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基于15F2K60S2的农用无人机电源监控仪表设计

杨少沛 ¹
李蒙 ²
王得胜 ³

1. 黄河交通学院机电工程学院，河南焦作 454950； 2. 焦作大学机电工程学院, 河南焦作 454003； 3. 河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000

中图分类号： V 271.4

发布日期：2019-07-05

DOI：10.3785/j.issn.1006⁃754X.2019.03.012

摘要

为解决农用无人机电源监控系统稳定性差、成本高、通信效果不好和功能单一等问题，设计了一种以嵌入式微处理器为核心的农用无人机电源监控仪表。该仪表以15F2K60S2嵌入式微处理器为平台，集成CS5460数据采集模块和ADM2483通信模块，在单片机C语言和汇编语言指令的基础上，结合仪表总体结构，设计开发了农用无人机电源监控仪表的硬件电路和软件程序。采用多功能校准仪、信号发生器和示波器等测试工具对所设计的电源监控仪表进行稳定性和可靠性实验，并分析了可能引起测量误差的原因。结果表明：该仪表具有良好的稳定性和可靠性，在0~500 V的输入电压范围内，其测量精度达到了工业标准2.0级要求，完全能满足农用无人机电源监控系统的需求。研究结果能为农用无人机电源监控系统后续更深入的研究提供一定的理论参考，给相关企业开发农用无人机电源监控系统提供有效指导。

关键词

农用无人机; 电源监控仪表; 嵌入式微处理器; 稳定性测试

近年来，农用无人机在农业生产中的应用越来越广泛，但存在电源存储能力有限、续航能力较差等不足。因此，如何有效监控电源，让农用无人机在有限时间内发挥最大的功效是急需解决的问题，其中，风光互补发电系统的输出端和蓄电池输入端的电源监控是关键^[

1,2,3]。传统的仪表按被测对象分，可分为交流仪表、直流仪表、电压表和电流表等，且每一种仪表都相互独立、各不相关。以农用无人机用仪表为例，农用无人机的专用直流电压表还不多见。通过模块化设计可实现农用无人机用直流电压表和工业用直流电压表、交流电压表使用同样的硬件，只需修改设计程序就可完成交流电压和直流电压的显示；同时，农用无人机用直流电压表还应具有面向用户的开放式通信协议、 MODBUS-RTU网络通信协议，支持RS485通信接口，可方便地实现与各类计算机监控系统的信息交换^{[参考文献 4

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4,参考文献 5

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5,参考文献 6

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6,参考文献 7

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7,参考文献 8

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8]}。为此，本文基于嵌入式技术和通信技术，拟设计一种测量准确、传输可靠、扩展性好、成本低廉、安装简易的农用无人机电源监控仪表，通过融入多种抗干扰措施，保证该仪表在恶劣的工作环境中稳定运行；采用界面友好且易于操作的LED（light emitting diode，发光二极管）数码管显示测量数值，通过简单的按键操作实现参数设定，使得农用无人机和工业用仪表完美结合，从而推进无人机技术和智能仪表技术的发展，以期为相关生产企业提供可借鉴的理论参考和实用技术。

1 电源监控仪表总体结构设计

设计电源监控仪表的关键在于微处理器的选择，因信息的采集、传输均由微处理器控制，故选择合适的微处理器尤为重要。15F2K60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、单机器周期单片机，是具有高速、高可靠性、低功耗和超强抗干扰等优点的新一代8051单片机。它采用了第8代加密技术，具有加密性超强的特征，且其指令代码完全兼容传统8051单片机，故其速度是传统8051单片机的8~12倍^[

9]。笔者设计的农用无人机电源监控仪表以15F2K60S2嵌入式微处理器为控制核心，利用CS5460数据采集模块采集外部电量信息，并通过ADM2483通信模块将采集到的信息发送给用户或上位机。农用无人机电源监控仪表总体结构如图l所示，仪表实物图如图2所示。

