港口車載燃油供應控制器設計*

趙曉明

青島港灣職業技術學院

1 引言

某港口的流動機械燃油供應控制以人工為主，通過加油車為現場的流動機械加油，人工記錄車輛號碼和加油數據。由于人為因素，導致實際加油數據和統計數據不符，存在加油隨意性大、無法準確獲取設備燃油消耗數據等問題，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、接收手持終端的數據、計量和記錄燃油供應數量并上傳服務器、接收服務器數據并根據授權進行燃油供應、控制加油泵的運行?？刂破鬟\行的穩定、可靠是港口流動設備燃油供應智能控制系統可靠運行的保證[1]。

2 控制器結構

控制器主要由MCU、電源管理、按鍵輸入電路、數據顯示電路、藍牙通信模組、4G數傳通信電路、模擬量A/D轉換、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電壓轉換成5 V和3.3 V，為控制器提供穩定的電源。

(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，進行參數設置、功能控制等。

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

(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數傳通信電路用于和遠程服務器進行通信，接收和發送相關數據。

(7)模擬量A/D轉換用于獲取加油泵4～20 mA信號，并計算加油數據。

(8)電機控制電路通過中間繼電器模塊來控制電機，從而實現加油泵的啟停控制。

(9)手持終端采用安卓4.0智能系統，用于獲取車輛信息并回傳數據，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轉換及多路串口通信功能，但對計算速度及存儲要求不高。基于控制的功能需求，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電壓轉換為控制器需要的5 V和3.3 V電壓，可采用常規7805電壓轉換芯片來獲得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，為了提高電壓的穩定性，可采用大容量電容來消除電壓的波動。

圖2 5 V轉換電路

圖3 3.3 V轉化電路

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段數碼管和4位10段條狀LED光柱，其中7段數碼管用來顯示加油數據，條狀LED光柱用來顯示油罐內的燃油數量。常用數碼管顯示電路有靜態顯示和動態掃描顯示，靜態顯示需占用大量MCU的I/O端口，增加MCU選型的成本[2]。為減少I/O口的占用，可采用動態掃描的模式驅動LED光柱和數碼管，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動數碼管的段，另外8個端口通過8個9013三極管驅動每位數碼管(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數傳通信電路

藍牙通信用于與手持信息終端進行數據傳輸，需要具有高穩定性、超低功耗的特性。為此，可采用工業級藍牙通信串口模塊HC-02。它基于藍牙2.0版本研發，具有穩定性高，功耗低等優點[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數傳模塊通過高速異步串口2和MCU連接，實現與遠程服務器的數據交換。

3.6 加油量數據采集電路

控制器通過MCU的A/D轉換端口運用I-V轉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轉換電路轉換為0～5 V電壓信號，MCU通過檢測電壓信號獲取計量數據(見圖5)。

圖5 I-V轉換電路

3.7 電機中繼驅動電路設計

電機控制電路采用標準的I/O口下拉驅動三極管開關電路，間接驅動中間繼電器[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數據傳輸子程序等。當系統上電后，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，用來進行數碼管的動態顯示、按鍵掃描、藍牙設備通信掃描、數據上傳等。系統主程序流程圖見圖7。

圖6 電機中繼驅動電路

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，并將信息傳輸到車載燃油供應控制器中，車載燃油控制器通過無線數據網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，并同時計量加油數據，加油完畢后將車輛信息和加油數據通過無線數據網絡傳輸到基地服務器中，同時通過港口流動機械燃油供應控制管理信息系統對數據進行統計分析。

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的控制核心，應用后其通信的穩定性、數據安全性、設備抗干擾性、功耗等方面都經受住了考驗，滿足設計要求。港口流動設備燃油供應智能控制系統投入使用后，實現了港口流動機械燃油消耗、供應的在線實時監控和管理，杜絕了管理上的漏洞，提升了管理水平，節約了油耗。以國內某大型港口(項目委托方)為調研藍本，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，就可節省4萬L燃油，年節約成本28萬元。該項目方案成熟后若在國內某港口集團下屬的10個裝卸生產公司推廣應用，年節約成本可達280萬元以上，具有廣泛的應用前景和可觀的經濟效益。