微功耗技术在滴灌反冲洗控制器中的应用

吴庆胜

(乌鲁木齐铁路局科学技术研究所，新疆 乌鲁木齐 830026)

1 简介

微滴灌系统是有效利用水资源的重要措施。微灌系统通过灌水器(微喷头或滴头)来调节流量，由于灌水器的流道直径均很小，极易被灌溉水中的杂质堵塞，灌水器一旦堵塞，会引起配水不均、系统性能下降，甚至造成整个系统瘫痪，这样就不得不耗费大量人力和财力来排除堵塞或重建系统。为防止灌水器堵塞，在微灌系统中的末级，一般均需配置反冲洗装置。

根据塔里木生态工程项目的需要，为用户设计了一种超低功耗的滴灌反冲洗控制器。该系统以2节9V镍镉电池(单节电池容量要求 ＞350 mAh)供电，待机电流 ＜35 μA，瞬时放电电流 ＞1 A，可连续驱动BERMAD S-202-3/6-40V/6 Ω脉冲式电磁阀动作25 000次以上(在1年轮灌期内无需更换电池)，图1为该系统结构示意图。

图1 滴灌反冲洗控制器结构示意图

本系统作为一种便携式仪表，中央处理器(CPU)、存储器、人机交互单元(显示电路、键盘)等均必不可少，特别是脉冲式电磁阀的换相控制，如采用常规设计，满足用户要求的12个电磁阀控制，系统的功耗至少为几十 mA，以平均功耗25 mA计，系统工作300d，则年电池容量需求不小于200 Ah，如此无论采用太阳能供电或单体电池供电，供电单元的体积和成本均无法被用户接受。因此如何合理地选择元件和确定系统的设计方案，最大限度地降低系统功耗，提高电源管理效率，延长电池工作时间，是系统设计中的难点之一。

传统的低功耗系统设计手段主要有三种:一是降低工作电压，二是采用低功耗元件，三是降低时钟频率。实践证明，上述措施在降低系统功耗方面具有显著的效果，但系统的整机功耗仍在mA级，如想更进一步降低系统功耗，则必须有新的创新设计，限于篇幅，本文对常规设计中涉及的单片机休眠管理、低功耗器件选择、OLED液晶显示电路、时钟电路、看门狗和复位电路、延迟电路等内容不予说明，仅对其中事件触发电路、电源管理电路、脉冲电磁阀换相电路进行解析，说明微功耗设计在上述部分的具体实现方式。

2 事件触发电路

本系统需要响应的主要事件有键盘、压差开关、时钟定时中断、手动复位等，由于本设计中其它事件的处理方式与键盘事件基本一致，因此本节重点对键盘事件的设计予以阐述。

传统的键盘电路设计主要有两种:一是通过系统主控制器定时扫描键盘，从而获取键盘信息;二是通过专用键盘管理芯片实时扫描键盘，获取键盘信息后通过中断方式通知系统主控制器。第一种方案需要主控制器一直处于工作状态，不仅降低了主控制器的工作效率，同时大大增加了系统的功耗;第二种方案是通过专用芯片扫描键盘，虽然提高了主控制器的工作效率，但功耗并没有降低，因此上述两种方法在超低功耗设计中均不适用。

图2为本系统设计的事件触发电路原理图。由于人机交互仅需上下左右、确认、放弃等按键，因此采用具有清除功能的D触发器组成具有事件记忆功能的键盘电路。

如任意按键(或压差开关、时钟定时)有效，延时电路(由74HC123组成)被触发，产生110 ms的激活脉冲，激活电源或恢复延迟关机时间。

系统首次上电(或工作后产生事件中断、休眠模式下被事件中断唤醒)，则通过数据总线读取D触发器的输出状态，确定事件类型并响应。

系统在事件处理完毕后10 s内无新事件触发，则主控制器自主关闭液晶电路电源，并将自身转入休眠模式。

系统转入休眠模式后10 min内无新事件触发，则电源管理电路切断主控制器电源，系统进入待机模式(此时整机功耗小于35 μA)。

3 电源管理电路

本系统的电源管理电路的原理图如图3所示，主要实现手动开关机、事件触发自动开机、事件触发延迟关机、设定间隔内无事件触发自动关机、主系统电源、受主控制器控制的液晶电路电源(+3V和+12V)等。

本电路的核心是美国TI公司最新推出的微功耗运算放大器TLV2241，该芯片输入阻抗较大(300 MΩ)、静态功耗很小(＜1 μA)，特别是由于其偏置电流仅为25 pA，因此在本电路中构成参考电压的分压电阻可以取值很大。

3.1 手动开关机

手动开关机主要由图3中的双刀双掷开关SW1、运放TLV2241(U1)、电容C1、电阻R1、R2、R3组成。

手动关机状态时，电池通过SW1的常闭端给放电电容C1充电，此时+9V未被接通，所有电路均无电，因此功耗为零。

手动开机状态时，SW1闭合，此时本电路实现四个功能:

