2.4控制电路
本实验中选用的控制核心是STM32系列单片机，具体型号为STM32F103R8T6。STM32F103R8T6是一款嵌入式-微控制器集成电路，是ST旗下的一款常用的增强型系列微控制器。此芯片工作电压为2.0V-3.6V，处理速度为72MHz，芯片可以存储程序的容量为256KB，存储器类型为FLASH，RAM容量为48K。芯片共有64个引脚，采用LQFP64的封装，有49个GPIO口。其中，包含16个12位ADC通道，3组USART串口。
STM32作为CPU可以适用于很多场合，比如电机驱动、游戏外设和打印机等。
2.4.1晶振电路
STM32系统正常工作需要时钟，没有时钟的话系统就无法稳定工作。通过阅读芯片手册我们可以得知CPU内部有两个时钟源，我们要做的就是布置好系统的外部时钟源，此次设计中我们选用的是8M赫兹的石英晶振，封装为49S直插。硬件部分电路设计如图2-7所示：
图2-7 晶振电路设计图
图2-7的晶振可以等效成一个有两个谐振点的二端网络。然后再将其接入一个反馈电路，就可以构成正弦波振荡电路。
此外，此电路的振荡频率会比较稳定，其具体原因如下：在此电路中，两个谐振频率的相当的接近，在这种情况下，就算电路网络中的其他元件参数有较大变化，晶振电路的震荡频率不会有很大的变化。
在设计晶振电路时，除了选择晶振的频率之外，最重要的就是考虑晶振的负载电容值，取选择合适的电容接在晶振的两端。只有选择了合适的电容值，才可以使得晶振按照标称频率进行振荡。外接电容的计算原理如式2-7所示：
Cf=Cd*CgCd+Cg+Cic+∆C （2-7）
其中：Cf为晶振的负载电容；
CdCg为接入晶振两脚上的电容；
Cic为集成电路内部电容；
∆C为PCB板上的电容。
此外，出于简单考虑，两脚上的外接电容也可以直接选择与负载电容值相等的电容，也可以得到标称振荡频率。目前使用较多的是12.5pf的外接电容，来构成整个的晶振电路。
在设计晶振电路时，还有以下几点需要注意：
晶振内部的石英晶体要避免碰撞，防止破损引起的晶振不起振。所以在焊接时位置尽可能靠近CPU，远离PCB板的边缘；
在焊接时应尽量将外接电容靠近晶振的电源；
在焊接时注意温度控制，防止温度过高损坏晶振；
信号线避免经过晶振下方，防止产生信号干扰；
在连接时钟信号线时，走线应该尽量短且宽。
2.4.2复位电路
在进行CPU设计的时候，复位电路也是需要我们重点关注的。复位电路设计的效果，直接影响着设计出来的整个系统在工作时的可靠性和稳定性。如果复位电路设计时出现问题，导致即使在实验室等环境下可以成功工作，在工业现场也很容易出现很多问题。
单片机在上电之后都需要复位，这样可以使得整个系统从初始状态开始工作。复位电路的主要功能就在于在系统上电或者复位的过程中，复位电路可以保证CPU处于复位状态，而不是直接进行工作。否则单片机很容易发出错误的指令，影响到我们整个系统的稳定性。
我们需要设计的是系统的手动复位电路，在查阅相关资料之后，决定采取按键复位的电路进行设计。
在设计本系统的复位电路之前，我们首先关注一下STM32系列CPU的复位电路原理。通过查阅芯片的数据手册我们可以看到其原理图如图2-8所示：
图2-8 STM32复位电路原理图
通过数据手册上的原理图，我们可以发现此复位电路的工作方式为：NSRT通过电阻接到VDD，并通过一个电容去接地，且外接了一个按键。在正常工作时，NRST引脚通过一个上拉电阻上拉至高电平。在需要复位时，按下按键，将NRST引脚置为低电平，再经过芯片内部的反相器，就可以使得芯片的Reset为高电平，实现芯片的复位。事实上，Reset需要保持一定时间的高电平才可以成功复位，但以人按键的时间来看是足以满足这个要求的。
了解了芯片复位电路的原理，我们就可以来设计本系统的按键复位电路了，具体设计结果如图2-9所示：
