基于STM32的同步碎石封层车控制系统设计

陈中孝，张 文

(西安工业大学，西安 710021)

1 引言

沥青碎石同步洒(撒)布技术是国内外近年来在道路养护施工方面推广较快的一种施工方法。它是在同一秒时间内同时洒(撤)布沥青和骨料，保证粘结料与骨料之间最大的裹附强度，并且需要计算机全程控制沥青洒布量、洒布精度，碎石撤布量、撤布精度，全程控制沥青、碎石同步洒(撤)布的联动［1－2］。该施工方法具有施工成本低、路面耐磨性强、防滑性能好、防水性强、快速恢复交通等特点。同步碎石封层车是实施该技术的主要设备，是整个控制系统的载体。同步碎石封层车的控制系统庞大，各种单元模块多，输入、输出信号较多，因此本系统采用资源丰富的STM32F1系列单片机作为控制芯片。

2 同步碎石封层车控制系统总体方案设计

同步碎石封层车控制系统是多输入、多输出的控制系统，要完成沥青泵转速实时控制、数据显示、打印，温度、速度信号采集和数据采集［5］。同步碎石封层车控制系统主要包括:沥青温度监控系统、沥青洒布量控制系统、碎石撒布量控制系统。整个控制系统采用分布式控制方案，把沥青洒布量控制系统作为单独的控制模块，主控制器和沥青洒布量控制器都采用STM32F103VB作为主控芯片［4］。系统整体设计如图1所示。

在沥青洒布量控制器中，每个单元传感器对应一个单元执行机构，但是它们之间的对应关系是可以通过编程设置的，这是为了防止在机器使用过程中出现突然的设备故障而造成更大的损失。总控制器通过CAN总线可以设置沥青洒布量控制器中传感器的灵敏系数，以及各执行机构反应的灵敏性［3］。

3 系统硬件设计

3.1 系统硬件总体设计

根据同步碎石封层车控制系统的原理，设计硬件电路，如图2所示。系统硬件电路设计遵循分布式控制的设计方法，采用多处理器，主要包括电源模块、主控制器模块、沥青洒布量控制模块、沥青温度控制模块、碎石撒布控制模块、人机接口模块及其他保护电路等。

图1 控制系统整体设计框图

本系统采用触摸屏转接板代替传统的按键电路与LCD显示电路作为人机交互模块。触摸屏控制器已经设计了 TFT－LCD驱动电路，故在STM32F103VBT6开发板上把相应引脚连接即可。

图2 硬件原理框图

3.2 电源模块设计

在系统设计中，有多种电压，电源电压分为直流+3.3V，+5V，+12V，+24V 几种。其中 +3.3V 为微控制器的I/O口供电;+12V，+5V为其他大部分芯片供电;+24V为车载电瓶电压。电源电路主要经过稳压芯片稳压和电容滤波。其中+24V电源通过LM2596－12和LM2596－5稳压芯片转换成+12V和+5V稳压电源，+3.3V电源则由稳压芯片AMS1117－3.3将+5V电源转换得到。系统电源结构框图如图3所示。

图3 系统电源结构图

3.3 测速模块硬件设计

速度检测包括牵引车行驶速度检测、沥青泵实时转速检测、以及布料辊转速检测。速度检测是同步碎石封层车作业质量好坏的前提，它一方面确保能直观显示设备实时速度，供驾驶员随时调整;另一方面为控制器提供准确的数据，用于沥青泵转速调节控制。

同步碎石封层车工作环境复杂、震动频繁，噪声干扰大，若这些干扰随输入信号一起进入单片机系统，会使控制准确性降低，产生误动作，因而，用光耦作接口，对信号及噪声进行隔离。用整形元件整形，以提高脉冲质量，图4为测速模块硬件电路。

3.4 测温模块硬件设计

常用的温度测量传感器有热电偶、热电阻。本系统采用热电偶测温，热电偶的输出信号必须经过调理电路处理，硬件电路包括多路切换电路和热偶信号调理专用芯片AD595。AD595是AD公司针对冷端补偿、调零、电压放大和线性化而专门设计的芯片，内部具有放大、冷端补偿、冰点基准、温差电偶故障报警等电路。被测温度与AD595输出电压的关系是10mV/℃，芯片在5V～30V范围内都可正常工作。随所测温度量程增大，电源电压应相应提高。图5为测温模块硬件原理图。

图4 测速模块硬件电路

图5 测温模块硬件电路

3.5 PWM控制模块硬件设计

沥青洒布量的控制靠调节沥青泵的转速，沥青泵转速调节的主要控制对象是电液比例阀阀芯的位移，阀芯位移量决定了节流口开口量，从而实现对流体流量的调节，最终完成对沥青泵转速的调节。系统采用的电液比例阀型号为L90LS01，它是一种比例、负载、传感、压力补偿多路阀，采用ECH电—液阀芯执行器，可使用辅助手柄直接控制。采用+24V供电时，最小工作电流(启动)为260mA，最大工作电流(全开启)为510mA。采用+24V供电，中位(启动)电流为260mA，最大开启电流510mA。因此，微控制器输出的脉冲调制(PWM)信号，需要进行隔离、放大处理，使其能够驱动电液比例阀工作。该部分硬件原理如图6所示。

