李晖，周唯

（湖南理工职业技术学院，湖南 湘潭 411105）

0 引 言

近年来云计算、人工智能、大数据等新技术快速发展，对人才提出了具备自我学习、自我创新、信息获取和处理能力、与他人合作能力、社会责任感等核心素养要求。为此，我国在2016年出台了《中国学生发展核心素养》报告。它包含文化基础、自主发展、社会参与三个方面，人文底蕴、科学精神、学会生活、健康生活、责任担当和实践创新六大要素，人文积淀、国家认同、批判质疑等18 个要点，其目的是要求我们不断反思和改进课程与教学，培养学生具备技术带动社会各方面发展形势下的关键能力和必备品格。教学需要与实践相结合，本文以自动抽水系统设计制作测试为例引导学生对STM32 控制系统进行学习。

水塔需要改造为具有自动上水功能，设定三个水位：最高水位、预抽水水位、最低水位，当水位低于预定水位则在用户设定的用电峰谷时间启动水泵抽水，抽水到最高水位关闭水泵停止抽水；当用水量较大，没来得及来到用电峰谷时间段就已经达到最低水位则立即启动水泵进行抽水，直到水位达到预抽水水位则关闭水泵停止抽水。系统需要设计人机交互界面，满足用户自由设定最高、预抽水、最低水位，也可以对低于预抽水水位后用电峰谷的抽水时间进行设置，以错峰的方式合理利用能源，系统应具有断电保存功能，断电后再次上电保持原参数运行。

1 方案论证

检测水位的方案有很多，引导学生进行思考和分析，比如放入数个串联电阻，当水位淹没电阻就会短路，然后经过AD 检测，可以得到具体水位；也可以像洗衣机一样通过检测压力来检测水位；最后学生尝试采用非接触式的方式检测水位，即采用超声波检测水位。相比其他检测技术，超声波传感器具有安装简单、成本低的优点。超声波传感器由共振片和晶体组成，通过压电晶体的谐振来工作，对晶片施加振荡频率的脉冲电信号时，压电晶片驱动共振板产生超声波信号；当共振板接收到超声波信号时，将压迫晶体振荡，晶体振荡将产生电信号。

超声波测距一般采用发射一个超声波，检测返回超声波，记录从发射到返回所用的时间，假定时间为T，超声波在空气传播的速度V=311.4+t×273（m/s），其中t是摄氏温度。速度一定，测量出传播时间，即可以计算出传输的距离S。距离S/2 则为水塔水位值。电路如图1所示。超声波发射器采用MA40A3S，发射部分主要通过控制振荡器启停来发射超声波。由40 kHz 信号产生电路、信号整形和驱动电路。

图1 超声波发射电路原理图

超声波在空气中传输的频率为40 kHz时传输效率最高，效果最好。前级采用CD4011 构成多谐振荡电路输出40 kHz脉冲信号，经过整形后，由CD4069 非门构成驱动电路驱动超声波发射模块MA40A3S 发射超声波，电路如图2所示。

图2 超声波接收处理电路原理图

超声波接收部分主要由超声波接收传感器、放大电路、整形电路组成。经过远距离的传输，接收回来的超声信号较弱，产生的电信号需要经过约60 dB 的放大。所以电路采用多级放大，使微弱信号放大到满意的幅度，最后经过信号整形后输出，使得回来的信号是个门限信号。

通过发送超声波产生控制信号到接收到超声波，接收信号时间为超声波传输时间，有了传输时间与传输速度的乘积即可计算出传输距离，也就是水位。

2 硬件电路设计

系统主要由STM32f103c8t6 最小系统、LM2596 电源转换电路、DS1302 实时时钟电路、OLED 显示与4 个独立按键组成的人机交互电路、超声波传感器电路、光耦隔离及继电器驱动等电路构成。

2.1 电源电路

电源采用直流12 V 输入，但单片机最小系统、OLED显示、超声波传感器、实时钟等电路模块采用5 V 电源供电，需要把12 V 转换为5 V。电源转换电路采用LM2596T-5.0 V降压芯片，LM2596 是非同步降压型集成开关电压调节器，最大能输出3 A 的电流，内部集成自动150 kHz 震荡器、1.23 V 基准电压、电流限制电路、放大器、比较器及稳压电路等，电路原理图如图3所示。

电路中Cin 为前馈电容，D1 为续流二极管，Cout 为输出电容，整个电路为一个非隔离型buck 降压电路。通过查阅数据手册可以得出各个元件参数，输入电容选取470 μF/50 V，续流二极管选择1N5825，电感取33 μH 功率电感，输出电容取220 μF/50 V。

2.2 STM32f103c8t6 最小系统

STM32f103c8t6 是意法半导体公司（ST）的基于Cortex-M3内核的32 位微控制器，外部有48 个引脚采用LQFP 封装,内部集成64 KB flash 作为程序存储器，20 KB SRAM 可作为数据寄存器，37 个输入/输出端口，4 个16 位定时器，系统时钟72 MHz。最小系统由电源电路、晶振电路、复位电路、启动模式选择电路、串口通信、JTAG 电路组成，电路原理如图4所示。

