一种环保设备运行记录仪的研制

由于缺乏对污染处理设施运行状况和污染排放指标监控手段,影响了环保部门监督管理力度。我们研制开发了系列化的环保设备运行监测系统。本系统工作稳定、记录数据准确、存储容量大、组网方便,已被多家环保监理部门采用,取得了良好的社会效益和经济效益。

1 系统组成及主要功能

环保设备运行监测系统由环保设备运行记录仪、读码器和管理计算机组成。记录仪安装于环保设备运行现场,全天候监测并记录环保设备的运行状况和主要污染物排放指标;读码器用于控制和操作记录仪的运行及对记录仪进行数据读取;管理计算机用于对原始数据进行统计、报表、存储及查询。记录仪既可单机运行,也可组成区域性环保监测网,如图1所示。

记录仪是整个系统的核心,其主要功能如下:

(1)记录仪共8个数据采集通道,可接受来自现场仪表或传感器输出的4～20mA(或0～10mA)的电流信号。每一通道可根据监视对象自由设定为开关量通道(实时记录环保设备开机/关机运行情况)、累积量通道(如对排放的污水流量进行累积)或瞬时量通道(记录排放污染物浓度)。

(2)记录仪能产生本身的运行记录(记录仪上电/掉电时间)。

(3)可通过读码器或管理计算机设定被监测环保设备的工作电流范围,对被监测环保设备的工作电流发出超限报警。

(4)记录仪提供了与管理计算机和读码器通讯的标准RS-232接口。

(5)记录仪内置通用MODEM及MODEM控制器,可与管理计算机远程通讯。

2 硬件设计

根据功能要求和记录仪的工作特点,我们在设计时主要从记录仪运行可靠性、记录数据准确性及数据存储容量三个方面考虑。记录仪采用ATMEL公司的AT89C52 单片机,片内集成了8K FLASH 程序存储器,不需外扩程序存储器,提高了系统的运行稳定性。图2给出了记录仪的结构框图。

2.1 数据采集通道

数据采集通道A/D转换器选用了美国TI公司的高性能10位串行A/D转换器TLC1549,该A/D转换器为CMOS工艺,采样频率可达40kHz，具有较宽的工作电压范围(3～6V，典型值为5V),功耗低,与单片机接口简单,占用资源少(三线接口)。

2.2 实时时钟

为了能准确记录环保设备的开机/关机时间,记录仪采用了广泛应用于各类工控仪表中的DALLAS日历芯片DS12887。DS12887内置电池和晶振,可直接挂在单片机数据总线上,运行稳定性好、精度高,免维护时间可达10年以上,满足了记录仪对时间的要求。并且其内部有可掉电记忆的114字节RAM,为记录仪的掉电系统维护提供了方便。

2.3 大容量闪速存储器

记录仪要求具有掉电记忆的大容量数据存储器,通过比较测试,选用TI公司的闪速存储器FLASH-MEMORY TMS29F040(512KB 8-bit EEPROM)。记录仪除具有扩展512KB的闪速存储器外,还有多个I/O接口芯片,所需地址空间已超出51系列单片机常规64KB片外RAM空间。64KB的空间是由16根地址线决定的,它由P0口提供低8位,P2口提供高8位。要想扩大空间,只有增加地址线,如可将P1口线当作地址线。本系统中,扩展512KB的闪速存储器需增加3根地址线,而P1口线仅有P1.7可用。为此我们采用了图3所示的线选方法,实现了超大容量存储器扩展。

图3中的日历芯片DS12887、并行输出口74HC377(1、2、3)的地址与闪速存储器TMS29F040的地址重叠,但当置P1.7为“1”时,闪速存储器TMS29F040的片选信号无效,此时CPU可对上述I/O接口芯片操作。并行输出口74HC377(1)的输出Q0、Q1、Q2作为闪速存储器TMS29F040的高三位地址A16、A17、A18,输出Q3、Q4、Q5作为采样通道多路模拟开关的通道地址A、B、C。当CPU对闪速存储器TMS29F040操作时,先置P1.7为“1”,通过并行输出口74HC377(1)的Q0、Q1、Q2输出闪速存储器TMS29F040的高3位地址A16、A17、A18,然后清P1.7为“0”,选中闪速存储器TMS29F040,即可按常规方式进行编程。程序如下:

SETB P1.7

MOV A, #add 　;#add为闪速存储器TMS29F040的高3位地址。

MOV DPTR,#0FDFFH ;FDFFH 为并行输出口74HC377(1)的地址。

MOVX @DPTR,A

CLR P1.7 ......

2.4 通讯接口

根据记录仪具有“黑匣子”功能的特点,设计时为简化人机界面,仅保留必要的通道状态LED显示,记录仪各种初始化及记录数据抄取均通过串口通讯完成。采用MAXIM公司的MAX202单+5V电源RS-232接口芯片提供与PC通讯的标准RS-232电平。通讯分近程和远程两种方式,近程通讯直接通过标准RS-232口,而远程通讯则通过内置远传模块来实现。

3 软件设计

记录仪软件主要由采样滤波、数据记录、数据库管理、通讯管理等功能模块组成。

3.1 采样滤波模块

该模块根据设定的采样周期将八个通道的模拟信号经过A/D转换器输入到数据缓冲区内,通过平均值滤波算法滤除信号中的工