CN104007688B - 一种温室执行机构控制器 - Google Patents

Abstract

一种温室执行机构控制器，包括电源模块，五路磁保持继电器，继电器驱动单元，过零检测单元，互感器，采样检测单元，通信单元，数据存储模块和微控制器；电源模块与三相电源连接；微控制器的IO接口与继电器驱动单元连接后与五路磁保持继电器的线圈连接，五路磁保持继电器的触点分别连接三相电源的某一相和电机的某一相；互感器的一次侧与电机的三相线连接、二次侧分别与过零检测单元、采样检测单元连接；过零检测单元与微控制器外部中断口INT连接，采样检测单元与微控制器的SPI接口连接，数据存储模块、通信单元均与微控制器连接。本发明实现执行机构电流过零点切断，避免触头产生电弧现象，提高整个控制器的稳定性和延长使用寿命。

Description

一种温室执行机构控制器

技术领域

本发明涉及智能温室领域，具体涉及一种温室执行机构控制器。

背景技术

智能温室也称自动化温室，是通过计算机控制系统综合控制多种温室执行机构，以调控温室环境参数来满足作物生长发育的需求。现代温室的执行机构主要有天窗、侧窗、风机、水泵、内外遮阳网等，其中大部分设备由三相电机的正反转来驱动。目前，普遍的控制方法是根据温室执行机构的种类和数量配备相应的电力控制柜，其原理是通过熔断器、接触器以及继电器按照一定的接线方式连接来驱动电机运转，再通过电力控制柜的外部开关来手动控制执行机构。

随着温室环境控制技术的发展，温室自动控制和远程网络控制已逐渐应用于现代智能温室领域。现有的控制方式是在原有的电力控制柜基础上，配备相应的弱电-强电转换接口，计算机再通过相应的弱电-强电转换接口控制温室执行机构。现有的执行机构控制装置虽具有一定自动化程度，但是也存在着诸多缺点：

1、模拟开关器件容易损坏，可靠性低；当执行机构需要启停或正反转切换时，由于电动机容量较大、频繁启停操作，容易导致接触器的主触头产生电弧，电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅对触头有很大的破坏作用，而且使电路断开的时间延长，从而严重影响整个控制设备的稳定性和使用寿命；

2、控制装置的弱电-强电转换功能模块器件多，各功能模块器件之间的连接比较复杂，因此涉及对原有配电柜改造的工作量大，接线复杂，可靠性低。

因而，传统的主要依靠模拟开关器件的控制方式已不能适应现代温室智能化、数字化的发展需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有温室控制系统存在的上述不足，提供一种温室执行机构控制器，实现执行机构电流过零点切断，避免触头产生电弧现象，提高整个控制器的稳定性和延长使用寿命。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种温室执行机构控制器，包括电源模块，五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5，继电器驱动单元，过零检测单元，互感器，采样检测单元，通信单元，数据存储模块和微控制器MCU；所述电源模块与三相电源连接；继电器驱动单元、过零检测单元、采样检测单元、通信单元、数据存储模块和微控制器MCU均与电源模块连接；微控制器MCU的IO接口与继电器驱动单元连接，继电器驱动单元分别与五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的线圈连接，五路磁保持继电器的触点S1、S2、S3、S4、S5分别相应连接三相电源的某一相和电机的某一相；所述互感器的一次侧与电机的三相线连接，互感器的二次侧分别与过零检测单元、采样检测单元连接；所述过零检测单元与微控制器MCU外部中断口INT连接，采样检测单元与微控制器MCU的SPI接口连接，数据存储模块通过I2C接口与微控制器MCU连接，通信单元通过USART接口与微控制器MCU连接。

按上述方案，所述磁保持继电器K1的触点S1连接三相电源的U相和电机U相，磁保持继电器K2的触点S2连接三相电源的V相和电机V相，磁保持继电器K3的触点S3连接三相电源的W相和电机W相，磁保持继电器K4的触点S4连接三相电源的W相和电机V相，磁保持继电器K5的触点S5连接三相电源的V相和电机W相。

按上述方案，所述电源模块包括电源保护接口、AC-DC电源模块、DC-DC电源模块，从三相电源任意一根相线与零线间取相电压作为电源模块的输入，电源保护接口用于对输入电源进行过流、过压保护，电源保护接口的输出作为AC-DC电源模块的输入，实现将220V交流电转换为12V直流电；12V直流电一方面用于驱动五路磁保持继电器，另一方面作为DC-DC电源模块的输入，DC-DC电源模块用于将12V直流电转化成3.3V直流电给微控制器MCU、采样检测单元、过零检测单元、通信单元、数据存储模块供电。

