采用STM32F103ZET6的移動應急照明電源人機交互系統設計

李路遙，王志新，鄒建龍

(1.上海交通大學電氣工程系，上海 200240；2.嘉興清源電氣科技有限公司，浙江嘉興 314031)

電力部門進行戶外檢修作業時，需要便攜的照明電源和穩定的電力供應，移動應急照明電源能夠實現以上功能。論文結合實際應用，針對該移動應急照明電源設計了一套人機交互系統。該系統采用基于ARMCortex-M3系列芯片STM32F103ZET6的紅牛開發板作為控制器，觸摸屏作為顯示器和輸入設備，與具有信號采集功能的電信號調理電路和固態繼電器驅動電路一起，實現了移動電源工況的實時監控和觸摸開關功能，能夠及時準確地向操作者提供該移動電源的工作狀態、運行數據，并有效傳輸和處理操作者輸入的指令。經實際應用測試，表明該系統能夠及時準確地跟蹤和顯示移動電源的工況，對操作者輸入的指令也能及時、準確地做出反應。

1 概述

人機交互系統(human-machine-interface system,HMI)旨在通過計算機的輸入、輸出設備，以有效的方式實現人類與計算機的對話。圍繞鋰電池的工況監視和運行控制功能而設計的人機交互系統，一般以單片機作為主控部分，將設備運行信息和操作者控制信息經過相應的調理電路轉換后送入單片機，單片機通過數據運算和邏輯分析發出信號，用于顯示工況信息或傳輸控制指令[1-3]。

圖1為應用于移動應急照明電源的人機交互系統結構框圖，由觸摸屏模塊、控制器、電信號調理電路、固態繼電器電路以及移動電源模塊組成。

其中，控制器采用基于ARMCortex-M3系列芯片STM32F103ZET6的紅牛開發板，接收觸摸屏輸入的控制指令和移動電源模塊通過調理電路后輸入的工況信息，分別輸出控制指令和顯示信息傳遞給固態繼電器和觸摸屏模塊。

圖1 人機交互系統結構框圖

電信號調理電路的功能在于將移動電源的電流、電壓信息變換為合適范圍的電平信號送入控制器的AD端口；固態繼電器電路的功能在于將控制器GPIO口發出的電平信號變換為合適功率以驅動固態繼電器的開斷，從而控制移動電源的充、放電過程。

實際應用中，控制器的AD端口接收調理電路處理后的移動電源的充、放電電流和端電壓，將模擬量轉化為數字量并在觸摸屏上顯示；用戶通過點擊觸摸屏上相應開關發出控制充、放電過程的開關指令，觸摸屏上有點擊動作后控制器相應的GPIO口電平翻轉，通過固態繼電器電路實現對充、放電回路的開斷控制[4-5]。

2 移動應急照明電源的構成與功能

移動應急照明電源由鋰電池組、充電部分、供電部分和LED燈具構成。

移動應急照明電源的主體為鋰電池組，在充電過程中存儲電能，在供電過程中釋放電能，其規格為24 V/40 Ah，7串2并。

充電部分有太陽能充電和市電充電兩個接口，有穩定供電條件的情況下可以通過220 V交流市電進行充電，野外作業中電池電量不夠時可通過太陽電池組件進行太陽能充電，充分體現移動電源的靈活性。

供電部分由直流變換部分和逆變器組成。直流變換部分通過兩個小功率模塊電源，將鋰電池組兩端數值為24 V的直流電分別變換為12和5 V電壓等級。12 V直流輸出為箱體封裝的散熱風扇供電，5 V直流輸出通過USB接口在用戶需要的情況下對外供電。逆變器將鋰電池組兩端的直流電壓逆變為220V，50Hz的交流電壓，可以為使用市電的電器供電。

兩只規格為24 V/24W的LED燈頭直接連接至鋰電池組的正負極。

在工作過程中，鋰電池電量充足時，可為LED燈具供電，LED燈具實現照明功能；直流的USB供電接口和交流的220 V接口也可對外供電。鋰電池組電量不足時，可通過太陽能充電部分進行充電，若能與電網連接，也可直接通過市電充電部分進行充電。

3 電信號調理電路

人機交互系統通過觸摸屏顯示移動電源的充、放電電流和鋰電池的端電壓，電信號調理電路可將以上信息變換為合適的電平送入控制器AD端口進行進一步的處理。

由集成運放及外圍電阻構成的放大電路如圖2所示[6]。0.5Ω阻值電阻為采樣電阻，其他為普通碳膜電阻，充、放電電流流經采樣電阻得到采樣電壓，經過放大電路送入控制器AD端口。

