CN109510315A - 基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制*** - Google Patents

基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***。该***采用低压控制***避免不必要的触电事故发生；采用输入输出分离模式，输入输出之间通过FPGA芯片进行现场配置，只要有需求可以配置成N路控制1路输出模式，例如大厅主灯可以在任意房间内对其进行控制，通过Arduino芯片的介入可以方便实现局域网甚至远程遥控，为智能家居应用奠定夯实的硬件基础；解决现有环境中大功率设备供电控制难以远程控制等问题。

Description

基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***
技术领域
本发明涉及一种新一代智能家居应用的控制***技术领域，具体涉及一种新式家庭用电控制***。
背景技术
现有市面上虽然已经有很多类智能家居产品的用电控制***，但目前还没有针对这种类型的产品的完善的解决方案。现有技术中涉及该类型的产品的做法主要分以下两种：第一种做法是大多采用在传统布线***基础上进行***升级改造而来的，即直接将原有的机械控制面板更换成可以远程控制的电子开关。该类供电控制***在开关面板上均存在带电、漏电或者零火线接错等问题；同时对于有多控开关的场所，实施难度大(例如双控开关常见，但对同一盏灯进行4控实施难度比较大)；对已经施工后的线路几乎难以改造；另一种常用做法是使用大型PLC进行控制，但该方案成本极高，并不适合普通家庭的大面积推广和使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***。该***采用低压控制***避免不必要的触电事故发生；采用输入输出分离模式，输入输出之间通过FPGA芯片进行现场配置，只要有需求可以配置成N路控制1路输出模式，例如大厅主灯可以在任意房间内对其进行控制，通过Arduino芯片的介入可以方便实现局域网甚至远程遥控，为智能家居应用奠定夯实的硬件基础；解决现有环境中大功率设备供电控制难以远程控制等问题。
一种基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，包括：
***供电模块，用于将12V供电转换成FPGA芯片和Arduino主控芯片所需的专用供电，保证***稳定无故障运行；
可编程逻辑关系模块，采用FPGA芯片，用于***的输入输出之间的可编程逻辑关系的配置；
低压开关输入模块，用于对输入FPGA芯片和Arduino主控芯片的电平控制；
高压供电输出模块，用于对外带载的供电输出控制；
MCU主控模块，采用Arduino控制芯片，用于使***能够精确定时定点控制。
进一步地，所述***供电模块采用双12V冗余供电***，两路供电分别从J1和J2两个接口输入，在其中某一个电源模块故障时另一个电源仍能正常工作，保证***稳定无故障运行；电源分别通过接口P13和P14后链接熔断电阻R256和R257进入防反接保护模块，该防反接保护模块采用两个肖特基二极管D56与D58、D57与D59分别组成，当供电接反无法通过正向二极管D56和D57，当正向二极管故障短路之后反向二极管D58和D59仍能保证反向电压不能正常进去DC12V电源网络中。本***采用的肖特基二极管具有正常工作电流大，正向导通电阻小等特点，保证不因部件损耗过大而造成的发热、低效率等问题。