按上述方案，所述AC-DC电源模块采用金升阳公司的LH10-10B12电源模块，DC-DC电源模块采用金升阳公司的B_S-2W电源模块。

按上述方案，所述五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5采用上海万佳的WJ31F型继电器。

按上述方案，所述继电器驱动单元包括五路H桥驱动电路，用于分别驱动对应的五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的闭合与断开，每路H桥驱动电路由光电耦合器Opt1、Opt2，三极管Q1、Q2、Q3、Q4，电阻R1、R2组成，三极管Q1、Q2、Q3、Q4与电阻R1、R2构成H桥电路，微控制器MCU通过IO_A、IO_B两个IO接口分别与光电耦合器Opt1、Opt2连接，光电耦合器Opt1、Opt2的输出端再分别连接至H桥电路的两路控制端。

按上述方案，所述互感器包括电流互感器CT、电压互感器PT，所述电流互感器CT的一次侧与电机的三相线连接，其二次侧与过零检测单元、采样检测单元连接，电流互感器CT采集电机交流电流信号后接取样负载RL，将电机交流电流信号转换成电机交流电压信号，电机交流电压信号一路连接至过零检测单元，另一路连接至采样检测单元；所述电压互感器PT的一次侧与电机的三相线连接，其二次测与采样检测单元连接，电压互感器PT采集电机交流电压信号后连接至采样检测单元；

所述过零检测单元包括依次连接的仪表放大电路、钳位滤波电路、电压比较电路，所述仪表放大电路包括仪表放大器AD623，钳位滤波电路由两个稳压二极管D2.1、D2.2钳位连接，电压比较电路包括电压比较器LM339；

所述采样检测单元包括电压差分滤波电路、电流差分滤波电路、采样芯片，电机交流电流信号经电流互感器CT取样后送至电流差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；电机交流电压信号经过电压互感器PT取样后送至电压差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；采样芯片输出的采样数据通过SPI接口与微控制器MCU连接。

按上述方案，所述采样芯片采用电度计量芯片ATT7022。

按上述方案，所述微控制器MCU采用32位ARM7内核处理器，型号为STM32F103VET6。

按上述方案，所述数据存储模块采用存储容量为512M的存储芯片；所述通信单元包括RS485通信模块、无线通信模块，RS485通信模块和无线通信模块通过USART接口与微控制器MCU连接。

本发明的工作原理：电源模块为整个控制器提供稳定的直流12V电源和直流3.3V电源，数据存储模块用来存储本控制器的地址、电机消耗的电能、以及用于判断和计算电能参数等；

微控制器MCU接收通信单元发来的控制命令，根据运行参数控制和协调继电器驱动单元、过零检测单元、采样检测单元、通信单元的通信模块(RS485通信模块、无线通信模块)、数据存储模块运行。微控制器MCU通过通信模块接收电机正转启动、反转启动、停止等指令。如需电机正转启动，微控制器MCU通过继电器驱动单元按一定逻辑闭合K1、K2、K3三路磁保持继电器；如需电机反转启动，则控制K1、K4、K5三路磁保持继电器闭合，通过颠倒相序实现电机反转；如需停止电机运行，微控制器MCU通过过零检测单元检测相线电流过零点时刻，然后立即断开相应的磁保持继电器，实现电路无弧切断；

微控制器MCU通过读取采样芯片ATT7022采样值能够实时测量电机的三相电流和三相电压，并通过计算判断是否存在欠压、过压、缺相、过流等现象。如果出现以上异常状况，则微控制器MCU将立即执行继电器切断操作，对电机进行保护。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明控制器采用嵌入式电子器件实现温室执行机构的智能、可靠、数字式控制，通过控制执行机构电机的运转，实现对温室执行机构的启、停及正、反转操作；尤其是微控制器能够实现执行机构电流过零点切断，避免了触头产生电弧现象，从而提高整个控制器的稳定性和延长使用寿命；

(2)本发明内置采样检测单元，能够实时在线测量电机运行的电能参数，如发现有异常情况产生(过压、过流、欠压)，控制器能及时执行切断操作，保护电机以及人员、设备的安全；

(3)本发明可以作为独立的温室执行机构控制器，以总线或无线形式挂接到其他智能温室监控系统，且具备接线简单，易于对原有旧的温室系统改造的优点，从而真正实现温室群执行机构的集中智能化、数字化控制和管理。

