基于STM8S903K3的序列打螺絲夾具的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇紅衛(wèi)

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 江蘇 南通 226007）

基于STM8S903K3的序列打螺絲夾具的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇紅衛(wèi)

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 江蘇 南通 226007）

螺絲是緊固件的通用說法，是日常生活中不可或缺的工業(yè)必需品，目前多數(shù)產(chǎn)品上的螺絲仍是操作工手動(dòng)鎖緊，如果需鎖緊螺絲數(shù)量較多的話，容易漏打、錯(cuò)打。本文以STM8S903K3為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款按照統(tǒng)一順序鎖緊螺絲的裝置——序列打螺絲夾具，文章首先提出了設(shè)計(jì)方案，然后給出了序列打螺絲夾具的原理框圖并針對芯片外圍電路模塊進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)說明，最后對運(yùn)行狀態(tài)指示、擴(kuò)展及其他功能進(jìn)行了說明。該設(shè)計(jì)具備可行性，實(shí)現(xiàn)了按統(tǒng)一順序鎖緊螺絲，解決了螺絲數(shù)量較多時(shí)螺絲的漏打、錯(cuò)打問題，具備很大的推廣價(jià)值。

硬件設(shè)計(jì)；STM8S903K3；螺絲；順序鎖緊；夾具

目前大多數(shù)廠家產(chǎn)品上的螺絲是操作工手動(dòng)鎖緊，如果每個(gè)產(chǎn)品上的螺絲數(shù)量較多，人工鎖緊螺絲容易出現(xiàn)漏打、錯(cuò)打等問題[1-4]，文中基于STM8S903K3單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款序列打螺絲夾具，解決了螺絲數(shù)量較多時(shí)螺絲的漏打、錯(cuò)打這一系列問題，實(shí)現(xiàn)了按統(tǒng)一順序鎖緊螺絲。

微控制器STM8S903K3是近年來意法半導(dǎo)體發(fā)布的針對工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)電子開發(fā)的一款超高性價(jià)比的8位單片機(jī)，具有低價(jià)格、高性能、低功耗的優(yōu)異特點(diǎn)[5-8]。文中利用STM8S903K3單片機(jī)的這些特點(diǎn)[9-10]對序列打螺絲夾具的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[11-12]做出具體說明，STM8S903K3是系統(tǒng)整體性能實(shí)現(xiàn)的核心，它可完成序列打螺絲夾具的功能設(shè)定、螺絲鎖緊的選擇、信息數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)、加工信息的顯示、工作數(shù)據(jù)通信、報(bào)警等一系列功能。

基于STM8S903K3設(shè)計(jì)的序列打螺絲夾具可做到：1）提示工人目前應(yīng)該鎖哪個(gè)螺絲；2）確認(rèn)螺絲已鎖好后，提示下一個(gè)需要鎖的螺絲位置，實(shí)現(xiàn)了按照規(guī)定的順序來自動(dòng)鎖緊螺絲，該序列打螺絲夾滿足了設(shè)計(jì)需要并且具備體積小，成本低等特點(diǎn)。

1 整體設(shè)計(jì)方案

基于STM8S903K3單片機(jī)的序列打螺絲夾具硬件電路部分主要包括MCU控制電路模塊、電源電路、I/O模塊 （74HC595數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊、三極管模塊）以及其他功能電路，原理框圖如圖1所示。

電源電路為ST單片機(jī)和外圍電路提供5 V電源。STM8S903K3可根據(jù)來自三極管模塊的Signal In信號發(fā)出SET信號啟動(dòng)電動(dòng)起子鎖緊螺絲，螺絲鎖緊后，74HC595數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊點(diǎn)亮下一個(gè)指示燈。三位撥碼器可設(shè)置所需鎖緊螺絲的數(shù)量，蜂鳴器電路可對系統(tǒng)的異常情況發(fā)出報(bào)警聲，給于異常提醒。

圖1 序列打螺絲夾具原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于STM8S903K3單片機(jī)的序列打螺絲夾具主要由MCU控制電路模塊、電源模塊、I/O模塊以及其他功能電路組成。

2.1 電源電路

電源電路作為電源轉(zhuǎn)換器將生活中常用的220 V交流電壓變換為5 V直流電，分別供給ST單片機(jī)和其他外圍電路，電源電路如圖2所示。

2.2 MCU控制電路

文中的MCU控制電路主要是STM8S903K3芯片[13]，STM8S903K3是針對特殊應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、工業(yè)、低壓和電池供電應(yīng)用設(shè)備以及特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等產(chǎn)品，在性能上，采用8位框架結(jié)構(gòu)的微控制器。共32個(gè)引腳，在序列打螺絲夾具設(shè)計(jì)中引腳接線如圖3所示。

