基于A(yíng)T89C51RC的電腦鑰匙外圍電路設計

　　摘要 電腦鑰匙具有操作票瀏覽、執行、回傳、語(yǔ)音提示、鎖碼檢測和掉電數據記憶保護等功能，能實(shí)現各種閉鎖裝置的開(kāi)鎖及檢測。本文以AT89C51RC系列單片機為硬件開(kāi)發(fā)平臺，論述電腦鑰匙的工作原理并給出相應的外圍接口電路。

　　關(guān)鍵詞 電腦鑰匙 電路設計 AT89C5lRC

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

　　1 電腦鑰匙工作流程

　　電腦鑰匙的數據傳輸流程如圖l所示。

　　在工控主機內，預先存儲了所有沒(méi)備的操作規則。工控主機通過(guò)紅外線(xiàn)通信口將正確的操作內容輸入電腦鑰匙，運行人員用電腦鑰匙就可到現場(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容，并通過(guò)光電采碼頭檢測操作對象足否正確。若正確，則開(kāi)放閉鎖電路打開(kāi)機械編碼鎖，允許對刀閘或斷路器進(jìn)行操作。當一項操作結束后，電腦鑰匙會(huì )自動(dòng)顯示下一項操作內容;若走錯間隔操作，則不能開(kāi)鎖，電腦鑰匙發(fā)出報警聲以提醒操作人員，并給出操作提示。操作全部結束后.應將電腦鑰匙放回工控主機前的通信充電座，執行回傳操作，實(shí)現現場(chǎng)狀態(tài)與后臺操作票管理系統開(kāi)關(guān)對位。二者相符，說(shuō)明操作完成，工控主機記憶現場(chǎng)沒(méi)備狀態(tài)，完成對位，準備下次操作。

　　2 電腦鑰匙的工作原理與實(shí)現

　　圖2為電腦鑰匙的硬件系統框圖。

　　硬件系統電路包含以下幾部分：開(kāi)關(guān)電路、I/O口擴展控制電路、驗電、采碼、電源監視、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

　　圖3為開(kāi)關(guān)電路。

　　當開(kāi)關(guān)確認鍵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)，基極相當于直接接地，為低電位。當開(kāi)關(guān)確認鍵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(相當于IC為IB控制的電流源)，E極與C極導通，7、8端接地。線(xiàn)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(xiàn)性穩壓器MAXl818輸出電池正電壓。

　　線(xiàn)圈5-l的5端R3_SET平時(shí)為高電位;置0時(shí)，線(xiàn)圈5-l兩端有電位差，使得7、8端相連，3、4端相連，從而達到關(guān)機的目的。

　　2.2 I/O口擴展控制電路的實(shí)現

　　圖4為I/O口擴展控制電路。因為此電路外設電路模塊數量較多，且都是具有新型的串行外圍接口的器件，要求單片機具有相應的串行口實(shí)現功能，所以采用模擬傳送技術(shù)，用單片機的通用I/O口來(lái)模擬串行接口，實(shí)現對外圍器件的讀/寫(xiě)/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用在單片機系統中。這種模擬傳送方式消除了串行擴展的局限性，擴大了各類(lèi)串行擴展接口器件的應用范圍。

　　單片機經(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口擴展控制電路。

　　控制數據從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內存中有控制數據的低8位，74HC595A內存中有控制數據的高8位。68595由DMOS驅動(dòng)，74HC595A由CMOS驅動(dòng)，所以不需要外接驅動(dòng)即可直接驅動(dòng)，并且其輸出鎖存、移位時(shí)不會(huì )影響輸出。

　　68595驅動(dòng)能力強，可控制大功率的器件，如開(kāi)關(guān)TQ2-L2等。74HC595A驅動(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(xiě)保護及液晶電路的背光控制。

　　2.3 驗電功能的實(shí)現

　　圖5所示為驗電檢測電路。

　　當電腦鑰匙嵌入到工作回路現場(chǎng)時(shí)，現場(chǎng)的回路有正反兩種可能，所以在A(yíng)A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)受光導通，由4端檢測得到電信號而變?yōu)榈碗娖?，然后由連接電路傳送信號到單片機檢測端口上。

　　利用光電耦合器的開(kāi)關(guān)特性可實(shí)現具有共模抑制的串行接口功能，達到隔離輸入數據和系統電平的目的。利用光電耦合器的線(xiàn)性組合，可直接對模擬信號進(jìn)行抗共模傳送。由于光電耦合器的線(xiàn)性耦合區一般只能在某一個(gè)特定的范圍內，因此應保證被測信號的變化范圍始終在此線(xiàn)性區域內。不過(guò)，光電耦合器“線(xiàn)性區”實(shí)際上仍有非線(xiàn)性失真，故應適當采取非線(xiàn)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

　　圖6所示為采碼電路。

　　DS9092R信息鈕扣iButton(information Button)進(jìn)行現場(chǎng)數據采集，然后由DS9503采碼隔離處理信號，經(jīng)INDATA信號線(xiàn)傳入單片機可編程I/O口P1.0。

　　在采碼電路中，靜電容易在測試設備上積累高達4000V的電壓且放電不宜察覺(jué)，但當芯片受到商能靜電放電時(shí)可能會(huì )導致永久性破壞。因此，采用適當的ESI(靜電放電靈敏器件)保護電路，以防止芯片性能降低和功能損失。這里選用DS9503，以保護DS9092R采集數據進(jìn)行采碼隔離。

　　2.5 電源監視功能的實(shí)現

　　圖7所示為電源監視電路。

　　MAX708是一種用于電源故障或低電池告警的電壓監視器。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接單片機的P3.4(TO)口。當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)高低復位輸出端——RESET低電平有效復位輸出和RESET高電平有效復位輸出，分別連接單片機(MCU)與外部存儲器(Flash RAM)的高低復位端。當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

　　語(yǔ)音芯片(ISD4002)的片選、時(shí)鐘和數據傳輸都由單片機控制。單片機控制要播放內容的每一段地址來(lái)實(shí)現語(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 )給單片機傳送信息，單片機會(huì )根據相應的程序來(lái)確定現時(shí)的語(yǔ)音內容地址。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

　　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(xiàn)紅外信號輸入時(shí)，發(fā)光二極管斷開(kāi)，接收三極管的RXD端為高電平;當發(fā)光二極管接收到紅外信號時(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?，?shí)現信號檢測。

　　平時(shí)電腦鑰匙放在充電座(充電座通過(guò)數據線(xiàn)與工控主機相連)上，通過(guò)充電座上相應的一對紅外光電隔離，接收工控主機傳送的操作票信息;工作時(shí)取出電腦鑰匙到現場(chǎng)鎖具開(kāi)鎖，解除機械鎖與電編碼鎖。最后放回充電座通過(guò)紅外光電傳感器與工控主機反饋現場(chǎng)信息。

　　充電通信板實(shí)現給電池充電和通信信號的光電轉換功能。

　　結語(yǔ)

　　該電腦鑰匙外圍電路設計上采用了單片機作為主機，使該設備所需片外模塊較少，減小了體積，降低了成本，增強了系統抗干擾能力，可靠性高，滿(mǎn)足了電力系統運行對防誤閉鎖裝置中電腦鑰匙安全性要求。已經(jīng)在實(shí)際的系統中投入運行，效果良好。