供水泵智能控制器綜述

1、目錄1. 研究背景 2.2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3.3. 供水泵運(yùn)行基本原理 4.3.1 泵站供水系統(tǒng)的組成 4.3.2 供水泵自動化運(yùn)行的實現(xiàn)方法 4.4. 供水泵智能控制器總體設(shè)計方案 5.4.1 供水泵控制器設(shè)計應(yīng)遵循的原則 5.4.2 供水泵控制器的功能需求 5.4.2.1 參數(shù)顯示功能 5.4.2.2 智能控制功能 6.4.2.3 電機(jī)保護(hù)功能 6.4.3 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 6.4.4 STM32 系列芯片優(yōu)勢 6.5. 供水泵智能控制器硬件電路設(shè)計 9.5.1 微處理器的選型 9.5.2系統(tǒng)方案設(shè)計 9.5.3 核心處理單元電路 1.05.4電源模塊電路 1.15.5電量采集電路

2、1.2.5.6時鐘芯片電路 1.3.5.7 LCD 接口電路 1.4.5.8鍵盤管理電路 1.5.5.9 RS485通信單元電路 165.10數(shù)據(jù)存儲單元電路 1.75 . 1 1數(shù)字量采集和繼電器控制電路 1.85.12系統(tǒng)可靠性設(shè)計 1.85.13 本章小結(jié) 2.0.附錄2.1.1. 研究背景我國是農(nóng)業(yè)大國， 也是水利大國， 水利在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地 位。然而，目前我國農(nóng)村供水設(shè)施普遍簡陋、規(guī)模較小，以傳統(tǒng)、落后的分散式 供水為主，自來水普及率低， 管理落后。為了徹底解決廣大人民群眾的用水難題， 國家在 “十二五 ”規(guī)劃中提出要建設(shè)新農(nóng)村， 加強(qiáng)農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)， 大力推

3、進(jìn)農(nóng)村集中式供水。集中式供水工程具有水源可靠、 管理方便等方面的優(yōu)勢， 有利于改善農(nóng)村的 生活條件， 促進(jìn)農(nóng)村工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展， 促進(jìn)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整， 保持農(nóng)村社會穩(wěn) 定，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。在我國廣大地區(qū)， 特別是西部山區(qū)， 由于受地理位置限制， 泵房與水池相隔 較遠(yuǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)停水現(xiàn)象， 使山區(qū)人民群眾無法達(dá)到城鎮(zhèn)化供水標(biāo)準(zhǔn)。 眾多的集 中式供水泵房運(yùn)行效率低， 仍處于較落后的管理狀態(tài)， 主要依賴于人工操作和已 有的操作規(guī)程。 特別是對于以離心式水泵工作特性為基礎(chǔ)的泵站， 廣泛存在著以 下的問題：對人的依賴性太大，不適應(yīng)泵站現(xiàn)代化的要求；操作流程較為繁瑣， 工人的勞動強(qiáng)度過高； 實時性差， 不

4、能及時對水泵進(jìn)行啟停操作； 某些部件容易 被損壞，存在安全隱患；檢修、調(diào)試維護(hù)設(shè)備麻煩，工人要逐個檢查每個設(shè)備的 運(yùn)行工狀； 資源浪費(fèi)嚴(yán)重， 不利于降低泵站的運(yùn)行成本。 隨著自動控制技術(shù)與通 信技術(shù)的不斷發(fā)展， 各種水泵控制器孕育而生， 將會對泵站的自動化運(yùn)行與節(jié)能 生產(chǎn)產(chǎn)生積極的推動作用。嵌入式系統(tǒng)（Embedded Systems是以應(yīng)用為中心，以計算技術(shù)為基礎(chǔ)，軟 件硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、功耗、成本、體積等嚴(yán)格綜合性 要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)；它是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的 基于硅片的知識集成系統(tǒng)。 隨著嵌入式的飛躍發(fā)展， 已廣泛應(yīng)用于國防電子、 汽 車電

5、子、工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)學(xué)科技、數(shù)字消費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)通信、電力系統(tǒng)等國 民經(jīng)濟(jì)的主要行業(yè)。 在不久的將來， 嵌入式將更為廣泛地服務(wù)于人類生活的方方 面面。目前常用的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方式有： 數(shù)據(jù)專線、 有線撥號、光纜傳輸和無線數(shù) 傳電臺，但這些方式普遍存在著建設(shè)費(fèi)用大、建設(shè)周期長、受環(huán)境因素影響大、 運(yùn)行費(fèi)用高及數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)， 難以為中小型集中式供水泵站的數(shù)據(jù) 遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)所采用。然而基于 GSM/GPRS 的無線數(shù)據(jù)傳輸卻具有接入范圍 廣，傳輸速率高，接入時間短，提供實時在線，按流量計費(fèi)等優(yōu)勢。2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 不斷涌現(xiàn)的新型水泵控制器承擔(dān)起水泵監(jiān)控、 自 動

