单片机技术在弹库环境监控中的应用

2013-09-21李成新赵鑫盛广能

船电技术 2013年11期

李成新，赵鑫，盛广能

（中国人民解放军91004部队，辽宁大连 116031）

0 引言

工业自动化控制在国防和军队建设中起着越来越重要的作用。利用单片机技术设计制作设备控制器，可在设定条件下控制弹库内不同种类、不同功能设备的工作状态，从而达到自动监控环境状态的目的。每台控制器负责控制一台设备，设备类型包括排风机、空调、除湿机、水泵等，控制器之间通过485总线并联到主光纤，最后与上位机监控主机连接。

1 基于单片机技术的控制器设计

1.1 单片机选型与功能

控制器CPU采用STC12C5628AD单片机[1][2]，内置28 k Flash程序存储器，用于存储用户程序、数据和表格等信息，所有 Flash空间可做EEPROM空间使用，无需外接，操作便捷可靠。内置768字节数据存储器（SRAM），用于存放程序执行的中间结果和过程数据。它的特殊功能寄存器可以对片内各功能模块进行管理、控制、监视。该单片机I/O口提供4种工作模式：准双向口/弱上拉(标准 8051输出模式)、强推挽输出/强上拉、仅为输入(高阻)或开漏输出功能。它还带有 8路 10位高速 A/D转换器[3]，速度可达 100 kHZ（10 万次/秒）。

1.2 单片机I/O及外围电路设计

1.2.1 单片机I/O设计

单片机引脚共有28个，其中P1.0至P1.7口既可作A/D转换，又可用于普通I/O口使用。根据控制器功能将单片机引脚定义如下（如图1所示）。

XTAL1、XTAL2用于晶振电路，P1.0、P1.1用于传感器串行时钟（SCK）输入和数据（DATA）输入输出，P1.2 至P1.7用于过程状态测试，P3.4、P2.1用于控制设备开关机状态，P2.3用于485数据收发使能，P3.0、P3.1用于485数据收发，P2.5、P2.6、P2.7、P3.7用于状态LED指示灯显示。

1.2.2 外围电路设计

外围电路包括控制电路和供电电路等。

控制电路分两种：一种输出标准5 V高电平脉冲信号，持续时间500 ms，控制触点式开关。另一种保持输出18 V以上电压信号，通过固态继电器控制 220 V交流电路开关。IN4007续流二极管的作用是消除继电器线圈在电源接入或断开时产生的反向电动势电压,将这一电压引入到电源端,达到保护三极管和电源的作用。R18是上拉电阻，当P2.1置高电平，光耦前端电压V0远小于5 V，光耦不工作，后端电压V1被拉升至18 V以上（空载），接入负载后，电压维持在+5 V，使固态继电器保持常闭状态，设备启动。当P2.1置低电平，V0接近5 V，光耦导通，V1电压为0，固态继电器断路，设备停止。控制电路工作原理如图2所示。

供电电路[4,5]采用 T8-03变压器，输出 12 V交流，经过桥式整流器件MB6S和电容滤波，输出12 V直流，再经过7812 CT和7805 CT稳压器件得到稳定的12 V和5 V直流电源。供电电路如图3所示。

1.3 传感器工作原理

弹库环境涉及的传感器[6]有温湿度传感器、流量传感器、液位传感器等，由这些传感器测量出弹库的温湿度、排风机的气体流量、除湿机排水器液位等数据。单片机通过I/O口定时向传感器及其信号处理单元申请数据。

1.3.1 温湿度传感器

图 4为 DHT9x系列插针型数字温湿度传感器[7]工作原理图。DHT9x传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，提供4针单排引脚封装，易于集成替换。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。

1.3.2 流量传感器

选用差压式流量传感器测量排风管道中气体流量。差压式流量传感器主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成，测量原理是，当排风管中的空气流经节流装置时，由于气流面积突然减小形成流束收缩，导致气体流速加快，当流出节流装置后又流速由于流通面积变大和流束扩大而减小。流经节流装置前后的静压分别用p1和p2表示，静压差用Δp表示，则有公式：

静压差的大小和流过的气体流量之间有一定的函数关系，通过测量静压差即可求出流量。体积流量vq和质量流量mq可用下列方程求出。

1.3.3 液位传感器

浮子磁感应式的液位传感器，价格便宜，应用广泛。其原理是当水位上升或降低时会带动浮子上下移动，在浮子的套杆上有磁感应式的位置，单浮子到达个位置时，传感器便将信号传送给单片机，单片机处理后的数据通过变送器输出，变送器输出的标准参数一般有两种：4～20 mA电流信号，1-5 VDC或0-10VDC电压信号。

液位传感器主要用于检测除湿机排水水箱液位，防止水箱水位过高而溢出，破坏防潮效果。当水位达到高位警戒线时，液位传感器发送高位警戒信号，此时单片机自动启动水泵排水。当水量低于低位警戒线时，液位传感器发送低位警戒信号，此时单片机关闭水泵。水泵抽出的水通过集中排水管道排出弹库。

2 基于Modbus RTU的通信设计

控制器与上位机之间的通信采取 Modbus RTU(远程终端设备)模式[8,9]，上位机是主机，控制器是从机。主机每2 s轮询一次从机地址，从机侦听到本机地址后，再侦听功能码、寄存器地址码，确认后进行数据长度判断，数据长度根据弹库环境需求确定，数据位完毕进行CRC校验，校验通过后，才开始接收数据信息，否则丢掉数据包并释放总线，以备其它机器查询。控制器以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，信息中的每8位字节分成2个4位16进制的字符，相比ASCII模式，在相同波特率下RTU的传输字符密度要高。

3 监控系统上位机组态设计

系统是基于Modbus RTU远程模式的网络结构，其拓扑结构如图5所示。终端设备以控制器为核心，连接传感器和现场设备，传感器负责采集现场环境变量的状态，发送给单片机，由单片机根据用户设定的参数，控制现场设备的启动与停止，同时将现场设备的工作状态，通过Modbus RTU协议传送至远端数据服务器，供工程师站、历史站、操作员站、Web站用户共享使用。