基于STM32的多功能流量計控制儀表的設計

0 引言

在工業(yè)或實(shí)驗室應用中，對流量計的控制儀表提出了越來(lái)越多的要求，準確度高、攜帶方便、集成度、高接口齊全、使用方便等都成了選購的主要考慮因素。該控制儀配置足夠的系統內部通道和數據存儲區（帶掉電保護），方便結構和功能擴展，可靈活組成不同型號不同用途（例如屏裝、隔爆、大屏幕、繼電控制、電流環(huán)4～20mA等）的二次計量/控制儀表。該儀表結構簡(jiǎn)單、可靠性高、功能齊全、型式多樣，特別適用與流量計和電液閥配套，對流量進(jìn)行質(zhì)量或體積的自動(dòng)化計量；并且可以通過(guò)面板置入參數，自動(dòng)控制各種類(lèi)型閥門(mén)的開(kāi)啟與閉合，實(shí)現自動(dòng)控制發(fā)料作業(yè)。具有可視化中文界面顯示，平穩的瞬時(shí)流量顯示功能。該控制儀具有單次流量、累計流量、瞬時(shí)流量、溫度、壓力、時(shí)間、定值流量、提前流量等顯示功能。其最大的特點(diǎn)是，能對泵、閥進(jìn)行流量的定值，批次控制，并且有脈沖輸入、模擬信號輸入、4～20mA電流輸出，MAX485通訊等功能。

1 電液閥工作原理及控制系統組成

電液閥由1個(gè)提前量電磁閥、1個(gè)定值量電磁閥和1個(gè)主閥組成，主閥響應速度的控制是2個(gè)柱塞閥，安裝于主閥的入口和出口。通過(guò)2個(gè)柱塞閥細微調節主閥的啟閉速度。調整柱塞閥以控制流入和流出活塞上方介質(zhì)的液體流量。達到主閥啟閉速度能基于介質(zhì)的黏度及壓力調整的目的。

提前量電磁閥和定值量電磁閥分別安裝在主閥的進(jìn)油回路和出油回路中，便于控制主閥的啟閉動(dòng)作，當兩電磁閥通電時(shí)，進(jìn)油孔（上游閥）回路關(guān)閉，先導孔（下游閥）回路打開(kāi)，活塞上腔泄壓，主閥活塞上行，主閥打開(kāi)。反之，主閥活塞下行，主閥關(guān)閉。在主閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，可將流量（流速）信號傳送給流量計控制儀表，經(jīng)過(guò)控制儀處理后發(fā)出相應的指令，控制2個(gè)電磁閥的通、斷電狀態(tài)，使主閥活塞的上下腔的液壓差產(chǎn)生變化，從而將主閥活塞控制在所需的開(kāi)啟度上，實(shí)現對管道液體介質(zhì)流量的精確控制。

控制系統主要由若干球閥、過(guò)濾器、溫度傳感器、流量計、電液閥、流量定值控制儀系統及其用作控制電液閥的中間繼電器等組成，其組成及工作示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 流量控制儀的控制系統組成示意圖

2 流量控制儀的硬件設計

流量定值控制儀以STM32f103RB作為核心部件，STM32f103系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該芯片內核是Cortex-M3�？刂苾x在設置參數時(shí)，需要將12864屏反白一部分內容，以區別不需要修改的參數，如設置儀表系數時(shí)，將儀表系數反白，以區別其他參數。普通的C51系列單片機工作效率不高，周期長(cháng)，當C程序反復地調用12864屏反白掃描子程序時(shí)，時(shí)間過(guò)長(cháng)，使人產(chǎn)生一種停頓感覺(jué)。而STM32最高工作頻率為72MHz，在存儲器的0等待周期訪(fǎng)問(wèn)時(shí)可達1.25DMisp/MHz，完全可以克服12864屏反白掃描時(shí)人感覺(jué)到停頓。利用芯片內部的DMA來(lái)存儲多個(gè)瞬時(shí)流量，并計算平均值，減輕CPU的負擔。

流量控制儀的設計主要包括硬件設計和軟件設計。硬件電路中主要包括STM3芯片的最小系統，12864中文字庫的液晶屏、4×4的薄膜按壓開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)電源模塊電路、LM358M運算放大器、24C16數據掉電存儲芯片電路、三路驅動(dòng)中間繼電器電路、MAX485、232通訊芯片電路、用于檢測管道中液體溫度進(jìn)行溫度補償的DS18B20溫度傳感器電路，5651DAC數字量轉化為模擬量芯片電路、AD694芯片電路（其功能是實(shí)現4～20mA輸出）。將上述各子電路連接到STM32芯片對應的管腳上，硬件原理圖如圖2所示。

圖2 硬件系統框圖

其工作原理是，控制儀接收到流量計的脈沖信號后，將其送入LM385整形電路進(jìn)行整形，再送入單片機中PA8管腳的中斷端口對脈沖信號進(jìn)行采樣，計數脈沖數，計算的公式如下：

式中：m為質(zhì)量，kg；V為流量變送器發(fā)出的脈沖數；λ為脈沖當量，min；F₂₀為20℃時(shí)物料密度，kg/m³；t為物料溫度，t=20℃（無(wú)需外溫度傳感器）；f為物料體積補償系數，f=（1～999）×10^-6。

當密度值設定為1時(shí)，公式即為m=Vλ，此時(shí)m為體積數。計算后，所得出最終結果送入12864帶中文字庫的液晶顯示器，顯示實(shí)時(shí)數據。

