基于单片机控制的多功能数字式煤气表的设计.docx

文章编号 :1000 - 8829 (2004) 06 - 0073 - 03基于单片机控制的多功能数字式煤气表的设计De sign of Multifunctio n Digital Ga s Meter Ba sed on Microco ntroller(湘潭大学 材料与光电物理学院 ,湖南 湘潭 411105) 杨恢先 , 陶霞 , 杨穗 , 王子菡摘要 :设计了一种基于单片机控制的多功能数字式煤气表 。从 组成框图 、硬件设计以及程序流程等几方面介绍了该多功能数字式煤气表的设计 ,硬件设计部分介绍了各部分的详细电路 。关键词 :单片机 ;控制 ;多功能 ;煤气表中图分类号 : TP216文献标识码 :B实现触发打开和自动关闭煤气表至煤气炉的通道 ;LED 显示能 直观明了地显示用气量 。通信功能部分利用了 AT89C51 内部提 供的全双工异步串行口 ,通过 485 接口电路芯片 SN75176 转换成 RS2485 接口 ,适用于采用串行有线通信技术的自动抄表系统。Abstract :A kind of multifunction digital gas meter based on microcon2 troller is designed. The principle of multifunction digital gas meter is de2 scribed by means of composing frame ,hardware design ,software programflow. The circuits of hardware design is introduced in detail.Key words :microcontroller ;control ;multifunction ;gas meter目前市场上销售的煤气表一般来说有机械式和数字式两大 类 。机械式历史悠久 ,技术成熟 ,价格低廉 ,但功能单一 ,目前占 有较大的市场份额 ;数字式显示直观 ,功能多 ,价格高 。机械式 只能由人工抄表 ,这种落后的抄表方式 ,消耗大量的人力 、物力 ,而且采集数据的时间跨度大 、采集数据的准确度低 。因此 ,国家2硬件设计图 1 多功能煤气表组成框图有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的自动抄表系统取代 传统的人工抄表 。自动抄表系统目前主要采用有线通信技术和 电力载波通信技术 。要能实现自动抄表 ,则要求煤气表必须为 数字式的 ,且需具备一定的通信功能 。目前大部分数字式煤气 表一般只有记录用气量和一定通信的功能 ,随着人们生活水平 的逐步提高 ,对煤气表功能的要求也越来越高 ,自动抄表系统的 逐步普及要求煤气表具备一定的通信功能外 ,对安全方面的要 求更为重要 。为了适应自动抄表系统的需要和用户对煤气表功 能的需求 ,笔者特研制了一多功能数字式煤气表 。1 组成框图该多功能数字式煤气表以 AT89C51 单片机为控制核心 ,由 数据存储 、漏气检测 、灭火检测 、气路控制 、通风控制 、LED 显示 及通信功能等几部分组成 ,其组成框图如图 1 所示 。数据存储 采用了具有看门狗功能的串行 E2 PROM X25045 存储器 ,掉电后 数据不会丢失 ,同时又可监视煤气表的运行状态 ;漏气检测用于 当室内煤气达到一定浓度时自动启动通风控制 ;气路控制可以收稿日期 :2003 - 06 - 26作者简介 :杨恢先 (1963 ) ,男 ,湖南省益阳人 ,副教授 ,硕士 ,曾 较长时间从事电网调度自动化系统的研制与开发工作 ,现主要 从事嵌入式测控仪器的教学与研发工作 。2. 1 数据存储电路数据存储采用了允许三总线工作的串行外设接口 ( SPI) 芯 片 X25045 存 储 器 。X25045 把 看 门 狗 定 时 器 、电 压 监 控 和 E2 PROM组合在单个封装内 ,这样降低了系统成本并减少了对电 路板空间的要求 。