李路遙，王志新，鄒建龍

(1.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240；2.嘉興清源電氣科技有限公司，浙江嘉興 314031)

電力部門進(jìn)行戶外檢修作業(yè)時，需要便攜的照明電源和穩(wěn)定的電力供應(yīng)，移動應(yīng)急照明電源能夠?qū)崿F(xiàn)以上功能。論文結(jié)合實際應(yīng)用，針對該移動應(yīng)急照明電源設(shè)計了一套人機(jī)交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于ARMCortex-M3系列芯片STM32F103ZET6的紅牛開發(fā)板作為控制器，觸摸屏作為顯示器和輸入設(shè)備，與具有信號采集功能的電信號調(diào)理電路和固態(tài)繼電器驅(qū)動電路一起，實現(xiàn)了移動電源工況的實時監(jiān)控和觸摸開關(guān)功能，能夠及時準(zhǔn)確地向操作者提供該移動電源的工作狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)，并有效傳輸和處理操作者輸入的指令。經(jīng)實際應(yīng)用測試，表明該系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確地跟蹤和顯示移動電源的工況，對操作者輸入的指令也能及時、準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。

1 概述

人機(jī)交互系統(tǒng)(human-machine-interface system,HMI)旨在通過計算機(jī)的輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實現(xiàn)人類與計算機(jī)的對話。圍繞鋰電池的工況監(jiān)視和運行控制功能而設(shè)計的人機(jī)交互系統(tǒng)，一般以單片機(jī)作為主控部分，將設(shè)備運行信息和操作者控制信息經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)運算和邏輯分析發(fā)出信號，用于顯示工況信息或傳輸控制指令[1-3]。

圖1為應(yīng)用于移動應(yīng)急照明電源的人機(jī)交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，由觸摸屏模塊、控制器、電信號調(diào)理電路、固態(tài)繼電器電路以及移動電源模塊組成。

其中，控制器采用基于ARMCortex-M3系列芯片STM32F103ZET6的紅牛開發(fā)板，接收觸摸屏輸入的控制指令和移動電源模塊通過調(diào)理電路后輸入的工況信息，分別輸出控制指令和顯示信息傳遞給固態(tài)繼電器和觸摸屏模塊。

圖1 人機(jī)交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電信號調(diào)理電路的功能在于將移動電源的電流、電壓信息變換為合適范圍的電平信號送入控制器的AD端口；固態(tài)繼電器電路的功能在于將控制器GPIO口發(fā)出的電平信號變換為合適功率以驅(qū)動固態(tài)繼電器的開斷，從而控制移動電源的充、放電過程。

實際應(yīng)用中，控制器的AD端口接收調(diào)理電路處理后的移動電源的充、放電電流和端電壓，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并在觸摸屏上顯示；用戶通過點擊觸摸屏上相應(yīng)開關(guān)發(fā)出控制充、放電過程的開關(guān)指令，觸摸屏上有點擊動作后控制器相應(yīng)的GPIO口電平翻轉(zhuǎn)，通過固態(tài)繼電器電路實現(xiàn)對充、放電回路的開斷控制[4-5]。

2 移動應(yīng)急照明電源的構(gòu)成與功能

移動應(yīng)急照明電源由鋰電池組、充電部分、供電部分和LED燈具構(gòu)成。

移動應(yīng)急照明電源的主體為鋰電池組，在充電過程中存儲電能，在供電過程中釋放電能，其規(guī)格為24 V/40 Ah，7串2并。

充電部分有太陽能充電和市電充電兩個接口，有穩(wěn)定供電條件的情況下可以通過220 V交流市電進(jìn)行充電，野外作業(yè)中電池電量不夠時可通過太陽電池組件進(jìn)行太陽能充電，充分體現(xiàn)移動電源的靈活性。

供電部分由直流變換部分和逆變器組成。直流變換部分通過兩個小功率模塊電源，將鋰電池組兩端數(shù)值為24 V的直流電分別變換為12和5 V電壓等級。12 V直流輸出為箱體封裝的散熱風(fēng)扇供電，5 V直流輸出通過USB接口在用戶需要的情況下對外供電。逆變器將鋰電池組兩端的直流電壓逆變?yōu)?20V，50Hz的交流電壓，可以為使用市電的電器供電。

兩只規(guī)格為24 V/24W的LED燈頭直接連接至鋰電池組的正負(fù)極。

在工作過程中，鋰電池電量充足時，可為LED燈具供電，LED燈具實現(xiàn)照明功能；直流的USB供電接口和交流的220 V接口也可對外供電。鋰電池組電量不足時，可通過太陽能充電部分進(jìn)行充電，若能與電網(wǎng)連接，也可直接通過市電充電部分進(jìn)行充電。

3 電信號調(diào)理電路

人機(jī)交互系統(tǒng)通過觸摸屏顯示移動電源的充、放電電流和鋰電池的端電壓，電信號調(diào)理電路可將以上信息變換為合適的電平送入控制器AD端口進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

由集成運放及外圍電阻構(gòu)成的放大電路如圖2所示[6]。0.5Ω阻值電阻為采樣電阻，其他為普通碳膜電阻，充、放電電流流經(jīng)采樣電阻得到采樣電壓，經(jīng)過放大電路送入控制器AD端口。

