基于STM32 的壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王蘭珠，李錦明，田登輝

（中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西太原 030000）

隨著科技的進(jìn)步，電子設(shè)備已經(jīng)成為人們生活中重要的伙伴，而電子元器件與連接器是構(gòu)成電子設(shè)備的重要部分[1]，對于整個(gè)系統(tǒng)非常重要[2]，但人們經(jīng)常忽略它的重要性，因此出現(xiàn)很多問題[3-4]。由于現(xiàn)今市面上存在的多種導(dǎo)線和接線端子規(guī)格不同，一直采用人工壓接生產(chǎn)接線端子的方法，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低下等問題[5]。針對上述問題，現(xiàn)基于STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)一種智能壓力監(jiān)測系統(tǒng)[6-9]，來監(jiān)測接線端子生產(chǎn)過程中的壓力情況[10]，檢測生產(chǎn)接線端子的質(zhì)量，指導(dǎo)生產(chǎn)，且在壓接機(jī)器的改良方面有一定的參考價(jià)值，具有一定的實(shí)際意義。

1 接線端子及壓接工藝介紹

目前，接線端子的生產(chǎn)主要靠壓接工藝。壓接端子是生產(chǎn)接線端子的重要組成部分，壓接端子就是通過壓著力使端子發(fā)生形變，從而與導(dǎo)線緊密結(jié)合連接在一起，端子壓接就是把端子和導(dǎo)線連接起來。連接部分的形狀有U型的、O 型的，不管端子的連接部分如何變化，其壓接的部分總是相似的，根據(jù)壓接部分的形狀，端子分為封閉式和開放式兩種類型。O 型一般是封閉式的端子壓接部分，U 型一般是開放式的端子壓接部分[11]。該次設(shè)計(jì)主要針對開放式U 型端子。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)共分為三大塊，一是信號采集電路的設(shè)計(jì)，二是單片機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)，三是供電電路的設(shè)計(jì)。圖1 為該次設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖。

圖1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖

2.1 壓力傳感器

要進(jìn)行壓力的監(jiān)測，如何采集到被控對象的實(shí)際壓力是特別重要的，它決定著后續(xù)壓力監(jiān)測的準(zhǔn)確性[12-14]，是設(shè)計(jì)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的首要條件。壓力傳感器的選型非常重要，該次設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)基于應(yīng)變式、壓電式、電阻式三種壓力傳感器，使設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)適用于更多場合。

該次設(shè)計(jì)選用的應(yīng)變式壓力傳感器為RHM240 A01 壓力傳感器，該傳感器內(nèi)部已集成放大電路，靈敏度高，測量范圍廣，可工作在-54～121 ℃的環(huán)境溫度下，能夠適應(yīng)各種環(huán)境。該傳感器內(nèi)部使用電橋，通過外部壓力的變化，電橋失衡，其壓差即轉(zhuǎn)化為壓力信號的大小，因此需在外部加一恒流源，使測量更加精準(zhǔn)。選用的壓電式壓力傳感器為PSA系列壓電應(yīng)變傳感器，該傳感器靈敏度高，含前置放大器，體積小，安裝簡便，使用水晶作為原材料，機(jī)械強(qiáng)度高，溫度特性好，且具有高剛性和耐持久性，根據(jù)其傳感器特性，該次調(diào)理電路需要設(shè)計(jì)放大電路。選用的電阻式壓力傳感器為硬幣式微型紐扣稱重傳感器，該傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為惠斯通電橋，且自帶放大器和供電電路，內(nèi)部含有溫度補(bǔ)償電阻，可減小因溫度變化對傳感器輸出的影響，其應(yīng)變片采用中航應(yīng)變片，精度高、性能穩(wěn)定。該傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為惠斯通電橋，通過電橋的微弱變化檢測壓力大小并轉(zhuǎn)化成電信號輸出，因此該傳感器外接一恒流源，可使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確，且在實(shí)際安裝使用時(shí)，該傳感器放大器不適合安裝集成，因此還需外接放大電路。

2.2 調(diào)理電路

該次設(shè)計(jì)的調(diào)理電路主要是將壓力傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大，為某些壓力傳感器提供恒流源，使傳感器檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。