圖2 電流采樣及放大電路

4 固態繼電器電路

固態繼電器（SSR）是由固態元件組成的無觸點開關，驅動功率小、可靠性好、抗干擾性強、開關速度快，且能與TTL、CMOS電路兼容[7-10]，故本系統選其做開關。固態繼電器電路如圖3所示。

圖3 固態繼電器電路

其中，三極管放大電路用于放大控制器GPIO口輸出的電流，以驅動固態繼電器。

GPIO口輸出高電平時，固態繼電器導通，效果相當于開關在“ON”狀態；GPIO口輸出低電平時，固態繼電器導通，效果相當于開關在“OFF”狀態。

5 觸摸屏模塊

觸摸屏模塊的作用在于以觸摸屏代替機械開關，實現對各部分電路開斷的控制。為了區分操作者點擊同級菜單不同位置而傳達的不同控制意圖，觸摸屏模塊需要給出有助于控制器對觸點進行定位的有效信息。

采用四線電阻觸摸屏，由兩個透明電阻膜構成，在它的水平和垂直電阻網上施加電壓，就可通過A/D轉換面板在觸摸點測量出電壓，從而對應出坐標值。

觸摸屏轉換接口芯片采用ADS7843，它是TI公司生產的4線電阻觸摸屏轉換接口芯片，是一款具有同步串行接口的12位取樣數模轉換器。ADS7843與控制器STM32F103ZET6之間采用SPI通信，ADS7843將經過A/D轉換后的電壓信號送入控制器，控制器經過運算得到觸點位置。

6 程序設計

觸摸屏模塊及外圍電路與控制器相互之間的信號傳遞如圖4所示。

圖4 人機交互系統信號傳遞框圖

控制器從觸摸屏模塊接收ADS7843轉換后輸出的觸摸點處測得的電壓值，通過數值換算得到觸摸點在觸摸屏上的坐標[5]；并向觸摸屏模塊輸出液晶顯示指令，液晶顯示功能由液晶顯示屏驅動器SSD1963和TFT(薄膜場效應晶體管)共同實現。

電信號調理電路將采集并處理過的鋰電池端電壓及充、放電電流送入控制器AD端口，控制器進行AD轉換后輸出顯示指令，將移動電源工況顯示在觸摸屏上。

控制器接收觸摸屏模塊輸出的觸摸點電壓值，換算成坐標后通過GPIO口向各固態繼電器電路輸出相應的開關控制信號，控制各電路的開斷情況。

程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程

初始化程序中，主要完成對控制器與各芯片接口的定義，對控制芯片的外設如AD轉換器、GPIO端口及SPI通信接口的初始化。

開始菜單中顯示有整個裝置的主開關，控制器在循環等待的過程中若檢測到此開關被點擊，則GPIO口發出信號驅動SSR將LED燈具與鋰電池組的正負極接通，此時LED燈具可通過與之相連的機械開關控制亮滅；同時觸摸屏顯示主菜單。

主菜單顯示電信號調理電路送入AD端口經過AD轉換和運算后的鋰電池組電壓及充、放電電流；主菜單中顯示三個開關，分別為充電開關、供電開關、電源開關——充電開關控制太陽能及市電充電回路與鋰電池組的電氣連接，供電開關控制鋰電池組與5 V直流變換器的電氣連接，電源開關控制LED燈具與鋰電池組的電氣連接。

在第二個循環等待的過程中，如果有按鍵按下，通過觸點區域判斷開關，調用不同的子程序實現不同功能。若是“電源開關”被按下，則程序回到開始菜單，設備進入待機狀態。

7 實驗結果

開發板上電后，點擊觸摸屏開始菜單上“電源開關”字樣，設備打開，觸摸屏上顯示主菜單，移動電源回路連通，主菜單上顯示移動電源的端電壓、放電及充電電流，此時可將LED燈打開實現照明功能；此時如點擊主菜單上“放電開關”字樣，若點擊次數為單數，則移動電源放電功能開啟，若點擊次數為偶數，則移動電源停止放電；如點擊主菜單上“充電開關”字樣，若點擊次數為單數，則移動電源開始充電，若點擊次數為偶數，則移動電源停止充電；如點擊主菜單上“電源開關”字樣，則斷開移動電源回路，設備關閉。實驗操作流程圖如圖6所示。

圖6 實驗操作流程圖

8 結論

本文為了解決移動應急照明電源的工況跟蹤問題，提高能量利用率，采用STM32F103ZET6芯片作為控制器，結合相應的外設和外圍電路，設計了一個具有液晶顯示和觸摸控制功能的人機交互系統。實驗表明，該系統反應靈敏，示數精確，對移動應急照明電源的運行能發揮良好的輔助作用。

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