引腳1復(fù)位信號輸入。

引腳2 PA1輸出信號接蜂鳴器電路，正常狀態(tài)時(shí)單片機(jī)控制輸出高電平，出現(xiàn)異常情況時(shí)輸出低電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器電路，發(fā)出蜂鳴聲。

圖2 電源電路

引腳3作為通用輸入輸出口，在本文中被軟件配置為輸入口，通過該端口獲取具體螺絲的信號，即確定鎖緊哪一個(gè)螺絲，并且不受其他螺絲信號的影響。

引腳11-22作為通用輸入輸出口，在本文中被配置為輸入口，讀取8421編碼器的輸入信息來確定鎖緊螺絲的數(shù)量，本文中鎖緊螺絲數(shù)量是48個(gè)。

引腳23（BZ）作為通用輸入輸出口，文中被配置為輸入口，輸入信號BZ由電動(dòng)起子控制器提供。

引腳24作為通用輸入輸出口，本文中被配置為輸出端口，輸出SET信號，通過該信號來啟動(dòng)或關(guān)閉電動(dòng)起子，高電平開啟電動(dòng)起子、低電平關(guān)閉電動(dòng)起子。

引腳25治具板RESET LED指示燈信號，作為通用輸入輸出端口，在本文中被配置為輸出口，低電平有效，RESET LED點(diǎn)亮。

引腳26編程接口。

引腳27、30 作為通用輸入輸出端口，本文中被軟件配置為輸出端口，通過該端口提供給74HC595芯片的轉(zhuǎn)移寄存器信號。

引腳28、31 作為通用輸入輸出端口，本文中被軟件配置為輸出端口，通過該端口提供給74HC595芯片的存儲(chǔ)寄存器信號。

引腳29、32 作為通用輸入輸出端口，本文中被軟件配置為輸出端口，該端口作為74HC595芯片的串行數(shù)據(jù)輸入。

2.3 I/0模塊

I/O口模塊主要作為GPIO擴(kuò)展功能模塊，用于擴(kuò)展I/O口，本設(shè)計(jì)中僅僅獲取螺絲狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)LED指示燈就各需要48個(gè)I/O口，這對單片機(jī)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了的，即使有單片機(jī)可以滿足，代價(jià)也非常大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮使用74HC595來擴(kuò)展I/O口，滿足設(shè)計(jì)需求。三極管模塊是作為選通唯一性模塊來使用，以確保準(zhǔn)確定位待打螺絲位置。

圖3 STM8S903K3芯片接線圖

1）74HC595數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊

74HC595是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的芯片[14]，它的作用是把串行的信號轉(zhuǎn)為并行的信號，用于擴(kuò)展I/O口，用3個(gè)I/O口就可以控制擴(kuò)展8個(gè)I/O口。此外，它還具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，可以免掉三極管等放大電路，使電路簡化。本文中共使用12個(gè)74HC595數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，每個(gè)74HC595數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有8個(gè)輸出端口，其中6個(gè)74HC595芯片擴(kuò)展為Q0-Q47，實(shí)現(xiàn)48個(gè)所需鎖緊螺絲的選擇信號。另外6個(gè)74HC595芯片擴(kuò)展為D0-D47，實(shí)現(xiàn)48個(gè)螺絲對應(yīng)的LED指示燈驅(qū)動(dòng)信號，根據(jù)待鎖緊螺絲序號點(diǎn)亮對應(yīng)的LED燈。

2）三極管模塊

文中共使用48個(gè)三極管模塊，每個(gè)三極管模塊（如圖4所示）對應(yīng)一個(gè)鎖緊螺絲信號，以第18個(gè)螺絲信號為例說明三極管模塊結(jié)構(gòu)和功能。當(dāng)需鎖緊第18個(gè)螺絲時(shí)，Q17信號為低電平，三極管Q5截止，Screw_sig17信號被選通為Signal_In的輸入信號，Screw_sig17為低電平有效，三極管Q4截止，Signal_In信號為高電平有效。

其他三極管模塊的輸入信號Q0-Q16、Q18-Q47均為高電平，與該信號相連的三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，屏蔽掉Screw sig0-16、Screw sig18-Screw47管腳的信號輸入，并且這時(shí)Screwsig0-16、Screwsig18-Screw47信號均為高電平，處于未選通狀態(tài)，將其他螺絲信號隔離，不影響MCU的第3引腳Signal In信號。