其看门狗功能提供了对微控制器的保护 ,通 过编程监控系统 ,当系统发生故障时自动以 RESET 信号作出响 应 。X25045 的存储器部分是 CMOS 的 4096 位 ( 512 8) 串行 E2 PROM ,用来保存常用参数 和 用 气 量 。X25045 与 微 控 制 器 AT89C51 的接口如图 2 所示 。图 2 X25045 与微控制器 AT89C51 的接口2. 2 脉冲检测电路脉冲检测电路用小功率砷化镓红外发光二极管 HG41 作发 光管 ,用硅光电三极管 3DU5C 作接收管 ,电路见图 3 (a) 。若把 图 3 (a) 中的 A 点输出信号直接作为光电控制信号 ,当煤气表表 盘转动较慢时 ,则 A 点输出信号就会产生一连串的抖动尖脉 冲 ,为了消除边缘抖动 ,在 A 点接了一个斯密特反向器 (型号为 CH40106) 。由于斯密特电路有“回差”特性 ,输入电位必须高于触发电平 VT + ,斯密特电路才开门 ,输入电位必须低于触发电平 VT - ,斯密特电路才关门 “, 回差”V = V T + - VT - ,利用斯密特电 路的“回差”特性来消除光电转换的边缘抖动 ,效果很好 ,消除边 缘抖动前后波形比较见图 3 (b) 。MF58 安装到煤气炉接近火源 、不易触碰且方便的地方 。平时 (灭火时) 因温度较低 ,热敏电阻 Rt 阻值高 ,5 G1555 的 2 脚电位 升高 ,5 G1555 的 3 脚输出低电平 ,系统检测到 P1. 1 输入口状态为 低电平超过规定时间后 ,置单片机 P2. 4 为 1 以关闭用气通道 ,确 保用户用气安全 ;当煤气炉处于工作状态时 ,因温度较高 ,热敏 电阻 Rt 阻值低 ,5 G1555 的 2 脚电位降低 ,5 G1555 的 3 脚输出高 电平 。2. 3 漏气检测电路图 3 脉冲检测电路漏气检测采用 QM2N2 型气敏传感器作为检测元件 ,其体电 阻随可燃性气体或烟雾浓度的改变而改变 。电路图如图 4 所 示 。平时 ,可燃性气体或烟雾浓度在允许范围内 ,气敏传感器 C 、D 间电阻值较大 , 从 D 端输出低电平 。当可燃性气体或烟 雾浓度达到一定值后 ,气敏传感器 C 、D 间电阻值迅速减小 , 从 D 端输出高电平 。AT89C51 单片机从 P1. 0 输入端口来检测是否 漏气并作相应的处理 ,即打开通风设备或作报警处理 。图 5 带过零触发的双向晶闸管通风控制电路图 6 气路控制电路2. 4 通风控制图 4 漏气检测电路通风控制电路如图 5 所示 。光控晶闸管 MOC3061 的作用 是隔离单片机系统和触发外部双向晶闸管 ,它受光信号控制 ,内 部有过零电路 ,输入电流一般为 10100 mA ,输出为 1 A ,用于2. 7 LED 显示电路图 7 灭火检测电路控制后级的大功率晶闸管 KS。当 P2. 2 输出低电平时 ,MOC3061 的输入端有电流输入 ,其输出端的内部双向晶闸管导通 ,触发外 部的双向晶闸管 KS 导通 ,从而外部负载的电源接通 ; 当 P2. 2 输 出为高电平时 ,MOC3061 输出端的内部双向晶闸管关断 ,外部双 向晶 闸 管 KS 也 关 闭 , 外 部 负 载 电 源 被 切 断 。电 阻 R7 是 MOC3061 的限流电阻 ,用于限制流经 MOC3061 输出端的电流最 大值不超过 1 A(若为感性负载 , R7 值需适当增大) 。KS 两端所 加的 RC 保护回路用于降低双向晶闸管所受的冲击电压 ,保护 KS 及光电耦合器 。R9 的作用是防止 KS 误触发 ,提高系统的可 靠性 。2. 5 气路控制电路通过 AT89C51 单片机 P2. 4输出高低电平来控制小型继电器 J1 (型号 :DS2 Y2S2DC5V) 的闭合和断开 ,从而控制电磁阀 (型号为 ZX25 DC3V) 供电通道的通断以实现气路控制 ,如图 6 所示 。2. 6 灭火检测电路灭火检测电路如图 7 所示 , 选用了高精度负温度系数的 NTC 热敏电阻 MF58 作为检测是否灭火的传感器 ,将玻璃封装的LED 显示电路可驱动 8 位 LED 显示器 ,由一片 PS7219 多位显示驱动器来驱动 。