光伏控制逆變一體機(jī)的人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì)

潘衛(wèi)衛(wèi)，鄭常寶，高 杰，馬昕晨

（安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 引 言

近年來，隨著光伏發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，一些光伏發(fā)電設(shè)備已經(jīng)步入人們的生活，本文涉及的光伏控制逆變一體機(jī)（以下簡稱“一體機(jī)”）是戶用500W單相光伏離網(wǎng)逆變器設(shè)備。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)逆變器設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，人與機(jī)器設(shè)備之間很好的進(jìn)行信息交流，人機(jī)交互系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分［1］。目前有些設(shè)備采用機(jī)械式電表顯示電流、電壓、電量等工作參數(shù)，顯示的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都不是很好，本文基于此設(shè)計(jì)一體機(jī)的人機(jī)界面，通過LCD液晶顯示器進(jìn)行人機(jī)交互，顯示更加直觀［2］。LCD液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗低、壽命長、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在數(shù)字控制系統(tǒng)和電子儀表等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用［3］。

本文設(shè)計(jì)的人機(jī)接口界面由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括主控芯片、液晶屏、通信接口、液晶屏和主控芯片的外圍電路以及人體紅外感應(yīng)模塊電路組成，軟件主要包括通信、液晶屏控制、EEPROM使用、人體紅外感應(yīng)中斷以及發(fā)電量計(jì)算等部分組成。通過實(shí)驗(yàn)，液晶顯示模塊與一體機(jī)進(jìn)行連接取得了良好的效果，能穩(wěn)定顯示一體機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，具有一定的實(shí)際意義。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)STC12C5A60S2，這是一款高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，此單片機(jī)內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，共有2路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，具有EEPROM 功 能，利 用ISP／IAP 技 術(shù) 將 Data Flash當(dāng)EEPROM使用，可擦寫次數(shù)達(dá)到10萬次。其通用I／O口可設(shè)置成4種工作模式：準(zhǔn)雙向口／弱上拉、強(qiáng)推挽／強(qiáng)上拉、僅為輸入／高阻、開漏，每個(gè)I／O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，具有7路外部中斷I／O口，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒［4］。同時(shí)，此單片機(jī)具有強(qiáng)抗干擾能力，適合于強(qiáng)干擾場(chǎng)合，價(jià)格便宜，可以降低設(shè)備的成本。這些特點(diǎn)可以滿足本設(shè)計(jì)的需求。

采用的液晶模塊是深圳市晶聯(lián)訊電子有限公司生產(chǎn)的帶字庫的JLX12864G－1016型液晶模塊，此液晶屏由于使用方便、顯示清晰，廣泛應(yīng)用于各種人機(jī)交流面板。其可以顯示128列×64行點(diǎn)陣單色圖片或顯示8個(gè)／行×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，或顯示16個(gè)／行×8行8×8點(diǎn)陣的英文、數(shù)字、符號(hào)，帶字庫IC采用 UC1701X，與st7565兼容，通用性好，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性好。同時(shí)此液晶屏功耗低（不帶背光1mW（3.3V，0.3 mA），帶背光不大于100mW（3.3V，30mA））。液晶驅(qū)動(dòng)芯片具有強(qiáng)大的指令功能，可組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的要求，采用4線SPI串行接口，與控制芯片的接口簡單方便［5］。具有寬工作溫度范圍（－20℃～70℃）可以保證很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

系統(tǒng)的總體硬件框圖如圖1所示，電路主要包括MCU模塊、液晶模塊、通信模塊及人體紅外感應(yīng)模塊。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖Fig.1 Block diagram of overall hardware system

2.1 液晶屏與MCU的硬件連接

圖2 液晶模塊與MCU連接圖Fig.2 Diagram of LCD module and MCU connection

液晶屏與MCU的硬件連接電路如圖2所示，STC12C5A60S2可以直接通過I／O口訪問液晶模塊，I／O口與液晶模塊的數(shù)據(jù)口連接，由程序控制接口產(chǎn)生相應(yīng)的控制時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示模塊的控制。由于單片機(jī)使用5V供電，液晶屏模塊自帶 AMS1117－3.3電源轉(zhuǎn)換芯片，將5V轉(zhuǎn)換為3.3V供給液晶IC使用，單片機(jī)I／O口可以直接與顯示屏數(shù)據(jù)口進(jìn)行連接，這樣單片機(jī)中的數(shù)據(jù)直接送入液晶控制器的緩存中用來顯示，單片機(jī)的讀寫信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)直接動(dòng)過I／O口與液晶模塊的讀寫信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)連接，控制液晶屏。

