基于單片機(jī)的智能儀器監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

工業(yè)燃燒過(guò)程所釋放出的煙氣是現(xiàn)代城市大氣污染源，煙氣檢測(cè)是大氣環(huán)境檢測(cè)中必要的項(xiàng)目，它是確定重點(diǎn)污染源并對(duì)污染源進(jìn)行檢測(cè)和控制的基本手段。為了控制燃燒過(guò)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(cè)量煙氣中各種氣體的含量。本文針對(duì)煙氣分析，介紹了一種基于Intel單片機(jī)的智能儀器監(jiān)控平臺(tái)。

　　2 監(jiān)控平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　硬件配置應(yīng)針對(duì)分析檢測(cè)器的不同組合方式可在各模塊中選擇，如該平臺(tái)用于二組分分析時(shí)，則只接入兩路的操作回路和信號(hào)回路，其他兩路不接，由于硬件模塊的獨(dú)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(duì)工作回路不產(chǎn)生影響。監(jiān)控平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3 各功能模塊硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　3.1 單片機(jī)的選擇與存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

　　智能儀器的核心是單片微機(jī)，其性能對(duì)整個(gè)嵌入系統(tǒng)性能有重要影響。選擇時(shí)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(mǎn)足分析儀器多品種、小批量的功能平臺(tái)要求，易于開(kāi)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(tái)。

　　本監(jiān)控平臺(tái)選用的是ATMEL公司生產(chǎn)的32k字節(jié)的閃速存儲(chǔ)器29C256，工作電壓為5v，一旦工作電壓低于3.8V時(shí)禁止編程功能。它既有SRAM的速度和易擦寫(xiě)性，又能像EEPROM那樣掉電后保持?jǐn)?shù)據(jù)和在線可寫(xiě)特性，具有讀寫(xiě)功能，掉電下可保存數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計(jì)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(shí)使用，74LS373用于低位地址鎖存。

圖2 存儲(chǔ)器硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.2 A/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(tái)已用其中兩路：其中一路用于熱電偶測(cè)溫，若檢測(cè)到熱電偶通道電壓異常，即報(bào)警提示熱電偶開(kāi)路;另一路用于儀器電池電壓檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)液晶顯示器顯示，便于用戶(hù)隨時(shí)了解電池電量，以免電壓過(guò)低對(duì)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(hào)采樣及環(huán)境溫度、煙氣溫度的檢測(cè)。該芯片是28腳的雙列直插封裝，工作電壓為5V，有8個(gè)模擬輸入口，完成一次轉(zhuǎn)化的時(shí)間為6μS。

　　由于經(jīng)分析儀器傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)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(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，外部參考電壓不能過(guò)低。試驗(yàn)表明，當(dāng)外部參考低于1V時(shí)，在輸入的模擬量在90 mV以下時(shí)，采樣的結(jié)果明顯不準(zhǔn)確，有很?chē)?yán)重的非線性，甚至出現(xiàn)明顯死區(qū)。所以監(jiān)控平臺(tái)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(hào)放大至0～2V，通過(guò)計(jì)算可知此時(shí)的外部參考電壓VREF=2/1.2207=1.6384V，事實(shí)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(mǎn)足了監(jiān)控平臺(tái)的要求。

　　3.3 LCD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(tái)的特色之一，本平臺(tái)所有人機(jī)交互功能皆通過(guò)LCD結(jié)合鍵盤(pán)完成。鍵盤(pán)采用的是2×4觸摸按鍵設(shè)計(jì)，占用CPU的6個(gè)I/O口，其中一個(gè)按鍵與儀器啟動(dòng)電路相連，成為該分析儀器的啟動(dòng)鍵。液晶顯示器采用的是240×128點(diǎn)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(gè)，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(dòng)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(tái)選用MAXIM公司生產(chǎn)8引腳雙列直插封裝的MAX749芯片來(lái)提供液晶屏的輝度調(diào)節(jié)的震蕩電壓。該芯片是專(zhuān)為L(zhǎng)CD對(duì)比度電壓調(diào)節(jié)而設(shè)計(jì)的，其輸出電壓具有良好的可調(diào)性，可以通過(guò)數(shù)字控制、電位調(diào)節(jié)、PWM控制工三種方法實(shí)現(xiàn)。起工作電路如圖3。

圖3 MAX749工作電路設(shè)計(jì)

　　3.4 紅外打印及串口通訊模塊

　　根據(jù)紅外打印協(xié)議，打印模塊硬件部分主要由紅外物理層包括紅外收發(fā)器及編解碼硬件電路實(shí)現(xiàn)。其中物理層編解碼采用了惠普公司紅外3/16的編解碼芯片——hp-7001，此芯片使用1.63μs或者3/16脈沖模式收發(fā)信號(hào)，可對(duì)波特率編程。紅外收發(fā)器采用安捷倫的hsdl-3610，它全兼容IrDA 1.1，最高傳輸速率可達(dá)4Mbps,連接距離大于1.5米且耗電較少。考慮到單片機(jī)80C196kc的串行接口要用于數(shù)據(jù)通訊,所以改用HSO、HSI實(shí)現(xiàn)紅外打印的類(lèi)串口數(shù)據(jù)輸出輸入。由于80C196kc和hp7001的接收發(fā)送腳都是TTL電平，可直接相連，無(wú)需MAX232等電平轉(zhuǎn)換芯片。考慮到9600bps是紅外通訊協(xié)議的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps進(jìn)行通訊。