《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MCS-51單片機(jī)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
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摘要: 1引言基于GPRS和MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器是一種實(shí)時(shí)在線(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它采用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS將...
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關(guān)鍵字:MCS-51單片機(jī) 實(shí)時(shí)在線(xiàn) 環(huán)境監(jiān)測(cè)

  1 引言

  基于GPRS和MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器是一種實(shí)時(shí)在線(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它采用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS將實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)到的環(huán)境狀況通過(guò)Internet傳到環(huán)保部門(mén)監(jiān)測(cè)信息處理中心,監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)處理軟件通過(guò)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,使環(huán)保機(jī)關(guān)足不出戶(hù)即能掌握轄區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和污染源的監(jiān)測(cè)指標(biāo)信息,從而使環(huán)保機(jī)關(guān)的管理在機(jī)制上實(shí)現(xiàn)從人工化向信息化的轉(zhuǎn)變,克服了過(guò)去對(duì)各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的檢測(cè)主要靠環(huán)保人員到現(xiàn)場(chǎng)手工取樣,帶回實(shí)驗(yàn)室分析后再作出結(jié)論的周期長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題;還可以提高對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)頻次,克服過(guò)去由于監(jiān)測(cè)頻次低,總結(jié)出來(lái)的環(huán)境質(zhì)量和污染源監(jiān)測(cè)信息可信度較低的問(wèn)題。

  2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程

  整個(gè)系統(tǒng)的具體工作過(guò)程見(jiàn)圖1。數(shù)據(jù)采集器單元將流量計(jì)、PH計(jì)、COD計(jì)等各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器輸出的標(biāo)準(zhǔn)4~20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào),并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部保存,然后通過(guò)GPRS模塊采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式發(fā)送給監(jiān)控中心,由運(yùn)行在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)中的“監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)”軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中處理和分析,監(jiān)控中心人員就可以根據(jù)處理和分析后的數(shù)據(jù)了解采集點(diǎn)出的環(huán)境質(zhì)量狀況。

  3 數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu)

  采集器采用雙CPU結(jié)構(gòu),主CPU專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)與監(jiān)測(cè)軟件之間的數(shù)據(jù)通訊傳輸和量程設(shè)置及參數(shù)顯示;從CPU專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)各自通道的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ),這樣可以避免各通道切換帶來(lái)數(shù)據(jù)信號(hào)的干擾,保證數(shù)據(jù)測(cè)量的精確可靠。從CPU用兩種方式(RS-485串行通訊方式及4~20mA電流環(huán)方式)來(lái)接收或轉(zhuǎn)換各個(gè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2)。從功能上,采集器電路劃分為以下幾個(gè)組成部分:

數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu)

  (1)單片機(jī)控制單元電路

  單片機(jī)控制單元電路包括兩片單片機(jī)AT89S52(分別用主CPU和從CPU表示)、高速1K雙口靜態(tài)RAMIDT7130、E2PROMAT24C512等器件。MASTERCPU主要用來(lái)控制、通訊(與上位機(jī)遠(yuǎn)程通訊,與SLAVECPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送命令等通訊操作);SLAVECPU主要用來(lái)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并與MASTERCPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。AT89S52內(nèi)含8K的FLASH作為程序存儲(chǔ)器。高速1K雙口靜態(tài)RAMIDT7130作為MASTERCPU和SLAVECPU通訊的共享RAM。

  參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用外部擴(kuò)展一片64K的E2PROM(AT24C512),用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)送去顯示或上傳。 

(2)A/D轉(zhuǎn)換電路

  A/D轉(zhuǎn)換電路采用MAX197,用于將監(jiān)測(cè)儀器送來(lái)的4~20mA的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)進(jìn)行處理。MAX197芯片是美國(guó)MAXIM公司近年的新產(chǎn)品,是多量程(±10V,±5V,0~10V,0~5V)、8通道、12位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近工作方式,有標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)接口。三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口用做8位數(shù)據(jù)總線(xiàn),數(shù)據(jù)總線(xiàn)的時(shí)序與絕大多數(shù)通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS電平兼容。新型A/D轉(zhuǎn)換器芯片MAX197與一般A/D轉(zhuǎn)換器芯片相比,具有極好的性能價(jià)格比,僅需單一+5V供電,且外圍電路簡(jiǎn)單,可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