2.2 人體紅外感應(yīng)模塊電路

人體紅外感應(yīng)模塊電路如圖3所示，傳統(tǒng)的人體紅外感應(yīng)采用的是熱釋電感應(yīng)器檢測(cè)人體的存在［6］，本文設(shè)計(jì)的人體感應(yīng)模塊電路主要有深圳誠強(qiáng)光電子科技有限公司生產(chǎn)的紅外對(duì)管組成，包括發(fā)射管和接收管，此紅外對(duì)管具有抗干擾強(qiáng)，感應(yīng)靈敏的特點(diǎn)。接收管內(nèi)置專用IC，可以根據(jù)不同的接收信號(hào)頻率輸出高低電平，本文選用的接收頭載波頻率為38kHz的信號(hào)，接收到38kHz信號(hào)后輸出低電平，否則輸出高電平。設(shè)計(jì)人體感應(yīng)距離在20cm左右，即當(dāng)人體與紅外對(duì)管保持在0～20cm距離，紅外對(duì)管可以正常檢測(cè)人體的存在。實(shí)際電路中，發(fā)射管通過三極管與單片機(jī)的38kHz方波輸出I／O口連接，此I／O口輸出設(shè)計(jì)為強(qiáng)推挽輸出，保證發(fā)射管的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度。

圖3 紅外模塊電路圖Fig.3 Diagram of infrared module circuit

2.3 通信電路單元

通信電路如圖4所示［7］，人機(jī)接口模塊與一體機(jī)的通信是通過RS232總線實(shí)現(xiàn)的，電路以MAX3232為主要通信芯片，其中“TXD232”接STC12C5A60S2單片機(jī)的發(fā)送引腳，“RXD232”接STC12C5A60S2單片機(jī)的接收引腳，“RX”、“TX”分別與一體機(jī)主控芯片的接收端和發(fā)送端連接，實(shí)現(xiàn)一體機(jī)設(shè)備與人機(jī)接口模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

圖4 通信模塊電路Fig.4 Communication module circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 液晶屏的顯示控制

液晶屏的顯示控制流圖如圖5所示，液晶要正常工作，必須對(duì)液晶控制器進(jìn)行初始化設(shè)置，液晶初始化部分子程序如下：

初始化必須按照嚴(yán)格的步驟執(zhí)行。初始化完成后，液晶屏首先顯示一體機(jī)生產(chǎn)廠家圖標(biāo)，歡迎界面，然后進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)和圖片的顯示都是通過相關(guān)液晶顯示子函數(shù)完成的，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是通過通信子程序完成的，同時(shí)，采用循環(huán)累加求和的方法，根據(jù)采集到的輸出電壓及輸出電流計(jì)算出輸出電量的平均值并通過液晶屏顯示，由于顯示界面一次不能將所有的參數(shù)顯示出來，設(shè)計(jì)采用滾屏的方式，每隔5s顯示界面翻轉(zhuǎn)一次，由于顯示界面是不斷更新的，每更新一次必須寫入清屏指令，才能成功顯示下一個(gè)界面。電量計(jì)算完成以后，由于單片機(jī)的EEPROM只能擦寫10萬次左右，為了保證單片機(jī)的使用壽命，設(shè)定每隔30min擦寫EEPROM一次，將當(dāng)前電量存儲(chǔ)起來，用于斷電后的數(shù)據(jù)保護(hù)，再次上電復(fù)位后首先從EEPROM相應(yīng)存儲(chǔ)地址讀取電量值并開始累加并通過液晶顯示。

單片機(jī)通過定時(shí)器0輸出38kHz方波信號(hào)，通過編程設(shè)置定時(shí)器初值，使單片機(jī)相應(yīng)I／O口輸出占空比為50%，頻率為38kHz左右的方波，通過三極管驅(qū)驅(qū)動(dòng)紅外對(duì)管模塊的發(fā)射管發(fā)射出38kHz左右的紅外信號(hào)，當(dāng)有人靠近時(shí)，紅外信號(hào)通過人體反射，當(dāng)紅外接收管接收到反射信號(hào)后，接收管與單片機(jī)相連的輸出引腳產(chǎn)生低電平信號(hào)，單片機(jī)通過查詢方式查詢到引腳低電平信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)程序打開液晶屏背光，背光時(shí)間持續(xù)5s，5s時(shí)間后如果人離開，接收管接收不到反射回來的紅外信號(hào)，則接收管輸出引腳輸出高電平信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)不到低電平信號(hào)將液晶背光控制引腳置高電平關(guān)閉背光，否則再持續(xù)5s后關(guān)閉背光。

