適于監(jiān)測用照度計(jì)的無線傳輸電路

秦大為 李克用 馮 醒

(1.鹽城師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，江蘇鹽城 224002;2.無錫市照明工程有限公司，江蘇無錫 214000;3.蘇州市城市照明管理處，江蘇蘇州 215000)

1 引言

隨著城市規(guī)模逐步擴(kuò)展和城市人口密度日益提高，如何實(shí)現(xiàn)對車站、商業(yè)廣場等車流量大、人流集聚的重點(diǎn)區(qū)域的光照度的變化情況的24小時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便及時(shí)地啟動相關(guān)區(qū)域路燈照明系統(tǒng)，對有效避免由于惡劣天氣等因素引起的光照度急劇變化所導(dǎo)致的交通事故和社會治安事件的發(fā)生顯得十分重要，其次根據(jù)上述區(qū)域的實(shí)際光照度的變化情況合理的控制路燈的開關(guān)時(shí)間也是節(jié)能環(huán)保的重要課題［1，2］。本照度計(jì)能夠24小時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控重點(diǎn)區(qū)域的光照度的變化情況并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)光照度急劇變化時(shí)能及時(shí)通知路燈管理管理部門開關(guān)路燈，進(jìn)而有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)路燈控制的不足。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是適合GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的所有地區(qū)，傳輸距離遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)性好［3～8］。

2 技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)特點(diǎn)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

(1)測量范圍:0 lx～1000 lx;

(2)精度范圍:±2.5%;

(3)RS－232傳輸速率:9600bps;

(4)工作電壓: ±5V;

(5)工作環(huán)境: －20℃～75℃。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，傳輸距離遠(yuǎn)，適用范圍廣;

(2)采用單片機(jī)控制，模塊化、小型化，性價(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定;

(3)系統(tǒng)可擴(kuò)展性和可維護(hù)性好，便于升級和檢修。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括信號采集電路、信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、串口通信電路、液晶顯示電路、數(shù)據(jù)發(fā)送電路、矩陣鍵盤電路、CPU控制電路以及電源電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

照度傳感器的輸出的模擬信號經(jīng)過運(yùn)算放大器放大，由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換器把輸出的數(shù)字信號送給單片機(jī)處理，單片機(jī)通過軟件程序判斷照度是否過高或過低，并通過GSM模塊通知路燈管理處進(jìn)行熄燈或開燈，與此同時(shí)，實(shí)時(shí)照度會顯示在液晶顯示器上。

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 光信號放大電路

一個(gè)線性度好、穩(wěn)定度高的信號放大電路對于整個(gè)測試系統(tǒng)是至關(guān)重要的。它直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測量精度，靈敏度、穩(wěn)定性及系統(tǒng)的測試速度等指標(biāo)。

因?yàn)楣庑盘柾ǔＪ呛芪⑷醯?，轉(zhuǎn)換后的電信號也非常微弱，又因?yàn)楸尘霸肼?、元器件噪聲的影響，要做到精確測量有較大難度。因此，這就要求光信號放大器在所用光源的發(fā)射波長范圍內(nèi)具有高響應(yīng)度、小的附加噪聲、快的響應(yīng)速率且具有能處理所需要的數(shù)據(jù)率的足夠帶寬。

前級放大器選用美國BB公司生產(chǎn)的低噪聲精密運(yùn)算放大器OPA111，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，對微弱信號來講是個(gè)較理想的前級放大器，次級運(yùn)放為analog devices公司的OP07，該芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，具有低失調(diào)、高開環(huán)增益的特點(diǎn)，很適合弱信號放大。應(yīng)用電路如圖2所示，運(yùn)放輸出信號接到AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖2 光信號放大電路

3.1.2 通信模塊電路

TC35I模塊是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在GSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8V，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)電流消耗為3.5mA，空閑狀態(tài)時(shí)為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA左右;可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，功耗在GSM900和GSM1800頻段分別為2W和1W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3V/1.8V，TC35I的數(shù)據(jù)接口為CMOS電平，通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)。它支持Text和PDU格式的短消息，本設(shè)計(jì)采用的是PDU格式。

