西门子6ES7513-1FL02-0AB0
、引言
在健康监测系统中，报警模块是系统非常重要的模块之一。在传统的报警系统中，报警功能由专用仪器来实现。上位监控计算机和报警仪器并存于工作现场无疑造成了资源的浪费，本文正是基于此，设计了一种基于计算机声卡的报警装置。该装置简单可靠实用、成本低廉，完全能实现声光报警功能，是健康监测系统中一种性价比较高的装置。
1、设计目标
设计一个报警电路，该电路与计算机声卡相连，计算机声卡的输出信号为其输入信号。当计算机声卡有输出时，电路中的继电器线圈导通吸合，继电器的常开触点闭合，反之，其常开触点断开。将继电器的常开触点串入声光报警器的工作回路中，可以控制声光报警器的工作状态。电路的原理框图如图1所示。
2、声卡的输出信号
声卡的输出信号是极其微弱的信号，音箱的工作原理是将声卡的输出信号先经过功放进行放大，然后驱动扬声器来发声的。同理，要设计一个报警装置，首先要做的就是对信号进行放大。
声卡的输出信号与电脑播放的音频文件关系密切。当播放音乐和电影等文件时，声卡的输出为脉动成分很高的电平信号，用示波器观察的波形跳变激烈，其幅值电平大概在50mV～2V左右。为了保证电路中的固体继电器的正常工作，本电路中采用标准的正弦信号。考虑到音频文件的频率特性和放大电路的带宽等因素，利用Test Tone Generator软件产生一个频率为1K Hz，振幅为0.5V的正弦信号。如图2所示。
3、设计方案及Orcad PSpice模拟仿真[1]结果
对声卡输出信号的放大，有两种方案。种方案是用二极管、三极管、电阻、电容等元器件直接搭建；第二种方案利用集成运放搭建。
3.1 基于三极管等元器件的放大电路及仿真结果
基于三极管等元器件的放大电路[2] [3]如图3所示，其Pspice仿真结果如图4所示。
电路的工作原理为：输入信号通过三极管放大电路放大后，再经过整流和滤波，得到一个比较稳定的电平信号（见仿真图上的红色曲线）。理想情况下，该电平信号使三极管Q2饱和导通，继电器J（额定电压为12V）开始工作。事实上，由于受到电压等因素的限制，经整流和滤波后得到的电平信号上升时间过长，压降偏小（<4V），难以得到理想的效果。如果增加放大电路的级数，虽然可以提高压降，但是级数增加了，各级电路的工作点难以确定，这样就很难保证各个三极管正常工作。
于是，想到采用运放，这样很好地简化了电路。
3.2 基于运放的放大电路及仿真结果
基于运放的放大电路[4]如图5所示，其Pspice仿真结果如图6所示。
电路的工作原理同上，从它的仿真曲线来看，该电路能提供一个理想的偏置电压（接近10V），该电压能确保三极管和继电器正常工作。
所以在实际制作时采用了第二种方案。
4、结论
实践证明，采用运放搭建放大电路是成功的，在此基础上制作的声光报警装置工作正常，效果理想，能满足实际需求，并在桥梁健康监测系统中得到了应用。
1 引言
传统的大容量电热水器加热的时间比较长，如果热水器一直开着，则耗能耗电。定时开关控制器可有效解决这些问题，使电热水器使用起来更加舒适省电。这样电热水器不仅可以充分利用闲置的时间，避免用户使用时长时间等待，减少不必要保温，也可以更加节约电能，特别对低谷及高峰用电有差价地区，利用晚间低谷用电开机加热，白天用电高峰关机保温，能大量节约电费开支。本文中的定时控制器主要是以单片机AT89C2051作为核心控制元件，通过外围电路控制热水器的电源，以达到定时开关机的目的。
2 硬件组成及工作原理
本系统加电后即进入正常计时状态，用户可以随时进行校准时间动作以及设定热水器开关的时间，控制器将会在设定的开关时刻通过单片机的输出端口控制输出继电器动作，进而控制热水器的启闭。硬件原理图如图1所示。
