基于Intel單片機的智能煙氣分析儀器監(jiān)控平臺
2020-06-12
工業(yè)燃燒過程所釋放出的煙氣是現代城市大氣污染源，煙氣檢測是大氣環(huán)境檢測中必要的項目，它是確定重點污染源并對污染源進行檢測和控制的基本手段。為了控制燃燒過程的燃燒空氣比，提高燃燒效率，節(jié)約能源，減少大氣污染，必須可靠地測量煙氣中各種氣體的含量。本文針對煙氣分析，介紹了一種基于Intel單片機的智能儀器監(jiān)控平臺。
2 監(jiān)控平臺的硬件結構設計
硬件配置應針對分析檢測器的不同組合方式可在各模塊中選擇，如該平臺用于二組分分析時，則只接入兩路的操作回路和信號回路，其他兩路不接，由于硬件模塊的獨立特性，配合軟件的系統參數設置功能，系統完全可以正常工作，未接入的回路對工作回路不產生影響。監(jiān)控平臺的硬件結構如圖1所示。
圖1 監(jiān)控平臺硬件結構圖
3 各功能模塊硬件詳細設計
3.1 單片機的選擇與存儲器模塊設計
智能儀器的核心是單片微機，其性能對整個嵌入系統性能有重要影響。選擇時既要考慮到工業(yè)應用的背景、功能具有一定先進性和高可靠性，又須滿足分析儀器多品種、小批量的功能平臺要求，易于開發(fā)移植和更新換代。為此，確定Intel公司的80C196kc芯片作為分析儀器信息處理單片，構造便攜式儀器監(jiān)控平臺。
本監(jiān)控平臺選用的是ATMEL公司生產的32k字節(jié)的閃速存儲器29C256，工作電壓為5v，一旦工作電壓低于3.8V時禁止編程功能。它既有SRAM的速度和易擦寫性，又能像EEPROM那樣掉電后保持數據和在線可寫特性，具有讀寫功能，掉電下可保存數據。硬件設計方法如圖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位數據線分時使用，74LS373用于低位地址鎖存。
圖2 存儲器硬件電路設計
3.2 A/D采樣及數據處理模塊
80C196kc片內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)控平臺已用其中兩路：其中一路用于熱電偶測溫，若檢測到熱電偶通道電壓異常，即報警提示熱電偶開路;另一路用于儀器電池電壓檢測，檢測結果通過液晶顯示器顯示，便于用戶隨時了解電池電量，以免電壓過低對傳感器造成損害;其余六路待用。片外選用的是MAXIM公司生產的12位A/D采樣芯片——MAX197，負責完成6路不同傳感器的信號采樣及環(huán)境溫度、煙氣溫度的檢測。該芯片是28腳的雙列直插封裝，工作電壓為5V，有8個模擬輸入口，完成一次轉化的時間為6μS。
由于經分析儀器傳感器轉換后的電信號是0～1V，顯然不能用內部參考電壓模式進行采樣，所以系統選用外部參考電壓方式。但是作者在實際使用中發(fā)現，外部參考電壓不能過低。試驗表明，當外部參考低于1V時，在輸入的模擬量在90 mV以下時，采樣的結果明顯不準確，有很嚴重的非線性，甚至出現明顯死區(qū)。所以監(jiān)控平臺在傳感器與A/D采樣芯片之間加入了放大器，將傳感器傳給A/D采樣芯片的信號放大至0～2V，通過計算可知此時的外部參考電壓VREF=2/1.2207=1.6384V，事實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)控平臺的要求。
3.3 LCD液晶顯示模塊
LCD液晶顯示器是人機界面的重要窗口，也是本監(jiān)控平臺的特色之一，本平臺所有人機交互功能皆通過LCD結合鍵盤完成。鍵盤采用的是2×4觸摸按鍵設計，占用CPU的6個I/O口，其中一個按鍵與儀器啟動電路相連，成為該分析儀器的啟動鍵。液晶顯示器采用的是240×128點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，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。該液晶屏內置驅動器T6963C及周邊電路，具有硬件初始化功能。
LCD的Pin4腳為顯示區(qū)域對比度調節(jié)管腳，接入電壓可以在-6V～18V之間調節(jié)。本監(jiān)控平臺選用MAXIM公司生產8引腳雙列直插封裝的MAX749芯片來提供液晶屏的輝度調節(jié)的震蕩電壓。該芯片是專為LCD對比度電壓調節(jié)而設計的，其輸出電壓具有良好的可調性，可以通過數字控制、電位調節(jié)、PWM控制工三種方法實現。起工作電路如圖3。
圖3 MAX749工作電路設計
3.4 紅外打印及串口通訊模塊