图2-9 复位电路设计图
需要说明的是，在图2-9所示的复位电路中，我们在芯片NRST引脚外接了一个上拉电阻。事实上，我们可以从图8的原理图中得知此芯片内部是有一个上拉电阻的，所以此处的上拉电阻可以省去。不过，鉴于有些芯片的内部没有上拉电阻，需要这个外接的上拉电阻，我们可以把这个当作一个好习惯保留下来。同时，外加的上拉电阻也可以增强系统抗电磁干扰的能力。
在图2-9所示的电路中，当电路正常工作时，NRST引脚为高电平。在我们需要对系统进行复位操作时，按下按键使得NRST引脚接地，成为低电平，完成对芯片的复位操作。此电路简单实用，在我们此后的调试过程中起着很重要的作用。
2.4.3下载电路
下载电路是一个系统的基础，下载电路如果有差错，会导致程序无法下载，进而整个系统就会瘫痪。
STM32芯片的程序下载电路有两种：串口下载和J-Link下载。在本次设计中，我们采用J-Link下载方式，具体设计电路如图2-10所示：
图2-10 下载电路设计图
图10所示的下载电路中，SWDIO接在芯片的PA13引脚，SWCLK接在芯片的PA14引脚。在接3.3V的引脚上接一个10uf的电容以减少噪音。同时，在设计时应尽量使得接下载线的排针靠近芯片的下载引脚，这样可以尽可能的减少外界干扰导致的下载失败。
在下载时，我们可以利用J-Link或者ST-Link连接电脑和单片机，然后将程序下载至单片机中
2.4.4 BOOT模式设置
STM32系列芯片可以通过设置BOOT引脚实现三种不同的启动模式，具体对应关系如表2-2所示：
当BOOT0置低时，启动模式为从主闪存存储器启动。主闪存存储器是STM32的内置Flash，当我们下载程序时就是将程序下载入主闪存存储器中，掉电重启也是从主闪存存储器启动。
当BOOT0置高，BOOT1置低时，启动模式为系统存储器启动。一般来说，采用此方式启动时会选择通过串口下载程序。
当BOOT0置高，BOOT1置高时，启动模式为内置SRAM启动。这种模式一般用于系统调试过程，一旦系统掉电，程序就会丢失。
在本设计中，由于我们采取的是JTAG模式下载程序，我们选择主闪存存储器作为系统的启动模式，即将BOOT0置为低电平，其具体设计图如图2-11所示：
图2-11 BOOT模式设计图
2.5 OLED显示电路
在系统调试时，一块OLED显示屏可以帮助我们实时的了解系统的工作情况，让我们及时地对系统进行改进。在设计完成之后，可以利用OLED显示屏显示实时的倾斜角度，让我们的设计结果更加直观。
本设计使用的是一个七脚OLED屏，其实物图如图2-12所示：
具体引脚定义为：1脚GND；
2脚VCC；
3脚D0：SPI时钟线；
4脚D1：SPI数据线；
5脚RES：OLED复位引脚；
6脚DC：SPI数据/命令选择脚；
7脚CS：SPI片选，低电平有效。
在本设计中，我们选择将OLED工作在模拟SPI模式之下。在接入电路时，我们用一个排座将其插在PCB板上。1脚和2脚分别接地和电源，其余几个引脚接于单片机普通IO口即可。具体设计图如图2-13所示：
图2-13 OLED接口设计图
同样的，在电源引脚处加上电容减少噪声。同时，我们在设计时需要注意抗干扰的问题，否则会导致OLED无法无法正常显示。信号线附近不能有强干扰源。此外，注意PCB板的布局，尽量将排座放置于板子的边缘，且将OLED朝向外部插入，否则由于OLED的高度，可能会导致PCB板上的其他元器件的布局受到一定的限制
2.6 485通信电路
本设计涉及到与上位机之间的通讯，需要将测量所得的倾斜角上传给上位机，同时需要接收上位机发送的阈值信息。在本设计中我们选择485协议作为我们的通信方式。
2.6.1 485通信协议
