一種環(huán)保設備運行記錄你的研制

摘要：介紹了以AT89C52單片機為核心的環(huán)保設備運行記錄儀及軟、軟件的設計，提出了一種大容量存儲器擴展方案。

關(guān)鍵詞：單片機 環(huán)保監測 記錄儀

由于缺乏對污染處理設施運行狀況和污染排放指標監控手段，影響了環(huán)保部門(mén)監督管理力度。我們研制開(kāi)發(fā)了系列化的環(huán)保設備運行監測系統。本系統工作穩定、記錄數據準確、存儲容量大、組網(wǎng)方便，已被多家環(huán)保監理部門(mén)采用，取得了良好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

1 系統組成及主要功能

環(huán)保設備運行監測系統由環(huán)保設備運行記錄儀、讀碼器和管理計算機組成。記錄儀安裝于環(huán)保設備運行現場(chǎng)，全天候監測并記錄環(huán)保設備的運行狀況和主要污染物排放指標；讀碼器用于控制和操作記錄儀的運行及對記錄儀進(jìn)行數據讀??；管理計算機用于對原始數據進(jìn)行統計、報表、存儲及查詢(xún)。記錄儀既可單機運行，也可組成區域性環(huán)保監測網(wǎng)，如圖1所示。

記錄儀是整個(gè)系統的核心，其主要功能如下：

（1）記錄儀共8個(gè)數據采集通道，可接受來(lái)自現場(chǎng)儀表或傳感器輸出的4～20mA（或0～10mA）的電流信號。每一通道可根據監視對象自由設定為開(kāi)關(guān)量通道（實(shí)時(shí)記錄環(huán)保設備開(kāi)機/關(guān)機運行情況）、累積量通道（如對排放的污水流量進(jìn)行累積）或瞬時(shí)量通道（記錄排入污染物濃度）。

（2）記錄儀能產(chǎn)生本身的運行記錄（記錄儀上電/掉電時(shí)間）。

（3）可通過(guò)讀碼器或管理計算機設定被監測環(huán)保設備的工作電流范圍，對被監測環(huán)保設備的工作電流發(fā)出超限報警。

（4）記錄儀提供了與管理計算機和讀碼器通訊的標準RS-232接口。

（5）記錄儀內置通用MODEM及MODEM控制器，可與管理計算機遠程通訊。

2 硬件設計

根據功能要注和記錄儀的工作特點(diǎn)，我們在設計時(shí)主要從記錄儀運行可靠性、記錄數據準確性及數據存儲容量三個(gè)方面考慮。記錄儀采用ATMEL公司的AT89C52單片機，片內集成了8K FLASH程序存儲器，不需外擴程序存儲器，提高了系統運行穩定性。圖2給出了記錄儀的結構框圖。

2.1 數據采集通道

數據采集通道A/D轉換器件選用了美國TI公司的高性能10位串行A/D轉換器TLC1549，該A/D轉換器為CMSO工藝，采樣頻率可達40kHz，具有較寬的工作電壓范圍（3～6V，典型值為5V），功耗低，與單片機接口簡(jiǎn)單，占用資源少（三線(xiàn)接口）。

2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

為了能準確記錄環(huán)保設備的開(kāi)機/關(guān)機時(shí)間，記錄儀采用了廣泛應用于各類(lèi)工控儀表中的DALLAS日歷芯片DS12887。DS12887內置電池和晶振，可直接掛在單片機數據總線(xiàn)上，運行穩定性好、精度高，免維護時(shí)間可達10年以上，滿(mǎn)足了記錄儀對時(shí)間的要求。并且其內部有可掉電記憶的114字節RAM，為記錄儀的掉電系統維護提供了方便。

2.3 大容量閃速存儲器

記錄儀要求具有掉電記憶的大容量數據存儲器，通過(guò)比較測試，選用TI公司的閃速存儲器FLASH-MEMORY TMS29F040（512KB 8-bit EEPROM）。記錄儀除具有擴展512KB的閃速存儲器外，還有多個(gè)I/O接口芯片，所需地址空間已超出51系列單片機常規64KB片外RAM文憑間。64KB的空間是由16根地址線(xiàn)決定的，它由P0口提供低8位，P2口提供高8位。要想擴大空間，只有增加地址線(xiàn)，如可將P1口線(xiàn)當作地址線(xiàn)。本系統中，擴展512KB的閃速存儲器需增加3根地址線(xiàn)，而P1口線(xiàn)有P1.7可用。為此我們采用了圖3所示的線(xiàn)選方法，實(shí)現了超大容量存儲器擴展。

