气泡船电路板设计及其所接外设硬件原理

# [2020节能减排]气泡船电路板设计及其所接外设硬件原理

气泡船电路板的前期设计规划

设备	数量	供电	控制方式
动力电机	2	24V供电 120W额定功率	PWM+5V+方向IO+GND
船方向舵机	2	24V供电 约 24W功率	PWM+5V+GND x 2
迪文串口屏	1	5-15V供电	232电平串口通信
mpu6050角度/加速度	1	3.3V供电	I2C通信
气泵	1	12V供电 35W额定功率	PWM占空比控制喷气量
电磁阀	1	12V电压	开关，常闭，继电器/MOS管控制 一个IO口
流量计	1	5V供电	IO口测频率
移动配载平台	1	12V供电 约36W功率	PWM + 5V+方向IO
电流传感器	1	3.3V供电	I2C通信
WiFi通信	1	3.3V供电	TTL串口通信

以上是气泡船预计所要接的全部外设，结合上述统计，分配供电，作出下列框图：

接下来对每一个外设硬件进行原理讲述

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外设硬件原理描述

1.动力电机

选用的动力电机为时代超群直流无刷伺服电机，这个电机自带编码器和驱动，因此我们不需要考虑丢步的问题，同时，也因为自带了驱动，控制方面也很简单，只需要控制电机的正反转和电机的速度即可。 因此，控制动力电机只需要开一个PWM通过调节占空比来进行速度调整，再开一个I/O进行方向控制即可

通过给PU的脉冲的占空比来控制转速，占空比转速范围10% ~ 90%代表 0 ~ Max_ Speed¹ 。PU的频率为1K~ 10K任意值 \[PU占空比 = (目标转速/3000) * 0.8 + 0.1\] 例如，如果我要设置转速为2000，那么占空比应为\[PU2000 = (2000/3000) * 0.8 + 0.1 = 0.633\]

控制方向的I/O只需要输出高低电平就能达到目标 综上，分别打开PE9和PE11这两个连接在TIM1上的PWM输出通道分别控制左右两个动力电机的速度，PE10和PE12分别控制左右两个动力电机的方向。

2.船方向舵机

方向舵机的控制原理与动力电及类似，且相较于动力电机，它少了一个控制正反转的接口，是因为舵机是靠检测输入的PWM占空比来转动相应角度的，也就是说，每一个占空比对应一个固定的角度，因此，要控制它的正反转只需要改变占空比的大小即可。 综上，分别打开PA1和PA2这两个连接在TIM2上的PWM输出通道分别控制左右两个舵机的角度

3.迪文串口屏

选用的为DMT10768T097_19WT的9.7寸工业级串口屏。这个串口屏的通信采用232电平下的UART串口通信，因此在主控板上需要加一个MAX232电平转换芯片，MAX232的原理点击这里，那么控制它就简单了，只需要单片机引出一对UART通信接口，再将通信接口连到MAX232转换一下电平即可，下面是设计的原理图： 其中，DISPALY TX/RX接在串口屏上，Screen TX/RX分别接在PC10和PC11

4.mpu6050

mpu6050实际上就是两个传感器，一个陀螺仪角度传感器，一个加速度传感器。陀螺仪的原理是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时不会改变，利用这个特性，可以精确地确定运动物体的方位。而加速度传感器的原理是，传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。 mpu6050和嵌入式控制器之间的通信方式为I2C通信，其本质是一根数据线，一根时钟线，通过时钟线保持mpu6050与嵌入式控制器时钟信号的同步，然后利用数据线进行数据传输。注意一点，STM32要能随意地读取mpu6050采集到的信息，所以在编写程序的时候mpu6050应该是I2C通信的从机，而STM32应该是主机。但一般mpu6050的驱动程序已经封装好了，各种寄存器和通信方式都已经配置地很成熟，无需再从零开始造轮子。 综上，分别打开PB10和PB11这一组硬件I2C接口，既然STM32这么高级，都有硬件I2C了，为啥还需要大费周章一行一行的写I2C时序代码呢(摊手.jpg

