基于STM8S903K3的序列打螺絲夾具的硬件設計與實現

蘇紅衛

（江蘇商貿職業學院 江蘇 南通 226007）

基于STM8S903K3的序列打螺絲夾具的硬件設計與實現

蘇紅衛

（江蘇商貿職業學院 江蘇 南通 226007）

螺絲是緊固件的通用說法，是日常生活中不可或缺的工業必需品，目前多數產品上的螺絲仍是操作工手動鎖緊，如果需鎖緊螺絲數量較多的話，容易漏打、錯打。本文以STM8S903K3為主控芯片，設計了一款按照統一順序鎖緊螺絲的裝置——序列打螺絲夾具，文章首先提出了設計方案，然后給出了序列打螺絲夾具的原理框圖并針對芯片外圍電路模塊進行了重點設計說明，最后對運行狀態指示、擴展及其他功能進行了說明。該設計具備可行性，實現了按統一順序鎖緊螺絲，解決了螺絲數量較多時螺絲的漏打、錯打問題，具備很大的推廣價值。

硬件設計；STM8S903K3；螺絲；順序鎖緊；夾具

目前大多數廠家產品上的螺絲是操作工手動鎖緊，如果每個產品上的螺絲數量較多，人工鎖緊螺絲容易出現漏打、錯打等問題[1-4]，文中基于STM8S903K3單片機設計了一款序列打螺絲夾具，解決了螺絲數量較多時螺絲的漏打、錯打這一系列問題，實現了按統一順序鎖緊螺絲。

微控制器STM8S903K3是近年來意法半導體發布的針對工業應用和消費電子開發的一款超高性價比的8位單片機，具有低價格、高性能、低功耗的優異特點[5-8]。文中利用STM8S903K3單片機的這些特點[9-10]對序列打螺絲夾具的硬件電路設計與實現[11-12]做出具體說明，STM8S903K3是系統整體性能實現的核心，它可完成序列打螺絲夾具的功能設定、螺絲鎖緊的選擇、信息數據處理存儲、加工信息的顯示、工作數據通信、報警等一系列功能。

基于STM8S903K3設計的序列打螺絲夾具可做到：1）提示工人目前應該鎖哪個螺絲；2）確認螺絲已鎖好后，提示下一個需要鎖的螺絲位置，實現了按照規定的順序來自動鎖緊螺絲，該序列打螺絲夾滿足了設計需要并且具備體積小，成本低等特點。

1 整體設計方案

基于STM8S903K3單片機的序列打螺絲夾具硬件電路部分主要包括MCU控制電路模塊、電源電路、I/O模塊 （74HC595數據存儲器模塊、三極管模塊）以及其他功能電路，原理框圖如圖1所示。

電源電路為ST單片機和外圍電路提供5 V電源。STM8S903K3可根據來自三極管模塊的Signal In信號發出SET信號啟動電動起子鎖緊螺絲，螺絲鎖緊后，74HC595數據存儲器模塊點亮下一個指示燈。三位撥碼器可設置所需鎖緊螺絲的數量，蜂鳴器電路可對系統的異常情況發出報警聲，給于異常提醒。

圖1 序列打螺絲夾具原理框圖

2 硬件設計與實現

基于STM8S903K3單片機的序列打螺絲夾具主要由MCU控制電路模塊、電源模塊、I/O模塊以及其他功能電路組成。

2.1 電源電路

電源電路作為電源轉換器將生活中常用的220 V交流電壓變換為5 V直流電，分別供給ST單片機和其他外圍電路，電源電路如圖2所示。

2.2 MCU控制電路

文中的MCU控制電路主要是STM8S903K3芯片[13]，STM8S903K3是針對特殊應用領域包括汽車、工業、低壓和電池供電應用設備以及特殊應用標準等產品，在性能上，采用8位框架結構的微控制器。共32個引腳，在序列打螺絲夾具設計中引腳接線如圖3所示。

引腳1復位信號輸入。

引腳2 PA1輸出信號接蜂鳴器電路，正常狀態時單片機控制輸出高電平，出現異常情況時輸出低電平，驅動蜂鳴器電路，發出蜂鳴聲。

圖2 電源電路

引腳3作為通用輸入輸出口，在本文中被軟件配置為輸入口，通過該端口獲取具體螺絲的信號，即確定鎖緊哪一個螺絲，并且不受其他螺絲信號的影響。

引腳11-22作為通用輸入輸出口，在本文中被配置為輸入口，讀取8421編碼器的輸入信息來確定鎖緊螺絲的數量，本文中鎖緊螺絲數量是48個。

引腳23（BZ）作為通用輸入輸出口，文中被配置為輸入口，輸入信號BZ由電動起子控制器提供。

引腳24作為通用輸入輸出口，本文中被配置為輸出端口，輸出SET信號，通過該信號來啟動或關閉電動起子，高電平開啟電動起子、低電平關閉電動起子。

引腳25治具板RESET LED指示燈信號，作為通用輸入輸出端口，在本文中被配置為輸出口，低電平有效，RESET LED點亮。

引腳26編程接口。

引腳27、30 作為通用輸入輸出端口，本文中被軟件配置為輸出端口，通過該端口提供給74HC595芯片的轉移寄存器信號。

引腳28、31 作為通用輸入輸出端口，本文中被軟件配置為輸出端口，通過該端口提供給74HC595芯片的存儲寄存器信號。

引腳29、32 作為通用輸入輸出端口，本文中被軟件配置為輸出端口，該端口作為74HC595芯片的串行數據輸入。

2.3 I/0模塊

I/O口模塊主要作為GPIO擴展功能模塊，用于擴展I/O口，本設計中僅僅獲取螺絲狀態和驅動LED指示燈就各需要48個I/O口，這對單片機來說是遠遠滿足不了的，即使有單片機可以滿足，代價也非常大，因此在設計時考慮使用74HC595來擴展I/O口，滿足設計需求。三極管模塊是作為選通唯一性模塊來使用，以確保準確定位待打螺絲位置。

