譚 潔，劉 震

（銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 銅仁 554300）

0 引言

實(shí)訓(xùn)室是高職院校中每個(gè)專業(yè)進(jìn)行實(shí)踐鍛煉的重要場(chǎng)所。實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，維持設(shè)備有效運(yùn)轉(zhuǎn)的能量源頭是電能。因此，如何有效安全用電，成為實(shí)訓(xùn)室建設(shè)和運(yùn)行的重要問(wèn)題。如果不能有效控制實(shí)訓(xùn)室的用電，就會(huì)給教學(xué)和實(shí)訓(xùn)帶來(lái)很多麻煩和嚴(yán)重后果，比如觸電事故、設(shè)備損毀、電氣火災(zāi)等。在實(shí)訓(xùn)室管理過(guò)程中，實(shí)訓(xùn)設(shè)備的電源線沒(méi)有與電源斷開(kāi)導(dǎo)致一些自啟動(dòng)設(shè)備在電網(wǎng)斷電又來(lái)電這一過(guò)程中自行啟動(dòng)，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間通電容易出現(xiàn)設(shè)備死機(jī)、發(fā)熱，甚至引發(fā)火災(zāi)等問(wèn)題。另外，實(shí)訓(xùn)室的用電情況不是一成不變的，當(dāng)實(shí)訓(xùn)室的用途發(fā)生改變，該實(shí)訓(xùn)室所需要的最大功率限額也會(huì)發(fā)生改變。目前，國(guó)內(nèi)改變實(shí)訓(xùn)室最大功率限額的方法是重新安裝不同型號(hào)的空氣開(kāi)關(guān)或者安裝可調(diào)節(jié)檔位的空氣開(kāi)關(guān)。安裝新的空氣開(kāi)關(guān)較麻煩，而可調(diào)節(jié)檔位的空氣開(kāi)關(guān)價(jià)格昂貴，且調(diào)節(jié)檔位有限。因此，構(gòu)建科學(xué)、完善的實(shí)訓(xùn)室用電安全管理系統(tǒng)尤為重要。本文旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)實(shí)訓(xùn)室的用電情況，如有異常情況，設(shè)計(jì)的裝置可隨時(shí)斷開(kāi)對(duì)應(yīng)實(shí)訓(xùn)室的供電，并告知實(shí)訓(xùn)室管理員是哪一間實(shí)訓(xùn)室用電異常，在一定程度上杜絕用電安全隱患，減少管理人員工作，降低管理難度[1]。

目前國(guó)家大力推行節(jié)能減排，合理、安全、高效利用實(shí)訓(xùn)室電能，也是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排理念的方式方法之一。學(xué)生上完實(shí)訓(xùn)課，實(shí)訓(xùn)設(shè)備、電子屏、日光燈處于工作狀態(tài)是常有現(xiàn)象，一個(gè)實(shí)訓(xùn)室管理員負(fù)責(zé)多間實(shí)訓(xùn)室的管理，需要一一排查實(shí)訓(xùn)室的電源情況，排查過(guò)程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且造成電能浪費(fèi)。使用實(shí)訓(xùn)室安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置，實(shí)訓(xùn)室管理員能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)訓(xùn)室的電能情況，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地控制實(shí)訓(xùn)室耗能設(shè)備的電源通斷，不僅節(jié)約了電能，且避免了一系列安全事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)不同實(shí)訓(xùn)室功率使用需求不一的情況，提出一種安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置。該裝置提供了一種軟調(diào)節(jié)實(shí)訓(xùn)室最大功率限額的方法。用戶可通過(guò)可觸摸液晶屏設(shè)定多間實(shí)訓(xùn)室的最大功率限額。同時(shí)本裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)多間實(shí)訓(xùn)室的用電情況，包括電壓、電流、功率、負(fù)載性質(zhì)等，如有異常情況可隨時(shí)斷開(kāi)對(duì)應(yīng)實(shí)訓(xùn)室的供電，有效實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室安全用電的統(tǒng)一管理。本系統(tǒng)采用功率電能采集模塊采集電壓、電流、功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，功率電能采集模與單片機(jī)之間的通信協(xié)議為MODBUS 協(xié)議[2]，借用RS-485 模塊保證多個(gè)模塊的正常運(yùn)行；采用可觸摸USART-HMI 液晶屏完成數(shù)據(jù)的顯示及數(shù)據(jù)的設(shè)置，解析液晶屏顯示的數(shù)據(jù)格式，用單片機(jī)按照此數(shù)據(jù)格式給液晶屏發(fā)送數(shù)據(jù)，以保障液晶屏的正常運(yùn)行。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作。方案框架設(shè)計(jì)如下。

