基于STM32的多功能流量計控制儀表的設(shè)計

陳義慶

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

?

基于STM32的多功能流量計控制儀表的設(shè)計

陳義慶

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

多功能流量控制儀是一種智能化二次儀表。該儀表采用DM12864M中文字庫液晶屏，ARM內(nèi)核的STM32f103做為主控芯片，AD694做為4～20 mA電流輸出芯片，特殊的瞬時流量算法，克服了傳統(tǒng)中數(shù)碼管顯示不直觀、普通單片機(jī)機(jī)器周期太長，控制儀反應(yīng)不快捷、電流輸出不準(zhǔn)確、瞬時流量不穩(wěn)定的特點。該控制儀與脈沖式電信號的流量計配套，在配合電液閥實現(xiàn)液體介質(zhì)的精確自動化定值體積或質(zhì)量的灌裝目的。實際使用過程中，在智能化、顯示直觀性、操作便利性、灌裝精度等方面取得了良好的效果。

流量計控制儀；二次儀表；STM32f103；電液閥；流量計

0 引言

在工業(yè)或?qū)嶒炇覒?yīng)用中，對流量計的控制儀表提出了越來越多的要求，準(zhǔn)確度高、攜帶方便、集成度、高接口齊全、使用方便等都成了選購的主要考慮因素。該控制儀配置足夠的系統(tǒng)內(nèi)部通道和數(shù)據(jù)存儲區(qū)(帶掉電保護(hù))，方便結(jié)構(gòu)和功能擴(kuò)展，可靈活組成不同型號不同用途(例如屏裝、隔爆、大屏幕、繼電控制、電流環(huán)4～20 mA等)的二次計量/控制儀表。該儀表結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功能齊全、型式多樣，特別適用與流量計和電液閥配套，對流量進(jìn)行質(zhì)量或體積的自動化計量；并且可以通過面板置入?yún)?shù)，自動控制各種類型閥門的開啟與閉合，實現(xiàn)自動控制發(fā)料作業(yè)。具有可視化中文界面顯示，平穩(wěn)的瞬時流量顯示功能。該控制儀具有單次流量、累計流量、瞬時流量、溫度、壓力、時間、定值流量、提前流量等顯示功能。其最大的特點是，能對泵、閥進(jìn)行流量的定值，批次控制，并且有脈沖輸入、模擬信號輸入、4～20 mA電流輸出，MAX485通訊等功能。

1 電液閥工作原理及控制系統(tǒng)組成

電液閥由1個提前量電磁閥、1個定值量電磁閥和1個主閥組成，主閥響應(yīng)速度的控制是2個柱塞閥，安裝于主閥的入口和出口。通過2個柱塞閥細(xì)微調(diào)節(jié)主閥的啟閉速度。調(diào)整柱塞閥以控制流入和流出活塞上方介質(zhì)的液體流量。達(dá)到主閥啟閉速度能基于介質(zhì)的黏度及壓力調(diào)整的目的。

提前量電磁閥和定值量電磁閥分別安裝在主閥的進(jìn)油回路和出油回路中，便于控制主閥的啟閉動作，當(dāng)兩電磁閥通電時，進(jìn)油孔(上游閥)回路關(guān)閉，先導(dǎo)孔(下游閥)回路打開，活塞上腔泄壓，主閥活塞上行，主閥打開。反之，主閥活塞下行，主閥關(guān)閉。在主閥開啟和關(guān)閉過程中，可將流量(流速)信號傳送給流量計控制儀表，經(jīng)過控制儀處理后發(fā)出相應(yīng)的指令，控制2個電磁閥的通、斷電狀態(tài)，使主閥活塞的上下腔的液壓差產(chǎn)生變化，從而將主閥活塞控制在所需的開啟度上，實現(xiàn)對管道液體介質(zhì)流量的精確控制。

控制系統(tǒng)主要由若干球閥、過濾器、溫度傳感器、流量計、電液閥、流量定值控制儀系統(tǒng)及其用作控制電液閥的中間繼電器等組成，其組成及工作示意圖見圖1。

