基于STC12C5A60S2的雙電源供電智能控制系統(tǒng)設(shè)計

引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供電連續(xù)性、可靠性的要求越來越高，對于不允許斷電的重要場合，如醫(yī)院手術(shù)室、高層建筑安全保障系統(tǒng)、熱電站、化工企業(yè)、銀行等，都要求配備至少兩路電源來保證供電的連續(xù)性。因此，需要一種能在兩路電源之間進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，以保證正在使用中的電源出現(xiàn)故障時能自動轉(zhuǎn)換到另一路正常電源。雙電源供電系統(tǒng)的應(yīng)用場合決定其可靠性尤為重要，若兩路電源不能及時進(jìn)行轉(zhuǎn)換或者轉(zhuǎn)換失敗，會給人們的生活和生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的損害。

隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，本文結(jié)合比較實用的GSM無線通訊技術(shù)，設(shè)計研制了一種工作安全可靠性高、硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的雙電源供電系統(tǒng)智能控制器。本文研究的控制器對提升該類產(chǎn)品技術(shù)水平、推動產(chǎn)品更新?lián)Q代具有重要意義，且應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文提出了基于STC12C5A60S2的雙電源供電智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對常用電和備用電電壓的實時監(jiān)測，并實現(xiàn)兩路電源安全可靠切換。同時系統(tǒng)完成對電壓數(shù)據(jù)的采集和傳輸，現(xiàn)場的顯示模塊由12864液晶和LED組成，完成簡單電壓顯示和工作模式的指示，有效數(shù)據(jù)通過GSM模塊發(fā)送到后臺監(jiān)控主機，便于統(tǒng)一管理，此外，用戶可以根據(jù)自己的要求實現(xiàn)將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到指定手機的功能。

該雙電源供電智能控制系統(tǒng)包括：電源模塊、控制器、信號檢測模塊、遠(yuǎn)程無線模塊、時鐘模塊、輸出控制模塊、鍵盤、LCD和LED人機交互模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計

2.1 控制電路

本系統(tǒng)的控制部分是以STC12C5A60S2單片為核心機構(gòu)成的最小系統(tǒng)，此外，為方便程序下載，設(shè)計了基于CH340的程序下載接口電路，單片機最小系統(tǒng)和程序下載電路如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

2.2 檢測電路

在智能控制系統(tǒng)中，檢測部分實現(xiàn)對各路電壓信號的采集、調(diào)理等功能，主要有三部分組成：交流信號隔離與采集、模擬信號通道選通、交流小信號的抬升與跟隨。

2.2.1 信號隔離采集及信號的選通

為了消除強電回路對弱電回路的影響，保護(hù)檢測回路，在采集交流信號時選用了變比為1000:1000的交流電流互感器ZMPT101B，主要作用為隔離強電回路；檢測信號多路選通的實現(xiàn)則選用了模擬開關(guān)CD4051。

如圖3所示，交流電壓信號經(jīng)過R1限流電阻，將電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)過電流互感器后，通過運放UA741再將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。

圖3 交流信號采集電路

2.2.2 交流信號抬升與跟隨

由于控制器的AD口只允許輸入0～5V的電壓信號，因此需要將正負(fù)半軸均有的交流信號進(jìn)行抬升，即在原有信號的基礎(chǔ)之上增加一個大小為2.5V的直流信號，為了防止負(fù)載對檢測信號的影響，在此后端添加電壓跟隨電路。硬件電路如圖4所示。

2.3 人機交互

系統(tǒng)中為方便用戶觀察電源工作狀態(tài)和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，鑒于輸入信息相對簡單，因此采用獨立式鍵盤；顯示方式為LED和LCD，LED用來指示各電源的工作狀態(tài)，LCD則用來顯示當(dāng)前工作電壓等信息。

圖4 信號抬升電路

圖5 無線通信電路

2.4 無線通訊模塊

本系統(tǒng)為了方便用戶統(tǒng)一管理和及時有效的得知電源的工作方式，為其配備了無線通訊功能，一方面現(xiàn)場的數(shù)據(jù)可以實時發(fā)送給后臺監(jiān)控，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時顯示出來；另一方面用戶可以通過后臺的監(jiān)控軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制與操作。此外，本系統(tǒng)中，用戶可以將部分手機配置為終端，同時具有接收數(shù)據(jù)和控制現(xiàn)場設(shè)備的功能。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括控制器軟件設(shè)計和后臺監(jiān)控軟件設(shè)計。

3.1 控制器軟件設(shè)計

按照軟件設(shè)計要求，本系統(tǒng)依然采用模塊化程序設(shè)計[6,7]，主要包括：定時器模塊、AD采樣模塊、LCD顯示模塊、串口通訊模塊等，程序流程圖如圖6所示。

圖6 控制器程序框圖

3.2 后臺監(jiān)控軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中，為方便用戶實現(xiàn)控制器統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計了基于LabVIEW的后臺監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對現(xiàn)場控制器的控制與設(shè)定，同時將現(xiàn)場的狀態(tài)與數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示。此外，系統(tǒng)具備基本的權(quán)限管理、數(shù)據(jù)庫管理等功能。LabVIEW開發(fā)的后臺監(jiān)控具有開發(fā)周期短、界面美觀、界面具備人性化等特點[8]，監(jiān)控主界面如圖8所示。

圖7 監(jiān)控主界面

4 實驗

在本系統(tǒng)中，信號采集與信號調(diào)理是實現(xiàn)控制的重要環(huán)節(jié)，因此為方便實驗，減少器件損耗，運用模擬電路仿真軟件MultiSim10進(jìn)行仿真實驗，實驗波形與實際測得波形如圖8所示。

5 總結(jié)

設(shè)計了基于STC12C5A60S2的雙電源供電智能控制系統(tǒng)，通過理論分析與實際實驗測試證明了系統(tǒng)的可行性和可靠性，該系統(tǒng)可以安全可靠地實現(xiàn)電源的自動切換，并且具備遠(yuǎn)程無線通訊和控制功能，使用戶不僅可以通過后臺了解現(xiàn)場信息，還可通過配置將自己的手機作為終端，了解和控制現(xiàn)場各控制器狀態(tài)。

圖8 仿真與實驗波形