基于單片機的智能儀器監控平臺設計

工業燃燒過程所釋放出的煙氣是現代城市大氣污染源，煙氣檢測是大氣環境檢測中必要的項目，它是確定重點污染源并對污染源進行檢測和控制的基本手段。為了控制燃燒過程的燃燒空氣比，提高燃燒效率，節約能源，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單片機的智能儀器監控平臺。

　　2 監控平臺的硬件結構設計

　　硬件配置應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，配合軟件的系統參數設置功能，系統完全可以正常工作，未接入的回路對工作回路不產生影響。監控平臺的硬件結構如圖1所示。

圖1 監控平臺硬件結構圖

　　3 各功能模塊硬件詳細設計

　　3.1 單片機的選擇與存儲器模塊設計

　　智能儀器的核心是單片微機，其性能對整個嵌入系統性能有重要影響。選擇時既要考慮到工業應用的背景、功能具有一定先進性和高可靠性，又須滿足分析儀器多品種、小批量的功能平臺要求，易于開發移植和更新換代。為此，確定Intel公司的80C196kc芯片作為分析儀器信息處理單片，構造便攜式儀器監控平臺。

　　本監控平臺選用的是ATMEL公司生產的32k字節的閃速存儲器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那樣掉電后保持數據和在線可寫特性，具有讀寫功能，掉電下可保存數據。硬件設計方法如圖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位數據線分時使用，74LS373用于低位地址鎖存。

圖2 存儲器硬件電路設計

　　3.2 A/D采樣及數據處理模塊

　　80C196kc片內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公司生產的12位A/D采樣芯片——MAX197，負責完成6路不同傳感器的信號采樣及環境溫度、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，完成一次轉化的時間為6μS。

　　由于經分析儀器傳感器轉換后的電信號是0～1V，顯然不能用內部參考電壓模式進行采樣，所以系統選用外部參考電壓方式。但是作者在實際使用中發現，外部參考電壓不能過低。試驗表明，當外部參考低于1V時，在輸入的模擬量在90 mV以下時，采樣的結果明顯不準確，有很嚴重的非線性，甚至出現明顯死區。所以監控平臺在傳感器與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采樣芯片發揮了良好的性能，滿足了監控平臺的要求。

　　3.3 LCD液晶顯示模塊

　　LCD液晶顯示器是人機界面的重要窗口，也是本監控平臺的特色之一，本平臺所有人機交互功能皆通過LCD結合鍵盤完成。鍵盤采用的是2×4觸摸按鍵設計，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。該液晶屏內置驅動器T6963C及周邊電路，具有硬件初始化功能。

　　LCD的Pin4腳為顯示區域對比度調節管腳，接入電壓可以在-6V～18V之間調節。本監控平臺選用MAXIM公司生產8引腳雙列直插封裝的MAX749芯片來提供液晶屏的輝度調節的震蕩電壓。該芯片是專為LCD對比度電壓調節而設計的，其輸出電壓具有良好的可調性，可以通過數字控制、電位調節、PWM控制工三種方法實現。起工作電路如圖3。

圖3 MAX749工作電路設計

　　3.4 紅外打印及串口通訊模塊

　　根據紅外打印協議，打印模塊硬件部分主要由紅外物理層包括紅外收發器及編解碼硬件電路實現。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脈沖模式收發信號，可對波特率編程。紅外收發器采用安捷倫的hsdl-3610，它全兼容IrDA 1.1，最高傳輸速率可達4Mbps,連接距離大于1.5米且耗電較少。考慮到單片機80C196kc的串行接口要用于數據通訊,所以改用HSO、HSI實現紅外打印的類串口數據輸出輸入。由于80C196kc和hp7001的接收發送腳都是TTL電平，可直接相連，無需MAX232等電平轉換芯片。考慮到9600bps是紅外通訊協議的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps進行通訊。