基于STM32的一体化闸门控制系统设计

2019-09-11许冠芝温宗周张阳阳

微处理机 2019年4期

许冠芝，温宗周，张阳阳

（西安工程大学电子信息学院，西安710048）

1 引言

我国水资源严重短缺，有限的水资源在时间和空间上分布也极不均匀。随着水资源稀缺与供需矛盾的日益明显，节约水资源、提高水资源利用率已成为实现水资源可持续利用的关键。要合理利用水资源，离不开对水资源的有效调度。目前，世界上发达国家的灌区管理正朝着信息化、自动化、高效化的方向发展[1-2]。国外进口设备价格昂贵、操作复杂、水情适应性差，无法全面推广使用[2]。我国灌区应用技术还处于起步阶段，只在少数灌区有所使用。

先进的闸门监控系统是高效、高可靠的水资源调度系统的前端和基础[3-4]。远程自动控制闸门是实现灌区信息化的关键设备, 一体化闸门的设计优化可以提高供水的准确性和灌区水资源的使用效率，同时降低工作人员的劳动强度，提高配水管理水平，充分发挥水资源的合理化利用，提高灌溉效益，促进灌区农业发展。提出有效的控制系统设计方案，开发出满足我国灌区使用的远程自动计量分水闸门系统，对于实现灌区精确化配水、科学调度和信息化管理具有重要意义[5-6]。

2 系统总体设计

在此设计一种一体化闸门系统，由上位机监控系统和下位机闸门控制系统组成。上位机由工业计算机经RS-485 总线与闸门控制器通讯，实时检测闸门的开度及渠道流速，并可设置灌溉水量及灌溉时间等内部运行参数，从而实现远程控制。

下位机闸门控制器以32 位ARM Cortex-M 芯片STM32F103RBT6 作为处理器，对步进电机进行控制，步进电机通过传动装置和启闭机相连，由启闭机控制闸门的开闭，通过和启闭机相连的多圈式绝对式光电编码器来测量闸门的开启程度。一体化闸门结构如图1 所示。

图1 一体化闸门结构图

3 硬件设计

闸门控制系统主控芯片STM32F103RBT6 通过电源模块保证一体化闸门系统的正常工作，通过传感器模块采集渠道流速及闸门开度信息，通过电机驱动模块控制闸门的开闭，通过存储模块将采集到的信息和记录信息进行保存，通过通讯模块实现上位机和下位机之间的通讯，通过限位开关接口电路模块保证闸门的安全性。各模块组合成了一体化闸门，其样机如图2 所示。

图2 一体化闸门样机

(1)电源模块

由于灌区闸门的安装点可能无法采用市电，因此设计了太阳能供电系统，采用24 V 蓄电池作为控制系统的总电源，利用太阳能板对蓄电池进行充电，并用充电保护器对蓄电池进行保护，以减小因利用太阳能板充电对蓄电池造成的损坏。图3 为总体电源供电系统。

图3 电源供电模块

(2)传感器模块

采用雷达式流速仪实现对渠道流速的采集。它是根据多普勒效应，利用雷达传感器，在流动的水体中产生雷达差频信号，利用这个差频信号中所载有的流体速度信息，通过测量雷达差频信号频率计算得到水面流速。

采用多圈式绝对式光电编码器实现对闸门开度数据的采集，最终把输送出来的数据经过RS484 通信输送至主控板。

(3)电机驱动模块

步进电机拥有很高的运行稳定性、非常低的噪声以及很高的扭力等优点，非常适用于驱动闸门。在此选用Microstep Driver，采用共阴极接线方式，对电机进行驱动。图4 为共阴接线方式。

图4 共阴接线方式

对图中接线的说明如下：

Pu+：有脉冲时工作，低电平有效；

Dr+：低电平输入或悬空时正转，高电平输入时反转；

EN+：低电平输入或悬空时正常工作，高电平输入时脱机。

(4)数据存储模块

在数据存储空间方面，除了STM32F103RBT6自带的128K 字节Flash，控制系统还外扩了SD 卡接口和AT45DB 模块接口。采用串行flash 存储器W25Q128BV 和MicroSD 相结合完成系统存储电路设计。W25Q128BV 主要用于存储参数（采样时间、数据单位、时间等）；MicroSD 用来存储数据及状态信息等。图5、图6 分别为Flash 存储和SD卡存储。

