摘要:以STC15F2K32S2单片机为主控核心（MCU),压力传感器和浮球开关作为液位检测手段，液晶按键作为显示及输人部件，利用ESP8266无线芯片构建局域网络，在电脑或智能手机上可以利用专门开发的软件直接监测和控制系统。整个系统功能完善，成本适宜，运行稳定，控制方便，完全满足工业化生产应用。
　　关键词:STC单片机；电能检测；水泵控制；无线监控
　　引言
　　随着信息技术的进步，水泵控制系统也向着信息化、智能化的方向发展。水泵控制通常由可编程逻辑控制器（PLC)来控制，但PLC通常非常昂贵，并且体积很大。为此，本设计采用STC15F2K32S2大容量单片机（MCU)为核心控制器，结合ATT7022电能计量芯片精确检测供电状况，以压力传感器和浮球开关作为液位检测手段，液晶键盘作为参数显示和输入，利用ESP8266无线模块连接电脑和手机端控制软件，实现水泵的无线控制，从而构成一个保护全面、控制简单、成本适当的水泵控制系统。
　　1系统总体功能设计
　　排水栗控制系统总体结构如图1所示。
　　信号检测主要由四个模块组成:液位检测模块、供电检测模块、电动机检测模块和接触器检测模块。其中，液位检测采用压力传感器和浮球开关两种可选检测方案，供电检测模块主要检测电压、电流、相位、相序的正常与否，电动机检测组要检测电动机是否过热，接触器检测组要检测其吸合和断开是否正确。液晶显示面板（LCD)配合按键完成系统参数的设置、实时参数和故障信息的显示。MCU是整个控制系统的核心，它完成故障
　　检测数据的收集、水泵起停控制、LCD信息显示控制、按键设定参数的读取、与无线模块数据的相互传递。电脑或手机客户端通过ESP8266无线模块与单片机双向通信，实现系统的监测与控制。
　　2系统各信号检测实现2.1液位检测
　　液位检测有压力传感器和浮球液位开关两种可选方案。压力传感器用于检测连续液位，精确度高，使用范围广，成本相应更高，应用时针对压力传感器力敏电阻器的不匹配及其漏电流的影响产生零点漂移的现象加人了零点漂移补偿程序[1];浮球液位开关输人为通断信号，只可检测固定的几个液位，但是成本更低，应用时针对液位浮球开关在接通瞬间会产生抖动问题加人了基于中断的软件防干扰程序[2]，提高了浮球液位开关的稳定性。系统提供这两种传感器接人方式，可根据应用场合、成本控制等要求灵活选择。
　　2.2供电检测
　　供电检测对于保护电动机是最为重要的，三相电动机可能遇到比较严重的供电故障，如缺相、相序错误、输人电压过高或过低，以及电动机本身过载、短路和空载故障（反应在供电回路上为电流相比正常值过高或过低），这些故障必须检测和处理，以保证系统的安全[3]。供电检测由炬力集成电路设计有限公司的电能专用芯片ATT7022及周围电路完成,外部每一相电压和电流都经过电压互感器和电流互感器及电阻网络之后，转化为小电压信号，输人ATT7022的电压、电流检测引脚，然后通过其内部的16位精度数模转换(ADC)通道，经过内部的计算电路得到电压、电流的有效值，并存储在内部的寄存器里面。其电压有效值："rms=V+iw'2⑴出⑴其电流有效值：’-=7y{z：2(〇d'⑵上述式中j为采样周期;u.为采样电压值为采样电流值。ATT7022支持纯数字校表，即软件校表。通过校表对电压、电流有效值进行修正，以得到准确的电压、电流值。在电压增益t/gam=〇时，测出实际电压值R，M⑶通过串行外设接口(SPI)读出测量电压有效值寄存器的值为则测量电压有效值为=Zteaf/x2w/223(来源于产品手册），电压增益计算公式为Usain=U/U[ms-l(3)在电流增益/gaill=〇时，测出实际电流值人，M⑶通过SPI口读出测量电流有效值寄存器的值为Ztea/，则测量电流有效值为/_=Ztea/X2W/223,电流增益计算公式为’g—=’/’rms_1⑷校表结束后，单片机就可以通过读取ATT7022电流、电压有效值寄存器的值，得出实际电流和电压值。缺相和相序错误可以通过状态标志寄存器SFlag进行表示：SFlag的BitO/1/2=1时，分别表示A/B/C三相电压低于设定的阈值电压：：SFlag的BitO/1/2=0时，表示A/B/C三相电压高于设定的阈值电压；SFlag的Bit3为1时，表示A/B/C电压出现错序；SFlag的Bit3为0时，表示A/B/C电压相序正确[4]。
　　2.3电动机和接触器检测
　　电动机检测是针对电动机过热进行的，利用电动机过热保护输出信号，迅速切断电动机电源，从而保护电动机[5]。接触器检测的目的是为了防止接触器发生故障，在其不能吸合或者不能断开的情况下进行报警，以便及时处理。