圖5 液晶控制流程圖Fig.5 Flowchart of LCD control

3.2 通信軟件設(shè)計(jì)

通信部分是此液晶顯示模塊的重要組成部分，單片機(jī)通過由MAX3232芯片組成的RS232接口與一體機(jī)進(jìn)行通信，通信協(xié)議如表1所示，首先接收主機(jī)地址，從機(jī)地址，功能碼，數(shù)據(jù)數(shù)量，然后就是數(shù)據(jù)，最后接收CRC校驗(yàn)碼，其中數(shù)據(jù)數(shù)量和數(shù)據(jù)都是可變的，本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)數(shù)量是7，數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2分別是太陽能電壓低8位和高8位，數(shù)據(jù)3和數(shù)據(jù)4分別是蓄電池電壓的低8位和高8位，數(shù)據(jù)5是輸出電壓，數(shù)據(jù)6是輸出電流，數(shù)據(jù)7是系統(tǒng)狀態(tài)，CRC校驗(yàn)碼是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)通過相關(guān)算法生成。通信子程序流程圖如圖6所示，首先初始化串口1，采用定時(shí)器1產(chǎn)生通信波特率。通信方式為波特率9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)，二進(jìn)制數(shù)據(jù)通信［8－10］。當(dāng)主機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送，串口中斷響應(yīng)，接收數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)存放于數(shù)組中，然后根據(jù)主機(jī)地址判斷是否取數(shù)組里面的數(shù)據(jù)，主機(jī)地址正確，取數(shù)據(jù)然后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確，讀取數(shù)組里面的數(shù)據(jù)送液晶顯示，其中如果主機(jī)地址和CRC校驗(yàn)有一處不正確，則不取數(shù)據(jù)，重新等待接收。

圖6 通信軟件流程圖Fig.6 Flowchart of communication software

表1 RS232通信協(xié)議Tab.1 RS232communication protocol

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的人機(jī)接口模塊與一體機(jī)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行連接，一體機(jī)實(shí)驗(yàn)板沒有接入太陽能，接入24V蓄電池供電，負(fù)載是一顆100W白熾燈。打開電源開關(guān)給一體機(jī)供電，一體機(jī)開始正常工作，人機(jī)接口模塊從一體機(jī)取電后開始工作，然后打開一體機(jī)逆變開關(guān)讓其工作在逆變模式，一體機(jī)輸出接近220V／50Hz的交流電，此時(shí)負(fù)載白熾燈開始正常工作，液晶模塊正常顯示一體機(jī)系統(tǒng)參數(shù)，如圖7所示，液晶模塊能準(zhǔn)確顯示一體機(jī)的運(yùn)行信息。同時(shí)，通過示波器測(cè)得單片機(jī)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，如圖8所示，從圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為38kHz左右，經(jīng)實(shí)際測(cè)試紅外對(duì)管模塊可以正常工作。

圖7 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果Fig.7 Results of experiment

圖8 紅外發(fā)射管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖Fig.8 Infrared transmitting tube driving signal waveform

5 結(jié) 論

本文給出了一體機(jī)的人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)方法，介紹了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。選用STC12C5A60S2單片機(jī)控制JLX12864液晶顯示，并采用人體紅外感應(yīng)模塊控制液晶屏的背光，減少系統(tǒng)的損耗，運(yùn)用RS232通信總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)一體機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。此設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在一體機(jī)實(shí)驗(yàn)板上得到了驗(yàn)證，通信顯示正常，設(shè)計(jì)簡單，成本低，可以穩(wěn)定的實(shí)時(shí)顯示一體機(jī)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一體機(jī)的人機(jī)交互，人體紅外感應(yīng)模塊可以很好的起到控制液晶屏的背光的作用，既減少了系統(tǒng)的損耗，又可以提高液晶屏的工作壽命，此人機(jī)接口模塊具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值。

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