潘衛(wèi)衛(wèi)，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(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，一些光伏發(fā)電設(shè)備已經(jīng)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(wǎng)逆變器設(shè)備。為了實時監(jiān)測逆變器設(shè)備的運行參數(shù)，人與機器設(shè)備之間很好的進行信息交流，人機交互系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分［1］。目前有些設(shè)備采用機械式電表顯示電流、電壓、電量等工作參數(shù)，顯示的穩(wěn)定性和準確性都不是很好，本文基于此設(shè)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(wěn)定性高等諸多優(yōu)點，已經(jīng)在數(shù)字控制系統(tǒng)和電子儀表等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用［3］。

本文設(shè)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(yīng)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(yīng)中斷以及發(fā)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(wěn)定顯示一體機的運行參數(shù)，具有一定的實際意義。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本設(shè)計采用宏晶科技公司生產(chǎn)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(nèi)部集成MAX810專用復位電路，共有2路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，具有EEPROM 功 能，利 用ISP／IAP 技 術(shù) 將 Data Flash當EEPROM使用，可擦寫次數(shù)達到10萬次。其通用I／O口可設(shè)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(qū)動能力均可達到20mA，具有7路外部中斷I／O口，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)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(shè)備的成本。這些特點可以滿足本設(shè)計的需求。

采用的液晶模塊是深圳市晶聯(lián)訊電子有限公司生產(chǎn)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(yīng)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(shù)字、符號，帶字庫IC采用 UC1701X，與st7565兼容，通用性好，功能強大，穩(wěn)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(qū)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(huán)境適應(yīng)性。

系統(tǒng)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(yīng)模塊。

圖1 系統(tǒng)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(shù)據(jù)口連接，由程序控制接口產(chǎn)生相應(yīng)的控制時序，實現(xiàn)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(zhuǎn)換芯片，將5V轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)口進行連接，這樣單片機中的數(shù)據(jù)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(yīng)模塊電路

人體紅外感應(yīng)模塊電路如圖3所示，傳統(tǒng)的人體紅外感應(yīng)采用的是熱釋電感應(yīng)器檢測人體的存在［6］，本文設(shè)計的人體感應(yīng)模塊電路主要有深圳誠強光電子科技有限公司生產(chǎn)的紅外對管組成，包括發(fā)射管和接收管，此紅外對管具有抗干擾強，感應(yīng)靈敏的特點。接收管內(nèi)置專用IC，可以根據(jù)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(shè)計人體感應(yīng)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(fā)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(shè)計為強推挽輸出，保證發(fā)射管的發(fā)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(xiàn)的，電路以MAX3232為主要通信芯片，其中“TXD232”接STC12C5A60S2單片機的發(fā)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(fā)送端連接，實現(xiàn)一體機設(shè)備與人機接口模塊的實時數(shù)據(jù)通信。

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

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)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(shè)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(zhí)行。初始化完成后，液晶屏首先顯示一體機生產(chǎn)廠家圖標，歡迎界面，然后進入實時數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)和圖片的顯示都是通過相關(guān)液晶顯示子函數(shù)完成的，實時數(shù)據(jù)采集是通過通信子程序完成的，同時，采用循環(huán)累加求和的方法，根據(jù)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(shù)顯示出來，設(shè)計采用滾屏的方式，每隔5s顯示界面翻轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)據(jù)保護，再次上電復位后首先從EEPROM相應(yīng)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(shè)置定時器初值，使單片機相應(yīng)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(qū)驅(qū)動紅外對管模塊的發(fā)射管發(fā)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(chǎn)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(zhí)行相應(yīng)程序打開液晶屏背光，背光時間持續(xù)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(guān)閉背光，否則再持續(xù)5s后關(guān)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(shè)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(xié)議如表1所示，首先接收主機地址，從機地址，功能碼，數(shù)據(jù)數(shù)量，然后就是數(shù)據(jù)，最后接收CRC校驗碼，其中數(shù)據(jù)數(shù)量和數(shù)據(jù)都是可變的，本設(shè)計中數(shù)據(jù)數(shù)量是7，數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2分別是太陽能電壓低8位和高8位，數(shù)據(jù)3和數(shù)據(jù)4分別是蓄電池電壓的低8位和高8位，數(shù)據(jù)5是輸出電壓，數(shù)據(jù)6是輸出電流，數(shù)據(jù)7是系統(tǒng)狀態(tài)，CRC校驗碼是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)通過相關(guān)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(chǎn)生通信波特率。通信方式為波特率9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗，二進制數(shù)據(jù)通信［8－10］。當主機有數(shù)據(jù)發(fā)送，串口中斷響應(yīng)，接收數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)存放于數(shù)組中，然后根據(jù)主機地址判斷是否取數(shù)組里面的數(shù)據(jù)，主機地址正確，取數(shù)據(jù)然后進行CRC校驗，如果校驗正確，讀取數(shù)組里面的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(xié)議Tab.1 RS232communication protocol

4 實驗結(jié)果

將設(shè)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(guān)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(guān)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(tǒng)參數(shù)，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(qū)動紅外發(fā)射管的驅(qū)動信號波形，如圖8所示，從圖中可以看出，驅(qū)動信號為38kHz左右，經(jīng)實際測試紅外對管模塊可以正常工作。

圖7 實驗運行結(jié)果Fig.7 Results of experiment

圖8 紅外發(fā)射管驅(qū)動信號波形圖Fig.8 Infrared transmitting tube driving signal waveform

5 結(jié) 論

本文給出了一體機的人機接口模塊的設(shè)計方法，介紹了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。選用STC12C5A60S2單片機控制JLX12864液晶顯示，并采用人體紅外感應(yīng)模塊控制液晶屏的背光，減少系統(tǒng)的損耗，運用RS232通信總線進行通信，實現(xiàn)一體機設(shè)備運行參數(shù)的實時顯示。此設(shè)計方法已經(jīng)在一體機實驗板上得到了驗證，通信顯示正常，設(shè)計簡單，成本低，可以穩(wěn)定的實時顯示一體機運行參數(shù)，實現(xiàn)一體機的人機交互，人體紅外感應(yīng)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(tǒng)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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