港口车载燃油供应控制器设计*

赵晓明

青岛港湾职业技术学院

1 引言

某港口的流动机械燃油供应控制以人工为主，通过加油车为现场的流动机械加油，人工记录车辆号码和加油数据。由于人为因素，导致实际加油数据和统计数据不符，存在加油随意性大、无法准确获取设备燃油消耗数据等问题，造成港口能源的浪费。故设计港口车载燃油供应控制器，负责车辆的燃油供应控制、接收手持终端的数据、计量和记录燃油供应数量并上传服务器、接收服务器数据并根据授权进行燃油供应、控制加油泵的运行。控制器运行的稳定、可靠是港口流动设备燃油供应智能控制系统可靠运行的保证[1]。

2 控制器结构

控制器主要由MCU、电源管理、按键输入电路、数据显示电路、蓝牙通信模组、4G数传通信电路、模拟量A/D转换、电机控制电路(中继模块)、手持终端等9部分组成(见图1)。

图1 控制器结构图

各组成部分的功能如下。

(1)MCU是整个控制器的核心。

(2)电源管理将车载电源36 V电压转换成5 V和3.3 V，为控制器提供稳定的电源。

(3)按键输入电路是控制器的人机输入部分，负责接收按键指令，进行参数设置、功能控制等。

(4)显示电路采用LED光柱和7段数码管来显示加油量、系统状态及各类参数设定等。

(5)蓝牙通信模组负责与配套的港口手持信息终端进行双向通信，获取设备的编号、接收港口手持信息终端的指令、进行加油泵的控制。

(6)4G数传通信电路用于和远程服务器进行通信，接收和发送相关数据。

(7)模拟量A/D转换用于获取加油泵4～20 mA信号，并计算加油数据。

(8)电机控制电路通过中间继电器模块来控制电机，从而实现加油泵的启停控制。

(9)手持终端采用安卓4.0智能系统，用于获取车辆信息并回传数据，具备蓝牙、4G功能。

3 硬件设计

3.1 MCU选型及设计

MCU即单片机，是整个控制器的核心。本控制器的MCU需具备低功耗、远程唤醒功能、高速A/D转换及多路串口通信功能，但对计算速度及存储要求不高。基于控制的功能需求，目前市场上的MCU可选择的面比较广。

3.2 电源管理设计

电源管理将车用36 V电压转换为控制器需要的5 V和3.3 V电压，可采用常规7805电压转换芯片来获得5 V电压，设计的电路图见图2。采用ASM117芯片获得3.3 V的电压，设计的电路图见图3。同时，为了提高电压的稳定性，可采用大容量电容来消除电压的波动。

图2 5 V转换电路

图3 3.3 V转化电路

3.3 按键输入电路设计

按键输入电路可采用专用按键显示芯片，也可采用矩阵接口电路。该控制器只需要3个按键，直接占用了MCU的3个I/O口作为按键输入口。按照8421码的组合连接MCU的P2口的0、1、2这3个I/O输入口，初始化时将其置为高阻输入口。在软件设计中，采用定时扫描的模式获得按键信号。为了提高按键输入的抗干扰能力，可采用硬件和软件相结合的消抖设计，具体电路见图4。

图4 按键输入电路

3.4 显示电路设计

显示电路采用4位7段数码管和4位10段条状LED光柱，其中7段数码管用来显示加油数据，条状LED光柱用来显示油罐内的燃油数量。常用数码管显示电路有静态显示和动态扫描显示，静态显示需占用大量MCU的I/O端口，增加MCU选型的成本[2]。为减少I/O口的占用，可采用动态扫描的模式驱动LED光柱和数码管，共占用16个I/O端口，其中8个端口通过2片74LS06六路高压输出反相缓冲器来驱动数码管的段，另外8个端口通过8个9013三极管驱动每位数码管(8段组成1位)，采用定时器定时扫描模式，扫描间隔为10 ms。

3.5 蓝牙通信与4G数传通信电路

蓝牙通信用于与手持信息终端进行数据传输，需要具有高稳定性、超低功耗的特性。为此，可采用工业级蓝牙通信串口模块HC-02。它基于蓝牙2.0版本研发，具有稳定性高，功耗低等优点[3]。用户无需考虑复杂的无线通信配置以及传输算法，只需通过TTL串口连接到设备即可。

在本控制器中，通过MCU的高速异步串口1和HC-02蓝牙串口模块连接。模块与供电系统为3.3 V的MCU连接时，串口要交叉连接，即模块的RX接MCU的TX、模块的TX接MCU的RX。

4G数传模块通过高速异步串口2和MCU连接，实现与远程服务器的数据交换。

3.6 加油量数据采集电路

控制器通过MCU的A/D转换端口运用I-V转换电路接收加油泵计量模拟量信号(4～20 mA)，加油泵计量器输出4～20 mA信号，通过I-V转换电路转换为0～5 V电压信号，MCU通过检测电压信号获取计量数据(见图5)。

图5 I-V转换电路

3.7 电机中继驱动电路设计

电机控制电路采用标准的I/O口下拉驱动三极管开关电路，间接驱动中间继电器[4]。由于继电器功率比较大，可采用ML8050三极管，同时继电器并联1个1N4007二极管(见图6)。

4 软件设计

控制器的软件设计包括主程序、显示子程序、按键扫描子程序、蓝牙通信子程序、电机运行控制子程序、4G数据传输子程序等。当系统上电后，单片机首先对其引脚进行初始化设置，对不同的I/O端口进行软设定，同时启动定时器。为了不影响数码管的显示，在程序中只设了一个定时器，定时时间为10 ms，用来进行数码管的动态显示、按键扫描、蓝牙设备通信扫描、数据上传等。系统主程序流程图见图7。

图6 电机中继驱动电路

图7 主程序流程图

5 燃油供应控制流程

通过移动扫描设备识别车辆信息，并将信息传输到车载燃油供应控制器中，车载燃油控制器通过无线数据网路从基地服务器中获取车辆的授权信息(是否允许加油、加油量等)。获得权限后开始对车辆进行加油，并同时计量加油数据，加油完毕后将车辆信息和加油数据通过无线数据网络传输到基地服务器中，同时通过港口流动机械燃油供应控制管理信息系统对数据进行统计分析。

6 结语

港口车载燃油供应控制器是港口流动设备燃油供应智能控制系统的控制核心，应用后其通信的稳定性、数据安全性、设备抗干扰性、功耗等方面都经受住了考验，满足设计要求。港口流动设备燃油供应智能控制系统投入使用后，实现了港口流动机械燃油消耗、供应的在线实时监控和管理，杜绝了管理上的漏洞，提升了管理水平，节约了油耗。以国内某大型港口(项目委托方)为调研蓝本，流动机械2017年共消耗燃油400万L，即使每年降低1%的燃油消耗，就可节省4万L燃油，年节约成本28万元。该项目方案成熟后若在国内某港口集团下属的10个装卸生产公司推广应用，年节约成本可达280万元以上，具有广泛的应用前景和可观的经济效益。