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摘要：为了控制燃烧过程的燃烧空气比，提高燃烧效率，节约能源，减少大气污染，必须可靠地测量烟气中各种气体的含量。本文针对烟气分析，介绍了一种基于Intel单片机的城市大气污染智能仪器监控平台。
关键词：单片机；监控；城市信息
1 监控平台的硬件结构设计
硬件配置应针对分析检测器的不同组合方式可在各模块中选择，如该平台用于二组分分析时，则只接入两路的操作回路和信号回路，其他两路不接，由于硬件模块的独立特性，配合软件的系统参数设置功能，系统完全可以正常工作，未接入的回路对工作回路不产生影响。监控平台的硬件结构如图1所示。
图1 监控平台硬件结构图
2 各功能模块硬件详细设计
2.1 单片机的选择与存储器模块设计。智能仪器的核心是单片微机，其性能对整个嵌入系统性能有重要影响。选择时既要考虑到工业应用的背景、功能具有一定先进性和高可靠性，又须满足分析仪器多品种、小批量的功能平台要求，易于开发移植和更新换代。为此，确定Intel公司的80C196kc芯片作为分析仪器信息处理单片，构造便携式仪器监控平台。
本监控平台选用的是ATMEL公司生产的32k字节的闪速存储器29C256，工作电压为5v，一旦工作电压低于3.8V时禁止编程功能。它既有SRAM的速度和易擦写性，又能像EEPROM那样掉电后保持数据和在线可写特性，具有读写功能，掉电下可保存数据。硬件设计方法如图2所示。80C196kc的P4口作为地址的高位使用，P3口作为地址的低位和8位数据线分时使用，74LS373用于低位地址锁存。
图2 存储器硬件电路设计
2.2 A/D采样及数据处理模块。80C196kc片内A/D模块共有8路采样通道，精度为10位（其中可靠精度为8位），本监控平台已用其中两路：其中一路用于热电偶测温，若检测到热电偶通道电压异常，即报警提示热电偶开路;另一路用于仪器电池电压检测，检测结果通过液晶显示器显示，便于用户随时了解电池电量，以免电压过低对传感器造成损害;其余六路待用。片外选用的是MAXIM公司生产的12位A/D采样芯片——MAX197，负责完成6路不同传感器的信号采样及环境温度、烟气温度的检测。该芯片是28脚的双列直插封装，工作电压为5V，有8个模拟输入口，完成一次转化的时间为6μS。
由于经分析仪器传感器转换后的电信号是0～1V，显然不能用内部参考电压模式进行采样，所以系统选用外部参考电压方式。但是作者在实际使用中发现，外部参考电压不能过低。试验表明，当外部参考低于1V时，在输入的模拟量在90 mV以下时，采样的结果明显不准确，有很严重的非线性，甚至出现明显死区。所以監控平台在传感器与A/D采样芯片之间加入了放大器，将传感器传给A/D采样芯片的信号放大至0～2V，通过计算可知此时的外部参考电压VREF=2/1.2207=1.6384V，事实证明这种方法起到了良好的作用，A/D采样芯片发挥了良好的性能，满足了监控平台的要求。
2.3 LCD液晶显示模块。LCD液晶显示器是人机界面的重要窗口，也是本监控平台的特色之一，本平台所有人机交互功能皆通过LCD结合键盘完成。键盘采用的是2×4触摸按键设计，占用CPU的6个I/O口，其中一个按键与仪器启动电路相连，成为该分析仪器的启动键。液晶显示器采用的是240×128点阵式大屏幕宽视角液晶显示器（LCD），显示模块的外部接口引脚共有21个，其中Pin18脚为显示字符的字体选择引脚，接高电平则显示的字体为8×6，接低电平则显示的字体为8×8。该液晶屏内置驱动器T6963C及周边电路，具有硬件初始化功能。
LCD的Pin4脚为显示区域对比度调节管脚，接入电压可以在-6V～18V之间调节。本监控平台选用MAXIM公司生产8引脚双列直插封装的MAX749芯片来提供液晶屏的辉度调节的震荡电压。该芯片是专为LCD对比度电压调节而设计的，其输出电压具有良好的可调性，可以通过数字控制、电位调节、PWM控制工三种方法实现。起工作电路如图3。
图3 MAX749工作电路设计