目前的工业设备通信基本都是通过异步串口通信，而其中又以RS232和RS485应用最为普遍。RS485通信协议规定了数据通信的电气特性，所以是物理层的概念，其对应的物理器件为RS485驱动芯片。RS485驱动芯片能够将UART传送过来的CPU的电压信号转换为RS485电平逻辑。
在工业应用中，RS485通信协议具有其独到的优势。采用平衡传输方式的RS485通信标准，使用双绞线进行传输，在传输速率为100Kbps时，传输距离可以达到1500米，远远高于其他通信协议。同时，其在远距离传输时的抗干扰能力也较为突出。
与RS232不同，RS485通常采用一对TTL电平的差分信号进行通信。RS485通常无法实现全双工通信，只能实现半双工通信，即在同一时间只能选择接收或者发送，无法同时进行。两者之间的具体差别如表2-3所示：
2.6.2 485通信电路设计
在此次设计中，我们所使用的485通信芯片为SP3485，此芯片为8脚SOIC封装，可以实现半双工通信。在此芯片处于发送状态时，输出采用差分输出，满足RS485标准，空载时输出电压为0V-3.3V，传输速率可以达到10Mbps，驱动器最大输出电流为250mA。处于接收状态时，输入灵敏度可以达到200mV，数据传输速率依然可以达到10Mbps，接收器具有故障自动保护特性，可以使得输出引脚在输入悬空时为高电平状态。另外，此芯片可以工作在关断状态下，此时输入使能和输出使能都被关断。芯片原理图如图2-14所示：
图2-14 SP3485结构图
对此芯片做如下说明：
芯片的5脚和8脚分别是GND和VCC；
2脚为接收使能引脚，低电平有效，1脚是数据接收引脚，接CPU的RX引脚；
3脚是发送使能引脚，高电平有效，4脚是数据接收引脚，接CPU的TX引脚；
6脚和7脚分别接485的和B，通过这两个引脚的差分电压进行数据的传输；
根据SP3485芯片的原理及功能，将其接入我们的系统中，具体设计如图2-15所示：
图2-15 485通信电路设计图
在图15所示电路图中，我们用PA6引脚作为发送和接收的使能引脚。当系统需要发送数据时，将PA6引脚置为高电平；当系统需要接收数据时，将PA6引脚置为低电平。RXD和TXD分别接CPU的USART2的RX和TX。P2排针外接一个485转USB的转换器，这样可以很方便的实现与电脑的通信。
值得注意的是，在芯片的A引脚和B引脚分别接了一个电阻到GND和VCC，这样做的目的是当SP3485不参与通信时不会影响网络的稳定性。另外若是涉及远距离通信，应在AB之间接一个匹配电阻，实现远距离的阻抗匹配。而本设计中的信息传输距离较近，故并未加入此匹配电阻。
2.7电源电路
在分析第二章的硬件设计之后，可以发现5V和3.3V两种电压即可满足本设计所用器件的供电电压需求。由此本设计的电源部分设计思路为：用电源适配器将家用220V交流电转换为5V直流电接入电路以获得5V电压，再用5V转3.3V的稳压管获得3.3V电压供给电路。
因此本设计的电源部分设计思路如图2-16所示：
图2-16 电源部分设计流程图
在稳压管的选择上，本设计选用的是AMS1117-3.3型号稳压管，此稳压管可以将最高15V的直流电稳压为3.3V。其精度可以达到1%，且在内部集成了过热保护和限流电路，可以对设计电路起到很好的保护作用，很适合本设计的用途。
本设计所使用的AMS1117-3.3为3脚SOT-223封装，其封装如图2-17所示：
图2-17 AMS1117-3.3芯片SOT-223封装图
其中，1脚为GND，2脚为稳压输出，3脚为输入电压。将其接入本设计电路，具体设计图如图2-18所示：
图2-18 电源电路设计图
在图18所示设计图中，J为电源适配器接口，为电路提供5V直流电压。并在稳压管的输入端和输出端各加入两个滤波电容，可以使得稳压出的电压更加稳定。除此之外，在稳压后的电路加上一个LED灯，可以为电源电路的成功运行提供一个清晰的指示。
最终原理图：
2.4控制电路