控制儀初始上電時(shí)，主控芯片從EEPROM中取出流量計傳感器標定系、定值量、提前量、密度、物料的體積補償系數據，由單片機轉換成浮點(diǎn)數，實(shí)時(shí)參與運算。單片機內部看門(mén)狗電路隨時(shí)監測供電電壓和單片機的程序。主控在運行時(shí)出現電壓大幅波動(dòng)或程序跑飛時(shí)，將及時(shí)復位單片機，重新進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

在各部分電路的硬件設計中，脈沖輸入的整形電路作為信號的前級，其穩定和可靠對保證整個(gè)儀表的準確度非常重要。整形電路采用LM358放大器通過(guò)對脈沖的電壓調整和邊緣修正，使原來(lái)幅值為24V的脈沖信號調整為3．3V，以適應后級CMOS電路的需要，經(jīng)邊緣修正后的脈沖信號邊緣更整齊，為后級的采樣和周期計算打下了良好的信號基礎。

液晶屏的顯示、按鍵、3路中間繼電器驅動(dòng)電路上，以單片機以串行傳輸數據方式進(jìn)行掃描顯示，顯示器主要是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示中文漢字及圖形�？膳cSTM32直接相接，該屏提供兩種界面來(lái)連接微處理機：8位并行及串行兩種連接方式。該控制儀采用串行通訊方式，其管腳鏈接到PB4～PB7。按鍵電路采用4×4矩陣式電路，共有16個(gè)按鍵，鏈接在PB8～PB15口。3路中間繼電器驅動(dòng)電路采用的是三極管BD237驅動(dòng)中間繼電器，一路控制油泵電機，另外兩路分別控制電液閥的定值閥和提前閥，以達到精確的定值控制。

看門(mén)狗電路上采用了單片機內部看門(mén)狗，其擁有電壓實(shí)時(shí)監控和看門(mén)狗功能。電壓監控在電壓波動(dòng)大電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)復位信號。其原理是在單片機程序上設定每隔一定時(shí)間間隔復位看門(mén)狗一次，若程序跑飛或陷入死循環(huán)，芯片得不到及時(shí)復位芯片將產(chǎn)生一個(gè)復位信號，使單片機復位到正常工作狀態(tài)。

控制儀有RS485通信方式和RS232通信方式，具有4～20mA電流輸出，以便于上位機控制。通訊方式是通過(guò)MAX485芯片和MAX232芯片分別于STM32f103rb的2個(gè)通訊口相連實(shí)現通訊功能，在采用modbus開(kāi)放式通訊協(xié)議，實(shí)時(shí)的與上位機通訊。單片機控制芯片5651進(jìn)行數值量與模擬量的轉換，實(shí)現模擬量電壓的輸出，在通過(guò)5651芯片的電壓輸出口于A(yíng)D694的3腳鏈接現實(shí)4～20mA輸出，其模擬量電壓和電流輸出與瞬時(shí)流量實(shí)現精確的線(xiàn)性對應�？刂苾x的溫度采集是使用DS18B20，它是一線(xiàn)式數字式溫度計芯片，它具有結構簡(jiǎn)單，不需外接元件，采用1根I/O數據線(xiàn)即可供電又可傳輸數據、并可由用戶(hù)設置溫度報警界限等特點(diǎn)，可廣泛用于管道介質(zhì)的溫度補償。外接壓力傳感器通過(guò)LM358運算放大器的電壓跟隨器特性，實(shí)行外接電路與主芯片的隔離作用。

3 軟件部分設計

該設計的核心部件為具有ARM內核的STM32f103單片機，其除了控制整個(gè)系統的運算外，還參與了采樣控制、顯示控制、通訊、模擬量、電機，電磁閥等的控制過(guò)程，而軟件的控制直接關(guān)系到整個(gè)控制儀表的各項性能。設計的軟件運行流程圖如圖3所示。

圖3 軟件運行流程圖

脈沖信號的采集采用中斷方式，當單片機脈沖輸入引腳檢測到有下降沿發(fā)生時(shí)，隨即啟動(dòng)中斷子程序，累計脈沖數，同時(shí)定時(shí)器計算以s為單位的時(shí)間，在單位時(shí)間內，計算出脈沖數。在主程序里，單位時(shí)間的脈沖數乘以脈沖系數再乘以相應的補償，就是瞬時(shí)流量。中斷程序在整個(gè)系統的軟件設計中較關(guān)鍵，在設計中應注意一個(gè)問(wèn)題：在計算瞬時(shí)流量時(shí)，一定要取多個(gè)瞬時(shí)流量的值進(jìn)行累加，再求平均值，這才能真實(shí)的反應管道介質(zhì)中的實(shí)際瞬時(shí)流量。取值的方法是丟掉前面一個(gè)瞬時(shí)值，加上后面一個(gè)瞬時(shí)值，再求平均。這樣即保證了瞬時(shí)流量的連續性。

4 結束語(yǔ)

該控制儀在電路設計和軟件設計上多方面采用了抗干擾技術(shù)，并采用主控芯片內部的看門(mén)狗實(shí)時(shí)監控，從而使整機系統穩定、工作可靠、抗干擾能力強。STM32f103的采用及合理配置，使其功能齊全，操作使用方便，形成一個(gè)內涵豐富的智能化流量?jì)x表，可廣泛用于油庫、加油站、化工等部門(mén)的液體灌裝。