进一步地，根据FPGA芯片和MCU主控芯片的工作环境需求，***供电模块采用多个电路转换模块将网络标签为DC12V的12V供电分别转换成DC1.2V、DC2.5V、DC3.3V和DC5V，各个电路转换模块采用芯片MP2307开关电源模块分别独立设计，保证每一个供电电路的独立稳定。所述芯片MP2307开关电源模块构成的DC/DC变换器分使能开机、时钟震荡、电荷泵电容增压、输出滤波与电压控制闭环回路等部分组成；其中DC1.2V供电电路中通过C43和R246组成的电容充电延时电路，当开机启动瞬间电容两端电压0，12V供电通过电阻R246对电容C43进行充电，电容两端电压由0逐渐升高直到芯片MP2307使能引脚7电平达到芯片MP2307开启电压2.5V后***开始工作；为了保证芯片MP2307输出开关管能够稳定有效地工作，***启用了增压电容C36，当输出为低电平(开关管处于关闭状态)时芯片内部5V电路通过内部二极管对电容充电，当输出为高电平时(开关管导通)C36低压端电压被抬高，高压端电压为输出端电压+5V保证开关管能够有稳定且较高的开启控制电压保证导通过程中开关管能够处于完整导通状态；电感L2和电容C38、电容C39、电容C42组成的LC滤波电路保证供电输出纹波能够满足芯片MP2307的工作要求；续流二极管D52在芯片MP2307输出时处于反接状态不工作，当芯片MP2307无输出过程为电感L2提供稳定电流避免芯片MP2307被电感L2产生的负压击穿；R250和R252分压反馈电路保证输电电压稳定在1.2V。另外，所述DC2.5V、DC3.3V和DC5V供电电路也是采用与所述1.2V供电电路相同的电路结构来实现电压转换的。
进一步地，考虑***中可能需要使用锁相环倍频，提高工作效率，***启用锁相环供电，按照需求***锁相环供电为2.5V为了避免两端信号串扰保证2.5V供电***与锁相环均能正常工作采用CLC滤波电路，使得两端互不相干扰，且供电更干净。
进一步地，***供电模块还包括电源指示灯模块。所述电源指示灯模块，采用电阻分压和LED点亮方式可以直观看出每一路供电是否正常，对于1.2V因电压过低无法直接点亮LED故采用1.2V作为控制信号，Q53NPN型三极管作为驱动2.5V直接供电，其中电阻R269既起到分压限流防止Q53发射结过压与过流而烧穿，同时还起到控制D60指示灯亮度，保证指示灯不因驱动三极管全部导通产生的过压与过流。
进一步地，***供电模块为了方便测试，每个组供电输出均保留测试孔J3-J14。
进一步地，由于***中存在各种各样的干扰源与内部串扰，为了芯片能够有更干净的供电***，***中采用大量滤波小电容组合C60-C179。
进一步地，所述可编程逻辑关系模块采用的FPGA芯片为Altera CycloneIII系列240引脚芯片，为了保证芯片正常工作同时满足低功耗也方便对外通信，所述FPGA芯片采用3.3V、2.5V、1.2V三种供电，其中内核与锁相环供电无法改变，输入输出引脚供电电压采用3.3V可方便与MCU进行对接。
进一步地，所述FPGA芯片的时钟上采用两个50MHZ有源晶振Y1和Y2，可以方便***调用与备用。
进一步地，所述FPGA芯片会因断电丢失特性，需要外加16MB配置存储芯片EP3CS16；为方便编程与调试***还保留JTAG和AS双接口；FPGA芯片配置与调试部分为了方便直观查看FPGA的运行状态，***还设计芯片状态指示灯、配置指示灯、***重置指示灯。
所述低压开关输入模块包括多组的开关输入单元；所述开关输入单元在主板上采用光耦隔离的输入方式，外部电路采用瞬动常开自复位型按钮开关，外部自复位开关S1通过接线排一端连接DC12V供电，另一端连接限流电阻R51，当按下开关S1时光耦U9发射管得电发射光信号，此时接收管接到光信号导通，光耦输出端input_1对地短接为低电平，当松开开关S1时，光耦输入端供电发射管无信号输出，接收管处于截止状态，光耦输出端由上拉电阻R46拉电流作用输出3.3V为高电平，即芯片输入端为高电平。
