采用STM32F103ZET6的移动应急照明电源人机交互系统设计

李路遥，王志新，邹建龙

(1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.嘉兴清源电气科技有限公司，浙江嘉兴 314031)

电力部门进行户外检修作业时，需要便携的照明电源和稳定的电力供应，移动应急照明电源能够实现以上功能。论文结合实际应用，针对该移动应急照明电源设计了一套人机交互系统。该系统采用基于ARMCortex-M3系列芯片STM32F103ZET6的红牛开发板作为控制器，触摸屏作为显示器和输入设备，与具有信号采集功能的电信号调理电路和固态继电器驱动电路一起，实现了移动电源工况的实时监控和触摸开关功能，能够及时准确地向操作者提供该移动电源的工作状态、运行数据，并有效传输和处理操作者输入的指令。经实际应用测试，表明该系统能够及时准确地跟踪和显示移动电源的工况，对操作者输入的指令也能及时、准确地做出反应。

1 概述

人机交互系统(human-machine-interface system,HMI)旨在通过计算机的输入、输出设备，以有效的方式实现人类与计算机的对话。围绕锂电池的工况监视和运行控制功能而设计的人机交互系统，一般以单片机作为主控部分，将设备运行信息和操作者控制信息经过相应的调理电路转换后送入单片机，单片机通过数据运算和逻辑分析发出信号，用于显示工况信息或传输控制指令[1-3]。

图1为应用于移动应急照明电源的人机交互系统结构框图，由触摸屏模块、控制器、电信号调理电路、固态继电器电路以及移动电源模块组成。

其中，控制器采用基于ARMCortex-M3系列芯片STM32F103ZET6的红牛开发板，接收触摸屏输入的控制指令和移动电源模块通过调理电路后输入的工况信息，分别输出控制指令和显示信息传递给固态继电器和触摸屏模块。

图1 人机交互系统结构框图

电信号调理电路的功能在于将移动电源的电流、电压信息变换为合适范围的电平信号送入控制器的AD端口；固态继电器电路的功能在于将控制器GPIO口发出的电平信号变换为合适功率以驱动固态继电器的开断，从而控制移动电源的充、放电过程。

实际应用中，控制器的AD端口接收调理电路处理后的移动电源的充、放电电流和端电压，将模拟量转化为数字量并在触摸屏上显示；用户通过点击触摸屏上相应开关发出控制充、放电过程的开关指令，触摸屏上有点击动作后控制器相应的GPIO口电平翻转，通过固态继电器电路实现对充、放电回路的开断控制[4-5]。

2 移动应急照明电源的构成与功能

移动应急照明电源由锂电池组、充电部分、供电部分和LED灯具构成。

移动应急照明电源的主体为锂电池组，在充电过程中存储电能，在供电过程中释放电能，其规格为24 V/40 Ah，7串2并。

充电部分有太阳能充电和市电充电两个接口，有稳定供电条件的情况下可以通过220 V交流市电进行充电，野外作业中电池电量不够时可通过太阳电池组件进行太阳能充电，充分体现移动电源的灵活性。

供电部分由直流变换部分和逆变器组成。直流变换部分通过两个小功率模块电源，将锂电池组两端数值为24 V的直流电分别变换为12和5 V电压等级。12 V直流输出为箱体封装的散热风扇供电，5 V直流输出通过USB接口在用户需要的情况下对外供电。逆变器将锂电池组两端的直流电压逆变为220V，50Hz的交流电压，可以为使用市电的电器供电。

两只规格为24 V/24W的LED灯头直接连接至锂电池组的正负极。

在工作过程中，锂电池电量充足时，可为LED灯具供电，LED灯具实现照明功能；直流的USB供电接口和交流的220 V接口也可对外供电。锂电池组电量不足时，可通过太阳能充电部分进行充电，若能与电网连接，也可直接通过市电充电部分进行充电。

3 电信号调理电路

人机交互系统通过触摸屏显示移动电源的充、放电电流和锂电池的端电压，电信号调理电路可将以上信息变换为合适的电平送入控制器AD端口进行进一步的处理。

由集成运放及外围电阻构成的放大电路如图2所示[6]。0.5Ω阻值电阻为采样电阻，其他为普通碳膜电阻，充、放电电流流经采样电阻得到采样电压，经过放大电路送入控制器AD端口。

