基于單片機(jī)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

羅明璋，尹志豪，李修權(quán)，黑創(chuàng)，黃力，劉杰

《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《感測(cè)技術(shù)》課程是電氣信息類專業(yè)的必修課，課程實(shí)踐性較強(qiáng)。目前，大多數(shù)高校電氣信息類專業(yè)《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)目標(biāo)不明確，與《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程脫節(jié)較嚴(yán)重[1]，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)，影響就業(yè)。而C語(yǔ)言是單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編程開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，單片機(jī)是控制采集系統(tǒng)的核心，感測(cè)技術(shù)是信息采集的源頭，為此，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)可以綜合完成基于C語(yǔ)言的單片機(jī)和傳感器課程實(shí)驗(yàn)的交叉科目實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)框圖

本著易維護(hù)、易擴(kuò)展、易改造的原則，基于單片機(jī)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件平臺(tái)由基礎(chǔ)核心板(以下簡(jiǎn)稱基礎(chǔ)板)和傳感器擴(kuò)展板(以下簡(jiǎn)稱擴(kuò)展板)組成，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。基礎(chǔ)板選用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RCT6微控制器芯片，該芯片最高時(shí)鐘頻率為72MHz，在內(nèi)部集成了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、RS232串口、FLASH、SRAM、JLINK等功能，并連接了鍵盤(pán)、LED等外部電路，可以實(shí)現(xiàn)如表1所示的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。傳感器擴(kuò)展板是為了擴(kuò)展基礎(chǔ)板功能以實(shí)現(xiàn)感測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，它包括基于霍爾編碼器或增量光電編碼器的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)(擴(kuò)展板1)、紅外遙控檢測(cè)模塊(擴(kuò)展板2)、MPU6050加速度傳感器、激光傳感器(擴(kuò)展板3)、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)(擴(kuò)展板4)、電渦流傳感器(擴(kuò)展板5)、ESP8266無(wú)線通信模塊(擴(kuò)展板6)。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

1.2 軟件設(shè)計(jì)

為了在教學(xué)中能夠更加直觀的觀測(cè)感測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)和綜合創(chuàng)新結(jié)果，基于LabView設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件如圖2所示，功能主要包含學(xué)生信息登錄、網(wǎng)絡(luò)通信、直流電機(jī)控制、機(jī)械手控制，加速度、位移數(shù)據(jù)繪圖、保存和數(shù)據(jù)處理。硬件配置使用STM32CubeMX，以實(shí)現(xiàn)快速配置，也可以自主配置。嵌入式編程采用Keil5使用C語(yǔ)言編程。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上位機(jī)軟件

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程

不同于傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機(jī)的開(kāi)發(fā)方式，STM32嵌入式開(kāi)發(fā)需要對(duì)芯片所封裝的函數(shù)庫(kù)及時(shí)鐘系統(tǒng)掌握后才能完成表1所述的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

1)明確《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》《感測(cè)技術(shù)》和《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模诖嘶A(chǔ)上確定實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件配置；

2)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中使用的傳感器原理進(jìn)行調(diào)研、學(xué)習(xí)，一是對(duì)傳感器原理進(jìn)行明確，二是對(duì)傳感器模塊的接口和通信方式的學(xué)習(xí)；

3)確定與上位機(jī)通信方式及通信協(xié)議；

4)在Keil5中根據(jù)前3步的分析進(jìn)行程序設(shè)計(jì)并利用STM32CubeMX對(duì)STM32引腳狀態(tài)進(jìn)行快速配置，也可以自行調(diào)用函數(shù)配置；

5)下載程序到基礎(chǔ)板中進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟灰恢?則利用JLINK對(duì)程序?qū)崿F(xiàn)在線調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)例

