CN216486060U - 基于stm32的智能建筑控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于STM32的智能建筑控制器。包括STM32主控电路及与该STM32主控电路连接的电源电路、RS485通讯电路、铂电阻温度采集电路、模拟直流电压电流信号输入输出电路、数字状态量输入输出电路、HMI串口屏显示电路、报警电路。本实用新型能够完成0‑10V直流电压与4‑20mA电流的采集和输出，并在数字状态量输入输出电路采用了滤波和光耦隔离措施，增强了电路的可靠性，同时通过RS485通讯电路能够与上位机进行通信。

Description

基于STM32的智能建筑控制器

技术领域

本实用新型涉及一种基于STM32的智能建筑控制器。

背景技术

智能建筑控制器即自动化控制领域的DDC（Direct Digital Control）控制器，是直接数字控制器的英文简称。DDC控制器可以将智能建筑系统中的空气压强、温度、湿度、液位、状态等输入信号转换成系统可识别的数字信号，并经过相应的控制算法，输出模拟信号或者数字信号控制外接装置，完成电机启停控制、水阀开关控制、电动或者气动的控制阀的控制等动作。

随着现代电子技术的发展，DDC控制器的设计日益成熟。与过去的DDC控制器相比，如今市面上DDC控制器更具智能化、扩展性更强、更加节能化，且拥有较高的运算速度。因此，它很快取代了最初的DDC控制器。一些大型技术公司采用更高性能的处理器以获得更强的控制能力，但是成本太高，只适合大型建筑控制系统等领域应用。引入具有高处理速度、高性能的处理器，可以得到更好的控制性能，而且如果使用触摸屏进行人机交互，可以为使用者带来更加舒适的体验感。因此，DDC控制器与嵌入式技术相结合的发展方向成为当前市场的主流。

DDC控制器技术的革新促进了智能建筑自控系统的发展。作为智能建筑自控系统中的核心主控装置，DDC控制器拥有较快的响应速度和丰富的扩展功能，且修正能力非常高，一个终端就可以获得楼宇系统的全部信息。DDC控制器的控制方式也十分多样,可以根据楼宇系统的状况实现复杂而准确的控制，如在工业领域常见的楼宇温控系统中，通过控制算法，可以使楼宇的环境温度保持在预设值，提高用户的舒适度。

通过分布式组合的DDC控制器，智能楼宇控制系统可以完成对整个楼宇系统精确控制。将被控设备集成到一个系统中,通过编写监控程序和控制算法对整个系统进行监控,可以实现对各设备进行精确控制。一般来说,一个构建合理有效的楼宇自控系统能节省15%到25%的能耗。因此，设计完善的DDC控制器都拥有较高的能源利用率和控制能力。DDC控制器通常作为一个控制系统的核心连接到各种传感器设备和执行设备上，获取设备采集的相关信息。同时,DDC控制器还可以与多个终端连接，完成信息的共享。因此,控制器设计的优劣直接影响到整个楼宇控制系统的效率。

DDC控制器通常以性能强大的微处理器作为主控器，将自控系统中各传感设备采集的外界信息传输到CPU中进行特定的运算处理,再控制执行设备完成相应动作。DDC控制器最主要特点之一便在于从外界信息的采集到受控设备输出信号各个环节都是以数字控制的方式设计与实现的，且能实现精密控制、报警管理、控制、监视等功能。因而，它能同时完成对不同设备的控制要求。所以，DDC控制器在工业自控领域中拥有着较大的发展空间。

DDC控制器的起源可追溯到上世纪70年代。在当时，更优的数字控制方式逐渐开始替代模拟控制方式，控制器的技术也慢慢初具规模，开始应用在工业领域上。80年代初期，自控技术在各领域开始得到广泛应用，一些西方发达国家开始重视DDC控制器广泛的市场前景，DDC控制器开始进入高速发展期，且在末期逐渐传入中国市场。至90年代初期，随着技术的不断优化，DDC控制器的设计已经趋于完善。到目前为止，DDC控制器还在一些大型民用建筑中应用广泛。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于STM32的智能建筑控制器，能够完成0-10V直流电压与4-20mA电流的采集和输出，并在数字状态量输入输出电路采用了滤波和光耦隔离措施，增强了电路的可靠性，同时通过RS485通讯电路能够与上位机进行通信。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种基于STM32的智能建筑控制器，包括STM32主控电路及与该STM32主控电路连接的电源电路、RS485通讯电路、铂电阻温度采集电路、模拟直流电压电流信号输入输出电路、数字状态量输入输出电路、HMI串口屏显示电路、报警电路。

在本实用新型一实施例中，所述STM32主控电路包括STM32单片机电路及与其连接的外围电路。

在本实用新型一实施例中，所述外围电路包括时钟电路、复位电路。

在本实用新型一实施例中，所述电源电路采用ST L7812芯片、TI LM2596-5.0芯片、LM1117-3.3芯片分别作为整个控制器的12V、5V、3.3V电源输出。

