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基于Intel單片機(jī)的智能煙氣分析儀器監(jiān)控平臺(tái)
2020-06-12
工業(yè)燃燒過(guò)程所釋放出的煙氣是現(xiàn)代城市大氣污染源，煙氣檢測(cè)是大氣環(huán)境檢測(cè)中必要的項(xiàng)目，它是確定重點(diǎn)污染源并對(duì)污染源進(jìn)行檢測(cè)和控制的基本手段。為了控制燃燒過(guò)程的燃燒空氣比，提高燃燒效率，節(jié)約能源，減少大氣污染，必須可靠地測(cè)量煙氣中各種氣體的含量。本文針對(duì)煙氣分析，介紹了一種基于Intel單片機(jī)的智能儀器監(jiān)控平臺(tái)。
2 監(jiān)控平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
硬件配置應(yīng)針對(duì)分析檢測(cè)器的不同組合方式可在各模塊中選擇，如該平臺(tái)用于二組分分析時(shí)，則只接入兩路的操作回路和信號(hào)回路，其他兩路不接，由于硬件模塊的獨(dú)立特性，配合軟件的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能，系統(tǒng)完全可以正常工作，未接入的回路對(duì)工作回路不產(chǎn)生影響。監(jiān)控平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 監(jiān)控平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖
3 各功能模塊硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)的選擇與存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)
智能儀器的核心是單片微機(jī)，其性能對(duì)整個(gè)嵌入系統(tǒng)性能有重要影響。選擇時(shí)既要考慮到工業(yè)應(yīng)用的背景、功能具有一定先進(jìn)性和高可靠性，又須滿足分析儀器多品種、小批量的功能平臺(tái)要求，易于開發(fā)移植和更新?lián)Q代。為此，確定Intel公司的80C196kc芯片作為分析儀器信息處理單片，構(gòu)造便攜式儀器監(jiān)控平臺(tái)。
本監(jiān)控平臺(tái)選用的是ATMEL公司生產(chǎn)的32k字節(jié)的閃速存儲(chǔ)器29C256，工作電壓為5v，一旦工作電壓低于3.8V時(shí)禁止編程功能。它既有SRAM的速度和易擦寫性，又能像EEPROM那樣掉電后保持?jǐn)?shù)據(jù)和在線可寫特性，具有讀寫功能，掉電下可保存數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計(jì)方法如圖2所示。80C196kc的P4口作為地址的高位使用，P3口作為地址的低位和8位數(shù)據(jù)線分時(shí)使用，74LS373用于低位地址鎖存。
圖2 存儲(chǔ)器硬件電路設(shè)計(jì)
3.2 A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊
80C196kc片內(nèi)A/D模塊共有8路采樣通道，精度為10位（其中可靠精度為8位），本監(jiān)控平臺(tái)已用其中兩路：其中一路用于熱電偶測(cè)溫，若檢測(cè)到熱電偶通道電壓異常，即報(bào)警提示熱電偶開路;另一路用于儀器電池電壓檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)液晶顯示器顯示，便于用戶隨時(shí)了解電池電量，以免電壓過(guò)低對(duì)傳感器造成損害;其余六路待用。片外選用的是MAXIM公司生產(chǎn)的12位A/D采樣芯片——MAX197，負(fù)責(zé)完成6路不同傳感器的信號(hào)采樣及環(huán)境溫度、煙氣溫度的檢測(cè)。該芯片是28腳的雙列直插封裝，工作電壓為5V，有8個(gè)模擬輸入口，完成一次轉(zhuǎn)化的時(shí)間為6μS。
由于經(jīng)分析儀器傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)是0～1V，顯然不能用內(nèi)部參考電壓模式進(jìn)行采樣，所以系統(tǒng)選用外部參考電壓方式。但是作者在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，外部參考電壓不能過(guò)低。試驗(yàn)表明，當(dāng)外部參考低于1V時(shí)，在輸入的模擬量在90 mV以下時(shí)，采樣的結(jié)果明顯不準(zhǔn)確，有很嚴(yán)重的非線性，甚至出現(xiàn)明顯死區(qū)。所以監(jiān)控平臺(tái)在傳感器與A/D采樣芯片之間加入了放大器，將傳感器傳給A/D采樣芯片的信號(hào)放大至0～2V，通過(guò)計(jì)算可知此時(shí)的外部參考電壓VREF=2/1.2207=1.6384V，事實(shí)證明這種方法起到了良好的作用，A/D采樣芯片發(fā)揮了良好的性能，滿足了監(jiān)控平臺(tái)的要求。