圖3 STM8S903K3芯片接線圖

1）74HC595數據存儲器模塊

74HC595是單片機系統中常用的芯片[14]，它的作用是把串行的信號轉為并行的信號，用于擴展I/O口，用3個I/O口就可以控制擴展8個I/O口。此外，它還具有一定的驅動能力，可以免掉三極管等放大電路，使電路簡化。本文中共使用12個74HC595數據存儲器，每個74HC595數據存儲器有8個輸出端口，其中6個74HC595芯片擴展為Q0-Q47，實現48個所需鎖緊螺絲的選擇信號。另外6個74HC595芯片擴展為D0-D47，實現48個螺絲對應的LED指示燈驅動信號，根據待鎖緊螺絲序號點亮對應的LED燈。

2）三極管模塊

文中共使用48個三極管模塊，每個三極管模塊（如圖4所示）對應一個鎖緊螺絲信號，以第18個螺絲信號為例說明三極管模塊結構和功能。當需鎖緊第18個螺絲時，Q17信號為低電平，三極管Q5截止，Screw_sig17信號被選通為Signal_In的輸入信號，Screw_sig17為低電平有效，三極管Q4截止，Signal_In信號為高電平有效。

其他三極管模塊的輸入信號Q0-Q16、Q18-Q47均為高電平，與該信號相連的三極管都處于導通狀態，屏蔽掉Screw sig0-16、Screw sig18-Screw47管腳的信號輸入，并且這時Screwsig0-16、Screwsig18-Screw47信號均為高電平，處于未選通狀態，將其他螺絲信號隔離，不影響MCU的第3引腳Signal In信號。

圖4 三極管模塊接線圖

2.4 其他功能電路

1）8421編碼器電路

文中選用3個歐姆龍的A7CN-L三位撥碼器[15]，來調節緊固螺絲的數量，本文中的設計是48個螺絲，可以通過編碼設置其他數量的螺絲。

2）繼電器電路

繼電器電路接線圖如圖1所示，選用G5V-1-5.0和G5V-1-24的繼電器型號[16]，由于該控制器工作電壓為5 V，而電動起子控制器工作電壓為24 V，所以兩者之間信號交互需要進行隔離，避免24 V電壓串入控制器中損壞元器件，本文中MCU輸出的SET信號使用G5V-1-5.0型號繼電器隔離后提供給電動起子控制器，電動起子控制器輸出的BZ信號使用G5V-1-24型號繼電器隔離后提供給控制器。

3）蜂鳴器電路

當系統異常或者螺絲刀位置不對等等異常情況出現時，MCU的2引腳PA1輸出低電平，蜂鳴器電路中的三極管Q2導通（圖5），使蜂鳴器發出嗡嗡的報警聲，給予提醒。

圖5 蜂鳴器電路

3 功能說明

3.1 運行狀態指示

系統運行采用控制器面板上的LED[17-18]燈進行指示，當控制器接通電源后，面板上的LED燈點亮，用于指示控制器的正常運行。

3.2 其他功能

開機時，先按循序點亮指示燈，系統自檢；

異常提示（系統異常，螺絲刀位置不對等），聲音提示；

有一個三位撥碼器用來設置總螺絲的數量，例如設置為48個螺絲，那么在第48個螺絲所完后，RESET位置指示燈亮（RESET位置沒有鎖螺絲確認信號，即螺絲刀觸碰到該位置后立即提示第1個螺絲）。

3.3 擴展功能

1）預留一個通訊口，給另外系統集成用（預留硬件）；

2）可以通過USB口寫程序；

3）預留一個功能選擇開關，后期可能需求：鎖螺絲動作可能分兩步完成，第一步：螺絲先預鎖，不需要確認螺絲是否鎖緊；第二步：按循序鎖緊每個螺絲。

3.4 其 他

指示燈用直插式3MM燈，紅色

4 結 論

綜合考慮產品生產的需要以及成本性能問題，本文選擇STM8S903K3為主控芯片，設計了一款按照統一順序鎖緊螺絲的裝置——序列打螺絲夾具。從實踐結果和參數來看，該裝置很好的解決了螺絲數量較多時漏打、錯打的問題并且具備提示、報警等功能，該設計方案對同類控制問題具有借鑒意義，具備很大的推廣價值。

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Hardware design and implementation of tightening screw fixture in sequence based on STM8S903K3 single-chip machine

SU Hong-wei
（Jiangsu Vocational College of Business，Nantong 226007，China）

Fasteners are commonly called screws，are industrial necessities in daily life.At present，most products are fastened by operators.It tends to make mistakes or omission if there are too many screws to be fastened.The essay designs a dedicated fixture that tightening screw in sequence with STM8S903K3 as the main control chip.The essay puts forward general ideas of the hardware design of tightening screw fixture in sequence firstly.Then it illustrates on functional block diagram and peripheral circuit of tightening screw fixture in sequence.At last，it explains running status and extended function of this hardware circuit.This hardware design is completely feasible.Also，it helps to tighten screw fixture in sequence，prevent the problem of missing or making a mistake.To some extent，it has considerable promotional value.

hardware design；STM8S903K3；screw；tightening in sequence；fixture

TN710.2

A

1674－6236（2017）17-0157-04

2016-09-03稿件編號：201609021

蘇紅衛（1982—），女，江蘇南通人，碩士研究生，講師。研究方向：智能控制。