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无线遥控万用型功率调整器
第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 陳宏明等】2017年01月17日 星期二

浏览人次:【10258】
  


近年来由于科技的进步,很多电器设备分别以微电脑可调式或类比旋钮控制式的方式,分别成功应用于设备功能的开发设计,例如:冷气机、电冰箱、凉风扇、吹风机、钻孔机等,这对于我们日常生活及工业需求具有很大的帮助与功能的提升。


由于这些电器设备中有的是以加装变频器的方式完成功率变动的需求,而有的仍然是以多线圈缠绕变压器方式或以按钮改变方式完成功能的切换,更有的是以微电脑控制方式设计软体配合完成功能的切换;对于功率变化的控制方法有很多种,例如控制市电的电压大小、频率的改变、驱动电流的改变、或是采用工作周期时间比例的控制等。


其中以工作周期时间比例的控制方式最常被采用,主要因素是电路设计简单、经济。而此种控制方式有两种方式:一种是利用一固定之周期内,控制交流电的开与关的时间比例。另一种方式则是以控制交流电压的导通角度。 [1][2]


一般对于工业设备或电器设备要改变其输出特性功能,如转速变动、风量的改变、温度的升降、或是排气量的变化,都是与功率消耗的改变有关。因此若能掌握对功率消耗的切换变化, 即可改变上述各项电器设备之性能。


另外,由于智慧型手机的问市,以及网路的进步,在在都对于人类的生活有着很大的影响。举凡智慧型手机都可利用蓝牙装置与设备沟通,甚至利用手机上网透过无线网路(Wi-Fi)的连接,都可做到远端网路无线调整设备开关之功能,这对于人类日常生活的品质提升有着很重大的贡献。对此,运用无线网路或透过无线蓝牙装置控制家电设备,或是工业设备,目前都有很多专家学者投入很多心力进行相关的研究。


本作品主要是探讨家用电器设备之功率控制,使得家用电器设备透过微控制器进行功率调整,进而可控制设备功率的输出,再透过无线装置的连结,而达到远端无线遥控家电设备的功能需求。对于家电设备的功率控制,则是采用控制交流电压的导通角度的方式,以自制零交叉感知电路,产生120Hz的基准脉波,透过取率拟合方式找寻触发相角与功率之间的关系[ 3][4],再以微控制器HT66F70A进行脉宽调变[5][6],控制交流电压导通的角度,完成功率无段调变的控制目的。


对于无线装置的控制,本作品则选择两种方式来完成。首先是以智慧型手机设计APP程式,经由蓝牙装置与微控制器的蓝牙模组进行配对,可由手机无线调整家用设备的功率调整。另外也经由无线装置XBee透过网路介面Raspberry Pi控制器[7][8],及透过PHP网页设计与路由器连接,可完成无线网路调整家用设备的功率调整。经由实际的电器设备如:钻孔机、电风扇、吹风机、台灯与加热器等功能测试,证明本作品所制作的无线遥控功率控制器不论是转速、风量、光的量度及热量的产生均可经由无线控制方式,达到无段切换功率调整功能的实现。


系统架构

无线功率调整器的系统架构图

图1-1所示为无线功率调整器的系统架构图,以盛群的微控制器-HT66F70A为控制核心,透过手机APP或电脑、平板、手机的网页端进行监控,并传送设定值给HT66F70A进行家电设备的功率调整。同时家电设备也经由控制核心,将目前的功率调整值传给手机APP 或电脑、平板、手机的网页端,显示目前家电用品的功率百分比与相位角度,达到远端无段式功率控制家电用品与监视的效果。


无线遥控万用型功率调整器外观设计图

图1-2为无线遥控万用型功率调整器外观设计图,A区是总开关、B区是LCM显示旋钮百分比功率与按键百分比功率于相位角度、C区是可变电阻、D区是可变电阻与按键的切换开关、E区是加与减按键、F区是110V家电用品的插座、G区是保险丝座、H区是110V总电压。



图1
图1

无线遥控万用型功率调整器硬体结构

无线遥控万用型功率调整器之方块图

图2-1为功率调整器之硬体方块图,当功率调整器启动时,零交叉电路产生120Hz 的脉波触发波形,使HT66F70A 接收到脉波让TIMER 启动, 产生一个调整触发波型脉宽给TRIAC 电路,触发波型脉宽可透过外面的按钮、可变电阻与远距离传输去改变波型脉宽,波型脉宽值会显示在LCM 上面与送到手机APP 或电脑、平板、手机的网页端。


零交叉电路设计

图2-2示为120Hz的零交叉电路,当正半波时U3光耦合器CE脚导通接地,Q1电晶体不导通,其C极接地。当正半波要转换成负半波时, 在电压差零点附近时,因为两颗光耦合器CE皆不导通,所以Q1导通C极电压为5V。当负半波时U4光偶合器CE脚倒通,电压差为零而接地,


Q1电晶体不导通,其C极接地。当负半波要转换成正半波时,在电压差零点附近时,因为两颗光耦合器 CE皆不导通,又使Q1导通C极电压为5V。此现象一直重复,图2-3为市电波形与零交叉脉波输出波形图。 [3]