图2 事件触发电路原理图

(1)+9V有效，通过 SW1的常开端给运放U1(TLV2241)、分压电阻 R2、R3供电，由于 Vc+大于参考电压 Vr1，U1输出高电平，U4_2 (CEM4936，N沟道场效应管)导通，系统地(GND)与供电地(VSS)等电势。

图3 电源管理电路

(2)+9V有效，U8(超低功耗稳压器S-81230SGY，最大输入电压18V，输出电流100 mA，功耗2.5 μA)工作，形成系统主电源VCC(+3 V)。

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

(4)放电电容 C1通过电阻 R1放电，关机延迟时间开始计时。

3.2 延迟自动关机(1)

手动开机后，电容C1经R1放电，当电容端电压Vc+小于参考电压 Vr1时，U1输出为低电平，U4_2截止，系统地(GND)与供电地(VSS)之间开路，主控制器和液晶电路电源被关闭。图3电路的关机延迟时间计算方法如下:

设供电电压为E:

放电电容电压为Vc(t)，其中t为放电时间;

参考电压为Vr1;

在本电路中，

由于Vc(t)=Vr1时，关机时间到，因此可得下式:

公式(4)中的t单位为s，R1的单位为Ω，C1的单位为F，本电路中R1=10 MΩ，C1=33 μF，则关机延迟时间t=573 s，约为10 min。

3.3 事件触发开机和关机延迟

手动开机状态下当按键或压差开关、时钟定时等事件产生时，将触发延迟电路形成一个110 ms的高脉冲(ActPulse信号)，ActPulse信号使U7 _1(CEM4936)导通，U7_1的 Vds=VSS，进而使U6_1(CEM4953，P沟道场效应管)导通，+9V电压瞬间完成C1充电，使主电源VCC重新得电或使定时时间重新恢复到设定值。

3.4 液晶电路电源

该电源包括+3V(图3中的OLED_3V)和+ 12V(图3中的 OLED_12V)两种电源，当主控制器的液晶电源使能信号OLEDCK有效(高电平)时，U4_2导通，进而使U3_1和U3_2(CEM4953)导通，使OLED_3V=VCC，同时+9V为升压器件MAX761提供输入电源，进而获得OLED所需的+12V。

4 脉冲电磁阀的电源换相电路

BERMAD S-202-3/6-40V/6 Ω是一种三位两线制脉冲电磁阀，供电电压范围为6～40 V，激励脉冲宽度20～100 ms。在常规设计中，该脉冲电磁阀的换相电路一般采用继电器构建，但由于继电器的维持电流至少要在10 mA以上，而本系统要驱动12个电磁阀，因此其功耗是本设计不能接受的，为此，我们设计了一种新型的两线制脉冲电磁阀换相电路，其原理图如图4所示。

图4电路以控制两路脉冲式电磁阀为例，图中LV1和LV2分别接电磁阀的控制端A，电磁阀的控制端 B均接 VDD。本电路巧妙利用电容C11的充放电控制电磁阀换相，图中CS1、CS2信号控制C11的充电，CK1、CK2信号控制C11的放电，上述4个信号均源自主控制器，具体工作原理如下:

4.1 开机初始状态

图3中SW1处于开机状态时，+9V有效，并对电容C10和C11充电，由于C10远小于C11，因此完成充电时，VDD≈0V，此时 CS1、CS2、CK1、CK2均为低电平，U10、U11、U12均截止，C11上不仅电荷为零，而且也没有冲放电回路，电磁阀不工作。

4.2 主控制器工作状态

当主控制器得电工作时，控制CS1信号为高电平，U10_1导通，进而使U11_1导通，+9V通过电磁阀LV1回路对C11充电100 ms，C11充电结束时，VDD=+9V，电磁阀受正向脉冲激励，相位切换(设此时PE相导通，CE相截止)。

100 ms后，主控制器控制 CS1信号为低电平，U10_1和 U11_1均截止，C11失去冲放电回路，VDD=+9V。

定时时间到，控制CK1信号为高电平，U12_1导通，电容C11通过电磁阀LV1回路放电，电磁阀受负向脉冲激励，相位切换(此时 PC相导通，PE相截止)。

100 ms后，主控制器控制 CS1信号为低电平，U12_1截止，C11失去冲放电回路，VDD=0V。

4.3 主控制器失电状态

主控制器失电时，CS1、CS2、CK1、CK2均无效，电阻R12、R13、R14、R15将上述4个信号强制为VSS，U10、U11、U12均截止，电磁阀维持状态不变。

图4 三位两线制脉冲电磁阀换相电路

本电路采用的场效应管 CEM4953和CEM4936，静态功耗小于1 μA，最小通流量为4.5 A，因此在实际应用中取得了良好的效果。

5 结语

实际上，降低一个系统的设备功耗，不仅需要合理地选择设计方案，最大限度地提高电源管理效率，而且还需要相应软件的精心编制，限于篇幅，本文仅从系统的硬件设计方面进行了较为细致的阐述。

本系统的整机功耗待机状态下小于35 μA，采用2节9 V电池镍镉电池工作，在电池容量降至6.8 V时，仍能保证系统可靠工作。

［1］ 沙占友.新型数字万用表原理与维修［M］.北京:电子工业出版社，1994.277－278.