图6 PWM输出模块硬件电路

4 系统软件设计

4.1 主程序设计

主程序模块主要完成系统初始化、程序是否处在校准程序部分的判断及功能子模块循环调用等功能，其控制流程如图7所示。当用户选择自动方式时，沥青洒布控制模块进行初始化，读取存储参数和CAN总线数据。根据沥青温度决定是否打开加热装置，再由沥青洒布工作模式(准备、喷洒或者停止)控制大小循环阀的开闭和沥青泵转速，并写CAN总线数据，显示当前工作数据。

系统初始化主要包括开机时对控制器复用端口的配置，及Flash中设备参数的读取。Flash中储存了沥青洒布设备参数，这些参数包括常参数和变参数。常参数是在作业过程中不会改变的参数。例如，沥青泵排量、雷达车速传感器频率与速度的换算值、导热油加热的最高温度与最低温度等数值;变参数是在设备作业过程中会改变的参数。例如，上次关机时设置的洒布宽度、单位面积洒布量，以及累计洒布距离，累计洒布量等参数。

程序是否处在校准部分的判断。校准程序包括设备常参数设定及传感器标定。设备常参数设定的目的是为了更换零件时参数的变更。而传感器的标定是为了测得准确的数据。因此在主程序中需要判断是否处在校准部分，如果处在校准部分，那么就只执行校准程序，不执行沥青洒布作业程序。

功能子模块循环调用。当程序不处于校准程序时，可以执行沥青洒布功能模块循环调用，完成沥青洒布功能。这些模块包括传感器数据采集模块、PID控制算法模块、喷嘴控制模块、导热油控制模块、喷杆高度控制模块及推荐车速控制模块。

4.2 软件调试

为了验证控制方法的功能和性能，需要对软件程序在仿真模式下进行调试，还需要在试验平台上对硬件和软件的功能进行测试，从而优化控制系统设计，达到控制目标和各项功能要求。

程序开发是在keil uvision4 for ARM集成开发环境下进行。该开发环境适用于大多数的微控制器嵌入式应用开发。该开发环境还支持在线调试功能，可以单步调试、设置断点、观察各寄存器和变量的实时变化值，这对于系统调试是非常方便的。本系统采用STM32F103VB微处理器，编程语言为C语言。设计程序过程中，采用J－LINK在线调试器。

图7 控制流程图

程序编辑完成并通过编译之后，使用J－LINK下载器将电脑与处理器相连，在菜单栏点击Debug即可将编译好的程序下载到处理器中调试，在线调试界面如图8所示。图9所示为变量察看窗口，通过窗口可直接察看变量数据变化。程序调试完毕后，可通过片内编程器把Keil生成的OUT文件固化到STM32内部Flash存储器中［6］。

图8 系统在线调试界面

图9 变量察看窗口

5 结 束 语

基于STM32的同步碎石封层车控制系统功能完善，满足同步碎石封层工艺质量的控制要求，具有体积小、功耗低等特点。同时采用分布式控制原则，减小各模块间的干扰，大大提高了系统可靠性。路面经过同步碎石封层处理后，具有良好的抗滑性能和防渗水性能，能有效治愈路面贫油、掉粒、轻微网裂、车辙、沉陷等病害，主要用于道路的预防性养护和修复性养护，无论是高速公路还是普通公路都可以使用此项养护技术［7］。

［1］张新荣，焦生杰.同步碎石封层技术及设备［J］.筑路机械与施工机械化，2004，21(11):1 －4.

［2］强召雷.同步碎石封层车控制系统研究［D］.西安:长安大学工程机械学院，2007.

［3］饶运涛，邹继军，郑勇芸，等.现场总线CAN原理与应用技术(2版)［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［4］李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.01

［5］DICKEY－john Corp.DjCCS100 ANHYDROUS AMMONIA CONTROL SYSTEM INSTALLATION AND OPERATING MANUAL:U.S，US7036441 B2［P］.2006 －5 －2［2012 － 12 － 8］.http://patft.uspto.gov/netacgi/nph －Parser.

［6］STMicroelectronics.STM32F103datasheet ［EB/OL］.Switzerland:STMicroelectronics，2007［2012 － 10 － 5］.http://www. st. com/stonline/products/literature/ds/13587.pdf.

［7］唐承铁.同步碎石封层在高速公路建设和养护中的推广应用研究［J］.湖南交通科技，2008(1):16－18.