基于Intel單片機的智能煙氣分析儀器監控平臺
2020-06-12
工業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控平臺。
2 監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。監控平臺的硬件結構如圖1所示。
圖1 監控平臺硬件結構圖
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，構造便攜式儀器監控平臺。
本監控平臺選用的是ATMEL公司生產的32k字節的閃速存儲器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。所以監控平臺在傳感器與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采樣芯片發揮了良好的性能，滿足了監控平臺的要求。
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腳為顯示區域對比度調節管腳，接入電壓可以在-6V～18V之間調節。本監控平臺選用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的震蕩電壓。該芯片是專為LCD對比度電壓調節而設計的，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、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脈沖模式收發信號，可對波特率編程。紅外收發器采用安捷倫的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的接收發送腳都是TTL電平，可直接相連，無需MAX232等電平轉換芯片。考慮到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flip-flop電路翻轉，實現強行關機。本監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個字節的RAM，其中15個字節用作實時鐘的控制寄存器，其余113個字節可作普通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 監控平臺的軟件設計
監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，但程序開發周期大大減少，調試效率及可讀性均明顯優于匯編語言，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系統（Super-Loops）結構，應用程序是一個無限循環，循環中調用相應的函數完成規定的操作，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。
本文作者創新點：
強大的CPU和良好的模塊性使本監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。
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