作者:张晓杰 何国锋 来源:单片机与嵌入式系统应用

摘要 电脑钥匙具有操作票浏览、执行、回传、语音提示、锁码检测和掉电数据记忆保护等功能，能实现各种闭锁装置的开锁及检测。本文以AT89C51RC系列单片机为硬件开发平台，论述电脑钥匙的工作原理并给出相应的外围接口电路。
关键词 电脑钥匙 电路设计 AT89C5lRC

     微机防误闭锁系统的电脑钥匙用于在操作过程中接收五防主机发出的操作票，然后按照操作票内容依次对电编码锁和机械编码锁进行解锁操作，即对运行人员的实际操作进行监控。操作过程中，电脑钥匙给出操作提示，运行人员应按照电脑钥匙的提示逐步进行正确操作。若运行人员的实际操作与电脑钥匙的提示不符，则电脑钥匙将发出报警并强制闭锁，从而有效避免误操作事故的发生。

1 电脑钥匙工作流程
       电脑钥匙的数据传输流程如图l所示。

在工控主机内，预先存储了所有没备的操作规则。工控主机通过红外线通信口将正确的操作内容输入电脑钥匙，运行人员用电脑钥匙就可到现场进行操作。操作时，在电脑钥匙的显示屏上将顺序显示正确的操作内容，并通过光电采码头检测操作对象足否正确。若正确，则开放闭锁电路打开机械编码锁，允许对刀闸或断路器进行操作。当一项操作结束后，电脑钥匙会自动显示下一项操作内容；若走错间隔操作，则不能开锁，电脑钥匙发出报警声以提醒操作人员，并给出操作提示。操作全部结束后．应将电脑钥匙放回工控主机前的通信充电座，执行回传操作，实现现场状态与后台操作票管理系统开关对位。二者相符，说明操作完成，工控主机记忆现场没备状态，完成对位，准备下次操作。

2 电脑钥匙的工作原理与实现
       图2为电脑钥匙的硬件系统框图。

硬件系统电路包含以下几部分：开关电路、I/O口扩展控制电路、验电、采码、电源监视、语音及红外光电传感器等电路。
2.1 开关电路的实现
       图3为开关电路。

当开关确认键KO未按下时，继电器TQ2-L2(双触点)的7、8端相连，3、4端相连。晶体管V1(PNP)的基极通过R1下拉电阻接地，电阻Rl无电流通过，基极相当于直接接地，为低电位。当开关确认键KO按下时，Kon2为高电位，R1两端具有电位差生成电流，基极变为高电位，晶体管PNP开始工作 (相当于IC为IB控制的电流源)，E极与C极导通，7、8端接地。线圈6(GND)-10(VIN+)端具有电位差而吸合，7、8跳开，8、9吸合； 3、4跳开，2、3吸合。整个过程的目的就是输出端2与3连接电池正极，从而向低电压线性稳压器MAXl818输出电池正电压。
       线圈5-l的5端R3_SET平时为高电位；置0时，线圈5-l两端有电位差，使得7、8端相连，3、4端相连，从而达到关机的目的。
2.2 I／O口扩展控制电路的实现
       图4为I／O口扩展控制电路。因为此电路外设电路模块数量较多，且都是具有新型的串行外围接口的器件，要求单片机具有相应的串行口实现功能，所以采用模拟传送技术，用单片机的通用I/O口来模拟串行接口，实现对外围器件的读／写／片选／时序的控制．就能使目前具有串行接口的外围器件应用在单片机系统中。这种模拟传送方式消除了串行扩展的局限性，扩大了各类串行扩展接口器件的应用范围。
       单片机经P2.5口与2个具有8位移位寄存器、输出锁存的68595和74HC595A芯片构成一个16位的串行输入并行输出的移位寄存器，具有高阻关断状态的I／O口扩展控制电路。
       控制数据从MCU的P2．5口输出传入68595的SERIN口，再由SER OUT口把高8位传入SERIAL口，使得68595内存中有控制数据的低8位，74HC595A内存中有控制数据的高8位。68595由DMOS驱动， 74HC595A由CMOS驱动，所以不需要外接驱动即可直接驱动，并且其输出锁存、移位时不会影响输出。
       68595驱动能力强，可控制大功率的器件，如开关TQ2-L2等。74HC595A驱动能力弱，可控制功耗小的芯片，如时钟电路的片选、Flash ROM的片选和硬件写保护及液晶电路的背光控制。
2．3 验电功能的实现
       图5所示为验电检测电路。

