基于單片機(jī)的煤氣濃度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了煤氣濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集、處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)為核心，由防爆型煤氣濃度監(jiān)測器、AD0832及8端口HUB組成，應(yīng)用于煤氣生產(chǎn)各關(guān)鍵部位的煤氣濃度監(jiān)控。該系統(tǒng)通過RS-485實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)(IPC)通信，并由多個(gè)模塊與工控機(jī)(IPC)一起構(gòu)成基于單片機(jī)模塊的測控網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；工控機(jī)；網(wǎng)絡(luò)；RS-485通信

0 引言

長期以來，煤氣廠工房車間內(nèi)煤氣濃度僅依靠工人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷監(jiān)測，這不僅給生產(chǎn)帶來了不安全因素，也為事故的發(fā)生埋下隱患。因此，有必要設(shè)計(jì)一種多點(diǎn)煤氣濃度實(shí)時(shí)采集監(jiān)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能在工控機(jī)(IPC)上實(shí)時(shí)顯示測量點(diǎn)的煤氣濃度，在測點(diǎn)濃度超過設(shè)定臨界值時(shí)能自動(dòng)接通軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排送、吹散并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警，還可通過工控機(jī)繪制整個(gè)生產(chǎn)過程中同一測點(diǎn)的濃度變化曲線圖。該監(jiān)測系統(tǒng)對煤氣廠安全生產(chǎn)有著重要意義。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的煤氣濃度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用具有國家安全認(rèn)證的EXDII型煤氣濃度監(jiān)測器作為傳感器監(jiān)測車間機(jī)房內(nèi)的煤氣濃度，系統(tǒng)包括8個(gè)濃度監(jiān)測模塊，一個(gè)RS-4858口HUB，一臺(tái)工控機(jī)(IPC)及信號電纜。濃度監(jiān)測模塊是由89S52為處理器，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、故障檢測功能的控制電路構(gòu)成。每個(gè)模塊測量8點(diǎn)濃度，系統(tǒng)共采集64點(diǎn)濃度數(shù)據(jù)，每個(gè)監(jiān)測模塊采用一個(gè)AD0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過其八選一多路選通功能控制分時(shí)采樣的八個(gè)監(jiān)測器輸入信號的輸入。

每個(gè)模塊采用支持RS--485半雙工通信的芯片SN75LBCl84實(shí)現(xiàn)單片機(jī)到RS-485網(wǎng)絡(luò)通信。八個(gè)模塊通過一個(gè)RS-485光電隔離一拖入口的HUB實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。該模塊擁有RS-485到RS-232自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，可直接連接工控機(jī)IPC的串行COM口，各監(jiān)測模塊采集的數(shù)據(jù)通過8口HUB傳輸?shù)焦た貦C(jī)，并在工控機(jī)進(jìn)一步處理、顯示。

1.1煤氣濃度監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

煤氣濃度監(jiān)測模塊以單片機(jī)AT89S52為核心進(jìn)行煤氣濃度的采集、數(shù)據(jù)傳輸及故障檢測。電路如圖2所示。

單片機(jī)P0.0-P0.2口通過鎖存器74LS373接AD0832的ADDA、ADDB、ADDC端，作為八路監(jiān)測器輸入信號的地址選通線分別對八路煤氣濃度輸入信號通道進(jìn)行選通并對輸入的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在其中一路信號轉(zhuǎn)換完成后，AD0832的EOC端向89S52發(fā)出中斷請求，單片機(jī)啟動(dòng)中斷子程序，由P0口從AD0832的D0-D7腳讀入并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，開始進(jìn)行下一路數(shù)據(jù)的采集。

煤氣濃度監(jiān)測器選用國家認(rèn)證EXDII型專用濃度監(jiān)測器，選用DC24V電源，輸出為1-5V信號(Ov為故障信號輸出)，有兩路繼電器輸出，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場兩級報(bào)警。

P2.0-P2.6、P1.3與一組8個(gè)MGA607光耦、驅(qū)動(dòng)管和JZX-22F／4Z DC24V繼電器一起構(gòu)成控制模塊，控制8臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)的起停。

在被測點(diǎn)煤氣集聚濃度達(dá)到安全濃度上限設(shè)定值時(shí)，P2.0-P2.6、P1.3相應(yīng)的管腳輸出高電平，驅(qū)動(dòng)MGA607工作，從而使驅(qū)動(dòng)管工作，使得JZX-22F／4Z繼電器線圈通電，繼電器常開點(diǎn)閉合，接通交流接觸器控制線圈回路，從而啟動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)對集聚在測點(diǎn)所在機(jī)房的煤氣進(jìn)行吹散；在被測點(diǎn)的煤氣濃度小于安全上限值時(shí)，P2.0-P2.6、P1.3相應(yīng)管腳輸出低電平，使MGA607截止，從而使得驅(qū)動(dòng)管截止，繼電器控制線圈回路被切斷，閉合的常開點(diǎn)斷開，切斷交流接觸器的控制線圈回路，斷開軸流風(fēng)機(jī)電源，軸流風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

1.2RS-485通信硬件設(shè)計(jì)

