基于公用電話網(wǎng)（PSTN）的智能路燈控制器設(shè)計

摘要：隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐不斷加快，傳統(tǒng)的路燈控制器，存在難以集中管理、浪費(fèi)電能等缺點(diǎn)。因此使用自動化程度高、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能、維護(hù)方便、具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的智能路燈控制器成為了路燈控制和管理的發(fā)展趨勢。本文利用AT89S8252單片機(jī)為核心設(shè)計了基于公用電話網(wǎng)智能路燈控制器的硬件電路與軟件流程，該路燈控制器性能穩(wěn)定，工作可靠，消除了傳統(tǒng)控制方法的弊端，為城市路燈控制提供了理想的應(yīng)用方案。

1 引言

隨著各城市對路燈照明的重視， 路燈照明的管理、監(jiān)測、控制和維護(hù)的工作量增大，人力物力資源有限的問題日益突出。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)。目前，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通常采用上下位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且下位機(jī)經(jīng)常為無人職守形式。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中通信采用的物理鏈路有: 現(xiàn)場總線形式， 如CAN、RS-422/485 等;Internet 形式;PSTN(公用電話網(wǎng))形式?，F(xiàn)場總線形式受通信距離的約束，遠(yuǎn)程能力有限，例如CAN 總線的直接通信距離最大為10Km，第2 和第3 兩種形式，雖在距離上沒有限制，但對硬件的要求和實現(xiàn)的途徑各不相同。從目前的技術(shù)條件及從通信距離、實時性、可靠性與安全性等諸多方面的綜合*價，基于公用電話網(wǎng)(PSTN)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)更適合一些。故針對路燈管理處設(shè)備陳舊、可靠性差、設(shè)備有限、投資少、故障多、線路多、管理維護(hù)不方便等情況，選擇PSTN 通訊方式，設(shè)計開發(fā)基于AT89S8252 智能路燈控制器， 對城市路燈運(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。這樣既可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，也可以節(jié)約線路成本?？刂聘鼮榫?xì)。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖

2 智能路燈控制器硬件電路設(shè)計與功能描述

2.1 測量電路

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

圖2 電壓變換電路。

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(原邊)的額定電流為2.

2mA，次級(副邊)會產(chǎn)生一個相同的電流。通過運(yùn)算放大器(LF353)，用戶可以通過調(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)換后的電壓信號滿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。

圖3 電流變換電路

通過運(yùn)算放大器(LF353)的作用，用戶可以調(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A(chǔ)C)5A 為例，電流互感器轉(zhuǎn)換出來的電流信號為:，轉(zhuǎn)換后的電流信號滿足系統(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)測模塊選用有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536 計算輸入的復(fù)雜的交流值A(chǔ)C 的均方根值， 輸出一個等效的直流值D C 。再輸入系統(tǒng)中的ADC 轉(zhuǎn)換電路。電壓電流監(jiān)測模塊如圖5 所示。

圖4 多路轉(zhuǎn)換模塊

圖5 電壓電流監(jiān)測模塊

電壓電流監(jiān)測模塊所采集的兩路信號需經(jīng)過模數(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)、報警門限電壓可編程;每個通道有各自的存儲器以存儲電壓范圍設(shè)置、轉(zhuǎn)換結(jié)果、門限電壓等參數(shù);普通方式下串行通信速率達(dá)16.3kbps，超速工作時速率達(dá)142kbps，片內(nèi)16 位循環(huán)冗余校驗碼生成器可用于檢測通信的正確性;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。電路正常工作時僅消耗2. 5mW 功率，不工作時消耗25 μW。CPU 只需一根端口線就能與諸多一線式芯片通信， 占用微處理器的端口較少， 可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路如圖6 所示。

圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路

2.2 顯示與時鐘電路

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)動部分是T6963C 控制液晶顯示驅(qū)動系統(tǒng)的接口[5]。它由液晶顯示時序發(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，通過按鍵設(shè)置開關(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，比照開關(guān)路燈時間與DS1302 的時間信息，驅(qū)動路燈動作，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。顯示與時鐘電路如圖7 所示。

圖7 顯示與時鐘電路

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，將繼電器的三個無源觸點(diǎn)引出， 配合外圍接觸器驅(qū)動路燈。電路利用發(fā)光二級管作為通電指示。路燈驅(qū)動電路如圖8 所示。

　圖8 路燈驅(qū)動電路

2.4 MODEM通信接口設(shè)計

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。

系統(tǒng)采用上、下位主從結(jié)構(gòu)設(shè)計，上位機(jī)為主叫方，下位機(jī)為被叫方。上位機(jī)以定時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)。定時循檢:系統(tǒng)每隔十分鐘(時間可隨意設(shè)定)對各個下位機(jī)控制器進(jìn)行電壓、電流數(shù)據(jù)采集，并把該數(shù)據(jù)存儲到上位機(jī)中。隨即抽檢通過微機(jī)鍵盤或鼠標(biāo)操作可隨時檢測各個下位機(jī)控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并能通過指令改變下位機(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，實現(xiàn)“三線式”遠(yuǎn)程通信。在MODEM的接口電路設(shè)計中，為了防止MODEM可能無法掛機(jī)而無法響應(yīng)微處理器傳來的復(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的陰陽極同時開關(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)接口簡單。

圖9 MODEM 通信接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在編寫系統(tǒng)軟件時， 應(yīng)當(dāng)對整個軟件流程進(jìn)行清晰的描述， 以便在進(jìn)行程序編寫時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。對于本系統(tǒng)的軟件的被控對象有以下幾個:

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

對受控對象進(jìn)行分析， 就可以劃分出兩類基本流程，一種是可預(yù)測的基本事務(wù)流程:從上電開始的初始化→時鐘數(shù)據(jù)讀取→對基本事務(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)測的中斷事務(wù)處理:1)來自于鍵盤的中斷事務(wù);2)來自于串行口的中斷事務(wù);對于中斷事務(wù)的處理是不具有完全可預(yù)測的但是應(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 時間應(yīng)當(dāng)是很少的一個部分，并且各個中斷之間的同時發(fā)生的概率不能太大。按照上述分析，利用KEILCX51 所開發(fā)智能路燈控制器的主程序流程如圖10 所示。

圖1 0 主程序流程圖

4 結(jié)束語

基于公用電話網(wǎng)(PSTN)的智能路燈控制器的技術(shù)突破點(diǎn)在于， 利用測試技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、公用電話網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)對城市路燈運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程智能控制。在微處理器選擇上采用AT89S8252 單片機(jī)，內(nèi)部含有的看門狗定時器(WDT），能滿足系統(tǒng)無人職守條件下自恢復(fù)運(yùn)行和監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)的要求，工作性能可靠。智能路燈控制器使用方便，制造成本合理，維護(hù)較容易。在試驗條件下， 對于智能路燈控制器的各項測試都得到了滿意的結(jié)果， 為其進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用提供了有利參考。