（湖北民族学院 湖北恩施 445000）
摘要：本文针对现有工厂车间配电现状，提出了一种基于微型处理器及2.4G无线通信技术的分区式供电管理方案。系统各模块电路借鉴了“高内聚、低耦合”的设计思想，设计理念成熟合理，预留客户二次按需开发接口，整体控制效果达到预期目的。
关键字：分区式供电；配电设计；无线控制
引言
伴随着工业规模化的发展，大工厂、大车间逐渐体现出其整合资源，分摊成本的优势。但在现有工厂车间基建方案中，以通风、照明为主的用电设备往往因其耗能占比低、分控布线复杂而被忽略了其节能问题，出现了一亮俱亮、一停俱停无法分区控制的一“闸”切现象。这一设计方案不但无形中提高了企业的生产成本，而且浪费了宝贵的能源。
针对上述现状，本文提出了一种分区式供电管理系统，通过中近程无线通信技术实现分区、定点供电，同时装设环境传感器对控制范围温湿度、特殊气体浓度等因素实时监控。
1.系统综述
本系统包括用于发送控制命令及回馈信息二次处理的主控端和用于执行控制命令及采集环境信息的被控制端。两者之间采用基于ISM频段的2.4G无线通信方案承载数据通信，实现一对多、多对多实时无线控制及环境数据交互。
图1 系统结构图
2.硬件电路
2.1 主控端
2.1.1 主控芯片
主控芯片承担着系统所有逻辑运算及外置设备的数据处理任务，是整个主控端的核心。主控芯片采用时下技术新颖的Cortex-M系列STM32处理器，内置有521K Flash、64K SRAM、四个16位定时器及丰富的双向通行I/O资源，集成RTC实时时钟。片内资源丰富，外部电路简单，高达72MHz主频搭配先进的中断优先级，可大大提高反应速度。
2.1.2 人机交互
主控端的人机交互承担了大量的初始化设置及输入工作，因而采用液晶显示器及触控屏作为主要的交互通道。
显示部分采用分辨率为480*272的4.3吋TFT液晶显示器。在工控环境中，大尺寸屏幕可以很好的满足操作容错率，低分辨率可以降低对图片质量的要求，提高刷新速度，减少卡顿。TFT与MCU之间选用FSMC接口连接，具体显示效果由ILI9341控制。
触控部分采用4.3吋的电阻式触控屏。相比于电容式触控屏，电阻式不但造价低，而且适应实际工业生产环境中员工佩戴手套操作的情况。触控信号由触屏控制器XPT2046测算，通过SPI接口与MCU通信。
2.1.3 通信
通信部分采用当下成熟的2.4GHz无线通信模组。2.4G外观封装小，数据信号传输稳定，传输信号具有一定的穿墙特性，理论板载天线有效传输距离可达80m，覆盖面积可以满足常规车间厂房，加装外置大功率天线后，有效传输距离将大大提高。主控芯片将控制指令经分析后准确发送至被控制个体。
2.4G模组与MCU间通过SPI串口连接，具体传输速率可根据数据量设定。
2.1.4 声光提示电路
为了及时反映被控制端环境及控制异常，主控部分添加了声光提示电路。
声光提示电路采用压电式蜂鸣器及LED，整体电流较大，为了避免对单片机的影响，增加一级驱动电路。
2.2 被控端
2.2.1 主控芯片
被控端仅用于执行控制命令及处理传感器数据，且环境传感器数据大多为连续非阶跃信号，因而整体待处理数据量较小，对响应速度要求不高。鉴于上述原因，被控制部分选用STC89C52作为主控芯片。STC89C52为8051内核的可编程控制器件，典型工作频率为11.05926MHz，芯片内集成ISP flash存储器和8位处理器，对外配置有32个I/O，其中包含两个外部中断、一路串口通信中断。
2.2.2 时钟
为了实现定时功能，除主控最小系统外，引入外部RTC—DS1302时钟电路。
图2 声光提示电路