（1）以STC15W4K60S4 單片機(jī)為控制核心[3]，用功率電能采集模塊完成多間實(shí)訓(xùn)室用電情況的檢測(cè)，包括電壓、電流、功率、功率因數(shù)等（功率電能采集模塊與單片機(jī)之間的通信協(xié)議為MODBUS協(xié)議[4]）。將采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若誤差較大，則對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

（2）采用RS-485 串行總線的方式完成多個(gè)模塊的連接，以達(dá)到檢測(cè)多路電壓、電流、功率、功率因數(shù)的目的。

（3）采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USART-HMI 可觸摸液晶屏實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室用電情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)可通過(guò)液晶屏設(shè)定多間實(shí)訓(xùn)室的最大功率限額。單片機(jī)實(shí)時(shí)比較各個(gè)實(shí)訓(xùn)室的最大功率限額值與實(shí)時(shí)功率值，當(dāng)某一實(shí)訓(xùn)室用電異常時(shí)，由單片機(jī)控制外圍電路進(jìn)行斷電保護(hù)。系統(tǒng)控制框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

2 系統(tǒng)子模塊

為保證實(shí)訓(xùn)室安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，需要根據(jù)各個(gè)子模塊的功能選擇合適的模塊進(jìn)行分工合作運(yùn)行。

2.1 主控芯片

系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心器件，通過(guò)串口通信功能與功率電能采集模塊、液晶顯示屏等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要多個(gè)串口進(jìn)行通信。而傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)存在運(yùn)行速度慢、I/O 口驅(qū)動(dòng)能力弱、且一般只有一個(gè)串口，使用其作為主控芯片時(shí)需要用到串口拓展技術(shù)，系統(tǒng)調(diào)試較復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸存在延遲。而本系統(tǒng)需要多個(gè)串口同時(shí)使用且要求系統(tǒng)的運(yùn)行速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等較高，綜合考慮后選用STC15W4K60S4 系列單片機(jī)。相比于51 系列的單片機(jī)，STC15W4K60S4 系列單片機(jī)功耗較低、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，且STC15W4K60S4 系列單片機(jī)擁有4 組獨(dú)立的高速異步串口通信端口，功能強(qiáng)大。

2.2 功率電能采集模塊

本文功率電能采集模塊使用的是單相互感式的計(jì)量模塊，能夠采集電壓、電流、功率、功率因數(shù)等多個(gè)單相交流電參數(shù)，且測(cè)量精度高[5]。該模塊與單片機(jī)的通信采用的是MODBUS-RTU 串行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸相對(duì)穩(wěn)定，且安全性較高[6]。

多路功率電能采集模塊與單片機(jī)之間需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，即遠(yuǎn)程通信。RS-232 和RS-485是常用的通信標(biāo)準(zhǔn)接口[7]。RS-232 具有接口電平信號(hào)值高、容易損壞芯片、傳輸速率低、抗干擾能力弱、傳輸距離較短等缺點(diǎn)，所以RS-232 通信接口不符合本文要求。RS-485 的接口電平與TTL 電平兼容，不易損壞芯片；RS-485 的傳輸速率最高可達(dá)10 Mb·s-1，且接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器組合，抗噪聲干擾性能好；RS-485 接口的最大傳輸距離約為3 000 m，且具有多站能力。由于功率電能采集模塊只帶有TTL 通訊接口，且需要完成多路數(shù)據(jù)的采集，即需要多個(gè)TTL 轉(zhuǎn)RS-485 的電路。作為搭建通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，為了提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性及可靠性，選用TTL 轉(zhuǎn)RS-485 模塊。

