基于RS485的實驗室設備電源集控系統(tǒng)的設計

郭興龍

（廣州市市政職業(yè)學校，廣東廣州 510507）

0 引言

目前，教學實驗室的設備電源，由外部電箱引入實驗室，經(jīng)過總開關控制之后再分配至各個實驗設備，由各個實驗設備單獨控制，因此無法集中控制。設備電源一般是AC220V或者AC380V，當學生在教學實驗室上課的時候，可能無意中啟動設備電源，容易造成觸電事故。設備電源如果采用繼電器連線到教師機，使用船型開關啟停的集中控制模式，存在布線繁瑣、占用空間較多以及維護不方便的問題。為解決上述問題，研究并設計了基于RS-485網(wǎng)絡和STC8A單片機的集中控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)設計中，以STC8A單片機為核心控制單元，單獨控制每個設備電源的啟動或者關閉。控制單元通過RS-485網(wǎng)絡，與教師機的上位機連接，進行遠程通信[1]。教師機的上位機作為主站，其按照一定的通信協(xié)議，不斷發(fā)送指令到各個控制單元。各個控制單元作為從站，被動地接收主站指令，并對各個指令做出相應的回復。系統(tǒng)的供電，主要是通過電源整流模塊，直接將交流電壓轉換為直流，供給單片機以及各個外圍元器件使用。單片機通過小型繼電器驅動AC220V或者AC380V交流接觸器，從而控制設備的輸入電源，系統(tǒng)網(wǎng)絡整體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡整體框圖

單片機控制單元設計如圖2所示，主要由STC8A單片機、RS485接口模塊、直流電源模塊、數(shù)碼管顯示和按鍵模塊、撥碼開關模塊、負載電流檢測模塊和繼電器控制模塊等組成。STC8A單片機為核心控制器，負責系統(tǒng)的整體控制運行，根據(jù)指令控制繼電器的通斷來開啟或者關閉設備輸入電源。直流電源模塊將AC220V直接整流濾波輸出穩(wěn)定的DC5V，供給各個模塊使用。MAX485芯片為RS485通訊接口芯片，主要構成通訊網(wǎng)絡。撥碼開關模塊，設置控制單元的地址碼，該地址碼作為網(wǎng)路通訊地址碼使用。負載電流的檢測，主要通過ACS712霍爾傳感器芯片，單片機不斷采樣負載電流值，與上位機發(fā)送過來的最大負載電流值比較，超過該值，系統(tǒng)將負載電流切斷，并報警上位機，實現(xiàn)負載電流實時監(jiān)控功能，防止意外事故發(fā)生。數(shù)碼管顯示和按鍵模塊，作為人機交互接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或者輸出功能。

圖2 單片機控制單元系統(tǒng)框圖

2 單片機控制單元設計

2.1 單片機選型

根據(jù)控制單元設計要求，選用某公司生產(chǎn)的STC8A4K32S2A12單片機。STC8A4K32S2A12是一款基于MCS51內核的超高速單片機，采用LQFP44的封裝，工作電壓范圍為2.0～5.5 V，F(xiàn)lash程序存儲器為32 kB，靜態(tài)SRAM為4 kB，內部集成了24 MHz高精度IRC時鐘源，無需外部晶振。芯片具有內部看門狗和ISP/IAP在系統(tǒng)可編程/在應用可編程功能，可實現(xiàn)快速更新程序和便于程序設計。內部資源豐富，可以提供20個中斷源，5個16位定時器，2組高速串口，4組16位PCA模塊和15通道的12位ADC轉換器，同時具有SPI，I2C接口設計，便于電路設計和程序開發(fā)[2]。STC8A4K32S2A12芯片電路簡單，抗干擾能力強，典型應用電路[2]如圖3所示。

2.2 ASC712負載電流檢測電路設計

ACS712ELCTR-20A是一款低內阻、隔離電壓高達2.1 kVRMS的集成霍爾效應線性電流傳感器。檢測直流電流時，霍爾傳感器的輸出是以2.5 V作為基準的直流電壓信號。檢測信號為交流電流時，霍爾傳感器的輸出是以2.5 V作為基準直流電壓，疊加交流信號。該信號需要通過整流電路將交流信號轉換成直流信號，提供給單片機采樣。主要參數(shù)如表1所示。

主要設計電路如圖4所示：ASC712芯片通過端子接入設備電源輸入支路中，傳感器輸出電壓由VIOUT管腳輸出，經(jīng)過電阻分壓之后，經(jīng)過二極管整流穩(wěn)壓輸出之后，送到單片機ADC采樣。

