C8051F040單片機的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設計

史榮燕，許 暉，康 健，陳婉榮

（西北工業(yè)大學航海學院，陜西 西安 710072）

0 引言

集中供水系統(tǒng)要求能夠采集到供水站現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，通過通信接口將信息傳輸?shù)娇刂浦行?，同時接受控制中心的數(shù)據(jù)指令，進行相應的輸出來控制水泵?？刂葡到y(tǒng)也可以根據(jù)供水現(xiàn)場相應的控制開關信號，控制水泵的運行。

以C8051F040單片機為核心構成供水數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，通過對工業(yè)現(xiàn)場的實際需求進行分析，制定和設計完成相應的硬件和接口系統(tǒng)，采用GPRS［1］和串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹Ｍ瑫r，根據(jù)環(huán)境適應性原理，提高產品的可靠性和安全性，系統(tǒng)經過測試能夠很好地滿足供水現(xiàn)場的使用需求，降低了工程成本。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)以C8051F040單片機［2-4］為核心，總體原理如圖1所示。由A／D取樣模塊、I／O隔離輸入模塊、負載隔離驅動模塊和串口通信模塊組成。變送器采集供水管道中的壓力、流量等參數(shù)，通過4～20 mA的電流信號傳送到采集模塊，取樣電路處理成0～3.3V電壓供給單片機模擬量采集口。I／O隔離輸入模塊將工業(yè)現(xiàn)場的控制開關量傳送到單片機，隔離負載驅動模塊是輸出相應的水泵控制信號。單片機通過串口通信和GPRS上網(wǎng)相結合的方式，將采集到的信息傳送到控制中心PC機上。

圖1 系統(tǒng)總體原理

2 系統(tǒng)硬件

2.1 取樣電路

現(xiàn)場變送器輸出的壓力、流量信號為4～20 mA的電流，電流信號可以通過較遠的距離傳輸，減少供水現(xiàn)場的干擾對其影響，采樣電路原理如圖2所示。根據(jù)運算放大器的原理［5］，可知：

又有Vp≈Vn=Ii×R4，代入上式中，通過取R1=18kΩ，R5=47kΩ，R4=150kΩ，調整Rw1和Rw2滑動變阻器，使Vf=7.94V，Rf=4.88kΩ，代入可得：

從而實現(xiàn)了將4～20mA的電流信號轉換成0～3.3V的電壓信號。

圖2 采樣電路原理

電路將輸入電壓轉換為0～3.3V，很好地利用了單片機的A／D采樣位數(shù)。R4就是4～20mA的I／V轉換電阻，由于運放的作用，該電阻可以取較小的值，減輕了前方傳感變送器的供電要求?？紤]到傳感變送器通過較遠距離傳輸信號，為防止引入干擾信號，加有輸入濾波電容器C1，同時二極管D1對輸入信號可能出現(xiàn)的危險電壓進行保護。

2.2 數(shù)字隔離輸入

圖3 隔離輸入電路

外部供水現(xiàn)場輸入的數(shù)字開關量，通過光耦TPL521進行隔離輸入單片機，數(shù)字隔離輸入電路如圖3所示。外部輸入的開關量高電壓為24V，LED上壓降為1.5V，原邊流過的電流為5mA，原邊限流電阻的大小為（24-1.5）／5=4.5kΩ，取一個常用電阻值4.7kΩ。光耦的電流轉移比為50%，則隔離輸出端的上拉電阻大小Rc=［（3.3-Vce）／2.39］kΩ，為三極管的飽和壓降，近似為0V，得到Rc=1.38kΩ，考慮到三極管充分進入飽和狀態(tài)，可以取Rc為2kΩ。經測試，該電路很好的實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場輸入噪聲的抑制，使單片機正常穩(wěn)定工作。

