基于STM32的同步碎石封層車控制系統設計

陳中孝，張 文

(西安工業大學，西安 710021)

1 引言

瀝青碎石同步灑(撒)布技術是國內外近年來在道路養護施工方面推廣較快的一種施工方法。它是在同一秒時間內同時灑(撤)布瀝青和骨料，保證粘結料與骨料之間最大的裹附強度，并且需要計算機全程控制瀝青灑布量、灑布精度，碎石撤布量、撤布精度，全程控制瀝青、碎石同步灑(撤)布的聯動［1－2］。該施工方法具有施工成本低、路面耐磨性強、防滑性能好、防水性強、快速恢復交通等特點。同步碎石封層車是實施該技術的主要設備，是整個控制系統的載體。同步碎石封層車的控制系統龐大，各種單元模塊多，輸入、輸出信號較多，因此本系統采用資源豐富的STM32F1系列單片機作為控制芯片。

2 同步碎石封層車控制系統總體方案設計

同步碎石封層車控制系統是多輸入、多輸出的控制系統，要完成瀝青泵轉速實時控制、數據顯示、打印，溫度、速度信號采集和數據采集［5］。同步碎石封層車控制系統主要包括:瀝青溫度監控系統、瀝青灑布量控制系統、碎石撒布量控制系統。整個控制系統采用分布式控制方案，把瀝青灑布量控制系統作為單獨的控制模塊，主控制器和瀝青灑布量控制器都采用STM32F103VB作為主控芯片［4］。系統整體設計如圖1所示。

在瀝青灑布量控制器中，每個單元傳感器對應一個單元執行機構，但是它們之間的對應關系是可以通過編程設置的，這是為了防止在機器使用過程中出現突然的設備故障而造成更大的損失。總控制器通過CAN總線可以設置瀝青灑布量控制器中傳感器的靈敏系數，以及各執行機構反應的靈敏性［3］。

3 系統硬件設計

3.1 系統硬件總體設計

根據同步碎石封層車控制系統的原理，設計硬件電路，如圖2所示。系統硬件電路設計遵循分布式控制的設計方法，采用多處理器，主要包括電源模塊、主控制器模塊、瀝青灑布量控制模塊、瀝青溫度控制模塊、碎石撒布控制模塊、人機接口模塊及其他保護電路等。

圖1 控制系統整體設計框圖

本系統采用觸摸屏轉接板代替傳統的按鍵電路與LCD顯示電路作為人機交互模塊。觸摸屏控制器已經設計了 TFT－LCD驅動電路，故在STM32F103VBT6開發板上把相應引腳連接即可。

圖2 硬件原理框圖

3.2 電源模塊設計

在系統設計中，有多種電壓，電源電壓分為直流+3.3V，+5V，+12V，+24V 幾種。其中 +3.3V 為微控制器的I/O口供電;+12V，+5V為其他大部分芯片供電;+24V為車載電瓶電壓。電源電路主要經過穩壓芯片穩壓和電容濾波。其中+24V電源通過LM2596－12和LM2596－5穩壓芯片轉換成+12V和+5V穩壓電源，+3.3V電源則由穩壓芯片AMS1117－3.3將+5V電源轉換得到。系統電源結構框圖如圖3所示。

圖3 系統電源結構圖

3.3 測速模塊硬件設計

速度檢測包括牽引車行駛速度檢測、瀝青泵實時轉速檢測、以及布料輥轉速檢測。速度檢測是同步碎石封層車作業質量好壞的前提，它一方面確保能直觀顯示設備實時速度，供駕駛員隨時調整;另一方面為控制器提供準確的數據，用于瀝青泵轉速調節控制。

同步碎石封層車工作環境復雜、震動頻繁，噪聲干擾大，若這些干擾隨輸入信號一起進入單片機系統，會使控制準確性降低，產生誤動作，因而，用光耦作接口，對信號及噪聲進行隔離。用整形元件整形，以提高脈沖質量，圖4為測速模塊硬件電路。

3.4 測溫模塊硬件設計

常用的溫度測量傳感器有熱電偶、熱電阻。本系統采用熱電偶測溫，熱電偶的輸出信號必須經過調理電路處理，硬件電路包括多路切換電路和熱偶信號調理專用芯片AD595。AD595是AD公司針對冷端補償、調零、電壓放大和線性化而專門設計的芯片，內部具有放大、冷端補償、冰點基準、溫差電偶故障報警等電路。被測溫度與AD595輸出電壓的關系是10mV/℃，芯片在5V～30V范圍內都可正常工作。隨所測溫度量程增大，電源電壓應相應提高。圖5為測溫模塊硬件原理圖。

