郭興龍

（廣州市市政職業(yè)學(xué)校，廣東廣州 510507）

0 引言

目前，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備電源，由外部電箱引入實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)總開(kāi)關(guān)控制之后再分配至各個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由各個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備單獨(dú)控制，因此無(wú)法集中控制。設(shè)備電源一般是AC220V或者AC380V，當(dāng)學(xué)生在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室上課的時(shí)候，可能無(wú)意中啟動(dòng)設(shè)備電源，容易造成觸電事故。設(shè)備電源如果采用繼電器連線(xiàn)到教師機(jī)，使用船型開(kāi)關(guān)啟停的集中控制模式，存在布線(xiàn)繁瑣、占用空間較多以及維護(hù)不方便的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)了基于RS-485網(wǎng)絡(luò)和STC8A單片機(jī)的集中控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以STC8A單片機(jī)為核心控制單元，單獨(dú)控制每個(gè)設(shè)備電源的啟動(dòng)或者關(guān)閉?？刂茊卧ㄟ^(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò)，與教師機(jī)的上位機(jī)連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信[1]。教師機(jī)的上位機(jī)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(gè)控制單元。各個(gè)控制單元作為從站，被動(dòng)地接收主站指令，并對(duì)各個(gè)指令做出相應(yīng)的回復(fù)。系統(tǒng)的供電，主要是通過(guò)電源整流模塊，直接將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流，供給單片機(jī)以及各個(gè)外圍元器件使用。單片機(jī)通過(guò)小型繼電器驅(qū)動(dòng)AC220V或者AC380V交流接觸器，從而控制設(shè)備的輸入電源，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體框圖

單片機(jī)控制單元設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由STC8A單片機(jī)、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(kāi)關(guān)模塊、負(fù)載電流檢測(cè)模塊和繼電器控制模塊等組成。STC8A單片機(jī)為核心控制器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制運(yùn)行，根據(jù)指令控制繼電器的通斷來(lái)開(kāi)啟或者關(guān)閉設(shè)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(gè)模塊使用。MAX485芯片為RS485通訊接口芯片，主要構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)。撥碼開(kāi)關(guān)模塊，設(shè)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(fù)載電流的檢測(cè)，主要通過(guò)ACS712霍爾傳感器芯片，單片機(jī)不斷采樣負(fù)載電流值，與上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的最大負(fù)載電流值比較，超過(guò)該值，系統(tǒng)將負(fù)載電流切斷，并報(bào)警上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流實(shí)時(shí)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(jī)交互接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或者輸出功能。

圖2 單片機(jī)控制單元系統(tǒng)框圖

2 單片機(jī)控制單元設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選型

根據(jù)控制單元設(shè)計(jì)要求，選用某公司生產(chǎn)的STC8A4K32S2A12單片機(jī)。STC8A4K32S2A12是一款基于MCS51內(nèi)核的超高速單片機(jī)，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(chǔ)器為32 kB，靜態(tài)SRAM為4 kB，內(nèi)部集成了24 MHz高精度IRC時(shí)鐘源，無(wú)需外部晶振。芯片具有內(nèi)部看門(mén)狗和ISP/IAP在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程功能，可實(shí)現(xiàn)快速更新程序和便于程序設(shè)計(jì)。內(nèi)部資源豐富，可以提供20個(gè)中斷源，5個(gè)16位定時(shí)器，2組高速串口，4組16位PCA模塊和15通道的12位ADC轉(zhuǎn)換器，同時(shí)具有SPI，I2C接口設(shè)計(jì)，便于電路設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)[2]。STC8A4K32S2A12芯片電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，典型應(yīng)用電路[2]如圖3所示。

2.2 ASC712負(fù)載電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

ACS712ELCTR-20A是一款低內(nèi)阻、隔離電壓高達(dá)2.1 kVRMS的集成霍爾效應(yīng)線(xiàn)性電流傳感器。檢測(cè)直流電流時(shí)，霍爾傳感器的輸出是以2.5 V作為基準(zhǔn)的直流電壓信號(hào)。檢測(cè)信號(hào)為交流電流時(shí)，霍爾傳感器的輸出是以2.5 V作為基準(zhǔn)直流電壓，疊加交流信號(hào)。該信號(hào)需要通過(guò)整流電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，提供給單片機(jī)采樣。主要參數(shù)如表1所示。

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

圖3 STC8A4K系列單片機(jī)典型應(yīng)用電路

表1 ACS712ELCTR-20A主要參數(shù)[3]

圖4 ASC712電流檢測(cè)電路

2.3 ADC采樣參考電壓電路設(shè)計(jì)

為了提高電流檢測(cè)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(jī)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(dá)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(nèi)，精度達(dá)到小于或等于145uVrms，完全可以滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。ADC采樣參考電壓電路設(shè)計(jì)如圖5所示，模擬地和數(shù)字地要分開(kāi)。

圖5 ADC采樣參考電壓電路

2.4 數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中，負(fù)載電流實(shí)時(shí)值和一些參數(shù)等數(shù)據(jù)，主要通過(guò)數(shù)碼管實(shí)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(dòng)態(tài)掃描的顯示方式。動(dòng)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(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

2.5 單片機(jī)控制單元串口通訊電路設(shè)計(jì)

