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基于STC12C5A60S2的雙電源供電智能控制系統設計

發布時間:2015-3-10 11:00    發布者:designapp
隨著國民經濟的迅速發展,人們對供電連續性、可靠性的要求越來越高,對于不允許斷電的重要場合,如醫院手術室、高層建筑安全保障系統、熱電站、化工企業、銀行等,都要求配備至少兩路電源來保證供電的連續性。因此,需要一種能在兩路電源之間進行自動轉換的系統,以保證正在使用中的電源出現故障時能自動轉換到另一路正常電源。雙電源供電系統的應用場合決定其可靠性尤為重要,若兩路電源不能及時進行轉換或者轉換失敗,會給人們的生活和生產帶來嚴重的損害。
隨著無線通訊技術的發展,本文結合比較實用的GSM無線通訊技術,設計研制了一種工作安全可靠性高、硬件結構簡單、成本低廉的雙電源供電系統智能控制器。本文研究的控制器對提升該類產品技術水平、推動產品更新換代具有重要意義,且應用前景廣闊。
1 系統設計
本文提出了基于STC12C5A60S2的雙電源供電智能控制系統。該系統可實現對常用電和備用電電壓的實時監測,并實現兩路電源安全可靠切換。同時系統完成對電壓數據的采集和傳輸,現場的顯示模塊由12864液晶和LED組成,完成簡單電壓顯示和工作模式的指示,有效數據通過GSM模塊發送到后臺監控主機,便于統一管理,此外,用戶可以根據自己的要求實現將相關數據發送到指定手機的功能。
該雙電源供電智能控制系統包括:電源模塊、控制器、信號檢測模塊、遠程無線模塊、時鐘模塊、輸出控制模塊、鍵盤、LCD和LED人機交互模塊。系統結構如圖1所示。


圖1 系統結構





        
2 硬件電路設計
2.1 控制電路
本系統的控制部分是以STC12C5A60S2單片為核心機構成的最小系統,此外,為方便程序下載,設計了基于CH340的程序下載接口電路,單片機最小系統和程序下載電路如圖2所示。


圖2 單片機最小系統


2.2 檢測電路
在智能控制系統中,檢測部分實現對各路電壓信號的采集、調理等功能,主要有三部分組成:交流信號隔離與采集、模擬信號通道選通、交流小信號的抬升與跟隨。
2.2.1 信號隔離采集及信號的選通
為了消除強電回路對弱電回路的影響,保護檢測回路,在采集交流信號時選用了變比為1000:1000的交流電流互感器ZMPT101B,主要作用為隔離強電回路;檢測信號多路選通的實現則選用了模擬開關CD4051。
如圖3所示,交流電壓信號經過R1限流電阻,將電壓信號轉化為電流信號,經過電流互感器后,通過運放UA741再將電流信號轉化為電壓信號。


圖3 交流信號采集電路


2.2.2 交流信號抬升與跟隨
由于控制器的AD口只允許輸入0~5V的電壓信號,因此需要將正負半軸均有的交流信號進行抬升,即在原有信號的基礎之上增加一個大小為2.5V的直流信號,為了防止負載對檢測信號的影響,在此后端添加電壓跟隨電路。硬件電路如圖4所示。




        

2.3 人機交互
系統中為方便用戶觀察電源工作狀態和設置相關參數,鑒于輸入信息相對簡單,因此采用獨立式鍵盤;顯示方式為LED和LCD,LED用來指示各電源的工作狀態,LCD則用來顯示當前工作電壓等信息。


圖4 信號抬升電路



圖5 無線通信電路


2.4 無線通訊模塊
本系統為了方便用戶統一管理和及時有效的得知電源的工作方式,為其配備了無線通訊功能,一方面現場的數據可以實時發送給后臺監控,將現場數據實時顯示出來;另一方面用戶可以通過后臺的監控軟件實現對現場的控制與操作。此外,本系統中,用戶可以將部分手機配置為終端,同時具有接收數據和控制現場設備的功能。




        

3 軟件設計
本系統的軟件設計包括控制器軟件設計和后臺監控軟件設計。
3.1 控制器軟件設計
按照軟件設計要求,本系統依然采用模塊化程序設計[6,7],主要包括:定時器模塊、AD采樣模塊、LCD顯示模塊、串口通訊模塊等,程序流程圖如圖6所示。


圖6 控制器程序框圖


3.2 后臺監控軟件設計
本系統中,為方便用戶實現控制器統一管理和數據的采集,設計了基于LabVIEW的后臺監控系統,該系統可以實現對現場控制器的控制與設定,同時將現場的狀態與數據進行實時顯示。此外,系統具備基本的權限管理、數據庫管理等功能。LabVIEW開發的后臺監控具有開發周期短、界面美觀、界面具備人性化等特點[8],監控主界面如圖8所示。


圖7 監控主界面





        
4 實驗
在本系統中,信號采集與信號調理是實現控制的重要環節,因此為方便實驗,減少器件損耗,運用模擬電路仿真軟件MultiSim10進行仿真實驗,實驗波形與實際測得波形如圖8所示。
5 總結
設計了基于STC12C5A60S2的雙電源供電智能控制系統,通過理論分析與實際實驗測試證明了系統的可行性和可靠性,該系統可以安全可靠地實現電源的自動切換,并且具備遠程無線通訊和控制功能,使用戶不僅可以通過后臺了解現場信息,還可通過配置將自己的手機作為終端,了解和控制現場各控制器狀態。


圖8 仿真與實驗波形




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