圖4 測速模塊硬件電路

圖5 測溫模塊硬件電路

3.5 PWM控制模塊硬件設計

瀝青灑布量的控制靠調節瀝青泵的轉速，瀝青泵轉速調節的主要控制對象是電液比例閥閥芯的位移，閥芯位移量決定了節流口開口量，從而實現對流體流量的調節，最終完成對瀝青泵轉速的調節。系統采用的電液比例閥型號為L90LS01，它是一種比例、負載、傳感、壓力補償多路閥，采用ECH電—液閥芯執行器，可使用輔助手柄直接控制。采用+24V供電時，最小工作電流(啟動)為260mA，最大工作電流(全開啟)為510mA。采用+24V供電，中位(啟動)電流為260mA，最大開啟電流510mA。因此，微控制器輸出的脈沖調制(PWM)信號，需要進行隔離、放大處理，使其能夠驅動電液比例閥工作。該部分硬件原理如圖6所示。

圖6 PWM輸出模塊硬件電路

4 系統軟件設計

4.1 主程序設計

主程序模塊主要完成系統初始化、程序是否處在校準程序部分的判斷及功能子模塊循環調用等功能，其控制流程如圖7所示。當用戶選擇自動方式時，瀝青灑布控制模塊進行初始化，讀取存儲參數和CAN總線數據。根據瀝青溫度決定是否打開加熱裝置，再由瀝青灑布工作模式(準備、噴灑或者停止)控制大小循環閥的開閉和瀝青泵轉速，并寫CAN總線數據，顯示當前工作數據。

系統初始化主要包括開機時對控制器復用端口的配置，及Flash中設備參數的讀取。Flash中儲存了瀝青灑布設備參數，這些參數包括常參數和變參數。常參數是在作業過程中不會改變的參數。例如，瀝青泵排量、雷達車速傳感器頻率與速度的換算值、導熱油加熱的最高溫度與最低溫度等數值;變參數是在設備作業過程中會改變的參數。例如，上次關機時設置的灑布寬度、單位面積灑布量，以及累計灑布距離，累計灑布量等參數。

程序是否處在校準部分的判斷。校準程序包括設備常參數設定及傳感器標定。設備常參數設定的目的是為了更換零件時參數的變更。而傳感器的標定是為了測得準確的數據。因此在主程序中需要判斷是否處在校準部分，如果處在校準部分，那么就只執行校準程序，不執行瀝青灑布作業程序。

功能子模塊循環調用。當程序不處于校準程序時，可以執行瀝青灑布功能模塊循環調用，完成瀝青灑布功能。這些模塊包括傳感器數據采集模塊、PID控制算法模塊、噴嘴控制模塊、導熱油控制模塊、噴桿高度控制模塊及推薦車速控制模塊。

4.2 軟件調試

為了驗證控制方法的功能和性能，需要對軟件程序在仿真模式下進行調試，還需要在試驗平臺上對硬件和軟件的功能進行測試，從而優化控制系統設計，達到控制目標和各項功能要求。

程序開發是在keil uvision4 for ARM集成開發環境下進行。該開發環境適用于大多數的微控制器嵌入式應用開發。該開發環境還支持在線調試功能，可以單步調試、設置斷點、觀察各寄存器和變量的實時變化值，這對于系統調試是非常方便的。本系統采用STM32F103VB微處理器，編程語言為C語言。設計程序過程中，采用J－LINK在線調試器。

圖7 控制流程圖

程序編輯完成并通過編譯之后，使用J－LINK下載器將電腦與處理器相連，在菜單欄點擊Debug即可將編譯好的程序下載到處理器中調試，在線調試界面如圖8所示。圖9所示為變量察看窗口，通過窗口可直接察看變量數據變化。程序調試完畢后，可通過片內編程器把Keil生成的OUT文件固化到STM32內部Flash存儲器中［6］。

圖8 系統在線調試界面

圖9 變量察看窗口

5 結 束 語

基于STM32的同步碎石封層車控制系統功能完善，滿足同步碎石封層工藝質量的控制要求，具有體積小、功耗低等特點。同時采用分布式控制原則，減小各模塊間的干擾，大大提高了系統可靠性。路面經過同步碎石封層處理后，具有良好的抗滑性能和防滲水性能，能有效治愈路面貧油、掉粒、輕微網裂、車轍、沉陷等病害，主要用于道路的預防性養護和修復性養護，無論是高速公路還是普通公路都可以使用此項養護技術［7］。

［1］張新榮，焦生杰.同步碎石封層技術及設備［J］.筑路機械與施工機械化，2004，21(11):1 －4.

［2］強召雷.同步碎石封層車控制系統研究［D］.西安:長安大學工程機械學院，2007.

［3］饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓，等.現場總線CAN原理與應用技術(2版)［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［4］李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.01

［5］DICKEY－john Corp.DjCCS100 ANHYDROUS AMMONIA CONTROL SYSTEM INSTALLATION AND OPERATING MANUAL:U.S，US7036441 B2［P］.2006 －5 －2［2012 － 12 － 8］.http://patft.uspto.gov/netacgi/nph －Parser.

［6］STMicroelectronics.STM32F103datasheet ［EB/OL］.Switzerland:STMicroelectronics，2007［2012 － 10 － 5］.http://www. st. com/stonline/products/literature/ds/13587.pdf.

［7］唐承鐵.同步碎石封層在高速公路建設和養護中的推廣應用研究［J］.湖南交通科技，2008(1):16－18.