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基于Arduino的电源测控系统设计

范文

王佳栋卢武杰王政

摘要：为了实现对设备电源的检测和控制，本系统以arduino为控制核心，采用无线测控技术，设计相应的硬件电路，应用指纹模块对电源开关的控制，以及电流监测模块对电源电流的监测，从而实现对设备电源的测控。

关键词：电源;arduino;测控

Power Measurement and Control system based on Arduino

Wang Jiadong ?Lu Wujie ?Wang Zheng

Guangzhou Institute，South China University of Technology GuangdongGuangzhou 510800

Abstract： In order to realize the detection and control of the power supply of the equipment，the system takes arduino as the control core，adopts the wireless measurement and control technology，designs the corresponding hardware circuit，and applies the fingerprint module to control the power switch.And the current monitoring module to monitor the power supply，so as to achieve the measurement and control of the equipment power supply.

Key words： power;arduino;measurement and control

如今，对于一些重要的用电设备或特殊的用电器件的电源的监控备受人们的关注，且产生了各式各样的电源测控系统。[1-3]本项目基于Arduino控制器，设计一套可针对设备电源的权限管理和实时监测系统。系统以Arduino单片机作为控制中心，采用指纹模块的识别控制功能实现设备电源使用权限的管理。在检测上采用蓝牙无线测控技术，通过读取电流变送器输出的电压变化，在自主设计的上位机上进行实时显示与提醒，实现对设备电源的实时有效监测。

1 系统框架与电路设计

电源测控系统总体框架如图1所示，由供电单元、控制单元、交互单元、检测单元、被测控单元组成。

各单元构成设计电路如图2所示，供电单元由S-100-24开关电源将220V单相交流电转化成24V直流电输出，以满足电流变送器、电压变送器等元件的供电需求。24V转5V的转换器将S-100-24开关电源输出24V的电压转化成满足Arduino单片机等元件。

控制单元由Arduino单片机作为系统的主控制器，以引脚10为按键触发按键位;引脚11为控制位;引脚A0则是电源电流电压的测量检测位，[4]交流接触器作为三相交流电路的控制开关。单片机通过控制继电器的常开开关的闭合与断开以控制交流接触器线圈通电情况，从而控制三相电的接通与断开。

交互单元采用的是40系列的光学指纹模块。指纹模块在主控制器的作用下可以让指纹成为继电器的常开开关闭合与断开的钥匙，进而控制三相交电的接通，实现人与系统间的交互。[5]其中以2号指纹为总权限指纹，以控制其他指纹的权限。

检测单元由电流变送器、电压变送器和蓝牙模块[6]构成，利用被测电源线穿过电流变送器检测电流情况;电压变送器与被测电源的其中一相并联检测电压情况;测得数值通过蓝牙模块发送为上位机，以实现对用电设备的监测。

被测控单元为本系统测控的用电设备，图2示例为监控三相用电设备，通过检测电流电压数据反映设备的工作情况，实现远程监视。

2 基于arduino的系统软件设计

电源测控系统主要实现三种功能，分别为权限识别，监测管理以及权限管理，如图3所示。其中，权限识别和权限管理本系统选用了指纹模块来进行设计。权限管理则为对指纹存储权限限定;权限识别设计为对指纹的识别;状态监测即是对电流的变化进行实时检测，然后再将电流的变化情况发送给上位机软件，上位机再根据传来的电流数据进行判断设备的工作状态。

2.1 权限管理功能

系统中权限管理采用了一个总指纹管理录入权限的设计，功能流程如图4所示：

（1）操作者通过上位机软件发送权限管理的指令。

（2）arduino接收到指令后，先进行对管理人员指纹的识别。

（3）判断是否为总权限指纹，是则允许录入指纹，否则不允许录入指纹。

（4）进行完指纹的录入后，确认是否还要进行指纹的录入，要则再进行（1）（2）（3）步，否则则退出循环。

2.2 权限识别功能

系统的权限识别针对不同的情况，设计了两种启动权限识别的方法。分别是硬件触发与软件触发。硬件触发本系统设计了通过按键启动权限识别，而软件触发本系统则通过上位机进行权限识别功能的启动。功能流程图如图5所示：

（1）操作者可选择使用按键触发或者使用上位机软件来启动权限识别。

（2）若操作者选择了按键触发，则通过长按按键使按键位处于高电平状态，arduino检测到按键位处于高电平状态或者通過上位机软件发送权限识别指令则进行权限识别功能。

（3）判断是否为具有操作权限的指纹，是则控制位输出高电平，否则控制位输出低电平。

（4）进行完指纹的识别后，确认是否还要进行指纹的识别，要则再进行（1）（2）（3）步，否则则退出循环。

根据功能流程图对程序进行设计。在进行设计程序时需要了解到指纹模块在识别一个指纹时只需要进行一次指纹的录入，录入的指纹进行生成特征处理，然后再进行指纹匹配。指纹模块在进行指纹匹配的时候有以下两种方式：

（1）指纹比对方式：通过指纹传感器，录入要验证指纹图像，并进行处理，然后与模块中指定的一个模板进行匹配，称为指纹比对方式，即1：1方式，模块最终给出匹配结果（通过或失败）。

（2）指纹搜索方式：通过指纹传感器，录入要验证指纹图像，并进行处理，然后与模块中多个模板进行匹配，称为指纹搜索方式，即1：N方式，模块最终给出匹配结果（通过或失败）。

系统根据需要选择了指纹搜索方式，设计arduino向指纹模块发送相应指令的程序流程如图6所示。

2.3 状态监测功能

系统的设备状态监测设计是基于arduino引脚读取到的电压值来进行设计的。先采用C#对上位机软件进行设计[12-16]。设计好软件后，由于arduino模拟引脚读取到的数据为10位二进制数据，因此需要在arduino程序中将检测位检测到的数据需要经过一定公式的换算，换算公式为：5*（val/1024）*1000。其中val为检测位读取到的数据。进行了对软件与转换公式的设计后，就是对arduino程序的设计，流程如图7所示。

3 调试

本系统采用安川工业机器人控制柜作为被测控单元进行调试，根据图2电路设计完成调试平台搭建如图8所示。

通过操作机器人处于不同状态并记录检测单元反馈数值，建立机器人状态与读取数值的关系如下表所示。并在上位机上进行设置，实现上位机对设备状态的判断及显示。

4 结语

本系统围绕对设备电源的检测和控制展开设计。对设备的工作状态进行检测和反馈，以及通过对操作者的限定从而达到对电源的控制，并且操作者还能在上位机软件中通过对arduino进行远程控制，从而实现对电源的远程检测和控制，实现系统的电源管理，也有效的降低了电源的使用安全管理问题，提高工作效率。

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