PS7219 与 AT89C51 的接口电路如图 8 所 示 。PS7219 在性能上与 MAX7219 兼容 ,在与微控制器的接口方 式上也采用了 SPI ,可同时驱动 8 位共阴极 LED 显示 。每位 LED 数字可单独控制 、刷新 ,不需要重写整个显示器 ,显示亮度可数 字控制 。该煤气表的功耗主要由显示器的功耗决定 ,因此选用 低功耗显示器和煤气表空闲时不显示是降低功耗的有效途径 。 当煤气表处于空闲状态时通过程序设置引脚 CON ( P1. 5 ) 为高电 平来禁止所有显示 ,以达到降低功耗的效果 。2. 8 通信部分AT89C51 内部具有一个 UART 串行口 (与 P3. 0 、P3. 1 复用) ,该 口一般的使用方法是通过接 TTL 电平和 RS2232 电平相互转换 芯片后与 RS2232C 接口 ,但 RS2232C 接口存在以下明显缺点 :接口的信号电平值较高 ,易损坏接口电路的芯片 ,且因为 与 TTL 电平不兼容 ,故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连 接 。传输速率较低 ,在异步传输时 ,波特率仅为 20 kb/ s。 图 8 PS7219 与 AT89C51 的接口接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式 ,这种传输容易产生共模干扰 ,所以抗干扰性弱 。传输距离短 ,最大传输距离标准值为 15 m ,当然实际使 用距离可远大于标准值 。针对 RS2232C 接口存在以上明显不足 ,于是就不断出现了 一些新的接口标准 ,如 RS2485 接口就能克服以上不足 ,该多功 能数字式煤气表就是利用 AT89C51 内部 UART 串行口 ,通过 485 接口电路芯片 SN75176 转换成 RS2485 接口 ,具体转换电路如图 9 所示 。在图 9 中为了实现 RS2485 接口总线与煤气表控制核心 AT89C51 的隔离 ,在 AT89C51 的 RS2232C 接口与 SN75176 之间采用了光耦隔离 。考虑到线路的特殊情况 (如煤气表的 485 接口 芯片被击穿短路) ,为了防止 RS2485 接口总线中其他分机的通 信受到影响 ,在 485 接口芯片 SN75176 的 485 信号输出端串联了 两个 20的电阻 R22和 R23 。在实际应用中 ,通信载体双绞线的 特性阻抗为 120左右 ,因此在 485 网络传输线的两端各接 1 个 120 的匹配电阻 ,以减少线路上传输信号的反射 。在 485 接口 芯片 SN75176 的 485 信号 A 、B 输出端接上拉电阻 R19 、下拉电阻 R21 ,使 A 端电位高于 B 端电位 ,以确保在 485 总线不发送数据 期间呈现高电平 。3程序流程框图程序流程框图分为以下几个模 块 :主程序 、外部中断 0 服务程序、 外部中断 1 服务程序 、定时器 0 中断 服务程序 、接收数据中断服务程序 。 主程序模块主要完成初始化 LED 显 示驱动器 PS7219 的控制寄存器、读取 X25045 E2 PROM 保存的煤气表用气量 数据、漏气检测以及灭火检测等操 作 ,主程序流程框图如图 10 所示 ,在 主程序中设置外部中断 0 为最高优先级。外部中断 0 用来检测用气量计数脉冲 ,每检测到一个计数脉 冲便将内存中表示用气量的变量加 1 并进行相应的数据运算和转 换。外部中断 1 用来手动开启或关闭供气通道 ,其中断服务程序流 程框图如图 11 所示。利用定时器 T0 的定时中断将用气量数据保 存到 X25045 , 以便以后读取。当从串行口接收到来自远方控 制主机的请求发送数据信号 ,响应中断时将内存中的用气量数图 10 主程序流程框图图 9 AT89C51 内部串行接口转换成 RS2485 接口RS2485 接口其最大传输距离约为 1 200 m ,最大传输速率为 10 Mb/ s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比 ,在 100 kb/ s 速 率以下 ,才可能达到最长的电缆长度 。