圖1 流量控制儀的控制系統(tǒng)組成示意圖

2 流量控制儀的硬件設(shè)計

流量定值控制儀以STM32f103RB作為核心部件，STM32f103系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該芯片內(nèi)核是Cortex-M3[1]?？刂苾x在設(shè)置參數(shù)時，需要將12864屏反白一部分內(nèi)容，以區(qū)別不需要修改的參數(shù)，如設(shè)置儀表系數(shù)時，將儀表系數(shù)反白，以區(qū)別其他參數(shù)。普通的C51系列單片機(jī)工作效率不高，周期長，當(dāng)C程序反復(fù)地調(diào)用12864屏反白掃描子程序時，時間過長，使人產(chǎn)生一種停頓感覺。而STM32最高工作頻率為72 MHz，在存儲器的0等待周期訪問時可達(dá)1.25 DMisp/MHz,完全可以克服12864屏反白掃描時人感覺到停頓。利用芯片內(nèi)部的DMA來存儲多個瞬時流量，并計算平均值，減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

流量控制儀的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件電路中主要包括STM3芯片的最小系統(tǒng)，12864中文字庫的液晶屏、4×4的薄膜按壓開關(guān)、開關(guān)電源模塊電路、LM358M運(yùn)算放大器、24C16數(shù)據(jù)掉電存儲芯片電路、三路驅(qū)動中間繼電器電路、MAX485、232通訊芯片電路、用于檢測管道中液體溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)腄S18B20溫度傳感器電路，5651DAC數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量芯片電路、AD694芯片電路(其功能是實現(xiàn)4～20 mA輸出)。將上述各子電路連接到STM32芯片對應(yīng)的管腳上，硬件原理圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

其工作原理是，控制儀接收到流量計的脈沖信號后，將其送入LM385整形電路進(jìn)行整形，再送入單片機(jī)中PA8管腳的中斷端口對脈沖信號進(jìn)行采樣，計數(shù)脈沖數(shù)，計算的公式如下：

m=VF20=Vλ[1-f(t-20)]F20

式中：m為質(zhì)量，kg；V為流量變送器發(fā)出的脈沖數(shù)；λ為脈沖當(dāng)量，min；F20為 20 ℃時物料密度，kg/m3；t為物料溫度，t=20 ℃(無需外溫度傳感器);f為物料體積補(bǔ)償系數(shù)，f=(1～999)× 10-6。

當(dāng)密度值設(shè)定為1時，公式即為m=Vλ，此時m為體積數(shù)。計算后，所得出最終結(jié)果送入12864帶中文字庫的液晶顯示器，顯示實時數(shù)據(jù)。

控制儀初始上電時，主控芯片從EEPROM中取出流量計傳感器標(biāo)定系、定值量、提前量、密度、物料的體積補(bǔ)償系數(shù)據(jù)，由單片機(jī)轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)，實時參與運(yùn)算。單片機(jī)內(nèi)部看門狗電路隨時監(jiān)測供電電壓和單片機(jī)的程序。主控在運(yùn)行時出現(xiàn)電壓大幅波動或程序跑飛時，將及時復(fù)位單片機(jī)，重新進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

在各部分電路的硬件設(shè)計中，脈沖輸入的整形電路作為信號的前級，其穩(wěn)定和可靠對保證整個儀表的準(zhǔn)確度非常重要。整形電路采用LM358放大器通過對脈沖的電壓調(diào)整和邊緣修正，使原來幅值為24 V的脈沖信號調(diào)整為3．3 V，以適應(yīng)后級CMOS電路的需要，經(jīng)邊緣修正后的脈沖信號邊緣更整齊，為后級的采樣和周期計算打下了良好的信號基礎(chǔ)。

液晶屏的顯示、按鍵、3路中間繼電器驅(qū)動電路上，以單片機(jī)以串行傳輸數(shù)據(jù)方式進(jìn)行掃描顯示，顯示器主要是128×64 點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示中文漢字及圖形?？膳cSTM32 直接相接，該屏提供兩種界面來連接微處理機(jī)：8位并行及串行兩種連接方式。該控制儀采用串行通訊方式，其管腳鏈接到PB4～PB7。按鍵電路采用4×4矩陣式電路，共有16個按鍵，鏈接在PB8～PB15口。3路中間繼電器驅(qū)動電路采用的是三極管BD237驅(qū)動中間繼電器，一路控制油泵電機(jī)，另外兩路分別控制電液閥的定值閥和提前閥，以達(dá)到精確的定值控制。

看門狗電路上采用了單片機(jī)內(nèi)部看門狗，其擁有電壓實時監(jiān)控和看門狗功能。電壓監(jiān)控在電壓波動大電壓過高或過低時都會產(chǎn)生一個復(fù)位信號[2]。其原理是在單片機(jī)程序上設(shè)定每隔一定時間間隔復(fù)位看門狗一次，若程序跑飛或陷入死循環(huán)，芯片得不到及時復(fù)位芯片將產(chǎn)生一個復(fù)位信號，使單片機(jī)復(fù)位到正常工作狀態(tài)。

