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        基于STM32 的四層模擬電梯控制板的設(shè)計(jì)

        2023-05-29 05:51:50徐鵬飛李燁熊勇齊海濤
        電子制作 2023年7期
        關(guān)鍵詞:開關(guān)門低電平轎廂

        徐鵬飛,李燁,熊勇,齊海濤

        (北京航空航天大學(xué),北京,102206)

        0 引言

        北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心的《綜合創(chuàng)新訓(xùn)練》課程歷史悠久、內(nèi)容豐富、深受學(xué)生好評(píng),而四層模擬電梯控制是其中一個(gè)重要的內(nèi)容,為了實(shí)現(xiàn)電梯的教學(xué)活動(dòng),工程訓(xùn)練中心設(shè)計(jì)了CTS1600-I 四層模擬電梯代替真實(shí)電梯,不僅可以直觀顯示電梯活動(dòng)過(guò)程,而且還可以擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)其它內(nèi)容;為了實(shí)現(xiàn)對(duì)四層模擬電梯的控制,就需要設(shè)計(jì)一款運(yùn)行速度快、成本低、體積小、功能強(qiáng)大、支持C 語(yǔ)言開發(fā)的控制電路板。STM32F103 是增強(qiáng)型產(chǎn)品系列,其處理運(yùn)算主頻可以達(dá)到72MHz,是同類產(chǎn)品中性能較高的產(chǎn)品[1]。STM32F103 是Cortex ?-M3 內(nèi)核的單片機(jī),Cortex ?-M3內(nèi)核性能強(qiáng)勁、功耗低、實(shí)時(shí)性好[2]。綜合考慮了成本、性能等因素,經(jīng)過(guò)篩選,STM32F103RBT6 可以滿足要求。

        圖1 電梯接口

        1 CTS1600-I 四層模擬電梯工作過(guò)程

        CTS1600-I 四層模擬電梯有一個(gè)可以上下運(yùn)動(dòng)的轎廂,轎廂內(nèi)有1、2、3、4 層和開關(guān)門請(qǐng)求輕觸開關(guān)。轎廂由一個(gè)12V 直流電機(jī)控制,電機(jī)輸入控制端有2 個(gè)I/O,分別為“選通”和“上行”,當(dāng)“選通”和“上行”分別為高、低電平時(shí),轎廂下行運(yùn)動(dòng);當(dāng)“選通”和“上行”分別為高、高電平時(shí),轎廂上行運(yùn)動(dòng);當(dāng)“選通”為低電平時(shí),無(wú)論“上行”為高還是低電平,轎廂均停止運(yùn)動(dòng);通過(guò)2 個(gè)I/O 的高低電平組合,轎廂可以實(shí)現(xiàn)停止、上行、下行三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài);將“上行”I/O 直接關(guān)聯(lián)到電梯的上下行指示燈,用于指示電梯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和停止時(shí)的上一次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在電梯的每層都內(nèi)置了轎廂到達(dá)行程開關(guān),可以檢測(cè)轎廂的位置。電梯外面中間每層有上請(qǐng)求、下請(qǐng)求輕觸開關(guān),頂層只有下請(qǐng)求輕觸開關(guān),底層只有上請(qǐng)求輕觸開關(guān),在輕觸開關(guān)內(nèi)部?jī)?nèi)置了可以被控制的發(fā)光二極管。開關(guān)門電機(jī)也是1 個(gè)12V 直流電機(jī),與轎廂電機(jī)控制類似,可以由2 個(gè)I/O 控制,分別實(shí)現(xiàn)停止、開門、關(guān)門三個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在門的內(nèi)部?jī)?nèi)置了關(guān)門到位和開門到位行程開關(guān)。在電梯上方位置有一個(gè)顯示樓層號(hào)的8 段LED 顯示器。

        CTS1600-I 四層模擬電梯有一個(gè)40 針的控制接口,此接口信號(hào)可以分為輸入、輸出、電源三部分。在電梯內(nèi)部有光耦進(jìn)行隔離,所以控制板需要對(duì)接口進(jìn)行供電,經(jīng)過(guò)測(cè)試,直流5V 供電可以滿足要求,所以輸入輸出接口信號(hào)均使用5V 供電下的邏輯電平即可。由于電梯使用了光耦隔離,減小了外部噪聲的干擾,所以系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,并且連接接口可以選用長(zhǎng)一些的電纜線。

        圖2 SWD 下載接口

        2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為單片機(jī)部分和接口驅(qū)動(dòng)部分。