本实验中选用的控制核心是STM32系列单片机，具体型号为STM32F103R8T6。STM32F103R8T6是一款嵌入式-微控制器集成电路，是ST旗下的一款常用的增强型系列微控制器。此芯片工作电压为2.0V-3.6V，处理速度为72MHz，芯片可以存储程序的容量为256KB，存储器类型为FLASH，RAM容量为48K。芯片共有64个引脚，采用LQFP64的封装，有49个GPIO口。其中，包含16个12位ADC通道，3组USART串口。
STM32作为CPU可以适用于很多场合，比如电机驱动、游戏外设和打印机等。
2.4.1晶振电路
STM32系统正常工作需要时钟，没有时钟的话系统就无法稳定工作。通过阅读芯片手册我们可以得知CPU内部有两个时钟源，我们要做的就是布置好系统的外部时钟源，此次设计中我们选用的是8M赫兹的石英晶振，封装为49S直插。硬件部分电路设计如图2-7所示：
图2-7 晶振电路设计图
图2-7的晶振可以等效成一个有两个谐振点的二端网络。然后再将其接入一个反馈电路，就可以构成正弦波振荡电路。
此外，此电路的振荡频率会比较稳定，其具体原因如下：在此电路中，两个谐振频率的相当的接近，在这种情况下，就算电路网络中的其他元件参数有较大变化，晶振电路的震荡频率不会有很大的变化。
在设计晶振电路时，除了选择晶振的频率之外，最重要的就是考虑晶振的负载电容值，取选择合适的电容接在晶振的两端。只有选择了合适的电容值，才可以使得晶振按照标称频率进行振荡。外接电容的计算原理如式2-7所示：
Cf=Cd*CgCd+Cg+Cic+∆C （2-7）
其中：Cf为晶振的负载电容；
CdCg为接入晶振两脚上的电容；
Cic为集成电路内部电容；
∆C为PCB板上的电容。
此外，出于简单考虑，两脚上的外接电容也可以直接选择与负载电容值相等的电容，也可以得到标称振荡频率。目前使用较多的是12.5pf的外接电容，来构成整个的晶振电路。
在设计晶振电路时，还有以下几点需要注意：
晶振内部的石英晶体要避免碰撞，防止破损引起的晶振不起振。所以在焊接时位置尽可能靠近CPU，远离PCB板的边缘；
在焊接时应尽量将外接电容靠近晶振的电源；
在焊接时注意温度控制，防止温度过高损坏晶振；
信号线避免经过晶振下方，防止产生信号干扰；
在连接时钟信号线时，走线应该尽量短且宽。
2.4.2复位电路
在进行CPU设计的时候，复位电路也是需要我们重点关注的。复位电路设计的效果，直接影响着设计出来的整个系统在工作时的可靠性和稳定性。如果复位电路设计时出现问题，导致即使在实验室等环境下可以成功工作，在工业现场也很容易出现很多问题。
单片机在上电之后都需要复位，这样可以使得整个系统从初始状态开始工作。复位电路的主要功能就在于在系统上电或者复位的过程中，复位电路可以保证CPU处于复位状态，而不是直接进行工作。否则单片机很容易发出错误的指令，影响到我们整个系统的稳定性。
我们需要设计的是系统的手动复位电路，在查阅相关资料之后，决定采取按键复位的电路进行设计。
在设计本系统的复位电路之前，我们首先关注一下STM32系列CPU的复位电路原理。通过查阅芯片的数据手册我们可以看到其原理图如图2-8所示：
图2-8 STM32复位电路原理图
通过数据手册上的原理图，我们可以发现此复位电路的工作方式为：NSRT通过电阻接到VDD，并通过一个电容去接地，且外接了一个按键。在正常工作时，NRST引脚通过一个上拉电阻上拉至高电平。在需要复位时，按下按键，将NRST引脚置为低电平，再经过芯片内部的反相器，就可以使得芯片的Reset为高电平，实现芯片的复位。事实上，Reset需要保持一定时间的高电平才可以成功复位，但以人按键的时间来看是足以满足这个要求的。
了解了芯片复位电路的原理，我们就可以来设计本系统的按键复位电路了，具体设计结果如图2-9所示：
图2-9 复位电路设计图