6、調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大能源利用、 提高安全性與可靠性等重要任務(wù)， 單純的依靠人工 手動操作已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)代化的監(jiān)控要求。自從上個世紀(jì) 70 年代以來，國外便率先開展了供水系統(tǒng)自動監(jiān)控的研究與 應(yīng)用工作。 80 年代以后，隨著電子與計算機(jī)技術(shù)等科技的迅猛發(fā)展，供水系統(tǒng) 的自動監(jiān)控技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。 同時，由于國外發(fā)達(dá)國家擁有雄厚的經(jīng)濟(jì)與技術(shù) 實力，使其供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用， 泵站運(yùn)行與管理方面的自動化 程度不斷提高、 監(jiān)控系統(tǒng)得到不斷完善。 不但提高了泵站運(yùn)行的安全性、 可靠性 與經(jīng)濟(jì)性，而且節(jié)約了人力資源，為工程的后期維護(hù)打下良好的基礎(chǔ)。特別是在歐美、 日本等發(fā)達(dá)國家， 基本上實現(xiàn)了泵

7、站的全自動監(jiān)控。 其中荷 蘭泵站采用的自動化儀表多為智能型，這種儀表很先進(jìn)，如功率表、水位表、水 位計等能長期進(jìn)行自動記錄。能夠?qū)Ρ谜具\(yùn)行的各種指標(biāo)進(jìn)行長期跟蹤、監(jiān)測、 記錄與報警， 隨時解決發(fā)現(xiàn)的問題。 同時，記錄下來的數(shù)據(jù)也為水泵和水泵控制 器的開發(fā)與性能完善提供了良好的數(shù)據(jù)支撐。 由于自動化程度的提高， 極大的減 少了事故的發(fā)生， 也減少了泵站的管理工作人員， 泵站一般雇用懂專業(yè)、 有經(jīng)驗 的管理人員。運(yùn)行、管理人員普遍具有較高的專業(yè)技能，在泵站運(yùn)行中，可以及 時發(fā)現(xiàn)問題， 并能正確地處理突發(fā)事件。 這種高度的自動化運(yùn)行取得了良好的經(jīng) 濟(jì)效益。目前，我國已建成各類型固定泵站 50 多萬座

8、，并且進(jìn)一步加大集中式供水 泵站的建設(shè)力度，具有數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快的特點(diǎn)。但大多數(shù) 泵站建于上個世紀(jì)， 它們雖然發(fā)揮了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益， 但在技術(shù)水平、 工程 質(zhì)量、工程管理以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比， 還有一定的差距。 大多數(shù)泵站仍采用現(xiàn)場手動操作、 人工抄表、 電話報數(shù)等方式運(yùn)行， 采集信息數(shù) 量少、處理速度慢、勞動強(qiáng)度大、效率低，這類監(jiān)控方式比較落后，很難適應(yīng)現(xiàn) 代化的要求。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與政策的落實， 我國集中式供水泵站的數(shù)量在未來幾年將會 越來越龐大，資源消耗比越來越重，急需一種立足于國情、綜合自動化程度高、 具有極高性價比的水泵控制器， 以改變目前仍

9、大量依靠人工監(jiān)控水泵的現(xiàn)狀， 并 且這一需求將在未來幾年內(nèi)不斷攀升。同時，隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、 自動控制技術(shù)、 檢測傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用， 水泵控制器也朝著分布化、 智 能化、自動化、集成化、可視化、擴(kuò)展性高的方向發(fā)展。3. 供水泵運(yùn)行基本原理3.1 泵站供水系統(tǒng)的組成供水系統(tǒng)分為機(jī)械和電氣兩個部分。 機(jī)械部分主要包括離心泵、 閘閥、 手動 閥門、逆止閥、底閥、壓力表、管路及管路附件等，電氣部分主要包括電動機(jī)、 高低壓開關(guān)柜、磁力啟動器、電抗器等。3.2 供水泵自動化運(yùn)行的實現(xiàn)方法泵站自動運(yùn)行是在人工操作基礎(chǔ)上的改進(jìn)， 基本上可以擺脫人工的干預(yù)， 其 運(yùn)行原理上與人工操作流程類似

10、。 本文以控制理論為依托， 結(jié)合各種儀器和設(shè)備， 全面分析了泵站運(yùn)行中需要實現(xiàn)自動檢測和自動控制的環(huán)節(jié)。 通過軟硬件功能的 結(jié)合取代傳統(tǒng)的人工判斷和操作。 通過分析， 為了實現(xiàn)泵站自動運(yùn)行， 需要實現(xiàn) 以下五個自動控制環(huán)節(jié)： 水池水位的自動監(jiān)測：水位監(jiān)測環(huán)節(jié)的任務(wù)是，根據(jù)水池水位的變化自 動準(zhǔn)確地向控制系統(tǒng)反饋當(dāng)前水位， 特別是高低報警限位。 水位監(jiān)測環(huán)節(jié)的可靠 性和準(zhǔn)確性將直接影響到整個控制系統(tǒng)的可靠性。 自動灌水與排氣：離心泵只有在泵體內(nèi)充滿水的情況下，依靠葉輪的旋 轉(zhuǎn)帶動水的旋轉(zhuǎn)， 從而形成正常供水所必須的真空度。 若真空度不夠， 泵內(nèi)存在 的空氣會造成上水不成功，此時的 “干燒 ”與氣

