无线闭锁方案.docx
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无线闭锁方案
无线遥控闭锁装置方案
1目的
方案书从无线遥控闭锁装置的开发和无线遥控闭锁装置整体的设计以及各个模块的划分方面来叙述，为下一阶段系统开发做指导。
闭锁装置作用是为了实现五防的目的。
五防闭锁主要是指：
①防止误分、合断路器。
②防止带负荷分、合隔离开关。
③防止带电挂（合）接地线（接地开关）。
④防止带接地线（接地开关）合断路器（隔离开关）。
⑤防止误入带电间隔。
此无线遥控闭锁装置功能上就是为了实现外接电磁铁KD在满足一定条件后才能动作。
2无线遥控闭锁装置总体要求
1一套完整的无线遥控闭锁装置由主模块及辅模块构成，其中主模块为1个，辅模块为若干个（最多30个），各模块均为独立结构形式。
任何一个辅助模块断电，不会对系统其他模块不能够造成影响，再次通电时能够立刻与整个系统相连。
2主模块与辅模块之间通过无线方式进行通讯，且均为双向通讯，同时收发信号，互不干扰。
可考虑使用无线射频技术、2.4G或5.8G等无线通讯频率。
无线通讯要综合考虑抗电磁干扰能力、金属板材的穿透能力及稳定性，保证高可靠性。
由于工作环境为全金属封闭柜体，为了不影响正常通信，需外接天线到柜体外，预留天线接口（SMA接口）。
3主模块中电源采用12V电池。
电池、逻辑电路、无线模块需要为一体式，并尽量缩小体积，减轻重量。
DC12V电池为可充电式，预留充电接口。
要求电池系统为自动充电式，电源线在系统不工作时长时间插在充电接口上，电池系统需要在电池电量低时自动为电池充电，充满时自动断电，为保证电池寿命，最好具有自动循环充放电功能。
电池容量需要维持系统工作10小时以上，电量不足时需要发出报警。
4辅助模块中电路采用DC220V电源，并加装类似应急照明灯工作原理的不间断电源，当外接电源断开时为辅助模块断路器闭锁逻辑电路和无线模块继续提供电源，输出DC12V。
电池容量需要维持系统工作10小时以上，电量不足时需要发出报警。
不间断电源、逻辑电路、无线模块需要为一体式，尽量缩小体积，减轻重量，并需要外壳，外壳底部可直接安装在DIN（35*7.5*1）导轨上，并在四个角位置预留螺丝安装孔，可由M6螺丝安装。
5无线模块需要主模块能与辅助模块方便配对组成系统，做到一键配对，并可一键解除配对，将某一个或者所有辅助模块从系统中清除。
当主机主模块按下配对键时，辅助模块也按下配对键便可让辅助模块加入此系统。
6可用PC为每个辅助模块独立命名。
若有模块无法成功闭锁，可在主模块上将其名称在显示屏上显示。
3无线遥控闭锁装置基本结构和功能要求
图3.1主模块电路
图3.2辅助模块电路
此系统中，主模块有一个，辅助模块有多个，一个主模块可以控制多个辅助模块，当主模块发出信号时，所有辅助模块都可接收它的信号，每辅助模块发射的信号，在主模块中都可以被接收并识别到。
1、在主模块中外接行程开关S1闭合，单片机识别到其闭合状态，控制继电器ZJ11闭合，主模块工作。
同时单片机控制无线模块发送闭锁信号。
2、辅助模块外接开关SK闭合，单片机检测到其闭合状态，控制继电器SK闭合，电源总开关回路闭合，辅助模块工作。
3、辅助模块工作后，辅助模块的单片机通过内置AD和采样电阻R5，检测到辅助模块回路正常带电，通过无线模块将状态传送给主模块，并在显示器显示。
4、主模块外接行程开关S2闭合，单片机检测到其状态，单片机控制无线模块发送闭锁信号。
5、发送闭锁信号同时，单片机控制继电器ZJ2闭合。
6、辅助模块接收闭锁信号后，闭锁回路继电器SK2断开，完全断开还需ZJ5断开。
7、辅助模块外接行程开关接点SK3闭合，单片机检测到其状态，继电器ZJ5动作，ZJ5接点断开，闭锁回路全部断开，外接电磁铁断电，成功闭锁。
8、外接电磁铁断电触发外接行程开关SR闭合，单片机检测到SR的状态，通过无线模块向主模块发送信号。
主模块接收到信号后，控制继电器ZJ3工作，则MC通电，闭锁回路工作。
（若未能成功闭锁，则行程开关SR不会动作，辅助模块不会向主模块发送信号，则继电器ZJ4动作，报警工作，同时在显示器显示为正常工作的辅助模块名称）
