管道運輸作為一種應(yīng)用非常廣泛的運輸方式應(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)施的正常運行，保障了廣大用戶的正常權(quán)益。要保證供水管網(wǎng)的正常運行，及時地掌握管網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)是非常重要的^[1]。通過實時檢測管網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)，可以判斷管網(wǎng)運行狀態(tài)的正常與否，而且通過對數(shù)據(jù)的分析研究，還可為管道泄漏檢測提供依據(jù)。

    本文在介紹管道運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點闡述了一種應(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、多路模擬選擇開關(guān)CD4051、電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片RVC420、A/D芯片MAX1241以及串口通信、無線通信、按鍵及顯示等部分組成。

1 系統(tǒng)總體方案

    對供水管網(wǎng)進行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是測控系統(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)計的智能巡檢儀實現(xiàn)，它是一種功能齊全的智能二次儀表，不僅能夠?qū)α髁俊毫?、溫度等信號進行采集，還能夠進行顯示及必要的人機對話。通過巡檢儀可以對輸入的多路信號進行巡回檢測，同時將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C。

    通過功能分析可知，完整的管道運行監(jiān)測系統(tǒng)包含三部分，即數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和上位機監(jiān)控部分。系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示。

    在數(shù)據(jù)采集部分，設(shè)計了多路巡檢儀。針對管網(wǎng)現(xiàn)場測量采集物理量的不同，分別選用不同類型的傳感器。多路巡檢儀通過選擇通道采集不同的傳感器的信號，并進行循環(huán)采樣，然后對采集到的信號進行處理，使這些信號統(tǒng)一成能被單片機處理的標準信號。

    多路巡檢儀不僅可以對信號進行處理、顯示，還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的信號發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)，以方便進行實時監(jiān)測^[2]。當(dāng)需要對儀表進行數(shù)據(jù)存儲的讀取和程序更改時，采用串口通信的方式對巡檢儀程序進行更改或者數(shù)據(jù)的讀取。

2 多路巡檢儀的設(shè)計

    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。現(xiàn)場的信號由一次儀表(如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等)采集，得到的信號為4~20 mA電流信號，因為單片機不能直接處理測量到的電流信號，所以要對采集到的信號進行預(yù)處理，將電流信號轉(zhuǎn)化成為可以被單片機識別處理的電壓信號。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輸入信號轉(zhuǎn)換成為0~5 V輸出信號^[3]。該芯片中集成了一個高級運算放大器、一個片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個精密10 V電壓基準。它的總轉(zhuǎn)換精度為0.1％，共模抑制比CMR達86 dB，共模輸入范圍達±40 V^[4]。同時，RVC420的接口電路比較簡單，不需要其他的外圍器件輔助，就能實現(xiàn)諸多功能。增益、偏置和CMR無需調(diào)節(jié)，較之由分立器件設(shè)計的印制板電路，RCV420具有更低的開發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場維護費用，具有很高的性能價格比。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

    為了實現(xiàn)多路巡檢儀不同路信號之間的選擇切換，選用CD4051芯片。它是一款單8 通道數(shù)字控制的模擬開關(guān)，芯片有A、B、C  3個二進制控制輸入端。EN端為使能端，當(dāng)EN端為高電平時所有通道截止；只有使能端為低電平時，芯片才工作，才能夠從8 個通道選擇其中一個通道，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的P1.0、P1.1、P1.2端，通過程序的選擇實現(xiàn)對X0~X7八路信號的選擇切換。多路信號選擇電路如圖4所示。

    通過模擬開關(guān)選擇輸入的信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路的處理后發(fā)送給單片機進行后續(xù)的運算處理等操作。在選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片時，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口為信號輸入端，輸入的模擬電壓為經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換的0~5 V的電壓信號；3口為節(jié)電方式控制端，讓其節(jié)電起作用時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)送給單片機的P1.5口；7口作為芯片的選通接口，接單片機的P1.4口；8口為芯片的串行輸出驅(qū)動時鐘輸入，接單片機的P1.3口，通過此口產(chǎn)生驅(qū)動脈沖SCLK。

3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

    儀表的通信分為串口通信和無線通信兩種方式，當(dāng)對儀表進行測量設(shè)定和存儲數(shù)據(jù)讀取時，采用串口通信方式；當(dāng)儀表進行實時數(shù)據(jù)傳輸時采用無線通信方式。

    串口通信程序編寫簡單，硬件接口簡單，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，可以很方便地進行程序調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)程序需要升級更新時，可以通過串口進行更改。

    儀表采用通用型的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將處理后的現(xiàn)場信號發(fā)送到上位機監(jiān)控系統(tǒng)，無線通信電路如圖6所示。儀表通過TTL電平的UART接口與無線模塊連接^[5]。同時通過單片機的P1.6和P1.7端口控制模塊的休眠與工作狀態(tài)。

    單片機控制系統(tǒng)包括顯示部分、按鍵控制等部分，通過單片機的P0口與P2口實現(xiàn)。

    本文從供水管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的要求出發(fā),設(shè)計出一種基于無線通信的低功耗、高精度的智能巡檢儀。該巡檢儀可以采集管道運行過程中的壓力、溫度、流量等基本參量。多路巡檢儀未用到的幾路可以進行擴展，進行其他參量信號的采集。通過串口可以很好地對系統(tǒng)程序加以更新改進，無線通信方式的使用提高了數(shù)據(jù)采集的靈活性。同時對該系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)母倪M還可以應(yīng)用在其他方向。

參考文獻

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