附图说明

图1是本发明温室执行机构控制器的整体结构示意图；

图2是本发明继电器驱动单元与磁保持继电器的电路结构接线图；

图3是本发明过零检测单元的工作结构原理图；

图4是本发明过零检测单元的电路结构接线图；

图5是本发明采样检测单元的工作结构原理图；

图6是本发明控制器挂接到智能温室监控系统的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参见图1所示，本发明所述的温室执行机构控制器，包括电源模块，五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5，继电器驱动单元，过零检测单元，互感器，采样检测单元，通信单元，数据存储模块和微控制器MCU；所述电源模块与三相电源连接；继电器驱动单元、过零检测单元、采样检测单元、通信单元、数据存储模块和微控制器MCU均与电源模块连接；微控制器MCU的IO接口与继电器驱动单元连接，继电器驱动单元分别与五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的线圈连接，五路磁保持继电器的触点S1、S2、S3、S4、S5分别相应连接三相电源的某一相和电机的某一相；所述互感器的一次侧与电机的三相线连接，互感器的二次侧分别与过零检测单元、采样检测单元连接；所述过零检测单元与微控制器MCU外部中断口INT连接，采样检测单元与微控制器MCU的SPI接口连接，数据存储模块通过I2C接口与微控制器MCU连接，通信单元通过USART接口与微控制器MCU连接。

所述磁保持继电器K1的触点S1连接三相电源的U相和电机U相，磁保持继电器K2的触点S2连接三相电源的V相和电机V相，磁保持继电器K3的触点S3连接三相电源的W相和电机W相，磁保持继电器K4的触点S4连接三相电源的W相和电机V相，磁保持继电器K5的触点S5连接三相电源的V相和电机W相。

所述电源模块包括电源保护接口、AC-DC(交流转直流)电源模块、DC-DC(直流转直流)电源模块，从三相电源任意一根相线与零线间取相电压作为电源模块的输入，电源保护接口用于对输入电源进行过流、过压保护，电源保护接口的输出作为AC-DC电源模块的输入，实现将220V交流电转换为12V直流电；12V直流电一方面用于驱动五路磁保持继电器，另一方面作为DC-DC电源模块的输入，DC-DC电源模块用于将12V直流电转化成3.3V直流电给微控制器MCU、采样检测单元、过零检测单元、通信单元、数据存储模块供电。

所述AC-DC电源模块采用金升阳公司的LH10-10B12电源模块，DC-DC电源模块采用金升阳公司的B_S-2W电源模块。

所述五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5采用上海万佳的WJ31F型继电器，线圈控制电压DC12V，额定负载80A/250VAC，磁保持继电器开、合动作采用正向和反向12V直流脉冲激励线圈即可，直流脉冲需维持150ms，其动作后的开、合状态靠永久磁钢所产生的磁力保持。

所述继电器驱动单元包括五路H桥驱动电路，用于分别驱动对应的五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的闭合与断开，参照图2所示，每路H桥驱动电路由光电耦合器Opt1、Opt2，三极管Q1、Q2、Q3、Q4，电阻R1、R2组成，三极管Q1、Q2、Q3、Q4与电阻R1、R2构成H桥电路，微控制器MCU通过IO_A、IO_B两个IO接口分别与光电耦合器Opt1、Opt2连接，光电耦合器Opt1、Opt2的输出端再分别连接至H桥电路的两路控制端，具体工作过程为：当需要闭合某路磁保持继电器时，微控制器MCU控制对应的IO_A接口输出高电平，IO_B接口输出低电平，此时光电耦合器Opt1导通，光电耦合器Opt2截止，同时致使三极管Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，磁保持继电器的R_A和R_B两端形成正向12V电压，微控制器MCU保持IO_A、IO_B接口输出150ms，则磁保持继电器闭合；当需要断开该路磁保持继电器时，微控制器MCU控制对应的IO_A接口输出低电平，IO_B接口输出高电平，此时光电耦合器Opt1截止，光电耦合器Opt2导通，同时致使三极管Q1和Q4截止，Q2和Q3导通，磁保持继电器的R_A和R_B两端形成反向12V电压，微控制器MCU保持IO_A和IO_B接口输出150ms，则磁保持继电器断开。

所述互感器包括电流互感器CT、电压互感器PT，所述电流互感器CT的一次侧与电机的三相线连接，其二次侧与过零检测单元、采样检测单元连接，电流互感器CT采集电机交流电流信号后接取样负载RL(实施例中RL取200Ω)、将电机交流电流信号转换成电机交流电压信号，电机交流电压信号一路连接至过零检测单元(用于过零检测)，另一路连接至采样检测单元(用于电能参数在线测量)；所述电压互感器PT的一次侧与电机的三相线连接，其二次测与采样检测单元连接，电压互感器PT采集电机交流电压信号后连接至采样检测单元；

