ram像素為18位。圖3-6LCD1602引腳功能1602有一個(gè)單獨(dú)的控制信號(hào)來區(qū)分“控制”信息和“數(shù)據(jù)”，控制信息（將在后面討論）用于配置顯示和設(shè)置當(dāng)前繪圖矩形。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，一旦配置了繪圖矩形，數(shù)據(jù)可以在沒有任何附加控制信息的情況下突發(fā)發(fā)送。1602LCD的一個(gè)簡單的“驅(qū)動(dòng)程序”只需要三個(gè)例程—一個(gè)要初始化控制器，一個(gè)設(shè)置繪圖矩形，一個(gè)寫入將數(shù)據(jù)顏色設(shè)置為當(dāng)前矩形。請(qǐng)注意，此接口設(shè)置圖形設(shè)置矩形時(shí)的方向（如上所述，madctl值0x6對(duì)應(yīng)于繪圖矩形的自上而下/左右掃描。madctl值0x02對(duì)應(yīng)于自底向上/左右掃描，并且用于顯示以自下而上方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的BMP圖像文件命令?？梢蕴砑右粋€(gè)單獨(dú)的例程來控制背光的亮度——目前我們將其實(shí)現(xiàn)為開/關(guān)。稍后，在第10章中，我們將展示如何用PWM信號(hào)控制亮度。如圖3-7所示。圖3-7顯示模塊電路原理圖1.4傳感器電路扭矩扳手的測量扭矩采用的原理一般有轉(zhuǎn)角式和應(yīng)變式，轉(zhuǎn)角式的原理是采用物體的形變量大小來表征使用者施加力的大小，應(yīng)變式是通過應(yīng)變片在使用者使用時(shí)的電阻率發(fā)生的變化情況來表征使用者施加的力的值的大小。應(yīng)變式扭矩板手的扭矩采集電路由應(yīng)變片、彈性體和電阻絲等組成，當(dāng)使用者使用時(shí)，電阻絲的阻值會(huì)發(fā)生變化，因此可以計(jì)算出使用者施加的力的大小。電阻應(yīng)變效應(yīng)假設(shè)一種材料的金屬絲導(dǎo)線，直徑為D，長度為L，電阻率為，則有初始電阻值為：式（3-1）其中S為導(dǎo)線的截面積，為導(dǎo)體的電阻率值。當(dāng)收到軸向施加的拉力F后，金屬導(dǎo)線會(huì)變長，相應(yīng)的橫截面積會(huì)變小，電阻的變化量用微分形式表示為：式（3-2）經(jīng)變換后有：式（3-3）式中R為電阻值，K為金屬的靈敏度系數(shù)，為軸向應(yīng)變。轉(zhuǎn)換電路扭矩作用使得應(yīng)變材料的電阻率發(fā)生變化，為了測量其變化值，需要對(duì)測量的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文采用常見的電橋電路作為電路轉(zhuǎn)化形式，根據(jù)電路中應(yīng)變片的個(gè)數(shù)，電橋電路可分為雙臂電橋電路、單臂電橋電路和全橋電路，其中全橋電路具有對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)，所以可以補(bǔ)償很多誤差，因此測量的精度和靈敏度高。全橋電路由四個(gè)電阻組成，分別為R1、R2、R3、R4相連組成，當(dāng)接入電壓時(shí)，輸出電壓的值為：式（3-4）假設(shè)輸出電壓為零，則可以得出：式（3-5）外力作用時(shí)，有：式（3-6）假設(shè)四個(gè)電阻的值一樣，都為R，則有：式（3-7）可得：式（3-8）式中，E為材料的彈性模量值?？梢钥闯鲭姌虻妮敵龅碾妷汉褪┘拥呐ぞ刂g成正比關(guān)系，因此可以通過測量電橋的輸出電壓來表征施加的扭矩值。本設(shè)計(jì)選用廣州蘭海電測科技有限公司生產(chǎn)的CZL302高端應(yīng)變片，它能將作用力轉(zhuǎn)換成相關(guān)電信號(hào)。它通過測量力傳感元件的位移或應(yīng)變來工作，本文中主要用的是彎曲。該型號(hào)系列力傳感器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備和系統(tǒng)中，如交通、機(jī)器人、制造業(yè)和醫(yī)療技術(shù)。它采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制造，具有以下特點(diǎn)功能材料種類有限的缺點(diǎn)，除了易碎和昂貴。它是運(yùn)用3D打印技術(shù)制造的，也稱為附加制造，是一種新興的傳感器制造技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)、省時(shí)、幾何復(fù)雜、功能復(fù)雜等優(yōu)點(diǎn)。圖3-8應(yīng)變片傳感器原理圖1.5按鍵電路本設(shè)計(jì)中按鍵電路有一個(gè)按鍵，它的作用是工人可以讓工人設(shè)置力矩值，按鍵電路就是就是可復(fù)位開關(guān)電路，為了確保按鍵信號(hào)能夠穩(wěn)定輸出，所以在電路中加了一個(gè)上拉電阻。按鍵電路原理圖如圖3-9所示。圖3-9按鍵電路原理圖本設(shè)計(jì)在使用時(shí)扳手收到的力矩值達(dá)到設(shè)置的力矩值時(shí)，安裝的指示燈就會(huì)閃爍。本設(shè)計(jì)采用了紅色LED燈作為指示燈，紅色的指示燈較為顯眼。當(dāng)接收到單片機(jī)輸出的低電平時(shí)，燈就會(huì)亮起。其電路原理圖如圖3-10所示。圖3-10LED指示燈電路原理圖1.6電源電路單片機(jī)正常工作的前提是電源穩(wěn)定，在目前，這三種電源通常采用穩(wěn)壓電源、USB96電源，J-LINK或ST-LINK電源。