基于Intel单片机的智能烟气分析仪器监控平台
2020-06-12
工业燃烧过程所释放出的烟气是现代城市大气污染源，烟气检测是大气环境检测中必要的项目，它是确定重点污染源并对污染源进行检测和控制的基本手段。为了控制燃烧过程的燃烧空气比，提高燃烧效率，节约能源，减少大气污染，必须可靠地测量烟气中各种气体的含量。本文针对烟气分析，介绍了一种基于Intel单片机的智能仪器监控平台。
2 监控平台的硬件结构设计
硬件配置应针对分析检测器的不同组合方式可在各模块中选择，如该平台用于二组分分析时，则只接入两路的操作回路和信号回路，其他两路不接，由于硬件模块的独立特性，配合软件的系统参数设置功能，系统完全可以正常工作，未接入的回路对工作回路不产生影响。监控平台的硬件结构如图1所示。
图1 监控平台硬件结构图
3 各功能模块硬件详细设计
3.1 单片机的选择与存储器模块设计
智能仪器的核心是单片微机，其性能对整个嵌入系统性能有重要影响。选择时既要考虑到工业应用的背景、功能具有一定先进性和高可靠性，又须满足分析仪器多品种、小批量的功能平台要求，易于开发移植和更新换代。为此，确定Intel公司的80C196kc芯片作为分析仪器信息处理单片，构造便携式仪器监控平台。
本监控平台选用的是ATMEL公司生产的32k字节的闪速存储器29C256，工作电压为5v，一旦工作电压低于3.8V时禁止编程功能。它既有SRAM的速度和易擦写性，又能像EEPROM那样掉电后保持数据和在线可写特性，具有读写功能，掉电下可保存数据。硬件设计方法如图2所示。80C196kc的P4口作为地址的高位使用，P3口作为地址的低位和8位数据线分时使用，74LS373用于低位地址锁存。
图2 存储器硬件电路设计
3.2 A/D采样及数据处理模块
80C196kc片内A/D模块共有8路采样通道，精度为10位（其中可靠精度为8位），本监控平台已用其中两路：其中一路用于热电偶测温，若检测到热电偶通道电压异常，即报警提示热电偶开路;另一路用于仪器电池电压检测，检测结果通过液晶显示器显示，便于用户随时了解电池电量，以免电压过低对传感器造成损害;其余六路待用。片外选用的是MAXIM公司生产的12位A/D采样芯片——MAX197，负责完成6路不同传感器的信号采样及环境温度、烟气温度的检测。该芯片是28脚的双列直插封装，工作电压为5V，有8个模拟输入口，完成一次转化的时间为6μS。
由于经分析仪器传感器转换后的电信号是0～1V，显然不能用内部参考电压模式进行采样，所以系统选用外部参考电压方式。但是作者在实际使用中发现，外部参考电压不能过低。试验表明，当外部参考低于1V时，在输入的模拟量在90 mV以下时，采样的结果明显不准确，有很严重的非线性，甚至出现明显死区。所以监控平台在传感器与A/D采样芯片之间加入了放大器，将传感器传给A/D采样芯片的信号放大至0～2V，通过计算可知此时的外部参考电压VREF=2/1.2207=1.6384V，事实证明这种方法起到了良好的作用，A/D采样芯片发挥了良好的性能，满足了监控平台的要求。
3.3 LCD液晶显示模块
LCD液晶显示器是人机界面的重要窗口，也是本监控平台的特色之一，本平台所有人机交互功能皆通过LCD结合键盘完成。键盘采用的是2×4触摸按键设计，占用CPU的6个I/O口，其中一个按键与仪器启动电路相连，成为该分析仪器的启动键。液晶显示器采用的是240×128点阵式大屏幕宽视角液晶显示器（LCD），显示模块的外部接口引脚共有21个，其中Pin18脚为显示字符的字体选择引脚，接高电平则显示的字体为8×6，接低电平则显示的字体为8×8。该液晶屏内置驱动器T6963C及周边电路，具有硬件初始化功能。
LCD的Pin4脚为显示区域对比度调节管脚，接入电压可以在-6V～18V之间调节。本监控平台选用MAXIM公司生产8引脚双列直插封装的MAX749芯片来提供液晶屏的辉度调节的震荡电压。该芯片是专为LCD对比度电压调节而设计的，其输出电压具有良好的可调性，可以通过数字控制、电位调节、PWM控制工三种方法实现。起工作电路如图3。
图3 MAX749工作电路设计
3.4 红外打印及串口通讯模块
