單片機(jī)技術(shù)在彈庫環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用

李成新，趙鑫，盛廣能

（中國人民解放軍91004部隊(duì)，遼寧大連 116031）

0 引言

工業(yè)自動化控制在國防和軍隊(duì)建設(shè)中起著越來越重要的作用。利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計制作設(shè)備控制器，可在設(shè)定條件下控制彈庫內(nèi)不同種類、不同功能設(shè)備的工作狀態(tài)，從而達(dá)到自動監(jiān)控環(huán)境狀態(tài)的目的。每臺控制器負(fù)責(zé)控制一臺設(shè)備，設(shè)備類型包括排風(fēng)機(jī)、空調(diào)、除濕機(jī)、水泵等，控制器之間通過485總線并聯(lián)到主光纖，最后與上位機(jī)監(jiān)控主機(jī)連接。

1 基于單片機(jī)技術(shù)的控制器設(shè)計

1.1 單片機(jī)選型與功能

控制器CPU采用STC12C5628AD單片機(jī)[1][2]，內(nèi)置28 k Flash程序存儲器，用于存儲用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息，所有 Flash空間可做EEPROM空間使用，無需外接，操作便捷可靠。內(nèi)置768字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），用于存放程序執(zhí)行的中間結(jié)果和過程數(shù)據(jù)。它的特殊功能寄存器可以對片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。該單片機(jī)I/O口提供4種工作模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉(標(biāo)準(zhǔn) 8051輸出模式)、強(qiáng)推挽輸出/強(qiáng)上拉、僅為輸入(高阻)或開漏輸出功能。它還帶有 8路 10位高速 A/D轉(zhuǎn)換器[3]，速度可達(dá) 100 kHZ（10 萬次/秒）。

1.2 單片機(jī)I/O及外圍電路設(shè)計

1.2.1 單片機(jī)I/O設(shè)計

單片機(jī)引腳共有28個，其中P1.0至P1.7口既可作A/D轉(zhuǎn)換，又可用于普通I/O口使用。根據(jù)控制器功能將單片機(jī)引腳定義如下（如圖1所示）。

XTAL1、XTAL2用于晶振電路，P1.0、P1.1用于傳感器串行時鐘（SCK）輸入和數(shù)據(jù)（DATA）輸入輸出，P1.2 至P1.7用于過程狀態(tài)測試，P3.4、P2.1用于控制設(shè)備開關(guān)機(jī)狀態(tài)，P2.3用于485數(shù)據(jù)收發(fā)使能，P3.0、P3.1用于485數(shù)據(jù)收發(fā)，P2.5、P2.6、P2.7、P3.7用于狀態(tài)LED指示燈顯示。

1.2.2 外圍電路設(shè)計

外圍電路包括控制電路和供電電路等。

控制電路分兩種：一種輸出標(biāo)準(zhǔn)5 V高電平脈沖信號，持續(xù)時間500 ms，控制觸點(diǎn)式開關(guān)。另一種保持輸出18 V以上電壓信號，通過固態(tài)繼電器控制 220 V交流電路開關(guān)。IN4007續(xù)流二極管的作用是消除繼電器線圈在電源接入或斷開時產(chǎn)生的反向電動勢電壓,將這一電壓引入到電源端,達(dá)到保護(hù)三極管和電源的作用。R18是上拉電阻，當(dāng)P2.1置高電平，光耦前端電壓V0遠(yuǎn)小于5 V，光耦不工作，后端電壓V1被拉升至18 V以上（空載），接入負(fù)載后，電壓維持在+5 V，使固態(tài)繼電器保持常閉狀態(tài)，設(shè)備啟動。當(dāng)P2.1置低電平，V0接近5 V，光耦導(dǎo)通，V1電壓為0，固態(tài)繼電器斷路，設(shè)備停止?？刂齐娐饭ぷ髟砣鐖D2所示。

供電電路[4,5]采用 T8-03變壓器，輸出 12 V交流，經(jīng)過橋式整流器件MB6S和電容濾波，輸出12 V直流，再經(jīng)過7812 CT和7805 CT穩(wěn)壓器件得到穩(wěn)定的12 V和5 V直流電源。供電電路如圖3所示。

1.3 傳感器工作原理

彈庫環(huán)境涉及的傳感器[6]有溫濕度傳感器、流量傳感器、液位傳感器等，由這些傳感器測量出彈庫的溫濕度、排風(fēng)機(jī)的氣體流量、除濕機(jī)排水器液位等數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過I/O口定時向傳感器及其信號處理單元申請數(shù)據(jù)。

1.3.1 溫濕度傳感器

圖 4為 DHT9x系列插針型數(shù)字溫濕度傳感器[7]工作原理圖。DHT9x傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，提供4針單排引腳封裝，易于集成替換。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。

