基于STM32和RS485總線技術的智能繼電器的研究

【摘要】為了解決繼電器遠程控制，同時監測繼電器負載電能參數，保護電路安全，設計一種基于STM32 ARM微處理器為控制核心，RS485總線作為通訊接口的繼電器控制系統，研究結果表明，此設計改進了繼電器現場控制方式，能夠檢測電能參數，廣泛應用于智能家居、工業遠程控制等領域。

【關鍵詞】STM32;智能繼電器;RS485

電氣用電設備對負載的控制，繼電器是最為常見的執行部件之一，使用頻率高。使用方法一直采用被動驅動[1]，如果在繼電器控制中引入技術，能更方便用戶配置系統，就可以很好地把握設備的工作情況。智能繼電器不同于普通繼電器，它是“可編程序”的、是“通用”的、是“智能”的，即可通過網絡或總線與上位機協調工作，也可本地脫機獨立工作。

本設計在繼電器控制中引入總線技術，使得繼電器具有總線通信功能，同時采用電能檢測芯片，使系統具有電能參數檢測功能，保證系統電路的安全。系統設計包括控制電路、電能檢測電路、繼電器驅動電路和總線接口電路。

1.系統硬件設計

系統能夠實現繼電器控制的智能化，由控制電路、電能檢測電路、繼電器驅動電路、總線接口電路和電源電路組成，如圖1所示。控制電路是智能繼電器的核心電路，負責繼電器負載、電能檢測和總線接口的流程和協調控制。電能檢測電路能夠檢測繼電器負載電能參數，并把參數反饋給控制電路，作為繼電器控制過程的依據;繼電器驅動電路接受指令直接驅動繼電器動作，控制負載的連接與斷開;總線接口電路能夠通過總線與控制電路連接，傳遞繼電器遠程控制信息和電能參數信息;電源電路給系統提供工作電源。

圖1 智能繼電器系統結構圖

圖2 系統控制電路原理圖

1.1 系統控制電路

控制電路原理圖如圖2所示，由微處理器、啟動電路、復位電路、按鍵電路、液晶顯示電路等組成。控制電路的核心是芯片STM32F103VET6，是32位基于ARMCortexTM-M3核心的微控制器，工作頻率高達72MHz，指令執行速率1.25DMips/MHz，存儲容量512k，低功耗，支持9個通訊接口，JTAG接口下載調試程序[2]。啟動電路通過BOOT0和BOOT1引腳的高低電平，設置程序啟動位置，可以從用戶閃存啟動，也可以從系統存儲器啟動。復位電路完成系統上電或工作過程STM32F103VET6的復位，使系統從新執行程序。液晶顯示電路顯示系統信息、電能參數;按鍵電路設置控制參數。

1.2 電源電路

提供系統需要的工作電源，220V交流市電接入，經過變壓器降壓后，由整流橋模塊整理，后由穩壓電源芯片穩壓，輸出5V，再經三端穩壓芯片輸出3.3V，給控制電路供電。

圖3 系統電路原理圖

1.3 電能檢測電路

被檢測電壓、電流信號分別通過電壓、電流互感器，轉換成電能芯片可檢測信號，芯片輸入端有正反向二極管進行輸入限幅保護。繼電器控制總回路通斷。這里我們采用的是單相電能計量芯片ADE7753[3]，如下圖4所示，是其典型接法，測量精度高，電能計量誤差小于0.1%，SPI通訊方式，5V單電源，低功耗（25mW），芯片內部有很多寄存器，只需通過對其寄存器讀寫即可。

圖4 系統電路原理圖

1.4 繼電器驅動電路

ULN2003是一個單片高電壓、高電流的達林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對NPN達林頓管組成的。單個達林頓對的集電極電流可達500mA。如圖5所示，ULN2003驅動繼電器，芯片輸入輸出邏輯為同向邏輯。

圖5 系統電路原理圖

1.5 總線接口電路

一般的處理器都有串行總線作為通訊接口，RS485作為系統的通訊接口電路，具有傳輸距離遠，抗干擾能力強，容易與串行端口連接等特點。RS485接口電路如圖6所示，采用TI公司芯片為SN65LBC184，半雙工通信，DIR控制通信方向，DIR為高時，控制器對應接收，RX、TX與STM32處理器串行端口的收、發引腳相連。

圖6 系統總線接口電路原理圖

2.系統軟件設計

智能繼電器軟件主要包括系統初始化、電能測量和RS485通訊功能模塊，程序流程圖如圖7所示，軟件多任務采用中斷處理，保證任務處理的實時性，LCD顯示和電能檢測由T3定時器中斷處理，按鍵由T4定時器中斷處理，RS485接收在串行中斷完成，通訊處理在主函數中完成。STM32提供了標準外設庫，是一個固件函數包。該函數庫還包括每一個外設的驅動描述和應用實例，為開發者訪問底層硬件提供了一個中間API，API對該驅動程序的結構、函數和參數名稱都進行了標準化。使用固件函數庫可以大大減少用戶的程序編寫時間，進而降低開發成本。

圖7 智能繼電器程序流程圖

2.1 系統初始化

各個模塊初始化主要是完成模塊初始化，主要是引腳狀態設置，SPI總線引腳配置，設置IO引腳為SPI功能，電能檢測芯片ADE7753寄存器初始化;按鍵引腳配置;RS485引腳配置，串行端口參數配置，設置通訊波特率19200bit/s，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位，無硬件流控制，工作模式收發;時鐘配置，完成時間信息用定時器設置;LCD1602初始化，啟動顯示初始界面。

2.2 RS485通訊

協議采用MODBUS標準通訊協議，完成主機和從機之間的通訊，智能繼電器作為從機處理。通訊傳送分為獨立的信息頭，和發送的編碼數據[4]，地址碼為通訊傳送的第一個字節。每個從機都有具有唯一的地址碼，響應回送以各自的地址碼開始。功能碼是通訊傳送的第二個字節。智能繼電器只利用其中的一部分功能碼。作為主機請求發送，通過功能碼告訴從機執行什么動作。作為從機響應，從機發送的功能碼與從主機發送來的功能碼一樣，并表明從機已響應主機進行操作。數據區是根據不同的功能碼而不同，數據區可包括發送數據字節數和發送數據。

主機和智能控制器之間有握手信號聯系，握手信號包括起始碼、當前從機地址和字節數。繼電器當前狀態、繼電器控制信息和電能參數等作為數據區的數據發送。通訊過程由中斷程序和主程序分工完成，中斷程序負責接收收據，主程序負責接收數據處理和發送數據。

3.結論

利用STM32處理器和RS485總線技術設計的智能繼電器，具有技術成熟，應用穩定，性價比高等特點，能夠廣泛應用在智能家居、工業遠程控制等領域。

參考文獻

[1]王國濤，王思易.基于ADAMS的航天繼電器多余物檢測試驗條件研究[J].低壓電器，2013，03.

[2] STM32F103 Datasheet[Z].www.st.com.

[3] ADE7753 Datasheet[Z].http：//www.analog.com.

[4]毛德平，凌有鑄.一種基于RS485總線的溫度、濕度測控系統[D].安徽：安徽工程科技學院，2007.02.

作者簡介：劉彤（1972-），男，廣西工學院工學碩士，工程師，主要研究方向：控制理論與控制工程。