图1 定时控制器硬件原理图
系统的核心为单片机AT89C2051，AT89C2051为20脚300MIL封装，带有2K FLASH E2PROM的单片机，除了少了两个并口外，兼容MCS-51系列单片机所有功能。具备体积小、功能强、运行速度快等特点。通过P3.7口连接一个键盘电路来实现人工对参数的自由设定。通过串口连接6位LED数码管，分别显示小时、分钟和秒。系统定时启动是通过P3.0口完成的。程序开始时这三个口的输出状态是低电平，892051通过程序查询P3.0口输出的ON或OFF状态预置时间是否已到，如果已到时间，则改变相应的输出状态，就完成了对外部电路的控制。
2.1 显示电路
主要由七段共阳显示译码器74LS47、3线-8线译码器74HC138、7个PNP型三极管 和六个数码管组成。通过89C2051的P1.4～P1.7口将要显示字符的BCD码输出到74LS47的四个输入端，译码后输出相应的笔段驱动LED数码管（共阳）。LED数码管显示采用动态扫描方式，即在某一时刻，只有一个数码管被点亮。数码管的位选信号由89C2051的P3.3～P3.5输出，经74HC138译码后通过三极管放大，驱动相应的数码管。
2.2 键盘电路
键盘电路跟显示电路一样，采用扫描方式，利用动态显示时的数码管驱动位置信号来判断相应按键的状态。单片机的P3.3～P3.5口输出的BCD码经译码器译码后，相应Y 口呈低电平，而89C2051的P3.7口平时为高电平（由于有上拉电阻），当某一键按下时，P3.7被下拉为低电平，这时单片机利用程序查询P3.7是否为低电平，如果P3.7为低电平，就读回单片机 P3.3～P3.5口的值（从缓冲区读取），就可判断是那个按键按下，然后调用相应的处理程序进行处理。
2.3 输出控制电路
单片机对控制的输出是通过P3.0～P3.2口完成的。程序开始时这三个口的输出状态是低电平，AT89C2051通过程序查询三路输出的ON或OFF状态预置时间是否已到，如果已到时间，则改变相应的输出状态，就完成了对外部电路的控制。
3 软件设计
3.1 主程序工作过程
首先循环进行六个数码管扫描显示（DISPLY段），然后比较所有预置时间（COMP段）是否与当前时间相等，如相等则转向相应处理程序。在比较完成（或处理完成）后判断有无按键（PP2段），没有则返回继续显示、比较、判断;有按键则转向相应处理程序。按键转移采用偏移量加表格跳转转移法（KEY 段），简单、明了。预置时间比较则采用逐一比较法，即对每一个预置值进行比较，如相等则做相应处理。具体比较时（COMP1段）先比较TH值，如不相等则直接转出并置“时间到”标志CCB为0，如TH、TM、TS全部对应相等，则置该标志为1，软件流程图如图2所示。
图2 软件程序工作流程图
3.2 秒脉冲发生器
秒脉冲发生器是由定时器T0和内存空间TT0配合完成的。T0工作于16位计数器模式，当T0向上计数由全1变为全0时产生中断，本程序中T0的初值为0DC00H，大约0.01s中断一次。这里使用的晶振频率为11.0592MHz，由此可计算出日误差约为0.78s。工作过程:如图2流程图所示，产生中断后，首先保存ACC和PSW的值，然后为T0重装初值，判断中断次数是否小于100，是则转出中断服务，反之则为秒计数器加1，秒计数器如果大于59，则为分计数器加1，同时秒计数器清0。同样分计数器如大于59则为时计数器加1，同时分计数器清0，时计数器如大于23则清0并转出中断服务。T0中断100次的时间刚好为1秒钟。