所述高压供电输出模块包括多组的供电输出单元；所述供电输出单元采用三极管驱动输出继电器再由输出继电器对外带载，当输出引脚127(output_7)输出为高电平时，通过限流电阻R211给发射NPN三极管基极和发射极启动电流，三极管Q18导通输出继电器K8线圈得电常开触点闭合，此时Relay7信号点和Com之间导通。本设计中Com信号点通过正温度系数限流电阻R35和电源零线连接(图Connector)，也就是输出控制中间继电器K1线圈得电，常闭触点闭合，标准负载小功率电器形成供电回路，开始工作，对于类似电磁炉、热水器、空调等大功率用电器需要借助输出控制交流接触器来控制输出，此时输出控制中间继电器K2线圈得电，常开触点闭合，大功率输出控制交流接触器-Q1线圈得电，输出常开触点闭合，大功率负载-R1得电开始工作；当芯片输出控制引脚127(output_7)输出为低电平时，驱动三极管Q18基级无电流注入，三极管截止，输出继电器K8线圈失电常开触点断开，Relay7信号点和Com之间处于开路状态，输出控制中间继电器K1线圈失电，常闭触点断开，标准负载小功率电器供电回路断开，停止工作，对于类似电磁炉、热水器、空调等大功率用电器，输出控制中间继电器K2线圈失电，常开触点断开，大功率输出控制交流接触器-Q1线圈失电，输出常开触点断开，大功率负载-R1失电停止工作；
进一步地，所述输出继电器K8线圈失电过程中由楞次定律分析可知线圈中会有持续电流，当无法形成闭合回路是断电瞬间可能会在Q18的集电极产生瞬间高压甚至击穿Q18，因此在此设计续流反向二极管D17，当三极管导通时D17处于反接状态无电流流过不会对控制电路造成影响，三极管截止瞬间线圈产生的感应电流通过该二极管与电源形成闭合回路。
所述MCU主控模块采用一块Arduino控制芯片Atmega256-16AU来作为主控芯片，在后期开发过程中可以借助Arduino大量标准程序库方便后期二次开发，本***中FPGA芯片EP3C25Q240C8专注组合逻辑控制，即使在外部远程控制异常还能通过硬逻辑关系控制***各设备供电，为了使***能够精确定时定点控制，***采用高精度时钟芯片DS1302与Arduino控制芯片对接；所述Atmega256-16AU供电范围广，可以采用与EP3C25Q240C8芯片IO供电同样的3.3V，但为了使***能够有更高的工作主频而采用5V工作电压。但这样一来两块主芯片引脚电压不一致不能安全正常通信。因此采用电平转换电路(5vIO电平Txd_MCU转3.3V电平Rxd_FPGA和3.3V电平Txd_FPGA转3.3V电平Rxd_MCU)进行转换，实现输出电平与目标芯片一致同时提供较大的输出驱动。
进一步地，由于***状态不能一致连接外部检测程序，因此所述微处理器Arduino控制芯片上同样采用信号指示灯D8和蜂鸣器LS1来表述***状态，其中R198为信号指示灯驱动耦合电阻，Q10三极管为微处理器状态指示灯D8驱动三极管，电阻R197为声音信号指示驱动电路耦合电阻，Q9为微处理器状态声音指示蜂鸣器LS1驱动。
进一步地，为了方便调试与处理日常中故障，所述Arduino主控芯片同样设置复位电路，该电路包括由R203和C30组成的RC上电自复位电路和按钮开关与RC电路组成的手动复位电路。
进一步的，由于家庭用电中经常存在外部供电电压过高、外部供电电压过低、甚至是外部供电***因零线异常而导致的380V供电进家庭用电，为了保护家中各用电设备安全稳定，***还设计有供电电压检测电路，由整流电桥D9将外部AC220V供电整流成直流供电***，小容量高压电容C20起到滤波作用，负载电阻与C20配合组成RC阻容滤波电路加速滤波电容放电，增加监测响应速度同时能够及时放电避免高压对维护人员造成威胁，电阻R200、R201、R202组成的分压取样点路将整流后的300V高压按比例转换成Arduino模数转换电压，通过内部程序间接控制***状态，当供电异常超过预设临界时及时断开所有用电设备供电。
进一步地，考虑到局域网控制甚至远程物联网控制模式是日后发展大势所趋，本***内还增加网络通信模块，该模块是由一块10/100Mbps自适应芯片W5500来完成，所述网络通信模块与Arduino主控芯片之间进行通信控制，在通过Arduino芯片间接与FPGA芯片对接控制设备供电。
进一步地，本***内还设有250V1A过流保护保险丝F1，因此在连接与测试***时不能采用本***供电对电器设备进行供电，以防过载引发故障。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用高低压分离的供电方式，所有控制面板均采用12V供电，可以避免面板漏电引发触电事故，同时可以起到控制与应用分离，避免同一个86面板中既有插座又有开关的情况发生；
