一种可联网的数显电动机保护器的设计

2020-12-07苏州健雄职业技术学院智能制造学院程瑞龙

河北农机 2020年11期

苏州健雄职业技术学院智能制造学院程瑞龙

引言

电动机已成为工业中不可或缺的动力系统，为了生产安全，大部分电动机都安装了各种保护装置，如热继电器保护、过载保护、缺相保护、三相不平衡保护等[1]。目前市场大多数电动机保护器可以监测电动机的工作状态，并通过数字显示端将电动机的状态信息反馈给维护人员，并对突发情况进行断电保护，但是难以直接实时监控电动机运行状态。现在市场上主流的电动机保护器具备通信功能的，大多数采用485 通信接口，将数据上传到PC 机，并由PC 机接入网络，该通信方式在施工和布线上存在一定困难，而且要提供一台PC机与之连接。因此，产品使用过程中需要维护人员定期巡查。为实现对电动机工作状态的实时监视和远程控制，有必要对现有的电动机保护器功能进行升级，以满足智能物联网终端的需求。

1 概述

整个保护器系统由电源模块、按键输入模块、单片机控制模块、电流检测模块、输出模块、显示模块、WiFi 模块组成，其中电源模块为其他所有模块供电，单片机控制模块扫描按键输入模块检测按键输入情况，用户可以通过按键输入修改系统相关参数，电流检测模块进行电流检测，并将检测数据发送给单片机控制模块，由单片机控制模块向外发出控制指令，显示模块用来显示电动机的相关信息以及相关参数设置情况，系统通过WiFi 模块接入互联网连接云端服务器，单片机控制模块将电动机保护器系统的运行状态信息打包送到WiFi 模块，通过WiFi 模块连接互联网将电动机运行的状态信息上传到云端服务器，以供远程客户端访问。维护人员可以通过远程客户端如手机APP、平板或者PC 客户端通过访问云端服务器，获取相关信息。在需要对远程对系统进行控制的时候可以进入管理员模式发送相关控制指令，通过网络发送给WiFi 模块，并通过WiFi 模块将指令传送给单片机控制模块，由单片机控制模块其他模块发出相应控制。

2 系统结构

本系统以ATmega16 单片机为核心控制芯片，电源模块为直流稳压电源模块，为系统提供+5V、+3.3V 电压供其余各模块使用，显示模块显示系统相关参数，用户可以通过按键输入修改系统参数或者查询系统信息，电流检测模块检测电动机运行电流情况，并将相关数据发送给单片机，由单片机进行分析并控制继电器模块对电动机运行状态进行控制。单片机通过串口通信模块将电动机运行的状态信息的数据打包发送给WiFi 模块，通过WiFi 模块连接互联网将电动机运行的状态信息上传到云端服务器，以供远程客户端访问，维护人员可以通过远程客户端如手机APP、平板或者PC 客户端通过访问云端服务器，获取相关信息。在需要远程对系统进行控制的时候可以进入管理员模式发送相关控制指令，通过网络发送给WiFi 模块，并通过WiFi 模块将指令传送给单片机控制模块，由单片机控制模块对其他模块发出相应控制。具体结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

3 硬件部分

在可联网的电动机保护器中，ATmega16 单片机是电动机控制系统的核心，如图2 所示电动机保护器的性能主要取决于单片机的优越性和稳定性，ATmega16 单片机是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗8 位CMOS 微控制器，运行速度高达1MIPS/MHz，内部集成16K 字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器（T/C），片内/ 外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路10 位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP 封装）的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式等功能[2]。利用GCC AVR 和ICC AVR 可对它进行编程，与普通的51 单片机兼容支持C 语言开发。

WiFi 模块采用RT5350 模块，RT5350 是由Ralink 公司2010年左右推出的一款芯片，相当于在原来无线WiFi 的基础上加了一个CPU，其内部集成了基带处理器、射频、射频功率放大器，外加一颗高性能的CPU，以及百兆以太网交换机[3]。仅需要很少外围器件就可以实现2.4GHz 802.11n 无线产品。如果产品附近提供以太网连接，通过该模块可以直接跟以太网连接，如果直接网络连接比较麻烦，也可以通过WiFi 跟网络连接。鉴于以上两点，本系统选择了RT5350 模块将数据上传至网络。

图2 RT5350 模块控制电路图

系统电源部分采用的是LM2575 电源稳压芯片，提供+5V直流稳压电源，又通过SPX1117 电源稳压芯片，来为系统提供3.3V 直流稳压电源，这两款芯片具有稳压效果好，电源纹波小，而且体积相对较小的优点。

4 软件部分

4.1 可联网的电动机保护器系统软件设计

本系统通过按键输入模块设置系统相关参数，通过电流检测模块监测电机运行状态并将数据实时传递给单片机，单片机得到数据后在显示模块上显示相关状态，并将数据通过串口通信模块传送给WiFi 模块，由WiFi 模块连接互联网将数据传送至云端服务器。维护人员通过远程客户端访问云端服务器，接收数据并显示。这样可以实现远程获取电动机运行状态，如果需要对系统进行远程控制，在客户端进入管理员模式，发送相应控制指令，并通过云端服务器将控制指令送达WiFi 模块，WiFi 模块将相应指令通过串口通信模块传送给单片机，单片机根据接收的指令，通过继电器执行相应操作。具体流程如图3 所示。

图3 系统流程图

4.2 EEPROM 存储

在系统运行过程中随时可能会发生断电情况，本系统要求断电后电动机的状态和设定参数能够保持，本系统采用24C02 进行数据存储，用于保存电动机运行状态和相关设定参数，系统每次上电后首先读取24C02 里面的数据。用户每次修改参数或系统运行时间超过30 分钟，相关数据将自动保存到EEPROM中。

4.3 中断服务程序

可联网的电动机保护器要求系统能够及时响应紧急情况，如电动机运行故障、传感器故障或发生紧急报警等情况，要求立即切换到报警模式中，所以报警启动采用的中断服务程序，触发中断之后立即进入报警模式中外，还需实时修改EEPROM中的数据。由于系统涉及到时间要求不高，本系统采用了AVR 单片机内部定时器1 来及时计时。

4.4 RT5350 模块的控制程序

本系统联网功能综合考虑现场有无网线和WiFi 信号的情况，采用RT5350 来完成WiFi 信号的传输或者直接接入以太网实现数据双向传输。AVR 单片机发送指令，选择RT5350 工作模式，AVR 单片机通过串口通信模块将电动机运行的状态信息打包发送给RT5350 模块，RT5350 模块通过WiFi 或者以太网将数据传输到云端，用户通过访问云端获得电动机运行状态信息。用户可以在进入管理模式对系统相关参数进行修改，通过云端将相关指令传送给RT5350 模块，由RT5350 模块将相关指令传送给AVR 单片机，由单片机将参数存入EEPROM并控制继电器模块执行指令。具体流程图如图4 所示。