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基于單片機(jī)的城市大氣污染監(jiān)控平臺設(shè)計

所屬欄目:環(huán)境法論文 發(fā)布日期:2012-04-27 09:45 熱度:92

  摘要: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(jī)的城市大氣污染智能儀器監(jiān)控平臺。
  關(guān)鍵詞:單片機(jī);監(jiān)控;城市信息
  
  1監(jiān)控平臺的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
  硬件配置應(yīng)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(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能,系統(tǒng)完全可以正常工作,未接入的回路對工作回路不產(chǎn)生影響。監(jiān)控平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
  
  圖1監(jiān)控平臺硬件結(jié)構(gòu)圖
  2各功能模塊硬件詳細(xì)設(shè)計
  2.1單片機(jī)的選擇與存儲器模塊設(shè)計。智能儀器的核心是單片微機(jī),其性能對整個嵌入系統(tǒng)性能有重要影響。選擇時既要考慮到工業(yè)應(yīng)用的背景、功能具有一定先進(jìn)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?lián)Q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(gòu)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(chǎn)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?jǐn)?shù)據(jù)和在線可寫特性,具有讀寫功能,掉電下可保存數(shù)據(jù)。硬件設(shè)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(shù)據(jù)線分時使用,74LS373用于低位地址鎖存。
  
  圖2存儲器硬件電路設(shè)計
  2.2A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊。80C196kc片內(nèi)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(jié)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(chǎn)的12位A/D采樣芯片——MAX197,負(fù)責(zé)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(zhuǎn)化的時間為6μS。
  由于經(jīng)分析儀器傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號是0~1V,顯然不能用內(nèi)部參考電壓模式進(jìn)行采樣,所以系統(tǒng)選用外部參考電壓方式。但是作者在實際使用中發(fā)現(xiàn),外部參考電壓不能過低。試驗表明,當(dāng)外部參考低于1V時,在輸入的模擬量在90mV以下時,采樣的結(jié)果明顯不準(zhǔn)確,有很嚴(yán)重的非線性,甚至出現(xiàn)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。
  2.3LCD液晶顯示模塊。LCD液晶顯示器是人機(jī)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(jī)交互功能皆通過LCD結(jié)合鍵盤完成。鍵盤采用的是2×4觸摸按鍵設(shè)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(nèi)置驅(qū)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?qū)Ρ榷日{(diào)節(jié)管腳,接入電壓可以在-6V~18V之間調(diào)節(jié)。本監(jiān)控平臺選用MAXIM公司生產(chǎn)8引腳雙列直插封裝的MAX749芯片來提供液晶屏的輝度調(diào)節(jié)的震蕩電壓。該芯片是專為LCD對比度電壓調(diào)節(jié)而設(shè)計的,其輸出電壓具有良好的可調(diào)性,可以通過數(shù)字控制、電位調(diào)節(jié)、PWM控制工三種方法實現(xiàn)。起工作電路如圖3。
  
  圖3MAX749工作電路設(shè)計
  2.4電源啟動及轉(zhuǎn)換模塊。由于便攜式分析儀器采用蓄電池供電,減少整機(jī)電流和待機(jī)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(tǒng)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(zhuǎn)換。選用XR031電壓轉(zhuǎn)換模塊,其轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)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(nèi)部A/D采樣模塊對其進(jìn)行電壓檢測,當(dāng)電壓低于設(shè)定時,置輸出端口為有效電平,該電平經(jīng)微分電路產(chǎn)生+12V尖脈沖觸發(fā)flip-flop電路翻轉(zhuǎn),實現(xiàn)強(qiáng)行關(guān)機(jī)。本監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時功耗電流為50~60mA(LCD背光關(guān)閉,不包括泵電流),整機(jī)電流最大為140mA(LCD背光開啟)。
  3監(jiān)控平臺的軟件設(shè)計
  監(jiān)控平臺的軟件系統(tǒng)采用C程序設(shè)計,使用C96編譯器。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(diào)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(chǎn)品的更新?lián)Q代。
  本監(jiān)控平臺軟件系統(tǒng)為多任務(wù)實時操作系統(tǒng),主要分為人機(jī)界面、串口通訊、數(shù)據(jù)處理、紅外打印、操作控制五大功能模塊。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,各模塊自成體系,可獨立調(diào)試,有利于系統(tǒng)集成也便于形成其他分析儀器的監(jiān)控程序。本軟件系統(tǒng)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(dá)60多個,字庫漢字超過250個,編譯后程序代碼約為52Kb。
  整個軟件系統(tǒng)使用超循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),應(yīng)用程序是一個無限循環(huán),循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成規(guī)定的操作,程序依次檢查系統(tǒng)的每一個輸入條件,一旦條件成立就進(jìn)行相應(yīng)的處理,這部分可以看成任務(wù)級處理。中斷服務(wù)程序處理異步事件,這部分看成中斷級處理。本系統(tǒng)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(wù)程序只包含標(biāo)志處理,其隱含功能如采樣值的濾波,HSO事件排隊均由任務(wù)級處理。實時多任務(wù)按任務(wù)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

文章標(biāo)題:基于單片機(jī)的城市大氣污染監(jiān)控平臺設(shè)計

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