趙曉明

青島港灣職業(yè)技術學院

1 引言

某港口的流動機械燃油供應控制以人工為主，通過加油車為現(xiàn)場的流動機械加油，人工記錄車輛號碼和加油數(shù)據(jù)。由于人為因素，導致實際加油數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)不符，存在加油隨意性大、無法準確獲取設備燃油消耗數(shù)據(jù)等問題，造成港口能源的浪費。故設計港口車載燃油供應控制器，負責車輛的燃油供應控制、接收手持終端的數(shù)據(jù)、計量和記錄燃油供應數(shù)量并上傳服務器、接收服務器數(shù)據(jù)并根據(jù)授權進行燃油供應、控制加油泵的運行?？刂破鬟\行的穩(wěn)定、可靠是港口流動設備燃油供應智能控制系統(tǒng)可靠運行的保證[1]。

2 控制器結構

控制器主要由MCU、電源管理、按鍵輸入電路、數(shù)據(jù)顯示電路、藍牙通信模組、4G數(shù)傳通信電路、模擬量A/D轉(zhuǎn)換、電機控制電路(中繼模塊)、手持終端等9部分組成(見圖1)。

圖1 控制器結構圖

各組成部分的功能如下。

(1)MCU是整個控制器的核心。

(2)電源管理將車載電源36 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V和3.3 V，為控制器提供穩(wěn)定的電源。

(3)按鍵輸入電路是控制器的人機輸入部分，負責接收按鍵指令，進行參數(shù)設置、功能控制等。

(4)顯示電路采用LED光柱和7段數(shù)碼管來顯示加油量、系統(tǒng)狀態(tài)及各類參數(shù)設定等。

(5)藍牙通信模組負責與配套的港口手持信息終端進行雙向通信，獲取設備的編號、接收港口手持信息終端的指令、進行加油泵的控制。

(6)4G數(shù)傳通信電路用于和遠程服務器進行通信，接收和發(fā)送相關數(shù)據(jù)。

(7)模擬量A/D轉(zhuǎn)換用于獲取加油泵4～20 mA信號，并計算加油數(shù)據(jù)。

(8)電機控制電路通過中間繼電器模塊來控制電機，從而實現(xiàn)加油泵的啟?？刂啤?/p>

(9)手持終端采用安卓4.0智能系統(tǒng)，用于獲取車輛信息并回傳數(shù)據(jù)，具備藍牙、4G功能。

3 硬件設計

3.1 MCU選型及設計

MCU即單片機，是整個控制器的核心。本控制器的MCU需具備低功耗、遠程喚醒功能、高速A/D轉(zhuǎn)換及多路串口通信功能，但對計算速度及存儲要求不高?；诳刂频墓δ苄枨?，目前市場上的MCU可選擇的面比較廣。

3.2 電源管理設計

電源管理將車用36 V電壓轉(zhuǎn)換為控制器需要的5 V和3.3 V電壓，可采用常規(guī)7805電壓轉(zhuǎn)換芯片來獲得5 V電壓，設計的電路圖見圖2。采用ASM117芯片獲得3.3 V的電壓，設計的電路圖見圖3。同時，為了提高電壓的穩(wěn)定性，可采用大容量電容來消除電壓的波動。

圖2 5 V轉(zhuǎn)換電路

圖3 3.3 V轉(zhuǎn)化電路

3.3 按鍵輸入電路設計

按鍵輸入電路可采用專用按鍵顯示芯片，也可采用矩陣接口電路。該控制器只需要3個按鍵，直接占用了MCU的3個I/O口作為按鍵輸入口。按照8421碼的組合連接MCU的P2口的0、1、2這3個I/O輸入口，初始化時將其置為高阻輸入口。在軟件設計中，采用定時掃描的模式獲得按鍵信號。為了提高按鍵輸入的抗干擾能力，可采用硬件和軟件相結合的消抖設計，具體電路見圖4。

