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      基于STM32單片機(jī)的動(dòng)車集便控制器設(shè)計(jì)

      2018-12-24 02:24:38劉厚文胡易軒
      裝備制造技術(shù) 2018年10期
      關(guān)鍵詞:液晶屏電磁閥芯片

      劉厚文,胡易軒

      (1.山東中車華騰環(huán)??萍加邢薰荆綎| 濟(jì)南250022;2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司,吉林 長(zhǎng)春130062)

      鐵路真空集便系統(tǒng)是保證乘車旅客旅行如廁時(shí)不可缺少的重要設(shè)備,整個(gè)給水衛(wèi)生系統(tǒng)的核心為集便系統(tǒng)控制器,它不但采集凈水箱、污物箱液位、加熱等狀態(tài)信號(hào),同時(shí)檢測(cè)車上便器系統(tǒng)各個(gè)傳感器信號(hào),驅(qū)動(dòng)各電磁閥、指示燈等部件的工作,實(shí)現(xiàn)給水衛(wèi)生系統(tǒng)的控制??刂瞥绦虺藵M足最基本的功能需求,還具有故障自診斷、數(shù)據(jù)監(jiān)控程序,提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性[1]。

      本文硬件上是基于Stm32芯片為集便控制器的MCU控制核心[2],通過(guò)光耦、繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入、輸出的干擾隔離,利用液晶屏實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控;軟件上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本沖洗循環(huán)功能,針對(duì)故障的發(fā)生設(shè)置自診斷邏輯程序,系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)通過(guò)MCU與液晶屏的數(shù)據(jù)傳輸,以最直觀的方式展現(xiàn)給用戶。

      1 系統(tǒng)組成及原理

      該控制器的硬件電路主要分為:主控最小系統(tǒng)、輸入接口、輸出接口、通訊接口、TCMS接口和本地監(jiān)控液晶屏等部分。

      動(dòng)車組列車上供集便系統(tǒng)的電源為110 VDC,而集便系統(tǒng)的檢測(cè)部件和驅(qū)動(dòng)電磁閥等部件所需電壓為24 VDC,因此,在控制器的設(shè)計(jì)中,考慮驅(qū)動(dòng)電磁閥數(shù)量較多的因素,選用功率150 W,110 VDC轉(zhuǎn)24 VDC變壓模塊。而電源模塊輸出的電壓不能直接供給STM32控制芯片,所以在輸出的24 VDC后需要將其再進(jìn)行降壓、濾波的處理,最后獲得穩(wěn)定的3.3 VDC用于MCU的供電。選用的液晶屏及其驅(qū)動(dòng)的供電電壓為24 V,通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換的24 V電壓可直接供液晶屏驅(qū)動(dòng)。在輸入檢測(cè)電路中,為避免主回路中的強(qiáng)電干擾控制回路中的弱電信號(hào),在其電路中加入光耦隔離,實(shí)現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)化,減少外界對(duì)系統(tǒng)的干擾,提高單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的可靠采集。輸出的驅(qū)動(dòng)電路采用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)電磁閥的控制。硬件的接口框圖,如圖1所示

      圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

      2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

      2.1 MCU最小系統(tǒng)

      本控制器采用STM32F103ZET6芯片為MCU,由于該控制芯片內(nèi)的配置強(qiáng)大,包括64KB SRAM、512KB FLASH、多個(gè)串口和CAN資源,其112個(gè)通用IO口是本文選擇該芯片的關(guān)鍵,由于動(dòng)車集便系統(tǒng)的控制輸入和輸出點(diǎn)位較多,不但需要采集各個(gè)開關(guān)、傳感器等輸入信號(hào),還要控制各個(gè)電磁閥等驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)作,而STM32F103ZET6芯片充分滿足系統(tǒng)多輸入多輸出的需求。

      2.2 輸入電路

      系統(tǒng)為32路數(shù)字量DI輸入,采用TLP2804光耦芯片,通過(guò)光電隔離,消除外界輸入的干擾,一塊TLP2804光耦包括四路輸入和四路輸出,根據(jù)本系統(tǒng)需求,使用8塊該芯片,其中接入控制器的輸入信號(hào)包括凈水箱液位、污物箱液位、污物箱加熱狀態(tài)、沖洗按鈕、壓力開關(guān)、盆滿液位等。輸入傳感器均以0V為公共端,當(dāng)有液位或開關(guān)閉合,公共端的0V信號(hào)通過(guò)輸入電路的IO口經(jīng)過(guò)光耦隔離后,將信號(hào)傳送到MCU的DI端。輸入檢測(cè)電路。

      2.3 輸出電路

      系統(tǒng)為32路DO輸出,系統(tǒng)輸出采用NPN三極管驅(qū)動(dòng)HF46繼電器,為減少線圈斷電所產(chǎn)生的反向感應(yīng)電壓的影響,在繼電器線圈處加入BAV70二極管用作續(xù)流。MCU處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)DO口輸出,通過(guò)三極管的放大,驅(qū)動(dòng)繼電器觸點(diǎn)的開啟和關(guān)閉,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)排泄電磁閥、沖洗電磁閥、加壓電磁閥、上水電磁閥、指示燈等元器件的工作和停止,同時(shí)從32路繼電器中取出八個(gè)干觸點(diǎn),作為TCMS的開關(guān)量輸出信號(hào)。

