光伏控制逆變一體機的人機接口模塊設計

潘衛衛，鄭常寶，高 杰，馬昕晨

（安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601）

1 引 言

近年來，隨著光伏發電技術的迅速發展，一些光伏發電設備已經步入人們的生活，本文涉及的光伏控制逆變一體機（以下簡稱“一體機”）是戶用500W單相光伏離網逆變器設備。為了實時監測逆變器設備的運行參數，人與機器設備之間很好的進行信息交流，人機交互系統是控制系統的重要組成部分［1］。目前有些設備采用機械式電表顯示電流、電壓、電量等工作參數，顯示的穩定性和準確性都不是很好，本文基于此設計一體機的人機界面，通過LCD液晶顯示器進行人機交互，顯示更加直觀［2］。LCD液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗低、壽命長、穩定性高等諸多優點，已經在數字控制系統和電子儀表等領域得到了極為廣泛的應用［3］。

本文設計的人機接口界面由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括主控芯片、液晶屏、通信接口、液晶屏和主控芯片的外圍電路以及人體紅外感應模塊電路組成，軟件主要包括通信、液晶屏控制、EEPROM使用、人體紅外感應中斷以及發電量計算等部分組成。通過實驗，液晶顯示模塊與一體機進行連接取得了良好的效果，能穩定顯示一體機的運行參數，具有一定的實際意義。

2 系統硬件電路設計

本設計采用宏晶科技公司生產的單時鐘／機器周期（1T）的單片機STC12C5A60S2，這是一款高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，此單片機內部集成MAX810專用復位電路，共有2路PWM，8路高速10位A／D轉換，具有EEPROM 功 能，利 用ISP／IAP 技 術 將 Data Flash當EEPROM使用，可擦寫次數達到10萬次。其通用I／O口可設置成4種工作模式：準雙向口／弱上拉、強推挽／強上拉、僅為輸入／高阻、開漏，每個I／O口驅動能力均可達到20mA，具有7路外部中斷I／O口，傳統的下降沿中斷或低電平觸發中斷，并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒［4］。同時，此單片機具有強抗干擾能力，適合于強干擾場合，價格便宜，可以降低設備的成本。這些特點可以滿足本設計的需求。

采用的液晶模塊是深圳市晶聯訊電子有限公司生產的帶字庫的JLX12864G－1016型液晶模塊，此液晶屏由于使用方便、顯示清晰，廣泛應用于各種人機交流面板。其可以顯示128列×64行點陣單色圖片或顯示8個／行×4行16×16點陣的漢字，或顯示16個／行×8行8×8點陣的英文、數字、符號，帶字庫IC采用 UC1701X，與st7565兼容，通用性好，功能強大，穩定性好。同時此液晶屏功耗低（不帶背光1mW（3.3V，0.3 mA），帶背光不大于100mW（3.3V，30mA））。液晶驅動芯片具有強大的指令功能，可組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的要求，采用4線SPI串行接口，與控制芯片的接口簡單方便［5］。具有寬工作溫度范圍（－20℃～70℃）可以保證很強的環境適應性。

系統的總體硬件框圖如圖1所示，電路主要包括MCU模塊、液晶模塊、通信模塊及人體紅外感應模塊。

圖1 系統總體硬件框圖Fig.1 Block diagram of overall hardware system

2.1 液晶屏與MCU的硬件連接

圖2 液晶模塊與MCU連接圖Fig.2 Diagram of LCD module and MCU connection

液晶屏與MCU的硬件連接電路如圖2所示，STC12C5A60S2可以直接通過I／O口訪問液晶模塊，I／O口與液晶模塊的數據口連接，由程序控制接口產生相應的控制時序，實現對液晶顯示模塊的控制。由于單片機使用5V供電，液晶屏模塊自帶 AMS1117－3.3電源轉換芯片，將5V轉換為3.3V供給液晶IC使用，單片機I／O口可以直接與顯示屏數據口進行連接，這樣單片機中的數據直接送入液晶控制器的緩存中用來顯示，單片機的讀寫信號以及復位信號直接動過I／O口與液晶模塊的讀寫信號以及復位信號連接，控制液晶屏。

2.2 人體紅外感應模塊電路

人體紅外感應模塊電路如圖3所示，傳統的人體紅外感應采用的是熱釋電感應器檢測人體的存在［6］，本文設計的人體感應模塊電路主要有深圳誠強光電子科技有限公司生產的紅外對管組成，包括發射管和接收管，此紅外對管具有抗干擾強，感應靈敏的特點。接收管內置專用IC，可以根據不同的接收信號頻率輸出高低電平，本文選用的接收頭載波頻率為38kHz的信號，接收到38kHz信號后輸出低電平，否則輸出高電平。設計人體感應距離在20cm左右，即當人體與紅外對管保持在0～20cm距離，紅外對管可以正常檢測人體的存在。實際電路中，發射管通過三極管與單片機的38kHz方波輸出I／O口連接，此I／O口輸出設計為強推挽輸出，保證發射管的發射信號強度。

圖3 紅外模塊電路圖Fig.3 Diagram of infrared module circuit

2.3 通信電路單元

通信電路如圖4所示［7］，人機接口模塊與一體機的通信是通過RS232總線實現的，電路以MAX3232為主要通信芯片，其中“TXD232”接STC12C5A60S2單片機的發送引腳，“RXD232”接STC12C5A60S2單片機的接收引腳，“RX”、“TX”分別與一體機主控芯片的接收端和發送端連接，實現一體機設備與人機接口模塊的實時數據通信。