图2
图2

TRIAC 触发电路设计

图3-1所示为光耦 TRIAC 触发电路,MOC


3020 光耦合器输入端二极体导通是在输入为


High 时触发 TRIAC 为导通状态。当输入为Low时 TRIAC为不导通状态。如图3-2与图3-3 所示为功率最大与功率最小的波形。本TRIAC电路所采用之元件为BTA40A700V交流整流器。 [3]、[11]


图3
图3

HT66F70A 电路设计

图4-1为无线遥控万用型功率调整器主控核心电路。本作品使用HT66F70A为主控核心,控制TRAIC 触发电路达到控制家电用品。图4-2 的电源转换电路是供应电源给主控核心与周边设备。图4-3使用 HT66F70A内部AD转换器AN4通道与I/O接脚 PE6 与 PE7 做为按钮接脚,来调变波形的频宽触发 TRAIC 电路的功率大小与相位角度,并且显示在LCM上。另外也使用两组外部中断模拟串列传输UART,读取与写入蓝牙与XBee的发送端,进行无线传输通讯,经由TRAIC电路之触发相位角度来调整波形的功率大小。更透过蓝牙与XBee的接收端,读取目前家电的功率大小与相位角度显示在手机APP与网页端上[1] [2]。


图4
图4

无线遥控万用型功率调整器软体流程图

图 5 为主程式流程图是判别硬体上的转扭与按钮是否已被转动与按住,或 UART已接收到资料。当转扭已被转动时,会读取ADC值换算为占空比参数并设为TM2A,ADC 值转换成百分比与角度传给手机APP 与网页端做显示。当按钮被按下时,再判别是按增加键或是减少的按钮,按钮被按下时,判别按钮是否被长时间按住或是按一下,当按钮被按住不放时就执行加或减持续加减下去。之后再判别值是否有大于100值,则数值将维持在100,若数值小于0时,数值维持在0。


将输入数值换算为占空比参数并设为 TM2A。数值转换成百分比与角度值再传给手机 APP 与网页端做显示。当按钮被按一下时就做加减一次,再把数值换算为占空比参数并设为TM2A。数值转换成百分比与角度传给手机APP网页端做显示。当UART外部中断成立把RX_DATA 值存放在阵列里,再判断阵列里资料是否正确,若正确实则把资料换算为占空比参数并设为TM2A,并将资料转换成百分比与角度值显示在LCM 上。 [1][2][4]


图5 : 主程式流程图
图5 : 主程式流程图

相位控制原理与功率之计算

相位控制原理

本作品的相位控制元件是使用TRIAC来完成,TRIAC又称为三极交流开关(Tri-electrode Ac


Switch),共有三极G、T1、T2接脚,其中G为触发闸极,T1,T2为接往负载之接脚,具有双向导电功能。当TRIAC处于截止状态时时,不论外加电压极性为何,两主端点T1及T2都无电流流动,当TRIAC 处于导通状态时,两主端点T1及T2构成一电阻极低之电流通路,其电流流向,视外加于两端点上的电压极性。如图所示α为激发角,当TRIAC被触发时,两端电压降低,而负载两端则因负载电流流过,故其两端电压升高。因TRIAC正负半周均可触发,所以其正负半周各有一个触发角α和导通角θ。


在使用时,只要改变触发角度,如图中的α1和α2所示,即可控制TRIAC导通时所送至负载的平均功率。 TRIAC的闸极控制电路,通常采用脉波激发或相移激发方式。在这里是用零交叉电路,是利用市电110V 60HZ来完成触发闸极的电路。



图6 : TRIAC 触发原理
图6 : TRIAC 触发原理

功率和触发相角的关系

一般来说,电器设备以60Hz,电压110V交流电通过时,所消耗的瞬时功率为时间的函数,但在实际应用上以平均功率来描述电器设备的功率消耗则较为适切。因此电器设备的功率消耗当然会影响或改变其运作性能,例如会改变输出的转速或其加热性能。


当平均功率在2%以下时触发角以180度全关闭视之,而平均功率在98%以上时触发角则以0度全开视之。至于平均功率与相角的实际关系,功率以百分率来表示,而触发相角则以角度来表示。


手机APP 程式设计

手机 APP 程式介绍

先来介绍手机APP 开发程式。 App Inventor 原是 Google 实验室(Google Lab)的一个子计画,由一群 Google 工程师与勇于挑战的 Google 使用者共同参与。 Google App Inventor 是一个完全线上开发的 Android 程式环境,抛弃复杂的程式码而使用乐高积木式的堆叠法来完成Android 程式。除此之外,它也正式支援乐高 NXT 机器人,对于 Android 初学者或是机器人开发者来说是一大福音。因为对于想要用手机控制机器人的使用者而言,他们不大需要太华丽的介面,只要使用基本元件例如按钮、文字输入输出即可。 [10][11]