图1 农用无人机电源监控仪表总体结构

Fig. 1 Overall structure of power monitoring instrument for agricultural UAV

图2 农用无人机电源监控仪表实物图

Fig. 2 Physical chart of power monitoring instrument for agricultural UAV

2 电源监控仪表硬件电路设计与开发

农用无人机电源监控仪表硬件部分电路主要由电源电路、主控电路和显示电路三部分组成。

2.1　电源电路设计

农用无人机电源监控仪表电源电路如图3所示，其实物如图4所示。该电路主要由DB107S整流桥、Viper22a电源芯片、PC817线性光耦、78L05Z稳压模块和VI_TRANSFORM振荡变压器等元件组成。其中，作为一种功率元器件，DB107S整流桥内部桥路由4个二极管构成，可将输入的交流电压转换为直流电压；Viper22a电源芯片是一个单封装的电源芯片，将一个专用电流式PWM（pulse width modulation，脉冲宽度调制）控制器和一个高压功率场效应MOS（metal oxide semiconductor，金属-氧化物-半导体）晶体管整合在该芯片上，这样可以减少组件数量，简化电路板设计，降低系统成本，故Viper22a芯片被广泛应用于离线开关式电源；在精密要求较高的功能电路中，PC817线性光耦通常被当作耦合器件，使上下级电路完全隔离，互不产生影响；78L05Z稳压模块可作为对外提供+5 V的稳压源^[

10,11,12]；VI_TRANSFORM振荡变压器可将高压转换为低压，可作为后续电路的直流稳压源。

图3 农用无人机电源监控仪表的电源电路示意图

Fig. 3 Power circuit diagram of power monitoring instrument for agricultural UAV

图4 农用无人机电源监控仪表的电源电路实物图

Fig. 4 Physical chart of power circuit of power monitoring instrument for agricultural UAV

电源电路的工作原理为：外部交流电通过接线柱X1-6、X1-8输入（其中X1-6接P-，X1-8接P+），然后经过由压敏电阻RV1（ZOV/471k，ZOV是氧化锌压敏电阻）、安规电容CX1（275V/0.047uF的X2安规电容）、滤波电感Filter（20 MH）、高压瓷片电容CY1和CY2（102/3 kV）构成的保护电路后进入DB107S整流桥，之后经滤波电容C1（400V/10uF）滤波后产生直流电压。直流电压经过Viper22a电源芯片处理后产生2路振荡信号，分别从VI_TRANSFORM振荡变压器的1，2和3，4引脚输入，经变压器处理后由其5，6和7，8引脚输出，同时信号经Viper22a电源芯片的3，4引脚处理后输入线性光耦PC817 ，起到隔离高、低压的作用。其中，振荡变压器5，6引脚输出的信号经过处理后产生+12 V直流稳压源，同时和光耦的1，2引脚相连以控制光耦的工作状态；振荡变压器7，8引脚输出信号后产生+5 V的直流稳压源,为后续电路提供工作电源。

2.2　主控电路设计

农用无人机电源监控仪表主控电路如图5所示，其实物如图6所示。该电路主要由1个CS5460数据采集模块、1个15F2K60S2嵌入式处理器、1个ADM2483通信模块、1个晶振以及相关的电阻和插针等元件组成，其具体工作原理为：外部信号经过10个100k的电阻进入CS5460数据采集模块的信号采集端（第9引脚VIN1+、第10引脚VIN1 $-$ ），CS5460数据采集模块是包含2个ΔΣ模-数转换器、1个完整串行接口，具有功率计算功能和频率计算功能的功率测量芯片，它可以精确测量瞬时电压、电流等^[

13]；信号经CS5460数据采集模块采样处理后由CS5460的第5，6，19，23引脚输出，之后输入15F2K60S2嵌入式处理器，其中CS5460的第5(SCLK)，6(SDO)，19(RESET)，23(SDI) 引脚，分别对应嵌入式微处理器15F2K60S2的第21(RESET)，22(SCLK)，23(SDO)，24(SDI) 引脚。经处理后的信号一部分输入ADM2483通信模块，其中频率为4.096 MHz的晶振为CS5460数据采集模块提供时钟电路，根据ANSI TIA/EIA RS-485-A和ISO 8482:1987(E)标准要求，针对平衡传输线路而设计的差分总线收发器ADM2483，适用于多点总线传输线路，该双向数据通信器件采用ADI（Analog Devices, Inc.，亚德诺半导体技术（上海）有限公司）的 iCoupler 技术，把三态差分线路驱动器、三通道隔离器和差分输入接收器集成于单封装中，可采用5 V或3 V电源对其逻辑端供电，采用5 V电源对其总线端供电，ADM2483通信模块的第15，16引脚和通信模块或通信电缆连接；经处理后的信号另一部分输入15F2K60S2嵌入式微处理器，嵌入式微处理器的1，2，3，4，5，6引脚连接显示电路的按键和信号输入端。