控制儀有RS485通信方式和RS232通信方式，具有4～20 mA電流輸出，以便于上位機(jī)控制。通訊方式是通過MAX485芯片和MAX232芯片分別于STM32f103rb的2個通訊口相連實現(xiàn)通訊功能，在采用modbus開放式通訊協(xié)議，實時的與上位機(jī)通訊。單片機(jī)控制芯片5651進(jìn)行數(shù)值量與模擬量的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬量電壓的輸出，在通過5651芯片的電壓輸出口于AD694的3腳鏈接現(xiàn)實4～20 mA輸出，其模擬量電壓和電流輸出與瞬時流量實現(xiàn)精確的線性對應(yīng)?？刂苾x的溫度采集是使用DS18B20，它是一線式數(shù)字式溫度計芯片，它具有結(jié)構(gòu)簡單，不需外接元件，采用1根I/O數(shù)據(jù)線即可供電又可傳輸數(shù)據(jù)、并可由用戶設(shè)置溫度報警界限等特點，可廣泛用于管道介質(zhì)的溫度補(bǔ)償。外接壓力傳感器通過LM358運(yùn)算放大器的電壓跟隨器特性，實行外接電路與主芯片的隔離作用。

3 軟件部分設(shè)計

該設(shè)計的核心部件為具有ARM內(nèi)核的STM32f103單片機(jī)，其除了控制整個系統(tǒng)的運(yùn)算外，還參與了采樣控制、顯示控制、通訊、模擬量、電機(jī)，電磁閥等的控制過程，而軟件的控制直接關(guān)系到整個控制儀表的各項性能。設(shè)計的軟件運(yùn)行流程圖如圖3所示。

脈沖信號的采集采用中斷方式，當(dāng)單片機(jī)脈沖輸入引腳檢測到有下降沿發(fā)生時，隨即啟動中斷子程序，累

圖3 軟件運(yùn)行流程圖

計脈沖數(shù)，同時定時器計算以s為單位的時間，在單位時間內(nèi)，

計算出脈沖數(shù)。在主程序里，單位時間的脈沖數(shù)乘以脈沖系數(shù)再乘以相應(yīng)的補(bǔ)償，就是瞬時流量。中斷程序在整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計中較關(guān)鍵，在設(shè)計中應(yīng)注意一個問題：在計算瞬時流量時，一定要取多個瞬時流量的值進(jìn)行累加，再求平均值，這才能真實的反應(yīng)管道介質(zhì)中的實際瞬時流量。取值的方法是丟掉前面一個瞬時值，加上后面一個瞬時值，再求平均。這樣即保證了瞬時流量的連續(xù)性。

4 結(jié)束語

該控制儀在電路設(shè)計和軟件設(shè)計上多方面采用了抗干擾技術(shù)，并采用主控芯片內(nèi)部的看門狗實時監(jiān)控，從而使整機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)。STM32f103的采用及合理配置，使其功能齊全，操作使用方便，形成一個內(nèi)涵豐富的智能化流量儀表，可廣泛用于油庫、加油站、化工等部門的液體灌裝。

[1] 喻金錢，喻斌．STM32F系列ARMCortex_M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社,2011．

[2] 馬忠梅,籍順心,張凱,等．單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001．

Design of Multifunctional Flow Control Instrument Based on STM32

CHEN Yi-qing

(College of Eletrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

The multifunctional flow control instrument is a kind of intelligent secondary instrument．The instrument adopted the DM12864M LCD screen of Chinese fonts,using the STM32f103ARM kernel as its main control chip,and the AD694 as 4 ～ 20 mA output current chips．Special instantaneous flow algorithm was used in order to overcome the problems that the display of traditional digital tube was not intuitive,the machine cycle of ordinary MCU was too long,the control instrument responded insensitive,current output was not accurate,and the instantaneous flow was unstable．The control instrument combined with flow meter of pulse electricity output signals and electro-hydraulic valve to realize volume or weight automatically loading of the liquid medium．In the process of actual use,the controller has obtained a good effect on intelligentialize,visual display,operation convenience,accuracy and so on．

multifunctional flow control instrument;secondary instrument;STM32f103．electro-hydraulic valve;flow meter

2014-03-06 收修改稿日期：2014-10-12

TH71

A

1002-1841(2015)03-0028-02

陳義慶(1985—)，研究生，研究方向為自動化系統(tǒng)及控制工程。E-mail：chenyiqing-0208@163．com