3.3 LCD液晶顯示模塊
LCD液晶顯示器是人機(jī)界面的重要窗口，也是本監(jiān)控平臺(tái)的特色之一，本平臺(tái)所有人機(jī)交互功能皆通過(guò)LCD結(jié)合鍵盤完成。鍵盤采用的是2×4觸摸按鍵設(shè)計(jì)，占用CPU的6個(gè)I/O口，其中一個(gè)按鍵與儀器啟動(dòng)電路相連，成為該分析儀器的啟動(dòng)鍵。液晶顯示器采用的是240×128點(diǎn)陣式大屏幕寬視角液晶顯示器（LCD），顯示模塊的外部接口引腳共有21個(gè)，其中Pin18腳為顯示字符的字體選擇引腳，接高電平則顯示的字體為8×6，接低電平則顯示的字體為8×8。該液晶屏內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器T6963C及周邊電路，具有硬件初始化功能。
LCD的Pin4腳為顯示區(qū)域?qū)Ρ榷日{(diào)節(jié)管腳，接入電壓可以在-6V～18V之間調(diào)節(jié)。本監(jiān)控平臺(tái)選用MAXIM公司生產(chǎn)8引腳雙列直插封裝的MAX749芯片來(lái)提供液晶屏的輝度調(diào)節(jié)的震蕩電壓。該芯片是專為L(zhǎng)CD對(duì)比度電壓調(diào)節(jié)而設(shè)計(jì)的，其輸出電壓具有良好的可調(diào)性，可以通過(guò)數(shù)字控制、電位調(diào)節(jié)、PWM控制工三種方法實(shí)現(xiàn)。起工作電路如圖3。
圖3 MAX749工作電路設(shè)計(jì)
3.4 紅外打印及串口通訊模塊
根據(jù)紅外打印協(xié)議，打印模塊硬件部分主要由紅外物理層包括紅外收發(fā)器及編解碼硬件電路實(shí)現(xiàn)。其中物理層編解碼采用了惠普公司紅外3/16的編解碼芯片——hp-7001，此芯片使用1.63μs或者3/16脈沖模式收發(fā)信號(hào)，可對(duì)波特率編程。紅外收發(fā)器采用安捷倫的hsdl-3610，它全兼容IrDA 1.1，最高傳輸速率可達(dá)4Mbps,連接距離大于1.5米且耗電較少。考慮到單片機(jī)80C196kc的串行接口要用于數(shù)據(jù)通訊,所以改用HSO、HSI實(shí)現(xiàn)紅外打印的類串口數(shù)據(jù)輸出輸入。由于80C196kc和hp7001的接收發(fā)送腳都是TTL電平，可直接相連，無(wú)需MAX232等電平轉(zhuǎn)換芯片。考慮到9600bps是紅外通訊協(xié)議的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps進(jìn)行通訊。
串口通信使用了80C196kc的串行數(shù)據(jù)接口，采用RS-232方式，由MAX232實(shí)現(xiàn)串行信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。采用8位數(shù)據(jù)位、一位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位的傳輸方式，提供4800、9600、19200三種波特率供用戶選擇，以適用于計(jì)算機(jī)通訊的需要。通訊時(shí)只需用在儀器與計(jì)算機(jī)之間用串口線連接，運(yùn)行相應(yīng)程序，即可完成數(shù)據(jù)的傳輸。該通信只傳送已存入flash中的歷史采樣數(shù)據(jù)，最多一次可傳送40組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括所有采樣參數(shù)、計(jì)算參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)（如日期時(shí)間、燃料類型等）。
3.5 電源啟動(dòng)及轉(zhuǎn)換模塊
由于便攜式分析儀器采用蓄電池供電，減少整機(jī)電流和待機(jī)電流、降低損耗變得極為重要。傳感器部分的工作電壓為12V，而單片系統(tǒng)采用5V供電，因此，控制平臺(tái)選用了直-交-直變換模塊完成電源轉(zhuǎn)換。選用XR031電壓轉(zhuǎn)換模塊，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)80%。