　　3系统软件设计
　　系统主程序如图2所示，设计包括定时中断处理、串口中断处理、故障检测、液晶显示及按键输人、无线控制和水泵控制程序6个部分。
　　图2系统程序流程
　　定时中断子程序的定时时间为10ms，完成按键、浮球开关信号的滤波与读取，水泵工作时间的统计，发送到串口的实时液位、电压、电流和各类故障信息的组织。
　　串口中断子程序在定时中断程序组织好数据后，通过串口发送数据，在无线模块有数据返回时优先接收数据，并解析出控制数据。
　　故障检测子程序完成电压过高或过低、电流过高或过低、缺相、相序错误、电动机热保护及接触器损坏时相应程序标志位的置位和报警、液位超限报警等。
　　液晶显示子程序完成系统时间显示，泵工作时间次数显示，实时液位、电压、电流的显示，故障信息显示，水泵起停工作状态显示；按键输人程序完成系统工作参数的设定。
　　无线控制子程序实现对无线模块的配置。
　　水泵控制主程序完成液位高度信号采集，ATT7022软件校表，芯片电压有效值寄存器、电流有效值寄存器和相位相序寄存器数值的读取，除定时串口中断子程序外的各子程序的调用，水泵手动控制、自动控制的判断，以及水泵起动、停止的控制。
　　4无线控制设计
　　本水泵控制系统采用ESP8266无线模块，成本为十几元，是一个完整且自成体系的WiK网络解决方案，能够独立运行，也可以作为Slaw搭载于其他Host运行，适合工业化生产应用。ESP8266支持SoftAP模式(无线接入点）、Station模式(无线终端）和SoftAP+Station共存模式。在应用中我们把无线模块设置在SoftAP模式下，电脑或手机接入此无线模块，形成一个局域网。工作时MCU通过串口发送设置命令，设置ESP8266的工作参数，电脑、手机端的控制软件根据MCU所设定的IP地址和端口号连接上ESP8266,进而实现数据的传递。MCU通过串口设置的流程如图3所示。
　　图3ESP8266参数初始化流程在模块实现了TCP(传输控制协议）服务器功能之后，ESP8266接收MCU发送过来的数据，并将数据自动转换成TCP报文，以帧的形式发送到电脑和手机端，电脑和手机端的控制数据以同样的方式发送到ESP8266，ESP8266解析TCP报文并获得控制数据，将控制数据通过串口发送到MCU，MCU再通过判断接收到的数据执行相应的动作。电脑和手机端软件只需要实现客户端的功能。客户端软件包括显示、控制和IP(网络协议）地址以及端口号输入这几部分。其显示的内容为实时液位高度、电流值、电压值，以及报警信息;控制的内谷为起动、关闭栗1，起动、关闭栗2;IP地址为ESP8266的IP，默认为192.168.4.1，可以在设置ESP8266工作参数时设置其他IP;端口号为设定模块时所设置的值，本系统为5000。系统启动后，模块参数由MCU程序自动设置完成，并且可以保存在模块内部，用户只需用电脑或者手机软件连接上模块，输人IP地址和端口号，就可以看到水泵系统的工作参数，也可以控制水泵的运转。
　　5结束语
　　本系统采用STC15F2K32S2单片机为主控芯片，运用ATT7022电能检测芯片检测系统各供电参数，使得电路设计和程序处理简单化，液晶键盘的运用在实现参数显示设置功能的同时使得设计成本变得很低，ESP8266无线芯片与电脑连接，实现了局域网内部的无线控制功能，并且电脑手机连接方便。扩展使用时也可以将无线芯片配置成station模式连接公网服务器，从而实现远程控制的功能。整个系统经过3万多次的启停控制实验，证明了其稳定性，现已批量工业化生产。
　　参考文献：
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　　[2]夏汝华，吴彬.基于低功耗PIC单片机中断技术的液位开关设计[J].自动化与仪器仪表.2011(4):57.
　　[3]TKChatteijee,DKMittra,SMahata,etal.Anovelsolid-stateintegratedprotectionsystemforthreephaseinductionmotors[C]//ThirdInternationalConferenceonPowerSystem.KharagPur：[s.n.],
　　[4]杨蕾，黄光明.ATT7022B自动校表平台的实现[J].电测与仪表，2007(5):58.
　　[5]高峰.电动机热保护实现方式探讨[】].宝钢技术，2008(2)：58.

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