本煤气表与通信主站之 间需传输的数据量不多 ,故追求的是传输距离而不是传输速率 。图 11 外部中断 1 服务程序(下转第 78 页) 5干扰的治理和抑制实例外 围设备 (或接口) 输入 (输出) 的通道中一个重要问题就 是电干扰 。这种干扰信号增加系统的静态与动态误差 ,并降低 可靠性 ,因此必须采取抑制措施 。低电平输入 (出) 特别易受干 扰影响 ,尤其在现场 ,信号 (电平) 传输距离较长时 ,将受到较强 的工业干扰 。另一方面 ,在自动检测信号采样 、变送和处理及其 传输回路中 ,被测信号大多是由传感器变换来的 ,它们的信号较 弱 ,所处环境又比较恶劣 ,传送距离又较远 ,而且传感器和变送 采样处理系统本身的寄生参数也可以产生相当可观的干扰信 号 ,因此被测信号往往淹没在干扰信号之中 。由此可见 ,干扰的 来源比较复杂 ,比较严重 ,因此 ,如果检测设备没有足够的抗干 扰能力 ,就不能从复杂的干扰信号中滤“假”存“真”,测量结果就 会失去意义 ,甚至使得整个控制系统不能正常工作 。基于以上 原因 ,笔者在以往设计与现场施工中 ,分别对常模干扰和共模干 扰采取以下对策 。(1) 对于常模干扰采取的措施 。采用滤波器 ,滤去变化较快的干扰信号 ,从而抑制进入转 换设备的常模干扰 。在转换器设计上充分利用积分原理 ,在转换周期内 ,对被 测信号叠加的干扰信号进行积分 ,也就是对输入信号的平均值 而不是瞬时值进行转换 。假如干扰信号是周期变化的 ,那么积 分后平均值为零 ,对检测结果将没有影响 。输入输出均采用光电隔离或继电器隔离方式 。可采用大回差吸收电路 。(2) 对于共模干扰采取的措施 。尽量做到线路平衡 ,采用差分输入放大器以抑制共模干 扰 ,防止失真 ,提高精度 。从系统和装置结构制作上想办法 ,即采用浮空输入办法 ,可收到较为理想效果 。采用严格的屏蔽措施 。采用电容“旁通”滤除措施 (见表 1) 。表 1 外接抗干扰电容 外接抗干扰电容 CH能抗干扰脉冲宽度最大值 1F10 ms0. 22F4 ms0. 1F1 ms0. 01F100s0. 001F10s 100 p F1 s (3) 在现场调试中 ,发觉干扰进入本系统有 3 种途径 :一是 通过输入输出线进入计算机系统 ;二是通过电磁场辐射感应 (包 括静电感应在内) 窜入计算机系统 ;三是通过电源线和地线侵入 并干扰计算机系统 。针对这 3 种途径 ,可分别采用下述措施 :对第 1 种干扰 ,在全部输入输出线上最好采用光纤电缆 或光电耦合隔离措施 ,或者采用选通用电路 ;在接插件电源上加 高频和低频旁路电容进行衰减与滤除 ;将计算机系统的地线及 输入输出信号线分开走线 ,使地线悬空 。对第 2 种干扰途径 ,可采用外壳与大地进行良好连接 ,即与现场原有预埋的地线连起来实现屏蔽 。笔者体会到最为严重的干扰是经过第 3 种途径进入计算 机系统 。由于现场用电设备多 ,启动频繁 ,用示波器可观察到尖 峰脉冲幅值在 500 V 以上 ,宽度持续数微秒之久 。对此除采用 软件用户程序进行适当延时以增强系统抗干扰能力外 ,还可以 采用隔离发电机 , 这种方法造价较高 , 但效果显著 ; 也可采用 “”型低通滤波器 ,限制尖峰脉冲干扰 。计算机 、PLC 或控制器 、网卡 、接口电路 、I/ O 口 、电子仪表 等 ,不要安装靠近在防雷带及其引线下以及钢筋水泥柱附近 ,以 防雷入地时电磁波辐射的干扰 。在设计或改造选型时 ,采用现场总线要比集中控制和集 散控制抗干扰效果好 。防雷接地系统的电阻要求在 0. 5 以下 。采用电子式电源避雷器 ( ZGB153AI 型) 或电子计算机信 号避雷器 ( ZGB235C225 型) ,可实现有效的防雷措施 。采用串联电力有源滤波器 (APF 型) 可消除谐波污染 。采用反相抵消干扰的方法 :使用并联有源谐波电网动态 滤波器 ( PQFA ,PQFL ,PQFT) 。其原理是快速跟踪识别测量谐波 电流 ,然