基于STM32和RS485總線技術(shù)的智能繼電器的研究

【摘要】為了解決繼電器遠(yuǎn)程控制，同時(shí)監(jiān)測(cè)繼電器負(fù)載電能參數(shù)，保護(hù)電路安全，設(shè)計(jì)一種基于STM32 ARM微處理器為控制核心，RS485總線作為通訊接口的繼電器控制系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，此設(shè)計(jì)改進(jìn)了繼電器現(xiàn)場(chǎng)控制方式，能夠檢測(cè)電能參數(shù)，廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】STM32;智能繼電器;RS485

電氣用電設(shè)備對(duì)負(fù)載的控制，繼電器是最為常見的執(zhí)行部件之一，使用頻率高。使用方法一直采用被動(dòng)驅(qū)動(dòng)[1]，如果在繼電器控制中引入技術(shù)，能更方便用戶配置系統(tǒng)，就可以很好地把握設(shè)備的工作情況。智能繼電器不同于普通繼電器，它是“可編程序”的、是“通用”的、是“智能”的，即可通過網(wǎng)絡(luò)或總線與上位機(jī)協(xié)調(diào)工作，也可本地脫機(jī)獨(dú)立工作。

本設(shè)計(jì)在繼電器控制中引入總線技術(shù)，使得繼電器具有總線通信功能，同時(shí)采用電能檢測(cè)芯片，使系統(tǒng)具有電能參數(shù)檢測(cè)功能，保證系統(tǒng)電路的安全。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制電路、電能檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路和總線接口電路。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器控制的智能化，由控制電路、電能檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、總線接口電路和電源電路組成，如圖1所示?？刂齐娐肥侵悄芾^電器的核心電路，負(fù)責(zé)繼電器負(fù)載、電能檢測(cè)和總線接口的流程和協(xié)調(diào)控制。電能檢測(cè)電路能夠檢測(cè)繼電器負(fù)載電能參數(shù)，并把參數(shù)反饋給控制電路，作為繼電器控制過程的依據(jù);繼電器驅(qū)動(dòng)電路接受指令直接驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，控制負(fù)載的連接與斷開;總線接口電路能夠通過總線與控制電路連接，傳遞繼電器遠(yuǎn)程控制信息和電能參數(shù)信息;電源電路給系統(tǒng)提供工作電源。

圖1 智能繼電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)控制電路原理圖

1.1 系統(tǒng)控制電路

控制電路原理圖如圖2所示，由微處理器、啟動(dòng)電路、復(fù)位電路、按鍵電路、液晶顯示電路等組成?？刂齐娐返暮诵氖切酒琒TM32F103VET6，是32位基于ARMCortexTM-M3核心的微控制器，工作頻率高達(dá)72MHz，指令執(zhí)行速率1.25DMips/MHz，存儲(chǔ)容量512k，低功耗，支持9個(gè)通訊接口，JTAG接口下載調(diào)試程序[2]。啟動(dòng)電路通過BOOT0和BOOT1引腳的高低電平，設(shè)置程序啟動(dòng)位置，可以從用戶閃存啟動(dòng)，也可以從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)。復(fù)位電路完成系統(tǒng)上電或工作過程STM32F103VET6的復(fù)位，使系統(tǒng)從新執(zhí)行程序。液晶顯示電路顯示系統(tǒng)信息、電能參數(shù);按鍵電路設(shè)置控制參數(shù)。

1.2 電源電路

提供系統(tǒng)需要的工作電源，220V交流市電接入，經(jīng)過變壓器降壓后，由整流橋模塊整理，后由穩(wěn)壓電源芯片穩(wěn)壓，輸出5V，再經(jīng)三端穩(wěn)壓芯片輸出3.3V，給控制電路供電。

圖3 系統(tǒng)電路原理圖

1.3 電能檢測(cè)電路

被檢測(cè)電壓、電流信號(hào)分別通過電壓、電流互感器，轉(zhuǎn)換成電能芯片可檢測(cè)信號(hào)，芯片輸入端有正反向二極管進(jìn)行輸入限幅保護(hù)。繼電器控制總回路通斷。這里我們采用的是單相電能計(jì)量芯片ADE7753[3]，如下圖4所示，是其典型接法，測(cè)量精度高，電能計(jì)量誤差小于0.1%，SPI通訊方式，5V單電源，低功耗（25mW），芯片內(nèi)部有很多寄存器，只需通過對(duì)其寄存器讀寫即可。