11、蝕作用將嚴(yán)重?fù)p害水泵。因此，此 環(huán)節(jié)是供水成功與否的關(guān)鍵。 出水閘閥自動控制：為減小啟動功率和提供足夠的揚(yáng)程，水泵操作規(guī)程 規(guī)定離心式水泵一定要在出水閘閥完全關(guān)閉的情況下啟動， 當(dāng)壓力足夠后再緩慢 打開出水閘閥。而當(dāng)停止水泵時，為避免 “水錘 ”對水泵的傷害，也必須先關(guān)閉出 水閘閥，緩慢減小流速，最后斷電停車。 水泵電機(jī)的自動啟停：同時不能影響緊急狀態(tài)下的手動干預(yù)性控制。 故障自動保護(hù)：如果檢測到異常狀況，需要立即停止水泵的運(yùn)行，并及 通知泵站維護(hù)管理人員到現(xiàn)場排除故障。4. 供水泵智能控制器總體設(shè)計方案4.1 供水泵控制器設(shè)計應(yīng)遵循的原則 雖然目前還沒有一個統(tǒng)一的泵站自動化控制的設(shè)計與技術(shù)規(guī)

12、范， 但根據(jù)已有 的工程經(jīng)驗和設(shè)計經(jīng)驗，一般需要遵守以下幾項設(shè)計原則： 開放性：設(shè)計應(yīng)采用開放的技術(shù)、結(jié)構(gòu)、組件及接口，有利于維護(hù)、擴(kuò) 展、升級，降低二次投資。 靈活性： 采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計， 實現(xiàn)靈活配置， 具有可增長性和強(qiáng)壯性。 安全可靠性：所選取的每個元件和設(shè)備的 MTBF 必須滿足工業(yè)級運(yùn)行要 求；信息采集及控制輸出， 要考慮多重軟件硬件閉鎖； 設(shè)備應(yīng)具有自檢、 自診斷、 報警功能。 實時性：各個功能模塊必須在允許的單位時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、計算與 處理，控制器需要在單位時間內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后作出相應(yīng)動作。 經(jīng)濟(jì)性：合理設(shè)計控制方案，最大程度的保持原有設(shè)備與功能，并盡量 減少泵房改造與額

13、外設(shè)備的購買，提高性價比。4.2 供水泵控制器的功能需求4.2.1 參數(shù)顯示功能 該水泵控制系統(tǒng)能夠根據(jù)水泵的電參數(shù)測量結(jié)果和用戶設(shè)置參數(shù)， 自動控制 水泵的啟動 / 停止，主要功能可分為如下幾部分。在水泵控制器上能夠顯示如下 參數(shù)：1、三相電壓： UA、UB 、UC(V)2、三相電流： IA 、IB、IC(A)3、供水量的瞬時流量： Flow(m3/min)4、水壓： Water Pressure(MPa；)5、三相電的有功功率： PA、PB、PC、PT(KW) ；6、三相電的無功功率： QA、QB、QC、QT(KW) ；7、三相電的功率因數(shù)： PFA、PFB、PFC、 PFD；4.2.2智

14、能控制功能在HMI中可以本地手動控制水泵的啟動和停止，當(dāng)工作方式為本地時，在 操作菜單中按鍵則可手動控制水泵的通斷，如果工作方式為遠(yuǎn)程，則本地不可控制水泵。通過 RS-485總線及上位機(jī)在遵守通信協(xié)議的情況下可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控 制，使水泵啟泵或停泵。4.2.3電機(jī)保護(hù)功能應(yīng)具有如下電機(jī)保護(hù)功能：啟動電流門限；卡泵電流門限；短路電流門限； 流量下限門限；電壓告警門限（電壓上限和電壓下限）；4.3系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計為了實現(xiàn)以上功能，方案設(shè)計的分系統(tǒng)包括：核心處理單元、鍵盤、UART通信電路、LCD液晶顯示、數(shù)據(jù)參數(shù)存儲電路、數(shù)字量輸入、繼電器控制電路、 電量監(jiān)測、電源電路。其實現(xiàn)及連接關(guān)系如圖4.1所

15、示。ram電堪電©集路并吁總 線接口11u毘位電路1A RTAKA f?TT在握調(diào)試 下戟播口IICSTM32 A嗣鍵盤指示燈管理上世GPRS機(jī)通器通模塊信485倍485電平電平轉(zhuǎn)塗模塊圖4.1系統(tǒng)的總體實現(xiàn)框圖4.4 STM32系列芯片優(yōu)勢STM32F103X增強(qiáng)型系列使用高性能的 ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi) 核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達(dá)128K字節(jié)的FLASH和20K 字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條 APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個 PWM定 時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信

