基于STM32的電位測量及過電位保護裝置設計

戚海艷

（廣東省機械技師學院，廣東廣州，510450）

0 引言

測量是工業生產中常見的項目，根據使用目的的不同，測量得到的數值可開環或閉環地輸入給控制系統。目前，工業現場使用的測量裝置的主流控制核心包括PLC、DSP、FPGA和STM32等，不同的控制器具有不同的特點和功能，可滿足不同的使用需求。STM32是一種基于ARM內核的32位高性能處理器，以STM32F103ZET6為例，該處理器集成了AD轉換與 PWM 輸出功能，可以直接進行數據采集和PWM輸出，通過功能配置實現低功耗的目的[1]，使用STM32進行開發的項目也越來越多[2,3]。黃琦[4]等設計了一套基于STM32的高精度恒溫控制系統，并進行了上位機和下位機的設計，實驗結果表明上位機可準確反映溫度的數值和變化趨勢，滿足了實際控溫需求。李明[5]等基于UCOS操作系統和STM32F4單片機設計實現了多通道實時酒精測量與數據存儲系統，通過開發板試驗得到了系統運行良好穩定的酒精檢測裝置。柳浩[6]等提出一種主控系統和控制實施系統共同協作對發生火情的環境進行處理，采用STM32F103C8T6微處理器作為控制實施系統的控制核心，STM32F103C8T6亦屬于STM32F1系列控制器中的一種，實驗證明該系統可以有效監測環境數據，實現小車搜尋火源和噴水功能。

本文針對某生產設備對電位測量及電路保護的實際需求，設計研制一種基于STM32F103ZET6處理器的電位測量及保護裝置，通過控制器的GPIO模擬輸入功能實現電位測量的模數轉換，通過繼電器控制實現電路的通斷。對裝置進行了軟件設計，將電位控制參數直接集成到軟件中，對裝置進行調試，得到了滿足需求的產品。

1 需求分析

某生產設備的某段電路對整個電路系統的影響較大，在生產中發現設備正常工作時，該部分電路的電位總是穩定在1.15~1.35V之間，當產生異常情況時，該部分電路的電壓會高于1.35V，因此急需一種可對該部分電路進行電位測量的裝置，一旦測到異常電位，則立刻斷開電路通電，以保護整個系統。

根據實際需求，可知需研制的裝置必須具有電位測量功能，而當設備正常工作時，電位穩定在1.15~1.35V之間，正常的電位值小于3.3V，因此可采用使用標準3.3 V供電的STM32處理器，又該需求并不復雜，因此無需使用更高性能和更高處理速度的控制器，可選用STM32F103ZET6處理器，以在控制性能和經濟性上取得平衡。由于在檢測到電位異常時，需立刻斷開電路通電，因此需對電路加裝開關裝置，以實現弱電控制強電的功能，可使用標準的5V直流供電的繼電器，實現電位正常時保持通電狀態，而電位異常時，繼電器通電，裝置斷電。根據需求分析，可進行相關的硬件和軟件設計。

2 硬件設計

■2.1 STM32F103ZET6處理器

STM32F103ZET6處理器的內核為ARMCortex-M3，該內核技術為ARM公司設計，在Cortex-M3內核上，ST公司又對其進行了總線矩陣設計，提供過總線矩陣將內核封裝為三個部分：FLASH、SRAM和外部設備。其中，FLASH為內部閃存存儲器，用于放置編寫好的程序；內部SRAM用于存放程序的變量，堆和棧的消耗均基于內部SRAM；外部設備又包含了眾多的通用輸入輸出口GPIO、異步串行總線USART、IIC總線、SPI總線等等，外設的寄存器通過系統總線進行訪問，為用戶提供了豐富的可擴展接口。

■2.2 ADC功能

STM32F103ZET6有3個ADC。ADC的精度均為12位，其中ADC1有16個外部通道，對應ADCx_IN0、ADCx_IN1...ADCx_IN5，其中PA0對應ADC1的ADC1_IN0上，因此可在程序中配置該功能，實現PA0引腳的電位采集功能，并同時配置PA1和PA2引腳作為PA0數據采集引腳的備用。具體配置方法為：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