圖2 電流采樣及放大電路

4 固態(tài)繼電器電路

固態(tài)繼電器（SSR）是由固態(tài)元件組成的無觸點開關(guān)，驅(qū)動功率小、可靠性好、抗干擾性強(qiáng)、開關(guān)速度快，且能與TTL、CMOS電路兼容[7-10]，故本系統(tǒng)選其做開關(guān)。固態(tài)繼電器電路如圖3所示。

圖3 固態(tài)繼電器電路

其中，三極管放大電路用于放大控制器GPIO口輸出的電流，以驅(qū)動固態(tài)繼電器。

GPIO口輸出高電平時，固態(tài)繼電器導(dǎo)通，效果相當(dāng)于開關(guān)在“ON”狀態(tài)；GPIO口輸出低電平時，固態(tài)繼電器導(dǎo)通，效果相當(dāng)于開關(guān)在“OFF”狀態(tài)。

5 觸摸屏模塊

觸摸屏模塊的作用在于以觸摸屏代替機(jī)械開關(guān)，實現(xiàn)對各部分電路開斷的控制。為了區(qū)分操作者點擊同級菜單不同位置而傳達(dá)的不同控制意圖，觸摸屏模塊需要給出有助于控制器對觸點進(jìn)行定位的有效信息。

采用四線電阻觸摸屏，由兩個透明電阻膜構(gòu)成，在它的水平和垂直電阻網(wǎng)上施加電壓，就可通過A/D轉(zhuǎn)換面板在觸摸點測量出電壓，從而對應(yīng)出坐標(biāo)值。

觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片采用ADS7843，它是TI公司生產(chǎn)的4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片，是一款具有同步串行接口的12位取樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器。ADS7843與控制器STM32F103ZET6之間采用SPI通信，ADS7843將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的電壓信號送入控制器，控制器經(jīng)過運算得到觸點位置。

6 程序設(shè)計

觸摸屏模塊及外圍電路與控制器相互之間的信號傳遞如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互系統(tǒng)信號傳遞框圖

控制器從觸摸屏模塊接收ADS7843轉(zhuǎn)換后輸出的觸摸點處測得的電壓值，通過數(shù)值換算得到觸摸點在觸摸屏上的坐標(biāo)[5]；并向觸摸屏模塊輸出液晶顯示指令，液晶顯示功能由液晶顯示屏驅(qū)動器SSD1963和TFT(薄膜場效應(yīng)晶體管)共同實現(xiàn)。

電信號調(diào)理電路將采集并處理過的鋰電池端電壓及充、放電電流送入控制器AD端口，控制器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后輸出顯示指令，將移動電源工況顯示在觸摸屏上。

控制器接收觸摸屏模塊輸出的觸摸點電壓值，換算成坐標(biāo)后通過GPIO口向各固態(tài)繼電器電路輸出相應(yīng)的開關(guān)控制信號，控制各電路的開斷情況。

程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程

初始化程序中，主要完成對控制器與各芯片接口的定義，對控制芯片的外設(shè)如AD轉(zhuǎn)換器、GPIO端口及SPI通信接口的初始化。

開始菜單中顯示有整個裝置的主開關(guān)，控制器在循環(huán)等待的過程中若檢測到此開關(guān)被點擊，則GPIO口發(fā)出信號驅(qū)動SSR將LED燈具與鋰電池組的正負(fù)極接通，此時LED燈具可通過與之相連的機(jī)械開關(guān)控制亮滅；同時觸摸屏顯示主菜單。

主菜單顯示電信號調(diào)理電路送入AD端口經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換和運算后的鋰電池組電壓及充、放電電流；主菜單中顯示三個開關(guān)，分別為充電開關(guān)、供電開關(guān)、電源開關(guān)——充電開關(guān)控制太陽能及市電充電回路與鋰電池組的電氣連接，供電開關(guān)控制鋰電池組與5 V直流變換器的電氣連接，電源開關(guān)控制LED燈具與鋰電池組的電氣連接。

在第二個循環(huán)等待的過程中，如果有按鍵按下，通過觸點區(qū)域判斷開關(guān)，調(diào)用不同的子程序?qū)崿F(xiàn)不同功能。若是“電源開關(guān)”被按下，則程序回到開始菜單，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

7 實驗結(jié)果

開發(fā)板上電后，點擊觸摸屏開始菜單上“電源開關(guān)”字樣，設(shè)備打開，觸摸屏上顯示主菜單，移動電源回路連通，主菜單上顯示移動電源的端電壓、放電及充電電流，此時可將LED燈打開實現(xiàn)照明功能；此時如點擊主菜單上“放電開關(guān)”字樣，若點擊次數(shù)為單數(shù)，則移動電源放電功能開啟，若點擊次數(shù)為偶數(shù)，則移動電源停止放電；如點擊主菜單上“充電開關(guān)”字樣，若點擊次數(shù)為單數(shù)，則移動電源開始充電，若點擊次數(shù)為偶數(shù)，則移動電源停止充電；如點擊主菜單上“電源開關(guān)”字樣，則斷開移動電源回路，設(shè)備關(guān)閉。實驗操作流程圖如圖6所示。

圖6 實驗操作流程圖

8 結(jié)論

本文為了解決移動應(yīng)急照明電源的工況跟蹤問題，提高能量利用率，采用STM32F103ZET6芯片作為控制器，結(jié)合相應(yīng)的外設(shè)和外圍電路，設(shè)計了一個具有液晶顯示和觸摸控制功能的人機(jī)交互系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，示數(shù)精確，對移動應(yīng)急照明電源的運行能發(fā)揮良好的輔助作用。

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