基于RS485的实验室设备电源集控系统的设计

2018-10-11郭兴龙

机电工程技术 2018年8期

郭兴龙

（广州市市政职业学校，广东广州 510507）

0 引言

目前，教学实验室的设备电源，由外部电箱引入实验室，经过总开关控制之后再分配至各个实验设备，由各个实验设备单独控制，因此无法集中控制。设备电源一般是AC220V或者AC380V，当学生在教学实验室上课的时候，可能无意中启动设备电源，容易造成触电事故。设备电源如果采用继电器连线到教师机，使用船型开关启停的集中控制模式，存在布线繁琐、占用空间较多以及维护不方便的问题。为解决上述问题，研究并设计了基于RS-485网络和STC8A单片机的集中控制系统。

1 系统整体设计

系统设计中，以STC8A单片机为核心控制单元，单独控制每个设备电源的启动或者关闭。控制单元通过RS-485网络，与教师机的上位机连接，进行远程通信[1]。教师机的上位机作为主站，其按照一定的通信协议，不断发送指令到各个控制单元。各个控制单元作为从站，被动地接收主站指令，并对各个指令做出相应的回复。系统的供电，主要是通过电源整流模块，直接将交流电压转换为直流，供给单片机以及各个外围元器件使用。单片机通过小型继电器驱动AC220V或者AC380V交流接触器，从而控制设备的输入电源，系统网络整体设计框图如图1所示。

图1 系统网络整体框图

单片机控制单元设计如图2所示，主要由STC8A单片机、RS485接口模块、直流电源模块、数码管显示和按键模块、拨码开关模块、负载电流检测模块和继电器控制模块等组成。STC8A单片机为核心控制器，负责系统的整体控制运行，根据指令控制继电器的通断来开启或者关闭设备输入电源。直流电源模块将AC220V直接整流滤波输出稳定的DC5V，供给各个模块使用。MAX485芯片为RS485通讯接口芯片，主要构成通讯网络。拨码开关模块，设置控制单元的地址码，该地址码作为网路通讯地址码使用。负载电流的检测，主要通过ACS712霍尔传感器芯片，单片机不断采样负载电流值，与上位机发送过来的最大负载电流值比较，超过该值，系统将负载电流切断，并报警上位机，实现负载电流实时监控功能，防止意外事故发生。数码管显示和按键模块，作为人机交互接口，实现数据的输入或者输出功能。

图2 单片机控制单元系统框图

2 单片机控制单元设计

2.1 单片机选型

根据控制单元设计要求，选用某公司生产的STC8A4K32S2A12单片机。STC8A4K32S2A12是一款基于MCS51内核的超高速单片机，采用LQFP44的封装，工作电压范围为2.0～5.5 V，Flash程序存储器为32 kB，静态SRAM为4 kB，内部集成了24 MHz高精度IRC时钟源，无需外部晶振。芯片具有内部看门狗和ISP/IAP在系统可编程/在应用可编程功能，可实现快速更新程序和便于程序设计。内部资源丰富，可以提供20个中断源，5个16位定时器，2组高速串口，4组16位PCA模块和15通道的12位ADC转换器，同时具有SPI，I2C接口设计，便于电路设计和程序开发[2]。STC8A4K32S2A12芯片电路简单，抗干扰能力强，典型应用电路[2]如图3所示。

2.2 ASC712负载电流检测电路设计

ACS712ELCTR-20A是一款低内阻、隔离电压高达2.1 kVRMS的集成霍尔效应线性电流传感器。检测直流电流时，霍尔传感器的输出是以2.5 V作为基准的直流电压信号。检测信号为交流电流时，霍尔传感器的输出是以2.5 V作为基准直流电压，叠加交流信号。该信号需要通过整流电路将交流信号转换成直流信号，提供给单片机采样。主要参数如表1所示。

主要设计电路如图4所示：ASC712芯片通过端子接入设备电源输入支路中，传感器输出电压由VIOUT管脚输出，经过电阻分压之后，经过二极管整流稳压输出之后，送到单片机ADC采样。

图3 STC8A4K系列单片机典型应用电路

表1 ACS712ELCTR-20A主要参数[3]

图4 ASC712电流检测电路

2.3 ADC采样参考电压电路设计

为了提高电流检测精度，需要提高采样参考电压的精度。该系统采用MCP1541作为单片机ADC采样的参考电压源。MCP1541输入电压为4.3～4.5 V，输出参考电压为4.096 V，精度达到±1%，采用SOT-23封装[4]。具有较低的纹波，纹波频率在0.1～10 Hz范围之内，精度达到小于或等于145uVrms，完全可以满足系统设计需要。ADC采样参考电压电路设计如图5所示，模拟地和数字地要分开。