2、本发明采用集中控制的方式，所有输出均设置在同一个控制箱中，***如果有故障或者异常可以在不清楚布线布局的条件下快速定位故障点，方便维修；
3、本发明可以通过软件逻辑组合控制在家庭布线完成之后，还能方便快速更换开关位置与开关数量，避免因设计初期考虑不周而造成的尴尬，即使在无法外部实体开关无法满足需求的条件下还可以通过局域网甚至广域网APP对***进行远程控制；
4、本发明的用电安全保护措施到位，在外部供电异常情况下及时断开供电***避免用电设备损坏，甚至可以分级控制，对于工频变压器类设备对工作电压要求比较高而采用高频变压器的开关电源设备一般有着较宽广的工作电压因此可以根据不同设备的不同特性和监测到的供电电压对所有设备进行分级控制；
5、本发明可以按需预设定时开启，对于很多设备长期供电不工作可能存在漏电或者因内部线路故障而导致的短路甚至自燃等安全事故，***可以根据日常使用规律与需求定时定点启用设备，并在预设时间断开设备供电为安全增加一道保护措施；
6、本发明具有断电控制功能，避免频繁拔插连接头或频繁按插座开关，既方便又能避免安全事故；
7、本发明设置为同一控制，按时序开启。由于现实生活中停电情况在所难免，对于现有的供电模式上电瞬间往往所有设备同时供电甚至启动，这不仅对电压造成较大的压力，同时对家庭配电***也是严苛的考验，如果电器设备不对还好，但如果开关类自动休眠设备比较多(如LED等、电脑、电磁炉等)且都接入电网那么上电瞬间可能产生几百甚至上千安培的电流，开关跳闸、触点打火、线路接头烧毁等情况都可能发生，采用本控制***后断电后所有设备可以设置为复位断电状态或者按需上电甚至可以是将所有设备按照时序要求错峰上电，这样对电网和配电***压力很小甚至没有任何影响；
8、本发明还可以进行远程控制，***可以通过以太网接入局域网或者广域网，可以通过客户端对设备进行远程控制与监控，可以实时异地了解级控制各个电器设备供电；
9、本发明还设有冗余供电***，保证***供电安全稳定；
10、本发明还设有状态指示，可以快速定位***状态。
附图说明
图1为本发明所述***的***供电模块的供电***部分的电路图。
图2为本发明所述***的***供电模块的电路转换模块部分的电路图。
图3为本发明所述***的***供电模块的供电***的优化、电源指示灯模块和测试端口等部分的电路图。
图4为本发明所述***的***供电模块的供电***的抗干扰滤波电路的电路图。
图5为本发明所述***的可编程逻辑关系模块的FPGA芯片的电路图。
图6为本发明所述***的可编程逻辑关系模块的FPGA芯片的***电路图。
图7为本发明所述***的低压开关输入模块的电路图。
图8为本发明所述***的高压供电输出模块的电路图。
图9为本发明所述***的MCU主控模块的Arduino主控芯片电路图。
图10为本发明所述***的MCU主控模块的***状态指示电路、复位电路和供电电压检测电路的电路图。
图11为本发明所述***的MCU主控模块的网络通信模块的电路图。
具体实施方式
为了更好的对本发明进行阐述，下面将结合附图作详细说明。
本发明提供的一种基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，包括：***供电模块，用于将12V供电转换成FPGA芯片和Arduino主控芯片所需的专用供电，保证***稳定无故障运行；可编程逻辑关系模块，采用FPGA芯片，用于***的输入和输出之间的可编程逻辑关系的配置；低压开关输入模块，用于对输入FPGA芯片和Arduino主控芯片的电平控制；高压供电输出模块，用于对外带载的供电输出控制；MCU主控模块，采用Arduino控制芯片，用于使***能够精确定时定点控制。