RS-485串行通信采用差分平衡的電氣接口。利用平衡驅(qū)動(dòng)，差分接收的方法，從根本上消除了信號地線。因此，RS-485可用于1200m的遠(yuǎn)距離，速度為1000kbps的高速通信；降低傳輸速度，傳輸距離可以更遠(yuǎn)；在一條總線上，允許同時(shí)存在32個(gè)接收器和32個(gè)發(fā)送器。

煤氣廠車間多為高跨度、大面積、多層混凝土結(jié)構(gòu)，其監(jiān)控操作室到各生產(chǎn)關(guān)鍵部位的距離多在60米以上。為了提高生產(chǎn)安全性，實(shí)時(shí)采集各關(guān)鍵點(diǎn)的煤氣濃度值，數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)盡量靠近測點(diǎn)，這就使該數(shù)據(jù)采集模塊分布面積較大，與中央工控機(jī)距離較遠(yuǎn)。因此，本系統(tǒng)選用RS-485串行通信，其轉(zhuǎn)換芯片用支持半雙工通信芯片SN75LBCl84。該芯片可以支持250kbps的速率，并具有瞬變高壓抑制功能，能抗雷擊、靜電放電，避免因交流電故障引起的非正常高壓脈沖沖擊。芯片A、B引腳為RS-485，總線接口分別與RS-485光隔一拖入口HUB的+AX，-BX(X=0～7)引腳相連接。D引腳是發(fā)送端，R引腳為接收端，分別與單片機(jī)串行口的RXD、TXD連接。RE、DE為收發(fā)使能端，與單片機(jī)的P1.6口相連，在檢測電路如圖2所示。

1.3RS-485總線到工控機(jī)(IPC)信號轉(zhuǎn)換

通用工控機(jī)上一般只有二個(gè)RS-232串行接口，即COMl口和COM2口，沒有RS-485接口。在當(dāng)前應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，往往是一臺(tái)工控機(jī)控制一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場RS-485網(wǎng)絡(luò)，這就意味著必然要實(shí)現(xiàn)在多個(gè)下位機(jī)與工控機(jī)之間的通信，即必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換與信號選通。

本系統(tǒng)選用RS-485光隔一拖入口HUB(HUB8485G)，它有1個(gè)上位機(jī)RS-485／RS-232口和8個(gè)下位機(jī)RS-485口。其下位機(jī)側(cè)可以分別接八個(gè)下位機(jī)的RS-485口。支持最高通信速率保證9600bps以上、實(shí)際可達(dá)38.4kbps，同時(shí)具有吸收浪涌電流的抗雷擊保護(hù)功能。HUB8485G適合所有半雙工通信軟件。其上位機(jī)端可以直接將RS-485信號轉(zhuǎn)換為RS-232信號，與工控機(jī)的串行COM口連接。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括：煤氣濃度采集模塊的濃度數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊與工控機(jī)通信部分的軟件設(shè)計(jì)(包括串口初始化、波特率設(shè)置、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。上位工控機(jī)溫度數(shù)據(jù)管理監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

2.1濃度數(shù)據(jù)采集軟件模塊設(shè)計(jì)

濃度數(shù)據(jù)采集軟件模塊流程如圖3所示。單片機(jī)采集的濃度數(shù)據(jù)及傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)貯在片內(nèi)RAM中，供上層軟件讀取。

2.2通信軟件模塊設(shè)計(jì)

各單片機(jī)采樣模塊的通信軟件流程如圖4所示。通信軟件采用從動(dòng)式中斷通信方式設(shè)計(jì)，預(yù)先設(shè)定好各模塊的單片機(jī)地址，當(dāng)單片機(jī)采樣模塊接收到上位工控機(jī)(IPC)的“啟動(dòng)采樣”指令時(shí)，單片機(jī)采樣模塊開始對該模塊的八個(gè)濃度監(jiān)測回路進(jìn)行采樣，并檢測其控制的傳感器的故障狀態(tài)。

當(dāng)單片機(jī)采樣模塊從上位工控機(jī)接收到“本模塊地址”時(shí)，啟動(dòng)該模塊與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，傳輸相應(yīng)的濃度數(shù)據(jù)以及煤氣濃度傳感器的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，而地址不符的單片機(jī)采樣模塊在此期間不與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.3PC端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

PC端監(jiān)控軟件用VC6.0編寫，主要實(shí)現(xiàn)煤氣濃度數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)及相應(yīng)點(diǎn)濃度曲線顯示，數(shù)據(jù)打印以及濃度數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能；若發(fā)現(xiàn)在給定的時(shí)間段內(nèi)，某采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)連續(xù)超過臨界值，發(fā)出報(bào)警信號。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)改變了過去車間機(jī)房煤氣濃度依靠崗位工人經(jīng)驗(yàn)判斷的落后狀況，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測、控制的自動(dòng)化，上位機(jī)還可以提供趨勢圖、歷史數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)自從投入試運(yùn)行以來，由煤氣濃度超標(biāo)而引發(fā)的中毒安全事故為零。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠，應(yīng)用效果良好。

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