参照图3所示，所述过零检测单元包括依次连接的仪表放大电路、钳位滤波电路、电压比较电路，所述仪表放大电路包括仪表放大器AD623及其外围电路，钳位滤波电路由两个稳压二极管D2.1、D2.2钳位连接，电压比较电路包括电压比较器LM339及其外围电路；

所述采样检测单元包括电压差分滤波电路、电流差分滤波电路、采样芯片，如图5所示，电机交流电流信号经电流互感器CT取样后送至电流差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；电机交流电压信号经过电压互感器PT取样后送至电压差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；采样芯片输出的采样数据通过SPI接口与微控制器MCU连接。

过零检测单元用于实现交流电流过零点信号调理，具体工作过程：参照图4所示，电机交流电流信号经过电流互感器CT取样(电流互感器CT接在Ui、Ui’两端)，经过取样负载RL两端输出为电机交流电压信号(正弦信号)，通过仪表放大器AD623跟随输出，提高过零检测单元输入阻抗，再通过稳压二极管D2.1、D2.2钳位，再将信号送至电压比较器LM339的同相端(“+”)与反相端(“-”)；以反相端作为参考电压，同相端作为待比较的电压信号，当同相端(“+”)电压高于反相端(“-”)电压时，电压比较器LM339输出端输出开路；当“-”端电压高于“+”端电压时，电压比较器LM339输出端输出低电位；另外，电压比较器LM339输出端到正电源上拉一电阻R2.5，确保电压比较器LM339输出开路时为正电源输出。因此，当电机交流电压信号(正弦信号)处于正半周期时(Ui>0)，电压比较器LM339输出正电源(方波的正半周)，当电机交流电压信号(正弦信号)处于负半周期时(Ui<0)，电压比较器LM339输出低电位(方波的负半周)；换言之，电流互感器CT经取样负载RL输出的电机交流电压信号(正弦信号)经过过零检测单元后整形为标准的方波信号，且正弦的电机交流电压信号的过零点与方波信号的下降沿重合，将此方波信号送至微控制器MCU外部中断口INT，微控制器MCU就能准确判断电机电流过零点时刻，此时断开相应的磁保持继电器(K1、K2、K3或K1、K4、K5)就能实现零电流切断，无电弧现象产生。

所述采样芯片采用电度计量芯片ATT7022，ATT7022能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、有功能量和无功能量等，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因素、频率等参数。

所述微控制器MCU采用32位ARM7内核处理器，型号为STM32F103VET6，其性能强、功耗低。

所述数据存储模块用于存储电机的运行参数和电能参数数据，数据存储模块采用存储容量为512M的存储芯片；所述通信单元包括RS485通信模块、无线通信模块，USART接口包括USART1接口(有线接口)、USART2接口(无线接口)，RS485通信模块和无线通信模块分别通过USART1接口、USART2接口与微控制器MCU连接，有线接口和无线接口为本控制器提供了多种数据传输方式，控制器通过这两个接口接收运行参数配置和控制命令。

本发明电源模块为整个控制器提供稳定的直流12V电源和直流3.3V电源，数据存储模块用来存储本控制器的地址、电机消耗的电能、以及用于判断和计算电能参数等。

微控制器MCU接收通信单元发来的控制命令，根据运行参数控制和协调继电器驱动单元、过零检测单元、采样检测单元、通信单元的通信模块(RS485通信模块、无线通信模块)、数据存储模块运行。微控制器MCU通过通信模块接收电机正转启动、反转启动、停止等指令。如需电机正转启动，微控制器MCU通过继电器驱动单元按一定逻辑闭合K1、K2、K3三路磁保持继电器；如需电机反转启动，则控制K1、K4、K5三路磁保持继电器闭合，通过颠倒相序实现电机反转；如需停止电机运行，微控制器MCU通过过零检测单元检测相线电流过零点时刻，然后立即断开相应的磁保持继电器，实现电路无弧切断。

微控制器MCU通过读取采样芯片ATT7022采样值能够实时测量电机的三相电流和三相电压，并通过计算判断是否存在欠压、过压、缺相、过流等现象。如果出现以上异常状况，则微控制器MCU将立即执行继电器切断操作，对电机进行保护。

