公用電話(huà)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的智能路燈控制器 - 全文

????????1 引言

　　隨著各城市對(duì)路燈照明的重視，路燈照明的管理、監(jiān)測(cè)、控制和維護(hù)的工作量增大，人力物力資源有限的問(wèn)題日益突出。為提高路燈管理效率，需要一種新型的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。從目前的技術(shù)條件及從通信距離、實(shí)時(shí)性、可靠性與安全性等諸多方面的綜合造價(jià)，基于公用電話(huà)網(wǎng)(PSTN)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)更適合一些。故針對(duì)路燈管理處設(shè)備陳舊、可靠性差、設(shè)備有限、投資少、故障多、線(xiàn)路多、管理維護(hù)不方便等情況，選擇PSTN 通訊方式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于AT89S8252 智能路燈控制器，對(duì)城市路燈運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。

　　智能路燈控制器是系統(tǒng)的主要組成部分。它關(guān)系到上位機(jī)與路燈控制器的信息交互，是系統(tǒng)信息交換的樞紐。智能路燈控制器既可以起到上傳下達(dá)的作用，也可以單獨(dú)對(duì)路燈進(jìn)行控制。它與上位機(jī)是采用PSTN 通信，完成控制器運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這樣既可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，也可以節(jié)約線(xiàn)路成本?？刂聘鼮榫?xì)。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

　　2 智能路燈控制器硬件電路設(shè)計(jì)與功能描述

　　2.1 測(cè)量電路

　　在測(cè)量電路中，采樣電路需要采集三相電壓信號(hào)和四相電流信號(hào)(包括零線(xiàn)電流) 。本系統(tǒng)采用直流采樣法。電壓變化電路如圖2 所示。

電壓變化電路

　　圖2 中PT1 是一種電流型電壓互感器，A 相輸入電壓經(jīng)限流電阻R1(100K)，使PT1 初級(jí)(原邊)的額定電流為2.

　　2mA，次級(jí)(副邊)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同的電流。通過(guò)運(yùn)算放大器(LF353)，用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻R3 的值在輸出端得到所要求的電壓輸出。以標(biāo)準(zhǔn)工頻電壓220V 為例，可以算出轉(zhuǎn)換后A 相電壓有效值為:，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)滿(mǎn)足各元器件的輸入電壓要求。

　　電流變換電路采用精密電流互感器CTY205A(CT1)，電流變化電路如圖3 所示。

電流變換電路

　　通過(guò)運(yùn)算放大器(LF353)的作用，用戶(hù)可以調(diào)節(jié)反饋電阻R4 的值在輸出端得到所要求的電壓輸出。以電流(交流值AC)5A 為例，電流互感器轉(zhuǎn)換出來(lái)的電流信號(hào)為:，轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)滿(mǎn)足系統(tǒng)各元器件的輸入電壓要求。

　　電壓電流經(jīng)互感器變換，輸入雙四選一譯碼器，微處理器通過(guò)控制電壓、電流值進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換。選用LF353 連接成射極跟隨器，起到隔離、跟隨的作用。多路轉(zhuǎn)換模塊如圖4 所示。電壓電流監(jiān)測(cè)模塊選用有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536 計(jì)算輸入的復(fù)雜的交流值A(chǔ)C 的均方根值，輸出一個(gè)等效的直流值D C 。再輸入系統(tǒng)中的ADC 轉(zhuǎn)換電路。電壓電流監(jiān)測(cè)模塊如圖5 所示。

　　電壓電流監(jiān)測(cè)模塊所采集的兩路信號(hào)需經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換后輸入控制器，因此選用DS2450 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口芯片。DS2450 是DALLAS 公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式4 通道逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍、轉(zhuǎn)換精度位數(shù)、報(bào)警門(mén)限電壓可編程;每個(gè)通道有各自的存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)電壓范圍設(shè)置、轉(zhuǎn)換結(jié)果、門(mén)限電壓等參數(shù);普通方式下串行通信速率達(dá)16.3kbps，超速工作時(shí)速率達(dá)142kbps，片內(nèi)16 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼生成器可用于檢測(cè)通信的正確性;DS2450 采用8 引腳SOIC 小體積封裝形式，既可用單5V 電源供電，也可采用寄生電源方式供電。電路正常工作時(shí)僅消耗2. 5mW 功率，不工作時(shí)消耗25 μW。CPU 只需一根端口線(xiàn)就能與諸多一線(xiàn)式芯片通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線(xiàn)和邏輯電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路如圖6 所示。

