吳慶勝

(烏魯木齊鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊 830026)

1 簡(jiǎn)介

微滴灌系統(tǒng)是有效利用水資源的重要措施。微灌系統(tǒng)通過(guò)灌水器(微噴頭或滴頭)來(lái)調(diào)節(jié)流量，由于灌水器的流道直徑均很小，極易被灌溉水中的雜質(zhì)堵塞，灌水器一旦堵塞，會(huì)引起配水不均、系統(tǒng)性能下降，甚至造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，這樣就不得不耗費(fèi)大量人力和財(cái)力來(lái)排除堵塞或重建系統(tǒng)。為防止灌水器堵塞，在微灌系統(tǒng)中的末級(jí)，一般均需配置反沖洗裝置。

根據(jù)塔里木生態(tài)工程項(xiàng)目的需要，為用戶(hù)設(shè)計(jì)了一種超低功耗的滴灌反沖洗控制器。該系統(tǒng)以2節(jié)9V鎳鎘電池(單節(jié)電池容量要求 ＞350 mAh)供電，待機(jī)電流 ＜35 μA，瞬時(shí)放電電流 ＞1 A，可連續(xù)驅(qū)動(dòng)BERMAD S-202-3/6-40V/6 Ω脈沖式電磁閥動(dòng)作25 000次以上(在1年輪灌期內(nèi)無(wú)需更換電池)，圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 滴灌反沖洗控制器結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)作為一種便攜式儀表，中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、人機(jī)交互單元(顯示電路、鍵盤(pán))等均必不可少，特別是脈沖式電磁閥的換相控制，如采用常規(guī)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足用戶(hù)要求的12個(gè)電磁閥控制，系統(tǒng)的功耗至少為幾十 mA，以平均功耗25 mA計(jì)，系統(tǒng)工作300d，則年電池容量需求不小于200 Ah，如此無(wú)論采用太陽(yáng)能供電或單體電池供電，供電單元的體積和成本均無(wú)法被用戶(hù)接受。因此如何合理地選擇元件和確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，最大限度地降低系統(tǒng)功耗，提高電源管理效率，延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段主要有三種:一是降低工作電壓，二是采用低功耗元件，三是降低時(shí)鐘頻率。實(shí)踐證明，上述措施在降低系統(tǒng)功耗方面具有顯著的效果，但系統(tǒng)的整機(jī)功耗仍在mA級(jí)，如想更進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，則必須有新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，限于篇幅，本文對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)中涉及的單片機(jī)休眠管理、低功耗器件選擇、OLED液晶顯示電路、時(shí)鐘電路、看門(mén)狗和復(fù)位電路、延遲電路等內(nèi)容不予說(shuō)明，僅對(duì)其中事件觸發(fā)電路、電源管理電路、脈沖電磁閥換相電路進(jìn)行解析，說(shuō)明微功耗設(shè)計(jì)在上述部分的具體實(shí)現(xiàn)方式。

2 事件觸發(fā)電路

本系統(tǒng)需要響應(yīng)的主要事件有鍵盤(pán)、壓差開(kāi)關(guān)、時(shí)鐘定時(shí)中斷、手動(dòng)復(fù)位等，由于本設(shè)計(jì)中其它事件的處理方式與鍵盤(pán)事件基本一致，因此本節(jié)重點(diǎn)對(duì)鍵盤(pán)事件的設(shè)計(jì)予以闡述。

傳統(tǒng)的鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)主要有兩種:一是通過(guò)系統(tǒng)主控制器定時(shí)掃描鍵盤(pán)，從而獲取鍵盤(pán)信息;二是通過(guò)專(zhuān)用鍵盤(pán)管理芯片實(shí)時(shí)掃描鍵盤(pán)，獲取鍵盤(pán)信息后通過(guò)中斷方式通知系統(tǒng)主控制器。第一種方案需要主控制器一直處于工作狀態(tài)，不僅降低了主控制器的工作效率，同時(shí)大大增加了系統(tǒng)的功耗;第二種方案是通過(guò)專(zhuān)用芯片掃描鍵盤(pán)，雖然提高了主控制器的工作效率，但功耗并沒(méi)有降低，因此上述兩種方法在超低功耗設(shè)計(jì)中均不適用。

圖2為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的事件觸發(fā)電路原理圖。由于人機(jī)交互僅需上下左右、確認(rèn)、放棄等按鍵，因此采用具有清除功能的D觸發(fā)器組成具有事件記憶功能的鍵盤(pán)電路。