圖4 三極管模塊接線圖

2.4 其他功能電路

1）8421編碼器電路

文中選用3個(gè)歐姆龍的A7CN-L三位撥碼器[15]，來調(diào)節(jié)緊固螺絲的數(shù)量，本文中的設(shè)計(jì)是48個(gè)螺絲，可以通過編碼設(shè)置其他數(shù)量的螺絲。

2）繼電器電路

繼電器電路接線圖如圖1所示，選用G5V-1-5.0和G5V-1-24的繼電器型號[16]，由于該控制器工作電壓為5 V，而電動(dòng)起子控制器工作電壓為24 V，所以兩者之間信號交互需要進(jìn)行隔離，避免24 V電壓串入控制器中損壞元器件，本文中MCU輸出的SET信號使用G5V-1-5.0型號繼電器隔離后提供給電動(dòng)起子控制器，電動(dòng)起子控制器輸出的BZ信號使用G5V-1-24型號繼電器隔離后提供給控制器。

3）蜂鳴器電路

當(dāng)系統(tǒng)異?；蛘呗萁z刀位置不對等等異常情況出現(xiàn)時(shí)，MCU的2引腳PA1輸出低電平，蜂鳴器電路中的三極管Q2導(dǎo)通（圖5），使蜂鳴器發(fā)出嗡嗡的報(bào)警聲，給予提醒。

圖5 蜂鳴器電路

3 功能說明

3.1 運(yùn)行狀態(tài)指示

系統(tǒng)運(yùn)行采用控制器面板上的LED[17-18]燈進(jìn)行指示，當(dāng)控制器接通電源后，面板上的LED燈點(diǎn)亮，用于指示控制器的正常運(yùn)行。

3.2 其他功能

開機(jī)時(shí)，先按循序點(diǎn)亮指示燈，系統(tǒng)自檢；

異常提示（系統(tǒng)異常，螺絲刀位置不對等），聲音提示；

有一個(gè)三位撥碼器用來設(shè)置總螺絲的數(shù)量，例如設(shè)置為48個(gè)螺絲，那么在第48個(gè)螺絲所完后，RESET位置指示燈亮（RESET位置沒有鎖螺絲確認(rèn)信號，即螺絲刀觸碰到該位置后立即提示第1個(gè)螺絲）。

3.3 擴(kuò)展功能

1）預(yù)留一個(gè)通訊口，給另外系統(tǒng)集成用（預(yù)留硬件）；

2）可以通過USB口寫程序；

3）預(yù)留一個(gè)功能選擇開關(guān)，后期可能需求：鎖螺絲動(dòng)作可能分兩步完成，第一步：螺絲先預(yù)鎖，不需要確認(rèn)螺絲是否鎖緊；第二步：按循序鎖緊每個(gè)螺絲。

3.4 其 他

指示燈用直插式3MM燈，紅色

4 結(jié) 論

綜合考慮產(chǎn)品生產(chǎn)的需要以及成本性能問題，本文選擇STM8S903K3為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款按照統(tǒng)一順序鎖緊螺絲的裝置——序列打螺絲夾具。從實(shí)踐結(jié)果和參數(shù)來看，該裝置很好的解決了螺絲數(shù)量較多時(shí)漏打、錯(cuò)打的問題并且具備提示、報(bào)警等功能，該設(shè)計(jì)方案對同類控制問題具有借鑒意義，具備很大的推廣價(jià)值。

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Hardware design and implementation of tightening screw fixture in sequence based on STM8S903K3 single-chip machine

SU Hong-wei
（Jiangsu Vocational College of Business，Nantong 226007，China）

Fasteners are commonly called screws，are industrial necessities in daily life.At present，most products are fastened by operators.It tends to make mistakes or omission if there are too many screws to be fastened.The essay designs a dedicated fixture that tightening screw in sequence with STM8S903K3 as the main control chip.The essay puts forward general ideas of the hardware design of tightening screw fixture in sequence firstly.Then it illustrates on functional block diagram and peripheral circuit of tightening screw fixture in sequence.At last，it explains running status and extended function of this hardware circuit.This hardware design is completely feasible.Also，it helps to tighten screw fixture in sequence，prevent the problem of missing or making a mistake.To some extent，it has considerable promotional value.

hardware design；STM8S903K3；screw；tightening in sequence；fixture

TN710.2

A

1674－6236（2017）17-0157-04

2016-09-03稿件編號：201609021

蘇紅衛(wèi)（1982—），女，江蘇南通人，碩士研究生，講師。研究方向：智能控制。