基于單片機(jī)的智能斷電報(bào)警控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王光祥

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫交通分院，江蘇無(wú)錫 214151)

電路管理作為系統(tǒng)設(shè)施管理中必不可少的關(guān)鍵組成，隨著近年來(lái)各行業(yè)的飛速發(fā)展，要求諸多設(shè)備在運(yùn)行期間是不允許無(wú)故停機(jī)的，一旦意外出現(xiàn)停機(jī)問(wèn)題未能予以及時(shí)處理，不僅會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行期限造成很大影響，還存在引發(fā)設(shè)備安全事故的隱患。譬如醫(yī)療臨床科室磁共振系統(tǒng)，一旦氮壓機(jī)停機(jī)斷電，就會(huì)影響磁共振的冷頭制冷效果[1-2]。或者煤礦領(lǐng)域設(shè)備帶電開(kāi)蓋等問(wèn)題，電路自動(dòng)化控制及斷電報(bào)警裝置設(shè)計(jì)尤為必要。就目前一般選擇分開(kāi)安裝供電設(shè)備、報(bào)警裝置，在供電設(shè)備控制中包括了定時(shí)、人工、感應(yīng)等控制方式，報(bào)警設(shè)備包括了信號(hào)采集，識(shí)別電路等，多為電流、電壓采集信息提供給報(bào)警器[3]。但是這種電路控制分離斷電報(bào)警已經(jīng)無(wú)法滿足應(yīng)用所需，所以為了解決一般情況情況下電流斷電，報(bào)警器不會(huì)發(fā)出警報(bào)信息的情況，本文設(shè)計(jì)了一種電路自動(dòng)化控制及斷電報(bào)警裝置。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩部分，分別為硬件、軟件系統(tǒng)，其中硬件包括了電源、主控制、電采集、無(wú)線傳輸以及報(bào)警等電路；軟件包括了系統(tǒng)主程序、電壓信息采集、通信和信號(hào)解調(diào)，采集電池電壓相關(guān)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[4]。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用了HT66F489主控制芯片，該單片機(jī)作為一款具有8位高性能精簡(jiǎn)指令設(shè)備，含有RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器設(shè)備，在應(yīng)用中能夠負(fù)責(zé)序號(hào)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等非易性數(shù)據(jù)的EEPROM存儲(chǔ)器設(shè)備。芯片包含12位多通道A/D轉(zhuǎn)化器，以及定時(shí)器裝置的靈活應(yīng)用，能夠滿足該裝置的定時(shí)、脈沖生產(chǎn)以及PWM多功能。在硬件系統(tǒng)內(nèi)建部分還設(shè)計(jì)完善SPI、I2C功能、靈活化I/O應(yīng)用與時(shí)基功能特點(diǎn)。經(jīng)采集相較電路情況及時(shí)判斷異常，裝置的硬件系統(tǒng)框圖(見(jiàn)圖1)。

1.1.1 主控電路設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在該電線電路自動(dòng)化控制斷電報(bào)警裝置中，無(wú)線斷電報(bào)警電路運(yùn)用HT66F489主芯片，經(jīng)28SSOP封裝設(shè)計(jì)該電路，主要負(fù)責(zé)內(nèi)置時(shí)鐘產(chǎn)生器，設(shè)計(jì)信號(hào)解調(diào)輔助電路，帶死區(qū)保護(hù)互補(bǔ)PWM輸出，以及過(guò)電流保護(hù)電路等，對(duì)于運(yùn)用無(wú)線發(fā)射器都十分適用，同時(shí)還能夠支持低電壓復(fù)位保護(hù)。(見(jiàn)圖2)為主控制電路圖，電路主芯片的VDD腳電路接3.3V，運(yùn)用C29濾波。在該系統(tǒng)晶振分別與PB3、PB4兩腳相連接。系統(tǒng)指示燈在PC5腳部位連接電阻R44，在PC6腳連接D16及電阻R45；系統(tǒng)PC4、PC3兩腳作用于電壓采集，PD1～PD4分別用于監(jiān)測(cè)無(wú)線輸出最終結(jié)果。

1.1.2 采集電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)該裝置采集電路時(shí)，設(shè)計(jì)變壓器作降壓處理12V整流，之后分壓用于電壓數(shù)據(jù)采集，根據(jù)(見(jiàn)圖3)能夠發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)該裝置的熔斷器F2后，電路經(jīng)R39和C17濾波變壓處理形成12V交流電壓，之后D10、D11、D12、D13完成電壓整流處理，即可經(jīng)R37、R40、R41完成電流分壓，用于數(shù)據(jù)采集，相較主芯片的內(nèi)置比較器。

