【基于单片机的煤气浓度监控系统的设计】单片机监控系统

　　摘要：介绍了煤气浓度实时监测、采集、处理系统的设计方案。该系统以MCS-51单片机为核心，由防爆型煤气浓度监测器、AD0832及8端口HUB组成，应用于煤气生产各关键部位的煤气浓度监控。该系统通过RS-485实现与工控机(IPC)通信，并由多个模块与工控机(IPC)一起构成基于单片机模块的测控网络。
　　关键词：单片机；工控机；网络；RS-485通信
　　
　　0　引言
　　
　　长期以来，煤气厂工房车间内煤气浓度仅依靠工人的经验进行判断监测，这不仅给生产带来了不安全因素，也为事故的发生埋下隐患。因此，有必要设计一种多点煤气浓度实时采集监控系统。这种系统能在工控机(IPC)上实时显示测量点的煤气浓度，在测点浓度超过设定临界值时能自动接通轴流风机进行排送、吹散并发出相应的报警，还可通过工控机绘制整个生产过程中同一测点的浓度变化曲线图。该监测系统对煤气厂安全生产有着重要意义。
　　
　　1　硬件设计
　　
　　本文设计的煤气浓度采集系统结构框图如图1所示。
　　
　　本系统采用具有国家安全认证的EXDII型煤气浓度监测器作为传感器监测车间机房内的煤气浓度，系统包括8个浓度监测模块，一个RS-4858口HUB，一台工控机(IPC)及信号电缆。浓度监测模块是由89S52为处理器，具有数据采集、数据传输、故障检测功能的控制电路构成。每个模块测量8点浓度，系统共采集64点浓度数据，每个监测模块采用一个AD0832模数转换芯片，通过其八选一多路选通功能控制分时采样的八个监测器输入信号的输入。
　　每个模块采用支持RS--485半双工通信的芯片SN75LBCl84实现单片机到RS-485网络通信。八个模块通过一个RS-485光电隔离一拖入口的HUB实现与上位机的通信。该模块拥有RS-485到RS-232自动转换功能，可直接连接工控机IPC的串行COM口，各监测模块采集的数据通过8口HUB传输到工控机，并在工控机进一步处理、显示。
　　
　　1.1煤气浓度监测模块设计
　　煤气浓度监测模块以单片机AT89S52为核心进行煤气浓度的采集、数据传输及故障检测。电路如图2所示。
　　单片机P0.0-P0.2口通过锁存器74LS373接AD0832的ADDA、ADDB、ADDC端，作为八路监测器输入信号的地址选通线分别对八路煤气浓度输入信号通道进行选通并对输入的模拟信号进行模数转换。在其中一路信号转换完成后，AD0832的EOC端向89S52发出中断请求，单片机启动中断子程序，由P0口从AD0832的D0-D7脚读入并存储数据后，开始进行下一路数据的采集。
　　煤气浓度监测器选用国家认证EXDII型专用浓度监测器，选用DC24V电源，输出为1-5V信号(Ov为故障信号输出)，有两路继电器输出，可实现现场两级报警。
　　P2.0-P2.6、P1.3与一组8个MGA607光耦、驱动管和JZX-22F／4Z DC24V继电器一起构成控制模块，控制8台轴流风机的起停。
　　在被测点煤气集聚浓度达到安全浓度上限设定值时，P2.0-P2.6、P1.3相应的管脚输出高电平，驱动MGA607工作，从而使驱动管工作，使得JZX-22F／4Z继电器线圈通电，继电器常开点闭合，接通交流接触器控制线圈回路，从而启动轴流风机对集聚在测点所在机房的煤气进行吹散；在被测点的煤气浓度小于安全上限值时，P2.0-P2.6、P1.3相应管脚输出低电平，使MGA607截止，从而使得驱动管截止，继电器控制线圈回路被切断，闭合的常开点断开，切断交流接触器的控制线圈回路，断开轴流风机电源，轴流风机停止运行。
　　
　　1.2RS-485通信硬件设计