图4 最小系统原理图

最小系统电源电路采用AMS1117-3v3 芯片，将5 V 转换为内核芯片供电电压3.3 V，外部采用8 MHz 晶振，经内部倍频得到72 MHz 主频，STM32f103c8t6 采用低电平复位，启动模式选择电路采用6 个排针，其中两个排针分别连接芯片boot0、boot1 引脚，在这两个引脚两边分别设置两个VCC、两个GND，通过短路块将boot0 和boot1 引脚与不同的电平进行连接，以选择不同的启动方式。

2.3 人机交换电路

电路采用OLED 作为输出显示，4 个独立按键用于用户设置输入。OLED 采用集成电路总线（Inter-Integrated Circuit,IIC）串行总线协议传输数据，IIC 属于半双工通信。IIC 串行总线有两根信号线，一根是时钟线SCL，另一根是数据线SDA。所有IIC 设备数据线SDA 和时钟线SCL 都并联并加上拉电阻。对于并联在一条总线上的每个IIC 设备都有唯一的设备地址。

人机交互的按键输入部分电路原理图如图5所示，采用4 个独立按键电路，并把4 个独立按键设计为上拉按键输入电路，不但减少了系统的待机功耗，而且提高了系统抗干扰能力。

图5 独立按键原理图

2.4 光耦隔离及继电器驱动电路

单片机控制电机需要一个隔离及驱动电路，该系统采用光耦进行隔离，电路原理图如图6所示，单片机信号经光耦隔离后经三极管控制继电器，继电器控制12 V 和电机的正极的通断，当单片机输出低电平时光耦导通，三极管饱和，继电器线圈得电，电磁效应使得继电器吸合，电机的正极和电源12 V 接通，实现抽水。当水位到达最高水位，单片机输出高电平；继电器断开，停止抽水。和继电器并联一个二极管的作用是减少继电器断开时产生的反向自感电动势对三极管的影响。并上发光二极管和电阻用以作为工作指示，当继电器工作时发光二极管也会点亮。

图6 光耦隔离及继电器驱动电路

3 软件设计

本系统需要对主控STM32f103c8t6 进行程序编写来使各个硬件模块协同工作，需要通过控制超声波的发射和回收的时长算出水位高低，需要通过写入和读取DS1302 的值来实现用电峰谷进行抽水以合理利用能源，需要读取按键的输入来设定上下水位、校正时间及抽水时间，需要驱动OLED 来显示当前状态和参数，需要产生控制信号经隔离驱动后控制水泵启停。

3.1 主程序设计

系统上电后，对STM32f103c8t6 主控芯片内部进行初始化，并对外部各模块进行初始化，OLED 显示欢迎界面，等待用户按下确认按键。当用户按下确认按键后，OLED 显示一级菜单，包括：“当前设置”“立即抽水”“停止抽水”“系统设置”，用户可以通过上下按键选择相应的菜单，按下确定键进入。当进入“当前设置”二级菜单界面，OLED 显示当前日期、时间、水位高低、手动/自动模式；当选择“立即抽水”，系统会显示“已切换手动模式”“电机已启动”提示语，并显示当前实时水位；选择“停止抽水”，OLED显示“电机已停止”“自动模式启动”提示语，并显示当前实时水位；当选择“系统设置”，进入该菜单可以设置“抽水时段1”“抽水时段2”“系统时间校准”“高低水位设置”，选择不同的菜单项可以进行相应的设置。系统主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

3.2 超声波测水位程序设计

在该系统中需要启动超声波发射40 kHz 的超声波，并进行计时，当接收引脚收到超声波信号及时停止，这个时间就是超声波传输时间，已知速度，可以得到2 倍的距离。

开始时将控制超声波发射的引脚和控制超声波接收的引脚都初始化为低电平，然后控制超声波发射引脚为高电平，超声波发射模块会自动发射40 kHz 超声波，然后等待捕捉接收引脚的高电平，当捕捉到接收引脚为高电平时，开启定时器计时，再次捕捉接收引脚下降沿，下降沿到来，将定时器的时间读出，这个时间就是超声波在空气中运行的时间，按照距离=（时间×速度（340 m/s））/2 就可以算出水位。当发送引脚开启高电平后，STM32f103c8t6 开启定时器2 的高电平捕获功能，接收到高电平后开启计数器开始计数，并把捕获改为低电平捕获，这样计数值即为时间值。

部分程序为：

4 结 论

抽水系统设计制作完毕后对其测量水位的精度和控制功能进行测试，测量误差为0.02 米～0.05 米，采用超声波测量水位可以满足系统设计要求。系统设置三个水位线，从高到低依次为：最高水位、预抽水水位、最低水位。当水位低于最低水位通过系统控制水泵立即抽水，抽到预抽水水位停止抽水。当水位低于预抽水水位高于最低水位时，在用户设定的用电峰谷进行抽水，抽水当水位到达最高水位时停止抽水。

通过设计制作STM32 自动抽水系统，综合OLED 显示、超声波传感器控制、按键输入、菜单制作、实时时钟芯片数据读取及写入等知识，让学生从实际系统项目中学习STM技术，寓教于乐，授人以渔，达到了较好的教学效果。