單片機(jī)排污遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電子技術(shù)是根據(jù)電子學(xué)的原理，運(yùn)用電子器件設(shè)計(jì)和制造某種特定功能的電路以解決實(shí)際問題的科學(xué)，包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。信息電子技術(shù)包括 Analog （模擬） 電子技術(shù)和 Digital （數(shù)字） 電子技術(shù)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)采用上、下位主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上位機(jī)為主叫方。下位機(jī)為被叫方上位機(jī)以定時(shí)巡檢或隨機(jī)抽檢兩種方式遠(yuǎn)程獲取各下位機(jī)采集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。下位機(jī)分布在城市的各檢測點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)應(yīng)答上位機(jī)呼叫并上傳數(shù)據(jù)。

　　2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是基于PSTN通信接口電路，模擬信號(hào)采樣電路及滿足無人職守要求的下位機(jī)控制電路。

　　2.1 下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

　　按照功能規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，確定本系統(tǒng)的硬件框架，如圖1所示。

　　2.2 CPU模塊設(shè)計(jì)

　　兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)的AT89S8252單片機(jī)是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），SPI串行口用于編程向下裝載，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89S8252單片機(jī)可為您提供許多高性低比的系統(tǒng)控制應(yīng)用領(lǐng)域。如圖2所示。

　　為了適應(yīng)LCD液晶模塊的接口要求，在P0數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線口上擴(kuò)展了U3（74HC373）作為低8位地址鎖存器，產(chǎn)生LCD模塊讀寫所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入信號(hào)A0，A1。圖2中LCDIN為液晶模塊地址選擇口線。

　　系統(tǒng)采用MAX813L實(shí)現(xiàn)復(fù)位需要，由S1實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位（主要用于調(diào)試期間的復(fù)位）。由此實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路具有電源電壓監(jiān)視能力，即當(dāng)電源電壓低于4.65 V時(shí)產(chǎn)生高電平復(fù)位信號(hào)；同時(shí)也具有上電復(fù)位能力。

　　在圖2中，CZ2為四路開關(guān)量輸入口，CZ8為功能擴(kuò)展預(yù)留口。從圖中可知，系統(tǒng)的主頻為6 MHz。圖中，ADSCK，ADIO及ADRDY為模數(shù)轉(zhuǎn)換接口信號(hào)；MODEM作為MODEM電源控制信號(hào)；LED為系統(tǒng)指示燈控制信號(hào)。

　　2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中人機(jī)界面主要是顯示界面，因?yàn)槭?SPAN style="COLOR: #000000">遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，因此下位機(jī)沒有設(shè)計(jì)按鍵按鈕電路。具體接口電路如圖3所示。

　　接口設(shè)計(jì)，由LCDIN，WR和RD組合產(chǎn)生液晶模塊的使能信號(hào)E（即圖中的LCD信號(hào)），A0為讀寫選擇信號(hào)（R／W），A1為寄存器選擇信號(hào)（RS）。

　　2.4 MODEM通信接口設(shè)計(jì)

　　Modem，其實(shí)是Modulator（調(diào)制器）與Demodulator（解調(diào)器）的簡稱，中文稱為調(diào)制解調(diào)器。計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息是由“0”和“1”組成數(shù)字信號(hào)，而在電話線上傳遞的卻只能是模擬電信號(hào)。于是，當(dāng)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)要通過電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，就需要一個(gè)設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)模的轉(zhuǎn)換。這個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是我們這里要討論的Modem。計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先由Modem把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)，這個(gè)過程稱為“調(diào)制”。經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)通過電話載波傳送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)之前，也要經(jīng)由接收方的Modem負(fù)責(zé)把模擬信號(hào)還原為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過程我們稱“解調(diào)”。正是通過這樣一個(gè)“調(diào)制”與“解調(diào)”的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，從而實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)程通訊。

　　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊是通信模塊，PSTN遠(yuǎn)程系統(tǒng)的關(guān)鍵是調(diào)制解調(diào)器通信接口模塊。本系統(tǒng)的MODEM接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　MAX232 作為TTL-RS 232電平轉(zhuǎn)換芯片，是微處理器與MODEM之間的接口電路，51系列微處理器雖然有串行輸入／輸出口，但不具有RTS，CTS，DTR等標(biāo)準(zhǔn)接口握手信號(hào)線，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。只通過TXD，RXD和底線GND進(jìn)行連接，同時(shí)對(duì)其他信號(hào)做以下處理：

　?。?）7（RTS），8（CTS），1（CD）等三信號(hào)短接；

　?。?）6（DSR）、4（DTR）等兩信號(hào)短接。

　　從圖中可知，RS 232的接線端與連MODEM的DB9（即圖中CZ2）的第二腳（接收端）相連，發(fā)送端與DB9的第三腳（發(fā)送腳）相連，通過軟件的設(shè)置與處理，實(shí)現(xiàn)“三線式”遠(yuǎn)程通信。

　　在接口電路設(shè)計(jì)中，引入了MODEM電源控制電路，即下位機(jī)每次響應(yīng)呼叫并正確發(fā)送數(shù)據(jù)后，由看門狗自動(dòng)實(shí)施下位機(jī)系統(tǒng)整體復(fù)位，對(duì)MODEM的復(fù)位命令是通過電源的上電來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)镸ODEM可能無法響應(yīng)微處理器傳來的復(fù)位命令。該繼電器可靠性高，負(fù)載能力為2 A／30 V （DC），工作電壓為5 V，與5 V微處理器系統(tǒng)接口簡單。

　　3 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

　　基于“三線式”的MODEM通信接口程序，關(guān)鍵是軟件握手信號(hào)的處理；模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換接口程序，關(guān)鍵是AD7705的初始化和雙通道的切換；主模塊框架的構(gòu)建，關(guān)鍵是微處理器資源的合理分配和使用；關(guān)鍵是軟硬件看門狗的應(yīng)用。

　　3.1 下位機(jī)的軟件框架

　　整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的軟件框架如圖5所示。

　　3.2 軟件主模塊設(shè)計(jì)

在圖5中，主模塊、通信模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊及顯示模塊為獨(dú)立模塊，主模塊為核心，管理其他3個(gè)子模塊，這4個(gè)模塊均為實(shí)模塊；而軟件與硬件看門狗模塊為虛模塊，它以適當(dāng)?shù)男问胶瓦m當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)存在于主模塊和MODEM通信模塊中，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)在軟故障條件下的自恢復(fù)。

　　軟件中主模塊是管理模塊，設(shè)計(jì)的考慮因素有：

　?。?）系統(tǒng)資源的合理使用，例如中斷資源、內(nèi)部存儲(chǔ)器和寄存器資源；

　?。?）在實(shí)現(xiàn)功能的前提下，保證程序的簡化和優(yōu)化，減少調(diào)試工作量。

　　主模塊首先考慮的是A／D轉(zhuǎn)換和通信之間的關(guān)系問題，其次是各模塊的層次問題，最后是看門狗在各模塊中的嵌入問題。

　　主模塊的流程圖如圖6所示。

　　4 結(jié)語

　　本文研究提供了一種監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到地區(qū)之間的管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測的數(shù)據(jù)共享，為環(huán)保部門提供一種新型，可視化，高效的遠(yuǎn)程監(jiān)測與管理系統(tǒng)。