根据红外打印协议，打印模块硬件部分主要由红外物理层包括红外收发器及编解码硬件电路实现。其中物理层编解码采用了惠普公司红外3/16的编解码芯片——hp-7001，此芯片使用1.63μs或者3/16脉冲模式收发信号，可对波特率编程。红外收发器采用安捷伦的hsdl-3610，它全兼容IrDA 1.1，最高传输速率可达4Mbps,连接距离大于1.5米且耗电较少。考虑到单片机80C196kc的串行接口要用于数据通讯,所以改用HSO、HSI实现红外打印的类串口数据输出输入。由于80C196kc和hp7001的接收发送脚都是TTL电平，可直接相连，无需MAX232等电平转换芯片。考虑到9600bps是红外通讯协议的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps进行通讯。
串口通信使用了80C196kc的串行数据接口，采用RS-232方式，由MAX232实现串行信号的电平转换。采用8位数据位、一位停止位、无奇偶校验位的传输方式，提供4800、9600、19200三种波特率供用户选择，以适用于计算机通讯的需要。通讯时只需用在仪器与计算机之间用串口线连接，运行相应程序，即可完成数据的传输。该通信只传送已存入flash中的历史采样数据，最多一次可传送40组数据，每组数据均包括所有采样参数、计算参数及数据存储时的系统参数（如日期时间、燃料类型等）。
3.5 电源启动及转换模块
由于便携式分析仪器采用蓄电池供电，减少整机电流和待机电流、降低损耗变得极为重要。传感器部分的工作电压为12V，而单片系统采用5V供电，因此，控制平台选用了直-交-直变换模块完成电源转换。选用XR031电压转换模块，其转换效率达80%。启动电路采用CMOS芯片，组成带施密特整形的flip-flop电路，由仪器键盘上的启动键控制开、关机。关机状态下电池仍对该部分电路供电，其电流极小，约为4～8微安，工作状态下CPU内部A/D采样模块对其进行电压检测，当电压低于设定时，置输出端口为有效电平，该电平经微分电路产生+12V尖脉冲触发flip-flop电路翻转，实现强行关机。本监控系统正常工作时功耗电流为50～60mA（LCD背光关闭，不包括泵电流），整机电流最大为140mA（LCD背光开启）。电源转换及启动硬件设计如图4。
图4 电源启动及转换电路
3.6 时钟模块
本次设计采用了一块实时钟芯片DS12C887，它是微机中常用的时钟芯片。该芯片是24脚双列直插封装的一个集成组件，组件中包含石英晶体、锂电池、实时时钟、日历时钟、报警时钟、和128个字节的RAM，其中15个字节用作实时钟的控制寄存器，其余113个字节可作普通RAM使用，其中数据也可以十年不丢失，DS12C887的年月日、时分秒等信息都放在内部寄存器中。
4 监控平台的软件设计
监控平台的软件系统采用C程序设计，使用C96编译器，版本为5.3版。尽管该编译器占用程序空间比汇编语言编译器大，但程序开发周期大大减少，调试效率及可读性均明显优于汇编语言，且原程序可更加方便地移植于其他型号芯片中，便于产品的更新换代。
本监控平台软件系统为多任务实时操作系统，主要分为人机界面、串口通讯、数据处理、红外打印、操作控制五大功能模块，软件结构框图如图5所示。由于系统采用模块化设计，各模块自成体系，可独立调试，有利于系统集成也便于形成其他分析仪器的监控程序。本软件系统支持中英文两种版本的界面供用户操作选择，其LCD显示页面达60多个，字库汉字超过250个，编译后程序代码约为52Kb。
图5 软件系统设计
整个软件系统使用超循环系统（Super-Loops）结构，应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成规定的操作，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理，这部分可以看成任务级处理。中断服务程序处理异步事件，这部分看成中断级处理。本系统包括A/D采样、HSO实时中断、HSO事件中断、串行通讯等模块，为保证实时性，中断服务程序只包含标志处理，其隐含功能如采样值的滤波，HSO事件排队均由任务级处理。实时多任务按任务级别分类处理，在各界面处理模块中均包含时间事件处理模块，以确保定时事件处理。
本文作者创新点：
强大的CPU和良好的模块性使本监控平台的研究为智能分析仪器提供了具有ARC功能的设计平台，通过软硬件模块的选择可基本实现各种不同需求的组合式分析仪。系统提高了分析仪器本身的自动化水平，分析仪器的自动校准和诊断。
