一種可聯(lián)網(wǎng)的數(shù)顯電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)

蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院 程瑞龍

引言

電動(dòng)機(jī)已成為工業(yè)中不可或缺的動(dòng)力系統(tǒng)，為了生產(chǎn)安全，大部分電動(dòng)機(jī)都安裝了各種保護(hù)裝置，如熱繼電器保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、缺相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)等[1]。目前市場(chǎng)大多數(shù)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器可以監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)字顯示端將電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信息反饋給維護(hù)人員，并對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行斷電保護(hù)，但是難以直接實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上主流的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具備通信功能的，大多數(shù)采用485 通信接口，將數(shù)據(jù)上傳到PC 機(jī)，并由PC 機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，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(tái)PC機(jī)與之連接。因此，產(chǎn)品使用過(guò)程中需要維護(hù)人員定期巡查。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制，有必要對(duì)現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器功能進(jìn)行升級(jí)，以滿足智能物聯(lián)網(wǎng)終端的需求。

1 概述

整個(gè)保護(hù)器系統(tǒng)由電源模塊、按鍵輸入模塊、單片機(jī)控制模塊、電流檢測(cè)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(jī)控制模塊掃描按鍵輸入模塊檢測(cè)按鍵輸入情況，用戶可以通過(guò)按鍵輸入修改系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，電流檢測(cè)模塊進(jìn)行電流檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)控制模塊，由單片機(jī)控制模塊向外發(fā)出控制指令，顯示模塊用來(lái)顯示電動(dòng)機(jī)的相關(guān)信息以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況，系統(tǒng)通過(guò)WiFi 模塊接入互聯(lián)網(wǎng)連接云端服務(wù)器，單片機(jī)控制模塊將電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息打包送到WiFi 模塊，通過(guò)WiFi 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)信息上傳到云端服務(wù)器，以供遠(yuǎn)程客戶端訪問(wèn)。維護(hù)人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端如手機(jī)APP、平板或者PC 客戶端通過(guò)訪問(wèn)云端服務(wù)器，獲取相關(guān)信息。在需要對(duì)遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的時(shí)候可以進(jìn)入管理員模式發(fā)送相關(guān)控制指令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給WiFi 模塊，并通過(guò)WiFi 模塊將指令傳送給單片機(jī)控制模塊，由單片機(jī)控制模塊其他模塊發(fā)出相應(yīng)控制。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以ATmega16 單片機(jī)為核心控制芯片，電源模塊為直流穩(wěn)壓電源模塊，為系統(tǒng)提供+5V、+3.3V 電壓供其余各模塊使用，顯示模塊顯示系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，用戶可以通過(guò)按鍵輸入修改系統(tǒng)參數(shù)或者查詢系統(tǒng)信息，電流檢測(cè)模塊檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行分析并控制繼電器模塊對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。單片機(jī)通過(guò)串口通信模塊將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給WiFi 模塊，通過(guò)WiFi 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)信息上傳到云端服務(wù)器，以供遠(yuǎn)程客戶端訪問(wèn)，維護(hù)人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端如手機(jī)APP、平板或者PC 客戶端通過(guò)訪問(wèn)云端服務(wù)器，獲取相關(guān)信息。在需要遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的時(shí)候可以進(jìn)入管理員模式發(fā)送相關(guān)控制指令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給WiFi 模塊，并通過(guò)WiFi 模塊將指令傳送給單片機(jī)控制模塊，由單片機(jī)控制模塊對(duì)其他模塊發(fā)出相應(yīng)控制。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件部分

在可聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器中，ATmega16 單片機(jī)是電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的核心，如圖2 所示電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的性能主要取決于單片機(jī)的優(yōu)越性和穩(wěn)定性，ATmega16 單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS 微控制器， 運(yùn)行速度高達(dá)1MIPS/MHz，內(nèi)部集成16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW），512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器（T/C），片內(nèi)/ 外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8 路10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益（TQFP 封裝）的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式等功能[2]。利用GCC AVR 和ICC AVR 可對(duì)它進(jìn)行編程，與普通的51 單片機(jī)兼容支持C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

