基于STM32单片机的张紧力无线测量电路的设计

张育林，张新雨，包佃清，邓 睿

（连云港师范高等专科学校 数学与信息工程学院，江苏 连云港 222006）

1 概 述

1.1 研究背景及意义

随着工业技术的发展，传送类装置被广泛应用于流水线生产和载人载货电梯等。张紧力的测量模块作为传送系统中重要的组成部分，对于安全稳定的工业生产、保障用户的人身安全以及减少传送带运输过程中产生的损耗等起着重要作用[1]。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，依据这个协议规定的网络通信技术被称为ZigBee无线网络通信技术[2]。这项技术的特点是适合中、近程距离通信，并且像蜂群一样拥有自组织能力。此外，其具有复杂程度低、嵌入方便、可靠性强、能量损耗低以及使用成本低等优点，在各领域得到了广泛应用。ZigBee通信系统适用于自动化控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中进行基于专网的无线数据传输。

1.2 研究现状

现有已经投入生产使用的传送类系统装置（例如电梯）张紧力的测量是基于多组CPU模块通过接口技术连接并集成在一起，使用串并行传输数据的方法来实现各组模块信息交互功能。其缺点是开发成本较高、功耗较大、灵活性差且无法简单便捷地实施远程监测等，并且通过集成的各CPU模块一旦其中一个损毁，将会面临整体更换[3]。这些缺点对于系统后期的使用、维护以及更换必然增加相应的负担，同时也不利于资源的充分利用。

2 系统总体方案设计

2.1 设计要求

STM32系列单片机是由意法半导体公司生产的一种基于ARMv7架构的32位微型处理器，支持仿真处理和跟踪功能[4]。该系统使用以STM32F030c6_c8t芯片为核心的单片机作为控制系统模块，并基于ZigBee通信装置模块、压力传感器系统模块以及电池电量监控与充电模块为辅助模块组成。其基本的设计思路是由单片机系统发出控制信号使压力传感器系统开始运作，其中压力传感器是由电阻应变片和差动电桥测量电路组合而成。当传感器受力形变导致电桥两端电压发生改变时，系统会将内部电压模拟信号的变化转换为电平数字信号并反馈传回单片机中，再经过单片机进行数据处理。将已处理的数据通过ZigBee通信装置传输至与其连接通信的显示器设备中，同时通过电池电量监控与充电模块实时监测电池的电量。一旦检测到电量不足，先利用不同颜色的LED显示电量的状态，然后再执行自动充电功能，从而延长系统的使用寿命。

2.2 系统框图

该系统分为4个部分，即信号采集、信号分析、信号处理以及系统通信。其中，信号采集部分包括电阻应变片式压力传感器的力学值信息采集与各模块之间输入、输出信号的信息采集；信号分析部分通过HY3116A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并分析采集到的数字信号与力学值的关系；系统通信部分由ZigBee通信系统实施数据远程传输；信号显示部分包括液晶显示器等。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架

3 系统硬件设计

3.1 单片机系统模块

STM32F030c6_c8t单片机共有48个引脚，其中第5引脚PF0-OSC_IN和第6引脚PF1-OSC_OUT皆为时钟引脚。接入晶振模块，调整晶振模块的工作频率，并将其设置在48 MHz。在第7引脚上接入上电复位模块，便于程序出现问题后得以复位[5]。为了减小电源不稳定对单片机造成的干扰，将电源接在5个0.1 μf电容并联接地的电路中，以提高电路的品质因数,从而提升电路的效率。第34和37引脚接入SWD，便于实物仿真时需要下载大量数据，并保证数据的准确性，节约PCB分布空间。单片机控制系统原理如图2所示。

3.2 传感器系统模块

基于电桥测量方法的应变式压力传感器，最终测得的皆为电压模拟信号，需通过模数转换装置将模拟信号转化为单片机可识别的数字信号后才可进行数据处理。HY3116是由菲诺克科技有限公司生产的24位A/D转换器，其内置PGA，具有精度高、能耗小的优点。通过第9引脚SCL和第8引脚SDA接入单片机PA6和PA7引脚实现单片机对传感器系统的控制。压力传感器与HY3116相应数据传输引脚相连，当压力传感器不受力时，测量当前电压值和转换的数字信号数据，传感器系统的原理如图3所示。

图3 传感器系统原理

3.3 电池监测充电系统模块

电池监测充电系统是基于芯片TP4054和芯片SP6201EM5-L-3-3设计而成的，其电路原理如图4所示。通过简单的电路将电压的模拟信号量转化为数字信号，并通过ADC_BAT处端口接入单片机，将电池电压数据传输到单片机中进行数据处理，在内部判断电量是否充足。同时，为了方便地监测电量，用LED的红色和绿色分别代表电池缺电和满电两种情况，并将两个接口接入单片机实施电量显示控制。当电池处于缺电状态时，LED显示红色，电路自动充电；当电池处于满电时，LED显示绿色，电路停止自动充电。电池监测充电系统框架如图4所示。

图4 电池监测充电系统框架

3.4 通信装置模块

通信装置基于ZigBee的通信架构，通过z-0004的20和21引脚实现单片机对该通信装置传送和接收数据的控制，进而实施数据传输，使各模块之间得以相互联系。其原理如图5所示。

图5 通信装置系统原理

4 系统软件设计

单片机的实质就是一个相对于计算机微处理器结构更为简单的CPU，因此对其进行编程控制时，编程语言的选择关乎工程的进度和效率。由于单片机的编程相对偏底层，因此机器语言、汇编语言以及C语言相对更为适用。机器语言与汇编语言虽然在系统运行效率和系统存储分配等方面是最优选择，但是其庞大及晦涩的代码给团队协作和代码修改带来了很大的麻烦，不利于实际工程应用。C语言作为UNIX操作系统的开发语言，在保留机器语言和汇编语言相关特性的条件下，简化了代码量，并且书写相对灵活、结构清晰，解决了低级语言的通病。本文基于Keil μVision5单片机专用编程软件进行编程，并对单片机实施控制。

5 结 论

本设计方案将现在智能家居流行使用的ZigBee通信网络技术和单片机控制技术紧密结合，对传统传送类系统中张紧力的测量进行了可远程控制的优化，大大降低了成本。同时，根据ZigBee通信技术的特点，可以与任意基于该通信协议组成的其他功能相互嵌套，扩大通信范围，从而构建功能更加强大的系统。