利用MCS-51單片機數據采集器的實時在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

1 引言

基于GPRS和MCS-51單片機的數據采集器是一種實時在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，它采用分組無線業(yè)務GPRS將實時在線檢測到的環(huán)境狀況通過Internet傳到環(huán)保部門監(jiān)測信息處理中心，監(jiān)測信息實時處理軟件通過對采集來的數據進行整理分析，使環(huán)保機關足不出戶即能掌握轄區(qū)監(jiān)測點和污染源的監(jiān)測指標信息，從而使環(huán)保機關的管理在機制上實現從人工化向信息化的轉變，克服了過去對各項環(huán)境指標的檢測主要靠環(huán)保人員到現場手工取樣，帶回實驗室分析后再作出結論的周期長、效率低的問題;還可以提高對環(huán)境的監(jiān)測頻次，克服過去由于監(jiān)測頻次低，總結出來的環(huán)境質量和污染源監(jiān)測信息可信度較低的問題。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程

整個系統(tǒng)的具體工作過程見圖1。數據采集器單元將流量計、PH計、COD計等各個現場測量儀器輸出的標準4~20mA的電流信號轉變成數字信號，并對采集數據進行內部保存，然后通過GPRS模塊采用無線傳輸方式發(fā)送給監(jiān)控中心，由運行在監(jiān)控中心計算機中的“監(jiān)測信息實時處理系統(tǒng)”軟件進行監(jiān)測數據的集中處理和分析，監(jiān)控中心人員就可以根據處理和分析后的數據了解采集點出的環(huán)境質量狀況。

3 數據采集器硬件結構

采集器采用雙CPU結構，主CPU專門負責與監(jiān)測軟件之間的數據通訊傳輸和量程設置及參數顯示;從CPU專門負責各自通道的數據采集、轉換及存儲，這樣可以避免各通道切換帶來數據信號的干擾，保證數據測量的精確可靠。從CPU用兩種方式（RS-485串行通訊方式及4～20mA電流環(huán)方式）來接收或轉換各個在線監(jiān)測儀器的數據（見圖2）。從功能上，采集器電路劃分為以下幾個組成部分：

（1）單片機控制單元電路

單片機控制單元電路包括兩片單片機AT89S52（分別用主CPU和從CPU表示）、高速1K雙口靜態(tài)RAMIDT7130、E2PROMAT24C512等器件。MASTERCPU主要用來控制、通訊（與上位機遠程通訊，與SLAVECPU進行數據的接受和發(fā)送命令等通訊操作）;SLAVECPU主要用來對采集來的數據進行數據轉換，并與MASTERCPU進行數據傳遞。AT89S52內含8K的FLASH作為程序存儲器。高速1K雙口靜態(tài)RAMIDT7130作為MASTERCPU和SLAVECPU通訊的共享RAM。

參數數據存儲采用外部擴展一片64K的E2PROM（AT24C512），用于數據存儲，并根據需要將數據送去顯示或上傳。

（2）A/D轉換電路

A/D轉換電路采用MAX197，用于將監(jiān)測儀器送來的4～20mA的模擬信號轉換成數字信號送至單片機進行處理。MAX197芯片是美國MAXIM公司近年的新產品，是多量程（±10V，±5V，0～10V，0～5V）、8通道、12位高精度的A/D轉換器。它采用逐次逼近工作方式，有標準的微機接口。三態(tài)數據I/O口用做8位數據總線，數據總線的時序與絕大多數通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS電平兼容。新型A/D轉換器芯片MAX197與一般A/D轉換器芯片相比，具有極好的性能價格比，僅需單一+5V供電，且外圍電路簡單，可簡化電路設計。

在此采集器系統(tǒng)選用從CPU與其聯接。使AT89C52的P0.0～P0.7與MAX197的D0～D7相連。P2.7作片選信號，MAX197的地址分配為7000H。選擇MAX197為軟件設置低功耗工作方式，所以置SHDN腳為高電平，本例采用內部基準電壓，所以REF、REFDJ均通過電容接地。用P1.7腳用做判讀高、低位數據的選擇線，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳與從CPU的P1.6相連，作為轉換識別信號。

（3）通訊傳輸單元

由于環(huán)境監(jiān)測點地理位置比較分散、偏僻、自然條件較差，采用有線傳輸需要架設專線，成本太高。無線傳輸因組網迅速靈活、建設周期短、成本低，特別適合條件差的野外使用環(huán)境和跨區(qū)域的應用。特別是隨著移動通訊技術的發(fā)展，采用無線網絡方式來傳輸數據已成為新的發(fā)展趨勢。這里采用了深圳宏電公司的GPRS無線數據終端單元（DTU）作為監(jiān)測數據的傳輸單元，其主要技術特點有：

一是透明數據傳輸。H7100GPRSDTU直接提供RS485或RS232接口，使用簡單、方便，為用戶的數據設備提供透明的傳輸通道;二是后臺計算機支持經。普通GPRSModem通常需要附著在PC機上虛擬撥號上網，利用PC機的資源進行數據收發(fā)和協議轉換;而H7100GPRSDTU內置自動網絡連接和協議處理模塊，無須后臺計算機支持;三是點、點對多點、對等、實時數據傳輸。H7100GPRSDTU可以實現點~點、點~多點、中心~多點的對等數據傳輸，傳輸時延一般小于1s;四是永遠在線。H7100GPRSDTU一開機就能自動附著在GPRS網絡上，并與數據中心建立通訊鏈路，隨時收發(fā)用戶數據設備的數據。由于H7100GPRSDTU直接提供RS485或RS232接口，因此和主CPU之間的通訊電路采用兩種串行通訊方式：即RS-485和RS-232方式。分別采用MAXIM公司的MAX1487和MAX202E通訊芯片來實現，通過內定的通訊協議及GPRS數據傳輸單元與遠程的監(jiān)測信息處理中心進行數據傳輸。

（4）按鍵、顯示電路

本采集器采用比高科技公司的BC7281芯片來實現采集器上的相關參數輸入及數據顯示。該芯片可驅動8位或16位數碼管顯示，具有64鍵鍵盤接口，內含去抖功能，具有2種鍵盤工作模式，適應不同應用要求，獨具光柱譯碼方式，可獨立控制兩條64段光柱顯示，段尋址功能便于控制獨立的LED，16位均均可獨立控制閃爍屬性，閃爍速度軟件可調，段驅動極性及移位脈沖時序均可控，可配合各種形式的驅動電路，鍵盤部分具有鍵值鎖存功能，內部顯示寄存器和控制寄存器的內容均可讀出，且采用2線制的高速串行接口與CPU連接，大大簡化了電路設計，編程較為方便。

4 采集器控制程序流程

5 結語

本文介紹的數據采集器具備對多路模擬量（4~20mA信號）的自動連續(xù)采集、轉換、存儲及數據傳輸功能，能自動保存最近6-30天檢測數據。由于具備RS-232和RS-485通訊接口，可以方便地外接其他的檢測模塊。另外該采集器還使用了GPRS無線傳輸模塊。