放大電路的設(shè)計(jì)采用低失調(diào)電壓、低漂移特性與高速、低噪聲特性的精密運(yùn)算放大器OP27，它具有良好的負(fù)載特性，且將其1、8 引腳接電位器便可調(diào)節(jié)失調(diào)電壓的的大小，保證電路不受失調(diào)電壓的影響。根據(jù)設(shè)備要求，壓力傳感器的輸出有四路，因此設(shè)計(jì)四路放大電路，其中兩路設(shè)計(jì)電路如圖2 所示。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，利用電位器加入了對運(yùn)放失調(diào)電壓的調(diào)整，可保證運(yùn)放具有極低的失調(diào)電壓，減小失調(diào)電壓對壓力采集的影響。且該電路同相輸入端和反向輸入端嚴(yán)格保持對稱性，在電路輸入輸出端均加入電容濾波，確保放大信號的低噪聲以及輸出信號的無污染。

圖2 調(diào)理電路

恒流源電路即利用穩(wěn)壓二極管和恒流二極管的穩(wěn)壓和恒流特性來達(dá)到系統(tǒng)的恒流目的，為傳感器內(nèi)部電橋供電。

2.3 單片機(jī)硬件電路

該次設(shè)計(jì)采用STM32 單片機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換及串口發(fā)送[15-16]，單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)主控CPU 電路和其晶振電路，通過外接晶振電路可以給單片機(jī)系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的工作頻率，且應(yīng)將C9取值略小于C10，可加快晶振起振。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，將PA0-PA3 作為A/D 轉(zhuǎn)換的輸入口，外接放大電路的輸出。單片機(jī)主控電路如圖3所示。

圖3 單片機(jī)主控電路

進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的通信，可通過串口調(diào)試助手檢測串口程序，但單片機(jī)常使用的是TTL 電平，而電腦串口通常使用的是RS232 電平，二者之間不能直接用于串口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，因此要用到串口電平轉(zhuǎn)換電路，將單片機(jī)串行口的TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平。該次電平轉(zhuǎn)換電路采用SP3232EEN來設(shè)計(jì)，其電路圖如圖4 所示。

圖4 串口232電平轉(zhuǎn)換電路

2.4 供電電路

供電電路共分為三部分，由于該次設(shè)計(jì)只提供一個(gè)+12 V 的電源，該次設(shè)計(jì)放大器選用OP27，需要用到±5 V 的雙電源供電，而STM32單片機(jī)需要+3.3 V供電，一要將+12 V 電源轉(zhuǎn)換為+5 V 電源，該部分使用12To5 電源模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換；二要將+5 V 電源轉(zhuǎn)化為-5 V 電源，該部分采用MAX660 進(jìn)行設(shè)計(jì)，該次電路設(shè)計(jì)只需外接兩個(gè)電容便能達(dá)到目的；三將+5 V電源轉(zhuǎn)換為+3.3 V 電源，該部分選取AMS1117-3.3進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片可通過調(diào)整芯片的基準(zhǔn)電壓，來減小因電源超載或穩(wěn)壓器帶來的壓力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該次系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)即下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互處理[17-18]，具體包括STM32 控制程序的編寫，A/D轉(zhuǎn)換及串口發(fā)送的時(shí)序控制，上位機(jī)的Python 繪圖及Matlab 濾波。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用Keil5 來進(jìn)行下位機(jī)的數(shù)據(jù)處理，用STM32 來進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，則在程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先對時(shí)鐘、串口、ADC 及定時(shí)器進(jìn)行初始化；進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后，由于200 mV 為壓力傳感器的基準(zhǔn)電壓，因此需要設(shè)置一個(gè)判斷語句，來檢測壓力傳感器是否采集到有用的壓力數(shù)據(jù)；之后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，將該數(shù)據(jù)存儲在一個(gè)數(shù)組（AD_value）里，數(shù)組長度為4 000，存數(shù)據(jù)之前，需要為數(shù)據(jù)設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)包頭0xff，以便確定上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)是否正確；當(dāng)存儲的數(shù)據(jù)長度達(dá)到4 000 時(shí)，即可進(jìn)行串口發(fā)送數(shù)據(jù)，由于A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為12 位二進(jìn)制，而串口發(fā)送數(shù)據(jù)為8位，因此將12 位數(shù)據(jù)拆分為高八位和第八位分別傳送，此時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)有8 000 個(gè)。單片機(jī)控制程序流程如圖6 所示。