手机端通讯介绍

至于手机APP 和HT66F70A 的通信方式,手机 APP 利用手机本身的蓝牙和蓝牙模组HC-05 利用 URAT 和 FT66F70A 进行沟通。


手机 APP 介面

接着介绍手机APP 人机介面,在手机 APP 上面提供两种控制方式分别为拉杆式和键盘式。当键盘输入的时候,拉杆会自动跑到所设定的数值,当接收到数据时,收到的资料则会显示在下方黄色的部分。


网页端通讯设计

Raspberry Pi 介绍

Raspberry Pi是一款基于Linux的单板机电脑。它是由英国的树莓派基金会所开发,目的是以低价硬体及自由软体促进学校的基本电脑科学教育。 Raspberry可分成几大功能,如图7-1。 [7-9]


网页端网路架构

图7-2为网路架构图,使用者除了可以在区域网路内作控制,也可以在网际网路下进入到网页内做数据的监控或是功率的调整。


网页端系统架构

图7-3 为网页端的系统架构图,Raspberry Pi 的系统为 Linux 作业系统,里面安装了APACHE 这一套为伺服器软体,PHP 为动态网页软体负责执行我们网页的部分。 RaspberryPi 是透过 Wi-Fi 与无线分享器做连线,XBee的部分则是与HT-66F70A的XBee 连线作为传输资料使用。


网页端网页流程

图7-4为网页端的执行流程构图,当开启PHP 网页时,网页会透过 CGI(通用闸道器介面) 执行 PaspberryPi 里面所写的Python 程式脚本,脚本主要的功能是经由XBee跟HT66F70A 通讯。



图7
图7

实验结果

作品实际测验家电功率调整

图8-1为功率调整器成品外观,图8-2、图8-3分别对台灯输出功率 95%、5%的实验成果对照。


图8
图8

示波器测试 TRIAC 相位角度触发实验

为了得知TRIAC是否有成功触发,所以我们将零交叉的120Hz的脉波,TRIAC触发的脉波和最终的输出接到式波器上观察,如图9-1、图9-2 所示,左边是TRIAC 控制交流电压波型,右边是零交叉脉波与触发TRIAC 脉宽图。


图9
图9

无线网路与手机 APP 之远端无线控制实验

图10-1、图10-2 分别为手机APP 远端控制对台灯输出功率70%、20%的实验成果。图10-3、图10-4


分别为无线网路远端控制对台灯输出功率100%、50%的实验成果。


图10
图10

结论

本作品无线遥控万用型功率调整器的主要目的,在于研究如何以最经济的方式完成一般电器设备的功率控制器设计与搭配手机APP 物联网远距离控制,使其能以无段式的控制方式达到负载的运转控制功能。经由实际接上负载设备的测试,例如电风扇、吹风机、台灯及钻孔机等,均显示出本研究成功的控制电器设备,达到无线远端功率切换控制之效果。


以下列出本作品的特色与未来展望:


(1) 无线遥控万用型功率调整器运用光耦合器等元件成功的发展出零交叉电路的设计与制作。


(2) 无线遥控万用型功率调整器成功的设计出硬体式、手机 APP 与网页端之三种功率控制器,经由测试结果证明其控制功率的有效性。


(3) 针对各种不同的电器功能测试,只要切换元件 TRIAC 的耐流功率量足够,无线遥控万用型功率调整器所提出的功率控制器足可完成不同性能的需求。


(4) 无线遥控万用型功率调整器所开发出的功率控制器的控制技术,未来可以被充分应用在各种交流设备的伺服驱动器设计,以达到远端系统无线精密的控制效果。


(本文作者陈宏明1、余启正2、施韦捷2为建国科技大学电子工程系1教授及2学生)


参考文献

[1] 王群英,加热程序之线外识别与PID控制,逢甲大学自动控制工程研究所,硕士论文,1984年。


[2] 郭俊明,加热程序之线上识别与PID控制之研究,逢甲大学自动控制工程研究所,硕士论文,1986年。


[3] 陈宏明、徐依平、陈承宏、陈培贤、篮旺坤、蔡宗宪,电器设备之零交叉脉宽调变功率控制器设计与实现2007年国际安全和安保管理与工程技术会议,建国科技大学电子工程系。


[4] 钟启仁,微处理机应用实习迈向AMA中级先进微控制器应用认证-使用Holtek 8位元晶片,新北市,台湾,台科大图书股份有限公司,2014年6月初版。


[5] 钟启仁,微处理机应用实习迈向AMA高级先进微控制器应用认证-使用Holtek 8位元晶片,新北市,台湾,台科大图书股份有限公司,2014年5月初版。


[6] 钟启仁,HT66Fxx Flash MCU原理与实务-C语言,全华书局,新北市,2011 年 9 月。


[7] 柯博文,Raspberry Pi 超炫专案与完全实战,碁峰,2016年3月第二版。


[8] 柯博文,Raspberry Pi 最佳入门与实战应用,碁峰,2015年12月第二版。


[9] 张元翔,Raspberry Pi 嵌入式系统入门与应用实作,碁峰,2016 年 8 月。


[10] 王安邦,MIT App Inventor 2 易学易用开发Android 应用程式,上奇资讯,2014年02月第二版。


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