圖4 通信模塊電路Fig.4 Communication module circuit

3 系統的軟件設計

3.1 液晶屏的顯示控制

液晶屏的顯示控制流圖如圖5所示，液晶要正常工作，必須對液晶控制器進行初始化設置，液晶初始化部分子程序如下：

初始化必須按照嚴格的步驟執行。初始化完成后，液晶屏首先顯示一體機生產廠家圖標，歡迎界面，然后進入實時數據顯示環節，數據和圖片的顯示都是通過相關液晶顯示子函數完成的，實時數據采集是通過通信子程序完成的，同時，采用循環累加求和的方法，根據采集到的輸出電壓及輸出電流計算出輸出電量的平均值并通過液晶屏顯示，由于顯示界面一次不能將所有的參數顯示出來，設計采用滾屏的方式，每隔5s顯示界面翻轉一次，由于顯示界面是不斷更新的，每更新一次必須寫入清屏指令，才能成功顯示下一個界面。電量計算完成以后，由于單片機的EEPROM只能擦寫10萬次左右，為了保證單片機的使用壽命，設定每隔30min擦寫EEPROM一次，將當前電量存儲起來，用于斷電后的數據保護，再次上電復位后首先從EEPROM相應存儲地址讀取電量值并開始累加并通過液晶顯示。

單片機通過定時器0輸出38kHz方波信號，通過編程設置定時器初值，使單片機相應I／O口輸出占空比為50%，頻率為38kHz左右的方波，通過三極管驅驅動紅外對管模塊的發射管發射出38kHz左右的紅外信號，當有人靠近時，紅外信號通過人體反射，當紅外接收管接收到反射信號后，接收管與單片機相連的輸出引腳產生低電平信號，單片機通過查詢方式查詢到引腳低電平信號后，執行相應程序打開液晶屏背光，背光時間持續5s，5s時間后如果人離開，接收管接收不到反射回來的紅外信號，則接收管輸出引腳輸出高電平信號，單片機檢測不到低電平信號將液晶背光控制引腳置高電平關閉背光，否則再持續5s后關閉背光。

圖5 液晶控制流程圖Fig.5 Flowchart of LCD control

3.2 通信軟件設計

通信部分是此液晶顯示模塊的重要組成部分，單片機通過由MAX3232芯片組成的RS232接口與一體機進行通信，通信協議如表1所示，首先接收主機地址，從機地址，功能碼，數據數量，然后就是數據，最后接收CRC校驗碼，其中數據數量和數據都是可變的，本設計中數據數量是7，數據1和數據2分別是太陽能電壓低8位和高8位，數據3和數據4分別是蓄電池電壓的低8位和高8位，數據5是輸出電壓，數據6是輸出電流，數據7是系統狀態，CRC校驗碼是根據接收到的數據通過相關算法生成。通信子程序流程圖如圖6所示，首先初始化串口1，采用定時器1產生通信波特率。通信方式為波特率9600bps，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗，二進制數據通信［8－10］。當主機有數據發送，串口中斷響應，接收數據，將接收到的數據存放于數組中，然后根據主機地址判斷是否取數組里面的數據，主機地址正確，取數據然后進行CRC校驗，如果校驗正確，讀取數組里面的數據送液晶顯示，其中如果主機地址和CRC校驗有一處不正確，則不取數據，重新等待接收。

圖6 通信軟件流程圖Fig.6 Flowchart of communication software

表1 RS232通信協議Tab.1 RS232communication protocol

4 實驗結果

將設計的人機接口模塊與一體機實驗板進行連接，一體機實驗板沒有接入太陽能，接入24V蓄電池供電，負載是一顆100W白熾燈。打開電源開關給一體機供電，一體機開始正常工作，人機接口模塊從一體機取電后開始工作，然后打開一體機逆變開關讓其工作在逆變模式，一體機輸出接近220V／50Hz的交流電，此時負載白熾燈開始正常工作，液晶模塊正常顯示一體機系統參數，如圖7所示，液晶模塊能準確顯示一體機的運行信息。同時，通過示波器測得單片機驅動紅外發射管的驅動信號波形，如圖8所示，從圖中可以看出，驅動信號為38kHz左右，經實際測試紅外對管模塊可以正常工作。

圖7 實驗運行結果Fig.7 Results of experiment

圖8 紅外發射管驅動信號波形圖Fig.8 Infrared transmitting tube driving signal waveform

5 結 論

本文給出了一體機的人機接口模塊的設計方法，介紹了硬件設計和軟件設計。選用STC12C5A60S2單片機控制JLX12864液晶顯示，并采用人體紅外感應模塊控制液晶屏的背光，減少系統的損耗，運用RS232通信總線進行通信，實現一體機設備運行參數的實時顯示。此設計方法已經在一體機實驗板上得到了驗證，通信顯示正常，設計簡單，成本低，可以穩定的實時顯示一體機運行參數，實現一體機的人機交互，人體紅外感應模塊可以很好的起到控制液晶屏的背光的作用，既減少了系統的損耗，又可以提高液晶屏的工作壽命，此人機接口模塊具有一定的實用價值和參考價值。

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