2.4 电源启动及转换模块。由于便携式分析仪器采用蓄电池供电，减少整机电流和待机电流、降低损耗变得极为重要。传感器部分的工作电压为12V，而单片系统采用5V供电，因此，控制平台选用了直-交-直变换模块完成电源转换。选用XR031电压转换模块，其转换效率达80%。启动电路采用CMOS芯片，组成带施密特整形的flip-flop电路，由仪器键盘上的启动键控制开、关机。关机状态下电池仍对该部分电路供电，其电流极小，约为4～8微安，工作状态下CPU内部A/D采样模块对其进行电压检测，当电压低于设定时，置输出端口为有效电平，该电平经微分电路产生+12V尖脉冲触发flip-flop电路翻转，实现强行关机。本监控系统正常工作时功耗电流为50～60mA（LCD背光关闭，不包括泵电流），整机电流最大为140mA（LCD背光开启）。
3 监控平台的软件设计
监控平台的软件系统采用C程序设计，使用C96编译器。尽管该编译器占用程序空间比汇编语言编译器大，但程序开发周期大大减少，调试效率及可读性均明显优于汇编语言，且原程序可更加方便地移植于其他型号芯片中，便于产品的更新换代。
本监控平台软件系统为多任务实时操作系统，主要分为人机界面、串口通讯、数据处理、红外打印、操作控制五大功能模块。由于系统采用模块化设计，各模块自成体系，可独立调试，有利于系统集成也便于形成其他分析仪器的监控程序。本软件系统支持中英文两种版本的界面供用户操作选择，其LCD显示页面达60多个，字库汉字超过250个，编译后程序代码约为52Kb。
整个软件系统使用超循环系统结构，应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成规定的操作，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理，这部分可以看成任务级处理。中断服务程序处理异步事件，这部分看成中断级处理。本系统包括A/D采样、HSO实时中断、HSO事件中断、串行通讯等模块，为保证实时性，中断服务程序只包含标志处理，其隐含功能如采样值的滤波，HSO事件排队均由任务级处理。实时多任务按任务级别分类处理，在各界面处理模块中均包含时间事件处理模块，以确保定时事件处理。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：单片机；监控；城市信息
1 监控平台的硬件结构设计
硬件配置应针对分析检测器的不同组合方式可在各模块中选择，如该平台用于二组分分析时，则只接入两路的操作回路和信号回路，其他两路不接，由于硬件模块的独立特性，配合软件的系统参数设置功能，系统完全可以正常工作，未接入的回路对工作回路不产生影响。监控平台的硬件结构如图1所示。
图1 监控平台硬件结构图
2 各功能模块硬件详细设计
2.1 单片机的选择与存储器模块设计。智能仪器的核心是单片微机，其性能对整个嵌入系统性能有重要影响。选择时既要考虑到工业应用的背景、功能具有一定先进性和高可靠性，又须满足分析仪器多品种、小批量的功能平台要求，易于开发移植和更新换代。为此，确定Intel公司的80C196kc芯片作为分析仪器信息处理单片，构造便携式仪器监控平台。
本监控平台选用的是ATMEL公司生产的32k字节的闪速存储器29C256，工作电压为5v，一旦工作电压低于3.8V时禁止编程功能。它既有SRAM的速度和易擦写性，又能像EEPROM那样掉电后保持数据和在线可写特性，具有读写功能，掉电下可保存数据。硬件设计方法如图2所示。80C196kc的P4口作为地址的高位使用，P3口作为地址的低位和8位数据线分时使用，74LS373用于低位地址锁存。
图2 存储器硬件电路设计
2.2 A/D采样及数据处理模块。80C196kc片内A/D模块共有8路采样通道，精度为10位（其中可靠精度为8位），本监控平台已用其中两路：其中一路用于热电偶测温，若检测到热电偶通道电压异常，即报警提示热电偶开路;另一路用于仪器电池电压检测，检测结果通过液晶显示器显示，便于用户随时了解电池电量，以免电压过低对传感器造成损害;其余六路待用。片外选用的是MAXIM公司生产的12位A/D采样芯片——MAX197，负责完成6路不同传感器的信号采样及环境温度、烟气温度的检测。该芯片是28脚的双列直插封装，工作电压为5V，有8个模拟输入口，完成一次转化的时间为6μS。