  在此采集器系統(tǒng)選用從CPU與其聯(lián)接。使AT89C52的P0.0~P0.7與MAX197的D0~D7相連。P2.7作片選信號(hào),MAX197的地址分配為7000H。選擇MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式,所以置SHDN腳為高電平,本例采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓,所以REF、REFDJ均通過(guò)電容接地。用P1.7腳用做判讀高、低位數(shù)據(jù)的選擇線(xiàn),直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳與從CPU的P1.6相連,作為轉(zhuǎn)換識(shí)別信號(hào)。

  (3)通訊傳輸單元

  由于環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理位置比較分散、偏僻、自然條件較差,采用有線(xiàn)傳輸需要架設(shè)專(zhuān)線(xiàn),成本太高。無(wú)線(xiàn)傳輸因組網(wǎng)迅速靈活、建設(shè)周期短、成本低,特別適合條件差的野外使用環(huán)境和跨區(qū)域的應(yīng)用。特別是隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展,采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)已成為新的發(fā)展趨勢(shì)。這里采用了深圳宏電公司的GPRS無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)終端單元(DTU)作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸單元,其主要技術(shù)特點(diǎn)有:

  一是透明數(shù)據(jù)傳輸。H7100GPRSDTU直接提供RS485或RS232接口,使用簡(jiǎn)單、方便,為用戶(hù)的數(shù)據(jù)設(shè)備提供透明的傳輸通道;二是后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持經(jīng)。普通GPRSModem通常需要附著在PC機(jī)上虛擬撥號(hào)上網(wǎng),利用PC機(jī)的資源進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換;而H7100GPRSDTU內(nèi)置自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接和協(xié)議處理模塊,無(wú)須后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持;三是點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、對(duì)等、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。H7100GPRSDTU可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)~點(diǎn)、點(diǎn)~多點(diǎn)、中心~多點(diǎn)的對(duì)等數(shù)據(jù)傳輸,傳輸時(shí)延一般小于1s;四是永遠(yuǎn)在線(xiàn)。H7100GPRSDTU一開(kāi)機(jī)就能自動(dòng)附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上,并與數(shù)據(jù)中心建立通訊鏈路,隨時(shí)收發(fā)用戶(hù)數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)。由于H7100GPRSDTU直接提供RS485或RS232接口,因此和主CPU之間的通訊電路采用兩種串行通訊方式:即RS-485和RS-232方式。分別采用MAXIM公司的MAX1487和MAX202E通訊芯片來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)內(nèi)定的通訊協(xié)議及GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元與遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)信息處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

  (4)按鍵、顯示電路

  本采集器采用比高科技公司的BC7281芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)采集器上的相關(guān)參數(shù)輸入及數(shù)據(jù)顯示。該芯片可驅(qū)動(dòng)8位或16位數(shù)碼管顯示,具有64鍵鍵盤(pán)接口,內(nèi)含去抖功能,具有2種鍵盤(pán)工作模式,適應(yīng)不同應(yīng)用要求,獨(dú)具光柱譯碼方式,可獨(dú)立控制兩條64段光柱顯示,段尋址功能便于控制獨(dú)立的LED,16位均均可獨(dú)立控制閃爍屬性,閃爍速度軟件可調(diào),段驅(qū)動(dòng)極性及移位脈沖時(shí)序均可控,可配合各種形式的驅(qū)動(dòng)電路,鍵盤(pán)部分具有鍵值鎖存功能,內(nèi)部顯示寄存器和控制寄存器的內(nèi)容均可讀出,且采用2線(xiàn)制的高速串行接口與CPU連接,大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),編程較為方便。

  4 采集器控制程序流程

采集器控制程序流程

  5 結(jié)語(yǔ)

  本文介紹的數(shù)據(jù)采集器具備對(duì)多路模擬量(4~20mA信號(hào))的自動(dòng)連續(xù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸功能,能自動(dòng)保存最近6-30天檢測(cè)數(shù)據(jù)。由于具備RS-232和RS-485通訊接口,可以方便地外接其他的檢測(cè)模塊。另外該采集器還使用了GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。

 

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