基于STM32F嵌入式视力保护仪设计与实现
目前,随着我国各阶段教育的普及,近视青少年人数却在逐年增加。主要原因是青少年的学习习惯不良,研究一种能够纠正青少年学习习惯,减少近视发生几率的产品变得很急迫。市场上大多数产品具备有眼保护、纠正坐姿和眼保护灯等功能,但是这些产品功能单一,不能满足消费者个性化需求。同时很多产品采用51单片机作为其处理器,因51单片机资源不足,同时完成超声波传感器数据解码、A/D转换和数据显示,大大降低了系统性能。故不能很好的满足市场应用。本设计采用STM32F103嵌入式处理芯片,响应速度快,可扩展性能好。根据stm32的处理器的内部定时器功能,超声波传感器的测距功能,光敏电阻测光特性,结合液晶显示器的显示方法,设计一种多功能视力保护装置。
1.1 系统工作流程
系统工作流程如图1所示,主要包括光敏电阻测光电路、超声波测距电路、液晶显示电路和声光报警电路。结合图1整个系统工作流程如下:
(1) 感光过程。光敏电阻感光模块根据光线强度输出不同电压值,stm32内置的A/D转换功能将电压值转换成数字信号。根据数字信号大小判断光线的强弱。
(2) 测距过程。超声波传感器由两部分组成:发射部分和接收部分,发射模块发射发射连续矩形脉冲,接受模块接受反射回来脉冲。通过Stm32处理器内部定时器记录脉冲来回时间,计算出距离。测量范围0cm~450cm,测量精度1cm以内。
(3) 声光报警过程。当光线小于设定值谁stm32驱动蜂鸣器和led电路发出声光提示。当学习者离桌面距离小于45cm时,也发出声光提示。同时,学习者可以设定学习的时间,到达时间后提示学习结束。
图1 系统整体框图
2.1 STM32处理器及系统接口电路
STM32F103ZETT6处理器是32位的ARM微控制器,采用Cortex-M3内核,工作频率为72 MHz。内部集成多达512 KB的闪存,64 KB的SRAM。外设接口丰富,包括2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、3个12 位ADC、1个FSMC接口以及112个通用IO 口。采用Cortex-M3内核的ARM处理器实时性能好、功耗低、性能高、性价比高、主要用于竞争性价格于一体的嵌入式领域。
2.2 超声波测距电路
US-100超声波测距模块测距的范围为0~4.5m,工作电压为2.4~5.5V,低于2mA的静态功耗,可以工作在GPIO和串口两种模式下,通过自身的温度传感器完成对最终结果的校正,由于自身看门狗功能,工作稳定可靠。
图2 超声波接口电路
电平触发测距工作原:STM32F处理器在 Trig/TX管脚输入一个10US以上的高电平,超声波传感器立刻发出8个40KHZ 的超声波矩形脉冲,超声波接收模块立刻检测有无返回信号。同时单片机启动计时器开始定时;然后处理器不停的检测PA9引脚,当PA9引脚由低电平变为高电平则超声波信号已经返回,模块还要进行温度值的测量,然后根据当前温度对测距结果进行校正。Stm32的PA9管脚的高电平时间即为超声波在空气中传播来回时间。最后,将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。高电平通过Echo管脚输出,根据Echo管脚输出高电平计算测量的距离。可以用公式表示为:(高电平时间×340m/s)÷2。
图3 超声波测距时序图
2.3 光线检测电路
光敏电阻测光电路工作原理:光敏电阻根据外界光线变化改变其阻值,引起STM32处理器PA1管脚电压变化。PA1管脚作为AD转换数据的输入管脚。同时,设置stm32工作模式为扫描模式,工作通道为1,初始化AD采用频率为12MHZ。经过处理器处理数据,显示在液晶显示屏上。
图4 光敏电阻测光电路
2.4 声光报警电路
在本设计中采用有源蜂鸣器作为声音发出元件,由于stm32引脚驱动电流有限,所以采用PNP型三极管增强驱动能力。当stm32f203处理器的PA3管脚输出高电平时,三极管Q1导通,集电极电流流过蜂鸣器使其发声。并联在蜂鸣器两端的led灯点亮。反之,蜂鸣器不发声,led不亮。
本文设计的视力保护仪,采用stm32f高性能处理器芯片对超声波传感器和光敏电阻采集的数据进行分析和AD转换,可以准确测量出距离和光线强弱,极大地提高系统的响应速度,减少了系统的硬件开支。同时,由于stm32自带的定时功能和强大的处理速度,使得系统定时和显示功能变得容易且为以后功能的扩展提供了可能。
图5 声光报警电路
[1]蔡光昭.洪远泉.周永明.基于 STM32的超声波测速测距系统设计.现代电子技术,2014,37(24):87-89.
[2]佚名.STM32 开发指南 V1.0 库函数版本[EB/OL]. [2013-02-18].http: //wenku.baidu.com.
[3]陈耀.城市停车诱导信息系统.浙江大学.2013.
[4]何冰.王菊霞.苏变玲.基于单片机的视力保护器设计.电子设计工程,2015,23(3):89-92.
[5]姚远毛海莉徐国平吴炎波.基于单片机的超声波测距系统设计.高等函授学报(自然科学版),2012,25(4):69-71.
胡晓辉(1985-)男,河南信阳人,助教。研究方向:智能控制。