基于單片機(jī)的智能插排設(shè)計(jì)

朱旭 符秀輝

摘?要：本文介紹了一種基于單片機(jī)的智能插排控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用STM32F103單片機(jī)作為控制核心，該系統(tǒng)具有電壓、電流檢測(cè)、過(guò)流保護(hù)、多路定時(shí)通斷控制、TFT_LCD顯示屏、觸摸屏控制、斷電定時(shí)時(shí)間自動(dòng)保存等功能。系統(tǒng)分為主界面、定時(shí)界面、查詢界面三個(gè)界面。本設(shè)計(jì)具有節(jié)約能源、消除安全隱患、延長(zhǎng)家用電器的壽命等功能，給生活帶來(lái)了極大的便利。

關(guān)鍵詞：智能插排;STM32F103;過(guò)流保護(hù);多路控制;TFT_LCD顯示屏

本設(shè)計(jì)選用以STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片，MCP39F501芯片作為電量計(jì)量芯片，輔以電壓電流檢測(cè)、過(guò)流保護(hù)，多路定時(shí)通斷、觸摸屏控制、定時(shí)斷電自動(dòng)保存等功能，設(shè)計(jì)了一款具有低功耗、高性價(jià)比、人機(jī)交互程度高等特點(diǎn)的智能插排控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

智能插排的硬件系統(tǒng)主要由主控制器模塊、電能計(jì)量模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、彩屏顯示模塊、觸摸屏控制模塊、繼電器控制模塊組成。主控模塊選用STM32F103系列單片，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、定時(shí)控制、LCD彩屏顯示、觸摸屏控制、Flash存儲(chǔ)模塊控制、電能采集與過(guò)流保護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的耗能監(jiān)測(cè)，通過(guò)電能計(jì)量模塊進(jìn)行檢測(cè)電能數(shù)據(jù)，該模塊將電能數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能，并通過(guò)LCD液晶顯示器將電能數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。RTC時(shí)鐘模塊主要為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間。Flash存儲(chǔ)單元主要用來(lái)存儲(chǔ)定時(shí)時(shí)間與斷電前運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)斷電數(shù)據(jù)保存功能，上電狀態(tài)恢復(fù)功能。

2 控制器硬件電路設(shè)計(jì)

在主控模塊系統(tǒng)這一方面，單片機(jī)控制電路是整個(gè)控制器的中樞，起著發(fā)號(hào)施令的作用。STM32F103ZET6基于Cortex-M3（CM3）處理器，不僅在功能上能滿足我們生活的要求，而且在運(yùn)行效果上也格外顯著。完整的基于CM3的MCU還需要很多其他組件通信接口多達(dá)13個(gè)通信接口，其中兩個(gè)IIC、五個(gè)串口、三個(gè)SPI能夠滿足本設(shè)計(jì)通信使用。然而，要想正確合理的應(yīng)用此單片機(jī)，僅僅依靠芯片本身是不行的。其往往還需要外部時(shí)鐘、復(fù)位、隔離等單元電路才能工作。其硬件電路如右圖所示。

在TFT_LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它不僅具有良好的畫(huà)質(zhì)，而且還可以設(shè)置成觸控模式，方便用戶操作。在TFT_LCD觸控電路設(shè)計(jì)中，不僅支持顯示功能，而且還能通過(guò)專門(mén)的控制芯片實(shí)現(xiàn)觸屏功能。由于STM32F1O3ZET6單片機(jī)沒(méi)有集成的液晶驅(qū)動(dòng)器，因此需要借助ILI9320驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)FSMC接口對(duì)液晶進(jìn)行控制。

而為了準(zhǔn)確有效地得到觸控位置，將電壓信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。由于需要一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制在設(shè)計(jì)中采用XPT2046轉(zhuǎn)換芯片。XPT2046是一種典型的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其包含了采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口輸出等功能。當(dāng)控制觸摸屏?xí)r，可將其設(shè)置為差分模式，可有效消除外部干擾和寄生電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，使轉(zhuǎn)換精度更高。

24C02儲(chǔ)芯片設(shè)計(jì)中，在初始化觸控屏?xí)r需要將采集的觸控點(diǎn)通過(guò)IC總線傳送到存儲(chǔ)芯片上，為下次初始化時(shí)免去煩瑣的校準(zhǔn)程序。