图5 ADC采样参考电压电路

2.4 数码管电路设计

该系统中，负载电流实时值和一些参数等数据，主要通过数码管实现数据的输入、输出功能。显示采用3位一体的共阴极数码管，采用动态扫描的显示方式。动态显示方式，相比静态显示方式，可极大地节约了IO管脚，电路设计如图6所示。

图6 数码管显示电路设计

2.5 单片机控制单元串口通讯电路设计

串口通讯电路设计，采用MAX485芯片完成。MAX485是一款半双工、±20 kVESD，应用于RS485的通讯系统收发芯片。其通讯速率高达10 MB/s，总线连接个数高达256个，并且具有较宽的共模电压范围，其设计电路如图7所示，一般在传输总线的两端，并联一个120Ω的电阻，起到阻抗匹配的作用。

2.6 单片机控制单元电源电路设计

该系统的单片机控制单元电源，采用WA3-220S05A3模块产生+5 V电源。WA3-220S05A3是一款内部集成了变压、整流和稳压滤波的开关电源，具有宽电压范围输入，能够交直两用，低纹波、低温升、低功耗、高效率和高可靠性的优点，集成了过流、短路、过温保护和自恢复的功能[5]。封装上采用PCB板直接焊接的安装方式，广泛应用于工业、办公及民用等多个领域，抗干扰能力强，比较适合用于电磁兼容恶劣的环境。其电路设计如图8所示。电路中F1为保险丝，起到短路保护作用，5D-11是NTC热敏电阻，作为浪涌电流限流保护用。14D-471K为压敏电阻，作为雷击浪涌时过压保护用。

图7 串口电路设计

图8 单片机控制单元电源电路设计

图9 程序控制主流程图

2.7 单片机主模块程序设计

系统单片机程序设计包括主程序模块、数码管显示模块、按键输入检测模块、RS485串口通讯模块、负载电流ADC采样模块和继电器控制模块等部分。

2.7.1 主程序设计

主程序设计如图9所示，系统上电之后，将进行一些参数初始化，如定时器设置、串口参数设置以及ADC转换设置，之后再进入主程序循环函数。主程序循环函数不断查询按键、ADC采样更新以及上位机接收信息，查询到相关信息之后，进入相应的处理函数并更新数据。

2.7.2 串口通讯模块设计

串口通讯模块设计包括字符收发、处理部分和应答等3部分。字符收发主要在串口中断函数里处理，字符接收到完整的字符串之后，主要在主循环函数里查询处理，并将应答信息发送给上位机。单片机与上位机的通讯，采用自定义的通讯协议，上位机主动发送命令，单片机作为从机，被动接收数据和应答上位机。为提高通讯的可靠性，防止错误的报文导致意外事故发生，帧的报文中，增加校验和处理，校验和为帧报文中除校验和之外的所有字节累加，取低字节部分，溢出部分忽略不用。在帧的格式中，除起始符和结束符之外，其它字节拆分为两个ASCII字符。

（1）上位机通讯帧格式字符如表2所示。例如：上位机需要控制设备的电源关闭，指令代码是“c”（close单词首字母的ACSII码），上位机发送的帧为：

STX+地址高字节+地址低字节+63+ETX+校验和高字节+校验和低字节

表2 上位机通讯指令帧格式

（2）单片机帧应答主要有两种，一种不带参数的应答，一种是需要返回参数的应答。其应答格式如表3所示，如果接收到的指令不对或者校验和不符，控制单元应答NAK。

表3 通讯应答帧格式

（3）串口通讯接收主要是在串口中断函数里完成，数据接收采用一组缓冲寄存器，两个指针的处理方式[6]，如图10所示。每接收到1个数据，RxPointer指针加1，并将数据存放入寄存器组，如果指针超过数组大小，指针归0。在通讯处理函数，先预读数组。每读取1个数组，ReadPointer指针加1。主循环程序中，不断查询是否接收到一个完整的报文，如果是完整的一个报文，才可以进入报文处理函数。再判断报文校验和是否正确，如果报文出错，整个报文做丢弃处理，数据读取处理流程如图11所示。RxPointer和ReadPointer指针地址不能够一样。在通讯应答发送过程中，待发送的第一个数据写入发送寄存器后，发送长度减1。数据发送完毕之后进入串口中断函数，通过判断发送长度字节数，继续将数据写入发送寄存器，直至待发送长度字节数为0，程序流程图如图12所示。