將多個(gè)功率電能采集模塊和單片機(jī)通過(guò)MODBUS協(xié)議連接在一起，就形成了一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。單片機(jī)為主機(jī)，功率電能采集模塊為從機(jī)，每個(gè)功率電能采集模塊會(huì)分配一個(gè)地址。在通信協(xié)議中，單片機(jī)作為主機(jī)會(huì)向從機(jī)功率電能采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，這些數(shù)據(jù)和指令包含每個(gè)從機(jī)的地址。每個(gè)功率電能采集模塊都會(huì)收到數(shù)據(jù)和指令。當(dāng)收到數(shù)據(jù)和指令時(shí)，功率電能采集模塊會(huì)判斷數(shù)據(jù)和指令中的地址碼是否和本機(jī)地址一致。若不一致，功率電能采集模塊不會(huì)進(jìn)行處理。只有當(dāng)數(shù)據(jù)和指令中的地址碼和本機(jī)一致地址碼，功率電能采集模塊才會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行解析處理，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，即判斷CRC 校驗(yàn)是否正確。若CRC 校驗(yàn)正確，功率電能采集模塊才會(huì)按照單片機(jī)發(fā)出的功能碼指令、數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。單片機(jī)向功電能采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

此處的CRC 校驗(yàn)CRC16 占用兩個(gè)字節(jié)，包含了一個(gè)16 位的二進(jìn)制值。CRC 值由單片機(jī)計(jì)算出來(lái)，然后附加到數(shù)據(jù)幀上，發(fā)送給功率電能采集模塊.功率電能采集模塊在接收數(shù)據(jù)時(shí)重新計(jì)算CRC值，然后與接收到的CRC 值進(jìn)行比較。如果這兩個(gè)值不相等，就發(fā)生了錯(cuò)誤[8]。

2.3 液晶顯示屏

液晶屏是用作顯示數(shù)據(jù)、顯示各種信息的常用工具，它相比于數(shù)碼管、指示燈等更直觀、更具體。常用的液晶屏是LCD1602、LCD12864。這兩種液晶屏體積較小且操作簡(jiǎn)單，通常只需要簡(jiǎn)單的程序編寫(xiě)就可完成數(shù)據(jù)的顯示。但是兩種液晶屏都只能單純地顯示信息，不能直接控制一個(gè)完整系統(tǒng)的其他器件。若需要實(shí)現(xiàn)控制，多數(shù)情況下是結(jié)合矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)。本文選用USART HMI 智能串口屏作為顯示、控制器件，一方面不再需要矩陣按鍵配合使用，增加硬件負(fù)擔(dān)，另一方面，可以直接通過(guò)液晶屏控制其他器件。

2.4 固態(tài)繼電器

當(dāng)實(shí)訓(xùn)室使用功率較大時(shí)，安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置要及時(shí)穩(wěn)定地?cái)嚅_(kāi)電源以實(shí)現(xiàn)安全用電，從而達(dá)到杜絕安全隱患的目的。本文選用固態(tài)繼電器[9]為核心器件實(shí)現(xiàn)電路的通斷控制。使用固態(tài)繼電器的原因主要有兩個(gè)，一是為了實(shí)現(xiàn)器件的隔離或者控制端與設(shè)備端的隔離，二是實(shí)現(xiàn)用小信號(hào)控制大負(fù)載的功能。繼電器可實(shí)現(xiàn)直流控制交流、直流控制直流、交流控制交流。本文選擇的是直流控制交流功能，通過(guò)單片機(jī)的I/O 口來(lái)控制固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器另外兩端接220 V 交流。