图5 农用无人机电源监控仪表的主控电路示意图

Fig. 5 Main control circuit diagram of power monitoring instrument for agricultural UAV

图6 农用无人机电源监控仪表的主控电路实物图

Fig. 6 Physical chart of main control circuit of power monitoring instrument for agricultural UAV

2.3　显示电路设计

农用无人机电源监控仪表显示电路如图7所示，其实物如图8所示。显示电路主要由1个七段发光数码管（共阴极、五位一体），2个74HC595D 移位寄存器，3个按键开关（key1、key2、key3），8个阻值为470 Ω的限流电阻，1个+5V供电电源（含2个滤波稳压电容C1、C2，电容大小为0.01 μF），2个插针连接器（J1（6针）、J2（16针））等元件组成，其中，3个按键开关中：key1为加法键，key2为移位键，key3为设置键^[

14]。显示电路工作原理为：经过主控电路处理之后的信号，在插针连接器J1的配合下，经过插针连接器J2输入移位寄存器中，通过3个按键和主控电路相配合，产生有效数据。2个74HC595D 移位寄存器分别用于数据的存储和传送，其中一个74HC595D 移位寄存器的输出端（QA至QH）分别通过8个阻值为470 Ω的限流电阻连接七段发光数码管的输入端（A至DP）,为数码管传送相应的字形码，比如常用的七段发光数码管共阴极0至F的字形码为：（0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77,0x7C,0x39,0x5E,0x79,0x71），因此该移位寄存器控制七段发光数码管各段字形的方式为段选控制；同理另一个74HC595D 移位寄存器的输出端（QA至QE）分别连接七段发光数码管的输入端（D1至D5）,用于控制数码管的工作位置，该移位寄存器控制数码管各段字形的方式为位选控制。2种控制方式共同配合，就可以在需要的位上显示出相应的数值^{[参考文献 15

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15,参考文献 16

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16,参考文献 17

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17]}。

图7 农用无人机电源监控仪表的显示电路示意图

Fig. 7 Display circuit diagram of power monitoring instrument for agricultural UAV

图8 农用无人机电源监控仪表的显示电路实物图

Fig. 8 Physical chart of display circuit of power monitoring instrument for agricultural UAV

3 电源监控仪表软件设计

为了使农用无人机电源监控仪表便于显示和调试，其软件程序采用顺序结构设计，如图9所示。若操作中出现操作错误或超时(每步操作的等待时间为5 s)^[

18,19]，将会自动返回第1步。

图9 农用无人机电源监控仪表的软件程序设计流程

Fig. 9 Design flow of software program of power monitoring instrument for agricultural UAV

4 电源监控仪表稳定性测试与分析

为了测试农用无人机电源监控仪表的稳定性和可靠性，需对仪表进行调试。

首先，对仪表进行初始化设置，操作步骤如下：1）上电，此时最后一位显示“0”，其余四位不显示；2）按设置键，显示“P---0”，按移位键，显示“P1111”；3）按设置键，显示“F---0”，然后按移位键和加法键，显示“F-500”，即标定值为500 V；4）按设置键，显示“A---1”，即默认地址代码为1，然后按移位键和加法键，显示“A---2”，即标定地址代码为2；5）按设置键，显示“b--96”，即默认波特率为9 600 bps；6）按设置键，显示“----0”。

完成初始化设置后，继续进行调试，操作步骤如下：1）按设置键，显示“P---0”，按移位键和加法键，显示“P-111”；2）按设置键，显示“T---0”（“T---1”为直流电压）；3）按设置键，显示“L----”, 即输入的标定值为0 V，输入以后，按移位键，数码管会有显示变化；4）按设置键，显示“H-XXX”（后三位有显示），输入直流电压500 V，按移位键后屏幕有变化，输入直流电压后退出回零；5）按设置键，显示“----0”，输入任何一个电压值（即被测电压值，在标定值范围内），屏幕应显示输入数值。至此，调试完成，说明该仪表可以正常显示被测电压。

在使用多功能校准仪、信号发生器和示波器等对电源监控仪表进行测量校准时，用算术平均值 $\bar{x}$ 近似真值Q，用剩余误差v代替绝对误差δ；采用Bessel公式和极差法对测量数据进行处理时，若测量次数n>10，相应的标准差减小得很缓慢，再增加测量次数，对提高测量精度的作用已不显著，所以一般取n $\leq$ 10。电源监控仪表的测试结果如表1至表4所示，其中表1为输入低值电压时的测试数据，表2为输入中值电压时的测试数据，表3为输入中高值电压时的测试数据，表4为输入高值电压时的测试数据。从表中的数据可知，电源监控仪表具有较高的稳定性。