圖3 STC8A4K系列單片機典型應用電路

表1 ACS712ELCTR-20A主要參數(shù)[3]

圖4 ASC712電流檢測電路

2.3 ADC采樣參考電壓電路設計

為了提高電流檢測精度，需要提高采樣參考電壓的精度。該系統(tǒng)采用MCP1541作為單片機ADC采樣的參考電壓源。MCP1541輸入電壓為4.3～4.5 V，輸出參考電壓為4.096 V，精度達到±1%，采用SOT-23封裝[4]。具有較低的紋波，紋波頻率在0.1～10 Hz范圍之內，精度達到小于或等于145uVrms，完全可以滿足系統(tǒng)設計需要。ADC采樣參考電壓電路設計如圖5所示，模擬地和數(shù)字地要分開。

圖5 ADC采樣參考電壓電路

2.4 數(shù)碼管電路設計

該系統(tǒng)中，負載電流實時值和一些參數(shù)等數(shù)據(jù)，主要通過數(shù)碼管實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、輸出功能。顯示采用3位一體的共陰極數(shù)碼管，采用動態(tài)掃描的顯示方式。動態(tài)顯示方式，相比靜態(tài)顯示方式，可極大地節(jié)約了IO管腳，電路設計如圖6所示。

圖6 數(shù)碼管顯示電路設計

2.5 單片機控制單元串口通訊電路設計

串口通訊電路設計，采用MAX485芯片完成。MAX485是一款半雙工、±20 kVESD，應用于RS485的通訊系統(tǒng)收發(fā)芯片。其通訊速率高達10 MB/s，總線連接個數(shù)高達256個，并且具有較寬的共模電壓范圍，其設計電路如圖7所示，一般在傳輸總線的兩端，并聯(lián)一個120Ω的電阻，起到阻抗匹配的作用。

2.6 單片機控制單元電源電路設計

該系統(tǒng)的單片機控制單元電源，采用WA3-220S05A3模塊產(chǎn)生+5 V電源。WA3-220S05A3是一款內部集成了變壓、整流和穩(wěn)壓濾波的開關電源，具有寬電壓范圍輸入，能夠交直兩用，低紋波、低溫升、低功耗、高效率和高可靠性的優(yōu)點，集成了過流、短路、過溫保護和自恢復的功能[5]。封裝上采用PCB板直接焊接的安裝方式，廣泛應用于工業(yè)、辦公及民用等多個領域，抗干擾能力強，比較適合用于電磁兼容惡劣的環(huán)境。其電路設計如圖8所示。電路中F1為保險絲，起到短路保護作用，5D-11是NTC熱敏電阻，作為浪涌電流限流保護用。14D-471K為壓敏電阻，作為雷擊浪涌時過壓保護用。

圖7 串口電路設計

圖8 單片機控制單元電源電路設計

圖9 程序控制主流程圖

2.7 單片機主模塊程序設計

系統(tǒng)單片機程序設計包括主程序模塊、數(shù)碼管顯示模塊、按鍵輸入檢測模塊、RS485串口通訊模塊、負載電流ADC采樣模塊和繼電器控制模塊等部分。

2.7.1 主程序設計

主程序設計如圖9所示，系統(tǒng)上電之后，將進行一些參數(shù)初始化，如定時器設置、串口參數(shù)設置以及ADC轉換設置，之后再進入主程序循環(huán)函數(shù)。主程序循環(huán)函數(shù)不斷查詢按鍵、ADC采樣更新以及上位機接收信息，查詢到相關信息之后，進入相應的處理函數(shù)并更新數(shù)據(jù)。

2.7.2 串口通訊模塊設計

串口通訊模塊設計包括字符收發(fā)、處理部分和應答等3部分。字符收發(fā)主要在串口中斷函數(shù)里處理，字符接收到完整的字符串之后，主要在主循環(huán)函數(shù)里查詢處理，并將應答信息發(fā)送給上位機。單片機與上位機的通訊，采用自定義的通訊協(xié)議，上位機主動發(fā)送命令，單片機作為從機，被動接收數(shù)據(jù)和應答上位機。為提高通訊的可靠性，防止錯誤的報文導致意外事故發(fā)生，幀的報文中，增加校驗和處理，校驗和為幀報文中除校驗和之外的所有字節(jié)累加，取低字節(jié)部分，溢出部分忽略不用。在幀的格式中，除起始符和結束符之外，其它字節(jié)拆分為兩個ASCII字符。