筆者以基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的懸臂梁共振阻尼實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)案例來(lái)說(shuō)明教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的方法和流程。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制懸臂梁的振動(dòng)，使懸臂梁達(dá)到共振，控制渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(ECTMD)，測(cè)量懸臂梁的振動(dòng)情況，并將得到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行繪圖，驗(yàn)證ECTMD的阻尼效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的懸臂梁共振阻尼實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，基礎(chǔ)板及擴(kuò)展板均包含在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)箱體內(nèi)。振動(dòng)源采用質(zhì)量不平衡的可調(diào)速的直流電機(jī)作為振動(dòng)激勵(lì)器，位移測(cè)量采用加速度傳感器直接安裝在結(jié)構(gòu)需要測(cè)量的部位,測(cè)得該點(diǎn)的加速度,然后將加速度信號(hào)2次積分后得到振動(dòng)位移信號(hào)[2]。ECTMD由一個(gè)小懸臂梁、一個(gè)銅板和一個(gè)嵌有磁鐵的丙烯酸玻璃立方體構(gòu)成，小懸臂梁一端固定在可控懸臂梁上，另一端附著在立方體亞克力玻璃上，銅板固定在主懸臂梁上，通過(guò)控制機(jī)械手的開(kāi)關(guān)與閉合從而控制ECTMD的有無(wú)。最后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示曲線。

圖4 懸臂梁共振阻尼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2 硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)箱體內(nèi)基礎(chǔ)板及擴(kuò)展板的硬件設(shè)計(jì)如圖4所示，主要由電源模塊、位移測(cè)量模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成。

電源模塊主要由變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，變壓器將220V、50Hz的交流電轉(zhuǎn)化成所需的電壓信號(hào)，接通整流電路將交流電變?yōu)槊}沖形式的直流電壓，然后通過(guò)濾波電路濾去較大紋波的電壓，最后通過(guò)穩(wěn)壓電路得到所需的±5V和±12穩(wěn)定電壓[3]。+12V為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和舵機(jī)(機(jī)械手)驅(qū)動(dòng)器提供電源，+5V為STM32核心板、MPU6050加速度傳感器和增量式光電編碼器提供電源。

位移測(cè)量模塊采用MPU6050加速度傳感器對(duì)主懸臂梁的位移進(jìn)行采集，MPU6050內(nèi)部集成姿態(tài)解算器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行卡爾曼濾波，將各個(gè)軸的加速度信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)將加速度信號(hào)進(jìn)行2次積分后得到振動(dòng)位移信號(hào)。

直流電機(jī)作為振動(dòng)源，通過(guò)STM32輸出不同占空比的PWM波形來(lái)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)模塊采用了TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。在±12V供電的情況下，將±5V轉(zhuǎn)化到±12V電壓以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的，并且該模塊采用MOSFET-H橋式結(jié)構(gòu)，可以雙路輸出，熱耗性良好。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要主懸臂梁持續(xù)保持共振，要求電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)中使用到了PID算法。采用了一個(gè)增量光電式編碼器，該編碼器的轉(zhuǎn)化結(jié)果幾乎不受外界振動(dòng)影響，并可以將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，將該值作為閉環(huán)算法中的反饋值對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整。

舵機(jī)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)源控制ECTMD，通過(guò)控制STM32輸出不同占空比的PWM控制機(jī)械手的動(dòng)作。該模塊采用了MG995模擬舵機(jī)。由于舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與占空比之間的關(guān)系受舵機(jī)供電情況和機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響。在多次實(shí)驗(yàn)后采用LM2596S調(diào)壓模塊將原有+12V電壓調(diào)節(jié)到+7V電壓給舵機(jī)供電，PWM占空比為5.5%時(shí)機(jī)械手張開(kāi)，PWM占空比為8.9%時(shí)機(jī)械手閉合。

圖6 調(diào)速中斷子程序 圖7 串口中斷子程序設(shè)計(jì)框圖 設(shè)計(jì)框圖

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件與上位機(jī)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，該無(wú)線通信模塊采用ESP8266芯片，這是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，可以作為從機(jī)搭載與其他主機(jī)MCU運(yùn)行[4]，能夠?qū)⒋跀?shù)據(jù)以TCP/IP協(xié)議的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

基于上述搭建的硬件系統(tǒng)裝置采用圖5所示的軟件主程序框圖來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電之后開(kāi)始系統(tǒng)的初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、各個(gè)端口GPIO狀態(tài)、串口中斷、定時(shí)器中斷、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)模式、PID參數(shù)和PWM輸出模式的相關(guān)配置。由于采用增量式光電編碼器，當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周編碼器輸出15000個(gè)高電平，實(shí)驗(yàn)中采用了一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)其實(shí)現(xiàn)采樣。在初始化中將計(jì)數(shù)器的值設(shè)置為0，其模式設(shè)置為上升沿觸發(fā)模式，即每一次上升沿來(lái)到計(jì)數(shù)器加1，并將定時(shí)器設(shè)置為10ms中斷1次。該配置可以使用STM32CubeMX軟件生成，生成的代碼可以作為教學(xué)過(guò)程中的參考。在初始化函數(shù)之后，主程序進(jìn)入循環(huán)程序之中，該循環(huán)主要判斷2個(gè)全局變量Flag的狀態(tài)來(lái)決定,是否向在數(shù)據(jù)包中摘取相應(yīng)的數(shù)據(jù)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包、是否執(zhí)行從上位處收到的命令以完成相應(yīng)的動(dòng)作。

