潘繼民 趙金湘 張陽

【摘要】環(huán)境溫濕度對精密鑄造的鑄件質(zhì)量有較大的影響。本文以AM2301作溫濕度傳感器，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和LED顯示屏控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套精密鑄造車間多區(qū)域溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)施方案。

【關(guān)鍵詞】精密鑄造；ZigBee；溫濕度；LED屏

一、引言

精密鑄造是一種特種鑄造方法，它能獲得較準(zhǔn)確的形狀和較高的鑄造精度，常用于鑄造形狀復(fù)雜而又精密的零件。精密鑄造工藝流程主要包括壓蠟、制殼、澆注、后處理、檢驗(yàn)等工序，其中多數(shù)工序尤其是制殼工序?qū)囬g溫濕度環(huán)境有著極為嚴(yán)格的要求。一般要求環(huán)境控制在溫度20℃～27℃，濕度40%RH～65%RH，并且最好是相對恒溫恒濕。溫濕度過高或過低都會對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。因此做好鑄造車間的溫濕度監(jiān)控及記錄，對于提高鑄件質(zhì)量，完善質(zhì)量管理體系顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線通信的鑄造車間溫濕度檢測系統(tǒng)，使用多組溫濕度傳感器采集車間各區(qū)域的溫濕度參數(shù)，以LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示，為生產(chǎn)管理人員做好質(zhì)量管控提供有效手段。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（一）ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)協(xié)議，是一種距離短、功耗低的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是成本低、功耗低、低數(shù)據(jù)速率、高容量、可自動組網(wǎng)。由于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的這些優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)鑄造車間有多個(gè)溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的靈活布置，各個(gè)節(jié)點(diǎn)會搜索不同路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并能很好地適應(yīng)車間的復(fù)雜環(huán)境，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。此外，采用無線通信方式也易于后期的二次改造。

（二）系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由傳感器終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器、ARM微處理器、LED顯示屏等幾部分組成，其構(gòu)成如圖1所示。傳感器終端節(jié)點(diǎn)是整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其作用是采集所在區(qū)域的溫濕度參數(shù)并進(jìn)行預(yù)處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給路由器節(jié)點(diǎn)；路由器節(jié)點(diǎn)既有無線線路連接功能，又起中繼器功能，通過它將各傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫濕度數(shù)據(jù)上傳于協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器最終將以它為中心的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)匯總并通過串口傳輸給中心ARM微處理器；ARM微處理器負(fù)責(zé)各傳感器數(shù)據(jù)的處理及存儲，并實(shí)現(xiàn)LED屏的顯示控制。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)由溫濕度傳感器、ZigBee無線通信模塊和電源模塊組成。溫濕度傳感器選用AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊，它包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度測溫元件，同時(shí)內(nèi)置一個(gè)高性能8位單片機(jī)，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器。該傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。傳感器為3引腳單總線接口，可以很方便地與其他微處理器的I/O端口相連。

ZigBee無線通信模塊選用CC2530芯片。CC2530是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案。它整合了RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KBRAM和許多其他強(qiáng)大的功能，只需一個(gè)晶振和極少的外接元件即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要。其RF收發(fā)器適應(yīng)2.4-GHzIEEE802.15.4的無線通信，且具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，RF內(nèi)核控制模擬無線模塊，它提供了MCU和無線設(shè)備之間的一個(gè)接口，可以發(fā)出命令，讀取狀態(tài)，自動操作和確定無線設(shè)備事件的順序。

（二）LED顯示屏模組選型

LED顯示屏選用室內(nèi)雙基色模組，模組由紅綠雙色LED管組成64列×16行的發(fā)光點(diǎn)陣，掃描方式為1/16掃。行驅(qū)動電路由譯碼器74HC138和功率驅(qū)動芯片4953組成，來自ARM的4位行編碼信號經(jīng)兩片74HC138組合譯碼后輸出16路行選通信號，經(jīng)功率管4953芯片驅(qū)動后，分時(shí)點(diǎn)亮16個(gè)掃描行的LED燈；列驅(qū)動電路由2組8位串行移位寄存器74HC595組成，每組用8片74HC595級聯(lián)，形成8×8共64路列驅(qū)動信號，分別驅(qū)動紅、綠各64列LED發(fā)光管。來自ARM處理器的紅綠數(shù)據(jù)信號Dr和Dg，經(jīng)64個(gè)CLK移位脈沖移位后，鎖存與每組的8個(gè)串行移位寄存器74HC595中，在行掃描信號的配合下，點(diǎn)亮對應(yīng)的LED發(fā)光管，從而在LED屏上顯示出要顯示的信息。

（三）匯總模塊設(shè)計(jì)

匯總模塊以AMR處理器為中心，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯聚各終端傳感器的數(shù)據(jù)，以LED屏為監(jiān)視器顯示車間各區(qū)域的溫濕度信息。ARM處理器選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F107RBT6芯片，它采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Cortex-M3微控制器結(jié)構(gòu)，是意法半導(dǎo)體推出的STM32互連型系列微控制器中的一款性能較強(qiáng)的產(chǎn)品。其PA0～PA7作為發(fā)送LED屏顯示數(shù)據(jù)的端口，PB3～PB9作為LED屏的掃描控制端口，用以控制屏幕行選和亮滅。串口UART4用來與協(xié)調(diào)器的CC2530進(jìn)行通信，其中PC11（UART4_R）和PC10（UART4_T）分別與CC2530的P0_3（USART_TX）和P0_2（USART_RX）相連。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括傳感器終端節(jié)點(diǎn)模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊和顯示監(jiān)控模塊三部分。

終端節(jié)點(diǎn)模塊的程序包括：初始化終端設(shè)備；查找并申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)；讀取AM2301的溫濕度數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)上報(bào)給協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)設(shè)定的采樣周期為一秒，每秒將數(shù)據(jù)上報(bào)一次。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊的程序包括：CC2530以協(xié)調(diào)器方式啟動并建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；等待終端節(jié)點(diǎn)的加入；接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并上傳與顯示監(jiān)控中心。

顯示監(jiān)控模塊的程序包括：上電后完成STM32F107的系統(tǒng)時(shí)鐘、串口、顯示控制IO端口等設(shè)備的初始化；取得和協(xié)調(diào)器CC2530的通信；讀取由協(xié)調(diào)器匯總的各傳感器節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)；完成數(shù)據(jù)的處理及存儲；更新顯示緩存數(shù)據(jù)并通過動態(tài)掃描完成LED屏的顯示刷新。

五、結(jié)語

系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)和LED顯示屏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對精密鑄造車間的多區(qū)域溫濕度采集和大屏幕監(jiān)控顯示，對提高鑄件的質(zhì)量、加強(qiáng)鑄造車間數(shù)字化管理有實(shí)際意義。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)充方便、布局靈活、顯示直觀醒目，所采用的方案對其他生產(chǎn)車間的環(huán)境檢測和數(shù)字化改造均有實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)制作調(diào)試完成后，進(jìn)行了試運(yùn)行，溫濕度參數(shù)采集準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸可靠，LED屏監(jiān)控顯示效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1]吳志楓.精密鑄造車間溫濕度影響因素研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

[2]蔡利婷，陳平華，羅彬.基于CC2530的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（11）：197～200.

[3]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.