16、接口 ：多達(dá)2個I2C和SPI、3個USART、一個 USB和一個 CAN。工作電壓為 3.3V。STM32F103X的模塊框圖如圖4.2 所示。Clllr" 'i-| CL7丿r/AiFlITT卜.r JSFUMr=>3D 0（xd 說 GC）2WTQS 111AUC1U；*oca >'工Iusatii -r<-FL：CPKKrvirwsAHDancuQFK»FtW 5PLA2Shr：丄hl WVO：RTC1歡TiirUGiT1WTIM!LbAhlSII用1胚DMIA 剛 lrs圖4.2 STM32F103X 模塊系統(tǒng)框圖STM32微控制

17、器有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 高達(dá)128K字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。多達(dá)20K字節(jié)的內(nèi)置SRAM，CPU能以0等待周期訪問(讀/寫)。這樣在我們所設(shè)計的 系統(tǒng)中就去掉了以往很多嵌入式項目設(shè)計中所需要的用于外部程序存儲器的 Flash芯片和用于外部數(shù)據(jù)存儲器的 SRAM芯片，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本，提高 了系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性。STM32增強(qiáng)型系列擁有內(nèi)置的 ARM 核心，因此它與所有的 ARM工 具和軟件兼容。 這給項目的開發(fā)工作帶來了很大的便利，因為在以前的工作中 曾經(jīng)使用過其他 ARM核心的微控制器，所積累的經(jīng)驗在本項目的開發(fā)中得到 了充分發(fā)揮。而且由于可用于 ARM開發(fā)的工具軟件很多，

18、大大加快了項目開 發(fā)的速度和效率。(3) STM32的內(nèi)部FLASH是在線可編程的。在我們的項目中，設(shè)備運(yùn)行 的配置參數(shù) 會存儲在 FLASH 中的固定位置，每次啟動設(shè)備時，程序會讀取這 些參數(shù)來進(jìn)行初始化。 但在某些情況下， 需要遠(yuǎn)程設(shè)置或修改配置參數(shù)。 這一功 能使得可以在不用接 JTAG 燒寫器的情況下根據(jù) USART 接口接收到的數(shù)據(jù)來 修改 FLASH 中的配置參數(shù)，在設(shè)備再次啟動時，就會讀取新參數(shù)來進(jìn)行初始 化。(4) 杰出的功耗控制。高性能并非意味著高功耗。 STM32 經(jīng)過特殊處理， 針對應(yīng)用中三種主要的功耗需求進(jìn)行優(yōu)化， 這三種能耗需求分別是運(yùn)行模式下的 高效率的動態(tài)耗電機(jī)制

19、、 待機(jī)狀態(tài)時極低的電能消耗和電池供電時的低電壓工作 能力。(5) 易于開發(fā)。 STM32 采取與以往不同設(shè)計方法，通過把各個外設(shè)封裝成 標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù) 的方式，屏蔽了底層硬件細(xì)節(jié)，能夠使開發(fā)人員很輕松地完成產(chǎn)品 的開發(fā)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。1) STM32 固件庫。 STM32 固件庫提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問 STM32 的 各個標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。2) USB 開發(fā)工具集。 在更廣的應(yīng)用領(lǐng)域中， USB 功能的實現(xiàn)將變得越來越 方便，因 為 USB 開發(fā)工具集提供了完整的，經(jīng)過驗證的固件包，使得用戶 可以順利地開發(fā)各個類的 USB 固件。(6) STM32F103xx 增強(qiáng)

20、型支持三種低功耗模式， 可以在要求低功耗、 短啟動 時間和多種喚醒事件之間達(dá)到最佳的平衡。 STM32 可以理想地應(yīng)用于一些需要 低功耗而功能強(qiáng)大的微控制器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中， 或則很多通用的可系統(tǒng)升級 的方案中，常見的有以下應(yīng)用： 工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用：可編程邏輯控制器(PLC)、變頻器、打印機(jī)、掃描儀和工 控網(wǎng)絡(luò)。 建筑和安防應(yīng)用：警報系統(tǒng)、可視電話和HVAC。低功耗應(yīng)用：血糖測量儀、電表和電池供電應(yīng)用。 家電應(yīng)用：電機(jī)控制和應(yīng)用控制。 消費(fèi)類產(chǎn)品： PC 外設(shè)、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和 GPS 平臺?？傊?， STM32 芯片在項目中的使用，使得整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性、 功耗、生產(chǎn)成本等都比同類系統(tǒng)

21、有了較大的提升。5. 供水泵智能控制器硬件電路設(shè)計5.1 微處理器的選型MCU 的選擇主要從以下四個方面來考慮：(1) MCU 在整個系統(tǒng)中的所承擔(dān)的任務(wù)復(fù)雜程度： 在本設(shè)計中， MCU 要負(fù) 責(zé)信號的采集、信號的濾波處理、數(shù)據(jù)存儲以及通信等。(2) MCU 的處理速度：本設(shè)計中， MCU 要與 PC 機(jī)進(jìn)行通信，因此，處 理器要有很高的處理速度。(3) 對于整個系統(tǒng)的設(shè)計希望盡可能簡化：一個系統(tǒng)中所使用的元器件越 多、電路結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則系統(tǒng)的出問題的概率越大，可靠性與穩(wěn)定性越差。因此 在選擇 MCU 的時候，希望 MCU 內(nèi)部集成功能單元越多越好，這樣就能簡化 系統(tǒng)設(shè)計，增加系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)

