利用STM32單片機(jī)的大功率智能漁探儀的設(shè)計

許國忠，饒連周，沈志亮

（三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004）

隨著全球科技的極速發(fā)展，各個行業(yè)和領(lǐng)域都應(yīng)用上了高科技。對于我國沿海地區(qū)和沿河地區(qū)，隨著日益增加的海洋資源需求，人們越來越重視對漁業(yè)資源的開發(fā)。漁探儀是一種把聲吶技術(shù)運(yùn)用在漁業(yè)上的現(xiàn)代化設(shè)備，通過發(fā)射一定頻率的超聲波,計算回聲時間和波形等參數(shù)來確定魚群的位置、大小和種類[1-4]。一直以來，超聲波探魚系統(tǒng)的發(fā)展方向大都是改進(jìn)超聲波探測技術(shù)提高探魚器性能，如利用多波束技術(shù)進(jìn)行探魚[1],或是換能器垂直安裝，發(fā)射垂直向下的波束來探測設(shè)備下方的魚群分布情況[2],或是通過改善顯示技術(shù)，提升探魚效果和用戶體驗。為了解決傳統(tǒng)探魚系統(tǒng)設(shè)備體積大、顯示效果差、價格昂貴等缺點(diǎn)，本文設(shè)計了一款大功率、性價比高和能對水下魚群探測和智能分析魚群大小的漁探儀，能夠充分滿足小型捕魚船的使用需求，并在實際生產(chǎn)生活中產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為了使整個漁探系統(tǒng)可以探測比較遠(yuǎn)的距離，超聲波發(fā)射模塊的功率要相對比較大，所以選擇了50 kHZ/200 kHZ的雙頻600 W大功率漁探頭。前級超聲波驅(qū)動電路是采用晶振產(chǎn)生的脈沖信號，經(jīng)74HC4024芯片分頻，再經(jīng)HD29026AP芯片和推挽電路升壓后，來驅(qū)動外接漁探頭實現(xiàn)超聲波信號發(fā)送。為了可以準(zhǔn)確地接收到超聲波反射回來的回波，選擇了中頻變壓器進(jìn)行回波的選頻和放大?；夭ǖ牟杉透呔确治鰧τ谔幚砥鞯囊笠彩窍鄬Ρ容^高的，所以選擇使用ARM公司的STM32作為漁探儀主控器，它擁有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。將處理后的信號傳送給STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完的數(shù)據(jù)通過外部液晶顯示屏進(jìn)行顯示?？紤]到該系統(tǒng)使用環(huán)境的光度的不穩(wěn)定性，可通過外傳按鍵模塊調(diào)節(jié)液晶顯示屏的亮度和對比度等參數(shù)[1-4]。系統(tǒng)還需4種電壓12、8、5和3.3 V，可采用 LM2596構(gòu)成的輸出電壓12 V的電源模塊和芯片LM7808、LM7805、ASM1117-3.3 來 獲得。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 基于STM32單片機(jī)的大功率智能漁探儀硬件框圖

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計

超聲波發(fā)射電路是由頻率信號發(fā)生電路和推挽電路構(gòu)成，如圖2～3所示。其中由一個6.464M晶振Y1產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過74HC4024分頻器U3構(gòu)成的分頻電路進(jìn)行分頻，再經(jīng)過與非門和HD29026AP所構(gòu)成的電路進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換和信號增強(qiáng)處理。利用處理后的信號來驅(qū)動Q1、Q2開關(guān)管和功率變壓器實現(xiàn)推挽升壓，推挽升壓后通過D1和D4所得直流信號來驅(qū)動J3所外接漁探頭，進(jìn)行頻率為200 kHz、瞬間功率為600W的超聲波信號發(fā)送。發(fā)送功率的大小取決于推挽電路的設(shè)計功率，所以推挽電路的功率變壓器選用EE28磁芯骨架，同時HD29026AP驅(qū)動增強(qiáng)電路也確保Q1、Q2有足夠的驅(qū)動電流[4-6]。

圖2 頻率信號發(fā)生電路

圖3 推挽升壓電路

2.2 超聲波接收電路的設(shè)計

超聲波接收電路由超聲波回波濾波選頻放大電路和放大電路構(gòu)成，如圖4～5所示。因為圖3中D1、D4輸出的驅(qū)動漁探頭信號是直流信號，然而漁探頭所接收的回波信號是屬于交流弱信號，所以利用C19、C21濾除直流信號的干擾，因為電容具有通交隔直的特性[7]。所得信號再經(jīng)過T4中周構(gòu)成的選頻電路進(jìn)行選頻處理。因為回波信號是弱信號，所以要進(jìn)行信號放大，通過 T1、T2和T3構(gòu)成的放大電路進(jìn)行多級信號放大、濾波和整流處理。最后通過D6所得的直流信號傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