由于经分析仪器传感器转换后的电信号是0～1V，显然不能用内部参考电压模式进行采样，所以系统选用外部参考电压方式。但是作者在实际使用中发现，外部参考电压不能过低。试验表明，当外部参考低于1V时，在输入的模拟量在90 mV以下时，采样的结果明显不准确，有很严重的非线性，甚至出现明显死区。所以監控平台在传感器与A/D采样芯片之间加入了放大器，将传感器传给A/D采样芯片的信号放大至0～2V，通过计算可知此时的外部参考电压VREF=2/1.2207=1.6384V，事实证明这种方法起到了良好的作用，A/D采样芯片发挥了良好的性能，满足了监控平台的要求。
2.3 LCD液晶显示模块。LCD液晶显示器是人机界面的重要窗口，也是本监控平台的特色之一，本平台所有人机交互功能皆通过LCD结合键盘完成。键盘采用的是2×4触摸按键设计，占用CPU的6个I/O口，其中一个按键与仪器启动电路相连，成为该分析仪器的启动键。液晶显示器采用的是240×128点阵式大屏幕宽视角液晶显示器（LCD），显示模块的外部接口引脚共有21个，其中Pin18脚为显示字符的字体选择引脚，接高电平则显示的字体为8×6，接低电平则显示的字体为8×8。该液晶屏内置驱动器T6963C及周边电路，具有硬件初始化功能。
LCD的Pin4脚为显示区域对比度调节管脚，接入电压可以在-6V～18V之间调节。本监控平台选用MAXIM公司生产8引脚双列直插封装的MAX749芯片来提供液晶屏的辉度调节的震荡电压。该芯片是专为LCD对比度电压调节而设计的，其输出电压具有良好的可调性，可以通过数字控制、电位调节、PWM控制工三种方法实现。起工作电路如图3。
图3 MAX749工作电路设计
2.4 电源启动及转换模块。由于便携式分析仪器采用蓄电池供电，减少整机电流和待机电流、降低损耗变得极为重要。传感器部分的工作电压为12V，而单片系统采用5V供电，因此，控制平台选用了直-交-直变换模块完成电源转换。选用XR031电压转换模块，其转换效率达80%。启动电路采用CMOS芯片，组成带施密特整形的flip-flop电路，由仪器键盘上的启动键控制开、关机。关机状态下电池仍对该部分电路供电，其电流极小，约为4～8微安，工作状态下CPU内部A/D采样模块对其进行电压检测，当电压低于设定时，置输出端口为有效电平，该电平经微分电路产生+12V尖脉冲触发flip-flop电路翻转，实现强行关机。本监控系统正常工作时功耗电流为50～60mA（LCD背光关闭，不包括泵电流），整机电流最大为140mA（LCD背光开启）。
3 监控平台的软件设计
监控平台的软件系统采用C程序设计，使用C96编译器。尽管该编译器占用程序空间比汇编语言编译器大，但程序开发周期大大减少，调试效率及可读性均明显优于汇编语言，且原程序可更加方便地移植于其他型号芯片中，便于产品的更新换代。
本监控平台软件系统为多任务实时操作系统，主要分为人机界面、串口通讯、数据处理、红外打印、操作控制五大功能模块。由于系统采用模块化设计，各模块自成体系，可独立调试，有利于系统集成也便于形成其他分析仪器的监控程序。本软件系统支持中英文两种版本的界面供用户操作选择，其LCD显示页面达60多个，字库汉字超过250个，编译后程序代码约为52Kb。
整个软件系统使用超循环系统结构，应用程序是一个无限循环，循环中调用相应的函数完成规定的操作，程序依次检查系统的每一个输入条件，一旦条件成立就进行相应的处理，这部分可以看成任务级处理。中断服务程序处理异步事件，这部分看成中断级处理。本系统包括A/D采样、HSO实时中断、HSO事件中断、串行通讯等模块，为保证实时性，中断服务程序只包含标志处理，其隐含功能如采样值的滤波，HSO事件排队均由任务级处理。实时多任务按任务级别分类处理，在各界面处理模块中均包含时间事件处理模块，以确保定时事件处理。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。