根據紅外打印協議，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現。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，可對波特率編程。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4Mbps,連接距離大于1.5米且耗電較少。考慮到單片機80C196kc的串行接口要用于數據通訊,所以改用HSO、HSI實現紅外打印的類串口數據輸出輸入。由于80C196kc和hp7001的接收發(fā)送腳都是TTL電平，可直接相連，無需MAX232等電平轉換芯片?？紤]到9600bps是紅外通訊協議的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps進行通訊。
串口通信使用了80C196kc的串行數據接口，采用RS-232方式，由MAX232實現串行信號的電平轉換。采用8位數據位、一位停止位、無奇偶校驗位的傳輸方式，提供4800、9600、19200三種波特率供用戶選擇，以適用于計算機通訊的需要。通訊時只需用在儀器與計算機之間用串口線連接，運行相應程序，即可完成數據的傳輸。該通信只傳送已存入flash中的歷史采樣數據，最多一次可傳送40組數據，每組數據均包括所有采樣參數、計算參數及數據存儲時的系統參數（如日期時間、燃料類型等）。
3.5 電源啟動及轉換模塊
由于便攜式分析儀器采用蓄電池供電，減少整機電流和待機電流、降低損耗變得極為重要。傳感器部分的工作電壓為12V，而單片系統采用5V供電，因此，控制平臺選用了直-交-直變換模塊完成電源轉換。選用XR031電壓轉換模塊，其轉換效率達80%。啟動電路采用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鍵控制開、關機。關機狀態(tài)下電池仍對該部分電路供電，其電流極小，約為4～8微安，工作狀態(tài)下CPU內部A/D采樣模塊對其進行電壓檢測，當電壓低于設定時，置輸出端口為有效電平，該電平經微分電路產生+12V尖脈沖觸發(fā)flip-flop電路翻轉，實現強行關機。本監(jiān)控系統正常工作時功耗電流為50～60mA（LCD背光關閉，不包括泵電流），整機電流最大為140mA（LCD背光開啟）。電源轉換及啟動硬件設計如圖4。
圖4 電源啟動及轉換電路
3.6 時鐘模塊
本次設計采用了一塊實時鐘芯片DS12C887，它是微機中常用的時鐘芯片。該芯片是24腳雙列直插封裝的一個集成組件，組件中包含石英晶體、鋰電池、實時時鐘、日歷時鐘、報警時鐘、和128個字節(jié)的RAM，其中15個字節(jié)用作實時鐘的控制寄存器，其余113個字節(jié)可作普通RAM使用，其中數據也可以十年不丟失，DS12C887的年月日、時分秒等信息都放在內部寄存器中。
4 監(jiān)控平臺的軟件設計
監(jiān)控平臺的軟件系統采用C程序設計，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言編譯器大，但程序開發(fā)周期大大減少，調試效率及可讀性均明顯優(yōu)于匯編語言，且原程序可更加方便地移植于其他型號芯片中，便于產品的更新換代。
本監(jiān)控平臺軟件系統為多任務實時操作系統，主要分為人機界面、串口通訊、數據處理、紅外打印、操作控制五大功能模塊，軟件結構框圖如圖5所示。由于系統采用模塊化設計，各模塊自成體系，可獨立調試，有利于系統集成也便于形成其他分析儀器的監(jiān)控程序。本軟件系統支持中英文兩種版本的界面供用戶操作選擇，其LCD顯示頁面達60多個，字庫漢字超過250個，編譯后程序代碼約為52Kb。
圖5 軟件系統設計
整個軟件系統使用超循環(huán)系統（Super-Loops）結構，應用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調用相應的函數完成規(guī)定的操作，程序依次檢查系統的每一個輸入條件，一旦條件成立就進行相應的處理，這部分可以看成任務級處理。中斷服務程序處理異步事件，這部分看成中斷級處理。本系統包括A/D采樣、HSO實時中斷、HSO事件中斷、串行通訊等模塊，為保證實時性，中斷服務程序只包含標志處理，其隱含功能如采樣值的濾波，HSO事件排隊均由任務級處理。實時多任務按任務級別分類處理，在各界面處理模塊中均包含時間事件處理模塊，以確保定時事件處理。
本文作者創(chuàng)新點：
強大的CPU和良好的模塊性使本監(jiān)控平臺的研究為智能分析儀器提供了具有ARC功能的設計平臺，通過軟硬件模塊的選擇可基本實現各種不同需求的組合式分析儀。系統提高了分析儀器本身的自動化水平，分析儀器的自動校準和診斷。