在本实用新型一实施例中，所述模拟直流电压电流信号输入输出电路包括0-10V直流电压输入输出单元和4-20mA电流输入输出单元。

在本实用新型一实施例中，所述数字状态量输入输出电路包括经过隔离保护的I/O口状态量输入输出单元。

在本实用新型一实施例中，所述铂电阻温度采集电路采用铂热电阻PT100。

在本实用新型一实施例中，所述RS485通讯电路采用MAX485芯片。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

（1）电源电路采用工业常用标准+24V电压输入，并配备了+24V电源适配器；

（2）直流电压电流输入输出电路主要从模拟/数字转换电路与数字/模拟转换电路方向进行考虑，完成0-10V直流电压与4-20mA电流的采集和输出；

（3）在数字输入输出电路主要基于STM32单片机的I/O端口进行设计，同时采用了滤波和光耦隔离措施，增强了电路的可靠性；

（4）通讯电路部分完成了RS-485通讯电路设计，与上位机进行通讯；

（5）显示部分设计使用HMI串口屏显示和控制各种信号变化（如水位，温湿度、压力等）。使用者可以通过STM32单片机控制设备采集和输入设备。

附图说明

图1是本实用新型基于STM32的智能建筑控制器总体设计框图。

图2是本实用新型电源电路原理图。

图3是本实用新型复位电路原理图。

图4是本实用新型时钟电路原理图。

图5是本实用新型控制器主控电路原理图。

图6是本实用新型模拟直流电压输入单元电路原理图。

图7是本实用新型模拟直流电压输出电路原理图。

图8是本实用新型状态量输入输出电路原理图。

图9是本实用新型电流转换电压电路原理图。

图10是本实用新型电压转换电流电路原理图。

图11是铂热电阻PT100的阻值与环境温度对照图。

图12是一体化温度变送器模块的输出电流值与环境温度对照图。

图13是本实用新型RS485接口电路原理图。

图14是本实用新型HMI串口屏接口电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本实用新型基于STM32的智能建筑控制器，即DDC控制器，采取 STM32单片机作为主控电路，根据设计需求配置了电源电路、RS485通讯电路、铂电阻温度采集电路、模拟直流电压电流信号输入输出电路、数字状态量输入输出电路、HMI串口屏显示电路、报警电路等单元模块，组成一个基本的DDC控制器。系统总体设计框图如图1所示。

以下对组成系统的各部分电路模块进行详细说明。

1、电源电路设计

对于一个理想的DDC控制器，电源电路的设计是非常重要的，电源电路的稳定性影响着整个控制器的工作性能。本系统中，STM32单片机采用+5V供电电压，直流电压电流输入输出电路需要+12V电源电压，HMI串口屏显示电路以及RS485通讯电路均使用+5V电源，基于光耦隔离的数字状态量输入输出电路均采用+3.3V电源供电。

考虑到控制器实际应用环境存在着信号干扰，可能会导致系统进行误动作，产生工作异常，甚至带来安全隐患。本实用新型的电源输入输出回路均采用电解电容以及旁路陶瓷电容进行滤波。

根据本实用新型电源需求分析，为保证系统在实际应用中的安全运行以及对控制器稳定性的把控，电源电路需拥有较大的功率输出。考虑到各个电路单元所需电流，本实用新型采用ST L7812芯片作为系统的+12V电源输出。为了获得更大的转换效率和长时间稳定工作，本实用新型采用TI LM2596-5.0芯片作为系统的+5V电源输出，其为一个3A电流输出降压开关型集成稳压芯片[[i]]。对于+3.3V电源输出，本实用新型采用LM1117-3.3芯片，可输出800mA电流，满足控制器电路的需求。基于上述分析，电源电路设计原理图如图2所示。

2、单片机STM32外围电路

2.1、单片机STM32

本实用新型的主控电路采用STM32单片机，该单片机芯片含有3个模拟/数字转换器、2个数字/模拟转换器满足本控制器的模拟输入输出设计需求。同时拥有3个串行收发模块，足够满足HMI串口屏显示电路和RS485通讯电路的收发接口需要。STM32F103单片机系列拥有高达72MHz的时钟频率，可以获得非常高的运行速度，满足本设计在实际楼宇控制系统中的性能需要。