9、外接行程开关SD断开后闭锁回路断开。
其他要求对应方案
1、由于主模块的充电模式是AC220V，所以使用电池配套充电器，充电电路不予设计。
2、辅助模块的充电模式为DC220V，无相应充电器，所以单独设计开关电源充电电路。
3、主模块和辅助模块的配对操作，需要在辅助模块上按下按键，在主模块上用触摸屏进行操作。
解除配对操作，只需在主模块的触摸屏上进行操作即可。
工作步骤可如下图3.3表示：
图3.3无线遥控闭锁装置工作流程图
4无线遥控闭锁装置整体设计
4.1模块式框图
图4.1主模块框图
图4.2辅助模块程序框图
4.2器件选型
4.2.1主模块
主模块分为主控制器模块、无线模块、供电模块、可控模块、电量检测模块。
4.2.1.1主控制器模块
在要控制的电路中：
表4.1主模块管脚需求
名称
作用
IO方向
管脚数量
S1
行程开关
输入
1
ZJ11
继电器
输出
1
ZJ2
继电器
输出
1
S2、SD
行程开关
输入
2
ZJ3、报警控制
继电器
输出
2
分析表4.1可知，主模块对管脚的需求量不大，要求中对性能没有明确要求，同时考虑到编程和控制的的便捷性，所以主控制器初步定为STC12C5A60S2单片机。
为缩小主电路体积，为继电器等留出充足空间，选用LQFP封装的单片机。
如同4.3所示。
图4.3LQFP封装单片机
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。
STC12C5A60S2是8051系列单片机，与普通51单片机相比有以下特点:
1、同样晶振的情况下，速度是普通51的8~12倍
2、有8路10位AD
3、多了两个定时器，带PWM功能
4、有SPI接口
5、有EEPROM
6、有1K内部扩展RAM
7、有WATCH_DOG
8、多一个串口
9、IO口可以定义，有四种状态
10、中断优先级有四种状态可定义
4.2.1.2无线模块
由于本装置工作环境为全金属蜜蜂柜体，所以发射功率过小的无线模块无法满足要求，为此本装置初步选择以SX1278为核心的大功率无线模块。
实物如图4.4所示。
图4.4大功率无线模块实物图
其具体参数如表4.2所示。
表4.2无线模块基本参数
序号
参数名称
参数值明细
01
工作频段
410MHz-441MHz
02
工作电压
2.8V–5.5VDC
03
通信电平
最大5.2V
04
发射功率
27dBm
05
实测距离
5000m
06
空中速率
0.3Kbps–19.2Kbps（6级可调，出厂默认2.4Kbps）
07
发射电流
370mA@27dBm
08
接收电流
14.5mA,最低30uA
09
通信接口
UART串口，8N1，8E1，801
10
收发长度
512字节缓存，数据分包58字节
11
地址功能
可配置65536个地址
12
天线形式
SMA接口
13
工作温度
-40°C~+85°C
14
工作湿度
10%~90%相对湿度
其有两种那个组网方式，如图4.5和图4.6所示。
图4.5定点发射方式组网
图4.6广播发射方式组网
4.2.1.3可控电路模块
可控电路即为主电路，之所以施加单片机电路是为了控制主电路的工作，以及检测主电路和辅助电路的状态。
行程开关：
预留接线口，具体型号不用选择。
继电器：
由于整个电路工作在DC12V的状态下，最大功率要求为20W，所以继电器选择5VT73，此款继电器可由5V电压驱动。
最大允许直流电压和电流为DC30V，10A。
如图4.7所示
图4.7主模块继电器实物
电磁铁：
预留接线端子，型号不用选择，但接线端口容量设计为20W（实际最大10W）。
报警灯：
预留接线端子，型号不用选择，但接线端口容量设计为20W（此设计取消，变为液晶屏）。
4.2.1.4供电模块
装置要求用DC12V的电池供电，由于装置工作环境的要求，尽可能的缩小装置的体积，所以选择12V的锂电池或镍氢电池供电。
图4.8主模块电池实物
基本参数：
规格：
电压12V容量6800mah
电流：
3A（带短路保护）
接口：