圖4 按鍵輸入電路

3.4 顯示電路設計

顯示電路采用4位7段數(shù)碼管和4位10段條狀LED光柱，其中7段數(shù)碼管用來顯示加油數(shù)據(jù)，條狀LED光柱用來顯示油罐內(nèi)的燃油數(shù)量。常用數(shù)碼管顯示電路有靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示，靜態(tài)顯示需占用大量MCU的I/O端口，增加MCU選型的成本[2]。為減少I/O口的占用，可采用動態(tài)掃描的模式驅(qū)動LED光柱和數(shù)碼管，共占用16個I/O端口，其中8個端口通過2片74LS06六路高壓輸出反相緩沖器來驅(qū)動數(shù)碼管的段，另外8個端口通過8個9013三極管驅(qū)動每位數(shù)碼管(8段組成1位)，采用定時器定時掃描模式，掃描間隔為10 ms。

3.5 藍牙通信與4G數(shù)傳通信電路

藍牙通信用于與手持信息終端進行數(shù)據(jù)傳輸，需要具有高穩(wěn)定性、超低功耗的特性。為此，可采用工業(yè)級藍牙通信串口模塊HC-02。它基于藍牙2.0版本研發(fā)，具有穩(wěn)定性高，功耗低等優(yōu)點[3]。用戶無需考慮復雜的無線通信配置以及傳輸算法，只需通過TTL串口連接到設備即可。

在本控制器中，通過MCU的高速異步串口1和HC-02藍牙串口模塊連接。模塊與供電系統(tǒng)為3.3 V的MCU連接時，串口要交叉連接，即模塊的RX接MCU的TX、模塊的TX接MCU的RX。

4G數(shù)傳模塊通過高速異步串口2和MCU連接，實現(xiàn)與遠程服務器的數(shù)據(jù)交換。

3.6 加油量數(shù)據(jù)采集電路

控制器通過MCU的A/D轉(zhuǎn)換端口運用I-V轉(zhuǎn)換電路接收加油泵計量模擬量信號(4～20 mA)，加油泵計量器輸出4～20 mA信號，通過I-V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號，MCU通過檢測電壓信號獲取計量數(shù)據(jù)(見圖5)。

圖5 I-V轉(zhuǎn)換電路

3.7 電機中繼驅(qū)動電路設計

電機控制電路采用標準的I/O口下拉驅(qū)動三極管開關電路，間接驅(qū)動中間繼電器[4]。由于繼電器功率比較大，可采用ML8050三極管，同時繼電器并聯(lián)1個1N4007二極管(見圖6)。

4 軟件設計

控制器的軟件設計包括主程序、顯示子程序、按鍵掃描子程序、藍牙通信子程序、電機運行控制子程序、4G數(shù)據(jù)傳輸子程序等。當系統(tǒng)上電后，單片機首先對其引腳進行初始化設置，對不同的I/O端口進行軟設定，同時啟動定時器。為了不影響數(shù)碼管的顯示，在程序中只設了一個定時器，定時時間為10 ms，用來進行數(shù)碼管的動態(tài)顯示、按鍵掃描、藍牙設備通信掃描、數(shù)據(jù)上傳等。系統(tǒng)主程序流程圖見圖7。

圖6 電機中繼驅(qū)動電路

圖7 主程序流程圖

5 燃油供應控制流程

通過移動掃描設備識別車輛信息，并將信息傳輸?shù)杰囕d燃油供應控制器中，車載燃油控制器通過無線數(shù)據(jù)網(wǎng)路從基地服務器中獲取車輛的授權信息(是否允許加油、加油量等)。獲得權限后開始對車輛進行加油，并同時計量加油數(shù)據(jù)，加油完畢后將車輛信息和加油數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)交胤掌髦?，同時通過港口流動機械燃油供應控制管理信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

6 結語

港口車載燃油供應控制器是港口流動設備燃油供應智能控制系統(tǒng)的控制核心，應用后其通信的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)安全性、設備抗干擾性、功耗等方面都經(jīng)受住了考驗，滿足設計要求。港口流動設備燃油供應智能控制系統(tǒng)投入使用后，實現(xiàn)了港口流動機械燃油消耗、供應的在線實時監(jiān)控和管理，杜絕了管理上的漏洞，提升了管理水平，節(jié)約了油耗。以國內(nèi)某大型港口(項目委托方)為調(diào)研藍本，流動機械2017年共消耗燃油400萬L，即使每年降低1%的燃油消耗，就可節(jié)省4萬L燃油，年節(jié)約成本28萬元。該項目方案成熟后若在國內(nèi)某港口集團下屬的10個裝卸生產(chǎn)公司推廣應用，年節(jié)約成本可達280萬元以上，具有廣泛的應用前景和可觀的經(jīng)濟效益。