基于AT89C51RC的電腦鑰匙外圍電路設(shè)計(jì)

摘要 電腦鑰匙具有操作票瀏覽、執(zhí)行、回傳、語(yǔ)音提示、鎖碼檢測(cè)和掉電數(shù)據(jù)記憶保護(hù)等功能，能實(shí)現(xiàn)各種閉鎖裝置的開(kāi)鎖及檢測(cè)。本文以AT89C51RC系列單片機(jī)為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，論述電腦鑰匙的工作原理并給出相應(yīng)的外圍接口電路。
關(guān)鍵詞 電腦鑰匙 電路設(shè)計(jì) AT89C5lRC

    微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)的電腦鑰匙用于在操作過(guò)程中接收五防主機(jī)發(fā)出的操作票，然后按照操作票內(nèi)容依次對(duì)電編碼鎖和機(jī)械編碼鎖進(jìn)行解鎖操作，即對(duì)運(yùn)行人員的實(shí)際操作進(jìn)行監(jiān)控。操作過(guò)程中，電腦鑰匙給出操作提示，運(yùn)行人員應(yīng)按照電腦鑰匙的提示逐步進(jìn)行正確操作。若運(yùn)行人員的實(shí)際操作與電腦鑰匙的提示不符，則電腦鑰匙將發(fā)出報(bào)警并強(qiáng)制閉鎖，從而有效避免誤操作事故的發(fā)生。

1 電腦鑰匙工作流程
    電腦鑰匙的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖l所示。

    在工控主機(jī)內(nèi)，預(yù)先存儲(chǔ)了所有沒(méi)備的操作規(guī)則。工控主機(jī)通過(guò)紅外線通信口將正確的操作內(nèi)容輸入電腦鑰匙，運(yùn)行人員用電腦鑰匙就可到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。操作時(shí)，在電腦鑰匙的顯示屏上將順序顯示正確的操作內(nèi)容，并通過(guò)光電采碼頭檢測(cè)操作對(duì)象足否正確。若正確，則開(kāi)放閉鎖電路打開(kāi)機(jī)械編碼鎖，允許對(duì)刀閘或斷路器進(jìn)行操作。當(dāng)一項(xiàng)操作結(jié)束后，電腦鑰匙會(huì)自動(dòng)顯示下一項(xiàng)操作內(nèi)容；若走錯(cuò)間隔操作，則不能開(kāi)鎖，電腦鑰匙發(fā)出報(bào)警聲以提醒操作人員，并給出操作提示。操作全部結(jié)束后．應(yīng)將電腦鑰匙放回工控主機(jī)前的通信充電座，執(zhí)行回傳操作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)與后臺(tái)操作票管理系統(tǒng)開(kāi)關(guān)對(duì)位。二者相符，說(shuō)明操作完成，工控主機(jī)記憶現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)備狀態(tài)，完成對(duì)位，準(zhǔn)備下次操作。

2 電腦鑰匙的工作原理與實(shí)現(xiàn)
    圖2為電腦鑰匙的硬件系統(tǒng)框圖。

    硬件系統(tǒng)電路包含以下幾部分：開(kāi)關(guān)電路、I/O口擴(kuò)展控制電路、驗(yàn)電、采碼、電源監(jiān)視、語(yǔ)音及紅外光電傳感器等電路。
2.1 開(kāi)關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)
    圖3為開(kāi)關(guān)電路。