如任意按鍵(或壓差開(kāi)關(guān)、時(shí)鐘定時(shí))有效，延時(shí)電路(由74HC123組成)被觸發(fā)，產(chǎn)生110 ms的激活脈沖，激活電源或恢復(fù)延遲關(guān)機(jī)時(shí)間。

系統(tǒng)首次上電(或工作后產(chǎn)生事件中斷、休眠模式下被事件中斷喚醒)，則通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)讀取D觸發(fā)器的輸出狀態(tài)，確定事件類(lèi)型并響應(yīng)。

系統(tǒng)在事件處理完畢后10 s內(nèi)無(wú)新事件觸發(fā)，則主控制器自主關(guān)閉液晶電路電源，并將自身轉(zhuǎn)入休眠模式。

系統(tǒng)轉(zhuǎn)入休眠模式后10 min內(nèi)無(wú)新事件觸發(fā)，則電源管理電路切斷主控制器電源，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式(此時(shí)整機(jī)功耗小于35 μA)。

3 電源管理電路

本系統(tǒng)的電源管理電路的原理圖如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)、事件觸發(fā)自動(dòng)開(kāi)機(jī)、事件觸發(fā)延遲關(guān)機(jī)、設(shè)定間隔內(nèi)無(wú)事件觸發(fā)自動(dòng)關(guān)機(jī)、主系統(tǒng)電源、受主控制器控制的液晶電路電源(+3V和+12V)等。

本電路的核心是美國(guó)TI公司最新推出的微功耗運(yùn)算放大器TLV2241，該芯片輸入阻抗較大(300 MΩ)、靜態(tài)功耗很小(＜1 μA)，特別是由于其偏置電流僅為25 pA，因此在本電路中構(gòu)成參考電壓的分壓電阻可以取值很大。

3.1 手動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)

手動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)主要由圖3中的雙刀雙擲開(kāi)關(guān)SW1、運(yùn)放TLV2241(U1)、電容C1、電阻R1、R2、R3組成。

手動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，電池通過(guò)SW1的常閉端給放電電容C1充電，此時(shí)+9V未被接通，所有電路均無(wú)電，因此功耗為零。

手動(dòng)開(kāi)機(jī)狀態(tài)時(shí)，SW1閉合，此時(shí)本電路實(shí)現(xiàn)四個(gè)功能:

圖2 事件觸發(fā)電路原理圖

(1)+9V有效，通過(guò) SW1的常開(kāi)端給運(yùn)放U1(TLV2241)、分壓電阻 R2、R3供電，由于 Vc+大于參考電壓 Vr1，U1輸出高電平，U4_2 (CEM4936，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管)導(dǎo)通，系統(tǒng)地(GND)與供電地(VSS)等電勢(shì)。

圖3 電源管理電路

(2)+9V有效，U8(超低功耗穩(wěn)壓器S-81230SGY，最大輸入電壓18V，輸出電流100 mA，功耗2.5 μA)工作，形成系統(tǒng)主電源VCC(+3 V)。

(3)+9V有效，U9(S-81230SGY)工作，形成主控制器電源Vmpu(+3V)。

(4)放電電容 C1通過(guò)電阻 R1放電，關(guān)機(jī)延遲時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)。

3.2 延遲自動(dòng)關(guān)機(jī)(1)

手動(dòng)開(kāi)機(jī)后，電容C1經(jīng)R1放電，當(dāng)電容端電壓Vc+小于參考電壓 Vr1時(shí)，U1輸出為低電平，U4_2截止，系統(tǒng)地(GND)與供電地(VSS)之間開(kāi)路，主控制器和液晶電路電源被關(guān)閉。圖3電路的關(guān)機(jī)延遲時(shí)間計(jì)算方法如下:

設(shè)供電電壓為E:

放電電容電壓為Vc(t)，其中t為放電時(shí)間;

參考電壓為Vr1;

在本電路中，

由于Vc(t)=Vr1時(shí)，關(guān)機(jī)時(shí)間到，因此可得下式:

公式(4)中的t單位為s，R1的單位為Ω，C1的單位為F，本電路中R1=10 MΩ，C1=33 μF，則關(guān)機(jī)延遲時(shí)間t=573 s，約為10 min。

3.3 事件觸發(fā)開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)延遲

手動(dòng)開(kāi)機(jī)狀態(tài)下當(dāng)按鍵或壓差開(kāi)關(guān)、時(shí)鐘定時(shí)等事件產(chǎn)生時(shí)，將觸發(fā)延遲電路形成一個(gè)110 ms的高脈沖(ActPulse信號(hào))，ActPulse信號(hào)使U7 _1(CEM4936)導(dǎo)通，U7_1的 Vds=VSS，進(jìn)而使U6_1(CEM4953，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管)導(dǎo)通，+9V電壓瞬間完成C1充電，使主電源VCC重新得電或使定時(shí)時(shí)間重新恢復(fù)到設(shè)定值。