      2.4 其它電路

      除上述控制MCU的選擇和輸入、輸出電路外,其它的變壓、濾波和通訊等電路均為常規(guī)的電路設(shè)計(jì)。串口選擇MAX3232芯片作為通訊,變壓芯片選用VRB2405YMD-10WR3和ASM1117.在液晶屏的選擇上,具有至少640×480的分辨率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,通過(guò)Modbus通訊協(xié)議完成MCU與液晶屏驅(qū)動(dòng)控制器的數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)液晶屏實(shí)時(shí)顯示的效果。

      3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主控MCU的程序設(shè)計(jì)和液晶屏顯示的程序設(shè)計(jì),且二者均通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)要明確系統(tǒng)的控制要求,本文的軟件設(shè)計(jì)針對(duì)的系統(tǒng)為推拉式集便系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

      圖2 程序流程圖

      3.1 主程序

      系統(tǒng)的程序主要完成集便系統(tǒng)的控制,當(dāng)系統(tǒng)外界條件滿足,即風(fēng)壓、水源充足時(shí),系統(tǒng)上電后,控制器便執(zhí)行內(nèi)部程序。系統(tǒng)程序包括初始化程序、主程序和子程序部分,子程序包括自檢程序、狀態(tài)檢測(cè)程序、便器控制程序、灰水排空程序、故障自檢程序、防凍排空程序、液晶屏顯示程序等。系統(tǒng)上電后,通過(guò)自檢程序判斷系統(tǒng)各個(gè)部件是否正常,通過(guò)狀態(tài)檢測(cè)程序,檢測(cè)水箱是否有水,污物箱是否已滿,系統(tǒng)風(fēng)壓是否充足等來(lái)判斷系統(tǒng)外界條件狀況。在系統(tǒng)正常的情況下,系統(tǒng)可按照程序流程執(zhí)行。

      3.2 故障自檢程序

      當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后,程序時(shí)刻檢測(cè)系統(tǒng)的各部件功能是否正常,在執(zhí)行完各動(dòng)作后,程序會(huì)對(duì)執(zhí)行動(dòng)作過(guò)程中的各個(gè)部件進(jìn)行檢測(cè),若檢測(cè)異常,則程序內(nèi)部認(rèn)為可能有故障出現(xiàn),之后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行故障自檢程序,自檢程序執(zhí)行后若故障未消除,則停止系統(tǒng)工作。

      3.3 故障顯示程序

      液晶屏通過(guò)與MCU的數(shù)據(jù)交換,通過(guò)液晶屏內(nèi)部程序?qū)?shù)據(jù)的分析和處理后,再執(zhí)行液晶屏顯示程序,時(shí)刻顯示系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)及故障信息和故障發(fā)生的時(shí)間,當(dāng)系統(tǒng)掉電后,曾經(jīng)顯示過(guò)的故障記錄不會(huì)丟失,通過(guò)數(shù)據(jù)下載接口可將歷史信息進(jìn)行下載。通過(guò)對(duì)保存數(shù)據(jù)的處理和分析,可以識(shí)別系統(tǒng)的高頻率故障,針對(duì)高頻故障可以對(duì)其結(jié)果或者控制程序進(jìn)行改進(jìn),逐步提高系統(tǒng)的可靠性。

      3.4 軟件仿真

      由于篇幅所限,下面只針對(duì)沖洗循環(huán)流程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,當(dāng)系統(tǒng)存在真空信號(hào)時(shí),按壓沖洗按鈕,首先沖水閥打開1 s后關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)高壓水對(duì)便器的沖洗,沖洗后排泄閥打開2 s后關(guān)閉,污物在真空作用下被排空,之后沖水閥再打開0.5 s后關(guān)閉,延時(shí)三秒鐘后,上水電磁閥打開,完成水罐上水,以備下一次沖洗循環(huán)使用。仿真結(jié)果如圖3所示。

      圖3 軟件仿真圖

      4 結(jié)束語(yǔ)

      本文針對(duì)動(dòng)車集便系統(tǒng)檢測(cè)傳感器和驅(qū)動(dòng)電磁閥等元器件數(shù)量大的特點(diǎn),選用STM32F103ZET6芯片作為系統(tǒng)控制器的MCU,闡述其功能的強(qiáng)大和資源的豐富。利用芯片的功能及外圍輸入、輸出電路,通過(guò)內(nèi)部程序的運(yùn)算和邏輯處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各信息的采集和功能部件的驅(qū)動(dòng),在滿足動(dòng)車組集便系統(tǒng)的基本功能需求的前提下,故障自檢程序更加提高了系統(tǒng)的可靠性;液晶屏顯示功能更提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

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