当电脑钥匙嵌入到工作回路现场时，现场的回路有正反两种可能，所以在AA端并入两条各由3个大小相同、方向相反的整流二极管支路。每个二极管的压降为O． 7 V，3个形成2．1 V的压降。电流整流后变为直流。PS2505_1为光电耦合器，无电流时，3-4端断路，4端通过上拉电阻R1与图7中VTEST相连，为高电位。当有电流时，发光二极管发光，受光管(光敏三极管)受光导通，由4端检测得到电信号而变为低电平，然后由连接电路传送信号到单片机检测端口上。
       利用光电耦合器的开关特性可实现具有共模抑制的串行接口功能，达到隔离输入数据和系统电平的目的。利用光电耦合器的线性组合，可直接对模拟信号进行抗共模传送。由于光电耦合器的线性耦合区一般只能在某一个特定的范围内，因此应保证被测信号的变化范围始终在此线性区域内。不过，光电耦合器“线性区”实际上仍有非线性失真，故应适当采取非线性校正措施，否则将产生较大的误差。
2.4 采码功能的实现
       图6所示为采码电路。

DS9092R信息钮扣iButton(information Button)进行现场数据采集，然后由DS9503采码隔离处理信号，经INDATA信号线传入单片机可编程I／O口P1．0。
       在采码电路中，静电容易在测试设备上积累高达4000V的电压且放电不宜察觉，但当芯片受到商能静电放电时可能会导致永久性破坏。因此，采用适当的ESI (静电放电灵敏器件)保护电路，以防止芯片性能降低和功能损失。这里选用DS9503，以保护DS9092R采集数据进行采码隔离。
2．5 电源监视功能的实现
       图7所示为电源监视电路。

MAX708是一种用于电源故障或低电池告警的电压监视器。电源故障输入端PFI接电池的正极，串R1与R2接地的支路的中间，取其电位差值；电源故障输出端PFO接单片机的P3．4(TO)口。当PFI端低于1．25V时，电源故障输出端PFO输出下降，不用时，连接PFI到地或VCC；当PFI端高于 1．25V时，电源故障输出端PFO降低并吸收电流，否则PFO端保持高电位。
       其芯片有两个高低复位输出端——RESET低电平有效复位输出和RESET高电平有效复位输出，分别连接单片机(MCU)与外部存储器(Flash RAM)的高低复位端。当电源故障或低电池告警时，可以分别同时重启这两个芯片。
2．6 语音功能的实现
       语音芯片(ISD4002)的片选、时钟和数据传输都由单片机控制。单片机控制要播放内容的每一段地址来实现语音播放。语音芯片每播出一段音乐，其中断 INT端口便会给单片机传送信息，单片机会根据相应的程序来确定现时的语音内容地址。闲时INT端通过上拉电阻与电源相连为高电平、高阻态，其工作时有电流通过，为低电平。其语音输出由AUDIO OUT端输出到功放LM4862。
2.7 红外光电传感器功能的实现
       图8为红外光电传感电路。

红外光电传感电路由发光二极管、接收三极管、电源、限流电阻和上拉电阻组成。
       无线红外信号输入时，发光二极管断开，接收三极管的RXD端为高电平；当发光二极管接收到红外信号时，发光二极管发光，接收三极管的RXD端由高电平变为低电平，实现信号检测。
       平时电脑钥匙放在充电座(充电座通过数据线与工控主机相连)上，通过充电座上相应的一对红外光电隔离，接收工控主机传送的操作票信息；工作时取出电脑钥匙到现场锁具开锁，解除机械锁与电编码锁。最后放回充电座通过红外光电传感器与工控主机反馈现场信息。
       充电通信板实现给电池充电和通信信号的光电转换功能。

结语
       该电脑钥匙外围电路设计上采用了单片机作为主机，使该设备所需片外模块较少，减小了体积，降低了成本，增强了系统抗干扰能力，可靠性高，满足了电力系统运行对防误闭锁装置中电脑钥匙安全性要求。已经在实际的系统中投入运行，效果良好。

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