22、定性。(4) 從控制系統(tǒng)生產(chǎn)成本的角度考慮：在本系統(tǒng)中， MCU 的成本占了整個 系統(tǒng)的一部分，能夠降低 MCU 的成本也就能降低系統(tǒng)成本。綜合以上四個方面，在本設(shè)計中，我們選用了意法半導(dǎo)體公司推出的新型 32 位 ARM 內(nèi)核處理機(jī)芯片 STM32 系列中的 STM32F103VCT6 。5.2 系統(tǒng)方案設(shè)計整體架構(gòu)中， 以控制器為監(jiān)控核心， 負(fù)責(zé)對各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測， 并對水泵及 其配套球閥進(jìn)行控制?？刂破骰谀K化設(shè)計，每個模塊都由獨(dú)立的 STM32 進(jìn) 行控制，這樣可以實現(xiàn)各個檢測與控制功能的并列運(yùn)行?？刂破骶哂腥缦绿攸c(diǎn)： 每個模塊都一塊可插拔的由 STM32 控制的核心處理模塊， 此模

23、塊通用于 所有功能模塊，便于軟硬件設(shè)計。 各個模塊之間通過通信協(xié)議建立聯(lián)系，每個模塊有獨(dú)立的通信地址，每 種模塊的數(shù)量根據(jù)需求確定。 CPU 板作為主機(jī)從各個從機(jī)模塊獲得數(shù)據(jù)，同時又作為從機(jī)與上位機(jī)進(jìn) 行通信。 每個模塊完成獨(dú)立的任務(wù)： 數(shù)字量輸出由 DO 板完成、數(shù)字量輸入由 DI 板完成；模擬量輸入由 AI 板完成；電力采集由智能電力檢測儀完成； CPU 板 則完成數(shù)據(jù)處理、控制策略、鍵盤輸入、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)。硬件結(jié)構(gòu) 框圖如圖 5.1 所示。供電電踣時鐘電路51位電路JTAG日電白的I函洋X串口調(diào)試LCD按鍵丄ED接口MAX232|ZLG7289SZ PVDI/OJTAGUSA

24、RT1SPIISPI220K SRAMS1M32F1O3CANHJI/OUSART2USART312SK FLASH12bit AIX'I/O信號選擇TLC5615 lObit I)AC吧場電路豔三極管驅(qū)令 卅模擬量輸入輸出接口數(shù)字量輸入輸出接口RS232MAX232MAX4S5RS4857 報警 電路圖5.1控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖5.3核心處理單元電路在STM32里，可以通過B00T1 : 0引腳選擇3種不同的啟動模式，具體 如表5.1所示。表5.1啟動模式配置啟動模式選擇管腳啟動模式說明BOOT1BOOT0-0 :用戶閃存存儲器:用戶閃存存儲器被設(shè)為啟動區(qū)域01系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)存儲器被選

25、為啟動區(qū)域11內(nèi)嵌SRAM內(nèi)嵌SRAM被選為啟動區(qū)域通過設(shè)置選擇管腳，對應(yīng)到各種啟動模式的不同物理地址將被映射到第 0 塊（啟動存儲區(qū)）。在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK的第4個上升沿，BOOT管腳的值 將被鎖存。本設(shè)計選擇的啟動模式為系統(tǒng)存儲器，即從芯片內(nèi)部的 Flash啟動。STM32處理器采用兩個外部時鐘，分別是產(chǎn)生外部高速時鐘信號（HSE）的8MHz外部晶體和產(chǎn)生實時時鐘信號（RTC）的32.768KHZ的低速外部晶體（LSE）。高速晶振8倍頻到72MHz作為系統(tǒng)時鐘，32.768KHZ的低速晶振用 作系統(tǒng)的實時時鐘。為了減少時鐘輸出的失真和縮短啟動穩(wěn)定時間，晶體/陶瓷諧振器和負(fù)載電容器必須

26、盡可能地靠近振蕩器管腳。負(fù)載電容值需根據(jù)所選擇的振蕩器調(diào)整。STM32使用Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核內(nèi)含硬件調(diào)試模塊，支持復(fù)雜的調(diào)試 操作。硬件調(diào)試模塊允許內(nèi)核在取指（指令斷點(diǎn)）或訪問數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)斷點(diǎn)）時停止。 內(nèi)核停止時，內(nèi)核的內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)的外部狀態(tài)都是可以查詢的。完成查詢后， 內(nèi)核和外設(shè)可以被復(fù)原，程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行。當(dāng)STM32微控制器連接到調(diào)試器并開始調(diào)試時，調(diào)試器將使用內(nèi)核的硬件 調(diào)試模塊進(jìn)行調(diào)試操作。調(diào)試模塊支持兩種調(diào)試接口：串行接口和JTAG接口。 本設(shè)計選擇的調(diào)試接口是 JTAG接口。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG狀態(tài)機(jī)是通過一個 4比 特位的指令寄存器（IR）和5個數(shù)據(jù)寄存器實現(xiàn)的。5.4電

