管道運(yùn)輸作為一種應(yīng)用非常廣泛的運(yùn)輸方式應(yīng)用于大部分行業(yè),人們最為熟悉的便是應(yīng)用在供水方面。供水管網(wǎng)以及相關(guān)設(shè)施的正常運(yùn)行，保障了廣大用戶(hù)的正常權(quán)益。要保證供水管網(wǎng)的正常運(yùn)行，及時(shí)地掌握管網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)是非常重要的^[1]。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)管網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以判斷管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的正常與否，而且通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析研究，還可為管道泄漏檢測(cè)提供依據(jù)。

    本文在介紹管道運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了一種應(yīng)用于該系統(tǒng)的多路巡檢儀，主要包括控制核心STC89C52單片機(jī)、多路模擬選擇開(kāi)關(guān)CD4051、電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片RVC420、A/D芯片MAX1241以及串口通信、無(wú)線(xiàn)通信、按鍵及顯示等部分組成。

1 系統(tǒng)總體方案

    對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集是整個(gè)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)中不可或缺的部分。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、顯示及傳輸由所設(shè)計(jì)的智能巡檢儀實(shí)現(xiàn)，它是一種功能齊全的智能二次儀表，不僅能夠?qū)α髁?、壓力、溫度等信?hào)進(jìn)行采集，還能夠進(jìn)行顯示及必要的人機(jī)對(duì)話(huà)。通過(guò)巡檢儀可以對(duì)輸入的多路信號(hào)進(jìn)行巡回檢測(cè)，同時(shí)將信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

    通過(guò)功能分析可知，完整的管道運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含三部分，即數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和上位機(jī)監(jiān)控部分。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

    在數(shù)據(jù)采集部分，設(shè)計(jì)了多路巡檢儀。針對(duì)管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量采集物理量的不同，分別選用不同類(lèi)型的傳感器。多路巡檢儀通過(guò)選擇通道采集不同的傳感器的信號(hào)，并進(jìn)行循環(huán)采樣，然后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，使這些信號(hào)統(tǒng)一成能被單片機(jī)處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

    多路巡檢儀不僅可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、顯示，還可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將采集到的信號(hào)發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)，以方便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)^[2]。當(dāng)需要對(duì)儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的讀取和程序更改時(shí)，采用串口通信的方式對(duì)巡檢儀程序進(jìn)行更改或者數(shù)據(jù)的讀取。

2 多路巡檢儀的設(shè)計(jì)

    多路巡檢儀的控制核心采用STC公司的高性能低功耗微控制器STC89C52單片機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)由一次儀表(如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等)采集，得到的信號(hào)為4~20 mA電流信號(hào)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)不能直接處理測(cè)量到的電流信號(hào)，所以要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成為可以被單片機(jī)識(shí)別處理的電壓信號(hào)。巡檢儀的總的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    電流/電壓轉(zhuǎn)換采用美國(guó)RURR－BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片RVC420，將4~20 mA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成為0~5 V輸出信號(hào)^[3]。該芯片中集成了一個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、一個(gè)片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精密10 V電壓基準(zhǔn)。它的總轉(zhuǎn)換精度為0.1％，共模抑制比CMR達(dá)86 dB，共模輸入范圍達(dá)±40 V^[4]。同時(shí)，RVC420的接口電路比較簡(jiǎn)單，不需要其他的外圍器件輔助，就能實(shí)現(xiàn)諸多功能。增益、偏置和CMR無(wú)需調(diào)節(jié)，較之由分立器件設(shè)計(jì)的印制板電路，RCV420具有更低的開(kāi)發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用，具有很高的性能價(jià)格比。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

    為了實(shí)現(xiàn)多路巡檢儀不同路信號(hào)之間的選擇切換，選用CD4051芯片。它是一款單8 通道數(shù)字控制的模擬開(kāi)關(guān)，芯片有A、B、C  3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端。EN端為使能端，當(dāng)EN端為高電平時(shí)所有通道截止；只有使能端為低電平時(shí)，芯片才工作，才能夠從8 個(gè)通道選擇其中一個(gè)通道，將該輸入端連接至輸出。芯片的A、B、C這3端口分別接在單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2端，通過(guò)程序的選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)X0~X7八路信號(hào)的選擇切換。多路信號(hào)選擇電路如圖4所示。

    通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇輸入的信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路的處理后發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算處理等操作。在選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片時(shí)，為了降低數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換誤差并確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選用MAX1241芯片，它是一款低功耗、低電壓的12位串行ADC。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

     芯片的1口為電源輸入端， 它的工作電壓為+2.7 V~+5.2 V之間；2口為信號(hào)輸入端，輸入的模擬電壓為經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換的0~5 V的電壓信號(hào)；3口為節(jié)電方式控制端，讓其節(jié)電起作用時(shí)此端口置以高電平或者懸空；4口作為參考電壓的輸入端，置電源電壓；5口為模擬、數(shù)字地，將其接地處理；6端口為經(jīng)過(guò)處理后的串行數(shù)據(jù)輸出，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)的P1.5口；7口作為芯片的選通接口，接單片機(jī)的P1.4口；8口為芯片的串行輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘輸入，接單片機(jī)的P1.3口，通過(guò)此口產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖SCLK。

3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

    儀表的通信分為串口通信和無(wú)線(xiàn)通信兩種方式，當(dāng)對(duì)儀表進(jìn)行測(cè)量設(shè)定和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀取時(shí)，采用串口通信方式；當(dāng)儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用無(wú)線(xiàn)通信方式。

    串口通信程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，硬件接口簡(jiǎn)單，而且用電腦顯示相關(guān)的調(diào)試信息，不需要借助其他外部硬件，可以很方便地進(jìn)行程序調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)程序需要升級(jí)更新時(shí)，可以通過(guò)串口進(jìn)行更改。

    儀表采用通用型的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊，將處理后的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)線(xiàn)通信電路如圖6所示。儀表通過(guò)TTL電平的UART接口與無(wú)線(xiàn)模塊連接^[5]。同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的P1.6和P1.7端口控制模塊的休眠與工作狀態(tài)。

    單片機(jī)控制系統(tǒng)包括顯示部分、按鍵控制等部分，通過(guò)單片機(jī)的P0口與P2口實(shí)現(xiàn)。

    本文從供水管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求出發(fā),設(shè)計(jì)出一種基于無(wú)線(xiàn)通信的低功耗、高精度的智能巡檢儀。該巡檢儀可以采集管道運(yùn)行過(guò)程中的壓力、溫度、流量等基本參量。多路巡檢儀未用到的幾路可以進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)行其他參量信號(hào)的采集。通過(guò)串口可以很好地對(duì)系統(tǒng)程序加以更新改進(jìn)，無(wú)線(xiàn)通信方式的使用提高了數(shù)據(jù)采集的靈活性。同時(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)還可以應(yīng)用在其他方向。

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