如图1，所述***供电模块采用双12V冗余供电***，两路供电分别从J1和J2两个接口输入，在其中某一个电源模块故障时另一个电源仍能正常工作，保证***稳定无故障运行；电源分别通过接口P13和P14后链接熔断电阻R256和R257进入防反接保护模块，该防反接保护模块采用两个肖特基二极管D56与D58、D57与D59分别组成，当供电接反无法通过正向二极管D56和D57，当正向二极管故障短路之后反向二极管D58和D59仍能保证反向电压不能正常进去DC12V电源网络中。本***采用的肖特基二极管具有正常工作电流大，正向导通电阻小等特点，保证不因部件损耗过大而造成的发热、低效率等问题。
进一步地，如图2，根据FPGA芯片和MCU主控芯片的工作环境需求，***供电模块采用多个电路转换模块将网络标签为DC12V的12V供电分别转换成DC1.2V、DC2.5V、DC3.3V和DC5V，各个电路转换模块采用芯片MP2307开关电源模块分别独立设计，保证每一个供电电路的独立稳定。所述芯片MP2307开关电源模块构成的DC/DC变换器分使能开机、时钟震荡、电荷泵电容增压、输出滤波与电压控制闭环回路等部分组成；其中DC1.2V供电电路中通过C43和R246组成的电容充电延时电路，当开机启动瞬间电容两端电压0，12V供电通过电阻R246对电容C43进行充电，电容两端电压由0逐渐升高直到芯片MP2307使能引脚7电平达到芯片MP2307开启电压2.5V后***开始工作；为了保证芯片MP2307输出开关管能够稳定有效地工作，***启用了增压电容C36，当输出为低电平(开关管处于关闭状态)时芯片内部5V电路通过内部二极管对电容充电，当输出为高电平时(开关管导通)C36低压端电压被抬高，高压端电压为输出端电压+5V保证开关管能够有稳定且较高的开启控制电压保证导通过程中开关管能够处于完整导通状态；电感L2和电容C38、电容C39、电容C42组成的LC滤波电路保证供电输出纹波能够满足芯片MP2307的工作要求；续流二极管D52在芯片MP2307输出时处于反接状态不工作，当芯片MP2307无输出过程为电感L2提供稳定电流避免芯片MP2307被电感L2产生的负压击穿；R250和R252分压反馈电路保证输电电压稳定在1.2V。另外，所述DC2.5V、DC3.3V和DC5V供电电路也均是采用与上述1.2V供电电路相同的电路结构来实现电压转换的。
进一步地，如图3，考虑到本***中可能需要使用锁相环倍频，提高工作效率，***启用锁相环供电，按照需求***锁相环供电为2.5V为了避免两端信号串扰保证2.5V供电***与锁相环均能正常工作采用CLC滤波电路，使得两端互不相干扰，且供电更干净。同时，所述***供电模块还包括电源指示灯模块，所述电源指示灯模块，采用电阻分压和LED点亮方式可以直观看出每一路供电是否正常，对于1.2V因电压过低无法直接点亮LED故采用1.2V作为控制信号，Q53NPN型三极管作为驱动2.5V直接供电，其中电阻R269既起到分压限流防止Q53发射结过压与过流而烧穿，同时还起到控制D60指示灯亮度，保证指示灯不因驱动三极管全部导通产生的过压与过流。***供电模块为了方便测试，每个组供电输出均保留测试孔J3-J14。
如图4，由于***中存在各种各样的干扰源与内部串扰，为了芯片能够有更干净的供电***，***中采用大量滤波小电容组合C60-C179。
如图5，所述可编程逻辑关系模块采用的FPGA芯片为Altera CycloneIII系列240引脚芯片EP3C25Q240C8，为了保证芯片正常工作同时满足低功耗也方便对外通信，所述FPGA芯片采用3.3V、2.5V、1.2V三种供电，其中内核与锁相环供电无法改变，输入输出引脚供电电压采用3.3V可方便与MCU进行对接。进一步地，所述FPGA芯片的时钟上采用两个50MHZ有源晶振Y1和Y2，可以方便***调用与备用。
如图6，进一步地，由于所述FPGA芯片会因断电丢失特性，需要外加16MB配置存储芯片EP3CS16；为方便编程与调试***还保留JTAG和AS双接口；FPGA芯片配置与调试部分为了方便直观查看FPGA的运行状态，***还设计芯片状态指示灯、配置指示灯、***重置指示灯。