27、源模塊電路整個控制器由一個24VDC電源供電，提供最大1.5A電流。CPU板需要 為核心處理單元模塊提供 5VDC電源，同時需要給液晶、指示燈和 DTU提供圖5.2電源模塊電路圖本電源模塊選用的是 LT1375降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率恒定為500kHz，輸入電壓可高達(dá)35V，輸出5V電壓，電流最高可達(dá)1.5A。輸入端前端首先放 置一塊FSMD150自恢復(fù)保險絲，最大工作電流為1.50A，最大工作電壓為33VDC ;整流二極管IN4007正向電流為1A ;輸入電容 CP1與CP2用于濾 波，為LT1375電源芯片提供良好的低阻抗源，提升瞬態(tài)電流。同時在輸出端 也放置同樣大小的輸出電容 CP6與C

28、P5,可改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，它們在 PCB設(shè)計時需盡可能的靠近LT1375。輸出端用一個紅色 LED燈串聯(lián)限流電阻 來指示是否有5V電源輸出。LP1電感具有濾波的作用，提高電源質(zhì)量。LT1375的反饋（FB）引腳是用于設(shè)置輸出電壓，也提供過載保護(hù)功能。通過選擇最常見電阻的阻值使RP2與RP3通過分壓得到最接近 2.42V的監(jiān)控電壓。同步引腳與關(guān)斷引腳都不使用，懸空處理。5.5電量采集電路電量采集計量模塊的設(shè)計是以電能計量芯片ATT7022B為核心，ATT7022B封裝為44腳QFP形式，外部硬件電路主要包括電壓及電流模擬量輸入、脈沖 輸出、電源及SPI通訊接口等電路的設(shè)計。ATT7022B是

29、一個半導(dǎo)體集成芯片，因此不能將高電壓或大電流信號直接輸 入芯片進(jìn)行測量。為了便于測量外部的電力參數(shù)，必須先將電力信號經(jīng)過隔離轉(zhuǎn) 換之后再輸入 ATT7022B進(jìn)行測量。本設(shè)計中ATT7022B的電壓模擬輸入電路 設(shè)計原理圖如圖5.3所示，電流模擬輸入采用電流采樣單端輸入模式，電路設(shè) 計原理圖如圖5.4所示。該部分電路主要由電流互感器、抗混疊濾波器和參考 電壓輸入電路組成。從互感器出來的信號，經(jīng)過濾波處理后，消除了干擾信號， 再疊加上一個參考電壓信號，即可送入ATT7022B的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。這 樣，就完成了輸入信號的采集工作。如圖 5.3和圖5.4所示。圖5.4電流模擬輸入電路圖電壓互感器

30、(PT)和電流互感器(CT)是電力系統(tǒng)中用于測量、保護(hù)和控制的重 要設(shè)備。電測儀表一般都是低壓系統(tǒng)，不能直接對高電壓、大電流進(jìn)行測量。因此，電流須先經(jīng)過電流互感器(CT)進(jìn)行電流變換，電壓須先經(jīng)過電壓互感 器(PT)進(jìn)行電壓變換，將高電壓大電流的信號轉(zhuǎn)化為低電壓小電流的信號之后， 再進(jìn)行安全的測量。PT 的主要作用是將輸入的高電壓變換成適合于測量儀表等工作的低電壓， CT 是電力系統(tǒng)中廣泛采用的電流傳感及變送設(shè)備，它將高電壓系統(tǒng)的電流或低 電壓系統(tǒng)的大電流變成低電壓的標(biāo)準(zhǔn)電流信號， 傳送給一次設(shè)備進(jìn)行測量、 控制 和保護(hù)。電力互感器在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用， 無論是生產(chǎn)電能、 變換電能 還是

31、傳輸電能的設(shè)備， 也無論是低壓小功率設(shè)備還是高壓大功率動力系統(tǒng)， 電力 互感器都是不可缺少的一部分， 它使測量儀表與高壓裝置在電氣方面很好地的隔 離，保證工作人員和設(shè)備的安全 ;當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，可使儀表和繼電 器的電流線圈不受沖擊電流的影響而損壞。 ATT7022 的電壓輸入范圍 0V-1V ， 電流輸入范圍為 2mV-1V，因此本設(shè)計選用規(guī)格為1.5A/5nA的電流互感器和220V/0.5V的電壓互感器，將電網(wǎng)的高電壓大電流信號轉(zhuǎn)換為低電壓小電流的信 號，再送入 ATT7022B 進(jìn)行 AD 采樣，滿足系統(tǒng)的要求。5.6 時鐘芯片電路控制器需要一個比較精確的時間值，以用于對比、記錄