(5)通讯模块

无线通讯模块的GPRS 模块采用SIM900A 为控制芯片。选用GPPS 远程通信协议，可实现大范围内设备状态的观测，比自建无线收发站的成本要低。

图5 FLASH 存储模块

图6 SD卡存储模块

RS485 通讯模块采用RS-485 串口通讯，它是一种基于差分信号传送的串行通讯链路层协议，可用于距离较长的数据通讯。在一体化闸门系统中，主控制板需要从多圈式绝对式光电编码器获取闸门的开度信息，并且需要通过RS485 从上位机获取灌溉水量和灌溉时间等信息。当闸门运行出现异常时，ARM 处理器还应当将异常信号上传给上位机。这些信息都可以通过RS485 进行传输。图7 为RS485 电路图。

图7 RS485 电路图

(6)限位开关模块

闸门在开启过程中，如果触碰到开度限位开关就会给闸位控制器发送一个脉冲信号，控制板器接受到脉冲信号之后给电机发送控制命令，使电机停止运转。限位开关的设计避免了闸门开启时因超过其阈值而导致事故发生。

(7)人机交互模块

一体化闸门控制系统，除了通过上位机对闸门发送信息，还有现场控制单元，操作人员可以通过LED 灯来了解闸门的运行状态，通过按键对闸门进行现场控制。

4 软件设计

4.1 主程序流程设计

控制器软件部分包括：系统初始化模块、数据采集模块、模糊控制算法模块、存储模块、通讯模块和人机交互模块等。具体结构如图8 所示。

图8 控制器软件结构框图

1)系统初始化模块：完成系统初始化工作。

2)数据采集模块：对渠道水流速、闸门开度等信息进行采集。

3)模糊控制算法模块：完成闸门开闭程度的确定。

4)存储模块：对内部数据参数、采集数据及记录数据进行存储。

5)通讯模块：通过GPRS 无线传输和RS485 串口通信方式向上位机发送消息。

6)人机交互模块：包括按键操作和LED 灯的显示,实现人机交互。

其中，由数据采集模块、模糊控制算法模块、存储模块、通讯模块和人机交互模块构成一体化闸门系统软件主程序，用来完成硬件模块的驱动程序和控制算法的实现。主程序的流程如图9 所示。

图9 主程序流程图

4.2 异常处理模块

在闸门启闭时，闸门控制系统应实时检测闸门的运动状态，对随时可能发生的异常情况做出反应，采取紧急处理措施。这些异常情况包括：电机过电流、欠压、过载、定子线圈温度过高、闸门卡滞、飞车、越限等。当异常出现时，要及时对异常做出反应，以免造成更大的损失。

4.3 模糊控制算法

为了提高闸门调节精度和调节稳定性，采用了模糊（Fuzzy）控制算法，对闸门开度进行实时控制。通过RS485 通讯模块接收上位机传输的灌溉水量和灌溉时间的信息，采用流量期望值L0与实际流量L 的误差e、误差的变化率Ec做为输入变量，以闸门开度的改变量μ 做为输出量，经过ARM 微控制器运算后实时调节闸门开度，从而达到对灌溉水量及时间的优化调节[7-8]。模糊算法结构如图10 所示。

图10 模糊算法结构图

系统采用二维模糊控制算法。输入、输出变量用语言表达为：负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZE）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。根据工作人员实践经验，经一定试验，可总结出控制规则：当偏差e 与Ec值同为负大时，为了使e 减小，就需要将闸门的开度增大，即闸门的开度变化μ 应取正大；当误差e 为负小或正小时，主要考虑系统的稳定性问题。若Ec为正，表明偏差有减小的趋势，所以取较小的控制量。若Ec为负，表明偏差有增大的趋势，这时应增加控制量。总结出的模糊控制规则如表1 所示。