本发明还可以作为独立的温室执行机构控制器，以总线或无线形式挂接到其他智能温室监控系统，且具备接线简单，易于对原有旧的温室系统改造的优点，如图6所示，从而真正实现温室群执行机构的集中智能化、数字化控制和管理。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种温室执行机构控制器，其特征在于：包括电源模块，五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5，继电器驱动单元，过零检测单元，互感器，采样检测单元，通信单元，数据存储模块和微控制器MCU；所述电源模块与三相电源连接；继电器驱动单元、过零检测单元、采样检测单元、通信单元、数据存储模块和微控制器MCU均与电源模块连接；微控制器MCU的IO接口与继电器驱动单元连接，继电器驱动单元分别与五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的线圈连接，五路磁保持继电器的触点S1、S2、S3、S4、S5分别相应连接三相电源的某一相和电机的某一相；所述互感器的一次侧与电机的三相线连接，互感器的二次侧分别与过零检测单元、采样检测单元连接；所述过零检测单元与微控制器MCU外部中断口INT连接，采样检测单元与微控制器MCU的SPI接口连接，数据存储模块通过I2C接口与微控制器MCU连接，通信单元通过USART接口与微控制器MCU连接。

2.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述磁保持继电器K1的触点S1连接三相电源的U相和电机U相，磁保持继电器K2的触点S2连接三相电源的V相和电机V相，磁保持继电器K3的触点S3连接三相电源的W相和电机W相，磁保持继电器K4的触点S4连接三相电源的W相和电机V相，磁保持继电器K5的触点S5连接三相电源的V相和电机W相。

3.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述电源模块包括电源保护接口、AC-DC电源模块、DC-DC电源模块，从三相电源任意一根相线与零线间取相电压作为电源模块的输入，电源保护接口用于对输入电源进行过流、过压保护，电源保护接口的输出作为AC-DC电源模块的输入，实现将220V交流电转换为12V直流电；12V直流电一方面用于驱动五路磁保持继电器，另一方面作为DC-DC电源模块的输入，DC-DC电源模块用于将12V直流电转化成3.3V直流电给微控制器MCU、采样检测单元、过零检测单元、通信单元、数据存储模块供电。

4.根据权利要求3所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述AC-DC电源模块采用金升阳公司的LH10-10B12电源模块，DC-DC电源模块采用金升阳公司的B_S-2W电源模块。

5.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5采用上海万佳的WJ31F型继电器。

6.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述继电器驱动单元包括五路H桥驱动电路，用于分别驱动对应的五路磁保持继电器K1、K2、K3、K4、K5的闭合与断开，每路H桥驱动电路由光电耦合器Opt1、Opt2，三极管Q1、Q2、Q3、Q4，电阻R1、R2组成，三极管Q1、Q2、Q3、Q4与电阻R1、R2构成H桥电路，微控制器MCU通过IO_A、IO_B两个IO接口分别与光电耦合器Opt1、Opt2连接，光电耦合器Opt1、Opt2的输出端再分别连接至H桥电路的两路控制端。

7.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述互感器包括电流互感器CT、电压互感器PT，所述电流互感器CT的一次侧与电机的三相线连接，其二次侧与过零检测单元、采样检测单元连接，电流互感器CT采集电机交流电流信号后接取样负载RL，将电机交流电流信号转换成电机交流电压信号，电机交流电压信号一路连接至过零检测单元，另一路连接至采样检测单元；所述电压互感器PT的一次侧与电机的三相线连接，其二次测与采样检测单元连接，电压互感器PT采集电机交流电压信号后连接至采样检测单元；

所述过零检测单元包括依次连接的仪表放大电路、钳位滤波电路、电压比较电路，所述仪表放大电路包括仪表放大器AD623，钳位滤波电路由两个稳压二极管D2.1、D2.2钳位连接，电压比较电路包括电压比较器LM339；

所述采样检测单元包括电压差分滤波电路、电流差分滤波电路、采样芯片，电机交流电流信号经电流互感器CT取样后送至电流差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；电机交流电压信号经过电压互感器PT取样后送至电压差分滤波电路，输出的滤波信号再送至采样芯片；采样芯片输出的采样数据通过SPI接口与微控制器MCU连接。

8.根据权利要求7所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述采样芯片采用电度计量芯片ATT7022。

9.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述微控制器MCU采用32位ARM7内核处理器，型号为STM32F103VET6。

10.根据权利要求1所述的温室执行机构控制器，其特征在于：所述数据存储模块采用存储容量为512M的存储芯片；所述通信单元包括RS485通信模块、无线通信模块，RS485通信模块和无线通信模块通过USART接口与微控制器MCU连接。