家用保险舱温压监控系统的设计与实现

魏洪涛，罗彩珠

(武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉430070)

家用保险舱环境监测系统的功能是通过传感器采集舱内外环境信息，这些信息包括温度、气压、空气成分和图像等，再将信息传送给上位机，最终实现实时监控、分析决策以及控制驱动设备正常工作。在一个密闭高温家用保险舱控制系统中，环境温度、压强的监测和控制具有非常重要的地位。

笔者以S3C6410 高性能ARM11 处理器为上位机，以C8051 单片机构成的数据采样处理单元的硬件平台为下位机，采用RS232 串口通信完成采样单元与上位机的通信，以Qt Creator 集成开发环境(IDE)为上层应用开发平台，设计了一套温压监控系统软件。通过在开发板上实验验证，该套系统能实时监测温度和气压的变化情况，再经数据处理，从而可以自动控制设备正常工作，上位机人机交互界面友好美观［1］。这对于整个环境监控系统运行的稳定性和可靠性具有重要意义。

1 系统总体设计

温压监控系统应具备以下功能:①采集主舱和散热仓内的气压值;②采集舱内外的温度值;③将测得的气压和温度值显示到GUI;④通过算法分析处理自动控制排气和制冷系统的工作;⑤排气泵和制冷系统可以自动开关，也可以手动开关。

温压监控系统总体思路是分别由两个气压传感器测量主舱、排气舱内的气压及温度值。先由数据采集模块将数据采集进来，然后通过串口将采集的数据传到上位机主控制器，上位机将采集到的数据显示到GUI 界面上并与阈值比较，判断何时开启排气和制冷系统，从而调用电源管理控制排气和制冷系统的工作状态。同时上位机还设置了排气和制冷系统的手动开关按钮，手动开关按钮优先级高于自动开关，即只要点击了手动开关按钮，就立即开启或关闭排气和制冷系统。所设计的系统包含ARM 主控制器、数据采集单元、图形界面GUI、电源管理单元［2－4］，具体结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

为了节约用电量，需要让抽气泵的工作时间尽可能缩短，又综合考虑人在正常情况下所能承受的大气压情况，选用较大量程的传感器。这里采用BA80305 型号的数字气压传感器，其测量范围在300 ～3 300 HPa，精度为1 Mbar;可以测常温0 ～80℃，采用SPI/IIC 标准通信协议接口与微处理器通信，供电电压为1.8 ～3.6 V，参考电压为3 V［5］。

用C8051 单片机的通用I/O 口模拟IIC 总线通信，读取气压传感器各存储区地址的数据，通过串口将数据传到上位机，进行处理和应用。

气压数据采集模块采用C8051f340 的单片机，因为该款单片机有仿真器便于调试，选用IIC 模式通信协议，通过单片机的两组I/O 口模拟IIC 标准接口通信，读取两个气压传感器存储地址的数据，然后通过RS232 串口与上位机通信。在传输数据时，单片机时钟通过SCLK(串行时钟)和SDA(串行数据)与气压传感器模块通信。IIC 总线接口在同一个双向通信的SDA 管脚响应，因此这种接口只需要两条信号线，不需要片选信号。在IIC 模式下片选信号(CSB 脚)的增加提供了LSB 的IIC 地址，因此在同一个IIC 总线上可以携带多个传感器模块工作［6－8］。气压传感器采集电路如图2 所示。

图2 气压传感器采集电路图

由于传感器的工作电压和系统工作电压不同，模块采用了电压转换电路，采用系统常用的5 V电源供电，稳压到3.3 V，5 V电源给串口转换芯片供电，3.3 V 给单片机最小化系统和传感器电路供电［9］。

3 监控系统上位机控制

抽气泵和制冷的工作分为自动开关和手动开关，可以自动打开也可以手动打开，手动开启后可以自动关闭，手动开关优先级别高于自动开关。软件设计GUI 时设置了一个手动软件开关按钮。程序中分别设置了两个手动开关按钮状态变量:openFlag 和closeFlag，都初始化为false。

系统首先初始化，读取气压和温度值，然后判断手动开的状态标志量openFlag 是否为false，若为false，就将读取的气压P 和温度T 的值与初始阈值比较，若大于初始阈值就调用AutoOpen()函数，自动打开排气或制冷设备，不断读取P 和T的值与阈值X 比较，若小于X 值就自动关闭排气或制冷设备，最后返回到初始化状态继续监控。

若openFlag 为true，就直接调用ManOpen()函数，手动启动排气或制冷设备，然后判断手动关闭状态标识量closeFlag，若为false，则将读取的气压和温度值与最低阈值Y 比较，若小于Y，就自动关闭，若没有就返回不断监测气压和温度的值，继续与Y 值比较;若closeFlag 为true，则直接调用close()函数关闭排气或制冷设备。气压和温度初始阈值与X、Y 值分别对应的值如表1 所示。

表1 气压和温度初始阈值与X、Y 比对表

4 温压控制系统测试

首先在开发板上烧写用于Linux 系统的Images，利用BootLoader 的下载功能，使用超级终端的串口工具把系统的内核和文件系统移植到开发板上，然后配置内核的启动参数，将Qtopia4.4.3移植到开发板上。应用程序经过arm－linux－gcc－4.5.1 编译器编译后，生成可执行文件，用SD卡将可执行程序移植到所设计的ARM 上位机上，最后分模块进行联调测试［10］。

将温度、气压传感器的数据采集模块接入电路，重启开发板后，在状态栏中显示气压为1 014 kPa(一个标准大气压)，温度为10 ℃，数据与实际值和PC 机上运行的差不多，说明数据采集正常。

关闭电源，再测试排气泵和制冷系统的自动控制功能。将排气泵和制冷片按指定电压值接入电路中，点击第一操作栏中的“温压调节”按钮，显示”温压控制”的二级操作界面如图3 所示。

图3 温压调控界面图

通过设置气压和温度的阈值，达到自动控制功能;通过点击开关按钮达到手动控制功能。

(1)阈值设置。用户可以根据自己的需求，设置气压和温度的阈值，如图4 所示，点击图4 中“+”、“－”按钮，进行阈值大小调节。

图4 阈值设置

(2)自动开关。当测量的气压和温度值高于阈值就自动开启排气和制冷系统;当工作一段时间后低于阈值就自动关闭系统。

(3)手动开关。GUI 上设置手动开关按钮控制，如图5 所示，点击按钮“开”，排气泵和制冷系统能正常工作;也可以点击开关按钮“关”，如图6所示，手动关闭排气和制冷系统。

图5 手动开

图6 手动关

在第二操作栏中通过调节阈值，分别对自动和手动进行测试。经测试，效果良好，能稳定工作。

5 结论

温压监控系统从下位机数据采集到上位机信息处理，形成了实时数据采集处理和自动控制的监控系统。该系统实现了一个高温密闭的家用保险舱的环境监控，具有较好的人机界面，平台移植便捷，对数据信息的显示直观，特别适用于一些大型特殊的环境监控系统中，不仅性能稳定、界面美观而且节能。

［1］ 杨凡. 基于ARM 的数据监测与数据融合［D］. 北京:北京交通大学图书馆，2010.

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