需要说明的是，在图2-9所示的复位电路中，我们在芯片NRST引脚外接了一个上拉电阻。事实上，我们可以从图8的原理图中得知此芯片内部是有一个上拉电阻的，所以此处的上拉电阻可以省去。不过，鉴于有些芯片的内部没有上拉电阻，需要这个外接的上拉电阻，我们可以把这个当作一个好习惯保留下来。同时，外加的上拉电阻也可以增强系统抗电磁干扰的能力。
在图2-9所示的电路中，当电路正常工作时，NRST引脚为高电平。在我们需要对系统进行复位操作时，按下按键使得NRST引脚接地，成为低电平，完成对芯片的复位操作。此电路简单实用，在我们此后的调试过程中起着很重要的作用。
2.4.3下载电路
下载电路是一个系统的基础，下载电路如果有差错，会导致程序无法下载，进而整个系统就会瘫痪。
STM32芯片的程序下载电路有两种：串口下载和J-Link下载。在本次设计中，我们采用J-Link下载方式，具体设计电路如图2-10所示：
图2-10 下载电路设计图
图10所示的下载电路中，SWDIO接在芯片的PA13引脚，SWCLK接在芯片的PA14引脚。在接3.3V的引脚上接一个10uf的电容以减少噪音。同时，在设计时应尽量使得接下载线的排针靠近芯片的下载引脚，这样可以尽可能的减少外界干扰导致的下载失败。
在下载时，我们可以利用J-Link或者ST-Link连接电脑和单片机，然后将程序下载至单片机中
2.4.4 BOOT模式设置
STM32系列芯片可以通过设置BOOT引脚实现三种不同的启动模式，具体对应关系如表2-2所示：
当BOOT0置低时，启动模式为从主闪存存储器启动。主闪存存储器是STM32的内置Flash，当我们下载程序时就是将程序下载入主闪存存储器中，掉电重启也是从主闪存存储器启动。
当BOOT0置高，BOOT1置低时，启动模式为系统存储器启动。一般来说，采用此方式启动时会选择通过串口下载程序。
当BOOT0置高，BOOT1置高时，启动模式为内置SRAM启动。这种模式一般用于系统调试过程，一旦系统掉电，程序就会丢失。
在本设计中，由于我们采取的是JTAG模式下载程序，我们选择主闪存存储器作为系统的启动模式，即将BOOT0置为低电平，其具体设计图如图2-11所示：
图2-11 BOOT模式设计图
2.5 OLED显示电路
在系统调试时，一块OLED显示屏可以帮助我们实时的了解系统的工作情况，让我们及时地对系统进行改进。在设计完成之后，可以利用OLED显示屏显示实时的倾斜角度，让我们的设计结果更加直观。
本设计使用的是一个七脚OLED屏，其实物图如图2-12所示：
具体引脚定义为：1脚GND；
2脚VCC；
3脚D0：SPI时钟线；
4脚D1：SPI数据线；
5脚RES：OLED复位引脚；
6脚DC：SPI数据/命令选择脚；
7脚CS：SPI片选，低电平有效。
在本设计中，我们选择将OLED工作在模拟SPI模式之下。在接入电路时，我们用一个排座将其插在PCB板上。1脚和2脚分别接地和电源，其余几个引脚接于单片机普通IO口即可。具体设计图如图2-13所示：
图2-13 OLED接口设计图
同样的，在电源引脚处加上电容减少噪声。同时，我们在设计时需要注意抗干扰的问题，否则会导致OLED无法无法正常显示。信号线附近不能有强干扰源。此外，注意PCB板的布局，尽量将排座放置于板子的边缘，且将OLED朝向外部插入，否则由于OLED的高度，可能会导致PCB板上的其他元器件的布局受到一定的限制
2.6 485通信电路
本设计涉及到与上位机之间的通讯，需要将测量所得的倾斜角上传给上位机，同时需要接收上位机发送的阈值信息。在本设计中我们选择485协议作为我们的通信方式。
2.6.1 485通信协议
目前的工业设备通信基本都是通过异步串口通信，而其中又以RS232和RS485应用最为普遍。RS485通信协议规定了数据通信的电气特性，所以是物理层的概念，其对应的物理器件为RS485驱动芯片。RS485驱动芯片能够将UART传送过来的CPU的电压信号转换为RS485电平逻辑。
