蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院 程瑞龍

引言

電動機已成為工業(yè)中不可或缺的動力系統(tǒng)，為了生產(chǎn)安全，大部分電動機都安裝了各種保護裝置，如熱繼電器保護、過載保護、缺相保護、三相不平衡保護等[1]。目前市場大多數(shù)電動機保護器可以監(jiān)測電動機的工作狀態(tài)，并通過數(shù)字顯示端將電動機的狀態(tài)信息反饋給維護人員，并對突發(fā)情況進行斷電保護，但是難以直接實時監(jiān)控電動機運行狀態(tài)?，F(xiàn)在市場上主流的電動機保護器具備通信功能的，大多數(shù)采用485 通信接口，將數(shù)據(jù)上傳到PC 機，并由PC 機接入網(wǎng)絡(luò)，該通信方式在施工和布線上存在一定困難，而且要提供一臺PC機與之連接。因此，產(chǎn)品使用過程中需要維護人員定期巡查。為實現(xiàn)對電動機工作狀態(tài)的實時監(jiān)視和遠程控制，有必要對現(xiàn)有的電動機保護器功能進行升級，以滿足智能物聯(lián)網(wǎng)終端的需求。

1 概述

整個保護器系統(tǒng)由電源模塊、按鍵輸入模塊、單片機控制模塊、電流檢測模塊、輸出模塊、顯示模塊、WiFi 模塊組成，其中電源模塊為其他所有模塊供電，單片機控制模塊掃描按鍵輸入模塊檢測按鍵輸入情況，用戶可以通過按鍵輸入修改系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，電流檢測模塊進行電流檢測，并將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機控制模塊，由單片機控制模塊向外發(fā)出控制指令，顯示模塊用來顯示電動機的相關(guān)信息以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況，系統(tǒng)通過WiFi 模塊接入互聯(lián)網(wǎng)連接云端服務(wù)器，單片機控制模塊將電動機保護器系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息打包送到WiFi 模塊，通過WiFi 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)將電動機運行的狀態(tài)信息上傳到云端服務(wù)器，以供遠程客戶端訪問。維護人員可以通過遠程客戶端如手機APP、平板或者PC 客戶端通過訪問云端服務(wù)器，獲取相關(guān)信息。在需要對遠程對系統(tǒng)進行控制的時候可以進入管理員模式發(fā)送相關(guān)控制指令，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給WiFi 模塊，并通過WiFi 模塊將指令傳送給單片機控制模塊，由單片機控制模塊其他模塊發(fā)出相應(yīng)控制。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以ATmega16 單片機為核心控制芯片，電源模塊為直流穩(wěn)壓電源模塊，為系統(tǒng)提供+5V、+3.3V 電壓供其余各模塊使用，顯示模塊顯示系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，用戶可以通過按鍵輸入修改系統(tǒng)參數(shù)或者查詢系統(tǒng)信息，電流檢測模塊檢測電動機運行電流情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，由單片機進行分析并控制繼電器模塊對電動機運行狀態(tài)進行控制。單片機通過串口通信模塊將電動機運行的狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給WiFi 模塊，通過WiFi 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)將電動機運行的狀態(tài)信息上傳到云端服務(wù)器，以供遠程客戶端訪問，維護人員可以通過遠程客戶端如手機APP、平板或者PC 客戶端通過訪問云端服務(wù)器，獲取相關(guān)信息。在需要遠程對系統(tǒng)進行控制的時候可以進入管理員模式發(fā)送相關(guān)控制指令，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給WiFi 模塊，并通過WiFi 模塊將指令傳送給單片機控制模塊，由單片機控制模塊對其他模塊發(fā)出相應(yīng)控制。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件部分

在可聯(lián)網(wǎng)的電動機保護器中，ATmega16 單片機是電動機控制系統(tǒng)的核心，如圖2 所示電動機保護器的性能主要取決于單片機的優(yōu)越性和穩(wěn)定性，ATmega16 單片機是基于增強的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS 微控制器， 運行速度高達1MIPS/MHz，內(nèi)部集成16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/ 外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP 封裝）的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式等功能[2]。利用GCC AVR 和ICC AVR 可對它進行編程，與普通的51 單片機兼容支持C 語言開發(fā)。

WiFi 模塊采用RT5350 模塊，RT5350 是由Ralink 公司2010年左右推出的一款芯片，相當(dāng)于在原來無線WiFi 的基礎(chǔ)上加了一個CPU，其內(nèi)部集成了基帶處理器、射頻、射頻功率放大器，外加一顆高性能的CPU，以及百兆以太網(wǎng)交換機[3]。僅需要很少外圍器件就可以實現(xiàn)2.4GHz 802.11n 無線產(chǎn)品。如果產(chǎn)品附近提供以太網(wǎng)連接，通過該模塊可以直接跟以太網(wǎng)連接，如果直接網(wǎng)絡(luò)連接比較麻煩，也可以通過WiFi 跟網(wǎng)絡(luò)連接。鑒于以上兩點，本系統(tǒng)選擇了RT5350 模塊將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)。

