基于MSP430單片機(jī)的二次間設(shè)備無(wú)線輸電控制系統(tǒng)

趙緯明　楊夢(mèng)

摘 要： 本文主要介紹基于MSP430F5529單片機(jī)的二次間設(shè)備無(wú)線供電、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用MSP430F5529單片機(jī)作為中控芯片，配合溫度傳感器及液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)了多功能、遠(yuǎn)距離、大功率傳輸電能，便捷智能的為二次間設(shè)備輸電。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線輸電；二次間設(shè)備；MSP430

0 引言

根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局對(duì)電力行業(yè)發(fā)展進(jìn)行的“十三五”規(guī)劃計(jì)劃，電力需求預(yù)測(cè)方面，我國(guó)的工業(yè)化還處于大力發(fā)展階段，加快全國(guó)城鎮(zhèn)化腳步。在經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)的同時(shí)，對(duì)于電力行業(yè)要求更為嚴(yán)格，預(yù)計(jì)全國(guó)裝機(jī)容量安排，2020年全國(guó)所有的電力裝機(jī)總量將到達(dá)20.7億千瓦，比2014年增7.0億千瓦。對(duì)一次設(shè)備、二次設(shè)備的需求也增大，電網(wǎng)投資擴(kuò)大，電源裝機(jī)容量滿足社會(huì)生產(chǎn)生活。其中，一次設(shè)備主要是供電側(cè)、二次設(shè)備的主要工作是控制、保護(hù)、檢查和測(cè)量。優(yōu)化二次間設(shè)備對(duì)“十三五”規(guī)劃的成功穩(wěn)步實(shí)施具有實(shí)用意義，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：遠(yuǎn)距離的無(wú)線大功率傳輸，傳輸效率高、速度快、節(jié)約耗電量，為二次間設(shè)備室內(nèi)的通信設(shè)備、遠(yuǎn)動(dòng)終端等設(shè)備自由可控的進(jìn)行充放電。本控制系統(tǒng)，以MSP430F5529單片機(jī)為控制核心，結(jié)合其他電源電路組件，實(shí)現(xiàn)軟硬件部分的功能。

1.1無(wú)線輸電功能

目前的無(wú)線輸電技術(shù)主要有三種形式：（1）電磁感應(yīng)技術(shù)；（2）電磁耦合共振技術(shù)；（3）基于微波或光波的原場(chǎng)輻射技術(shù)[1]。設(shè)計(jì)的無(wú)線供電系統(tǒng)功能，采用的是電磁耦合共振方式進(jìn)行能量傳輸，傳輸方式利用的電磁共振耦合的原理，利用電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電力能量的進(jìn)行的高效輸送。無(wú)線供電能量傳輸系統(tǒng)屬于疏松耦合系統(tǒng)，傳輸效率較低，通過(guò)改變線圈形式及原件旋轉(zhuǎn)來(lái)提高傳輸效率。為了提高輸電系統(tǒng)的傳輸能力，變換器采用高頻變換器，可分離變壓器是無(wú)接觸式輸電系統(tǒng)中最為重要的組成部分，其性能的優(yōu)良決定整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文中的控制系統(tǒng)由最小系統(tǒng)、振蕩器、整流濾波、發(fā)射電路、接收電路、耦合線圈組成。其大致流程如下：

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析本文敘述的無(wú)線輸電功能具有技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、制造成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可基本滿足二次間設(shè)備所需的供電需求。

1.2 二次間室內(nèi)測(cè)溫功能

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)安監(jiān)（2009）664號(hào)國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程里的規(guī)定，二次間設(shè)備的溫度需專人專時(shí)檢查。本控制系統(tǒng)的的溫度檢測(cè)使用溫度傳感器18B20與單片機(jī)最小系統(tǒng)連接，溫度檢測(cè)傳感器18B20，經(jīng)過(guò)單片機(jī)讀取數(shù)字值，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD1602顯示器，將溫度按要求顯示出來(lái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度顯示、檢測(cè)，從而起到對(duì)二次間設(shè)備的監(jiān)測(cè)。

溫度測(cè)量是最基礎(chǔ)必要的檢測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能對(duì)于監(jiān)控二次間設(shè)備的運(yùn)行工況，智能電網(wǎng)的完全施行都起到重要作用。

1.3 人機(jī)交互功能

用戶可以通過(guò)LCD1602液晶顯示器與鍵盤等可輸入輸出的外部設(shè)備控制二次間充電設(shè)備的選擇。人機(jī)交互功能可以簡(jiǎn)單便捷的實(shí)現(xiàn)用戶與單片機(jī)之間的信息溝通，使本控制系統(tǒng)更加智能化。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1無(wú)線輸電芯片選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)討論本系統(tǒng)選取了電磁耦合共振式無(wú)線輸電，該方式需要大功率、高效率、遠(yuǎn)距離的電能傳輸，設(shè)計(jì)采用XKT-409-25無(wú)線供電模塊。該模塊則采用的電壓自適應(yīng)技術(shù)，這種技術(shù)則為最先進(jìn)的設(shè)計(jì)，具有不用更改原設(shè)計(jì)電路，就可直接在多有的電壓值內(nèi)工作的特點(diǎn)。其高穩(wěn)定性也是使無(wú)線輸電功能得以實(shí)現(xiàn)的重要原因。