穩(wěn)壓電源可靈活選擇輸出電壓，對(duì)不同應(yīng)用的電壓要求有較好的適應(yīng)性。這三種供電方式一般采用跳線方式選擇。電源電壓通過DC-DC轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為芯片所需的電壓。DC-DC芯片使用ASM1117-1.3三端調(diào)節(jié)器芯片，該芯片使用低壓差穩(wěn)壓管，使輸出直流電壓更穩(wěn)定，保護(hù)電路。圖3-11電源電路原理圖1.7時(shí)鐘電路使用的時(shí)鐘芯片是DS1302芯片，DS1302封裝和皮諾設(shè)計(jì)在芯片中八針封裝，引腳RST引腳在低電平復(fù)位，高電平工作正常。低的含義級(jí)可以理解為不計(jì)數(shù)和不工作。SCLK引腳表示串行時(shí)鐘122針。時(shí)鐘模塊與MCU之間的引腳連接為：連接MCU的21號(hào)引腳到時(shí)鐘芯片上的7號(hào)，MCU的22號(hào)引腳連接到時(shí)鐘芯片上的6號(hào)，單片機(jī)的25號(hào)腳連接到時(shí)鐘芯片的5號(hào)腳。系統(tǒng)原理圖時(shí)鐘模塊如圖3-12所示。圖3-12時(shí)鐘模塊原理圖2系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的開發(fā)軟件是KeilMDKv4，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單芯片微計(jì)算機(jī)。在微計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)輔助程序的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，使用芯片的開發(fā)語言包含很多種類。我的程序是用C語言寫的，模塊構(gòu)造性好，數(shù)據(jù)類型多樣，代碼還是易于調(diào)用和執(zhí)行。而且該語言處理數(shù)據(jù)能力高，執(zhí)行速度快這樣可以很快找出錯(cuò)誤。通過定義數(shù)據(jù)類型控制硬件，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而保證程序的執(zhí)行質(zhì)量?；赟TM32F407ZGT6作為芯片，設(shè)計(jì)軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)程序的思想進(jìn)行編程，主要有數(shù)模轉(zhuǎn)換程序、LCD顯示程序。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思路是，在各項(xiàng)元器件采集完數(shù)據(jù)后，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103C8T6單片機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，然后在集成串口屏上顯示。圖4-1程序主要流程2.1數(shù)模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)扭矩扳手的數(shù)模轉(zhuǎn)換程序編寫主要通過調(diào)用庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，使用的庫函數(shù)主要分布在stm324xxadc.h和stm32f4kxadc.c兩個(gè)文件夾中。程序的具體邏輯和步驟如下：(1)開啟ADC1時(shí)鐘和PA口時(shí)鐘，設(shè)置PA口為模擬量輸入；(2)配置ADC輸入時(shí)鐘分頗，設(shè)置ADC的通用控制寄存器CCR，模式為獨(dú)立模式等；(3)設(shè)置ADC1的轉(zhuǎn)換分辦率，初始化ADC1參數(shù)，對(duì)齊方式，轉(zhuǎn)換方式，規(guī)則序列等相關(guān)信息；(4)開啟AD轉(zhuǎn)換器；(5)讀取ADC轉(zhuǎn)換的值。圖4-2程序主要流程在完成上述的設(shè)置之后，開始設(shè)置序列規(guī)則通道的值，為了在轉(zhuǎn)換完成之后讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果值。通過跳線帽，來設(shè)置Vref的參考電壓，當(dāng)跳線帽接到VDDA，參考電壓就是3V。參考電壓的理論參照值范圍為：1.8V-DDA。模數(shù)轉(zhuǎn)化程序：voidDac1_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;DAC_InitTypeDefDAC_InitType;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);//PA.4ê?3???DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_Trigger_None;TEN1=0DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude=DAC_LFSRUnmask_Bit0//DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable; DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Enable;DAC_Init(DAC_Chan