5.气泵

气泵也许是这个项目最简单的被控器件了，可惜并不是

在小组讨论以后，按照指导老师的要求，我们本该寻找一种可以控制开合程度的电磁阀来控制喷气速率的，但是遗憾的是，我们翻遍了整个淘宝都没找到这种高级的电磁阀(仿佛嗅到了商机 因此，我不得不调整一下思路，既然不能在传播过程中控制喷气速率，那就只能在源头上解决了。 所以，对气泵的控制方式显得格外重要。结合模电学过的MOSFET的知识，可以知道，MOS管是个通过改变栅源电压V_GS控制漏极电流I_D的器件： 利用其转移特性，我们可以通过控制栅源电压有效值来改变输入气泵的电流，以此来改变气泵的功率（气泵输入电压为12V定值），进而达到了控制喷气量的目的。 控制栅源电压的有效值就更简单了，我们只需要让STM32输出一组PWM，改变PWM的占空比即可改变输出电压有效值，为了让控制效果更直观，可以加一个LED显示电流大小。 选型费了不少功夫，我预期的安全电流I_D为10A，V_GS为10V，找到了AOD4184这一款NMOS 但它的限制功率可能有些低，于是将两个相同的AOD4184并联就行了，再加上限流电阻等等元器件，设计好的具体原理图如下 于是，整个气泵的控制模块就被设计出来了，通过STM32上连接在TIM3的PA6引脚输出可控占空比的PWM波，通过一个限流电阻输入到两个并联NMOS的栅极，来控制连接在12V气泵的电流/功率大小，进而控制喷气量。

6.电磁阀

事实证明，电磁阀才是最容易控制的器件

电磁阀的控制只用到了一个I/O口，利用其高低电平的输出来控制电磁阀的通断。

7.流量计

我们选用了这一款流量计，它是利用气流对流量计内部的一个小涡轮冲击使其旋转，旋转的情况被侧边的霍尔传感器感知，然后产生一个方波，我们通过读出输入STM32的方波频率就可以知道气体流量了，具体公式如下 \[f=(5.5*Q)\] \[Q=L/Min\] 注意：这里的设计有问题，在实际组装器件的时候给流量计的供电是3.3V，否则有可能会烧坏STM32

为了读出流量计霍尔元件产生的方波频率，打开了一个外部中断I/O，对应管脚PA3，通过定时器外部中断，每进一次中断AIR_FREQ值+1，0.1s为一个周期，这样就可以测出方波的频率，再对照上述公式就可以算出气体流量

8.移动配载平台

移动配载平台的本质就是一个步进电机，通过步进电机带动丝杆转动来完成平台的移动，这是一个机械原理，不做过多解释 而步进电机的详细控制方法和上面的动力电机相同，不过多赘述。

9.电流传感器

电流传感器采用了TI家的INA226芯片，利用的是“加压求流”的原理，将一个100Ω的电阻串联到电源电路里，然后利用INA226的模数转换测出这个电阻两端的电压，进而就可以得到电源电路的电流。原理图如下 STM32只需要通过I2C通信与INA226连接，接收INA226传入的电流数据即可。

10.WIFI通信

WIFI通信利用的是ESP8266模块，ESP8266操作十分简便，几个AT指令便可以完成设置 STM32与ESP8266模块之间的通信利用TTL电平的UART串口通信即可。 下面列一下几个重要的AT指令：

1.AT+RST            #功能：重启模块
2.AT+CWMODE=<mode>  #功能：mode=1 :Station模式（接收模式）mode=2：AP模式（发送模式）mode=3：AP+Station模式
3.AT+CWLIF          #功能：查看已接入设备的 IP
4.AT+CIFSR          #功能：查看本模块的 IP 地址
5.AT+CWJAP=<ssid>,<pwd> #功能：加入当前无线网络 
'''
说明： <ssid>:字符串参数，接入点名称
<pwd>:字符串参数，密码，最长64字节ASCII
响应：正确： OK
错误： ERROR 
'''
            

## 电路板设计

### 原理图

### PCB图

### 电路板3D效果图

期待比赛取得好成绩！！

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1. Max_ Speed为位置模式保存的目标转速，通过设置这个参数，可以更精确的控制需要的转速，也不用担心出现超过所设定的速度↩︎