遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)在自動氣象觀測系統(tǒng)中的開發(fā)設(shè)計與應(yīng)用

王博

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局寧夏分局，寧夏 銀川 750009）

自動氣象觀測系統(tǒng)（簡稱自觀系統(tǒng)）是民航氣象部門的主用氣象探測設(shè)備，自觀系統(tǒng)24小時不間斷地運(yùn)行是獲得氣象要素的重要手段[1]。但是自觀系統(tǒng)外場探測器數(shù)量眾多，且外場探測器位于下滑臺內(nèi)，距離值班室較遠(yuǎn)。當(dāng)自觀系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，值班人員很難在值班室判斷故障點(diǎn)，需要趕至下滑臺才可判斷。尤其是停電故障會導(dǎo)致自觀系統(tǒng)外場探測器停止工作，雖然外場探測器均配備了UPS電源，但是值班人員無法得知是否啟用UPS電池供電。只有當(dāng)UPS電池電量耗盡，自觀系統(tǒng)停止工作時，值班人員才能采取應(yīng)急措施，這無疑給飛行安全帶來重大隱患。

基于上述情況，為減輕值班人員工作壓力，及時發(fā)現(xiàn)供電異常導(dǎo)致自觀系統(tǒng)故障，文中開發(fā)設(shè)計了遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱監(jiān)控系統(tǒng)）。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原理

當(dāng)下滑臺斷電時，監(jiān)控系統(tǒng)將監(jiān)測到的電源供給狀況以短信形式發(fā)送至預(yù)設(shè)在監(jiān)控系統(tǒng)中的手機(jī)號碼上，值班人員如此便可在第一時間得知下滑臺供電狀況。

該監(jiān)控系統(tǒng)由兩部分組成：硬件部分和軟件部分。硬件部分包括：主控制模塊、電源監(jiān)測模塊、電源供給模塊、GSM模塊。軟件部分包括：主控制程序、報警短信程序。

2 硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控制模塊的設(shè)計

主控制模塊負(fù)責(zé)接收、處理各模塊的采集信號，向GSM模塊發(fā)送指令?；谝陨闲枨?，選用ATMEL公司的AT89S51單片機(jī)作為主控制模塊。AT89S51是一款低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，內(nèi)含一個4 kBytes的程序存儲器，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級，兩個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路及片內(nèi)時鐘振蕩器[2]。

AT89S51單片機(jī)實時掃描P1.0端口、P1.1端口的輸入信號。電源監(jiān)測模塊1監(jiān)測市電電源供給，對應(yīng)P1.0端口；電源監(jiān)測模塊2監(jiān)測UPS電源供給，對應(yīng)P1.1端口。當(dāng)市電電源、UPS電源正常時，P1.0端口、P1.1端口均接收到高電平信號，主控制模塊判定電源供給正常。當(dāng)市電電源或UPS電源異常時，P1.0端口或P1.1端口接收到低電平信號，主控制模塊判定電源供給異常，并向GSM模塊發(fā)送AT指令。主控制模塊及外圍電路原理圖如圖2所示。

圖2 主控制模塊及外圍電路原理圖

2.2 電源監(jiān)測模塊的設(shè)計

電源監(jiān)測模塊用以監(jiān)測下滑臺的市電電源和UPS電源供電狀況。兩個電源監(jiān)測模塊的輸入端分別接入下滑臺的市電AC 220V的電力電源和UPS的電源上，輸出端分別接入AT89S51單片機(jī)的P1.0端口、P1.1端口[3]。

圖3為電源監(jiān)測模塊電路圖[4]：首先通過T1對交流電進(jìn)行隔離變壓，然后對變壓后的13 V電壓進(jìn)行全波整流，并送至三端穩(wěn)壓器78H05。78H05的輸出 電 平 為 +5 V[5]。 C1、C2、C3是 濾 波 電 容 ，可 以 為AT89S51提供穩(wěn)定度更好的直流信號，R1、R4起到輸出電平調(diào)整器的作用。電源監(jiān)測模塊輸出端（port）輸出高電平（+5 V）時表示電源供給正常；輸出低電平（0 V）時表示電源供給異常。

圖3 電源監(jiān)測模塊電路圖

2.3 電源供給模塊的設(shè)計

由于下滑臺的市電電源、UPS電源可能同時異常，所以設(shè)計了獨(dú)立的電源供給模塊給整個監(jiān)控系統(tǒng)供電，該電源是一個可以穩(wěn)定輸出±5 V的穩(wěn)壓電源，它由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。