2.2、复位电路和时钟电路

本实用新型的控制器复位电路原理图如图3所示。本实用新型的控制器复位电路原理图如图4所示。

3、控制器主控电路

本实用新型使用STM32单片机最小系统板作为主控电路。根据该单片机的数据手册结合控制器的基本控制原理，设计实现控制器系统的接口电路。将其功能分块设计，具体接口分布设计如下：引脚VCC5.0、GND连接+5V电源电路；引脚PC14-15、OSCIN、OSCOUT连接时钟电路；引脚RESET连接复位电路；引脚PB10-11、PD7连接RS485电路；引脚PF3-5连接状态量输入电路；引脚PE0-1连接状态量输出电路；引脚PA1、PB1、PA6-7连接直流电压电流输入电路；引脚PA4-5连接直流电压电流输出电路；引脚PA9-10连接HMI串口屏显示电路。引脚PB0连接蜂鸣器报警电路。控制器主电路图如图5所示：

4、控制器各单元电路

按照控制器系统所接收的信号类型分类，总体可以分为两类信号，即直流电压电流信号和开关状态量信号。相应的，系统分为模拟信号输入输出电路以及数字信号输入输出电路。通常，智能楼宇系统的输入模拟信号为：空气压强、温度、湿度、液位等。输出模拟信号为：电动或者气动的控制阀。输入数字信号为：风扇开关状态、电机开关状态、液位开关状态、照明灯开关状态等。输出数字信号为：电机启停控制、水阀开关控制、风扇开关控制等。

因此，考虑到工业领域中常见的模拟信号与数字信号，本系统采用0-10V直流电压和4-20mA电流输入输出单元、经过隔离保护的I/O口状态量输入输出单元，以应对工作环境的需要。

4.1、模拟直流电压输入输出电路

本实用新型直流电压输入单元的工作原理为：将实际应用环境中采集到的模拟信号通过滤波和模拟/数字转换电路把模拟信号转换为STM32单片机可读取的数字信号，并在其中进行运算控制处理。直流电压输出单元的主要功能为：将STM32单片机中运算结果通过数字/模拟转换的过程，以模拟信号的类型输出，控制连接装置。

控制器的直流电压输入单元是经过模拟/数字转换器实现模拟量转换数字量的过程，再将所转换的数据在MCU中进行进一步的运算与处理。在本实用新型中，采用的是单片机STM32内置的模拟/数字转换器。

本实用新型直流电压输入单元电路原理图如图6所示。

在直流电压输入单元电路中，电容C1和C2主要进行滤波环节，电阻R1、R2和R3、R4对输入信号进行分压，将模拟输入单元采集的0-10V的直流信号转换为STM32单片机可以进行转换的电压范围。芯片内置16通道的逐渐逼近型模拟/数字转换器，转换时间可以达到1.17 us。故满足系统要求；

在本控制器系统中，直流电压输出单元电路是将单片机CPU中运算的结果，通过数字/模拟转换器转换为控制器输出端口输出的模拟信号。

直流电压输出单元电路采用STM32单片机内置的数字/模拟转换模块，其可配置成12位的数模转换模式，具有2通道的内置模拟输出。STM32单片机有独立引出的输入参考电压VREF+，连接+3.3V电压以输出更加精准的模拟输出信号。

STM32单片机的数/模转换器输出电压范围为0-3.3V，为使输出模拟电压信号为工业标准的0-10V电压，故在数/模转换器输出端口连接了一级由运算放大器组成的同相加法器电路实现电压信号的放大，同时为保证模拟输出单元电路对继电器的驱动能力，本实用新型利用三级管在末端组成一级扩流放大电路，增强电路输出电流。在电路中，Vout=VIN(1+R6/R5）；其直流电压输出电路原理图如图7所示。

4.2、状态量输入输出电路

在楼宇智能控制器的实际应用中，除了采集模拟信号与输出模拟信号，还需要有数字信号的输入输出来完成控制，例如控制电机启停、风扇开关、照明灯亮暗、继电器开关等。考虑到实际工作环境中信号的干扰，本实用新型的数字输入输出电路均采用光耦隔离方式，防止输入数字信号对控制器的影响，增强控制器的可靠性与抗干扰能力。

当状态量输入单元电路输入端口采集到逻辑电平“1”，光耦隔离器处于关闭状态，STM32单片机I/O口输入+3.3V电压，即逻辑电平“1”；当电路输入端口采集到逻辑电平“0”时，光耦隔离器处于开启状态，STM32单片机I/O口与地相连，即逻辑电平“0”；

状态量输出单元电路主要功能为输出稳定且准确的逻辑电平“1”或“0”数字信号，控制外部连接的电机、风扇等设备装置动作。

状态量输入输出单元电路中包含滤波电容C4、C10进行滤波环节，限流电阻R7、R13使光耦隔离器TLP521在合适的电流下导通，光耦TLP521进行电路光耦隔离环节。状态量输入输出电路原理图如图8所示。