如图7，所述低压开关输入模块包括多组的开关输入单元；所述开关输入单元在主板上采用光耦隔离的输入方式，外部电路采用瞬动常开自复位型按钮开关，其中，所述外部自复位开关S1通过接线排一端连接DC12V供电，另一端连接限流电阻R51，当按下开关S1时光耦U9发射管得电发射光信号，此时接收管接到光信号导通，光耦输出端input_1对地短接为低电平，当松开开关S1时，光耦输入端供电发射管无信号输出，接收管处于截止状态，光耦输出端由上拉电阻R46拉电流作用输出3.3V为高电平，即芯片输入端为高电平。所述外部自复位开关SW0-SW78
如图8，所述高压供电输出模块包括多组的供电输出单元；所述供电输出单元采用三极管驱动输出继电器再由输出继电器对外带载，其中，当FPGA芯片输出引脚127对应output_7输出为高电平时，通过限流电阻R211给发射NPN三极管基极和发射极启动电流，三极管Q18导通输出继电器K8线圈得电常开触点闭合，此时Relay7信号点和Com之间导通。本***设计中Com信号点通过正温度系数限流电阻R35和电源零线连接，也就是输出控制中间继电器K1线圈得电，常闭触点闭合，标准负载小功率电器-H1形成供电回路，开始工作，对于类似电磁炉、热水器、空调等大功率用电器-R1需要借助输出控制交流接触器KM1来控制输出，此时输出控制中间继电器K2线圈得电，常开触点闭合，大功率输出控制交流接触器-Q1线圈得电，输出常开触点闭合，大功率负载-R1得电开始工作；当芯片输出控制引脚127(output_7)输出为低电平时，驱动三极管Q18基级无电流注入，三极管截止，输出继电器K8线圈失电常开触点断开，Relay7信号点和Com之间处于开路状态，输出控制中间继电器K1线圈失电，常闭触点断开，标准负载小功率电器供电回路断开，停止工作，对于类似电磁炉、热水器、空调等大功率用电器，输出控制中间继电器K2线圈失电，常开触点断开，大功率输出控制交流接触器-Q1线圈失电，输出常开触点断开，大功率负载-R1失电停止工作；
进一步地，所述输出继电器K8线圈失电过程中由楞次定律分析可知线圈中会有持续电流，当无法形成闭合回路是断电瞬间可能会在Q18的集电极产生瞬间高压甚至击穿Q18，因此在此设计续流反向二极管D17，当三极管导通时D17处于反接状态无电流流过不会对控制电路造成影响，三极管截止瞬间线圈产生的感应电流通过该二极管与电源形成闭合回路。
如图9，所述MCU主控模块采用一块Arduino控制芯片Atmega256-16AU来作为主控芯片，在后期开发过程中可以借助Arduino大量标准程序库方便后期二次开发，本***中FPGA芯片EP3C25Q240C8专注组合逻辑控制，即使在外部远程控制异常还能通过硬逻辑关系控制***各设备供电，为了使***能够精确定时定点控制，***采用高精度时钟芯片DS1302与Arduino控制芯片对接；所述Atmega256-16AU供电范围广，可以采用与FPGA芯片EP3C25Q240C8的芯片IO供电同样的3.3V，但为了使***能够有更高的工作主频而采用5V工作电压。但这样一来两块主芯片引脚电压不一致不能安全正常通信。因此采用电平转换电路(5vIO电平Txd_MCU转3.3V电平Rxd_FPGA和3.3V电平Txd_FPGA转3.3V电平Rxd_MCU)进行转换，实现输出电平与目标芯片一致同时提供较大的输出驱动。
如图10，由于***状态不能一致连接外部检测程序，因此所述微处理器Arduino控制芯片上同样采用信号指示灯D8和蜂鸣器LS1来表述***状态，其中R198为信号指示灯驱动耦合电阻，Q10三极管为微处理器状态指示灯D8驱动三极管，电阻R197为声音信号指示驱动电路耦合电阻，Q9为微处理器状态声音指示蜂鸣器LS1驱动。同时为了方便调试与处理日常中故障，所述Arduino主控芯片同样设置复位电路，该电路包括由R203和C30组成的RC上电自复位电路和按钮开关与RC电路组成的手动复位电路。进一步的，由于家庭用电中经常存在外部供电电压过高、外部供电电压过低、甚至是外部供电***因零线异常而导致的380V供电进家庭用电，为了保护家中各用电设备安全稳定，***还设计有供电电压检测电路，由整流电桥D9将外部AC220V供电整流成直流供电***，小容量高压电容C20起到滤波作用，负载电阻与C20配合组成RC阻容滤波电路加速滤波电容放电，增加监测响应速度同时能够及时放电避免高压对维护人员造成威胁，电阻R200、R201、R202组成的分压取样点路将整流后的300V高压按比例转换成Arduino模数转换电压，通过内部程序间接控制***状态，当供电异常超过预设临界时及时断开所有用电设备供电。