　　RS-485串行通信采用差分平衡的电气接口。利用平衡驱动，差分接收的方法，从根本上消除了信号地线。因此，RS-485可用于1200m的远距离，速度为1000kbps的高速通信；降低传输速度，传输距离可以更远；在一条总线上，允许同时存在32个接收器和32个发送器。
　　煤气厂车间多为高跨度、大面积、多层混凝土结构，其监控操作室到各生产关键部位的距离多在60米以上。为了提高生产安全性，实时采集各关键点的煤气浓度值，数据采集模块应尽量靠近测点，这就使该数据采集模块分布面积较大，与中央工控机距离较远。因此，本系统选用RS-485串行通信，其转换芯片用支持半双工通信芯片SN75LBCl84。该芯片可以支持250kbps的速率，并具有瞬变高压抑制功能，能抗雷击、静电放电，避免因交流电故障引起的非正常高压脉冲冲击。芯片A、B引脚为RS-485，总线接口分别与RS-485光隔一拖入口HUB的+AX，-BX(X=0～7)引脚相连接。D引脚是发送端，R引脚为接收端，分别与单片机串行口的RXD、TXD连接。RE、DE为收发使能端，与单片机的P1.6口相连，在检测电路如图2所示。
　　
　　1.3RS-485总线到工控机(IPC)信号转换
　　通用工控机上一般只有二个RS-232串行接口，即COMl口和COM2口，没有RS-485接口。在当前应用中，为了实现资源的有效利用，往往是一台工控机控制一个工业现场RS-485网络，这就意味着必然要实现在多个下位机与工控机之间的通信，即必须进行电平转换与信号选通。
　　本系统选用RS-485光隔一拖入口HUB(HUB8485G)，它有1个上位机RS-485／RS-232口和8个下位机RS-485口。其下位机侧可以分别接八个下位机的RS-485口。支持最高通信速率保证9600bps以上、实际可达38.4kbps，同时具有吸收浪涌电流的抗雷击保护功能。HUB8485G适合所有半双工通信软件。其上位机端可以直接将RS-485信号转换为RS-232信号，与工控机的串行COM口连接。
　　
　　2　软件设计
　　
　　软件设计包括：煤气浓度采集模块的浓度数据采集软件设计数据采集模块与工控机通信部分的软件设计(包括串口初始化、波特率设置、通信协议、数据传输等)。上位工控机温度数据管理监控软件设计。
　　
　　2.1浓度数据采集软件模块设计
　　浓度数据采集软件模块流程如图3所示。单片机采集的浓度数据及传感器状态数据贮在片内RAM中，供上层软件读取。
　　
　　2.2通信软件模块设计
　　各单片机采样模块的通信软件流程如图4所示。通信软件采用从动式中断通信方式设计，预先设定好各模块的单片机地址，当单片机采样模块接收到上位工控机(IPC)的“启动采样”指令时，单片机采样模块开始对该模块的八个浓度监测回路进行采样，并检测其控制的传感器的故障状态。
　　当单片机采样模块从上位工控机接收到“本模块地址”时，启动该模块与上位机之间的数据通信，传输相应的浓度数据以及煤气浓度传感器的故障状态数据，而地址不符的单片机采样模块在此期间不与上位机进行通信。
　　
　　2.3PC端监控软件设计
　　PC端监控软件用VC6.0编写，主要实现煤气浓度数据管理，数据及相应点浓度曲线显示，数据打印以及浓度数据监控等功能；若发现在给定的时间段内，某采样点的数据连续超过临界值，发出报警信号。
　　
　　3　结束语
　　
　　本系统改变了过去车间机房煤气浓度依靠岗位工人经验判断的落后状况，实现了监测、控制的自动化，上位机还可以提供趋势图、历史数据。本系统自从投入试运行以来，由煤气浓度超标而引发的中毒安全事故为零。实践证明，该系统性能稳定、工作可靠，应用效果良好。
　　
　　参考文献：
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