3.4 液晶電路電源

該電源包括+3V(圖3中的OLED_3V)和+ 12V(圖3中的 OLED_12V)兩種電源，當(dāng)主控制器的液晶電源使能信號(hào)OLEDCK有效(高電平)時(shí)，U4_2導(dǎo)通，進(jìn)而使U3_1和U3_2(CEM4953)導(dǎo)通，使OLED_3V=VCC，同時(shí)+9V為升壓器件MAX761提供輸入電源，進(jìn)而獲得OLED所需的+12V。

4 脈沖電磁閥的電源換相電路

BERMAD S-202-3/6-40V/6 Ω是一種三位兩線(xiàn)制脈沖電磁閥，供電電壓范圍為6～40 V，激勵(lì)脈沖寬度20～100 ms。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，該脈沖電磁閥的換相電路一般采用繼電器構(gòu)建，但由于繼電器的維持電流至少要在10 mA以上，而本系統(tǒng)要驅(qū)動(dòng)12個(gè)電磁閥，因此其功耗是本設(shè)計(jì)不能接受的，為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的兩線(xiàn)制脈沖電磁閥換相電路，其原理圖如圖4所示。

圖4電路以控制兩路脈沖式電磁閥為例，圖中LV1和LV2分別接電磁閥的控制端A，電磁閥的控制端 B均接 VDD。本電路巧妙利用電容C11的充放電控制電磁閥換相，圖中CS1、CS2信號(hào)控制C11的充電，CK1、CK2信號(hào)控制C11的放電，上述4個(gè)信號(hào)均源自主控制器，具體工作原理如下:

4.1 開(kāi)機(jī)初始狀態(tài)

圖3中SW1處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)時(shí)，+9V有效，并對(duì)電容C10和C11充電，由于C10遠(yuǎn)小于C11，因此完成充電時(shí)，VDD≈0V，此時(shí) CS1、CS2、CK1、CK2均為低電平，U10、U11、U12均截止，C11上不僅電荷為零，而且也沒(méi)有沖放電回路，電磁閥不工作。

4.2 主控制器工作狀態(tài)

當(dāng)主控制器得電工作時(shí)，控制CS1信號(hào)為高電平，U10_1導(dǎo)通，進(jìn)而使U11_1導(dǎo)通，+9V通過(guò)電磁閥LV1回路對(duì)C11充電100 ms，C11充電結(jié)束時(shí)，VDD=+9V，電磁閥受正向脈沖激勵(lì)，相位切換(設(shè)此時(shí)PE相導(dǎo)通，CE相截止)。

100 ms后，主控制器控制 CS1信號(hào)為低電平，U10_1和 U11_1均截止，C11失去沖放電回路，VDD=+9V。

定時(shí)時(shí)間到，控制CK1信號(hào)為高電平，U12_1導(dǎo)通，電容C11通過(guò)電磁閥LV1回路放電，電磁閥受負(fù)向脈沖激勵(lì)，相位切換(此時(shí) PC相導(dǎo)通，PE相截止)。

100 ms后，主控制器控制 CS1信號(hào)為低電平，U12_1截止，C11失去沖放電回路，VDD=0V。

4.3 主控制器失電狀態(tài)

主控制器失電時(shí)，CS1、CS2、CK1、CK2均無(wú)效，電阻R12、R13、R14、R15將上述4個(gè)信號(hào)強(qiáng)制為VSS，U10、U11、U12均截止，電磁閥維持狀態(tài)不變。

圖4 三位兩線(xiàn)制脈沖電磁閥換相電路

本電路采用的場(chǎng)效應(yīng)管 CEM4953和CEM4936，靜態(tài)功耗小于1 μA，最小通流量為4.5 A，因此在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際上，降低一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備功耗，不僅需要合理地選擇設(shè)計(jì)方案，最大限度地提高電源管理效率，而且還需要相應(yīng)軟件的精心編制，限于篇幅，本文僅從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了較為細(xì)致的闡述。

本系統(tǒng)的整機(jī)功耗待機(jī)狀態(tài)下小于35 μA，采用2節(jié)9 V電池鎳鎘電池工作，在電池容量降至6.8 V時(shí)，仍能保證系統(tǒng)可靠工作。

［1］ 沙占友.新型數(shù)字萬(wàn)用表原理與維修［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1994.277－278.