基于STM8的智能電源安全監(jiān)測(cè)管理裝置

梁偉康，黃松濤，曹佩琳，黃海燕，賴曉杰

1 概述

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工業(yè)用電安全始終是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。由于工業(yè)生產(chǎn)使用的設(shè)備較多為大功率電器，這就可能造成主線超負(fù)荷，另外，由于插口數(shù)量不足，插口位置與所要連接的用電設(shè)備距離較遠(yuǎn)，部分工廠就會(huì)出現(xiàn)接口接上排插以達(dá)到延長(zhǎng)距離以及增加插口數(shù)量的目的，更有甚者會(huì)出現(xiàn)單個(gè)排插上連續(xù)接多個(gè)排插的危險(xiǎn)情況。電源短路故障引起生產(chǎn)車間火災(zāi)等事故在一些離散制造工廠中并不少見(jiàn)，在重型加工生產(chǎn)中的后果更是不堪設(shè)想。市面上載有開關(guān)的電源分析儀暫未發(fā)現(xiàn)含有高安全性的電源分析模塊，只可保障，不能預(yù)防。

1.1 研究目的

由國(guó)家應(yīng)急管理部消防救援局提供的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)電氣引發(fā)火災(zāi)占了最大比例。由于工廠用電設(shè)備多，用電功率大，我國(guó)一部分企業(yè)為了縮減成本，沒(méi)有定時(shí)對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)，出現(xiàn)故障的用電設(shè)備不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)維修，在繼續(xù)使用的情況下，存在很大的安全隱患。為了保障工業(yè)生產(chǎn)中用電設(shè)備的電源安全，智能電源安全監(jiān)測(cè)管理裝置應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 研究?jī)?nèi)容

為了減少工廠事故的發(fā)生，有必要研究一種可監(jiān)測(cè)工廠用電設(shè)備電壓，電流和功率的裝置以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，這種裝置采用裝有STM8S003 芯片的單片機(jī)通過(guò)Uart、IIC 協(xié)議讀取INA266 傳感的數(shù)據(jù)，再將得到的數(shù)據(jù)結(jié)合相應(yīng)的公式將電壓，電流，功率換算出來(lái)以達(dá)到監(jiān)測(cè)用電設(shè)備的目的。

要使監(jiān)測(cè)結(jié)果可視化，通過(guò)上位機(jī)提取數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)生成表格，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障（比如電壓、電流過(guò)載等），然后通過(guò)該裝置及時(shí)做出斷電處理，實(shí)行緊急制動(dòng)裝置，避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

也可以通過(guò)手機(jī)客戶端（App）使監(jiān)測(cè)結(jié)果可視化，在該裝置中裝上HC-05 藍(lán)牙模塊，使手機(jī)客戶端（App）藍(lán)牙與裝置上HC-05 藍(lán)牙模塊連接，

2 硬件設(shè)計(jì)

1）STM8S003 最小系統(tǒng)電路。該裝置采用了STM8S003 芯片作為主控芯片，電路部分包括復(fù)位電路，下載電路。調(diào)用了主控芯片的IIC 和Uart 協(xié)議，6 個(gè)IO 口與6 個(gè)繼電器相連。

2）電源模塊。該裝置通過(guò)USB 口提供主電源，采用AMS1117-3.3 穩(wěn)壓芯片使USB 輸出的5V 電壓穩(wěn)定輸出為3.3V 電壓為主控芯片供電。

3）藍(lán)牙模塊。該裝置調(diào)用了一個(gè)主控芯片的IO 口與藍(lán)牙模塊相連。實(shí)現(xiàn)該裝置與外部設(shè)備的藍(lán)牙通信功能。

4）INA226傳感模塊。該裝置采用了INA226芯片，INA226 是一款帶IIC 接口的電流分流和功率監(jiān)視器。

可編程的校準(zhǔn)值、轉(zhuǎn)換時(shí)間和平均值，與內(nèi)部乘法器相結(jié)合，可以直接讀出以安培為單位的電流和以瓦為單位的功率。

圖1 電路原理

5）串口通行模塊。該裝置采用了CH340G 芯片，實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口功能。使上位機(jī)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到用電設(shè)備數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

該裝置所包含的安卓手機(jī)端App 是利用Android studio 開發(fā)工具進(jìn)行編程設(shè)計(jì)的，此App通過(guò)藍(lán)牙與該裝置上的藍(lán)牙模塊HC-05 連接，獲取繼電器的用電情況并顯示在App 上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一繼電器的電流、電壓、功率等變化的功能。

該裝置監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)將保存在上位機(jī)和手機(jī)App上，用戶可通過(guò)對(duì)比歷史數(shù)據(jù)變化，進(jìn)行用電設(shè)備維護(hù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到用電設(shè)備異常時(shí)，裝置將實(shí)行緊急制動(dòng)裝置，切斷電源，實(shí)行緊急制動(dòng)裝置時(shí)，僅該機(jī)器斷路，其余設(shè)備依舊正常運(yùn)行。

圖2

4 上位機(jī)顯示

該裝置通過(guò)PC 端上位機(jī)軟件對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，數(shù)據(jù)可視化，在調(diào)節(jié)用戶端電壓數(shù)據(jù)時(shí)，客戶端接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，使數(shù)據(jù)能進(jìn)行對(duì)比分析，在該裝置無(wú)法從較長(zhǎng)時(shí)間的細(xì)微變化做出斷電處理時(shí)，可通過(guò)人工對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)變化明顯的用電設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維護(hù)修理，如：日常監(jiān)測(cè)中用電設(shè)備的數(shù)據(jù)只發(fā)生輕微變化，但年變化明顯，可通過(guò)每年數(shù)據(jù)變化比較大的用電設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)維護(hù)修理。

圖3

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種基于STM8 與UART 協(xié)議棧通訊技術(shù)的智能電源安全監(jiān)測(cè)裝置，該裝置是為了保障工業(yè)安全而構(gòu)思出的一款產(chǎn)品。核心板塊借鑒了市場(chǎng)上商用的INA226 分流/功率監(jiān)視器模塊，并將其完善改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一套獨(dú)立的電路，將所有電路設(shè)計(jì)，焊接等完成后，與INA226 模塊所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定；同時(shí)可以通過(guò)PC 端上位機(jī)和手機(jī)端App 與裝置進(jìn)行通訊，達(dá)到人不在場(chǎng)也能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控所有數(shù)據(jù)的效果，為工廠提供了高安全、高保障的服務(wù)。