如图11，进一步地，考虑到局域网控制甚至远程物联网控制模式是日后发展大势所趋，本***内还增加网络通信模块，该模块是由一块10/100Mbps自适应芯片W5500来完成，所述网络通信模块与Arduino主控芯片之间进行通信控制，在通过Arduino芯片间接与FPGA芯片对接控制设备供电。
如图8，本***内还设有250V1A过流保护保险丝F1，因此在连接与测试***时不能采用本***供电对电器设备进行供电，以防过载引发故障。
上述具体实施方式不能认为是对本发明的进一步限定，本领域技术人员根据本发明内容作出的非实质性改变均应落入本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于包括：***供电模块，用于将12V供电转换成FPGA芯片和Arduino主控芯片所需的专用供电，保证***稳定无故障运行；可编程逻辑关系模块，采用FPGA芯片，用于***的输入输出之间的可编程逻辑关系的配置；低压开关输入模块，用于对输入FPGA芯片和Arduino主控芯片的电平控制；高压供电输出模块，用于对外带载的供电输出控制；MCU主控模块，采用Arduino控制芯片，用于使***能够精确定时定点控制。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：所述***供电模块采用双12V冗余供电***，两路供电分别从J1和J2两个接口输入，在其中某一个电源模块故障时另一个电源仍能正常工作，保证***稳定无故障运行；电源分别通过接口P13和P14后链接熔断电阻R256和R257进入防反接保护模块，该防反接保护模块采用两个肖特基二极管D56与D58、D57与D59分别组成，当供电接反无法通过正向二极管D56和D57，当正向二极管故障短路之后反向二极管D58和D59仍能保证反向电压不能正常进去DC12V电源网络中。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：所述***供电模块采用多个电路转换模块将DC12V供电分别转换成DC1.2V、DC2.5V、DC3.3V和DC5V，各个电路转换模块采用芯片MP2307开关电源模块分别独立设计构成的DC/DC变换器，所述芯片MP2307开关电源模块包括使能开机、时钟震荡、电荷泵电容增压、输出滤波与电压控制闭环回路电路；其中，DC1.2V供电电路中通过C43和R246组成的电容充电延时电路，当开机启动瞬间电容两端电压0，12V供电通过电阻R246对电容C43进行充电，电容两端电压由0逐渐升高直到芯片MP2307使能引脚7电平达到芯片MP2307开启电压2.5V后***开始工作；为了保证芯片MP2307输出开关管能够稳定有效地工作，***启用了增压电容C36，当输出为低电平时芯片内部5V电路通过内部二极管对电容充电，当输出为高电平时C36低压端电压被抬高，高压端电压为输出端电压+5V保证开关管能够有稳定且较高的开启控制电压保证导通过程中开关管能够处于完整导通状态；电感L2和电容C38、电容C39、电容C42组成的LC滤波电路保证供电输出纹波能够满足芯片MP2307的工作要求；续流二极管D52在芯片MP2307输出时处于反接状态不工作，当芯片MP2307无输出过程为电感L2提供稳定电流避免芯片MP2307被电感L2产生的负压击穿；R250和R252分压反馈电路保证输电电压稳定在1.2V；所述DC2.5V、DC3.3V和DC5V供电电路也是采用与所述1.2V供电电路相同的电路结构来实现电压转换。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：所述***供电模块启用锁相环供电为2.5V，为了避免两端信号串扰保证2.5V供电***与锁相环均能正常工作采用CLC滤波电路。