1.1.3 無(wú)線輸出電路設(shè)計(jì)

圖2 主控電路圖

在運(yùn)用該系統(tǒng)中可以經(jīng)無(wú)線傳輸，向管理人員遠(yuǎn)程發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果，方便管理人員及時(shí)采集電路處理措施。為了保證本次設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸電路模塊的系統(tǒng)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性，運(yùn)用了電源管理芯片HT7463A作電源穩(wěn)壓粗粒，經(jīng)C2和C27電壓輸入濾波至VIN腳，之后向SW腳經(jīng)L1和C24、C25輸出濾波，3.3V濾波輸出至無(wú)線傳輸模塊(見(jiàn)圖4)。

在HT7463A中的EN腳與該裝置的主控制芯片PD5腳相連接，能夠?qū)崿F(xiàn)電路自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，根據(jù)以上說(shuō)明本次裝置設(shè)計(jì)選用HF-LPT200無(wú)線傳輸模塊，能夠在應(yīng)用中發(fā)揮降低功耗，提高輸出速度的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該無(wú)線傳輸模塊在DVDD腳與3.3V電壓相連接(見(jiàn)圖5)。傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)TX、RX兩腳，與主控制芯片PB6與PB7腳相連接。

1.1.4 供電電路及充電電路設(shè)計(jì)

通過(guò)選用1.5V共計(jì)5節(jié)可充電電池，經(jīng)CMOS管將Q5電源級(jí)與主芯片PC0腳相連接，PC4腳與電池棚集相連接，之后監(jiān)測(cè)電池的電量情況。在電量較預(yù)定值明顯要小的時(shí)候，前端輸出12V經(jīng)D8、D9分別充電(見(jiàn)圖6)。無(wú)論電源、電池供電，都需要經(jīng)D8、D9過(guò)HT7533穩(wěn)壓芯片之后，并完成濾波處理后輸出電壓3.3V。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

圖3 采集電路圖

本次設(shè)計(jì)該斷電報(bào)警裝置系統(tǒng)，對(duì)主控制芯片上電后，正常I/O執(zhí)行、寄存器及變量子系統(tǒng)程序運(yùn)行情況，并對(duì)復(fù)位電平是否為1進(jìn)行判定決定初始化處理。對(duì)于該裝置的主循環(huán)子程序執(zhí)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集電壓數(shù)據(jù)判斷是否異常，一旦發(fā)生異常情況，則可以進(jìn)入報(bào)警、無(wú)線傳輸兩大程序，為管理人員及時(shí)傳輸異常信息采用針對(duì)性處理措施。

2 應(yīng)用方式

該電路自動(dòng)化控制及斷電報(bào)警裝置在實(shí)際應(yīng)用中，供電系統(tǒng)穩(wěn)定工作下，檢查放電電流經(jīng)檢查交流無(wú)源傳感器的放電電流，對(duì)于未發(fā)生系統(tǒng)短路、斷路問(wèn)題，經(jīng)主控制芯片完成放電電流采集，判斷電流是否處于正常范圍內(nèi)，方便實(shí)時(shí)監(jiān)控供電設(shè)備。對(duì)于未發(fā)生電路斷開(kāi)及破壞故障前提下，運(yùn)用交流無(wú)源傳感器無(wú)法產(chǎn)生不放電電流，所以CPU也就無(wú)法檢測(cè)到正常電流值，這種情況下電流互感器向CPU傳輸信號(hào)，做換電路提示向管理人員發(fā)送信號(hào)，并遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示于液晶顯示器。整個(gè)過(guò)程無(wú)需挖外的人員參與，實(shí)現(xiàn)了該裝置可以在管理人員無(wú)需到達(dá)裝置現(xiàn)場(chǎng)的前提下，對(duì)電路實(shí)際運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，有效確保電路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 無(wú)線傳輸電路圖

圖5 無(wú)線傳輸電路

圖6 電壓電流耦合解調(diào)電路圖

在出現(xiàn)異常天氣條件下，管理人員可以遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令，CPU主控制芯片成功接收指令信息后，即可分析指令執(zhí)行根據(jù)結(jié)果，用于判斷電源設(shè)備打開(kāi)或關(guān)閉，從而遠(yuǎn)程操控該裝置。