在工业应用中，RS485通信协议具有其独到的优势。采用平衡传输方式的RS485通信标准，使用双绞线进行传输，在传输速率为100Kbps时，传输距离可以达到1500米，远远高于其他通信协议。同时，其在远距离传输时的抗干扰能力也较为突出。
与RS232不同，RS485通常采用一对TTL电平的差分信号进行通信。RS485通常无法实现全双工通信，只能实现半双工通信，即在同一时间只能选择接收或者发送，无法同时进行。两者之间的具体差别如表2-3所示：
2.6.2 485通信电路设计
在此次设计中，我们所使用的485通信芯片为SP3485，此芯片为8脚SOIC封装，可以实现半双工通信。在此芯片处于发送状态时，输出采用差分输出，满足RS485标准，空载时输出电压为0V-3.3V，传输速率可以达到10Mbps，驱动器最大输出电流为250mA。处于接收状态时，输入灵敏度可以达到200mV，数据传输速率依然可以达到10Mbps，接收器具有故障自动保护特性，可以使得输出引脚在输入悬空时为高电平状态。另外，此芯片可以工作在关断状态下，此时输入使能和输出使能都被关断。芯片原理图如图2-14所示：
图2-14 SP3485结构图
对此芯片做如下说明：
芯片的5脚和8脚分别是GND和VCC；
2脚为接收使能引脚，低电平有效，1脚是数据接收引脚，接CPU的RX引脚；
3脚是发送使能引脚，高电平有效，4脚是数据接收引脚，接CPU的TX引脚；
6脚和7脚分别接485的和B，通过这两个引脚的差分电压进行数据的传输；
根据SP3485芯片的原理及功能，将其接入我们的系统中，具体设计如图2-15所示：
图2-15 485通信电路设计图
在图15所示电路图中，我们用PA6引脚作为发送和接收的使能引脚。当系统需要发送数据时，将PA6引脚置为高电平；当系统需要接收数据时，将PA6引脚置为低电平。RXD和TXD分别接CPU的USART2的RX和TX。P2排针外接一个485转USB的转换器，这样可以很方便的实现与电脑的通信。
值得注意的是，在芯片的A引脚和B引脚分别接了一个电阻到GND和VCC，这样做的目的是当SP3485不参与通信时不会影响网络的稳定性。另外若是涉及远距离通信，应在AB之间接一个匹配电阻，实现远距离的阻抗匹配。而本设计中的信息传输距离较近，故并未加入此匹配电阻。
2.7电源电路
在分析第二章的硬件设计之后，可以发现5V和3.3V两种电压即可满足本设计所用器件的供电电压需求。由此本设计的电源部分设计思路为：用电源适配器将家用220V交流电转换为5V直流电接入电路以获得5V电压，再用5V转3.3V的稳压管获得3.3V电压供给电路。
因此本设计的电源部分设计思路如图2-16所示：
图2-16 电源部分设计流程图
在稳压管的选择上，本设计选用的是AMS1117-3.3型号稳压管，此稳压管可以将最高15V的直流电稳压为3.3V。其精度可以达到1%，且在内部集成了过热保护和限流电路，可以对设计电路起到很好的保护作用，很适合本设计的用途。
本设计所使用的AMS1117-3.3为3脚SOT-223封装，其封装如图2-17所示：
图2-17 AMS1117-3.3芯片SOT-223封装图
其中，1脚为GND，2脚为稳压输出，3脚为输入电压。将其接入本设计电路，具体设计图如图2-18所示：
图2-18 电源电路设计图
在图18所示设计图中，J为电源适配器接口，为电路提供5V直流电压。并在稳压管的输入端和输出端各加入两个滤波电容，可以使得稳压出的电压更加稳定。除此之外，在稳压后的电路加上一个LED灯，可以为电源电路的成功运行提供一个清晰的指示。
最终原理图：
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