（1）上位機通訊幀格式字符如表2所示。例如：上位機需要控制設備的電源關閉，指令代碼是“c”（close單詞首字母的ACSII碼），上位機發(fā)送的幀為：

STX+地址高字節(jié)+地址低字節(jié)+63+ETX+校驗和高字節(jié)+校驗和低字節(jié)

表2 上位機通訊指令幀格式

（2）單片機幀應答主要有兩種，一種不帶參數(shù)的應答，一種是需要返回參數(shù)的應答。其應答格式如表3所示，如果接收到的指令不對或者校驗和不符，控制單元應答NAK。

表3 通訊應答幀格式

（3）串口通訊接收主要是在串口中斷函數(shù)里完成，數(shù)據(jù)接收采用一組緩沖寄存器，兩個指針的處理方式[6]，如圖10所示。每接收到1個數(shù)據(jù)，RxPointer指針加1，并將數(shù)據(jù)存放入寄存器組，如果指針超過數(shù)組大小，指針歸0。在通訊處理函數(shù)，先預讀數(shù)組。每讀取1個數(shù)組，ReadPointer指針加1。主循環(huán)程序中，不斷查詢是否接收到一個完整的報文，如果是完整的一個報文，才可以進入報文處理函數(shù)。再判斷報文校驗和是否正確，如果報文出錯，整個報文做丟棄處理，數(shù)據(jù)讀取處理流程如圖11所示。RxPointer和ReadPointer指針地址不能夠一樣。在通訊應答發(fā)送過程中，待發(fā)送的第一個數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器后，發(fā)送長度減1。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后進入串口中斷函數(shù)，通過判斷發(fā)送長度字節(jié)數(shù)，繼續(xù)將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器，直至待發(fā)送長度字節(jié)數(shù)為0，程序流程圖如圖12所示。

圖10 通訊接收數(shù)據(jù)緩沖器設計

圖11 數(shù)據(jù)讀取處理流程圖

圖12 發(fā)送程序流程圖

2.7.3 ADC采樣

ADC采樣主要采用中斷的處理方式。ADC轉換器啟動之后，按照一定的時間間隔自動完成一次采樣工作之后，程序進入中斷處理函數(shù)。程序讀取采樣值，并累加多次采樣結果，求取其平均值作為一次采樣的有效值，程序處理流程如圖13所示。

圖13 ADC中斷采樣程序流程圖

3 上位機軟件設計

上位機軟件界面主要是在教師機上運行，操作人員可以控制和查看每個實驗設備的電源使用情況。軟件界面采用Visual Basic 6.0編程語言編寫，功能包括遠程控制和實時監(jiān)測。串口通訊編程主要基于MSComm控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[7]，通訊協(xié)議由用戶自定義。

例如：上位機向03設備發(fā)送關閉設備電源指令，MSComm串口控件發(fā)送數(shù)據(jù)程序，如下程序所示。

MSComm1.InBufferCount=0

MSComm1.OutBufferCount=0

SendData(0)=&H02

SendData(1)=&H30

SendData(2)=&H33

SendData(3)=&H67

SendData(4)=&H03

SendData(5)=&H67

SendData(6)=&H6B

MSComm1.Output=SendData

4 總結

按以上設計方案制作的單片機控制單元樣機如圖14所示，經(jīng)過電工電子實驗室舊實驗設備的改裝使用測試，基本上能夠實現(xiàn)預期要求。整個系統(tǒng)設計重點和難點是負載電流檢測和數(shù)據(jù)通訊處理兩個部分。

通過設備電源控制系統(tǒng)的設計與制作，可以得出以下幾點結論：

（1）負載電流檢測采樣間隔周期，不能夠過長，通過反復試驗，采樣頻率采用36 kHz比較合適。如果頻率過快，導致程序反復進入ADC中斷，頻繁占用CPU，處理其它事務相對遲滯了。如果采樣周期過長，導致電流監(jiān)測不及時。

圖14 單片機控制單元樣機

（2）負載電流檢測與控制，只能夠作為輕過載保護，不能夠作為短路保護，設備電源系統(tǒng)還必須有相應的短路、漏電等保護措施。

（3）串口通訊程序的設計中，緩沖器數(shù)組數(shù)量的設置不能夠太小。如果設置過小，容易出現(xiàn)如下的情況：接收數(shù)據(jù)量過大時，已接收部分沒有及時讀取，導致接收中斷，將部分數(shù)據(jù)丟棄，從而使通訊質量下降。綜合考慮單片機的RAM容量大小，接收緩沖器長度為64個。