1  系統構成及原理 

系統主要由 GSM 模塊、時鐘電路、單片機和驅動電路等構成，具體如圖 1 所示.  

本設計采用單片機作為系統的控制中心. 單片機從時鐘芯片讀取當前日期，再根據港口所在地的經緯度計算出每天日出日落的時間；單片機實時讀取當前時間，并與計算出的日出日落時間進行比對，如果定時時間已到，單片機就根據定時控制高桿燈的閉或開. 同時，單片機通過串口與 GSM 模塊通信，可響應工作人員以短信形式發送來的控制命令，實現對高桿燈開關的手動控制以及系統時間的校準等功能.  

2  系統硬件組成 

本設計主控單元采用宏晶 STC12C5A60 系列單片機. 該系列單片機具有較大的程存和數存空間，自帶 E2PROM，芯片工作電壓 3.3~5.5 V. 具體電路如圖 2 所示，其中，U1 為時鐘芯片 PCF8563，該芯片通過數據線 SDA 和時鐘 SCL 構成的串行 I2C 總線，與單片機之間雙向傳送數據，從而實現時間、日期等數據的讀??；U2 為看門狗芯片 MAX813L，在單片機程序跑飛或者系統電壓低于門限值（4.65 V）時，該芯片可以對單片機進行復位，保證單片機的正常工作；U3 為安森美的 LDO，實現電壓從 12 V 到 5 V 的轉換，同時增加 TVS 管對 LDO 的保護.  

2.2  驅動電路 

實際中，每個高桿燈有 3 組高壓鈉燈，每組工作電流為 10.3 A. 選用額定電壓 380 V 下額定電流 37 A 的接觸器來控制，每一路驅動電路如圖 3 所示，單片機 I/O 口與驅動電路之間增加了光耦進行隔離. 設計采用 2 個松樂 SRS-12VDC 型和 1 個歐姆龍 G2R 型功率繼電器構成帶自鎖功能的繼電器電路.  

需要開燈時，可控制 P1.1 口輸出一個 100 ms 的低電平脈沖，驅動 Q2 導通給繼電器 K2 線圈供電，

K2 吸合后將 K1 提供的 12 V 電壓提供給 K3 線圈，繼電器 K3 吸合，接觸器控制端子與 220 V 交流電接通，進而控制 380 V 電源點亮高桿燈. 由于繼電器 K3 的線圈也與其端子 4 相連，在脈沖結束后，通過端子 4 可繼續給線圈供電，使其保持吸合狀態，實現狀態的自鎖. 需要關燈時，可控制 P1.0 口輸出一個100 ms 的低電平，驅動 Q1 給繼電器 K1 供電，K1 吸合后端子 6 不再給 K3 供電，K3 不再吸合，高桿燈關閉.  

2.3  TC35i 模塊與單片機接口電路 

TC35i 模塊是一款支持中文短信息的工業級 GSM 模塊. 使用 RS232 串口與 MCU 連接實現串口通信，

通信速率為 9 600 kbit/s，采用 8 位異步通訊方式，1 位起始位，8 位數據位，1 位停止位. 采用標準的 AT 指令集[5]方便開發與設計. 本文采用 PDU 編碼將控制指令和反饋信息以 Unicode 字符的形式發送.  

TC35i 有 40 個引腳，通過 1 個 ZIF 連接器引出. 設計中，將其第 1～5 引腳與 VCC 相連，第 6～10 引腳與地相連，實現對其供電. 第 15 引腳與單片機 INT0 引腳相連，通過一個大于 100 ms 的低電平脈沖實現模塊的啟動. 第 18、19 引腳與單片機 RXD 和 TXD 引腳相連，實現串口通信. 第 24～29 引腳依次

與 SIM 卡的 CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC 和 CCGND 相連，實現數據處理[4].  

3  程序設計 

3.1  主程序流程圖 

初始化過程將完成對定時器、中斷、串口、GSM 模塊以及時鐘芯片的初始化，將默認手機號碼和港口經緯度信息依次寫入 E2PROM 的第一、二扇區. 在每次完成開燈動作 600 s 后，程序將讀取日期和經緯度信息，由此計算出第 2 天關燈和開燈的時間，并存入 E2PROM 第 3 扇區. 主程序將不斷比較當前時間與存放在 E2PROM 中的定時時間. 如果定時時間到了，程序執行相應的開關燈動作. 如果接收到短信命令，且手機號碼合法，則響應該短信命令.  

例如，春、秋分前后，煙臺市的日落時間為 18:00. 當前時間為 17:50，此時為白天，不需要開燈. 程序將不停檢測定時時間是否已到. 如果時間到了 18:00，程序執行開燈動作，600 s 后計算明天的關燈和開燈時間. 之后將檢測是否到了新的關燈時間，當檢測到第 2 天 6:00 左右時，定時時間到，執行相應的關燈操作. 而后繼續檢測是否到達第 2 天 18:00 左右的開燈時間，如此循環執行.  

3.2  日出日落時間算法 

假設地球為球形，圓形太陽的上沿剛好到達地平線的時刻，即為太陽升起落下的時刻. 以觀察者所處的地平面為參考平面，考慮到大氣折射的影響，當太陽處在-0.833° 的位置就是日出日落時的位置. 為了方便計算，把時間按角度換算，即 12 h=180° . 計算時，先假設一個太陽位置，再采用這個假設的位置計算日出位置，采用迭代法不斷地用計算出的新位置重新計算太陽的位置. 當兩次位置之差足夠小時，輸出日出日落時間，

4  應用實例 

本設計已經成功應用在煙臺港大面積堆場的照明系統中，選擇每個月的 1 日、11 日、21 日對開關燈的時間進行監測，具體結果如表 1 所示. 具體的開關燈時間與中科院國家授時中心提供的日出日落時間

相比，誤差前后不超過 3 min. 在陰、雨、霧天，還可通過手機短信進行控制，增強了系統的適應能力.  

5  結論 

經過一年的觀測，系統運行穩定. 由于大氣散射的原因，天亮和天黑時間會相應提前和延后，故系統誤差并未帶來實質的影響. 在滿足港口裝卸對燈光要求的前提下，較大程度地節省了電力資源. 但系統缺少對高桿燈狀態及故障的檢測功能，仍需要人工確認. 如果能夠利用電腦作為多個高桿燈從機的服務器，通過 GPRS 網絡對高桿燈狀態進行實時監控，應該會取得更加方便、直觀的效果，這也是今后改進

的一個方向.