本文選用的固態(tài)繼電器為CDG1 系列繼電器，電流量程為40 A，具有電磁干擾小、高壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。由于實(shí)訓(xùn)室的電流較大，故需要配套散熱器輔助固態(tài)繼電器使用，以免出現(xiàn)安全隱患。固態(tài)繼電器上有螺絲孔，可以用螺絲釘與散熱器固定。由于單片機(jī)不具備驅(qū)動(dòng)能力，故添加一個(gè)三極管，主要起放大作用。固態(tài)繼電器控制較為容易，只需要單片機(jī)的I/O 口輸出邏輯電平信號(hào)即可控制電路的開(kāi)斷。單片機(jī)與固態(tài)繼電器的電路連接如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)與固態(tài)繼電器的連接電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)室安全用電保護(hù)裝置的功能主要包括單片機(jī)控制功率電能采集模塊完成數(shù)據(jù)的采集、USART HMI 液晶屏完成數(shù)據(jù)的顯示及設(shè)置以及實(shí)訓(xùn)室用電情況的監(jiān)控等，在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用模塊化思想設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的控制程序，可有效降低程序設(shè)計(jì)的難度，節(jié)約時(shí)間。

本文中，首先要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)兩個(gè)串口的初始化，保證在使用時(shí)兩個(gè)串口不互相影響以及液晶屏能正常工作。在液晶屏設(shè)置好每間實(shí)訓(xùn)室的最大功率限額之后，液晶屏?xí)严鄳?yīng)的數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)。單片機(jī)用這個(gè)數(shù)據(jù)與控制功率電能采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，若實(shí)訓(xùn)室用電異常，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的斷路處理。系統(tǒng)程序流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

本文按照如下步驟對(duì)實(shí)訓(xùn)室安全用電保護(hù)裝置進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

（1）在USART HMI 智能串口屏上設(shè)置實(shí)訓(xùn)室最大功率限額。

（2）在USART HMI 智能串口屏上讀取實(shí)訓(xùn)室的實(shí)時(shí)電壓、電流、功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。同時(shí)借助萬(wàn)用表、鉗形電流表等測(cè)量工具讀取此時(shí)實(shí)訓(xùn)室的電壓、電流值，并與串口屏上讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

（3）重新設(shè)置較小的功率限額，測(cè)試固態(tài)繼電器是否正常工作。當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大于設(shè)置的最大功率限額時(shí)，實(shí)訓(xùn)室斷電，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)清零。

本文對(duì)3 間電子類實(shí)訓(xùn)室的用電情況進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)設(shè)定的額定功率值大于實(shí)訓(xùn)室設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)所測(cè)的功率值時(shí)，實(shí)訓(xùn)室處于正常通電狀態(tài)；當(dāng)設(shè)定的額定功率值小于實(shí)訓(xùn)室設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的功率值時(shí)，實(shí)訓(xùn)室處于斷電狀態(tài)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)測(cè)量表

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)訓(xùn)室安全用電監(jiān)控保護(hù)裝置的主要功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室最大功率限額的軟調(diào)節(jié)以及實(shí)訓(xùn)室安全用電的統(tǒng)一管理。管理員可通過(guò)液晶屏設(shè)置每間實(shí)訓(xùn)室對(duì)應(yīng)的最大功率限額，單片機(jī)實(shí)時(shí)比較最大功率限額與功率電能采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，若有異常，單片機(jī)控制外圍電路進(jìn)行斷電處理。功率電能采集模塊的控制借用RS-485 總線，該總線具有多站功能且數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)，保障了多個(gè)功率電能采集模塊正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。功率電能采集模塊與單片機(jī)之間的通信模式是MODBUS -RTU 串行傳輸模式，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性。