基于AT89C51RC的電腦鑰匙外圍電路設(shè)計

　　摘要 電腦鑰匙具有操作票瀏覽、執(zhí)行、回傳、語音提示、鎖碼檢測和掉電數(shù)據(jù)記憶保護(hù)等功能，能實現(xiàn)各種閉鎖裝置的開鎖及檢測。本文以AT89C51RC系列單片機為硬件開發(fā)平臺，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 AT89C5lRC

　　微機防誤閉鎖系統(tǒng)的電腦鑰匙用于在操作過程中接收五防主機發(fā)出的操作票，然后按照操作票內(nèi)容依次對電編碼鎖和機械編碼鎖進(jìn)行解鎖操作，即對運行人員的實際操作進(jìn)行監(jiān)控。操作過程中，電腦鑰匙給出操作提示，運行人員應(yīng)按照電腦鑰匙的提示逐步進(jìn)行正確操作。若運行人員的實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(shù)據(jù)傳輸流程如圖l所示。

　　在工控主機內(nèi)，預(yù)先存儲了所有沒備的操作規(guī)則。工控主機通過紅外線通信口將正確的操作內(nèi)容輸入電腦鑰匙，運行人員用電腦鑰匙就可到現(xiàn)場進(jìn)行操作。操作時，在電腦鑰匙的顯示屏上將順序顯示正確的操作內(nèi)容，并通過光電采碼頭檢測操作對象足否正確。若正確，則開放閉鎖電路打開機械編碼鎖，允許對刀閘或斷路器進(jìn)行操作。當(dāng)一項操作結(jié)束后，電腦鑰匙會自動顯示下一項操作內(nèi)容;若走錯間隔操作，則不能開鎖，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(jié)束后.應(yīng)將電腦鑰匙放回工控主機前的通信充電座，執(zhí)行回傳操作，實現(xiàn)現(xiàn)場狀態(tài)與后臺操作票管理系統(tǒng)開關(guān)對位。二者相符，說明操作完成，工控主機記憶現(xiàn)場沒備狀態(tài)，完成對位，準(zhǔn)備下次操作。

　　2 電腦鑰匙的工作原理與實現(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：開關(guān)電路、I/O口擴展控制電路、驗電、采碼、電源監(jiān)視、語音及紅外光電傳感器等電路。

　　2.1 開關(guān)電路的實現(xiàn)

　　圖3為開關(guān)電路。

　　當(dāng)開關(guān)確認(rèn)鍵KO未按下時，繼電器TQ2-L2(雙觸點)的7、8端相連，3、4端相連。晶體管V1(PNP)的基極通過R1下拉電阻接地，電阻Rl無電流通過，基極相當(dāng)于直接接地，為低電位。當(dāng)開關(guān)確認(rèn)鍵KO按下時，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，8、9吸合;3、4跳開，2、3吸合。整個過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平時為高電位;置0時，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)機的目的。

　　2.2 I/O口擴展控制電路的實現(xiàn)

　　圖4為I/O口擴展控制電路。因為此電路外設(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，要求單片機具有相應(yīng)的串行口實現(xiàn)功能，所以采用模擬傳送技術(shù)，用單片機的通用I/O口來模擬串行接口，實現(xiàn)對外圍器件的讀/寫/片選/時序的控制.就能使目前具有串行接口的外圍器件應(yīng)用在單片機系統(tǒng)中。這種模擬傳送方式消除了串行擴展的局限性，擴大了各類串行擴展接口器件的應(yīng)用范圍。

　　單片機經(jīng)P2.5口與2個具有8位移位寄存器、輸出鎖存的68595和74HC595A芯片構(gòu)成一個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(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，74HC595A由CMOS驅(qū)動，所以不需要外接驅(qū)動即可直接驅(qū)動，并且其輸出鎖存、移位時不會影響輸出。

　　68595驅(qū)動能力強，可控制大功率的器件，如開關(guān)TQ2-L2等。74HC595A驅(qū)動能力弱，可控制功耗小的芯片，如時鐘電路的片選、Flash ROM的片選和硬件寫保護(hù)及液晶電路的背光控制。

　　2.3 驗電功能的實現(xiàn)

　　圖5所示為驗電檢測電路。

　　當(dāng)電腦鑰匙嵌入到工作回路現(xiàn)場時，現(xiàn)場的回路有正反兩種可能，所以在AA端并入兩條各由3個大小相同、方向相反的整流二極管支路。每個二極管的壓降為O.7 V，3個形成2.1 V的壓降。電流整流后變?yōu)橹绷?。PS2505_1為光電耦合器，無電流時，3-4端斷路，4端通過上拉電阻R1與圖7中VTEST相連，為高電位。當(dāng)有電流時，發(fā)光二極管發(fā)光，受光管(光敏三極管)受光導(dǎo)通，由4端檢測得到電信號而變?yōu)榈碗娖剑缓笥蛇B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關(guān)特性可實現(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，可直接對模擬信號進(jìn)行抗共模傳送。由于光電耦合器的線性耦合區(qū)一般只能在某一個特定的范圍內(nèi)，因此應(yīng)保證被測信號的變化范圍始終在此線性區(qū)域內(nèi)。不過，光電耦合器“線性區(qū)”實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)場數(shù)據(jù)采集，然后由DS9503采碼隔離處理信號，經(jīng)INDATA信號線傳入單片機可編程I/O口P1.0。

　　在采碼電路中，靜電容易在測試設(shè)備上積累高達(dá)4000V的電壓且放電不宜察覺，但當(dāng)芯片受到商能靜電放電時可能會導(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接單片機的P3.4(TO)口。當(dāng)PFI端低于1.25V時，電源故障輸出端PFO輸出下降，不用時，連接PFI到地或VCC;當(dāng)PFI端高于1.25V時，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(MCU)與外部存儲器(Flash RAM)的高低復(fù)位端。當(dāng)電源故障或低電池告警時，可以分別同時重啟這兩個芯片。

　　2.6 語音功能的實現(xiàn)

　　語音芯片(ISD4002)的片選、時鐘和數(shù)據(jù)傳輸都由單片機控制。單片機控制要播放內(nèi)容的每一段地址來實現(xiàn)語音播放。語音芯片每播出一段音樂，其中斷INT端口便會給單片機傳送信息，單片機會根據(jù)相應(yīng)的程序來確定現(xiàn)時的語音內(nèi)容地址。閑時INT端通過上拉電阻與電源相連為高電平、高阻態(tài)，其工作時有電流通過，為低電平。其語音輸出由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。

　　無線紅外信號輸入時，發(fā)光二極管斷開，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時，發(fā)光二極管發(fā)光，接收三極管的RXD端由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑢崿F(xiàn)信號檢測。

　　平時電腦鑰匙放在充電座(充電座通過數(shù)據(jù)線與工控主機相連)上，通過充電座上相應(yīng)的一對紅外光電隔離，接收工控主機傳送的操作票信息;工作時取出電腦鑰匙到現(xiàn)場鎖具開鎖，解除機械鎖與電編碼鎖。最后放回充電座通過紅外光電傳感器與工控主機反饋現(xiàn)場信息。

　　充電通信板實現(xiàn)給電池充電和通信信號的光電轉(zhuǎn)換功能。

　　結(jié)語

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