摘要：介紹了以AT89C52單片機為核心的環(huán)保設(shè)備運行記錄儀及軟、軟件的設(shè)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(jiān)測 記錄儀

由于缺乏對污染處理設(shè)施運行狀況和污染排放指標(biāo)監(jiān)控手段，影響了環(huán)保部門監(jiān)督管理力度。我們研制開發(fā)了系列化的環(huán)保設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、存儲容量大、組網(wǎng)方便，已被多家環(huán)保監(jiān)理部門采用，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)組成及主要功能

環(huán)保設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)由環(huán)保設(shè)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(shè)備運行現(xiàn)場，全天候監(jiān)測并記錄環(huán)保設(shè)備的運行狀況和主要污染物排放指標(biāo)；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(shù)據(jù)讀?。还芾碛嬎銠C用于對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、報表、存儲及查詢。記錄儀既可單機運行，也可組成區(qū)域性環(huán)保監(jiān)測網(wǎng)，如圖1所示。

記錄儀是整個系統(tǒng)的核心，其主要功能如下：

（1）記錄儀共8個數(shù)據(jù)采集通道，可接受來自現(xiàn)場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(jù)監(jiān)視對象自由設(shè)定為開關(guān)量通道（實時記錄環(huán)保設(shè)備開機/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/掉電時間）。

（3）可通過讀碼器或管理計算機設(shè)定被監(jiān)測環(huán)保設(shè)備的工作電流范圍，對被監(jiān)測環(huán)保設(shè)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(biāo)準(zhǔn)RS-232接口。

（5）記錄儀內(nèi)置通用MODEM及MODEM控制器，可與管理計算機遠(yuǎn)程通訊。

2 硬件設(shè)計

根據(jù)功能要注和記錄儀的工作特點，我們在設(shè)計時主要從記錄儀運行可靠性、記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)存儲容量三個方面考慮。記錄儀采用ATMEL公司的AT89C52單片機，片內(nèi)集成了8K FLASH程序存儲器，不需外擴程序存儲器，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。圖2給出了記錄儀的結(jié)構(gòu)框圖。

2.1 數(shù)據(jù)采集通道

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

2.2 實時時鐘

為了能準(zhǔn)確記錄環(huán)保設(shè)備的開機/關(guān)機時間，記錄儀采用了廣泛應(yīng)用于各類工控儀表中的DALLAS日歷芯片DS12887。DS12887內(nèi)置電池和晶振，可直接掛在單片機數(shù)據(jù)總線上，運行穩(wěn)定性好、精度高，免維護時間可達(dá)10年以上，滿足了記錄儀對時間的要求。并且其內(nèi)部有可掉電記憶的114字節(jié)RAM，為記錄儀的掉電系統(tǒng)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(shù)據(jù)存儲器，通過比較測試，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I/O接口芯片，所需地址空間已超出51系列單片機常規(guī)64KB片外RAM文憑間。64KB的空間是由16根地址線決定的，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，如可將P1口線當(dāng)作地址線。本系統(tǒng)中，擴展512KB的閃速存儲器需增加3根地址線，而P1口線有P1.7可用。為此我們采用了圖3所示的線選方法，實現(xiàn)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(dāng)置P1.7為“1”，閃速存儲器TMS29F040的片選信號無準(zhǔn)備，此時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關(guān)的通道地址A、B、C。當(dāng)CPU對閃速存儲器TMS29F040操作時，先置P1.7為“1”，通過并行輸出口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(guī)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(jù)記錄儀具有“黑匣子”功能的特點，設(shè)計時為簡化人機界面，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(shù)據(jù)抄取均通過串口通訊完成。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(biāo)準(zhǔn)RS-232電平。通訊分近程和遠(yuǎn)程兩種方式，近程通訊直接通過標(biāo)準(zhǔn)RS-232口，而遠(yuǎn)程通訊則通過內(nèi)置遠(yuǎn)傳模塊來實現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計

記錄儀軟件主要由采樣濾波、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)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(jù)設(shè)定的采周期將八個通道的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器輸入到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，通過平均值濾波算法濾除信號中的工頻干擾，以提高記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.2 數(shù)據(jù)記錄模塊

記錄儀的八個通道均可自由設(shè)定為開關(guān)量、累積量或瞬時量通道，程序首先判斷各通道的記錄類型，然后根據(jù)通道類型對采樣數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理以產(chǎn)生對應(yīng)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丟失數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)緩沖區(qū)開設(shè)在DS12887非揮發(fā)RAM單元中，上電時程序?qū)τ涗洈?shù)據(jù)緩沖區(qū)狀態(tài)分析并處理，以保證數(shù)據(jù)的完整。

3.3 通訊管理模塊

對記錄儀的所有操作都是通過RS-232串口通訊來實現(xiàn)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(zhuǎn)執(zhí)行、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

3.4 數(shù)據(jù)庫管理模塊

該模塊用于運行數(shù)據(jù)的查詢、存儲管理、數(shù)據(jù)刪除等功能。讀碼器或管理計算機通過RS-232串口以通道號和記錄時間范圍位關(guān)鍵字讀取保存在記錄儀閃速存儲器中的運行數(shù)據(jù)，管理模塊根據(jù)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(qū)，由通訊管理模塊通過串口發(fā)送。

記錄儀產(chǎn)生的運行記錄交由數(shù)據(jù)庫管理模塊編程寫入閃速存儲器。編程前先判斷剩余存儲容量大小。若剩余字節(jié)不能寫下一條完整記錄時，管理模塊將整理存儲區(qū)以獲取存儲空間，讀碼器或管理計算機可查詢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“看門狗”MAX813L，在程序彈飛到一個臨時構(gòu)成死循環(huán)中，冗余指令和軟件陷阱均無能為力而造成“死機”時，強制系統(tǒng)復(fù)位。