　　2.2 顯示與時(shí)鐘電路

　　控制器具有良好的人機(jī)交互能力，采用160x128 點(diǎn)陣帶背光LCD 顯示屏，可顯示漢字和西文字符。驅(qū)動(dòng)部分是T6963C 控制液晶顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的接口[5]。它由液晶顯示時(shí)序發(fā)生器、圖形數(shù)據(jù)鎖存器、文本數(shù)據(jù)鎖存器、顯示選擇器、串行傳輸電路以及液晶顯示數(shù)據(jù)輸出接口等組成。操作人員可按照LCD 顯示屏的提示，通過(guò)按鍵設(shè)置開(kāi)關(guān)路燈控制方案、運(yùn)行控制數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，智能路燈控制器運(yùn)行時(shí)，比照開(kāi)關(guān)路燈時(shí)間與DS1302 的時(shí)間信息，驅(qū)動(dòng)路燈動(dòng)作，能夠有效節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)投資，取代現(xiàn)有鐘控制器、光控制器。顯示與時(shí)鐘電路如圖7 所示。

顯示與時(shí)鐘電路

　2.3 輸出電路

　　控制器將P2.1-P2.5 口作為路燈控制輸出的IO 口，輸出電路中應(yīng)用反向器驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管，達(dá)林頓管的集電極和發(fā)射極之間連接正泰12V 5A 繼電器，將繼電器的三個(gè)無(wú)源觸點(diǎn)引出，配合外圍接觸器驅(qū)動(dòng)路燈。電路利用發(fā)光二級(jí)管作為通電指示。路燈驅(qū)動(dòng)電路如圖8 所示。

路燈驅(qū)動(dòng)電路

　　2.4 MODEM通信接口設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊是通信模塊，基于PSTN 遠(yuǎn)程系統(tǒng)的關(guān)鍵則是調(diào)制解調(diào)器(MODEM)通信接口模塊。

MODEM通信接口

　　系統(tǒng)采用上、下位主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上位機(jī)為主叫方，下位機(jī)為被叫方。上位機(jī)以定時(shí)循檢或隨即抽檢兩種方式獲取各下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)。定時(shí)循檢:系統(tǒng)每隔十分鐘(時(shí)間可隨意設(shè)定)對(duì)各個(gè)下位機(jī)控制器進(jìn)行電壓、電流數(shù)據(jù)采集，并把該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到上位機(jī)中。隨即抽檢通過(guò)微機(jī)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)操作可隨時(shí)檢測(cè)各個(gè)下位機(jī)控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并能通過(guò)指令改變下位機(jī)控制器的運(yùn)行狀態(tài)。MODEM通信接口電路設(shè)計(jì)如圖9 所示。從圖中可知，RS-232 的接收端與連MODEM的DB9 的第2 腳相連，發(fā)送端與DB9 的第3腳相連，實(shí)現(xiàn)“三線(xiàn)式”遠(yuǎn)程通信。在MODEM的接口電路設(shè)計(jì)中，為了防止MODEM可能無(wú)法掛機(jī)而無(wú)法響應(yīng)微處理器傳來(lái)的復(fù)位命令。引入MODEM電源控制電路，當(dāng)下位機(jī)每次響應(yīng)呼叫并正確發(fā)送數(shù)據(jù)后，由程序控制MODEM端口改變9012 三極管的狀態(tài)，完成MODEM的陰陽(yáng)極同時(shí)開(kāi)關(guān)控制。由于調(diào)制解調(diào)器的供電功率一般在9W以下，因此采用OMROM G5V-2 小型繼電器，該繼電器可靠性高，工作電壓為5V，與單片機(jī)系統(tǒng)接口簡(jiǎn)單。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在編寫(xiě)系統(tǒng)軟件時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)整個(gè)軟件流程進(jìn)行清晰的描述，以便在進(jìn)行程序編寫(xiě)時(shí)有很明晰的框架接口，以使得軟件編程高效化，維護(hù)規(guī)范化，以及最大化的可擴(kuò)展性。對(duì)于本系統(tǒng)的軟件的被控對(duì)象有以下幾個(gè):

　　對(duì)于外部對(duì)象:1)時(shí)鐘電路;2)外部中斷;3)AD 芯片轉(zhuǎn)換處理;4)顯示與鍵盤(pán)操作。對(duì)于內(nèi)部操作:1)串行口通信事務(wù)的處理;2)輸出電路的處理。

　　對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行分析，就可以劃分出兩類(lèi)基本流程，一種是可預(yù)測(cè)的基本事務(wù)流程:從上電開(kāi)始的初始化→時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀取→對(duì)基本事務(wù)的處理→顯示處理→循環(huán)等待外部中斷。第二種是不可預(yù)測(cè)的中斷事務(wù)處理:1)來(lái)自于鍵盤(pán)的中斷事務(wù);2)來(lái)自于串行口的中斷事務(wù);對(duì)于中斷事務(wù)的處理是不具有完全可預(yù)測(cè)的但是應(yīng)當(dāng)是有規(guī)律并且是完全可控的。在基本事務(wù)流程中，中斷事務(wù)的處理所占的CPU 時(shí)間應(yīng)當(dāng)是很少的一個(gè)部分，并且各個(gè)中斷之間的同時(shí)發(fā)生的概率不能太大。按照上述分析，利用KEILCX51 所開(kāi)發(fā)智能路燈控制器的主程序流程如圖10 所示。