表1 输入低值电压时电源监控仪表的测试数据

Table 1 Test data of power monitoring instrument when inputting low voltage

测量序号	输入标准电压x/V	测试显示电压y/V	测量序号	输入标准电压x/V	测试显示电压y/V
1	0	0.1	12	11	11.0
2	1	0.9	13	12	12.0
3	2	1.9	14	13	13.0
4	3	2.9	15	14	14.0
5	4	3.9	16	15	15.0
6	5	4.9	17	16	16.0
7	6	5.9	18	17	17.0
8	7	6.9	19	18	18.0
9	8	7.9	20	19	19.0
10	9	9.0	21	20	20.0
11	10	10.0	22	30	30.0

表2 输入中值电压时电源监控仪表的测试数据

Table 2 Test data of power monitoring instrument when inputting median voltage

测量序号	输入标准电压x/V	测试显示电压y/V	测量序号	输入标准电压x/V	测试显示电压 y/V
1	30	30.0	8	100	100.0
2	40	40.0	9	110	110.0
3	50	50.0	10	120	120.0
4	60	60.0	11	130	130.0
5	70	70.0	12	140	140.0
6	80	80.0	13	150	150.0
7	90	90.0	14	160	160.0

表3 输入中高值电压时电源监控仪表的测试数据

Table 3 Test data of power monitoring instrument when inputting medium high voltage

测量序号	输入标准电压x/V	测试显示电压 y/V	测量序号	输入标准电压x/V	测试显示电压 y/V
1	160	160.0	9	240	240.1
2	170	170.0	10	250	250.1
3	180	180.0	11	260	260.1
4	190	190.0	12	270	270.1
5	200	200.0	13	280	280.1
6	210	210.1	14	290	290.1
7	220	220.1	15	300	300.1
8	230	230.1	16	310	310.0

表4 输入高值电压时电源监控仪表的测试数据

Table 4 Test data of power monitoring instrument when inputting high voltage

测量序号	输入标准电压x/V	测试显示电压 y/V	测量序号	输入标准电压x/V	测试显示电压 y/V
1	310	310.0	11	410	410.1
2	320	320.1	12	420	420.1
3	330	330.1	13	430	430.1
4	340	340.1	14	440	440.1
5	350	350.1	15	450	450.1
6	360	360.1	16	460	460.1
7	370	370.1	17	470	470.1
8	380	380.1	18	480	480.1
9	390	390.1	19	490	490.1
10	400	400.1	20	500	500.1

分析表1至表4数据可知，当输入电压为3~500 V时，会产生较小的测量误差，大约为5%以下；当输入电压为最小值0 V附近时，会产生较大测量误差。产生误差的原因除了与多功能校准仪的精度有关外，还与电源监控仪表主控部分使用的数据采集与转换芯片的精度有关，也与对应的程序开发中对数据作了一定的拟合处理有关。

经上述分析可知，这种电源监控仪表可用于4种情况下的电压测量和显示，低值电压段适用于测量常用12 V/24 V无人机电源电压；中值电压段用于测量实验室常用的100 V左右电压；中高值电压段和高值电压段可用于测量220 V/380 V电机电压以及配电柜、箱式配电站、高低压配电柜的电压等。

对于一般的小型无人机或航空模型，比如su-27等，它们所用的电源是3片串联的锂电池（单片锂电池的电压可用范围是3.6~4.7 V），电压显示为在低值电压段。本文所研究的农用无人机的可用电压范围为43.2~50.4 V，电压显示采用在中值电压段。经多次实验证明，本文农用无人机在正常使用时实际电压变化范围为44.2~50.2 V，和理论电压不同是因为无人机电池受环境温度和起飞时负载重量等因素影响，但电源监控仪表功能正常，显示效果良好，可以准确显示电源电压，起到电源监控作用^[

20,21]。

5 结语

通过研究以嵌入式微处理器为核心的农用无人机电源监控仪表，对仪表总体结构进行了设计，设计开发了其硬件电路并编写了C语言程序。为验证该电源监控仪表的可靠性，使用多种测量工具对它进行了稳定性测试，结果表明该仪表工作稳定可靠，在0~500 V的输入电压范围内，其测量精度达到工业标准2.0级。研究结果为开发农用无人机电源监控系统提供了参考。

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