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(dāng)于在原來(lái)無(wú)線WiFi 的基礎(chǔ)上加了一個(gè)CPU，其內(nèi)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(wǎng)交換機(jī)[3]。僅需要很少外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)2.4GHz 802.11n 無(wú)線產(chǎn)品。如果產(chǎn)品附近提供以太網(wǎng)連接，通過(guò)該模塊可以直接跟以太網(wǎng)連接，如果直接網(wǎng)絡(luò)連接比較麻煩，也可以通過(guò)WiFi 跟網(wǎng)絡(luò)連接。鑒于以上兩點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇了RT5350 模塊將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)。

圖2 RT5350 模塊控制電路圖

系統(tǒng)電源部分采用的是LM2575 電源穩(wěn)壓芯片，提供+5V直流穩(wěn)壓電源，又通過(guò)SPX1117 電源穩(wěn)壓芯片，來(lái)為系統(tǒng)提供3.3V 直流穩(wěn)壓電源，這兩款芯片具有穩(wěn)壓效果好，電源紋波小，而且體積相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)。

4 軟件部分

4.1 可聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)按鍵輸入模塊設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，通過(guò)電流檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)得到數(shù)據(jù)后在顯示模塊上顯示相關(guān)狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信模塊傳送給WiFi 模塊，由WiFi 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至云端服務(wù)器。維護(hù)人員通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端訪問(wèn)云端服務(wù)器，接收數(shù)據(jù)并顯示。這樣可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，如果需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在客戶端進(jìn)入管理員模式，發(fā)送相應(yīng)控制指令，并通過(guò)云端服務(wù)器將控制指令送達(dá)WiFi 模塊，WiFi 模塊將相應(yīng)指令通過(guò)串口通信模塊傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收的指令，通過(guò)繼電器執(zhí)行相應(yīng)操作。具體流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

4.2 EEPROM 存儲(chǔ)

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)可能會(huì)發(fā)生斷電情況，本系統(tǒng)要求斷電后電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)和設(shè)定參數(shù)能夠保持，本系統(tǒng)采用24C02 進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用于保存電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)設(shè)定參數(shù)，系統(tǒng)每次上電后首先讀取24C02 里面的數(shù)據(jù)。用戶每次修改參數(shù)或系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)30 分鐘，相關(guān)數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存到EEPROM中。

4.3 中斷服務(wù)程序

可聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)緊急情況，如電動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障、傳感器故障或發(fā)生緊急報(bào)警等情況，要求立即切換到報(bào)警模式中，所以報(bào)警啟動(dòng)采用的中斷服務(wù)程序，觸發(fā)中斷之后立即進(jìn)入報(bào)警模式中外，還需實(shí)時(shí)修改EEPROM中的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)涉及到時(shí)間要求不高，本系統(tǒng)采用了AVR 單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器1 來(lái)及時(shí)計(jì)時(shí)。

4.4 RT5350 模塊的控制程序

本系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)有無(wú)網(wǎng)線和WiFi 信號(hào)的情況，采用RT5350 來(lái)完成WiFi 信號(hào)的傳輸或者直接接入以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。AVR 單片機(jī)發(fā)送指令，選擇RT5350 工作模式，AVR 單片機(jī)通過(guò)串口通信模塊將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)信息打包發(fā)送給RT5350 模塊，RT5350 模塊通過(guò)WiFi 或者以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，用戶通過(guò)訪問(wèn)云端獲得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息。用戶可以在進(jìn)入管理模式對(duì)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，通過(guò)云端將相關(guān)指令傳送給RT5350 模塊，由RT5350 模塊將相關(guān)指令傳送給AVR 單片機(jī)，由單片機(jī)將參數(shù)存入EEPROM并控制繼電器模塊執(zhí)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(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在AVR 單片機(jī)核心控制基礎(chǔ)上，采用了電流檢測(cè)傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，利用中斷進(jìn)入報(bào)警模式，并在開(kāi)始系統(tǒng)程序之前添加了一鍵恢復(fù)出廠設(shè)置功能按鍵。在調(diào)試的過(guò)程中，采用的內(nèi)部EEPROM讀寫相關(guān)需要保存的數(shù)據(jù)，在小批量測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)，有丟數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，后改用24C02 解決問(wèn)題。

該可聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)成本較低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)㈦姍C(jī)運(yùn)行的狀態(tài)利用WiFi 或者以太網(wǎng)兩種方式，將數(shù)據(jù)上傳到云端供用戶讀取和控制。很好地解決了原電動(dòng)機(jī)保護(hù)器聯(lián)網(wǎng)的局域性。