4.3、电流采集和输出电路

楼宇智能控制器接收的模拟电流输入信号大小通常为4-20mA。本电路将电流转化电压单元电路，将输入的模拟电流信号转化为STM32单片机模拟/数字转换器可分辨的模拟电压范围。将输入的电流模拟信号通过一个阻值为160欧姆的采样电阻R40、R42和GND形成一个回路。当4-20mA的电流信号流经采样电阻，再经过一个阻值为1K欧姆的限流电阻R39、R41和电容C23、C24后，在STM32单片机模/数转换器采集的输入电压范围为：160x（4-20mA）=0.64-3.2V。电流转换电压电路原理图如图9所示。

在实际工作环境中，由于电流传输的抗干扰能力优异，且4-20mA电流传输所产生的误差很小，故控制器设计了4-20mA标准范围的电流输出单元电路。设计思路为STM32单片机通过数/模转换器，输出0-3.3V的电压，再经过LM2902运算放大器组成的加法器电路输出0-10V的可控电压，最后通过高精度电压转电流模块输出标准的4-20mA电流。电压转换电流电路原理图如图10所示。

如上图10所示，设阻值为100欧姆的参考电阻R35的上下电位分别为V1和V2，根据分析易知：V1=VIN+2VR ，V2=2x（VIN+VR）。故输出电流

。上述电路中，LM324运放输出端连接了一级三极管电路，增大了本电路的输出电流。

4.4、铂电阻温度采集电路

实际铂热电阻应用中，通常根据铂电阻温度采集电路换算的替代量计算出当前的温度值。一般市场上有PT10、PT100和PT1000等类型，它们之间的区别在于温度每上升1℃，铂热电阻的阻值跨度不同。铂热电阻PT100的阻值与环境温度对照图如图11所示。

本实用新型的温度采集单元采用的是铂热电阻PT100。考虑到实际应用中温度采集地点与中央控制点的距离可能会很大，故本实用新型采用三线制接法，有效消除长距离传输时的外界干扰，大大提高了测量温度的精度。

控制器的温度采集电路采用一体化温度变送器模块，将应用环境的温度值转化为工业标准的4-20mA电流，再接入到电流采集电路，根据相应换算公式，计算出当前的环境温度信息。一体化温度变送器模块的输出电流值与环境温度对照图如图12所示。

4.5、RS485通讯电路

RS485串口通讯是如今工业领域常见的通讯方式。RS485为总线结构，当A线与B线的电位差为+（2-6V）或-（2-6V）时，表现为一种逻辑信号。在本控制器设计中，选用的RS485串行接口芯片为MAX485。该芯片中，RO与DI引脚分别通过光耦隔离连接到STM32单片机的PB10-11引脚，可以使STM32单片机通过串口与RS485总线传输数据；

和DE引脚连接在一起，通过光耦隔离与STM32单片机的PD7引脚相连，实现RS485总线结构的输入输出使能，使STM32单片机能通过A和B接口与总线进行数据传输；GND接地；A端连接到RS485接口的A端，B连接到RS485接口的B端。VCC接+5V电压。同时本实用新型也使用光耦隔离器TLP521对输入输出进行光耦隔离，增强单元电路的稳定性，RS485接口电路原理图如图13所示。

4.6、HMI串口屏显示电路

本实用新型采用HMI串口屏作为控制器的显示电路。顾名思义，串口屏就是可以通过串口进行控制的液晶显示屏。通过与HMI串口屏的交互通讯，控制器可以修改串口屏的变量参数来完成不同的功能。HMI串口屏接口电路原理图如图14所示。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于STM32的智能建筑控制器，其特征在于，包括STM32主控电路及与该STM32主控电路连接的电源电路、RS485通讯电路、铂电阻温度采集电路、模拟直流电压电流信号输入输出电路、数字状态量输入输出电路、HMI串口屏显示电路、报警电路。

2.根据权利要求1所述的基于STM32的智能建筑控制器，其特征在于，所述STM32主控电路包括STM32单片机电路及与其连接的外围电路。

3.根据权利要求2所述的基于STM32的智能建筑控制器，其特征在于，所述外围电路包括时钟电路、复位电路。

4.根据权利要求1所述的基于STM32的智能建筑控制器，其特征在于，所述电源电路采用ST L7812芯片、TI LM2596-5.0芯片、LM1117-3.3芯片分别作为整个控制器的12V、5V、3.3V电源输出。

5.根据权利要求1所述的基于STM32的智能建筑控制器，其特征在于，所述模拟直流电压电流信号输入输出电路包括0-10V直流电压输入输出单元和4-20mA电流输入输出单元。

6.根据权利要求1所述的基于STM32的智能建筑控制器，其特征在于，所述数字状态量输入输出电路包括经过隔离保护的I/O口状态量输入输出单元。

7.根据权利要求1所述的基于STM32的智能建筑控制器，其特征在于，所述铂电阻温度采集电路采用铂热电阻PT100。

8.根据权利要求1所述的基于STM32的智能建筑控制器，其特征在于，所述RS485通讯电路采用MAX485芯片。

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