2.3.1 電源變壓器

電源變壓器是一種轉(zhuǎn)換交流電壓和電流阻抗的裝置[6]。它的作用[7]是將220 V 50 Hz的市電（交流電）電壓U1轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷篣2，兩側(cè)功率的比值η[8]為：

2.3.2 整流電路的設(shè)計

將交流電壓轉(zhuǎn)換為脈動且單向的直流電壓時需要利用整流電路，整流電路種類繁多，最常使用的是單相橋式整流電路[9]，它的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要利用二極管的單向?qū)щ娦云鸬介_關(guān)的作用。

圖4 單相橋式整流電路結(jié)構(gòu)圖

單個二極管D承受的最大反向電壓[10]為：

通過每個二極管D的平均電流[11]為：

式（2）、（3）中，R是負(fù)載電阻，其中放電時間常數(shù)RC應(yīng)滿足以下條件[12]：

式（4）中，T是交流電壓的周期。

2.3.3 濾波電路的設(shè)計

濾波電路的作用是平滑整流的單脈沖電壓并減少脈沖數(shù)量[13]。在低功耗電路中通常使用低通濾波器作為濾波電路，低通濾波器通常使用電容和電感的儲能效應(yīng)來保持電路的直流部分，如圖5所示。

圖5 濾波和分壓電路

2.3.4 穩(wěn)壓電路的設(shè)計

穩(wěn)壓電路采取CW78XX三端集成穩(wěn)壓器設(shè)計。其中，CW78XX系列穩(wěn)壓器為三端輸出正穩(wěn)壓器[14]，文中選用的CW7805三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓為+5 V。

2.4 GSM模塊的選用

GSM模塊用于接收主控制模塊的AT指令，向預(yù)設(shè)手機(jī)號碼發(fā)送告警短信?；谝陨闲枨?，選用TC35i模塊作為該設(shè)計的GSM模塊。TC35i模塊支持Text和PDU格式的中文短信，工作頻段是EGS M900、GSM1800雙頻段，電壓范圍是 DC3.3～4.8 V，發(fā)射信號時峰值電流為2 A，可通過AT命令或關(guān)斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)[15]。

3 軟件設(shè)計

3.1 主控制程序的設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)開機(jī)后，AT89S51單片機(jī)、GSM模塊初始化，各模塊初始化結(jié)束后，監(jiān)控系統(tǒng)開始對市電電源、UPS電源進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)市電電壓或UPS電源電壓異常時，主控制模塊將報警指令發(fā)送給GSM模塊，由GSM模塊發(fā)送報警短信至預(yù)設(shè)手機(jī)號碼，提示值班人員下滑臺電源異常，應(yīng)盡快搶修。主控制程序框圖見圖6。

主控制程序的部分原代碼如下：

ORG 0000H

圖6 主控制程序框圖

3.2 報警短信程序的設(shè)計

TC35i模塊支持GSM07.05規(guī)定的AT指令集。TA89S51通過串行接口向TC35i模塊發(fā)送AT指令，就可控制TC35i模塊收發(fā)短信[16]。用AT89S51控制TC35i模塊通信所需要的AT指令[17]如表1所示。

當(dāng)TC35i模塊接收到主控制模塊發(fā)送的AT指令后，通過GSM網(wǎng)絡(luò)向預(yù)設(shè)手機(jī)號碼（可預(yù)設(shè)多個手機(jī)號碼）發(fā)送預(yù)設(shè)報警短信“××下滑臺市電電源或UPS停電，請搶修。”

4 監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用

文中設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，將各模塊組裝在一個專程設(shè)計的盒子內(nèi)（見圖7），將要監(jiān)測的自觀系統(tǒng)的電源供給（包括市電電源、UPS電源）分別接入監(jiān)控系統(tǒng)的電源檢測接口，即可實現(xiàn)電源供給監(jiān)測。

表1 AT指令

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)可以同時監(jiān)測市電電源和UPS電源的供給狀況，當(dāng)某一路電源異常時向預(yù)設(shè)手機(jī)號碼發(fā)送預(yù)設(shè)報警短信，使值班人員及時獲取電源變化狀況，迅速搶修設(shè)備。

遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于需24小時不間斷供電的各種設(shè)備，有效減少供電異常帶來的損失和安全隱患，減輕各行各業(yè)設(shè)備維護(hù)人員的工作壓力，為各種設(shè)備的正常運(yùn)行增加了一道安全防線。