    當(dāng)開(kāi)關(guān)確認(rèn)鍵KO未按下時(shí)，繼電器TQ2-L2(雙觸點(diǎn))的7、8端相連，3、4端相連。晶體管V1(PNP)的基極通過(guò)R1下拉電阻接地，電阻Rl無(wú)電流通過(guò)，基極相當(dāng)于直接接地，為低電位。當(dāng)開(kāi)關(guān)確認(rèn)鍵KO按下時(shí)，Kon2為高電位，R1兩端具有電位差生成電流，基極變?yōu)楦唠娢?，晶體管PNP開(kāi)始工作(相當(dāng)于IC為IB控制的電流源)，E極與C極導(dǎo)通，7、8端接地。線圈6(GND)-10(VIN+)端具有電位差而吸合，7、8跳開(kāi)，8、9吸合；3、4跳開(kāi)，2、3吸合。整個(gè)過(guò)程的目的就是輸出端2與3連接電池正極，從而向低電壓線性穩(wěn)壓器MAXl818輸出電池正電壓。
    線圈5-l的5端R3_SET平時(shí)為高電位；置0時(shí)，線圈5-l兩端有電位差，使得7、8端相連，3、4端相連，從而達(dá)到關(guān)機(jī)的目的。
2.2 I／O口擴(kuò)展控制電路的實(shí)現(xiàn)
    圖4為I／O口擴(kuò)展控制電路。因?yàn)榇穗娐吠庠O(shè)電路模塊數(shù)量較多，且都是具有新型的串行外圍接口的器件，要求單片機(jī)具有相應(yīng)的串行口實(shí)現(xiàn)功能，所以采用模擬傳送技術(shù)，用單片機(jī)的通用I/O口來(lái)模擬串行接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍器件的讀／寫／片選／時(shí)序的控制．就能使目前具有串行接口的外圍器件應(yīng)用在單片機(jī)系統(tǒng)中。這種模擬傳送方式消除了串行擴(kuò)展的局限性，擴(kuò)大了各類串行擴(kuò)展接口器件的應(yīng)用范圍。
    單片機(jī)經(jīng)P2.5口與2個(gè)具有8位移位寄存器、輸出鎖存的68595和74HC595A芯片構(gòu)成一個(gè)16位的串行輸入并行輸出的移位寄存器，具有高阻關(guān)斷狀態(tài)的I／O口擴(kuò)展控制電路。
    控制數(shù)據(jù)從MCU的P2．5口輸出傳入68595的SERIN口，再由SER OUT口把高8位傳入SERIAL口，使得68595內(nèi)存中有控制數(shù)據(jù)的低8位，74HC595A內(nèi)存中有控制數(shù)據(jù)的高8位。68595由DMOS驅(qū)動(dòng)，74HC595A由CMOS驅(qū)動(dòng)，所以不需要外接驅(qū)動(dòng)即可直接驅(qū)動(dòng)，并且其輸出鎖存、移位時(shí)不會(huì)影響輸出。
    68595驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可控制大功率的器件，如開(kāi)關(guān)TQ2-L2等。74HC595A驅(qū)動(dòng)能力弱，可控制功耗小的芯片，如時(shí)鐘電路的片選、Flash ROM的片選和硬件寫保護(hù)及液晶電路的背光控制。
2．3 驗(yàn)電功能的實(shí)現(xiàn)
    圖5所示為驗(yàn)電檢測(cè)電路。

    當(dāng)電腦鑰匙嵌入到工作回路現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的回路有正反兩種可能，所以在AA端并入兩條各由3個(gè)大小相同、方向相反的整流二極管支路。每個(gè)二極管的壓降為O．7 V，3個(gè)形成2．1 V的壓降。電流整流后變?yōu)橹绷?。PS2505_1為光電耦合器，無(wú)電流時(shí)，3-4端斷路，4端通過(guò)上拉電阻R1與圖7中VTEST相連，為高電位。當(dāng)有電流時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，受光管(光敏三極管)受光導(dǎo)通，由4端檢測(cè)得到電信號(hào)而變?yōu)榈碗娖剑缓笥蛇B接電路傳送信號(hào)到單片機(jī)檢測(cè)端口上。
    利用光電耦合器的開(kāi)關(guān)特性可實(shí)現(xiàn)具有共模抑制的串行接口功能，達(dá)到隔離輸入數(shù)據(jù)和系統(tǒng)電平的目的。利用光電耦合器的線性組合，可直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抗共模傳送。由于光電耦合器的線性耦合區(qū)一般只能在某一個(gè)特定的范圍內(nèi)，因此應(yīng)保證被測(cè)信號(hào)的變化范圍始終在此線性區(qū)域內(nèi)。不過(guò)，光電耦合器“線性區(qū)”實(shí)際上仍有非線性失真，故應(yīng)適當(dāng)采取非線性校正措施，否則將產(chǎn)生較大的誤差。
2.4 采碼功能的實(shí)現(xiàn)
    圖6所示為采碼電路。