圖2 RT5350 模塊控制電路圖

系統(tǒng)電源部分采用的是LM2575 電源穩(wěn)壓芯片，提供+5V直流穩(wěn)壓電源，又通過SPX1117 電源穩(wěn)壓芯片，來為系統(tǒng)提供3.3V 直流穩(wěn)壓電源，這兩款芯片具有穩(wěn)壓效果好，電源紋波小，而且體積相對較小的優(yōu)點。

4 軟件部分

4.1 可聯(lián)網(wǎng)的電動機保護器系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)通過按鍵輸入模塊設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，通過電流檢測模塊監(jiān)測電機運行狀態(tài)并將數(shù)據(jù)實時傳遞給單片機，單片機得到數(shù)據(jù)后在顯示模塊上顯示相關(guān)狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)通過串口通信模塊傳送給WiFi 模塊，由WiFi 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至云端服務(wù)器。維護人員通過遠程客戶端訪問云端服務(wù)器，接收數(shù)據(jù)并顯示。這樣可以實現(xiàn)遠程獲取電動機運行狀態(tài)，如果需要對系統(tǒng)進行遠程控制，在客戶端進入管理員模式，發(fā)送相應(yīng)控制指令，并通過云端服務(wù)器將控制指令送達WiFi 模塊，WiFi 模塊將相應(yīng)指令通過串口通信模塊傳送給單片機，單片機根據(jù)接收的指令，通過繼電器執(zhí)行相應(yīng)操作。具體流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

4.2 EEPROM 存儲

在系統(tǒng)運行過程中隨時可能會發(fā)生斷電情況，本系統(tǒng)要求斷電后電動機的狀態(tài)和設(shè)定參數(shù)能夠保持，本系統(tǒng)采用24C02 進行數(shù)據(jù)存儲，用于保存電動機運行狀態(tài)和相關(guān)設(shè)定參數(shù)，系統(tǒng)每次上電后首先讀取24C02 里面的數(shù)據(jù)。用戶每次修改參數(shù)或系統(tǒng)運行時間超過30 分鐘，相關(guān)數(shù)據(jù)將自動保存到EEPROM中。

4.3 中斷服務(wù)程序

可聯(lián)網(wǎng)的電動機保護器要求系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)緊急情況，如電動機運行故障、傳感器故障或發(fā)生緊急報警等情況，要求立即切換到報警模式中，所以報警啟動采用的中斷服務(wù)程序，觸發(fā)中斷之后立即進入報警模式中外，還需實時修改EEPROM中的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)涉及到時間要求不高，本系統(tǒng)采用了AVR 單片機內(nèi)部定時器1 來及時計時。

4.4 RT5350 模塊的控制程序

本系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能綜合考慮現(xiàn)場有無網(wǎng)線和WiFi 信號的情況，采用RT5350 來完成WiFi 信號的傳輸或者直接接入以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。AVR 單片機發(fā)送指令，選擇RT5350 工作模式，AVR 單片機通過串口通信模塊將電動機運行的狀態(tài)信息打包發(fā)送給RT5350 模塊，RT5350 模塊通過WiFi 或者以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍脩敉ㄟ^訪問云端獲得電動機運行狀態(tài)信息。用戶可以在進入管理模式對系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行修改，通過云端將相關(guān)指令傳送給RT5350 模塊，由RT5350 模塊將相關(guān)指令傳送給AVR 單片機，由單片機將參數(shù)存入EEPROM并控制繼電器模塊執(zhí)行指令。具體流程圖如圖4 所示。

圖4 RT5350 模塊工作流程圖

5 結(jié)語

本系統(tǒng)在AVR 單片機核心控制基礎(chǔ)上，采用了電流檢測傳感器檢測電動機運行狀態(tài)，利用中斷進入報警模式，并在開始系統(tǒng)程序之前添加了一鍵恢復(fù)出廠設(shè)置功能按鍵。在調(diào)試的過程中，采用的內(nèi)部EEPROM讀寫相關(guān)需要保存的數(shù)據(jù)，在小批量測試階段發(fā)現(xiàn)，有丟數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，后改用24C02 解決問題。

該可聯(lián)網(wǎng)電動機保護器的設(shè)計成本較低，具有較高的應(yīng)用價值，能夠?qū)㈦姍C運行的狀態(tài)利用WiFi 或者以太網(wǎng)兩種方式，將數(shù)據(jù)上傳到云端供用戶讀取和控制。很好地解決了原電動機保護器聯(lián)網(wǎng)的局域性。