基于STC12C5A60S2的双电源供电智能控制系统设计

随着国民经济的迅速发展，人们对供电连续性、可靠性的要求越来越高，对于不允许断电的重要场合，如医院手术室、高层建筑安全保障系统、热电站、化工企业、银行等，都要求配备至少两路电源来保证供电的连续性。因此，需要一种能在两路电源之间进行自动转换的系统，以保证正在使用中的电源出现故障时能自动转换到另一路正常电源。双电源供电系统的应用场合决定其可靠性尤为重要，若两路电源不能及时进行转换或者转换失败，会给人们的生活和生产带来严重的损害。
随着无线通讯技术的发展，本文结合比较实用的GSM无线通讯技术，设计研制了一种工作安全可靠性高、硬件结构简单、成本低廉的双电源供电系统智能控制器。本文研究的控制器对提升该类产品技术水平、推动产品更新换代具有重要意义，且应用前景广阔。
1 系统设计
本文提出了基于STC12C5A60S2的双电源供电智能控制系统。该系统可实现对常用电和备用电电压的实时监测，并实现两路电源安全可靠切换。同时系统完成对电压数据的采集和传输，现场的显示模块由12864液晶和LED组成，完成简单电压显示和工作模式的指示，有效数据通过GSM模块发送到后台监控主机，便于统一管理，此外，用户可以根据自己的要求实现将相关数据发送到指定手机的功能。
该双电源供电智能控制系统包括：电源模块、控制器、信号检测模块、远程无线模块、时钟模块、输出控制模块、键盘、LCD和LED人机交互模块。系统结构如图1所示。


图1 系统结构



        
2 硬件电路设计
2.1 控制电路
本系统的控制部分是以STC12C5A60S2单片为核心机构成的最小系统，此外，为方便程序下载，设计了基于CH340的程序下载接口电路，单片机最小系统和程序下载电路如图2所示。


图2 单片机最小系统

2.2 检测电路
在智能控制系统中，检测部分实现对各路电压信号的采集、调理等功能，主要有三部分组成：交流信号隔离与采集、模拟信号通道选通、交流小信号的抬升与跟随。
2.2.1 信号隔离采集及信号的选通
为了消除强电回路对弱电回路的影响，保护检测回路，在采集交流信号时选用了变比为1000:1000的交流电流互感器ZMPT101B，主要作用为隔离强电回路；检测信号多路选通的实现则选用了模拟开关CD4051。
如图3所示，交流电压信号经过R1限流电阻，将电压信号转化为电流信号，经过电流互感器后，通过运放UA741再将电流信号转化为电压信号。


图3 交流信号采集电路

2.2.2 交流信号抬升与跟随
由于控制器的AD口只允许输入0～5V的电压信号，因此需要将正负半轴均有的交流信号进行抬升，即在原有信号的基础之上增加一个大小为2.5V的直流信号，为了防止负载对检测信号的影响，在此后端添加电压跟随电路。硬件电路如图4所示。


        

2.3 人机交互
系统中为方便用户观察电源工作状态和设置相关参数，鉴于输入信息相对简单，因此采用独立式键盘；显示方式为LED和LCD，LED用来指示各电源的工作状态，LCD则用来显示当前工作电压等信息。


图4 信号抬升电路


图5 无线通信电路

2.4 无线通讯模块
本系统为了方便用户统一管理和及时有效的得知电源的工作方式，为其配备了无线通讯功能，一方面现场的数据可以实时发送给后台监控，将现场数据实时显示出来；另一方面用户可以通过后台的监控软件实现对现场的控制与操作。此外，本系统中，用户可以将部分手机配置为终端，同时具有接收数据和控制现场设备的功能。


        

3 软件设计
本系统的软件设计包括控制器软件设计和后台监控软件设计。
3.1 控制器软件设计
按照软件设计要求，本系统依然采用模块化程序设计[6,7]，主要包括：定时器模块、AD采样模块、LCD显示模块、串口通讯模块等，程序流程图如图6所示。


图6 控制器程序框图

3.2 后台监控软件设计
本系统中，为方便用户实现控制器统一管理和数据的采集，设计了基于LabVIEW的后台监控系统，该系统可以实现对现场控制器的控制与设定，同时将现场的状态与数据进行实时显示。此外，系统具备基本的权限管理、数据库管理等功能。LabVIEW开发的后台监控具有开发周期短、界面美观、界面具备人性化等特点[8]，监控主界面如图8所示。


图7 监控主界面



        
4 实验
在本系统中，信号采集与信号调理是实现控制的重要环节，因此为方便实验，减少器件损耗，运用模拟电路仿真软件MultiSim10进行仿真实验，实验波形与实际测得波形如图8所示。
5 总结
设计了基于STC12C5A60S2的双电源供电智能控制系统，通过理论分析与实际实验测试证明了系统的可行性和可靠性，该系统可以安全可靠地实现电源的自动切换，并且具备远程无线通讯和控制功能，使用户不仅可以通过后台了解现场信息，还可通过配置将自己的手机作为终端，了解和控制现场各控制器状态。


图8 仿真与实验波形