基于STM32 的接線狀態檢測系統設計與實現

張洪國，戴琨，程虹杰，張成舉，范洪源

（1.唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299；2.唐山市工業機器人系統智能運維技術創新中心，河北 唐山 063299；3.動車組智能制造與運維應用技術研發中心，河北 唐山 063299）

0 研究背景

電氣控制系統廣泛應用于工業生產、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域。以單片機、PLC 為核心的電氣控制系統在我國教育、科技、工業生產等領域有著無可替代的地位與貢獻，人們享受其強大功能的同時也因其復雜的電器功能及繁雜的接線而煩惱，在工業化生產過程中，電氣控制系統的線路極為復雜，控制系統中各個控制元件及執行元件價格高昂，一旦因繁雜的接線任務導致錯誤接線，不僅僅危害設備安全，同時危及設備安裝調試人員的安全，帶來一定的社會損失。

在我國高等職業教育領域，各職業院校為了使學生更全面地了解掌握PLC、變頻器、電機等各電器部件的功能及接線原理，職業院校為在校生提供了大量的實訓設備，以供學生練習接線、控制、調試[1]。實訓授課過程中一般都是由教師提供接線圖后學生自行接線，但是實訓過程中因班級容量較大，老師在有限的授課時間內無法照看到每位學生、每臺設備，一旦學生在練習中出現接線錯誤，輕則燒毀元器件重則導致整個實訓設備燒毀，甚至出現人身安全。我國高等職業教育每年因維修實訓設備需要一筆不菲的資金，且維修實訓設備需要一定時間，設備一旦故障，直接導致設備使用率下降，學生練習不充分等情況，從而導致人才培養質量下降[2]。

以上情況不僅僅造成設備損壞、經濟損失，更危及操作人員安全，造成不良社會影響，影響生產、實訓效率。針對以上問題，筆者對目前常規電氣控制系統及校內常用實訓設備進行研究后，提出了基于STM32 的接線狀態檢測系統，檢測系統能夠解決實訓過程中在學生接線有誤時因上電而導致設備或元器件燒毀的問題；為檢查接線狀態提供可視化結果，便于定位故障點；能夠統計接線訓練中的正確率，完成基本接線任務評價。

1 系統設計

1.1 系統整體概述

基于STM32 的接線狀態檢測系統融軟硬件于一體，是基于STM32 的可視化檢測系統[3]，系統由電壓轉換模塊、顯示模塊、輸出控制模塊、輸入控制模塊、綜合控制器、信息輸入模塊、多個雙線檢測端子、報警燈、蜂鳴器、隔離繼電器組成，如圖1 所示。

圖1 檢測系統架構

1.2 系統各模塊功能描述

基于STM32 的接線狀態檢測系統采用自上向下方法開發，將單片機、繼電器、電容觸摸屏等綜合運用[4]，啟動檢測系統后，系統提供自動檢測與手動檢測兩種檢測模式。用戶選擇相應檢測模式后，檢測系統的綜合控制器將協調各模塊功能，完成設備接線狀態檢測，并實時顯示檢測結果，檢測系統各模塊功能如下。

1）電壓轉換模塊。電壓轉換模塊將220 V 電壓轉換為顯示模塊、輸入控制模塊、輸出控制模塊、綜合控制器、信息輸入模塊所需的電源，為接線狀態檢測系統提供適宜的工作電壓，系統電壓轉換模塊選取海凌科HLK-20M05HI-LINK 電源模塊及HLK-10D2405BHI-LINK 電源模塊，以便將220 V 交流電轉化為直流24 V 及直流5 V 電源，以滿足檢測系統工作所需。

2）輸出控制模塊。輸出控制模塊接收綜合控制器指令并向綜合控制器反饋操作信息，輸出控制模塊每一個輸出端口均通過信號線及光耦與雙線檢測端子的輸入信號線相連，在綜合控制器發出指令后輸出控制模塊開始工作。

3）輸入控制模塊。輸入控制模塊接收綜合控制器指令并向綜合控制器反饋檢測信息，輸入控制模塊每一個輸入端口均通過信號線及光耦與雙線檢測端子的輸出信號線相連，在綜合控制器發出指令后輸入控制模塊開始工作。

4）雙線檢測端子。雙線檢測端子由冷壓端子、輸入信號線和輸出信號線構成，輸入信號線、輸出信號線與冷壓端子焊接、導通。

5）綜合控制器。綜合控制器控制輸出控制模塊、輸入控制模塊，并能夠接收輸出控制模塊、輸入控制模塊上報的信息，綜合控制器能夠接收信息輸入模塊的輸入信息，并將輸出控制模塊、輸入控制模塊上報的信息與信息輸入模塊的輸入信息進行比對，完成接線狀態的判斷，并在接線有誤的情況下控制報警燈、蜂鳴器發出聲光報警信號，綜合控制器選取意法半導體芯片，芯片型號為STM32F429IGT6ST。

