一种环保设备运行记录仪的研制

由于缺乏对污染处理设施运行状况和污染排放指标监控手段,影响了环保部门监督管理力度。我们研制开发了系列化的环保设备运行监测系统。本系统工作稳定、记录数据准确、存储容量大、组网方便,已被多家环保监理部门采用,取得了良好的社会效益和经济效益。

1 系统组成及主要功能

环保设备运行监测系统由环保设备运行记录仪、读码器和管理计算机组成。记录仪安装于环保设备运行现场,全天候监测并记录环保设备的运行状况和主要污染物排放指标;读码器用于控制和操作记录仪的运行及对记录仪进行数据读取;管理计算机用于对原始数据进行统计、报表、存储及查询。记录仪既可单机运行,也可组成区域性环保监测网,如图1所示。

记录仪是整个系统的核心,其主要功能如下:

(1)记录仪共8个数据采集通道,可接受来自现场仪表或传感器输出的4～20mA(或0～10mA)的电流信号。每一通道可根据监视对象自由设定为开关量通道(实时记录环保设备开机/关机运行情况)、累积量通道(如对排放的污水流量进行累积)或瞬时量通道(记录排放污染物浓度)。

(2)记录仪能产生本身的运行记录(记录仪上电/掉电时间)。

(3)可通过读码器或管理计算机设定被监测环保设备的工作电流范围,对被监测环保设备的工作电流发出超限报警。

(4)记录仪提供了与管理计算机和读码器通讯的标准RS-232接口。

(5)记录仪内置通用MODEM及MODEM控制器,可与管理计算机远程通讯。

2 硬件设计

根据功能要求和记录仪的工作特点,我们在设计时主要从记录仪运行可靠性、记录数据准确性及数据存储容量三个方面考虑。记录仪采用ATMEL公司的AT89C52 单片机,片内集成了8K FLASH 程序存储器,不需外扩程序存储器,提高了系统的运行稳定性。图2给出了记录仪的结构框图。

2.1 数据采集通道

数据采集通道A/D转换器选用了美国TI公司的高性能10位串行A/D转换器TLC1549,该A/D转换器为CMOS工艺,采样频率可达40kHz，具有较宽的工作电压范围(3～6V，典型值为5V),功耗低,与单片机接口简单,占用资源少(三线接口)。

2.2 实时时钟

为了能准确记录环保设备的开机/关机时间,记录仪采用了广泛应用于各类工控仪表中的DALLAS日历芯片DS12887。DS12887内置电池和晶振,可直接挂在单片机数据总线上,运行稳定性好、精度高,免维护时间可达10年以上,满足了记录仪对时间的要求。并且其内部有可掉电记忆的114字节RAM,为记录仪的掉电系统维护提供了方便。

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2.3 大容量闪速存储器

记录仪要求具有掉电记忆的大容量数据存储器,通过比较测试,选用TI公司的闪速存储器FLASH-MEMORY TMS29F040(512KB 8-bit EEPROM)。记录仪除具有扩展512KB的闪速存储器外,还有多个I/O接口芯片,所需地址空间已超出51系列单片机常规64KB片外RAM空间。64KB的空间是由16根地址线决定的,它由P0口提供低8位,P2口提供高8位。要想扩大空间,只有增加地址线,如可将P1口线当作地址线。本系统中,扩展512KB的闪速存储器需增加3根地址线,而P1口线仅有P1.7可用。为此我们采用了图3所示的线选方法,实现了超大容量存储器扩展。

图3中的日历芯片DS12887、并行输出口74HC377(1、2、3)的地址与闪速存储器TMS29F040的地址重叠,但当置P1.7为“1”时,闪速存储器TMS29F040的片选信号无效,此时CPU可对上述I/O接口芯片操作。并行输出口74HC377(1)的输出Q0、Q1、Q2作为闪速存储器TMS29F040的高三位地址A16、A17、A18,输出Q3、Q4、Q5作为采样通道多路模拟开关的通道地址A、B、C。当CPU对闪速存储器TMS29F040操作时,先置P1.7为“1”,通过并行输出口74HC377(1)的Q0、Q1、Q2输出闪速存储器TMS29F040的高3位地址A16、A17、A18,然后清P1.7为“0”,选中闪速存储器TMS29F040,即可按常规方式进行编程。程序如下:

       SETB  P1.7

　　MOV  A, #add      　;#add为闪速存储器TMS29F040的高3位地址。

　　MOV DPTR,#0FDFFH    ;FDFFH 为并行输出口74HC377(1)的地址。

　　MOVX @DPTR,A

　　CLR   P1.7  ......

2.4 通讯接口

根据记录仪具有“黑匣子”功能的特点,设计时为简化人机界面,仅保留必要的通道状态LED显示,记录仪各种初始化及记录数据抄取均通过串口通讯完成。采用MAXIM公司的MAX202单+5V电源RS-232接口芯片提供与PC通讯的标准RS-232电平。通讯分近程和远程两种方式,近程通讯直接通过标准RS-232口,而远程通讯则通过内置远传模块来实现。

3 软件设计

记录仪软件主要由采样滤波、数据记录、数据库管理、通讯管理等功能模块组成。

3.1 采样滤波模块

该模块根据设定的采样周期将八个通道的模拟信号经过A/D转换器输入到数据缓冲区内,通过平均值滤波算法滤除信号中的工频干扰,以提高记录数据的准确性。

3.2 数据记录模块

记录仪的八个通道均可自由设定为开关量、累积量或瞬时量通道,程序首先判断各通道的记录类型,然后根据通道类型对采样数据做相应处理以产生对应的运行记录。图4给出了该模块的流程图。

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为了防止记录仪掉电时丢失数据,记录数据缓冲区开设在DS12887非挥发RAM单元中,上电时程序对记录数据缓冲区状态分析并处理,以保证数据的完整。

3.3 通讯管理模块

对记录仪的所有操作都是通过RS-232串口通讯来实现的。通讯管理模块完成操作命令的接收、纠错、密码及序列号识别、命令解释及散转执行、数据发送等功能。

3.4 数据库管理模块

该模块用于运行数据的查询、存储管理、数据删除等功能。读码器或管理计算机通过RS-232串口以通道号和记录时间范围位关键字读取保存在记录仪闪速存储器中的运行数据,管理模块根据上述关键字进行检索,将符合条件的记录送往发送缓冲区,由通讯管理模块通过串口发送。

记录仪产生的运行记录交由数据库管理模块编程写入闪速存储器。编程前先判断剩余存储容量大小。若剩余字节不能写下一条完整记录时,管理模块将整理存储区以获取存储空间,读码器或管理计算机可查询记录仪剩余存储容量百分比。

记录仪工作环境较差,容易受到电磁干扰。为了提高记录仪运行的可靠性,除采用指令冗余和软件陷阱等措施外,硬件上还采用了“看门狗”MAX813L,在程序弹飞到一个临时构成的死循环中,冗余指令和软件陷阱均无能为力而造成“死机”时,强制系统复位。

参考文献

1 孙函芳,徐爱卿.MCS-51/96系列单片机原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,1996

2 周航慈.单片机应用程序设计技术.北京:北京航空航天大学出版社,1991