基于AVR單片機(jī)及MCGS軟件的可燃?xì)怏w檢測系統(tǒng)

陸 旭 明

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

在工業(yè)和日常生活方面，可燃?xì)庾鳛槿剂隙鴱V泛地被使用。然而，可燃?xì)怏w一旦泄露，易引起中毒和爆炸事故。近些年來，此類事故頻頻發(fā)生，如礦井爆炸、煤氣中毒，嚴(yán)重危害了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。有鑒于此，氣體檢測系統(tǒng)顯得十分重要[1-2]，可有效解除此類隱患，從而保障了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和生產(chǎn)安全。

MCGS工控組態(tài)是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，是監(jiān)視和控制軟件，靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面，利用各種軟件模塊非常容易實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控的各種功能，與AVR單片機(jī)結(jié)合，可進(jìn)行靈活多變的可燃?xì)怏w檢測系統(tǒng)集成。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)PC作為主機(jī)，采用AVR單片機(jī)作為從機(jī)對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行采集，主機(jī)采用MCGS組態(tài)軟件，主從機(jī)通過RS-485接口按照ModBus協(xié)議進(jìn)行通信，由主機(jī)定時(shí)對(duì)4路下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)視可燃?xì)怏w濃度是否超標(biāo)，一旦氣體濃度超標(biāo)，主機(jī)立即向從機(jī)發(fā)出命令，啟動(dòng)風(fēng)扇等自排設(shè)備[3]。主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可燃?xì)怏w檢測報(bào)警控制系統(tǒng)框架如圖1所示[4]。

圖1 可燃?xì)怏w檢測報(bào)警控制系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用的AVR單片機(jī)是ATmega系列中一種高性能、低功耗的8位AVR RISC微處理器[5]。通過在一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令，AVR單片機(jī)可以獲得接近1 MI/s/MHz的性能。該單片機(jī)集多種器件和多種功能于一身，功能強(qiáng)大，價(jià)格適宜，是一款性價(jià)比很高的MCU。AVR單片機(jī)端口A，除了作為I/O口，還可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的可燃?xì)怏w的檢測非常方便。

AVR可燃?xì)怏w檢測控制硬件原理圖如圖2所示。

4路可燃?xì)怏w經(jīng)傳感器輸出4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)放大電路后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)AD0、AD1、AD2、AD3(可以擴(kuò)展到8個(gè))送至AVR單片機(jī)端口A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)AVR單片機(jī)端口C送至液晶顯示屏顯示濃度參數(shù)。在圖2中8-3優(yōu)先編碼器74HC148輸入端連著4個(gè)按鈕，它們分別是UP、DOWN、SETUP、REQ，針對(duì)4個(gè)可燃?xì)怏w進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，UP為數(shù)字“+”，DOWN為數(shù)字“-”，它們主要的作用是選擇第幾個(gè)可燃探測點(diǎn)，SETUP為“高報(bào)和低報(bào)參數(shù)設(shè)置”，REQ為“查詢”，優(yōu)先編碼器74HC148輸出端將上述四個(gè)按鍵的兩位編碼值KEYDB0、KEYDB1送至AVR單片機(jī)的B端口，AVR單片機(jī)根據(jù)編碼值進(jìn)行相應(yīng)的功能操作。

圖2 AVR可燃?xì)怏w檢測控制硬件原理圖

同時(shí)AVR單片機(jī)對(duì)檢測到的可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行判斷，對(duì)各個(gè)探頭信號(hào)濃度正常與否(COM0、COM1、COM2、COM3濃度正常指示燈)、低報(bào)警狀態(tài)(RELATCOL0)、高報(bào)警狀態(tài)(RELATCOL1)、操作面板背景燈(BACKLIGHT)、警報(bào)(SPERKER)等8個(gè)信息狀態(tài)，通過AVR單片機(jī)B端口的PB5按照串行信號(hào)輸出，送至MC74HC595數(shù)據(jù)串行輸入端DS端，數(shù)據(jù)在SH的上升沿輸入，在ST的上升沿進(jìn)入存儲(chǔ)寄存器中去，當(dāng)使能OE時(shí)(為低電平)，存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)輸出到MC74HC595總線Q端，在MC74HC595的Q端并口上輸出上述8個(gè)信號(hào)。