TC35I模塊有40個(gè)引腳，通過一個(gè)零阻力插座連接器引出，這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。TC35I的第1～5引腳是正電源輸入腳，通常推薦值為4.2V，第6～10引腳是電源，第11、12引腳為充電引腳，可以外接鋰電池，第13引腳對外輸出電壓共外電路使用，第14引腳為ACCU-TEMP接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于鋰電池充電保護(hù)控制。第15引腳是啟動腳IGT，系統(tǒng)加電后為使TC35I進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個(gè)大于100ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1ms。第16～23引腳為數(shù)據(jù)輸入/輸出，分別為 DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD，tc35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，它有固定的參數(shù):8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗(yàn)位，波特率在300bps～115kbps之間可選，默認(rèn)為9600，其中第18腳RxD0和第19腳TxD0為TTL的串口通訊腳，需要和單片機(jī)或者PC通訊。第24～29引腳為SIM卡引腳，SIM卡同TC35I是這樣連接的:SIM 上的 CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC 和CCGND通過SIM卡閱讀器與TC35I的同名端直接相連，ZIF連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。第30、31、32引腳為控制腳，其中30為RTC backup，31為Power down，32為SYNC。第35～38引腳為語音接口，第35、36引腳接揚(yáng)聲器。第37、38引腳可以接話筒來采集聲音。TC35I應(yīng)用電路如圖3所示。

3.1.3 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖3 通信模塊TC35I電路圖

圖4 系統(tǒng)原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序采用C語言編寫，系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主函數(shù)通過調(diào)用子函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各部分功能，根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和硬件電路功能將軟件程序大體分為六大塊:主函數(shù)、液晶顯示子函數(shù)、鍵盤掃描子函數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換子函數(shù)、數(shù)據(jù)處理子函數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送子函數(shù)。先總體設(shè)計(jì)，再進(jìn)行各功能模塊的設(shè)計(jì)，主流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

在一個(gè)程序中，主函數(shù)起著主導(dǎo)作用，主函數(shù)意味著建立一個(gè)獨(dú)立進(jìn)程，且該進(jìn)程成為了程序的入口，對其它各個(gè)子函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，主函數(shù)的作用主要包括上電之后初始化變量、中斷參數(shù)、定時(shí)器參數(shù)、顯示參數(shù)等，使系統(tǒng)處于準(zhǔn)備測試狀態(tài)，調(diào)用各個(gè)子函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，協(xié)調(diào)各個(gè)子函數(shù)之間的關(guān)系。

4 結(jié)束語

通過多個(gè)階段的軟件調(diào)試和硬件修改，本系統(tǒng)工作正常，經(jīng)采用標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)與之校正其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。在硬件設(shè)計(jì)初期，充分考慮了系統(tǒng)的成本和以后升級問題，在選材方面，盡量選用低價(jià)格且性能好的器件，在布線方面，為解決信號傳輸、電磁耦合及串?dāng)_問題，盡量擴(kuò)大線距、少走平行線、減少線長、不走環(huán)行線、重要信號線間采用平行地線進(jìn)行隔離等等;本系統(tǒng)留有了充分的擴(kuò)展空間供以后升級。

［1］郭志堅(jiān).城市道路照明設(shè)計(jì)淺談.中國科技信息，2009年1期.

［2］王士峰，趙馨，崔宇等.國產(chǎn)2CR型光電池工作特性及應(yīng)用.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2006，26(2):14～17.

［3］譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社，2008.

［4］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).清華大學(xué)出版社，2004.

［5］康華生等.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.高等教育出版社，2006.

［6］康華生等.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.高等教育出版社，2006.

［7］秦大為等.車載式道路照明檢測系統(tǒng).中國公共照明峰會交流論文，2009，9.

［8］柏業(yè)超.基于GSM模塊TC35的智能門控安防系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子測量技術(shù)，2008.