【MCU实战经验】基于STM32F103VET6D 室内路径记录仪

chinanet · 发表于 2014-4-9 17:12:41

一、总体概要
“室内路径记录仪”计划核心控制处理部分用32位的ARM核心最小系统板STM32F103VET6；显示部分选用5.0寸TFT液晶显示屏（其分辨率为800*480大于VGA 640*480的分辨率）；三维坐标定位采用三个方向的超声波定位；测温部分由于要求温度测量范围大于200摄氏度故采用热电偶，再接上两级差分放大电路、3.3V的稳压和STM32内部12位的AD采集和数据处理；气压和姿态角部分采用选用GY-80传感器模块，此模块可选用I2C通信，这给几种模块的综合提供了很大的方便，其外围电路简单、控制简易；数据的无线传输采用无线串口。在测试时通过STM32的控制和数据处理可在液晶上实时显示当前的XYZ三个方向的坐标、移动的轨迹、走过的总路程、总时间、温度、气压和当前的日期时间，同时数据也同步写入SD卡存储，还将数据通过无线串口实时传输到PC端存储并显示当前的姿态和相应的测量数据。

二、各电路模块介绍
1.电源供电模块
根据整个电路系统的组成，STM32、液晶显示模块、超声波模块所需的电压为+3.3V，但是热电偶输出电压的差分放大电路需要双电源供电，所以选择±3.3V电压供电。考虑到蓄电池可以充电重复使用，且有足够的蓄电能力，整个电路的供电选择6Ｖ的蓄电池，经可调的稳压芯片LM2596输出+3.3V的正电压，在输入端加+6V电压，调节滑动变阻器使输出的电压为+3.3V为止。在输入端（ICL7660芯片的第八管脚）输入+3.3V的正电压，在输出端（ICL7660芯片的第五管脚）将输出-3.3V的负电压。再将此电路的地线接一磁珠后作为数字地，以抑制高频噪声和尖锋干扰。

2.三维坐标获取及数据处理
三维坐标获取为本题关键部分，这里以起始位置为坐标原点，建立两两互相垂直的三维坐标系，规定分别为X轴、Y轴、Z轴。测量运动过程中各点到三坐标轴距离，本项目采用的是具有自温度补偿的US-100超声波模块。先规定三个参考方向，多选取室内墙角两两互相垂直的三个平面，初始位置到三个参考平面的距离可由超声波模块US-100测量，室内任意一点到三个参考平面距离也可测。这样，利用二者差值，即可得到室内任意一点相对于初始位置的坐标。
2.1超声波模块US-100
US-100超声波测距离模块可以实现2cm-4.5m非接触测距功能，拥有2.4V-5.5V的宽电压，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗。
本项目采用电平触发模式，其时序如图二

2.2距离优化
<span style="font-size:12.0pt;font-family:宋体">超声波直接得到的数据受外部干扰比较大，这里，超声波直接采集到三个墙角参考平面的高电平持续时间，可以剔除部分异常值。通常方法，取该时刻采集到的附近几个数据的平均值，也可以直接提取附近相关数据的最大值。经反复试验，选用平均值效果更优。超声波测量距离最大是5米，对应高电平持续时间29ms，要求数据更新时间<span lang="EN-US">

这样将三维坐标点https://www.stmcu.org.cn/file:///C:UsersLWJ~1.LWJAppDataLocalTempmsohtmlclip11clip_image002.gif、https://www.stmcu.org.cn/file:///C:UsersLWJ~1.LWJAppDataLocalTempmsohtmlclip11clip_image004.gif、https://www.stmcu.org.cn/file:///C:UsersLWJ~1.LWJAppDataLocalTempmsohtmlclip11clip_image006.gif转化为二维坐标点https://www.stmcu.org.cn/file:///C:UsersLWJ~1.LWJAppDataLocalTempmsohtmlclip11clip_image008.gif、https://www.stmcu.org.cn/file:///C:UsersLWJ~1.LWJAppDataLocalTempmsohtmlclip11clip_image010.gif。其中S是任意缩放因子，C是任意偏移量。
上述变换可以很直观的显示数据动态，此外，本项目屏幕显示还把三维坐标图分解为地面和高度两部分，分别显示。
2.4速度，路程计算
用两相邻的处理过的坐标得到两点间距离，除以对应时间可得速度。当速度大于2m/s，启动蜂鸣器发出警报提示。路程将各小段距离累加即可。
3.测温模块
由于要求温度范围不小于200摄氏度，普通的温度传感器达不到此温度范围，所以温度测量模块采用热电偶。热电偶是一种感温元件，属于一次仪表，它可以直接将测到的温度转换成热电动势，将热电偶的微伏级的电压信号经过两级差分放大，中间经过滤波得到毫伏级电压信号，再由STM32内部12位的A/D转换将得到的数字量转换为相应的温度从而在液晶上显示出当前测量到的温度。
4.姿态角、气压
气压、姿态角测量，本项目采用GY-80九轴模块。包含三轴陀螺仪、三轴加速度、三轴磁场，气压显示。I2C通讯方式，使得接线简单，信息量大。其中，三轴陀螺仪能体现三个方向的倾斜情况，能检测到被测物体的微小偏移，在检测物体平衡中应用广泛。GY-80测量大气压强也很方便，因此本项目直接利用GY-80模块测量三个方向的姿态角，显示压强。
5. 时间显示
本项目采用STM32-103F自带的RTC芯片计时，利用纽扣电池供电，可以在外部断电情况下，时钟模块继续工作，保证时间的连续性。
6．串口通信，SD卡读写
利用无线串口，建立STM32-103F与PC的连接，实时将采集到的三维坐标数据上传到PC。PC端打开上位机，通过获取的数据实时显示移动目标的轨迹和坐标和其他状态参数，通过无线串口还可以在PC终端远程操控。