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

2.6 單片機(jī)控制單元電源電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的單片機(jī)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(nèi)部集成了變壓、整流和穩(wěn)壓濾波的開(kāi)關(guān)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(diǎn)，集成了過(guò)流、短路、過(guò)溫保護(hù)和自恢復(fù)的功能[5]。封裝上采用PCB板直接焊接的安裝方式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、辦公及民用等多個(gè)領(lǐng)域，抗干擾能力強(qiáng)，比較適合用于電磁兼容惡劣的環(huán)境。其電路設(shè)計(jì)如圖8所示。電路中F1為保險(xiǎn)絲，起到短路保護(hù)作用，5D-11是NTC熱敏電阻，作為浪涌電流限流保護(hù)用。14D-471K為壓敏電阻，作為雷擊浪涌時(shí)過(guò)壓保護(hù)用。

圖7 串口電路設(shè)計(jì)

圖8 單片機(jī)控制單元電源電路設(shè)計(jì)

圖9 程序控制主流程圖

2.7 單片機(jī)主模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)包括主程序模塊、數(shù)碼管顯示模塊、按鍵輸入檢測(cè)模塊、RS485串口通訊模塊、負(fù)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(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)如圖9所示，系統(tǒng)上電之后，將進(jìn)行一些參數(shù)初始化，如定時(shí)器設(shè)置、串口參數(shù)設(shè)置以及ADC轉(zhuǎn)換設(shè)置，之后再進(jìn)入主程序循環(huán)函數(shù)。主程序循環(huán)函數(shù)不斷查詢(xún)按鍵、ADC采樣更新以及上位機(jī)接收信息，查詢(xún)到相關(guān)信息之后，進(jìn)入相應(yīng)的處理函數(shù)并更新數(shù)據(jù)。

2.7.2 串口通訊模塊設(shè)計(jì)

串口通訊模塊設(shè)計(jì)包括字符收發(fā)、處理部分和應(yīng)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(xún)處理，并將應(yīng)答信息發(fā)送給上位機(jī)。單片機(jī)與上位機(jī)的通訊，采用自定義的通訊協(xié)議，上位機(jī)主動(dòng)發(fā)送命令，單片機(jī)作為從機(jī)，被動(dòng)接收數(shù)據(jù)和應(yīng)答上位機(jī)。為提高通訊的可靠性，防止錯(cuò)誤的報(bào)文導(dǎo)致意外事故發(fā)生，幀的報(bào)文中，增加校驗(yàn)和處理，校驗(yàn)和為幀報(bào)文中除校驗(yàn)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(jié)束符之外，其它字節(jié)拆分為兩個(gè)ASCII字符。

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

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

表2 上位機(jī)通訊指令幀格式

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

表3 通訊應(yīng)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(gè)指針的處理方式[6]，如圖10所示。每接收到1個(gè)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(guò)數(shù)組大小，指針歸0。在通訊處理函數(shù)，先預(yù)讀數(shù)組。每讀取1個(gè)數(shù)組，ReadPointer指針加1。主循環(huán)程序中，不斷查詢(xún)是否接收到一個(gè)完整的報(bào)文，如果是完整的一個(gè)報(bào)文，才可以進(jìn)入報(bào)文處理函數(shù)。再判斷報(bào)文校驗(yàn)和是否正確，如果報(bào)文出錯(cuò)，整個(gè)報(bào)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(yīng)答發(fā)送過(guò)程中，待發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送寄存器后，發(fā)送長(zhǎng)度減1。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后進(jìn)入串口中斷函數(shù)，通過(guò)判斷發(fā)送長(zhǎng)度字節(jié)數(shù)，繼續(xù)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送寄存器，直至待發(fā)送長(zhǎng)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(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換器啟動(dòng)之后，按照一定的時(shí)間間隔自動(dòng)完成一次采樣工作之后，程序進(jìn)入中斷處理函數(shù)。程序讀取采樣值，并累加多次采樣結(jié)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件界面主要是在教師機(jī)上運(yùn)行，操作人員可以控制和查看每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電源使用情況。軟件界面采用Visual Basic 6.0編程語(yǔ)言編寫(xiě)，功能包括遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。串口通訊編程主要基于MSComm控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[7]，通訊協(xié)議由用戶(hù)自定義。

例如：上位機(jī)向03設(shè)備發(fā)送關(guān)閉設(shè)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(jié)

按以上設(shè)計(jì)方案制作的單片機(jī)控制單元樣機(jī)如圖14所示，經(jīng)過(guò)電工電子實(shí)驗(yàn)室舊實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改裝使用測(cè)試，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期要求。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)是負(fù)載電流檢測(cè)和數(shù)據(jù)通訊處理兩個(gè)部分。

通過(guò)設(shè)備電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）負(fù)載電流檢測(cè)采樣間隔周期，不能夠過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，采樣頻率采用36 kHz比較合適。如果頻率過(guò)快，導(dǎo)致程序反復(fù)進(jìn)入ADC中斷，頻繁占用CPU，處理其它事務(wù)相對(duì)遲滯了。如果采樣周期過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致電流監(jiān)測(cè)不及時(shí)。

圖14 單片機(jī)控制單元樣機(jī)

（2）負(fù)載電流檢測(cè)與控制，只能夠作為輕過(guò)載保護(hù)，不能夠作為短路保護(hù)，設(shè)備電源系統(tǒng)還必須有相應(yīng)的短路、漏電等保護(hù)措施。

（3）串口通訊程序的設(shè)計(jì)中，緩沖器數(shù)組數(shù)量的設(shè)置不能夠太小。如果設(shè)置過(guò)小，容易出現(xiàn)如下的情況：接收數(shù)據(jù)量過(guò)大時(shí)，已接收部分沒(méi)有及時(shí)讀取，導(dǎo)致接收中斷，將部分?jǐn)?shù)據(jù)丟棄，從而使通訊質(zhì)量下降。綜合考慮單片機(jī)的RAM容量大小，接收緩沖器長(zhǎng)度為64個(gè)。