XKT-409-25模塊則是一種用于無(wú)線輸電系統(tǒng)的模塊，制作簡(jiǎn)單便捷，無(wú)需復(fù)雜的外圍電路，其穩(wěn)定性高、效率高。而無(wú)線輸電的接收部分也采用電磁耦合共振式的工作原理，與發(fā)射端相同，接受采用相同的方式，將接受的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電力能量，經(jīng)過(guò)濾波、整流、穩(wěn)定等一系列電力信息處理，將穩(wěn)定的電力能量供給給二次間設(shè)備。

2.2測(cè)溫芯片選擇

DS公司的溫度傳感器18B20是一種單線的數(shù)字溫度傳感器，信號(hào)傳送采用單總線接口方式，就是MSP430F5529與測(cè)溫傳感器18B20連接，僅需要一條線，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與送達(dá)。此接口方式尤其適用于二次間設(shè)備繁多，干擾強(qiáng)的環(huán)境，測(cè)溫傳感器外圍不需要再連接任何元件，測(cè)溫范圍在-55攝氏度與+125攝氏度之間，符合二次間設(shè)備的溫度區(qū)間，轉(zhuǎn)換效率高，同時(shí)與MSP430F5529單片機(jī)相通訊，實(shí)時(shí)顯示完成功能設(shè)計(jì)。

LCD1602液晶顯示器具有橫行16個(gè)、豎行2個(gè)的顯示器，能夠顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等圖形，，具有顯示質(zhì)量高，數(shù)字式接口，功耗低，體積小質(zhì)量輕等特點(diǎn)，可以滿足無(wú)線輸電的控制系統(tǒng)測(cè)溫的顯示要求。

2.3單片機(jī)選擇

二次間設(shè)備需要大功率、高效率的供電才能滿足電網(wǎng)的配電工作，經(jīng)綜合考慮選用MSP430F5529單片機(jī)作為控制芯片。MSP430F5529的芯片是高效的16位RISC體系結(jié)構(gòu)。所有的指令操作，其中尋址方式包括七種源操作數(shù)的尋址模式、四種目的操作數(shù)等。MSP430F5529芯片同時(shí)具有一個(gè)活躍模式與六個(gè)軟件可選的低功耗模型操作，同時(shí)還有一個(gè)中斷事件喚醒設(shè)備。RAM內(nèi)存由N個(gè)扇區(qū)組成，每個(gè)扇區(qū)可以完全關(guān)閉以防止泄露防止導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。所有的I/O端口均可以獨(dú)立編程。同時(shí)允許任何組合的輸入輸出和中斷條件。所有的端口上拉或下拉都是可編程的，且都具有編程驅(qū)動(dòng)能力。MSP430F5529單片機(jī)配置，已經(jīng)集成了USB層和物理層支持USB2.0，集成了四個(gè)十六位定時(shí)器，和一個(gè)高性能的十二位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。具有兩個(gè)通用串行通信接口，硬件乘法器、DMA、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊與報(bào)警功能，和63個(gè)I/O口線，由于單片機(jī)具有種種特點(diǎn)，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)均符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，是十分理想的核心芯片。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的各部分程序設(shè)計(jì)均按照標(biāo)準(zhǔn)的程序開(kāi)發(fā)模塊進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，包括端口驅(qū)動(dòng)程序、溫度傳感模塊程序、液晶顯示模塊程序等。規(guī)范化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)程序開(kāi)發(fā)，模塊化大大增加程序的可讀性和延展性，為完善后續(xù)控制功能奠定了基礎(chǔ)。所有的軟件開(kāi)發(fā)使用C語(yǔ)言代碼表達(dá)描述，在CCS集成環(huán)境中完成軟件的開(kāi)發(fā)和編譯。

4總結(jié)

設(shè)計(jì)無(wú)線輸電控制系統(tǒng)對(duì)二次間設(shè)備進(jìn)行無(wú)線供電，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

實(shí)現(xiàn)無(wú)線輸電，為二次設(shè)備方便快捷的充電，減少龐大復(fù)雜的線路布置，使二次間更為簡(jiǎn)潔，減少故障點(diǎn)；單片機(jī)運(yùn)行速度快，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)智能化；測(cè)溫功能穩(wěn)定準(zhǔn)確，保護(hù)二次設(shè)備，液晶屏顯示溫度，直觀便捷。

參考文獻(xiàn)

[1]趙相濤. 無(wú)線輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]. 科技信息，2011，（10）：122-123.