    DS9092R信息鈕扣iButton(information Button)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，然后由DS9503采碼隔離處理信號(hào)，經(jīng)INDATA信號(hào)線傳入單片機(jī)可編程I／O口P1．0。
    在采碼電路中，靜電容易在測(cè)試設(shè)備上積累高達(dá)4000V的電壓且放電不宜察覺(jué)，但當(dāng)芯片受到商能靜電放電時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致永久性破壞。因此，采用適當(dāng)?shù)腅SI(靜電放電靈敏器件)保護(hù)電路，以防止芯片性能降低和功能損失。這里選用DS9503，以保護(hù)DS9092R采集數(shù)據(jù)進(jìn)行采碼隔離。
2．5 電源監(jiān)視功能的實(shí)現(xiàn)
    圖7所示為電源監(jiān)視電路。

    MAX708是一種用于電源故障或低電池告警的電壓監(jiān)視器。電源故障輸入端PFI接電池的正極，串R1與R2接地的支路的中間，取其電位差值；電源故障輸出端PFO接單片機(jī)的P3．4(TO)口。當(dāng)PFI端低于1．25V時(shí)，電源故障輸出端PFO輸出下降，不用時(shí)，連接PFI到地或VCC；當(dāng)PFI端高于1．25V時(shí)，電源故障輸出端PFO降低并吸收電流，否則PFO端保持高電位。
    其芯片有兩個(gè)高低復(fù)位輸出端——RESET低電平有效復(fù)位輸出和RESET高電平有效復(fù)位輸出，分別連接單片機(jī)(MCU)與外部存儲(chǔ)器(Flash RAM)的高低復(fù)位端。當(dāng)電源故障或低電池告警時(shí)，可以分別同時(shí)重啟這兩個(gè)芯片。
2．6 語(yǔ)音功能的實(shí)現(xiàn)
    語(yǔ)音芯片(ISD4002)的片選、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸都由單片機(jī)控制。單片機(jī)控制要播放內(nèi)容的每一段地址來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放。語(yǔ)音芯片每播出一段音樂(lè)，其中斷INT端口便會(huì)給單片機(jī)傳送信息，單片機(jī)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的程序來(lái)確定現(xiàn)時(shí)的語(yǔ)音內(nèi)容地址。閑時(shí)INT端通過(guò)上拉電阻與電源相連為高電平、高阻態(tài)，其工作時(shí)有電流通過(guò)，為低電平。其語(yǔ)音輸出由AUDIO OUT端輸出到功放LM4862。
2.7 紅外光電傳感器功能的實(shí)現(xiàn)
    圖8為紅外光電傳感電路。

    紅外光電傳感電路由發(fā)光二極管、接收三極管、電源、限流電阻和上拉電阻組成。
    無(wú)線紅外信號(hào)輸入時(shí)，發(fā)光二極管斷開(kāi)，接收三極管的RXD端為高電平；當(dāng)發(fā)光二極管接收到紅外信號(hào)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，接收三極管的RXD端由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑢?shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。
    平時(shí)電腦鑰匙放在充電座(充電座通過(guò)數(shù)據(jù)線與工控主機(jī)相連)上，通過(guò)充電座上相應(yīng)的一對(duì)紅外光電隔離，接收工控主機(jī)傳送的操作票信息；工作時(shí)取出電腦鑰匙到現(xiàn)場(chǎng)鎖具開(kāi)鎖，解除機(jī)械鎖與電編碼鎖。最后放回充電座通過(guò)紅外光電傳感器與工控主機(jī)反饋現(xiàn)場(chǎng)信息。
    充電通信板實(shí)現(xiàn)給電池充電和通信信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換功能。

結(jié)語(yǔ)
    該電腦鑰匙外圍電路設(shè)計(jì)上采用了單片機(jī)作為主機(jī)，使該設(shè)備所需片外模塊較少，減小了體積，降低了成本，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力，可靠性高，滿足了電力系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)防誤閉鎖裝置中電腦鑰匙安全性要求。已經(jīng)在實(shí)際的系統(tǒng)中投入運(yùn)行，效果良好。