當(dāng)?shù)蛨?bào)警狀態(tài)RELATCOL0為“1”時(shí)，繼電器K1吸合，高報(bào)警狀態(tài)RELATCOL1為“1”時(shí)，繼電器K2吸合同時(shí)控制外接電路的自排功能如風(fēng)扇等信號(hào)控制，警報(bào)SPERKER為“1”時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警音響。報(bào)警控制連接圖如圖3所示。

AVR單片機(jī)串口通過SN75176收發(fā)器芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485接口電平[6-8]和PC機(jī)主機(jī)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 MODBUS通信協(xié)議

Modbus是MODICON公司最先倡導(dǎo)的一種軟的通訊規(guī)約，經(jīng)過大多數(shù)公司的實(shí)際應(yīng)用，逐漸被認(rèn)可，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的通訊規(guī)約，只要按照這種規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊或傳輸，不同的系統(tǒng)就可以通訊。目前，在RS232/RS485通訊過程中，更是廣泛采用這種規(guī)約。在本文設(shè)計(jì)中采用了Modbus RTU規(guī)約。

考慮到通信的通用性，本文以MODBUS RTU協(xié)議為基礎(chǔ)[9,10]，重新定義報(bào)文。MODBUS協(xié)議的報(bào)文基本結(jié)構(gòu)如下表1所示[11-13]。

表1 報(bào)文結(jié)構(gòu)表

根據(jù)功能碼以及實(shí)際通信的需要，報(bào)文的長度與信息也將隨著改變。

地址碼為構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)的基本要素，通過地址碼各個(gè)設(shè)備才能從網(wǎng)絡(luò)上獲取自己需要的數(shù)據(jù)，主機(jī)才能知道哪一個(gè)設(shè)備傳送了數(shù)據(jù)。在報(bào)文中占據(jù)1個(gè)字節(jié)，可以編輯的地址從1～255，一般0號(hào)分配給主機(jī)。

功能碼是MODBUS協(xié)議為了處理基本數(shù)據(jù)獲取的一種識(shí)別碼，本文采用MODBUS RTU協(xié)議相關(guān)功能碼，MODBUS協(xié)議功能碼基本定義如表2所示。

在報(bào)文中數(shù)據(jù)的地址以及通信的數(shù)據(jù)可以被重新定義。這種定義并不影響報(bào)文的完整性，也不影響通信的效率。因此，對(duì)可燃?xì)怏w檢測的數(shù)據(jù)重新編制，并加入報(bào)文，使其數(shù)據(jù)格式固定化，從而實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w檢測通信網(wǎng)絡(luò)。

表2 MODBUS協(xié)議功能碼

可燃?xì)怏w檢測從機(jī)需要傳送給主機(jī)的數(shù)據(jù)為四個(gè)通道的可燃?xì)怏w濃度，而主機(jī)給可燃?xì)怏w檢測從機(jī)設(shè)置參數(shù)有四個(gè)通道的高報(bào)警值、低報(bào)警值。對(duì)于不同的要求需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的報(bào)文設(shè)計(jì)與參數(shù)地址安排。

主機(jī)要取得四個(gè)通道的可燃?xì)怏w濃度，報(bào)文如下：

地址碼+03h(固定功能碼)+00h+04h(表示四個(gè)通道)+CRC校驗(yàn)。

從機(jī)正?；貞?yīng)報(bào)文如下：

地址碼+03h(固定功能碼)+00h+04h(表示四個(gè)通道)+四個(gè)通道濃度數(shù)據(jù)+CRC校驗(yàn)。

主機(jī)要對(duì)從機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，必須首先定義好參數(shù)的具體地址?？梢詫?shù)的地址進(jìn)行順序定義，按照通道1的低報(bào)警值、高報(bào)警值；通道2的低報(bào)警值、高報(bào)警值；通道3的低報(bào)警值、高報(bào)警值；通道4的低報(bào)警值、高報(bào)警值。可以有以下報(bào)文。

主機(jī)發(fā)出報(bào)文：

地址碼+06h(固定功能碼)+0000h(表示通道一的低報(bào)警值)+低報(bào)警數(shù)據(jù)(兩個(gè)字節(jié))+CRC校驗(yàn)

上述表達(dá)中的第3段即表示通道一的低報(bào)警值，那么依次，0001h則表示通道一的高報(bào)警值，等等。

通過這樣的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了主從機(jī)的網(wǎng)絡(luò)體系。數(shù)據(jù)可以方便的從主機(jī)發(fā)送到從機(jī)，或者從機(jī)返回主機(jī)。同時(shí)通過類似的設(shè)計(jì)以及擴(kuò)展，還可以讓從機(jī)交換數(shù)據(jù)。

