一種可聯網的數顯電動機保護器的設計

蘇州健雄職業技術學院智能制造學院 程瑞龍

引言

電動機已成為工業中不可或缺的動力系統，為了生產安全，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]。目前市場大多數電動機保護器可以監測電動機的工作狀態，并通過數字顯示端將電動機的狀態信息反饋給維護人員，并對突發情況進行斷電保護，但是難以直接實時監控電動機運行狀態。現在市場上主流的電動機保護器具備通信功能的，大多數采用485 通信接口，將數據上傳到PC 機，并由PC 機接入網絡，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，產品使用過程中需要維護人員定期巡查。為實現對電動機工作狀態的實時監視和遠程控制，有必要對現有的電動機保護器功能進行升級，以滿足智能物聯網終端的需求。

1 概述

整個保護器系統由電源模塊、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相關參數，電流檢測模塊進行電流檢測，并將檢測數據發送給單片機控制模塊，由單片機控制模塊向外發出控制指令，顯示模塊用來顯示電動機的相關信息以及相關參數設置情況，系統通過WiFi 模塊接入互聯網連接云端服務器，單片機控制模塊將電動機保護器系統的運行狀態信息打包送到WiFi 模塊，通過WiFi 模塊連接互聯網將電動機運行的狀態信息上傳到云端服務器，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器，獲取相關信息。在需要對遠程對系統進行控制的時候可以進入管理員模式發送相關控制指令，通過網絡發送給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出相應控制。

2 系統結構

本系統以ATmega16 單片機為核心控制芯片，電源模塊為直流穩壓電源模塊，為系統提供+5V、+3.3V 電壓供其余各模塊使用，顯示模塊顯示系統相關參數，用戶可以通過按鍵輸入修改系統參數或者查詢系統信息，電流檢測模塊檢測電動機運行電流情況，并將相關數據發送給單片機，由單片機進行分析并控制繼電器模塊對電動機運行狀態進行控制。單片機通過串口通信模塊將電動機運行的狀態信息的數據打包發送給WiFi 模塊，通過WiFi 模塊連接互聯網將電動機運行的狀態信息上傳到云端服務器，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器，獲取相關信息。在需要遠程對系統進行控制的時候可以進入管理員模式發送相關控制指令，通過網絡發送給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出相應控制。具體結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

3 硬件部分

在可聯網的電動機保護器中，ATmega16 單片機是電動機控制系統的核心，如圖2 所示電動機保護器的性能主要取決于單片機的優越性和穩定性，ATmega16 單片機是基于增強的AVR RISC 結構的低功耗8 位CMOS 微控制器， 運行速度高達1MIPS/MHz，內部集成16K 字節的系統內可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512 字節EEPROM，1K 字節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，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數器（T/C），片內/ 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。

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，相當于在原來無線WiFi 的基礎上加了一個CPU，其內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，以及百兆以太網交換機[3]。僅需要很少外圍器件就可以實現2.4GHz 802.11n 無線產品。如果產品附近提供以太網連接，通過該模塊可以直接跟以太網連接，如果直接網絡連接比較麻煩，也可以通過WiFi 跟網絡連接。鑒于以上兩點，本系統選擇了RT5350 模塊將數據上傳至網絡。

圖2 RT5350 模塊控制電路圖

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

4 軟件部分

4.1 可聯網的電動機保護器系統軟件設計

本系統通過按鍵輸入模塊設置系統相關參數，通過電流檢測模塊監測電機運行狀態并將數據實時傳遞給單片機，單片機得到數據后在顯示模塊上顯示相關狀態，并將數據通過串口通信模塊傳送給WiFi 模塊，由WiFi 模塊連接互聯網將數據傳送至云端服務器。維護人員通過遠程客戶端訪問云端服務器，接收數據并顯示。這樣可以實現遠程獲取電動機運行狀態，如果需要對系統進行遠程控制，在客戶端進入管理員模式，發送相應控制指令，并通過云端服務器將控制指令送達WiFi 模塊，WiFi 模塊將相應指令通過串口通信模塊傳送給單片機，單片機根據接收的指令，通過繼電器執行相應操作。具體流程如圖3 所示。

圖3 系統流程圖

4.2 EEPROM 存儲

在系統運行過程中隨時可能會發生斷電情況，本系統要求斷電后電動機的狀態和設定參數能夠保持，本系統采用24C02 進行數據存儲，用于保存電動機運行狀態和相關設定參數，系統每次上電后首先讀取24C02 里面的數據。用戶每次修改參數或系統運行時間超過30 分鐘，相關數據將自動保存到EEPROM中。

4.3 中斷服務程序

可聯網的電動機保護器要求系統能夠及時響應緊急情況，如電動機運行故障、傳感器故障或發生緊急報警等情況，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程序，觸發中斷之后立即進入報警模式中外，還需實時修改EEPROM中的數據。由于系統涉及到時間要求不高，本系統采用了AVR 單片機內部定時器1 來及時計時。

4.4 RT5350 模塊的控制程序

本系統聯網功能綜合考慮現場有無網線和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實現數據雙向傳輸。AVR 單片機發送指令，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信息打包發送給RT5350 模塊，RT5350 模塊通過WiFi 或者以太網將數據傳輸到云端，用戶通過訪問云端獲得電動機運行狀態信息。用戶可以在進入管理模式對系統相關參數進行修改，通過云端將相關指令傳送給RT5350 模塊，由RT5350 模塊將相關指令傳送給AVR 單片機，由單片機將參數存入EEPROM并控制繼電器模塊執行指令。具體流程圖如圖4 所示。

圖4 RT5350 模塊工作流程圖

5 結語

本系統在AVR 單片機核心控制基礎上，采用了電流檢測傳感器檢測電動機運行狀態，利用中斷進入報警模式，并在開始系統程序之前添加了一鍵恢復出廠設置功能按鍵。在調試的過程中，采用的內部EEPROM讀寫相關需要保存的數據，在小批量測試階段發現，有丟數據的現象，后改用24C02 解決問題。

該可聯網電動機保護器的設計成本較低，具有較高的應用價值，能夠將電機運行的狀態利用WiFi 或者以太網兩種方式，將數據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網的局域性。