在該裝置運(yùn)行中的備用電池管理，首先向系統(tǒng)配備UPS智能電源，能夠運(yùn)用鋰離子電池為備用電源，在突然斷電或是運(yùn)行過(guò)程中所受外力破壞情況下，UPS智能電源可以啟動(dòng)自動(dòng)化智能供電，保證系統(tǒng)設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)以上。與此同時(shí)還能夠遠(yuǎn)程持續(xù)監(jiān)測(cè)供電情況，將監(jiān)測(cè)所獲相關(guān)信息向遠(yuǎn)程控制終端以短信方式傳輸。

報(bào)警設(shè)備管理方案，在該電路系統(tǒng)正常運(yùn)行下，實(shí)驗(yàn)室電路裝置是無(wú)法發(fā)出相關(guān)警報(bào)信息的，一旦報(bào)警器超正常監(jiān)測(cè)范圍，報(bào)警器就會(huì)發(fā)出相關(guān)警報(bào)信息，出現(xiàn)短路、斷路及著火問(wèn)題。這樣該裝置即刻發(fā)出警報(bào)，經(jīng)GSM短信模塊向管理人員發(fā)送警報(bào)信息，相關(guān)管理人員便即刻采用相關(guān)措施確保裝置運(yùn)行安全。

3 裝置啟動(dòng)開(kāi)蓋報(bào)警閉鎖電路設(shè)計(jì)

本次電路設(shè)計(jì)運(yùn)用類似綜保裝置內(nèi)載頻短路保護(hù)這一技術(shù)，經(jīng)載頻信號(hào)檢測(cè)執(zhí)行裝置開(kāi)關(guān)斷電。在裝置啟動(dòng)開(kāi)蓋報(bào)警設(shè)計(jì)中，核心組成即載頻電路，產(chǎn)生載頻電路相關(guān)信號(hào)，會(huì)始終讓饋電開(kāi)關(guān)處于送電狀態(tài)下，消失后即可饋電開(kāi)關(guān)跳閘。設(shè)計(jì)此種載頻保護(hù)電路，固有頻率載頻信號(hào)，在該裝置系統(tǒng)運(yùn)行中一旦發(fā)生開(kāi)蓋情況，經(jīng)開(kāi)關(guān)載頻信號(hào)短路問(wèn)題，判定系統(tǒng)載頻信號(hào)消失，給出饋電開(kāi)關(guān)切斷指令過(guò)程包括以下：

三極管BC1、電感C1、電容C9、C10、電阻R2元件，組成三點(diǎn)式電感振蕩器，在裝置運(yùn)行中可以產(chǎn)生載頻信號(hào)，經(jīng)兩路輸出20kHz信號(hào)，L2、R14、R15與C12、C13元件，可以耦合660V/1140V三相電網(wǎng)，經(jīng)V1、V2及V3輸出信號(hào)放大用于會(huì)回路取樣檢測(cè)信號(hào)。正常情況下的系統(tǒng)回路會(huì)因?yàn)槲撮_(kāi)蓋，形成較高網(wǎng)絡(luò)絕緣水平，較小的振蕩器負(fù)載，較高的C2兩端輸出電壓。在放大V1、V2、V3能夠獲得充分繼電電壓，吸合選擇開(kāi)關(guān)閉合。J1-1恢復(fù)閉合狀態(tài)開(kāi)關(guān)發(fā)出報(bào)警，J1-3恢復(fù)閉合狀態(tài)下斷電，斷開(kāi)J1-2不允許饋電開(kāi)關(guān)送電。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)設(shè)計(jì)電路自動(dòng)化控制及斷電報(bào)警裝置，設(shè)計(jì)CPU主控制芯片，能夠控制該裝置的系統(tǒng)主控與備用電路，不僅能夠自動(dòng)化控制系統(tǒng)電路完成開(kāi)關(guān)操作，還能夠經(jīng)裝置系統(tǒng)后臺(tái)運(yùn)行發(fā)出信號(hào)，滿足管理人員的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程控制指令滿足了系統(tǒng)智能化處理。并且設(shè)計(jì)了備用電池和啟動(dòng)裝置開(kāi)蓋報(bào)警閉鎖電路，能夠?qū)τ谘b置運(yùn)行中突發(fā)斷電，以及所受外力不明原因破壞中，系統(tǒng)可自主發(fā)送警報(bào)信號(hào)，同樣向管理人員以短信方式發(fā)送警報(bào)信息。