32、、顯示等功能。因此 在 CPU 板上采用一塊 DS1307 時鐘芯片，它是一款低功耗，具有 56 字節(jié)非 失性 RAM 的全 BCD 碼時鐘日歷實時時鐘芯片，可提供秒、分、小時、天數(shù)、 日期、月份、年份等信息。它通過I2C與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。可連接多個具有I2C總線接口的器件， 每類I2C器件都有唯一確定的地址號，以便在器件間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。12C總線是同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線， 其內(nèi)部為雙向傳輸電路， 端口輸出為開漏結(jié)構(gòu)， 故總線 上必須有上拉電阻，通?？扇?5IOK歐。芯片有一個內(nèi)置的電源感應(yīng)電路，具有掉電檢測和電池切換功能。當(dāng) VCC 低于 VBAT 時， 芯片就會切換到電池備份模式；當(dāng) V

33、CC 恢復(fù)到大于 VBAT+0.2V 時，芯片就會由 VCC 供電；當(dāng) VCC 大于 1.25 倍 VBAT 時，存 取就可以正常進(jìn)行。 X1 、 X2 引腳接標(biāo)準(zhǔn) 32.768kHz 石英晶振。頻率方波輸出 引腳懸空處理。 SDA 串行數(shù)據(jù)引腳與 SCL 串行時鐘上拉 10K 電阻，保證通信 的穩(wěn)定與可靠性。電路如圖 5.5所示。vccY1工iniVCCC232."68KHzR4R5OJUF/25V10K10K-VCCU22 SDASCLJND.O X2 g 3 VCCSDA(RC4)57rSCL(RC3)JL63rDS130"ZN+3.0V寸BT1CR2032GNDGN

34、D圖5.5時鐘芯片電路圖5.7 LCD接口電路目前市場上有三種最常見的顯示模塊：液晶（LCD ）、發(fā)光二極管（LED）和場致發(fā)光（EL）三種。其中液晶（LCD ）顯示模塊具有功耗低、對比度可調(diào)、 像素高、尺寸大等優(yōu)點(diǎn)，符合本控制器在顯示方面的要求。同時，LCD在選擇的時候，有純粹的LCD液晶屏，也有集成了驅(qū)動電路的智能顯示終端。綜合考慮到成本與開發(fā)因素，本控制器采用北京精銳力航公司開發(fā)的JC70HD型智能液晶顯示終端，它支持RS232與RS485通信接口，7寸液晶屏幕、800*480圖 形點(diǎn)陣、65536色、通過串口可下載調(diào)用圖片多達(dá)千張、 內(nèi)部集成各種大小字庫、 還可以用戶自己制作字庫、可以

35、顯示文字、整數(shù)和小數(shù)。支持530V寬電壓供電。對液晶的操作完全通過液晶通信協(xié)議，無需編寫底層點(diǎn)陣驅(qū)動程序，極大的降低了開發(fā)難度與周期。該液晶模塊的引腳定義如表5.2所示：表5.2液晶模塊的接口定義管腳號符號功能1FG框架地（連接金屬鐵框）2Vss地（GND3Vdd電源正電壓+5V4Vee電源負(fù)電壓（對比度可調(diào)）5/WR寫數(shù)據(jù)（低電平有效）6/RD讀數(shù)據(jù)（低電平有效）7c/CEC /r>片選信號（低電平有效）/WR二 “L”； C/D二“ H':寫命令，C/D= “L”：寫數(shù)據(jù)8C/D/WR二“ H' C/D二“ H':讀命令， C/D= “ L”：讀數(shù)據(jù)9/RES

36、ET控制復(fù)位10月17日D0-D7數(shù)據(jù)線18FS字型選擇5.8鍵盤管理電路鍵盤輸入電路用于接收按鍵輸入并通知微處理器完成按鍵功能，支持多按鍵同時操作。MCU的10 口數(shù)量有限，因此有必要對10進(jìn)行擴(kuò)展，本設(shè)計使用了 8位 移位寄存器SN74HC165D（并行輸入，串行輸出）來讀取按鍵狀態(tài)，對按鍵進(jìn)行管 理。由于按鍵較多，系統(tǒng)使用了兩片SN74HC165D來讀取按鍵狀態(tài)。兩個SN74HC165D的16個并行載入管腳平時被 4K7的電阻上拉到高電平，如果有 相應(yīng)的按鍵按下，則對應(yīng)的管腳被置低，把16位數(shù)據(jù)串行讀入到微處理器，根 據(jù)不同的數(shù)值判斷按鍵的情況。CPU每10ms讀取一次按鍵值，并且根據(jù)相

37、應(yīng) 的鍵值做出處理。SN74HC165D通過管腳 K-SO與微處理器通信，當(dāng)移位/置入控制端（SH/LD）管腳為低電平時，并行數(shù)據(jù)（A-H）被置入寄存器，而時鐘（CLK，CLK INH） 及串行數(shù)據(jù)（SER）均無關(guān)。當(dāng) SH/LD為高電平時，并行置數(shù)功能被禁止。CLK 和CLK INK在功能上是等價的，可以交換使用。當(dāng) CLK和CLK INK有一個 為低電平并且 SH/LD為高電平時，另一個時鐘可以輸入。當(dāng)CLK和CLK INK 有一個為高電平時，另一個時鐘被禁止。只有在CLK為高電平時CLK INK才 可變?yōu)楦唠娖?。單個按鍵的電路如圖 5.6所示。VCCR10KKIO1氐32"pi