1.3.2 流量傳感器

選用差壓式流量傳感器測量排風(fēng)管道中氣體流量。差壓式流量傳感器主要由節(jié)流裝置和差壓計（或差壓變送器）組成，測量原理是，當(dāng)排風(fēng)管中的空氣流經(jīng)節(jié)流裝置時，由于氣流面積突然減小形成流束收縮，導(dǎo)致氣體流速加快，當(dāng)流出節(jié)流裝置后又流速由于流通面積變大和流束擴(kuò)大而減小。流經(jīng)節(jié)流裝置前后的靜壓分別用p1和p2表示，靜壓差用Δp表示，則有公式：

靜壓差的大小和流過的氣體流量之間有一定的函數(shù)關(guān)系，通過測量靜壓差即可求出流量。體積流量vq和質(zhì)量流量mq可用下列方程求出。

1.3.3 液位傳感器

浮子磁感應(yīng)式的液位傳感器，價格便宜，應(yīng)用廣泛。其原理是當(dāng)水位上升或降低時會帶動浮子上下移動，在浮子的套桿上有磁感應(yīng)式的位置，單浮子到達(dá)個位置時，傳感器便將信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)通過變送器輸出，變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)一般有兩種：4～20 mA電流信號，1-5 VDC或0-10VDC電壓信號。

液位傳感器主要用于檢測除濕機(jī)排水水箱液位，防止水箱水位過高而溢出，破壞防潮效果。當(dāng)水位達(dá)到高位警戒線時，液位傳感器發(fā)送高位警戒信號，此時單片機(jī)自動啟動水泵排水。當(dāng)水量低于低位警戒線時，液位傳感器發(fā)送低位警戒信號，此時單片機(jī)關(guān)閉水泵。水泵抽出的水通過集中排水管道排出彈庫。

2 基于Modbus RTU的通信設(shè)計

控制器與上位機(jī)之間的通信采取 Modbus RTU(遠(yuǎn)程終端設(shè)備)模式[8,9]，上位機(jī)是主機(jī)，控制器是從機(jī)。主機(jī)每2 s輪詢一次從機(jī)地址，從機(jī)偵聽到本機(jī)地址后，再偵聽功能碼、寄存器地址碼，確認(rèn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)長度判斷，數(shù)據(jù)長度根據(jù)彈庫環(huán)境需求確定，數(shù)據(jù)位完畢進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后，才開始接收數(shù)據(jù)信息，否則丟掉數(shù)據(jù)包并釋放總線，以備其它機(jī)器查詢?？刂破饕訰TU模式在Modbus總線上進(jìn)行通訊時，信息中的每8位字節(jié)分成2個4位16進(jìn)制的字符，相比ASCII模式，在相同波特率下RTU的傳輸字符密度要高。

3 監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)設(shè)計

系統(tǒng)是基于Modbus RTU遠(yuǎn)程模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。終端設(shè)備以控制器為核心，連接傳感器和現(xiàn)場設(shè)備，傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場環(huán)境變量的狀態(tài)，發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)，控制現(xiàn)場設(shè)備的啟動與停止，同時將現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)，通過Modbus RTU協(xié)議傳送至遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)服務(wù)器，供工程師站、歷史站、操作員站、Web站用戶共享使用。

4 結(jié)語

運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)控制彈庫現(xiàn)場環(huán)境設(shè)備，具有成本低、技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，而基于組態(tài)王二次開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)與控制器完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了彈庫環(huán)境全時段不間斷監(jiān)控，為導(dǎo)彈等重要武器裝備儲存環(huán)境建設(shè)提供了可行的解決方案，應(yīng)用前景廣闊。

[1]丁向榮. STC系列增強(qiáng)型 8051單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

[2]郭天祥. 新概念 51單片機(jī) C語言教程[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2009.

[3]（美）D.H.Sheingolo著, 杜毅仁, 白英彩, 劉壽譯.模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)[M]. 南京: 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2012.

[4]范承志, 孫盾, 童梅等. 電路原理第3版[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[5]周文良. 電子電路設(shè)計與實(shí)踐[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.

[6]于彤. 傳感器應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社,2010.

[7]大連北方測控工程有限公司. 《DATA SHEET DHT9x說明書》, 2009.

[8]朱懿, 蔣念平. Modbus協(xié)議在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微計算機(jī)信息, 2006, 22(10): 118-120.

[9]Modbus協(xié)議詳解[S/OL]. http://www.hicode.cn/.

[10]北京亞控科技發(fā)展有限公司. 《組態(tài)王6.52用戶手冊》[M], 2006.