        2.1 單片機(jī)電路

        單片機(jī)電路由下載接口、晶振、電源、I/O、復(fù)位、指示燈等幾部分組成。

        圖3 單片機(jī)電源電路

        單片機(jī)下載接口使用的是SWD 接口,因?yàn)镾WD 接口不僅可以實(shí)現(xiàn)下載、調(diào)試等功能,而且其引腳比JTAG 接口少很多,只需要SWCLK、SWDIO、復(fù)位、地等信號(hào)即可,其占電路板面積也很少。

        單片機(jī)使用的是由5V 經(jīng)過(guò)LM1117 穩(wěn)壓后形成的3.3V 電壓,為了防止靜電等原因形成的瞬時(shí)高壓燒毀電路芯片,在LM1117 的輸入和輸出端對(duì)地均連接了瞬態(tài)抑制二極管。

        單片機(jī)使用的是無(wú)源8MHz晶振。

        單片機(jī)復(fù)位由上電復(fù)位和輕觸開關(guān)復(fù)位兩部分組成。為了得到可靠的上電復(fù)位,單片機(jī)的復(fù)位引腳通過(guò)一個(gè)10Ω電阻連接到MAX809的輸出引腳。在上電時(shí),MAX809輸出一個(gè)維持140ms 的低電平復(fù)位脈沖,此脈沖使單片機(jī)STM32F103RBT6 復(fù)位。輕觸開關(guān)按下時(shí),單片機(jī)復(fù)位引腳連接到地,使單片機(jī)復(fù)位。MAX809 的輸出端和輕觸開關(guān)之間并不是直接連接,而是串接了一個(gè)10Ω 的電阻,其起到保護(hù)MAX809 芯片的作用。這樣設(shè)計(jì)的目的是為了兼顧上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位,并且電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。MAX809 的上電復(fù)位的可靠性比RC 上電復(fù)位要高很多。

        圖4 單片機(jī)復(fù)位電路

        為了直觀查看電路情況,設(shè)計(jì)了電源指示燈和單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示燈。電源指示燈用于觀察電路是否供電正常。單片機(jī)PA7 引腳連接發(fā)光二極管的陰極,當(dāng)單片機(jī)程序運(yùn)行時(shí),在主循環(huán)程序里操作PA7,使其定時(shí)輸出高低電平,從而D3 閃爍,此設(shè)計(jì)可以觀察單片機(jī)程序的工作狀態(tài),比如其是否進(jìn)入了死循環(huán)等情況。

        圖5 單片機(jī)核心電路

        單片機(jī)的核心電路就是GPIO 引腳的輸入輸出連接。這些引腳如果直接連接電梯接口,那么經(jīng)過(guò)電纜線就容易引入噪聲干擾,使得單片機(jī)工作不穩(wěn)定,容易造成硬件損壞、程序停機(jī)、程序丟失等問題,并且容易出現(xiàn)在SWD 方式下進(jìn)行下載、調(diào)試時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤,所以這些引腳都通過(guò)74HC245進(jìn)行了隔離。

        圖6 指示燈電路

        2.2 驅(qū)動(dòng)電路

        接口驅(qū)動(dòng)電路部分由74HC245 芯片構(gòu)成,其目的是為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)輸出電壓、電流能力,提高抗干擾能力。74HC245 的1 腳連接+5V,19 腳連接地,數(shù)據(jù)傳輸是從A 口進(jìn)入,B 口輸出。單片機(jī)對(duì)外輸出的GPIO 引腳連接74HC245 的輸入,經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后連接到電梯接口的輸入引腳上;電梯接口的輸出引腳連接在74HC245 的輸入,經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后連接到單片機(jī)GPIO 對(duì)外輸入引腳上。如果STM 單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài),此時(shí)GPIO 引腳是浮空輸入模式,不對(duì)外輸出確定電平,此時(shí)電梯容易出現(xiàn)誤動(dòng)作,所以在74245的輸入引腳連接有對(duì)地電阻,使得74245 的輸出為低電平,從而電梯接口輸入引腳收到的都是低電平信號(hào),上下行和開關(guān)門電機(jī)都處于停止?fàn)顟B(tài),不會(huì)由于運(yùn)動(dòng)而造成事故,這是一個(gè)簡(jiǎn)單而重要的設(shè)計(jì)。74HC245 的電源使用的是直流5V,這樣設(shè)計(jì)的目的不僅可以延長(zhǎng)電梯接口電纜的長(zhǎng)度,而且也考慮了STM 的GPIO 可以接受5V 電平下的邏輯信號(hào)的情況。

        圖7 電梯驅(qū)動(dòng)電路

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,把電梯程序分為驅(qū)動(dòng)和邏輯兩層,兩層是獨(dú)立的。