圖3中的日歷芯片DS12887、并行輸出口74HC377（1、2、3）的地址與閃速存儲器TMS29F040的地址重疊，但當置P1.7為“1”，閃速存儲器TMS29F040的片選信號無(wú)準備，此時(shí)CPU可對上述I/O接口芯片操作。并行輸出口74HC377（1）的輸出Q0、Q1、Q2作為閃速存儲TMS29F040的高三位地址A16、A17、A18，輸出Q3、Q4、Q5作為采樣通道多路模擬開(kāi)關(guān)的通道地址A、B、C。當CPU對閃速存儲器TMS29F040操作時(shí)，先置P1.7為“1”，通過(guò)并行輸出口74HC377（1）的Q0、Q1、Q2輸出閃速存儲器TMS29F040的高3位地址A16、A17、A18，然后清P1.7為“0”，選中閃速存儲器TMS29F040，即可按常規方式進(jìn)行編程。程序如下：

SETB P1.7

MOV A，#add ；#add為閃速存儲器TMS29F040的高3位地址。

MOV DPTR，#0FDFFH ；FDFFH為并行輸出口74HC377（1）的地址

MOVX @DPTR，A

CLR P1.7 ……

2.4 通訊接口

根據記錄儀具有“黑匣子”功能的特點(diǎn)，設計時(shí)為簡(jiǎn)化人機界面，僅保留必要的通道狀態(tài)LED顯示，記錄儀各種初始化及記錄數據抄取均通過(guò)串口通訊完成。采用MAXIM公司的MAX202單+5V電源RS-232接口芯片提供與PC通訊的標準RS-232電平。通訊分近程和遠程兩種方式，近程通訊直接通過(guò)標準RS-232口，而遠程通訊則通過(guò)內置遠傳模塊來(lái)實(shí)現。

3 軟件設計

記錄儀軟件主要由采樣濾波、數據記錄、數據庫管理、通訊管理等功能模塊組成。

3.1 采樣濾波模塊

該模塊根據設定的采周期將八個(gè)通道的模擬信號經(jīng)過(guò)A/D轉換器輸入到數據緩沖區內，通過(guò)平均值濾波算法濾除信號中的工頻干擾，以提高記錄數據準確性。

3.2 數據記錄模塊

記錄儀的八個(gè)通道均可自由設定為開(kāi)關(guān)量、累積量或瞬時(shí)量通道，程序首先判斷各通道的記錄類(lèi)型，然后根據通道類(lèi)型對采樣數據做相應處理以產(chǎn)生對應的運行記錄。圖4給出了該模塊的流程圖。

為了防止記錄儀掉電時(shí)丟失數據，記錄數據緩沖區開(kāi)設在DS12887非揮發(fā)RAM單元中，上電時(shí)程序對記錄數據緩沖區狀態(tài)分析并處理，以保證數據的完整。

3.3 通訊管理模塊

對記錄儀的所有操作都是通過(guò)RS-232串口通訊來(lái)實(shí)現的。通訊管理模塊完成操作命令的接收、糾錯、密碼及序列號識別、命令解釋及散轉執行、數據發(fā)送等功能。

3.4 數據庫管理模塊

該模塊用于運行數據的查詢(xún)、存儲管理、數據刪除等功能。讀碼器或管理計算機通過(guò)RS-232串口以通道號和記錄時(shí)間范圍位關(guān)鍵字讀取保存在記錄儀閃速存儲器中的運行數據，管理模塊根據上述關(guān)鍵字進(jìn)行檢索，將符合條件的記錄送往發(fā)送緩沖區，由通訊管理模塊通過(guò)串口發(fā)送。

記錄儀產(chǎn)生的運行記錄交由數據庫管理模塊編程寫(xiě)入閃速存儲器。編程前先判斷剩余存儲容量大小。若剩余字節不能寫(xiě)下一條完整記錄時(shí)，管理模塊將整理存儲區以獲取存儲空間，讀碼器或管理計算機可查詢(xún)記錄儀剩余存儲容量百分比。

記錄儀工作環(huán)境較差，容易受到電磁干擾。為了提高記錄儀運行的可靠性，除采用指令冗余和軟件陷阱等措施外，硬件上還采用了“看門(mén)狗”MAX813L，在程序彈飛到一個(gè)臨時(shí)構成死循環(huán)中，冗余指令和軟件陷阱均無(wú)能為力而造成“死機”時(shí)，強制系統復位。