當(dāng)主程序每10ms進(jìn)入1次中斷時(shí)，讀取1次計(jì)數(shù)器中的值并將計(jì)數(shù)器中的值進(jìn)行清空。將讀取到的計(jì)數(shù)器值作為PID算法函數(shù)的入口參數(shù)，得到下一次PWM占空比的指導(dǎo)值，將該值輸出到PWM中實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，其過(guò)程如圖6所示。該實(shí)驗(yàn)中采用的位置式PID算法，結(jié)構(gòu)比較清晰，參數(shù)整定也較為明確[5]，且在采樣周期為10ms時(shí)，速度調(diào)控可以達(dá)到0.03r/s。

為避免數(shù)據(jù)丟失，該程序采用將上位機(jī)命令和傳感器數(shù)據(jù)分離在不同串口通信的方式。串口1接受MPU6050傳感器數(shù)據(jù)，在中斷中判斷其加速度的幀頭，在主函數(shù)中摘取X軸加速度。串口2與上位機(jī)通信，在中斷中判斷是否為有效命令，如命令有效則在主函數(shù)中進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，詳細(xì)框圖如圖7所示。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 主懸臂梁的阻尼振動(dòng)曲線

通過(guò)配套的上位機(jī)軟件和實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，得到2種阻尼模態(tài)下主懸臂梁的振動(dòng)情況。當(dāng)不存在ECTMD時(shí)即系統(tǒng)自由振動(dòng)情況下，可以觀測(cè)到振動(dòng)衰減的很慢，衰減到零時(shí)間很長(zhǎng)， 大概需要25s左右，如圖8(a)所示。在同等激勵(lì)情況下，在ECTMD作用下，振動(dòng)位衰減快，衰減到零時(shí)間大概需要5s左右，如圖8(b)所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是ECTMD模態(tài)下產(chǎn)生較大的振動(dòng)阻尼，即當(dāng)ECTMD模態(tài)阻尼振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，解鎖了小懸臂梁，其端尾帶有一個(gè)磁鋼，主懸臂梁振動(dòng)帶動(dòng)磁鋼與銅板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，銅板內(nèi)部的磁通量發(fā)生變化從而在金屬板內(nèi)形成電渦流繼而產(chǎn)生一個(gè)反向的洛倫茲力阻礙懸臂梁運(yùn)動(dòng)[6]。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)方式

筆者所給出的基于單片機(jī)的感測(cè)技術(shù)教學(xué)平臺(tái)，主要通過(guò)3種開(kāi)設(shè)方式使用：

1)隨課實(shí)驗(yàn)，即在《感測(cè)技術(shù)》課程、《嵌入式單片機(jī)開(kāi)發(fā)》課程開(kāi)設(shè)部分實(shí)驗(yàn)課時(shí)，該部分實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿足大部分實(shí)驗(yàn)要求，特別在《感測(cè)技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以結(jié)合到《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程知識(shí)，共同應(yīng)用2個(gè)學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的融會(huì)和理解。

2)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，在各種技術(shù)科學(xué)類競(jìng)賽中，可以利用該平臺(tái)進(jìn)行競(jìng)賽培訓(xùn)。這種方式開(kāi)設(shè)在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室中，由于專業(yè)知識(shí)涉及較多，需要老師進(jìn)行指導(dǎo)和教學(xué)。

3)教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)于建筑學(xué)科結(jié)構(gòu)共振只有理論的講解，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)，可利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在理論課講解中穿插演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，讓學(xué)生更好的理解振動(dòng)方面的知識(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

介紹了整個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件構(gòu)成和軟件操作，以基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的懸臂梁共振阻尼實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)流程。該平臺(tái)使《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》《感測(cè)技術(shù)》課程內(nèi)容融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)，突破了地域和時(shí)域的限制增強(qiáng)了師生之間雙向交流互動(dòng)[7]，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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