5.根据权利要求2所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：***供电模块还包括电源指示灯模块，所述电源指示灯模块，采用电阻分压和LED点亮方式可直观看出每一路供电是否正常，对于1.2V因电压过低无法直接点亮LED采用1.2V作为控制信号，Q53NPN型三极管作为驱动2.5V直接供电，其中电阻R269既起到分压限流防止Q53发射结过压与过流而烧穿，同时还起到控制D60指示灯亮度，保证指示灯不因驱动三极管全部导通产生的过压与过流。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：所述可编程逻辑关系模块采用的FPGA芯片为Altera CycloneIII系列240引脚芯片，所述FPGA芯片采用3.3V、2.5V、1.2V三种供电，其中内核与锁相环供电无法改变，输入输出引脚供电电压采用3.3V用于方便与MCU进行对接；所述FPGA芯片的时钟上采用两个50MHZ有源晶振Y1和Y2，用于方便***调用与备用。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：所述FPGA芯片外加16MB配置存储芯片EP3CS16；为方便编程与调试***还保留JTAG和AS双接口。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：所述低压开关输入模块包括多组的开关输入单元；所述开关输入单元在主板上采用光耦隔离的输入方式，外部电路采用瞬动常开自复位型按钮开关，外部自复位开关S1通过接线排一端连接DC12V供电，另一端连接限流电阻R51，当按下开关S1时光耦U9发射管得电发射光信号，此时接收管接到光信号导通，光耦输出端input_1对地短接为低电平，当松开开关S1时，光耦输入端供电发射管无信号输出，接收管处于截止状态，光耦输出端由上拉电阻R46拉电流作用输出3.3V为高电平，即芯片输入端为高电平。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：所述高压供电输出模块包括多组的供电输出单元；所述供电输出单元采用三极管驱动输出继电器再由输出继电器对外带载，当FPGA芯片输出引脚127输出为高电平时，通过限流电阻R211给发射NPN三极管基极和发射极启动电流，三极管Q18导通输出继电器K8线圈得电常开触点闭合，此时Relay7信号点和Com之间导通；所述Com信号点通过正温度系数限流电阻R35和电源零线连接，输出控制中间继电器K1线圈得电，常闭触点闭合，标准负载小功率电器形成供电回路，开始工作；对于大功率用电器需要借助输出控制交流接触器来控制输出，此时输出控制中间继电器K2线圈得电，常开触点闭合，大功率输出控制交流接触器-Q1线圈得电，输出常开触点闭合，大功率负载-R1得电开始工作；当FPGA芯片输出控制引脚127输出为低电平时，驱动三极管Q18基级无电流注入，三极管截止，输出继电器K8线圈失电常开触点断开，Relay7信号点和Com之间处于开路状态，输出控制中间继电器K1线圈失电，常闭触点断开，标准负载小功率电器供电回路断开，停止工作；对于大功率用电器，输出控制中间继电器K2线圈失电，常开触点断开，大功率输出控制交流接触器-Q1线圈失电，输出常开触点断开，大功率负载-R1失电停止工作。
10.根据权利要求1所述的基于FPGA+Arduino的新式家庭用电控制***，其特征在于：所述MCU主控模块采用一块Arduino控制芯片Atmega256-16AU来作为主控芯片，采用高精度时钟芯片DS1302与Arduino控制芯片对接；所述Arduino控制芯片Atmega256-16AU为了保证更高的工作主频而采用5V工作电压，并且通过电平转换电路进行转换成与FPGA芯片EP3C25Q240C8的IO供电同样的3.3V使两块主芯片引脚电压一致而能安全正常通信。
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