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第二章方案设计

2.1系统框图

图2.1系统框图

如图2.1所示，为本文的系统框图。在本系统中，主要采用STM32作为主控。借助按键用控制当前智能热水器的上水、加热等功能。系统可以借助LORA模块实现远程通信功能，方便用户进行远程遥控加热、上水等功能。该系统含有OLED外设，可以通过OLED对外输出实时的水位以及温度信息。系统通过液位传感器可以检测当前热水器中的水量，可以通过DS18B20传感器测量当前水温。由于单片机无法通过I/O口直接驱动大型功率设备，因此可以通过驱动芯片驱动水泵、加热棒实现上水加热等功能。

2.2单片机方案选型

当选择一个系统的主控芯片时，主要从该系统所需的串口、I/O口、ADC等外设资源的数量上来考虑，还需要综合评估系统所需的采样频率、价格等多种因素。在本系统内，需要通过若干I/O口检测按键是否被按下，从而选择对应的功能；模拟I2C，实现OLED的驱动功能。通过串口检测当前水温、通过LORA接收远程控制指令等。根据上述需求，接下来对元件选型。

ESP32是上海乐鑫公司的旗舰产品，作为一款ARM架构的32位单片机，其内部有2个CPU核，并集成了WIFI、蓝牙等功能，非常适合用于物联网、智能家居等领域。相比于同类产品，其主频可以达到84MHz及以上，体积小，价格低等优势使其成为了国产单片机的一个明星产品。在列举其缺点，相比于同类产品的12位ADC采样深度，该款单片机只有8位，因此对ADC要求较高的场景并不太适用。由于体积非常小，因此I/O外设也相对不充裕。没有专用的编程IDE也是其需要解决的问题之一。

作为国产单片机的另外一家巨头，国芯科技公司号称是全球最大的8051单片机生产设计公司之一，并且其开发了基于8051内核的32位单片机，在2022年开创了32位8051单片机的元年。传统的8051单片机没有ADC等外设资源，仅有一路串口、若干I/O口等，因此不能满足现如今的开发需求。经过最近几十年的发展，现在的8051单片机的主频得到了较高的提升，外设资源也非常丰富，因此被广泛运用于各领域之中。其较低的价格也是其能快速占领市场的一个优势之一。

TI的STM32单片机是美国最高一批的32位单片机，现如今在各行各领域之中都被广泛使用。由于其较高的稳定性、丰富的外设、强大的内核和功能、以及方便便捷的IDE环境使得这款单片机被工程师所广泛喜爱和使用。该芯片具有ADC、USART、PWM、USB、TIMER、CAN、DAC、Lin总线等资源。并且支持在线仿真，方便工程师查看实时单片机运行状态。丰富的资料也十分利于初学者学习。72MHz的CPU主频，使得其拥有较高的运算处理能力。

在车载领域，恩智浦公司主打车规级芯片，其开发的高性能单片机具有良好的稳定性，并且具备多路CAN总线等功能，非常适用于车载应用领域。其较多的外设资源也使得该款单片机可以实现复杂的控制逻辑。但是其高昂的价格成为了其推广的重要因素之一，因此在国内市场主要应用于汽车领域，民用领域较少。

综上所述，考虑到本系统运用在民用领域，需要采样频率为10Hz以上，较好的抗干扰性即可。最终选择了STM32F103系列MCU用于本次开发。

2.3电机驱动芯片

电机驱动芯片的选型主要参照其驱动电压以及驱动电流这两大参数去选择。在本系统内，使用小电机模拟洗衣机中的滚筒电机旋转使用，其驱动电流在1.2A左右，驱动电压在3-15V之间。

TB6612是早些年见最常使用的一款电机驱动芯片。这款芯片集成了两个电机控制单元，可以实现对两个电机的正反转、PWM调速等控制，驱动电流达到了单通道3A，驱动电压15V以内，因此被广泛使用。但是随着芯片价格的猛增，这款芯片则在逐渐被国产替代，其各项性能指标也在被不断超越。

中科微的AT8870这款芯片是最近几年由杭州中科微电子出品的一款电机驱动芯片。这款芯片是一个单通道芯片，可以驱动电机正反转以及PWM调速控制等。由于这款芯片的正反转控制引脚可以直接输入PWM波，而无需专用的PWM控制引脚，因此其更加节省单片机引脚资源，因此被广泛应用。其单通道的带载能力也到达了4A，价格也非常低廉，非常具有竞争优势。

综上所述，根据本系统所需的要求，结合实际情况，最终选择了使用中科微的AT8870芯片作为电机驱动芯片。

2.4无线传输模块选型

在本系统中，需要借助无线通讯模块实现信号的远程传输。目前市面上的消息传送主要有两种方案：1、通过无线通信模块实现数据的远程发送。2、通过有线连接的方式，实现数据的汇总。有线连接的方式可以为总线形式，例如CAN总线或者485总线；也可以通过网线实现分布式设备的连接。但是上述方案都需要在装修时预先放线，不适合后期安装的方式，再者需要防止大量的走线，十分繁琐。因此目前主流方案都集中在采用无线通信的方案实现消息的收集