38、XluF<25VGND圖5.6鍵盤管理電路圖5.9 RS485通信單元電路數(shù)據(jù)通信的目的是將數(shù)據(jù)信息從信源無差錯 地傳輸?shù)叫潘?。而在實際的任 何數(shù)據(jù)傳輸中，由于傳輸過程中對信號的變換、外來的噪聲和干擾帶來的信號失 真，所以不可能是絕對無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。 因此我們所說的無差錯數(shù)據(jù)傳輸，指 的是將差錯控制的可接受的范圍內(nèi)。 通過比較并行和串行通信、異步和同步通信圖5.7 RS485接口電路電路圖由MCU輸出的狀態(tài)控制引腳直接控制 RSM485CT芯片的發(fā)送器/接收器 使能引腳5?？刂菩盘枮楦唠娖?，則 RSM485CT芯片的接收器有效，發(fā)送器禁 止，此時MCU可以接收來自RS485總線的數(shù)據(jù)字

39、節(jié)；當(dāng)控制信號為低電平時， 則RSM485CT芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時MCU可以向RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。在引腳 A與B之間連接一個LED燈，用于直觀判斷485 線路上是否存在數(shù)據(jù)通信。雖然RSM485CT芯片本身已經(jīng)集成了有效的 ESD保護(hù)電路，但是由于泵 房工作環(huán)境的惡劣性，為了確保系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性與安全性， 在核心板的設(shè)計時 在RS485芯片外圍增加了額外的保護(hù)電路32，33。電路圖中，鉗位于6.8V的 瞬變電壓抑制二極管 D1與D2并接到大地上，用于避免 RS485總線由于外 界干擾（比如雷擊或者浪涌等）產(chǎn)生的高壓損壞 RS485芯片。5.10數(shù)據(jù)存儲單元電路FRAM利用

40、鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。FRAM與其他非易失性存 儲器比較，它具有如下特點(diǎn)：讀/寫速度快，沒有寫等待時間；功耗低，靜態(tài)電流 小于1mA，寫入電流小于150mA;擦寫使用壽命長，芯片的擦寫次數(shù)為100億次，比一般的EEPROM存儲器高10萬倍，即使每秒讀/寫 30次，也能用10 年;讀/寫的無限性，芯片擦寫次數(shù)超過 100億次后，還能和SRAM 一樣讀/寫。 鐵電存儲器（FRAM）的核心技術(shù)是鐵電晶體材料。這一特殊材料使鐵電存儲器同 時擁有隨機(jī)存取存儲器（RAM）和非易失性存儲的特性。鐵電存儲器FM24CL64和處理器的接口電路如圖 3.13所示，WP管腳為 寫保護(hù)，系統(tǒng)不對存儲器進(jìn)行寫

41、保護(hù)操作，因此接地。存儲器的讀 /寫以及其他 控制功能都通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IIC總線來實現(xiàn)，SDA和SCL引腳用于與處理器 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和命令寫入。二線協(xié)議由 SDA和SCL兩個引腳的狀態(tài)確定。共有4種狀態(tài)：開始、停止、數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)答。其通信基本格式如圖4.8所示。5.11數(shù)字量采集和繼電器控制電路為了防止開關(guān)量輸入對系統(tǒng)地影響，使用光電耦合器對數(shù)字量輸入信號進(jìn)行 了隔離。光電耦合的主要優(yōu)點(diǎn)是有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，從而大大提高過程通道上的信噪比。采用光耦可以阻斷處理器與前向、后向以及其它電路 間的干擾，防止干擾從傳輸通道進(jìn)入控制器。本終端為了避免微處理器與各接口 模塊之間的干擾，在開關(guān)

42、量采集模塊與處理器的接口電路中采用光電隔離。光電隔離的原理圖如圖 5.9所示，IN204與處理器的GPIO管腳相連接, DISData4則與終端外的數(shù)字量連接。處理器可以通過繼電器來控制水泵的運(yùn)行狀態(tài) （接通/斷開）。繼電器的驅(qū)動電 路如圖3.18所示。其工作原理是：處理器把繼電器的狀態(tài)輸出到管腳O3,即當(dāng)O3為高電平時，繼電器吸合；當(dāng)O3為低電平是，繼電器斷開。圖中二極管 為續(xù)流二極管，并聯(lián)在繼電器線圈的兩端，可以有效地防止繼電器線圈產(chǎn)生的感 應(yīng)電流損壞電路元件。當(dāng)電流消失時，其感應(yīng)電動勢會對電路中的三極管Q203造成損壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在線兩端，當(dāng)流過線圈中的電流消失時，線圈產(chǎn)生的 感應(yīng)電動勢通過二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉。叢而保護(hù)了三極管 Q203的安全。當(dāng)水泵發(fā)生故障時，單片機(jī)驅(qū)動相應(yīng)的繼電器使其常閉觸點(diǎn)斷開， 總故障輸出線路也同時斷開，向接觸器申請