SPI通信協(xié)議中，SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。

MCP39F501是一款高度集成的單相功率監(jiān)視芯片，用于實(shí)時(shí)測(cè)量交流電源、配電單元和工業(yè)應(yīng)用的輸入功率，并且支持modbus、串口通信等。其優(yōu)點(diǎn)在于該器件能夠在4000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度優(yōu)于0.1%的設(shè)計(jì)。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)由初始化程序、觸摸屏控制程序、定時(shí)器中斷程序、電量數(shù)據(jù)采集采集程序、RTC時(shí)鐘程序、定時(shí)器中斷程序、LCD顯示程序、串口中斷程序、繼電器控制和共同組成。各子程序經(jīng)過(guò)單片機(jī)的主程序運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)、電量檢測(cè)、液晶顯示、觸屏控制、模式選擇、數(shù)據(jù)傳輸與處理、繼電器控制等功能，達(dá)到了過(guò)流保護(hù)、人機(jī)交互、電量檢測(cè)的要求。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中，采用模塊化編程的方式，使程序更加靈活，方便調(diào)用、移植、調(diào)試。在接入電源后，單片機(jī)控制器開(kāi)始工作，首先系統(tǒng)對(duì)所需功能進(jìn)行初始化自檢，在完成初始化后，執(zhí)行觸摸屏掃描程序，顯示主界面。在主界面下顯示當(dāng)前時(shí)間、各路插排通斷狀態(tài)和當(dāng)前模式。當(dāng)檢測(cè)到屏幕被觸摸后，系統(tǒng)根據(jù)其坐標(biāo)判斷所選擇的命令，并進(jìn)入相應(yīng)子程序。當(dāng)按下定時(shí)界面后會(huì)進(jìn)入定時(shí)界面，定時(shí)界面可以單獨(dú)設(shè)置各路插排定時(shí)開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)間。當(dāng)按下電流設(shè)置界面時(shí)，電流設(shè)置界面可以顯示各路插排的電壓、電流等數(shù)據(jù)，單獨(dú)設(shè)置各路的過(guò)流保護(hù)閾值。用TFT_LCD液晶屏顯示測(cè)量參數(shù)并且再想去控制其中參數(shù)需要對(duì)液晶及其控制器進(jìn)行一系列校準(zhǔn)與設(shè)置。在程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，首先，判斷液晶屏幕是否已經(jīng)通過(guò)校準(zhǔn)，若校準(zhǔn)完畢，則顯示待機(jī)狀態(tài)下的菜單，否則需要經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn);其次，判斷LCD屏幕是否被觸摸，若檢測(cè)到，則讀取相應(yīng)觸控點(diǎn)坐標(biāo)，否則返回到待機(jī)狀態(tài)下的顯示界面;最后，根據(jù)所得坐標(biāo)，判斷是否在設(shè)定區(qū)域，若在，則通過(guò)ILI9320驅(qū)動(dòng)器經(jīng)FSMC向LCD指定區(qū)域?qū)懨睿瑢?xiě)數(shù)據(jù)，以達(dá)到界面切換或顯示參數(shù)的目的。

計(jì)量模塊通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，本設(shè)計(jì)兩路插排所以使用兩個(gè)計(jì)量模塊分別采集各路的電量信息，A路插排數(shù)據(jù)采集計(jì)量模塊使用串口2通信，B路插排數(shù)據(jù)采集計(jì)量模塊使用串口4通信，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6單品機(jī)，該芯片有5組串口能夠滿足本設(shè)計(jì)。

串口實(shí)現(xiàn)的功能是：STM32F1通過(guò)USART2和USART4實(shí)現(xiàn)與計(jì)量模塊對(duì)話，通過(guò)STM32F1按照定義的串口通信協(xié)議與計(jì)量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，向計(jì)量模塊模塊發(fā)送相應(yīng)的命令，接收計(jì)量模塊返回的命令和電量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在初始化過(guò)程中，首先初始化所用功能的時(shí)鐘;然后將串口進(jìn)行復(fù)位處理，以免受外設(shè)異常的干擾;最后進(jìn)行中斷的配置，設(shè)置中斷分組和NVIC優(yōu)先級(jí)。

STM32單片機(jī)RTC時(shí)鐘利用其內(nèi)部一個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的連續(xù)計(jì)時(shí)。在程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，先進(jìn)行時(shí)鐘引腳的使能，然后取消備份區(qū)的寫(xiě)保護(hù)，檢查是不是第一次配置時(shí)鐘，若為第一次配置時(shí)鐘，則復(fù)位備份區(qū)域開(kāi)啟外部低速時(shí)鐘，設(shè)置預(yù)分頻和中斷分組，存儲(chǔ)到備份區(qū)。若不為第一次配置，則直接讀取備份存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的時(shí)間，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)計(jì)時(shí)。

RTC時(shí)鐘的核心為預(yù)分頻模塊與可編程計(jì)數(shù)器構(gòu)成。通過(guò)程序?qū)㈩A(yù)分頻值設(shè)置為32767即可使外部32.768KHz的晶振分頻至1HZ，從而在程序中可產(chǎn)生1秒的TR_CLK中斷，在此中斷函數(shù)中進(jìn)行秒計(jì)時(shí)。可編程計(jì)數(shù)器為32位計(jì)數(shù)器，按秒鐘計(jì)算可連續(xù)計(jì)時(shí)232秒，約合136年，此計(jì)時(shí)時(shí)間對(duì)于本設(shè)計(jì)是完全夠用的。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)針對(duì)家用插排的能源浪費(fèi)和用電安全設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)，雖然已經(jīng)能夠一定程度上減少能源浪費(fèi)，增強(qiáng)了用電安全，但僅僅有此功能還是不夠完美，隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，智能家居是當(dāng)前的主流方向，該系統(tǒng)也應(yīng)該向著物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展，該系統(tǒng)選用STM32F103ZET6作為主控芯片，該芯片具有5個(gè)串口，為以后想物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展提供硬件基礎(chǔ)和通信接口，使產(chǎn)品更加人性化、智能化。

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作者簡(jiǎn)介：朱旭（1996—?），男，漢族，山東臨沂人，碩士，研究方向：控制工程。