        指針是C 語(yǔ)言中的一個(gè)重要概念,也是C 語(yǔ)言的一個(gè)重要特色。正確而靈活地運(yùn)用它,可以使程序簡(jiǎn)潔、緊湊、高效[3]。在驅(qū)動(dòng)層,通過(guò)定義結(jié)構(gòu)體,內(nèi)置指針指向正確的寄存器,主程序操作指針即可完成對(duì)硬件的操作。GPIO外設(shè)分為輸入和輸出兩種,分別對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)體。輸出GPIO 的結(jié)構(gòu)體定義如下:

        判斷轎廂是否到達(dá)1 層的代碼如下:

        if( (*gs_IO_Input_LayerSensor[0].pul_IDR) & gs_IO_Input_LayerSensor[0].ulPin)

        圖8 電梯程序流程圖

        驅(qū)動(dòng)層用結(jié)構(gòu)體變量,而不是直接使用GPIO 寄存器來(lái)進(jìn)行讀寫有很大的優(yōu)點(diǎn),可以很容易做到修改IO 和電梯硬件的關(guān)系,如果修改了電路板,或者更換了單片機(jī),只需要修改定義時(shí)的初始化值即可,軟件容易修改,如果不使用結(jié)構(gòu)體變量而是在代碼里有IO操作,則軟件很不容易修改正確。

        在邏輯層,把電梯抽象為停止和運(yùn)動(dòng)兩種行為,這兩種行為可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。在停止?fàn)顟B(tài)下,程序判斷是否本層內(nèi)外按鍵按下過(guò),如果按下過(guò)則產(chǎn)生請(qǐng)求,如果請(qǐng)求存在,執(zhí)行開關(guān)門過(guò)程;如果上層請(qǐng)求存在而下層請(qǐng)求不存在或者上下請(qǐng)求均存在但是電梯上次運(yùn)行狀態(tài)是上行,則啟動(dòng)電梯向上運(yùn)行;如果下層請(qǐng)求存在而上層請(qǐng)求不存在或者上下請(qǐng)求均存在但是電梯上次運(yùn)行狀態(tài)是下行,則啟動(dòng)電梯向下運(yùn)行。在運(yùn)行狀態(tài)下,如果發(fā)現(xiàn)轎廂到達(dá)某樓層,如果此層是頂層或者底層,或者此層有請(qǐng)求,則電梯停止運(yùn)行,執(zhí)行開關(guān)門過(guò)程。在同時(shí)有上下層請(qǐng)求時(shí),根據(jù)上次電梯運(yùn)行狀態(tài)啟動(dòng)電梯運(yùn)行,這樣設(shè)計(jì)的目的是防止電梯轎廂在某些層之間出現(xiàn)反復(fù)上下運(yùn)動(dòng),而其他層的請(qǐng)求長(zhǎng)時(shí)間得不到響應(yīng),只有盡量保持電梯運(yùn)行方向不變,才可以使每一層的請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)會(huì)均等。

        如何做到驅(qū)動(dòng)層和邏輯層進(jìn)行通信呢?在main 函數(shù)初始化代碼里,啟用了SysTick 定時(shí)中斷,在此中斷里,把驅(qū)動(dòng)I/O 的值和電梯結(jié)構(gòu)體變量的各個(gè)成員變量進(jìn)行了相互交換,對(duì)邏輯層的各個(gè)行為完成了物理實(shí)現(xiàn)。

        4 系統(tǒng)調(diào)試

        在調(diào)試電梯控制板時(shí),可以直接寫一些I/O 的讀寫語(yǔ)句,然后設(shè)斷點(diǎn)或者單步運(yùn)行,觀察電梯的各個(gè)部分是否正常工作。對(duì)于電機(jī)的調(diào)試有一些復(fù)雜,需要在運(yùn)行語(yǔ)句之后寫停止語(yǔ)句,防止電梯運(yùn)行出現(xiàn)故障。

        圖9 電梯控制電路板3D 顯示圖

        由于驅(qū)動(dòng)層和邏輯層在定時(shí)中斷里完成數(shù)據(jù)交換,所以在操作一些I/O 時(shí),需要添加一些延時(shí)語(yǔ)句或者是判斷語(yǔ)句,比如:?jiǎn)?dòng)了電機(jī)運(yùn)行向上之后,需要判斷本層傳感器是否輸出為0,然后延時(shí)幾百毫秒,再進(jìn)行其它的處理,這樣做的好處是確保轎廂離開了本層,程序工作起來(lái)比較可靠。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)CTS1600-I 四層模擬電梯的控制電路板的設(shè)計(jì),有了很多收獲,并且《綜合創(chuàng)新訓(xùn)練》課程也能如期正常進(jìn)行,對(duì)于學(xué)生的編程能力、機(jī)械相關(guān)能力、電路設(shè)計(jì)能力、電路焊接能力等方面有了很大的提高。

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