圖6 單片機(jī)控制程序流程

3.2 A/D轉(zhuǎn)換

該次A/D 轉(zhuǎn)換使用STM32 自帶的ADC。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定A/D 轉(zhuǎn)換的輸入電壓，該部分經(jīng)過運(yùn)算放大器處理已得到在單片機(jī)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的0～3.3 V 電壓，接下來確定輸入通道和轉(zhuǎn)換順序，設(shè)置觸發(fā)源開始轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換好的12 位數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器，A/D 轉(zhuǎn)換的流程如圖7 所示。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換流程

通過信號調(diào)理電路之后的信號電壓范圍為0～3.3 V，即ADC 的輸入電壓范圍，則12 位ADC 滿量程對應(yīng)的模擬電壓為3.3 V，對應(yīng)的數(shù)字值為212，數(shù)值0 則對應(yīng)0 V。假設(shè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為X，X對應(yīng)的模擬電壓為Y，則Y值可用式（1）求取：

3.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理

該設(shè)計(jì)使用Python 進(jìn)行上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理，接收串口數(shù)據(jù)并畫出動態(tài)波形圖。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先是對串口及數(shù)組初始化，其中數(shù)組的初始化包括對接收數(shù)據(jù)的高八位數(shù)組（self.obsY）和低八位數(shù)據(jù)組（self.obsX）、波形圖的橫坐標(biāo)（self.b）和縱坐標(biāo)（self.a）的初始化，串口打開后，檢測到數(shù)據(jù)包頭0xff 后進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收存儲，接收到8 000 個(gè)數(shù)據(jù)后，將接收到的數(shù)據(jù)按高八位、第八位重新合并成4 000 個(gè)數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行繪圖處理，在上位機(jī)顯示壓力的動態(tài)波形圖。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

圖8 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

該設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要是監(jiān)測接線端子在壓接過程中的壓力波動，主要方法是在裝置機(jī)臂上打孔安裝壓力傳感器，端子在壓接的過程中發(fā)生變形，壓力傳感器根據(jù)形變程度將壓力信號檢測出來，經(jīng)過調(diào)理電路及A/D 轉(zhuǎn)換發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并繪制壓力的動態(tài)波形圖。

該設(shè)計(jì)通過修改采集數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間來修改數(shù)據(jù)采樣頻率，延遲時(shí)間越長，數(shù)據(jù)采樣頻率越低。每次波形圖的繪制需采集4 000 個(gè)壓力數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間越小，數(shù)據(jù)采樣頻率越高，在壓接端子的這一過程，采集到的數(shù)據(jù)越多，壓接過程的壓力波動情況越明顯。但延遲時(shí)間也不能過小，否則壓接過程還沒結(jié)束，4 000 個(gè)數(shù)據(jù)已采集完，波形圖只能顯示壓接的部分過程，數(shù)據(jù)不完整；若延遲時(shí)間過長，數(shù)據(jù)采樣頻率越低[19-20]，則在端子壓接過程采集到的數(shù)據(jù)越少，采集到的無用數(shù)據(jù)就越多，且壓接過程的壓力波形圖則不能很好地展示壓力波動情況。為確定最佳的數(shù)據(jù)采樣頻率，在上位機(jī)繪制不同采樣頻率的壓力波形圖，通過波形對比，采樣頻率為10 kHz時(shí)的波形圖可以更好地反映壓接過程的壓力波動情況。使用Matlab 進(jìn)行濾波后畫出壓力波形圖，該設(shè)計(jì)采取滑動平均濾波的方法去除毛刺，使得波形更加平滑準(zhǔn)確，濾波后的壓力波形圖如圖9 所示，其中橫坐標(biāo)代表采集的4 000 個(gè)壓力數(shù)據(jù)點(diǎn)，縱坐標(biāo)即每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的電壓值，其單位為毫伏。

圖9 濾波后的壓力動態(tài)波形圖

5 結(jié)論

基于STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)，采用在端子壓接裝置機(jī)臂上打孔安裝壓力傳感器的方法，針對應(yīng)變式、壓電式、電阻式三種壓力傳感器，設(shè)計(jì)三種調(diào)理電路，通過對壓力數(shù)據(jù)的處理以及濾波繪圖對比，確定當(dāng)數(shù)據(jù)采樣頻率在10 kHz 時(shí)可以更好地顯示壓力波形。后期可采集壓接端子時(shí)的良品波形作為基準(zhǔn)波形，將生產(chǎn)過程中的壓力波形與基準(zhǔn)波形進(jìn)行對比，可很快確定生產(chǎn)的端子是否合格，還可以根據(jù)壓力波動情況調(diào)整設(shè)備，指導(dǎo)生產(chǎn)。