基于Arduino的電源測控系統設計

王佳棟 盧武杰 王政

摘 要： 為了實現對設備電源的檢測和控制，本系統以arduino為控制核心，采用無線測控技術，設計相應的硬件電路，應用指紋模塊對電源開關的控制，以及電流監測模塊對電源電流的監測，從而實現對設備電源的測控。

關鍵詞： 電源;arduino;測控

Power Measurement and Control system based on Arduino

Wang Jiadong ?Lu Wujie ?Wang Zheng

Guangzhou Institute，South China University of Technology GuangdongGuangzhou 510800

Abstract： In order to realize the detection and control of the power supply of the equipment，the system takes arduino as the control core，adopts the wireless measurement and control technology，designs the corresponding hardware circuit，and applies the fingerprint module to control the power switch.And the current monitoring module to monitor the power supply，so as to achieve the measurement and control of the equipment power supply.

Key words： power;arduino;measurement and control

如今，對于一些重要的用電設備或特殊的用電器件的電源的監控備受人們的關注，且產生了各式各樣的電源測控系統。[1-3]本項目基于Arduino控制器，設計一套可針對設備電源的權限管理和實時監測系統。系統以Arduino單片機作為控制中心，采用指紋模塊的識別控制功能實現設備電源使用權限的管理。在檢測上采用藍牙無線測控技術，通過讀取電流變送器輸出的電壓變化，在自主設計的上位機上進行實時顯示與提醒，實現對設備電源的實時有效監測。

1 系統框架與電路設計

電源測控系統總體框架如圖1所示，由供電單元、控制單元、交互單元、檢測單元、被測控單元組成。

各單元構成設計電路如圖2所示，供電單元由S-100-24開關電源將220V單相交流電轉化成24V直流電輸出，以滿足電流變送器、電壓變送器等元件的供電需求。24V轉5V的轉換器將S-100-24開關電源輸出24V的電壓轉化成滿足Arduino單片機等元件。

控制單元由Arduino單片機作為系統的主控制器，以引腳10為按鍵觸發按鍵位;引腳11為控制位;引腳A0則是電源電流電壓的測量檢測位，[4]交流接觸器作為三相交流電路的控制開關。單片機通過控制繼電器的常開開關的閉合與斷開以控制交流接觸器線圈通電情況，從而控制三相電的接通與斷開。

交互單元采用的是40系列的光學指紋模塊。指紋模塊在主控制器的作用下可以讓指紋成為繼電器的常開開關閉合與斷開的鑰匙，進而控制三相交電的接通，實現人與系統間的交互。[5]其中以2號指紋為總權限指紋，以控制其他指紋的權限。

檢測單元由電流變送器、電壓變送器和藍牙模塊[6]構成，利用被測電源線穿過電流變送器檢測電流情況;電壓變送器與被測電源的其中一相并聯檢測電壓情況;測得數值通過藍牙模塊發送為上位機，以實現對用電設備的監測。

被測控單元為本系統測控的用電設備，圖2示例為監控三相用電設備，通過檢測電流電壓數據反映設備的工作情況，實現遠程監視。

2 基于arduino的系統軟件設計

電源測控系統主要實現三種功能，分別為權限識別，監測管理以及權限管理，如圖3所示。其中，權限識別和權限管理本系統選用了指紋模塊來進行設計。權限管理則為對指紋存儲權限限定;權限識別設計為對指紋的識別;狀態監測即是對電流的變化進行實時檢測，然后再將電流的變化情況發送給上位機軟件，上位機再根據傳來的電流數據進行判斷設備的工作狀態。

2.1 權限管理功能

系統中權限管理采用了一個總指紋管理錄入權限的設計，功能流程如圖4所示：

（1）操作者通過上位機軟件發送權限管理的指令。

（2）arduino接收到指令后，先進行對管理人員指紋的識別。

（3）判斷是否為總權限指紋，是則允許錄入指紋，否則不允許錄入指紋。

（4）進行完指紋的錄入后，確認是否還要進行指紋的錄入，要則再進行（1）（2）（3）步，否則則退出循環。

2.2 權限識別功能

系統的權限識別針對不同的情況，設計了兩種啟動權限識別的方法。分別是硬件觸發與軟件觸發。硬件觸發本系統設計了通過按鍵啟動權限識別，而軟件觸發本系統則通過上位機進行權限識別功能的啟動。功能流程圖如圖5所示：

（1）操作者可選擇使用按鍵觸發或者使用上位機軟件來啟動權限識別。

（2）若操作者選擇了按鍵觸發，則通過長按按鍵使按鍵位處于高電平狀態，arduino檢測到按鍵位處于高電平狀態或者通過上位機軟件發送權限識別指令則進行權限識別功能。

（3）判斷是否為具有操作權限的指紋，是則控制位輸出高電平，否則控制位輸出低電平。

（4）進行完指紋的識別后，確認是否還要進行指紋的識別，要則再進行（1）（2）（3）步，否則則退出循環。

根據功能流程圖對程序進行設計。在進行設計程序時需要了解到指紋模塊在識別一個指紋時只需要進行一次指紋的錄入，錄入的指紋進行生成特征處理，然后再進行指紋匹配。指紋模塊在進行指紋匹配的時候有以下兩種方式：

（1）指紋比對方式：通過指紋傳感器，錄入要驗證指紋圖像，并進行處理，然后與模塊中指定的一個模板進行匹配，稱為指紋比對方式，即1：1方式，模塊最終給出匹配結果（通過或失敗）。

（2）指紋搜索方式：通過指紋傳感器，錄入要驗證指紋圖像，并進行處理，然后與模塊中多個模板進行匹配，稱為指紋搜索方式，即1：N方式，模塊最終給出匹配結果（通過或失敗）。

系統根據需要選擇了指紋搜索方式，設計arduino向指紋模塊發送相應指令的程序流程如圖6所示。

2.3 狀態監測功能

系統的設備狀態監測設計是基于arduino引腳讀取到的電壓值來進行設計的。先采用C#對上位機軟件進行設計[12-16]。設計好軟件后，由于arduino模擬引腳讀取到的數據為10位二進制數據，因此需要在arduino程序中將檢測位檢測到的數據需要經過一定公式的換算，換算公式為：5*（val/1024）*1000。其中val為檢測位讀取到的數據。進行了對軟件與轉換公式的設計后，就是對arduino程序的設計，流程如圖7所示。

3 調試

本系統采用安川工業機器人控制柜作為被測控單元進行調試，根據圖2電路設計完成調試平臺搭建如圖8所示。

通過操作機器人處于不同狀態并記錄檢測單元反饋數值，建立機器人狀態與讀取數值的關系如下表所示。并在上位機上進行設置，實現上位機對設備狀態的判斷及顯示。

4 結語

本系統圍繞對設備電源的檢測和控制展開設計。對設備的工作狀態進行檢測和反饋，以及通過對操作者的限定從而達到對電源的控制，并且操作者還能在上位機軟件中通過對arduino進行遠程控制，從而實現對電源的遠程檢測和控制，實現系統的電源管理，也有效的降低了電源的使用安全管理問題，提高工作效率。

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