基于STM32F103单片机的开度仪电子开关设计

基于STM32F103单片机的开度仪电子开关设计

郑智胡永国

郑智胡永国

中船重工集团第七一七研究所湖北武汉430223

摘要：开度仪是水利水电工程项目中广泛使用的检测仪器，主要用于记录水闸闸门及启闭机油缸活塞杆行程，配合成套的数字测控仪表即可通过数字观察闸门或油缸的行程位置。开度仪一般均装有用于提示闸门或油缸位置的开关，如闸门全关位和闸门全开位等都是在实际工程中经常用到的闸门位置开关，目前广泛使用的主要是机械开关，机械开关精度较差，与预定位置往往有几十毫米的误差，在实际工程中会造成许多不必要的故障，而基于STM32F103单片机的电子开关在实现机械开关功能的同时还能具备极高的精度和稳定性，可以在实际工程中广泛推广。

关键词：开度仪，STM32，单片机，电子开关

1、STM32F103单片机

STM32F103系列单片机使用32位高性能ARMCortex-M3内核，工作频率72MHz，内置128K闪存，包括ADC，通用16位定时器等以及USART接口，USB接口以及CAN总线接口等标准和先进的通信接口。

2、开度仪电子开关的必要性

闸门开度仪通过将较大量程的线位移转化为角位移进行测量，具有测量精度高，结构紧凑，安装调试方便的优点。位置开关是开度仪的重要组成部分。闸门运动时，测量轮在收绳机构和钢丝绳的带动下转动，将油缸活塞杆或闸门开度的线位移转换成测量卷筒的角位移，光电编码器将卷筒的角位移量转换成对应数字（脉冲）量，经开度显示测控仪处理后，显示出油缸的直接行程量并送PLC进行解算（或直接将编码器信号送PLC处理），得出闸门移动的位移量即闸门当前所处的位置。位置开关就用于指示闸门当前所处位置。

目前使用较多的位置开关是机械开关，机械开关由于其自身局限性，存在着误差较大，指示位置不精确和不及时等问题，在实际工程应用中容易造成误报，存在着一定的安全隐患，同时机械开关需要根据现场实际情况调整其位置，对于现场调试人员而言非常麻烦。而电子开关在实现机械开关功能的同时，具有开关动作精确，误差极小等优势，而且调试方便，位置调整均通过电路实现，保证了调试人员的人身安全。

3、电子开关设计的思路

电子开关主要是为了实现采集编码器SSI信号并输出给外部控制单元如PLC等，同时具有预先设置闸门位置对应闸门开度，当编码器到达设定的对应位置时，继电器动作，同时LED灯亮，提示当前闸门处于哪种状态。电子开关主要包括三大部分：编码器SSI信号采集，SSI信号输出以及开关量信号输出。

编码器SSI信号采集部分主要由STM32F103单片机结合SN751177芯片实现。SN751177是双路差动驱动器/接收器，可同时实现SSI信号的采集和输出，对于电子开关的设计而言非常重要。SN751177接收到由单片机发出的时钟脉冲后将采集到的编码器数据按位传输给单片机。

SSI信号输出部分包括PLC，STM32单片机以及SN751177芯片。当外部PLC或其他时钟源给出时钟脉冲后，单片机就将数据传递给外部PLC，从而就实现了SSI信号的采集和传输。原理框图如图1所示。

图1.SSI信号采集及传输原理图

开关量信号输出主要包括单片机，74HC244，继电器，拨码开关及LED灯等。74HC244是八路正相缓冲器/线路驱动器，具有三态输出。该三态输出由输出使能端1OE和2OE控制。任意nOE上的高电平将使输出端呈现高阻态。拨码开关与所需开关量一一对应，主要用于保存继电器动作预设点；继电器和LED灯则用于提示当前所处位置。

4、电子开关的实现

STM32F103单片机程序调试主要通过IAREmbeddedWorkbench或Keiluvison实现，程序采用C语言编写，适用性强。调试需要实现的目标如下

①调通SSI信号的采集和输出，单片机采集到并传输给外部PLC的编码器码值应与外部PLC直接采集编码器SSI信号的码值相等。SSI信号的输出通过单片机的外部中断实现，当单片机收到外部的时钟脉冲上升沿时，单片机从主程序运行中跳出转而执行外部中断部分的程序代码，完成中断后继续执行主程序。

②调通开关量信号输出，继电器正常动作，LED灯正常亮灭。通过程序中的逻辑判断当前所处的位置，同时与预先保存的位置值做比较，如果满足对应的关系则继电器动作同时LED灯亮，不满足时继电器不动作，LED等不亮。

5、总结

通过调试，单片机输出到PLC的编码器码值与PLC直接采集编码器信号得到的码值相等，用示波器查看数据波形也完全一致，证明SSI信号的采集和输出功能能够正常实现。示波器波形如图2和图3所示。图2为PLC直接采集编码器信号的数据波形，图3为单片机采集编码器信号并传输给PLC的数据波形。

图3.单片机采集并输出到PLC的编码器信号

实验结果证明了电子开关的可行性，通过实际工程中的应用实践证明了其安装调试的便利，已在贵州，云南等多个水利水电工程中试验性投入使用，目前运行良好。

作者简介：

郑智，男，1989年5月生，西南交通大学硕士，助理工程师，目前就职于中船重工集团第七一七研究所，主要从事自动化检测与控制研究及产品开发。

胡永国，男，高级工程师，目前就职于中船重工集团第七一七研究所，主要从事自动化检测与控制研究及产品开发。