啟動(dòng)電路采用CMOS芯片，組成帶施密特整形的flip-flop電路，由儀器鍵盤上的啟動(dòng)鍵控制開、關(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)狀態(tài)下電池仍對(duì)該部分電路供電，其電流極小，約為4～8微安，工作狀態(tài)下CPU內(nèi)部A/D采樣模塊對(duì)其進(jìn)行電壓檢測(cè)，當(dāng)電壓低于設(shè)定時(shí)，置輸出端口為有效電平，該電平經(jīng)微分電路產(chǎn)生+12V尖脈沖觸發(fā)flip-flop電路翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行關(guān)機(jī)。本監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時(shí)功耗電流為50～60mA（LCD背光關(guān)閉，不包括泵電流），整機(jī)電流最大為140mA（LCD背光開啟）。電源轉(zhuǎn)換及啟動(dòng)硬件設(shè)計(jì)如圖4。
圖4 電源啟動(dòng)及轉(zhuǎn)換電路
3.6 時(shí)鐘模塊
本次設(shè)計(jì)采用了一塊實(shí)時(shí)鐘芯片DS12C887，它是微機(jī)中常用的時(shí)鐘芯片。該芯片是24腳雙列直插封裝的一個(gè)集成組件，組件中包含石英晶體、鋰電池、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、日歷時(shí)鐘、報(bào)警時(shí)鐘、和128個(gè)字節(jié)的RAM，其中15個(gè)字節(jié)用作實(shí)時(shí)鐘的控制寄存器，其余113個(gè)字節(jié)可作普通RAM使用，其中數(shù)據(jù)也可以十年不丟失，DS12C887的年月日、時(shí)分秒等信息都放在內(nèi)部寄存器中。
4 監(jiān)控平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)控平臺(tái)的軟件系統(tǒng)采用C程序設(shè)計(jì)，使用C96編譯器，版本為5.3版。盡管該編譯器占用程序空間比匯編語(yǔ)言編譯器大，但程序開發(fā)周期大大減少，調(diào)試效率及可讀性均明顯優(yōu)于匯編語(yǔ)言，且原程序可更加方便地移植于其他型號(hào)芯片中，便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
本監(jiān)控平臺(tái)軟件系統(tǒng)為多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要分為人機(jī)界面、串口通訊、數(shù)據(jù)處理、紅外打印、操作控制五大功能模塊，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊自成體系，可獨(dú)立調(diào)試，有利于系統(tǒng)集成也便于形成其他分析儀器的監(jiān)控程序。本軟件系統(tǒng)支持中英文兩種版本的界面供用戶操作選擇，其LCD顯示頁(yè)面達(dá)60多個(gè)，字庫(kù)漢字超過(guò)250個(gè)，編譯后程序代碼約為52Kb。
圖5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)軟件系統(tǒng)使用超循環(huán)系統(tǒng)（Super-Loops）結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成規(guī)定的操作，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個(gè)輸入條件，一旦條件成立就進(jìn)行相應(yīng)的處理，這部分可以看成任務(wù)級(jí)處理。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分看成中斷級(jí)處理。本系統(tǒng)包括A/D采樣、HSO實(shí)時(shí)中斷、HSO事件中斷、串行通訊等模塊，為保證實(shí)時(shí)性，中斷服務(wù)程序只包含標(biāo)志處理，其隱含功能如采樣值的濾波，HSO事件排隊(duì)均由任務(wù)級(jí)處理。實(shí)時(shí)多任務(wù)按任務(wù)級(jí)別分類處理，在各界面處理模塊中均包含時(shí)間事件處理模塊，以確保定時(shí)事件處理。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
強(qiáng)大的CPU和良好的模塊性使本監(jiān)控平臺(tái)的研究為智能分析儀器提供了具有ARC功能的設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過(guò)軟硬件模塊的選擇可基本實(shí)現(xiàn)各種不同需求的組合式分析儀。系統(tǒng)提高了分析儀器本身的自動(dòng)化水平，分析儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)和診斷。
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