//打開 ADC IO端口時鐘

ADC_GPIO_APBxClock_FUN( ADC_GPIO_CLK, ENABLE );// 配置 ADC IO 引腳模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADC_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; // 必須為模擬輸入

// 初始化 ADC IO

GPIO_Init(ADC_PORT, &GPIO_InitStructure);

■2.3 繼電器電路

繼電器通常應用于開關中，是一種用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”，在電路中起著安全保護、轉換電路等功能。如圖 1所示，采用6腳繼電器實現開關控制電路，電路中電源為設備的供電電源，在默認狀態下與K2是直接連接的，繼電器采用5V的直流電源供電（CT2），CT1與一個三級管連接，三級管的e級與一個10kΩ電阻連接，電阻與控制器的GPIO引腳連接，以保護繼電器和單片機引腳不至電流過大而燒壞。配置繼電器通斷控制的GPIO為PC3引腳，并配值PB3和PB5引腳作為PC3引腳的備用。

圖1 繼電器（Relay）開關電路

■2.4 外部FLASH存儲電路

外部FLASH主要用于存儲電位保護次數和過電位的具體數值，電位保護次數以累加形式進行存儲，但并不擦寫上一次保存數據，即若有3次產生了過電位現象，則存儲器將依地址16位累進方式保存：1、2、3。并將這三次的過電位值通用以16位累進方式保存。外部FLASH電路如圖 2所示，外部FLASH芯片選擇為W25Q64的8MB芯片，芯片的數據輸入腳連接單片機的PF9引腳，數據輸出腳SO_IO1連接單片機的PF8引腳，芯片默認不進行寫保護，將寫保護引腳WP_IO2（低電平有效）直接接在3.3 V電源上，因此芯片在硬件電路上即實現了無寫保護。

圖2 外部FLASH電路

3 軟件設計

■3.1 系統整體流程

根據需求分析和硬件設計，可設計裝置的軟件如圖3所示。系統首先進入初始化程序，包括系統時鐘初始化、串口初始化、ADC初始化、繼電器等GPIO的初始化。

圖3 裝置軟件整體流程

設置系統時鐘為最高頻率工作模式，系統的USART采用中斷處理機制，設置串口中斷在第4分組，中斷通道為DEBUG_USART_IRQ，中斷響應優先級為6，子優先級為0。串口輸出口對應單片機的PA9引腳，輸入口對應單片機的PA10引腳。

ADC初始化基本步驟為：

// 打開ADC時鐘ADC_APBxClock_FUN

// 只使用一個ADC，屬于獨立模式

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 禁止掃描模式

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 連續轉換模式

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;// 不用外部觸發轉換，軟件開啟即可

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;// 轉換結果右對齊

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;

初始化結束后系統進入ADC數據采集函數，該函數為while（1）循環函數，首先進行ADC數據的采集，采集函數為，并經過2萬次的循環采集，得到總的電位值，總的電位值除去2萬次的for循環，從而得到電位的平均值a，對平均值a進行正常點位區間判斷，若為正常值，則再次進行ADC數據的采集，并向串口發送“正常”信息，包括電位的平均值；若為異常值，則立刻斷開繼電器，并向串口發送“故障”信息，包括電位的平均值，以提醒用戶設備出現了異常。

■3.2 調試結果

圖4 測量數據變化曲線

從串口中得到數據保存為文本文件，通過數據處理得到測量得到的電位變化曲線如圖 3所示，可知，該部分的電位值均處于正常點位區間內，電位值每次測量的值的變化差別較大，這與測量誤差和電磁干擾有關，但電位值的精確度可達0.01 V，完全可滿足使用需求，通過一定的處理算法處理亦可提高測量的抗干擾能力。

4 結束語

研制了一種基于STM32F103ZET6的電位測量及過電位保護裝置，對實際生產設備進行了需求分析，得出裝置硬件設計和軟件設計的依據。根據需求分析進行了控制器的ADC配置，以及繼電器開關保護電路的設計，對裝置進行了軟件設計，通過調試得到了電位變化曲線，滿足了實際需求。裝置還可集成LCD和上位機，以滿足友好的人機交互功能。