6）信息輸入模塊。信息輸入模塊完成信息的輸入，在使用檢測系統的手動檢測模式時，使用人員將檢測系統正確的接線信息在信息輸入模塊完成輸入，上報至綜合控制器。

7）顯示模塊。顯示模塊接收綜合控制器的信息、顯示綜合控制器發出的接線狀態等信息，顯示模塊選取16.7 M 色、工業級、1 024×600 分辨率、寬溫度范圍電容觸摸屏，顯示模塊焊裝有Wi-Fi模塊，可將檢測信息發送至遠程終端。

8）隔離繼電器。隔離繼電器串聯于輸出控制模塊、輸入控制模塊與雙線檢測端子輸入信號線、輸出信號線之間。接線狀態檢測時，隔離繼電器吸合，完成檢測回路的聯通，測試無誤后斷開，電氣設備通電工作。因電氣設備工作電壓較大，隔離繼電器斷開后能有效隔離接線狀態檢測系統與電氣設備，防止接線狀態檢測系統因電壓過高而損壞，本系統隔離繼電器選用型號為歐姆龍G5V-1-24 V 繼電器。

9）報警燈、蜂鳴器與綜合控制器相連，在接線有誤時發出聲光報警信號，提醒設備安裝調試人員，以免在接線有誤的情況下為設備上電，給設備及工作人員帶來安全隱患。

1.3 系統功能實現

基于STM32 的接線狀態檢測系統對外部接線狀態的信號采集、信號處理及電路設計如圖2、圖3 所示。

圖2 5 路高壓檢測通道隔離電路原理圖

設計團隊為實現檢測系統對外部接線信息的采集，在設計綜合控制器的功能劃分時，系統梳理了STM32F429IGT6ST 芯片的各管腳類型及功能[5]。團隊結合校內實訓過程中的實訓項目復雜程度，經過統籌規劃，最終將檢測通道數量確定為50 路。檢測系統的50 路檢測通道足以滿足目前校內涉及接線檢查的實訓需求，能夠很好地服務教學。此外，設計團隊將綜合控制器176 支管腳根據在監測系統中發揮的功能不同劃分為不同模塊，并在彼此之間設計了隔離與濾波電路，以避免不同模塊之間的電磁干擾。

高職院校大量的實訓課程中，實訓設備往往是強電與弱電相結合的訓練場景，即一臺設備的供電電壓一般是較為常見的交流220 V，但實訓設備控制模塊和執行模塊往往是PLC、步進電機等設備，此類設備供電電壓多為直流24 V。檢測系統的綜合控制器為STM32F429IGT6ST 芯片，此芯片的工作電壓為3.3 V，與實訓設備的工作電壓差異較大。綜合控制器管腳工作電壓遠低于實訓設備工作電壓，若將實訓設備待檢測信號直接接入綜合控制器，將造成綜合控制器燒毀，故團隊在設計檢測系統時，將50 路檢測通道分為5 路高壓檢測通道與45 路低壓檢測通道，并將檢測通道與綜合控制器進行了電氣隔離。

5 路高壓檢測通道主要用于檢測交流220 V 線路安裝的狀態，因220 V 交流電相對于綜合控制器及其他檢測通道電壓較高，故團隊設計該電路時采用了光耦隔離與繼電器隔離相結合的形式，此設計方案可以有效地將220 V 交流電隔離于綜合控制器以外，保證了檢測系統的安全，電路原理如圖2 所示。

45 路低壓檢測通道主要用于檢測PLC、步進電機等功能模塊線路安裝的狀態，因實訓設備的各個功能模塊工作電壓均為24 V，且沒有交流分量，在實現隔離的情況下為控制成本，團隊設計該電路時采用了光耦隔離，此設計方案可以有效地將24 V 直流電隔離于綜合控制器以外，保證了檢測系統的安全，電路原理如圖3 所示。

團隊在設計檢測系統時，充分考慮了檢測系統的供電及移動的便捷性，特將檢測系統的供電電壓設計為220 V 交流電，便于在多種工作場合為設備供電，實現各種環境下的接線檢測。此外，設計團隊為實現供電電壓與工作電壓的隔離，在設計PCB板時，將電壓轉換模塊與綜合控制器工作區域在布線與覆銅時進行了隔離。

