远程电源监控系统在自动气象观测系统中的开发设计与应用

王博

（中国民用航空西北地区空中交通管理局宁夏分局，宁夏 银川 750009）

自动气象观测系统（简称自观系统）是民航气象部门的主用气象探测设备，自观系统24小时不间断地运行是获得气象要素的重要手段[1]。但是自观系统外场探测器数量众多，且外场探测器位于下滑台内，距离值班室较远。当自观系统出现故障时，值班人员很难在值班室判断故障点，需要赶至下滑台才可判断。尤其是停电故障会导致自观系统外场探测器停止工作，虽然外场探测器均配备了UPS电源，但是值班人员无法得知是否启用UPS电池供电。只有当UPS电池电量耗尽，自观系统停止工作时，值班人员才能采取应急措施，这无疑给飞行安全带来重大隐患。

基于上述情况，为减轻值班人员工作压力，及时发现供电异常导致自观系统故障，文中开发设计了远程电源监控系统（简称监控系统）。

1 监控系统设计原理

当下滑台断电时，监控系统将监测到的电源供给状况以短信形式发送至预设在监控系统中的手机号码上，值班人员如此便可在第一时间得知下滑台供电状况。

该监控系统由两部分组成：硬件部分和软件部分。硬件部分包括：主控制模块、电源监测模块、电源供给模块、GSM模块。软件部分包括：主控制程序、报警短信程序。

2 硬件设计

监控系统硬件组成结构如图1所示。

图1 监控系统硬件组成结构图

2.1 主控制模块的设计

主控制模块负责接收、处理各模块的采集信号，向GSM模块发送指令。基于以上需求，选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控制模块。AT89S51是一款低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，内含一个4 kBytes的程序存储器，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级，两个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路及片内时钟振荡器[2]。

AT89S51单片机实时扫描P1.0端口、P1.1端口的输入信号。电源监测模块1监测市电电源供给，对应P1.0端口；电源监测模块2监测UPS电源供给，对应P1.1端口。当市电电源、UPS电源正常时，P1.0端口、P1.1端口均接收到高电平信号，主控制模块判定电源供给正常。当市电电源或UPS电源异常时，P1.0端口或P1.1端口接收到低电平信号，主控制模块判定电源供给异常，并向GSM模块发送AT指令。主控制模块及外围电路原理图如图2所示。

图2 主控制模块及外围电路原理图

2.2 电源监测模块的设计

电源监测模块用以监测下滑台的市电电源和UPS电源供电状况。两个电源监测模块的输入端分别接入下滑台的市电AC 220V的电力电源和UPS的电源上，输出端分别接入AT89S51单片机的P1.0端口、P1.1端口[3]。

图3为电源监测模块电路图[4]：首先通过T1对交流电进行隔离变压，然后对变压后的13 V电压进行全波整流，并送至三端稳压器78H05。78H05的输出 电 平 为 +5 V[5]。 C1、C2、C3是 滤 波 电 容 ，可 以 为AT89S51提供稳定度更好的直流信号，R1、R4起到输出电平调整器的作用。电源监测模块输出端（port）输出高电平（+5 V）时表示电源供给正常；输出低电平（0 V）时表示电源供给异常。

图3 电源监测模块电路图

2.3 电源供给模块的设计

由于下滑台的市电电源、UPS电源可能同时异常，所以设计了独立的电源供给模块给整个监控系统供电，该电源是一个可以稳定输出±5 V的稳压电源，它由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。

2.3.1 电源变压器

电源变压器是一种转换交流电压和电流阻抗的装置[6]。它的作用[7]是将220 V 50 Hz的市电（交流电）电压U1转变为交流电压U2，两侧功率的比值η[8]为：

2.3.2 整流电路的设计

将交流电压转换为脉动且单向的直流电压时需要利用整流电路，整流电路种类繁多，最常使用的是单相桥式整流电路[9]，它的结构如图4所示，主要利用二极管的单向导电性起到开关的作用。

图4 单相桥式整流电路结构图

单个二极管D承受的最大反向电压[10]为：

通过每个二极管D的平均电流[11]为：

式（2）、（3）中，R是负载电阻，其中放电时间常数RC应满足以下条件[12]：

式（4）中，T是交流电压的周期。

2.3.3 滤波电路的设计

滤波电路的作用是平滑整流的单脉冲电压并减少脉冲数量[13]。在低功耗电路中通常使用低通滤波器作为滤波电路，低通滤波器通常使用电容和电感的储能效应来保持电路的直流部分，如图5所示。

图5 滤波和分压电路

2.3.4 稳压电路的设计

稳压电路采取CW78XX三端集成稳压器设计。其中，CW78XX系列稳压器为三端输出正稳压器[14]，文中选用的CW7805三端集成稳压器的输出电压为+5 V。

2.4 GSM模块的选用

GSM模块用于接收主控制模块的AT指令，向预设手机号码发送告警短信。基于以上需求，选用TC35i模块作为该设计的GSM模块。TC35i模块支持Text和PDU格式的中文短信，工作频段是EGS M900、GSM1800双频段，电压范围是 DC3.3～4.8 V，发射信号时峰值电流为2 A，可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复[15]。

3 软件设计

3.1 主控制程序的设计

监控系统开机后，AT89S51单片机、GSM模块初始化，各模块初始化结束后，监控系统开始对市电电源、UPS电源进行监控。当市电电压或UPS电源电压异常时，主控制模块将报警指令发送给GSM模块，由GSM模块发送报警短信至预设手机号码，提示值班人员下滑台电源异常，应尽快抢修。主控制程序框图见图6。

主控制程序的部分原代码如下：

ORG 0000H

图6 主控制程序框图

3.2 报警短信程序的设计

TC35i模块支持GSM07.05规定的AT指令集。TA89S51通过串行接口向TC35i模块发送AT指令，就可控制TC35i模块收发短信[16]。用AT89S51控制TC35i模块通信所需要的AT指令[17]如表1所示。

当TC35i模块接收到主控制模块发送的AT指令后，通过GSM网络向预设手机号码（可预设多个手机号码）发送预设报警短信“××下滑台市电电源或UPS停电，请抢修。”

4 监控系统的实际应用

文中设计的监控系统结构简单，使用方便，将各模块组装在一个专程设计的盒子内（见图7），将要监测的自观系统的电源供给（包括市电电源、UPS电源）分别接入监控系统的电源检测接口，即可实现电源供给监测。

表1 AT指令

图7 监控系统装置结构图

5 结束语

远程电源监控系统可以同时监测市电电源和UPS电源的供给状况，当某一路电源异常时向预设手机号码发送预设报警短信，使值班人员及时获取电源变化状况，迅速抢修设备。

远程电源监控系统可广泛应用于需24小时不间断供电的各种设备，有效减少供电异常带来的损失和安全隐患，减轻各行各业设备维护人员的工作压力，为各种设备的正常运行增加了一道安全防线。