2.3 中斷響應電路

中斷響應電路由DM7425連接外圍輸入構成，如圖4所示。DM7425由2個4路異或門構成，當外部沒有輸入的時候，DM7425輸出電壓為高電平，當其中一個端口輸入高電平，DM7425輸出低電平，產生一個下降沿信號，單片機通過捕捉該下降沿信號，產生一個中斷。

圖4 中斷響應電路

2.4 隔離輸出電路

圖5 隔離輸出電路

單片機通過將采集到的工業(yè)現(xiàn)場信號傳送到控制中心PC機上，最終由控制中心或工業(yè)現(xiàn)場操縱人員通過手動方式將命令發(fā)送給主控單片機，單片機通過光耦隔離后將信號傳輸給外圍繼電器，通過繼電器的開閉來實現(xiàn)對水泵的現(xiàn)場控制 ，隔離輸出原理如圖5所示。輸出隔離采用TPL521光耦，單片機相應輸出端口接上拉電阻連接至光耦前端，增加光耦輸入端電流，使轉移到輸出端的電流可以維持發(fā)光二極管正常發(fā)光，輸出端通過連接IRF540 MOS管的門級，控制外圍繼電器的導通，LED燈指示相應的輸出是否正常。

2.5 通信接口和防雷擊設計［6］

工業(yè)現(xiàn)場采用RS232串行通信接口，連接相應的GPRS無線上網(wǎng)模塊，通過設定GPRS模塊的相應參數(shù)，將現(xiàn)場的信號傳送到控制中心?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，易受雷擊等影響，將電路板進行合理敷銅設計，采用鐵皮外殼進行屏蔽保護。同時，將電路板的電源地通過螺栓與基座相連接，實現(xiàn)接地保護。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)可以工作在手動、軟手動和自動狀態(tài)3種模式下，系統(tǒng)工作流程如圖6所示。工作于手動模式下，控制板只進行數(shù)據(jù)信號采集，將其發(fā)送到控制中心PC機上，控制中心不能控制相應的輸出，只能由工業(yè)現(xiàn)場操作人員手工操作按鈕進行輸出控制。

圖6 系統(tǒng)工作流程

軟手動控制主要用于系統(tǒng)調試和故障排查，當選擇軟手動狀態(tài)的時候，系統(tǒng)正常運轉，同時采集數(shù)據(jù)信息，此時，主要由上位軟件主面板上的控制按鈕進行輸出控制。當選擇自動狀態(tài)時，上位軟件根據(jù)采集到的信息，進行相應的邏輯判斷并輸出相應的控制信號，此時，系統(tǒng)處于自動工作狀態(tài)，無需人工干預。

LabVIEW［7］是由NI公司開發(fā)的功能強大的圖形化界面編程軟件，上位界面采用LabVIEW編寫，通過VISA讀寫串口的方式來進行數(shù)據(jù)采集和命令發(fā)送，并將采集到的數(shù)據(jù)信息進行存儲，監(jiān)控軟件界面如圖7所示?？刂瓢宄绦蛟谛氯A龍公司的Silicon Labs集成開發(fā)環(huán)境下編寫和調試，加入了掉電保護和看門狗監(jiān)控，確保運行過程的安全與穩(wěn)定。

4 結束語

設計的集中供水監(jiān)測和控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件設計和相應上位軟件的開發(fā)，同時結合工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境，進行了環(huán)境適應性和可靠性設計，經過長時間的測試，系統(tǒng)可以良好穩(wěn)定地工作，達到了設計的性能指標。

［1］韓 冰，李芬華.GPRS技術在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應用［J］.電子技術，2003，（8）：26-29.

［2］童長飛.C805l系列單片機開發(fā)與C語言編程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［3］潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［4］萬光教，孫九安，蔡建平.SoC單片機實驗、實踐與應用設計——基于C8051F系列［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［5］華成英，童詩白.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］李 靜，陳廣超.數(shù)據(jù)采集模塊防雷擊措施的改進［J］.中氮肥，2000，（3）：51-51.

［7］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2007.