圖4 超聲波回波濾波選頻放大電路

圖5 放大電路

2.3 單片機(jī)、按鍵和液晶顯示器電路的設(shè)計

單片機(jī)、按鍵和液晶顯示器電路如圖6所示。選用STM32F103VET6單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，該單片機(jī)是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置512 kB片內(nèi)FLASH，64 kB片內(nèi)RAM，片內(nèi)FLASH支持在線編程(IAP)，內(nèi)置512 kB片內(nèi)FLASH，64K片內(nèi)RAM，片內(nèi)FLASH支持在線編程(IAP)。通過片內(nèi)BOOT區(qū)，可實現(xiàn)串口下載程序(ISP)，支持片外高速晶振(8M)和片外低速晶振(32K)。其中片外低速晶振可用于CPU的實時時鐘，多達(dá)80個IO，足夠液晶顯示屏和其他外設(shè)的拓展。圖6中U1芯片第17腳是采集回波信號OUT,TFT1為液晶顯示屏，S1、S2、S3、S4是外部按鍵輸入，分別控制啟動與暫停、畫面左移、畫面右移和調(diào)節(jié)深度控制。D4和D5是指示燈，系統(tǒng)通過J18接口進(jìn)行程序下載。CPU操作電壓范圍:2.0～3.6 V，一般我們選用3.3 V電壓。

圖6 單片機(jī)、按鍵和液晶顯示器電路

2.4 輔助電源電路設(shè)計

系統(tǒng)使用LM2596芯片構(gòu)成40VDC轉(zhuǎn)12VDC的電源，電路如圖7所示，直流電+40VDC經(jīng)過C4濾除高頻信號后經(jīng)過LM2596芯片內(nèi)部自帶開關(guān)管以固定頻率150KHz進(jìn)行BUCK變換，可以通過調(diào)節(jié)LM2596芯片第五引腳電壓來調(diào)節(jié)內(nèi)部開關(guān)管開關(guān)時間，也就是占空比，實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓大小。12 V電壓通過 LM7808、M7805和ASM1117-3.3轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需8、5和3.3 V電壓。

圖7 輔助電源電路

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)先初始化硬件設(shè)備，開始對漁探頭回波經(jīng)過硬件選頻、放大、濾波和整流后的脈沖進(jìn)行采集；采集完數(shù)據(jù)后直接由單片機(jī)進(jìn)行處理，利用軟件算法對回波脈沖進(jìn)行濾波選頻處理后，再進(jìn)行回波時間計算和角度預(yù)估，從而確定目標(biāo)方位并發(fā)送給液晶屏顯示。判斷是否有界面操作 （如對比度設(shè)置和圖像設(shè)置），若無，返回數(shù)據(jù)采集處理；若有，執(zhí)行界面操作后再返回數(shù)據(jù)采集處理。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3 測試結(jié)果與討論

3.1 顯示分析

將漁探頭放于水中，垂直向下，在漁探頭垂直距離5 m處，放置障礙物（模擬魚群），放置瞬間的魚探儀顯示如圖9所示。在漁探頭垂直距離10 m處，放置障礙物（模擬魚群），放置瞬間的魚探儀顯示如圖10所示。

圖9 魚探儀5 m深度有魚群的顯示圖

圖10 魚探儀10 m深度有魚群的顯示圖

根據(jù)圖9和圖10的魚群顯示圖可以看出，回波間斷的寬度不同，間斷寬度越長，代表魚群越大，間斷寬度越短，代表魚群越小，圖9看出深度5米有三個大小不一的魚群，圖10看出深度10 m有四個大小不一的魚群。

3.2 探測深度分析

表1為探測深度測試數(shù)據(jù)，可以看出，探測深度誤差小于1.6%，測試精度相對比較高。

表1 深度測試數(shù)據(jù)

3.2 發(fā)射功率和售價分析

表2為發(fā)射數(shù)據(jù)和售價中，可以看出，本設(shè)計漁探儀的發(fā)射波輸出電壓和電流都大于對比產(chǎn)品，也就是輸出功率大于對比產(chǎn)品，但售價只有對比產(chǎn)品售價的二分之一，而體積（20 cm×15 cm×12 cm）也小于對比產(chǎn)品的體積（20 cm×17 cm×13 cm）。因此本設(shè)計的漁探儀具有高功率、價格低、體積小的特點(diǎn)，也具有性價比高的優(yōu)勢。

表2 發(fā)射數(shù)據(jù)和售價

4 結(jié)論

大功率智能漁探儀由74HC4024、HD29026AP芯片和中頻變壓器構(gòu)成的超聲波發(fā)射及接收模塊、LM2596電源芯片構(gòu)成的開關(guān)電源模塊、STM32單片機(jī)處理器模塊、液晶顯示屏驅(qū)動模塊和報警提示電路等組成，實現(xiàn)了魚群探測、判斷魚群大小和顯示功能。樣機(jī)經(jīng)測試，可對水下不同深度魚群的狀態(tài)進(jìn)行分析和顯示，效果良好。該智能漁探儀具有高穩(wěn)定性和實用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，作為漁業(yè)生產(chǎn)的輔助設(shè)備可以提高漁業(yè)工作的效益，有良好的應(yīng)用前景。后續(xù)研究將應(yīng)用增強(qiáng)型多通道換能器陣，進(jìn)一步提高捕撈準(zhǔn)確度和增大搜索魚群范圍，以滿足漁業(yè)生產(chǎn)的需求。