設備操作人員檢測設備接線狀態時，將需要接線的電氣設備元器件的各個接線端子處均連接一枚雙線檢測端子，將各雙線檢測端子所對應的輸出控制模塊的輸出端口、輸入控制模塊的輸入端口編號。設備操作人員將編號后的各雙線檢測端子、輸出控制模塊的輸出端口、輸入控制模塊的輸入端口及電氣設備接線端子對應信息通過信息輸入模塊輸入并上傳至綜合控制器。檢測系統輸入過程顯示模塊實時顯示輸入信息，以防輸入信息有誤。

工作時，設備操作人員將需要接線的電氣設備按照接線圖完成接線，將電氣設備的正確接線關系通過信息輸入模塊上傳至綜合控制器。待接線人員完成接線后，設備操作人員啟動接線狀態檢測系統，綜合控制器控制接線狀態檢測系統工作。隔離繼電器閉合，輸出控制模塊接收綜合控制器指令后輸出控制模塊第一輸出端口輸出高電平，其他輸出端口輸出低電平， 輸入控制模塊檢測除第一輸入端口以外的所有輸入端口，若其他輸入端口存在高電平，則證明第一輸出端口對應的電氣設備接線端子與高電平輸入端口對應的電氣設備接線端子有導線連接。

接線狀態檢測系統依次將輸出控制模及輸入控制模塊所有端口遍歷以上過程，便可得到當前接線狀態下真實的接線關系。檢測系統將該信息上傳至綜合控制器，綜合控制器將真實接線關系與通過信息輸入模塊錄入的正確接線關系進行比對，完成接線關系的判斷。若接線正確，接線狀態檢測系統通過顯示模塊顯示接線成功，隔離繼電器斷開，接線狀態檢測系統與電氣設備斷開連接，電氣設備上電正常工作。若接線有誤，接線狀態檢測系統則驅動報警燈、蜂鳴器發出聲光報警信號，并在顯示模塊顯示錯誤接線的接線端子號碼。接線狀態檢測系統硬件電路及觸摸屏安裝于金屬殼體之內以保護電器元件免受粉塵污染。

2 系統特點

1）降低接線檢查時間成本，提高實訓設備完好率。接線狀態檢測系統能夠極大地節約實訓過程中學生接線正確與否的檢查時間，尤其是實訓課程練習過程中，課堂時間有限，無法支持實訓教師檢查每一臺實訓設備的接線狀態。實訓教師若不檢查，一旦線路接錯易造成人員、設備的安全隱患。接線狀態檢測系統不僅降低接線檢查時間成本，同時提高了實訓設備完好率。

2）內置數據存儲模塊，可針對實訓任務自主評分。接線狀態檢測系統具有數據存儲單元，可將教師輸入的正確接線信息與學生接線練習過程中的真實接線信息進行存儲與比對，完成接線正確率的計算與評估，實現自主評分，以供實訓教師參考，從而提高實訓課程上課效率。

3）檢測結果實時顯示，精準定位故障點。接線狀態檢測系統在檢測過程中實時顯示檢測結果，方便查看接線狀態有誤的檢測通道，便于故障定位。

4）標準化對外接口，便于不同實訓設備檢測。接線狀態檢測系統使用220 V 交流供電，便于系統取電，適用于各種場合。

3 系統應用情況

接線狀態檢測系統自2022 年8 月開發完成，并經過多次電氣試驗，在唐山工業職業技術學院2022 至2023 學年上學期的實訓課程中得到初步應用。筆者在該學期亦擔任理實一體化課程任課教師，接線狀態檢測系統在實訓過程中能夠較好地實現系統設計之初預想的功能。接線狀態檢測系統在筆者任教的課程中檢出接線錯誤30 余次，且故障定位準確可靠，與實訓學生根據檢測結果復查實訓設備接線狀態后的反饋效果一致。接線狀態檢測系統提高了實訓課程的實訓效率、實訓設備完好率，避免了學院財產損失，具有很好的可行性和推廣性。

4 結語

職業教育肩負著培養生產服務一線高素質技能人才的重要職能，相比于普通教育，更加注重實踐技能和實際工作能力的培養[6]。為培養高素質技術技能型人才，各職業院校在實訓設備及實訓場地之上的投入居高不下，意在夯實實訓基礎。然而實訓過程中的效率及實訓設備的完好率一直是制約技術技能高效培養的一大痛點[7]。本文筆者從專業教師的角度出發，提出了接線狀態檢測系統，以期提高實訓課程授課效率，降低實訓設備故障率。同時為各院校致力于探索提高實訓授課效果的各位同仁些許啟發、借鑒。