3.2 AVR單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

AVR單片機(jī)信號(hào)處理流程圖如圖4所示[14]。

3.2.1可燃?xì)怏w信號(hào)線性轉(zhuǎn)換

可燃?xì)怏w檢測輸出和輸入氣體濃度之間存在非線性問題[15]，可燃?xì)怏w非線性的轉(zhuǎn)換曲線如圖5所示。

3.2.2AVR單片機(jī)數(shù)據(jù)采集

AVR單片機(jī)信號(hào)處理流程中主要將可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)線性轉(zhuǎn)換，其中A/D轉(zhuǎn)換操作函數(shù)如下：

void ADConversion(void)//AD全部值

{

unsigned char ucRoad,i;

AD_ON_FirstOne(); //啟動(dòng)第一次AD轉(zhuǎn)換

ucAD_Complete_Flag[0] = 0;

for( ucRoad = 0; ucRoad

{

WDR();

while( !ucAD_Complete_Flag[ucRoad] ) //等待相應(yīng)通路AD轉(zhuǎn)換完成

{

NOP();

}

ucAD_Complete_Flag[ucRoad] = 0;

SampleGasValue[ucRoad] = AD_Filter(siAD_Temp,AD_COLLECT_AMOUNT); //濾波處理相應(yīng)通路的AD轉(zhuǎn)換值

if( ucRoad < (sizeof(ucADCollectStruct)-1) ) //因?yàn)锳D_ON_FirstOne()中已啟動(dòng)一次AD轉(zhuǎn)換，故ucRoad等于Sizeof(ucADCollectStruct)-1時(shí)已完成所有通路AD轉(zhuǎn)換

{

ADCSR = 0b10011110;

ADCSR |= 0X40; //開啟AD

}

}

ADCSR =0;//關(guān)閉AD轉(zhuǎn)換器

}

3.2.3AVR單片機(jī)和上位機(jī)通信

AVR單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行串口通信程序流程圖如圖6所示。

3.3 基于MCGS上位機(jī)設(shè)計(jì)

組態(tài)控制技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)控制技術(shù)(Monitor and Control Generated System,MCGS)一套基于Windows平臺(tái)，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，基于MCGS開發(fā)了可燃?xì)怏w檢測與報(bào)警監(jiān)控和人機(jī)交互界面，能夠完成可燃?xì)怏w現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出等功能[16]。

可燃?xì)怏w工程組態(tài):

3.3.1添加設(shè)備

打開MCGS選擇設(shè)備窗口，從設(shè)備工具箱進(jìn)入設(shè)備管理：將“通用串口父設(shè)備”和用戶定制設(shè)備下的“ModbusRTU”增加到選定設(shè)備之中，通信對(duì)象要與實(shí)際數(shù)量對(duì)應(yīng)上，并修改相應(yīng)的地址。

3.3.2參數(shù)設(shè)置

各讀寫數(shù)據(jù)通過通道采集或輸出，為此進(jìn)行通道添加，從“ModbusRTU設(shè)備”設(shè)置內(nèi)部屬性，進(jìn)入“ModbusRTU設(shè)備”通道屬性設(shè)置，使用“增加通道”加入需要測試的寄存器對(duì)應(yīng)的通道：添加后，對(duì)應(yīng)的通道顯示在通道列表之中，通道參數(shù)設(shè)置如圖7所示。四路讀數(shù)據(jù)將由主機(jī)讀取四路從機(jī)的可燃?xì)怏w濃度，八路寫數(shù)據(jù)由主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行報(bào)警參數(shù)的設(shè)置。

3.3.3工程調(diào)試結(jié)果

工程組態(tài)界面及調(diào)試結(jié)果如圖8所示。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采用了基于AVR單片機(jī)和組態(tài)軟件的智能可燃?xì)怏w檢測與報(bào)警系統(tǒng)后，基于MCGS 開發(fā)的人機(jī)交互界面友好，操作方便．在進(jìn)行多個(gè)通道可燃?xì)怏w檢測和報(bào)警方面具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)，采用組態(tài)軟件可以對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的保存和查詢，便于對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，對(duì)可燃?xì)怏w的使用起到安全的保障作用。

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