DS1302是一个实时时钟芯片，可以提供秒、分、小时、日期、月、年等信息，并且还有闰年自动调整的能力，可以通过配置AM/PM来决定采用24小时格式还是12小时格式，广泛应用于电话、传真、便携式仪器等产品领域。采用串行I/O通信方式，相对并行来说比较节省IO口的使用，通过外置纽扣电池可实现系统掉电时钟正常运行等功能。DS1302时钟芯片功耗低，它在工作电压2.0V的时候，工作电流小于300nA。
图3 DS1302时钟电路
2.2.3 通信
被控制端通信方式与控制端相同，具体参数不在赘述，但是鉴于被控制端I/O采用5V TTL电平，与2.4G通信模块芯片NRF24L01的接口电平不匹配，二者如果直接连接将因电平不兼容发生通信异常。针对电平不兼容问题，设计了如下的电路。
图4 NRF24L01电平匹配电路
如图所示，主控的P0使用10K电阻上拉至3.3V，将P0口的输出高电平设定为3.3V。这一电路利用了P0口输出开漏的特点，实现了电平兼容，达到了主控与NRF2401之间正常通信得到目的。
2.2.4 供电管理模块
作为供电管理的执行部分，本部分承担着低压控制高压、小电流控制大电流的任务。在设计之初，考虑到大功率晶闸管无物理触头，开关损耗小选用其作为开关元件，但是在制作过程发现，由于负压风机等启动电流较大，晶闸管时常因为容量不足造成启动困难，甚至直接烧毁晶闸管。晶闸管本身不具备隔离特性，存在击穿后高低压联通，烧毁控制部分的可能，使用时需增加光耦等器件实现隔离，增加了电路的复杂性和不确定性。
经过比较，最终改用继电器级联交流接触器方案。继电器本身具有电磁隔离特性，驱动电流小，驱动电路简单，常用TO-92封装三极管即可满足驱动要求。如图所示，以三相用电负载为例，继电器控制交流接触器，进而交流接触器控制外接用电负载。
图5 供电管理模块示意图
2.2.5 人机交互
与主控端人机交互的任务不同，被控制端没有复杂的初始化设置工作，且调试完成后将安装在用电设备附近，只需要提供必要的状态指示及模式切换。鉴于上述要求，被控端采用LED状态指示灯及独立按键作为人机交互通道，LED及按键串接限流电阻与MCU I/O相连接，为了方便后期调试维护P3.0、P3.1引出，预留接口。
2.2.6 传感器模组
传感器模组最初设计用于检测可燃性气体，当检测到可燃性气体超出安全浓度时，执行最高优先级切断负载电源，避免事故扩大化。
考虑到实际需求及硬件资源，增加LM393电压比较器电路，预留LM393输入接口，方便用户根据生产实际需求添加各类型模拟量传感器。
3 系统程序架构
系统的程序架构包括主控端和被控端两部分。
主控端在初始化后，逐个与被控端进行通信并初始化。待机后，主控端不断检测是否有指令，并对指令性质进行区别，控制类指令交由无线通信模块发出，异常报文经分析后做出声光提示。
被控制端将传感器数据进行优先处理，当传感器参数异常将断开供电并发出异常报告。只有在传感器参数正常的情况下，才能执行主控端的控制指令。
图6 主控端程序流程图
图7 被控端程序流程图
4 总结与展望
利用单片机及中近程无线通信技术搭建的分区式供电管理系统，充分发挥了各部件性能，虽然部分硬件配置有待完善，但是整体控制理念相对成熟，值得后期二次精细开发并推向市场。
参考文献
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论文作者:向凯,牛佳慧,傅裕挺,谭鹏
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/17
标签：电路论文; 传感器论文; 通信论文; 芯片论文; 电平论文; 时钟论文; 分区论文; 《电力设备》2016年第5期论文;