为2.1*5.5mm
尺寸:
长/11.0cm宽/5.8cm厚/1.8cm。
重:
0.13kg
4.2.1.5电池检测电流
淘宝还是自己做，待决定。
4.2.1.6显示模块
由于装置要求可以显示辅助模块信息，同时为更好的管理辅助模块的添加与删除，要求显示屏具有触摸输入功能，51单片机的管脚个数是有限的，恰好本设计选用的增强型51单片机同时具有两个独立的串口，其中一组被无线模块所使用，另外一组恰好可以被串口显示屏所利用。
图4.9串口显示屏
1、串口指令控制。
人机界面的制作全部由上位机软件完成，下位机MCU仅仅需要通过串口与设备交互指令，提高开发效率。
2、支持多种调试方式。
支持串口下载和SD卡下载，支持PC端模拟调试，支持模拟器和设备同步调试。
3、16位真彩色RGB显示。
4、支持多种组态控件：
按钮控件、进度条控件、文本控件、指针控件。
5、100级背光调光，有休眠模式，休眠电路20mA，支持触摸唤醒功能。
4.2.2辅助模块
辅助模块又分为：
主控制器模块、无线模块、供电模块、可控模块、电量检测模块。
4.2.2.1主控制器模块
在要控制是电量中：
表4.3辅助模块管脚需求
名称
作用
IO方向
管脚数量
SK、SK3
行程开关
输入
2
SK2、ZJ5、SK1
继电器
输出
3
SR
开关
输入
1
STC89C52也可满足，所以与主模块的控制器相同。
4.2.2.2无线模块
与主模块的控制器相同。
4.2.2.3可控模块
外接电磁铁：
在整个主电路中，耗电量做大的是外接电磁铁。
外接电磁铁为预留外接端子，容量为12VDC20W。
由此可得，电路为：
I=P/U=20/12=1.6A
继电器：
所以选择和主模块中一样的继电器也可满足。
4.2.2.4供电模块
装置的供电要求为DC220V供电，而内部所有的控制回路和执行回路只需要DC12V来供电，所以选择12V的电池充当备用电源，又因为要尽量的缩小装置的体积，所以选择12v的锂电池。
装置的外部供电为DC220V，所以要经过DC-DC转换成DC12V才能接到电池的两端。
市场已有成熟的开关电源方案。
若要设计循环充放电回路，则要对电池的电量进行检测
4.2.2.5电池检测电流
若要设计循环充放电回路和实现低电量报警，则要对电池的电量进行检测。
现如今对电池的电量进行检测的方法一般是电池电压检测法。
网上现有模块
图4.10电量检测模块
尺寸：
6.9*2.5*1.5cm
板载4级电量灯，如不需要可以软件关闭
淘宝还是自己做，待决定。
4.3硬件设计
4.3.1主模块
4.3.1.1主控制器
图4.11主模块主控制器最小系统
次电路为STC12C5A60S2最小系统电路图，只需要简单的几个元器件就可使STC12C5A60S2单片机正常工作，在最下系统中，设置了TTL接口，方便程序的下载。
由于STC12C5A60S2单片机接口丰富，本方案只引出了必须的引脚，未利用到的留空。
4.3.1.2主模块主电路
图4.12主模块主电路图
主电路主要按照客户要求设计，主要功能是控制电磁铁的工作，当继电器ZJ2和ZJ3同时断开时，闭锁电磁铁成功闭锁，LED接口为报警灯接口，当闭锁命令发出后，单片机通过检测R8电阻两端是否带电，若带电，则表示未能成功闭锁，则ZJ4闭合，报警灯工作。
4.3.1.3稳压模块
图4.13稳压模块电路图
本方案选用的供电电池为12v，为保证供电的稳定性，选用LM2596-5，将电池电压稳定到5V。
位整个控制系统供电。
4.3.1.4无线模块
图4.14无线模块电路图
无线模块的各个功能管脚与单片机相连，其中M0和M1管脚控制无线模块的4种工作模式。
4.3.1.5继电器驱动
图4.15继电器驱动电路
由于单片机功率限制，管脚不能直接控制继电器工作，所以选用S8050三极管进行放大，驱动继电器工作。
一个继电器设计一个驱动电路。
4.3.1.6行程开关
图4.16行程开关电路图
行程开关为外界，根据设计需求，共需要3个行程开关接口。
4.4.2辅助模块
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