基于STM32F407VE的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋少敏　曹嘉毅

（中國人民武裝警察部隊(duì)水電第八支隊(duì)　四川　成都　610036）

基于STM32F407VE的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋少敏曹嘉毅

（中國人民武裝警察部隊(duì)水電第八支隊(duì)四川成都610036）

針對傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)功能單一、布線復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)了以STM32F407VE微處理為控制核心的高性能控制系統(tǒng)。STM32F407VE通過RS485總線與變頻器通訊，對橋式起重機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行控制；通過鍵盤和觸摸屏接收用戶命令并顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況。該控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，能實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶命令并顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，布線簡單，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

橋式起重機(jī)；控制系統(tǒng)；STM32F407VE；RS232；RS485

引言

橋式起重機(jī)廣泛應(yīng)用于工廠、碼頭、室內(nèi)外倉庫和露天貯料場等處，是使用數(shù)量最多的一種起重機(jī)械，越來越多的應(yīng)用場合對橋式起重機(jī)控制的實(shí)時(shí)性和自動化程序提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)多采用按鍵直接控制的方式，這種控制方法功能單一，沒有用戶界面因此不能顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，接線繁雜，給維護(hù)帶來了很大的不便。設(shè)計(jì)更高效、功能更強(qiáng)大、安全性能更好和維護(hù)成本更低的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)來提高橋式起重機(jī)的運(yùn)行效率、增強(qiáng)可靠性和節(jié)省成本具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。STM32F407VE是基于ARM公司CortexTM-M4架構(gòu)的32位精簡指令處理器，具有高性能、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)，以該芯片構(gòu)建的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、功能強(qiáng)大的人機(jī)界面，使橋式起重機(jī)的控制智能化[2]。

1　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心為STM32F407VE芯片，負(fù)責(zé)接收用戶從鍵盤或觸摸屏中輸入的控制命令，并檢測傳感器采集到的信號，根據(jù)用戶的命令和傳感器檢測到的系統(tǒng)狀況，實(shí)時(shí)地控制起重機(jī)各部分運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動作以完成相應(yīng)的功能。起重機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　起重機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

STM32F407VE芯片的UART（通用異步收發(fā)傳輸器）接口發(fā)出的信號通過MAX232芯片轉(zhuǎn)換成符合RS232通信方式的信號，再通過RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器，將RS232信號轉(zhuǎn)換成符合RS485總線通信的信號。變頻器1～3接入RS485總線，通過RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器與STM32F407VE芯片通信[3]。

傳感器1～N通過A/D轉(zhuǎn)換接口將檢測到的模擬信號發(fā)送到STM32F407VE中，STM32F407VE的A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后供應(yīng)用程序使用。

鍵盤通過USB接口與STM32F407VE連接，接收用戶的控制命令；觸摸屏通過SPI接口與STM32F407VE連接，顯示控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并接收用戶的控制命令。

2.1STM32F407VE

STM32F407VE是基于ARM公司CortexTM-M4架構(gòu)的32位精簡指令處理器，內(nèi)核運(yùn)行頻率高達(dá)168MHz，具有一個(gè)單精度浮點(diǎn)單元（FPU），支持ARM所有單精度數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)處理指令[4]。該處理器有高性能、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)，具有以下特點(diǎn)：

（1）自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器（ART），實(shí)現(xiàn)從Flash存儲器中零等待運(yùn)行；具有210DMIPS/1.25DMIPS/MHz的高性能；

（2）Flash：512KB，SRAM：192KB；

（3）LCD并行接口，支持8080/6800兩種模式；

（4）豐富的外設(shè)資源：12個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、82個(gè)具有中斷功能的GPIO、2路12位D/A轉(zhuǎn)換器、3路SPI，2路I2C，4路USART、2路UART、2個(gè)CAN2.0B接口、2個(gè)USBOTG接口、1個(gè)Ethernet MAC 10/100接口、1個(gè)SDIO接口。

2.2通訊接口電路設(shè)計(jì)

RS-232采用負(fù)邏輯電平，電壓在3～15V范圍內(nèi)為邏輯0，在-3～-15V范圍內(nèi)為邏輯1。而STM32F407VE的4個(gè)USART（通用同步/異步串行接收/發(fā)送器）和2個(gè)UART（通用異步串行接收/發(fā)送器）均為TTL電平。為了使STM32F407VE與RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器的RS-232接口通信，必須添加電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路，將STM32F407VE的TTL電平轉(zhuǎn)換為符合RS-232通信的電平[5]。本系統(tǒng)采用MAX232芯片完成此功能，通訊接口電路連接原理如圖2所示。

2　硬件設(shè)計(jì)

圖2　通訊接口電路連接示意圖

2.3觸摸屏電接口電路設(shè)計(jì)

STM32F107VE通過SPI1接口與ADS7846相連，觸摸屏接口電路連接原理如圖3所示。STM32F107VE作為主設(shè)備，ADS7846作為從設(shè)備。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。MOSI：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；MISO：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；SCLK：時(shí)鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；NSS：從器件使能信號，由主器件控制[6]。ADS7846是四線式觸摸屏控制器，分時(shí)向X、Y電極對施加電壓，并把測量電極上的電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)觸點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，并通過中斷請求通知STM32F407VE有觸摸動作發(fā)生[7]。

圖3　觸摸屏接口電路連接示意圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)四部分功能：接收用戶命令、顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集和電機(jī)控制。

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，然后通過RS485總線與變頻器通訊，等待變頻器就緒，變頻器就緒后程序進(jìn)入主循環(huán)，不斷接收并響應(yīng)用戶命令、獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)和顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況[8]。控制系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

4　結(jié)語

以STM32F407VE為核心的橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)提供了更豐富的功能，具有良好的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶命令并顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。采用RS485總線通訊方式，使布線更簡單，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，節(jié)省了維護(hù)成本。

[1]李振華，鄧朝結(jié).CAN總線在起重機(jī)控制中應(yīng)用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2009，06：104～105.

圖4　控制系統(tǒng)軟件流程圖

[2]賀勇，陳建華.基于PLC的塔式起重機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，22：85～86+96.

[3]劉艷.MODBUS及以太網(wǎng)通信技術(shù)在起重機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用，2012，09：44～46.

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[5]周奇才，曾禮，趙炯，周鐵梁，張溧栗.大型起重機(jī)自動控制與智能管理系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2013，11：80～83.

[6]馮達(dá)，吳星明.基于C8051FSPI接口液晶觸摸屏的控制設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，07：56～57+135.

[7]陳愛青.起重機(jī)控制監(jiān)視系統(tǒng)的探究與展望[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，29：80.

[8]李偉，李瑞華.起重機(jī)智能控制的發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].煤礦機(jī)械，2006，08：3～4.

TP273

A

1673-0038（2015）08-0064-02

2015-2-5

宋少敏（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事水電工程方面的工作。

曹嘉毅（1987-），男，工程師，本科，主要從事水電工程方面的工作。