圖4 系統(tǒng)電路原理圖

1.4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

ULN2003是一個(gè)單片高電壓、高電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對(duì)NPN達(dá)林頓管組成的。單個(gè)達(dá)林頓對(duì)的集電極電流可達(dá)500mA。如圖5所示，ULN2003驅(qū)動(dòng)繼電器，芯片輸入輸出邏輯為同向邏輯。

圖5 系統(tǒng)電路原理圖

1.5 總線接口電路

一般的處理器都有串行總線作為通訊接口，RS485作為系統(tǒng)的通訊接口電路，具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，容易與串行端口連接等特點(diǎn)。RS485接口電路如圖6所示，采用TI公司芯片為SN65LBC184，半雙工通信，DIR控制通信方向，DIR為高時(shí)，控制器對(duì)應(yīng)接收，RX、TX與STM32處理器串行端口的收、發(fā)引腳相連。

圖6 系統(tǒng)總線接口電路原理圖

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能繼電器軟件主要包括系統(tǒng)初始化、電能測(cè)量和RS485通訊功能模塊，程序流程圖如圖7所示，軟件多任務(wù)采用中斷處理，保證任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性，LCD顯示和電能檢測(cè)由T3定時(shí)器中斷處理，按鍵由T4定時(shí)器中斷處理，RS485接收在串行中斷完成，通訊處理在主函數(shù)中完成。STM32提供了標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)，是一個(gè)固件函數(shù)包。該函數(shù)庫(kù)還包括每一個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)描述和應(yīng)用實(shí)例，為開發(fā)者訪問底層硬件提供了一個(gè)中間API，API對(duì)該驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)、函數(shù)和參數(shù)名稱都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。使用固件函數(shù)庫(kù)可以大大減少用戶的程序編寫時(shí)間，進(jìn)而降低開發(fā)成本。

圖7 智能繼電器程序流程圖

2.1 系統(tǒng)初始化

各個(gè)模塊初始化主要是完成模塊初始化，主要是引腳狀態(tài)設(shè)置，SPI總線引腳配置，設(shè)置IO引腳為SPI功能，電能檢測(cè)芯片ADE7753寄存器初始化;按鍵引腳配置;RS485引腳配置，串行端口參數(shù)配置，設(shè)置通訊波特率19200bit/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，無硬件流控制，工作模式收發(fā);時(shí)鐘配置，完成時(shí)間信息用定時(shí)器設(shè)置;LCD1602初始化，啟動(dòng)顯示初始界面。

2.2 RS485通訊

協(xié)議采用MODBUS標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，完成主機(jī)和從機(jī)之間的通訊，智能繼電器作為從機(jī)處理。通訊傳送分為獨(dú)立的信息頭，和發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)[4]，地址碼為通訊傳送的第一個(gè)字節(jié)。每個(gè)從機(jī)都有具有唯一的地址碼，響應(yīng)回送以各自的地址碼開始。功能碼是通訊傳送的第二個(gè)字節(jié)。智能繼電器只利用其中的一部分功能碼。作為主機(jī)請(qǐng)求發(fā)送，通過功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作。作為從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)發(fā)送的功能碼與從主機(jī)發(fā)送來的功能碼一樣，并表明從機(jī)已響應(yīng)主機(jī)進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)區(qū)是根據(jù)不同的功能碼而不同，數(shù)據(jù)區(qū)可包括發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。

主機(jī)和智能控制器之間有握手信號(hào)聯(lián)系，握手信號(hào)包括起始碼、當(dāng)前從機(jī)地址和字節(jié)數(shù)。繼電器當(dāng)前狀態(tài)、繼電器控制信息和電能參數(shù)等作為數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送。通訊過程由中斷程序和主程序分工完成，中斷程序負(fù)責(zé)接收收據(jù)，主程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)處理和發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.結(jié)論

利用STM32處理器和RS485總線技術(shù)設(shè)計(jì)的智能繼電器，具有技術(shù)成熟，應(yīng)用穩(wěn)定，性價(jià)比高等特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用在智能家居、工業(yè)遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]王國(guó)濤，王思易.基于ADAMS的航天繼電器多余物檢測(cè)試驗(yàn)條件研究[J].低壓電器，2013，03.

[2] STM32F103 Datasheet[Z].www.st.com.

[3] ADE7753 Datasheet[Z].http：//www.analog.com.

[4]毛德平，凌有鑄.一種基于RS485總線的溫度、濕度測(cè)控系統(tǒng)[D].安徽：安徽工程科技學(xué)院，2007.02.

作者簡(jiǎn)介：劉彤（1972-），男，廣西工學(xué)院工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：控制理論與控制工程。