遠程電源監控系統在自動氣象觀測系統中的開發設計與應用

王博

（中國民用航空西北地區空中交通管理局寧夏分局，寧夏 銀川 750009）

自動氣象觀測系統（簡稱自觀系統）是民航氣象部門的主用氣象探測設備，自觀系統24小時不間斷地運行是獲得氣象要素的重要手段[1]。但是自觀系統外場探測器數量眾多，且外場探測器位于下滑臺內，距離值班室較遠。當自觀系統出現故障時，值班人員很難在值班室判斷故障點，需要趕至下滑臺才可判斷。尤其是停電故障會導致自觀系統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UPS電池電量耗盡，自觀系統停止工作時，值班人員才能采取應急措施，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，及時發現供電異常導致自觀系統故障，文中開發設計了遠程電源監控系統（簡稱監控系統）。

1 監控系統設計原理

當下滑臺斷電時，監控系統將監測到的電源供給狀況以短信形式發送至預設在監控系統中的手機號碼上，值班人員如此便可在第一時間得知下滑臺供電狀況。

該監控系統由兩部分組成：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 硬件設計

監控系統硬件組成結構如圖1所示。

圖1 監控系統硬件組成結構圖

2.1 主控制模塊的設計

主控制模塊負責接收、處理各模塊的采集信號，向GSM模塊發送指令。基于以上需求，選用ATMEL公司的AT89S51單片機作為主控制模塊。AT89S51是一款低功耗、高性能的CMOS 8位單片機，內含一個4 kBytes的程序存儲器，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先級，兩個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路及片內時鐘振蕩器[2]。

AT89S51單片機實時掃描P1.0端口、P1.1端口的輸入信號。電源監測模塊1監測市電電源供給，對應P1.0端口；電源監測模塊2監測UPS電源供給，對應P1.1端口。當市電電源、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 電源監測模塊的設計

電源監測模塊用以監測下滑臺的市電電源和UPS電源供電狀況。兩個電源監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單片機的P1.0端口、P1.1端口[3]。

圖3為電源監測模塊電路圖[4]：首先通過T1對交流電進行隔離變壓，然后對變壓后的13 V電壓進行全波整流，并送至三端穩壓器78H05。78H05的輸出 電 平 為 +5 V[5]。 C1、C2、C3是 濾 波 電 容 ，可 以 為AT89S51提供穩定度更好的直流信號，R1、R4起到輸出電平調整器的作用。電源監測模塊輸出端（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 電源監測模塊電路圖

2.3 電源供給模塊的設計

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

2.3.1 電源變壓器

電源變壓器是一種轉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轉變為交流電壓U2，兩側功率的比值η[8]為：

2.3.2 整流電路的設計

將交流電壓轉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]，它的結構如圖4所示，主要利用二極管的單向導電性起到開關的作用。

圖4 單相橋式整流電路結構圖

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是負載電阻，其中放電時間常數RC應滿足以下條件[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 穩壓電路的設計

穩壓電路采取CW78XX三端集成穩壓器設計。其中，CW78XX系列穩壓器為三端輸出正穩壓器[14]，文中選用的CW7805三端集成穩壓器的輸出電壓為+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，向預設手機號碼發送告警短信。基于以上需求，選用TC35i模塊作為該設計的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，發射信號時峰值電流為2 A，可通過AT命令或關斷信號實現重啟和故障恢復[15]。

3 軟件設計

3.1 主控制程序的設計

監控系統開機后，AT89S51單片機、GSM模塊初始化，各模塊初始化結束后，監控系統開始對市電電源、UPS電源進行監控。當市電電壓或UPS電源電壓異常時，主控制模塊將報警指令發送給GSM模塊，由GSM模塊發送報警短信至預設手機號碼，提示值班人員下滑臺電源異常，應盡快搶修。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 報警短信程序的設計

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

當TC35i模塊接收到主控制模塊發送的AT指令后，通過GSM網絡向預設手機號碼（可預設多個手機號碼）發送預設報警短信“××下滑臺市電電源或UPS停電，請搶修。”

4 監控系統的實際應用

文中設計的監控系統結構簡單，使用方便，將各模塊組裝在一個專程設計的盒子內（見圖7），將要監測的自觀系統的電源供給（包括市電電源、UPS電源）分別接入監控系統的電源檢測接口，即可實現電源供給監測。

表1 AT指令

圖7 監控系統裝置結構圖

5 結束語

遠程電源監控系統可以同時監測市電電源和UPS電源的供給狀況，當某一路電源異常時向預設手機號碼發送預設報警短信，使值班人員及時獲取電源變化狀況，迅速搶修設備。

遠程電源監控系統可廣泛應用于需24小時不間斷供電的各種設備，有效減少供電異常帶來的損失和安全隱患，減輕各行各業設備維護人員的工作壓力，為各種設備的正常運行增加了一道安全防線。