图2 电流采样及放大电路

4 固态继电器电路

固态继电器（SSR）是由固态元件组成的无触点开关，驱动功率小、可靠性好、抗干扰性强、开关速度快，且能与TTL、CMOS电路兼容[7-10]，故本系统选其做开关。固态继电器电路如图3所示。

图3 固态继电器电路

其中，三极管放大电路用于放大控制器GPIO口输出的电流，以驱动固态继电器。

GPIO口输出高电平时，固态继电器导通，效果相当于开关在“ON”状态；GPIO口输出低电平时，固态继电器导通，效果相当于开关在“OFF”状态。

5 触摸屏模块

触摸屏模块的作用在于以触摸屏代替机械开关，实现对各部分电路开断的控制。为了区分操作者点击同级菜单不同位置而传达的不同控制意图，触摸屏模块需要给出有助于控制器对触点进行定位的有效信息。

采用四线电阻触摸屏，由两个透明电阻膜构成，在它的水平和垂直电阻网上施加电压，就可通过A/D转换面板在触摸点测量出电压，从而对应出坐标值。

触摸屏转换接口芯片采用ADS7843，它是TI公司生产的4线电阻触摸屏转换接口芯片，是一款具有同步串行接口的12位取样数模转换器。ADS7843与控制器STM32F103ZET6之间采用SPI通信，ADS7843将经过A/D转换后的电压信号送入控制器，控制器经过运算得到触点位置。

6 程序设计

触摸屏模块及外围电路与控制器相互之间的信号传递如图4所示。

图4 人机交互系统信号传递框图

控制器从触摸屏模块接收ADS7843转换后输出的触摸点处测得的电压值，通过数值换算得到触摸点在触摸屏上的坐标[5]；并向触摸屏模块输出液晶显示指令，液晶显示功能由液晶显示屏驱动器SSD1963和TFT(薄膜场效应晶体管)共同实现。

电信号调理电路将采集并处理过的锂电池端电压及充、放电电流送入控制器AD端口，控制器进行AD转换后输出显示指令，将移动电源工况显示在触摸屏上。

控制器接收触摸屏模块输出的触摸点电压值，换算成坐标后通过GPIO口向各固态继电器电路输出相应的开关控制信号，控制各电路的开断情况。

程序流程如图5所示。

图5 程序流程

初始化程序中，主要完成对控制器与各芯片接口的定义，对控制芯片的外设如AD转换器、GPIO端口及SPI通信接口的初始化。

开始菜单中显示有整个装置的主开关，控制器在循环等待的过程中若检测到此开关被点击，则GPIO口发出信号驱动SSR将LED灯具与锂电池组的正负极接通，此时LED灯具可通过与之相连的机械开关控制亮灭；同时触摸屏显示主菜单。

主菜单显示电信号调理电路送入AD端口经过AD转换和运算后的锂电池组电压及充、放电电流；主菜单中显示三个开关，分别为充电开关、供电开关、电源开关——充电开关控制太阳能及市电充电回路与锂电池组的电气连接，供电开关控制锂电池组与5 V直流变换器的电气连接，电源开关控制LED灯具与锂电池组的电气连接。

在第二个循环等待的过程中，如果有按键按下，通过触点区域判断开关，调用不同的子程序实现不同功能。若是“电源开关”被按下，则程序回到开始菜单，设备进入待机状态。

7 实验结果

开发板上电后，点击触摸屏开始菜单上“电源开关”字样，设备打开，触摸屏上显示主菜单，移动电源回路连通，主菜单上显示移动电源的端电压、放电及充电电流，此时可将LED灯打开实现照明功能；此时如点击主菜单上“放电开关”字样，若点击次数为单数，则移动电源放电功能开启，若点击次数为偶数，则移动电源停止放电；如点击主菜单上“充电开关”字样，若点击次数为单数，则移动电源开始充电，若点击次数为偶数，则移动电源停止充电；如点击主菜单上“电源开关”字样，则断开移动电源回路，设备关闭。实验操作流程图如图6所示。

图6 实验操作流程图

8 结论

本文为了解决移动应急照明电源的工况跟踪问题，提高能量利用率，采用STM32F103ZET6芯片作为控制器，结合相应的外设和外围电路，设计了一个具有液晶显示和触摸控制功能的人机交互系统。实验表明，该系统反应灵敏，示数精确，对移动应急照明电源的运行能发挥良好的辅助作用。

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