一种基于单片机的监测系统硬件选型

一种基于单片机的监测系统硬件选型

张文树

SelectionofaMonitoringSystemHardwareBasedonSCM

张文树淤ZHANGWen-shu曰高亮于GAOLiang（淤日照瑞吉德仓储科技有限公司，日照276800；于日照钢铁有限公司，日照276806）（淤RizhaoRigidStorageTechnologyCo.，Ltd.，Rizhao276800，China；于RizhaoSteelHoldingGroupCo.，Ltd.，Rizhao276806，China）

摘要院单片机工厂监测仪表的设计是一个工业生产中经常会遇到的问题。工厂中对于生产的设备需要检测，诸如压力、流量、温度，本设计针对这三个参数进行测量显示，并传输回上位机。

Abstract:SCMplantmonitoringinstrumentdesignisacommonprobleminindustrialproduction.Theequipmentproducedinthefactoryneedtobedetectedforpressure,flowandtemperature.Thisarticlecarriesoutmeasurementdisplayofthethreeparametersandtransfersthembacktotheuppercomputer.

关键词院单片机；监测仪表；压力；流量；温度Keywords:SCM；monitoringinstrument；pressure；flow；temperature中图分类号院TP368.1文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）18-0042-021

系统总体方案的设计按照系统设计的要求，测量仪表应在保证实现基本功能的基础上，尽可能降低系统成本，减少体积，提高测量精度与可靠性。围绕上述思想，总体方案确定如图1所示。

整个系统从功能上可以划分为5大模块，即主控模块、电源模块、信号输入通道、显示模块、通信接口。

2硬件设计与选型2.1主控模块CPU选型数据采集单元为双CPU芯片，采用美国的ATMEL公司的AT90S2313，模数转换器采用CIRRUSLOGIC公司的CS5521，高精度、高稳定性、高自动化的大规模集成电路，16位A/D，线性误差约0.0015%，

内带有仪表放大器、滤波器，50Hz干扰控制器，实现了数字化标定，确保采集单元长期稳定运行，无漂移，另一CPU进行数据传输控制，保证数据传输稳定、准确。

AT90S2313高性能CPU芯片，使用MAX232A专用RS-232集成电路，内有PC-DC升压器，接受、发送电平转换电路，使用光电耦合传递信号，可隔离计算机与多路转换之间的电路联系，减少相互间干扰，每条载波通道有用于雷击的过压保护压敏电阻，完成话音与数据信号的分离的载波滤波器，双向传递载波信号的隔离变压器。

监测计算机采用EVOC公司生产的工控机IPC。

2.2电源模块选型电源模块为整流电路，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。在本设计中，先经由变压器把220V交流电变为9V交流电，然后用桥式整流电路变为直流电。桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

上述工作状态分别如图2、图3所示。

如此重复下去，结果在Rfz上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。

从图2~3中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半！

LM336-2.5是2.5V精密基准电压源。精密的2援5V并联稳压器，其工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2赘的2.5V齐纳二极管，其中的微调端(adj)可以使基准电压和温度系数得到电源。78L05为正5V三端稳压器，其引脚定义为：第一脚为输入，中间为地，3脚为输入。电源插座12V到78L05三端稳压器输入脚，输出正5V电压给CS5521，用78L05稳压后供给后续电路使用，为了滤波和稳压，输出端加一个电容(C5)。78L05的稳压输出Icm只有0.1A，负载过重时有烧坏7805的可能。

2.3信号输入通道选用多路开关CD4052和模数转换选用CS5521多路开关CD4052用于实现多路不同输人信号的切换及实现零点漂移和增益误差的自动校正。

CD4052模拟数据选择/分拟开关，具有低导通阻抗和非常低的关断泄漏电流。315V的数字信号可以控制15VP-P的模拟信号。数据选择器在整个VDDVSS和VDDVEE范围具有非常低的静态功耗，而且与控制信号的逻辑状态无关。CD4052是一个独立的4通道数据选择器，具有二进制控制输入端A、B和一个禁止输入INH。A、B的四种二进制组合状态用来在四对通道中选择其中的一对，当逻辑“1”加到INH输入端时，所有的通道都关闭。

CD4052相当于一个双刀四掷开关，具体接通哪一通道，由输入地址码AB来决定。其真值表见表1。

在本设计中，CD4052的X2输入和X3输入接入的是温度测量输入，电流流经测温电阻产生小于100mv的电压，同时模拟开关的A输入和B输入分别接A/D转换器CS5521的A0和A1，当A0和A1为低电平时，2”X通道接通，X2输入的温度测量信号经开关输出送至A/D转换器的AIN1+管脚转换为数字量。同理，开关的X1和X4分别接入压力测量信号和流量测量信号，对应A和B输入状态的变化而接通送至CS5521。另外INH始终接地，为低电平。Y0~Y4没有接输入。

模数转换选用CS5521是CIRRUSLOGIC公司生产的16位高精度串行A/D转换器CS5521，该芯片内集成了一个仪表放大器、一个可编程增益放大器、多路开关、数字滤波器、自校正和系统校正电路。通过简单的串行连接，CS5521便可方便地由MCU控制，以实现多通道高精度的A/D转换，且价格低廉，适合于多种应用场合。在本设计中，经模拟开关选通的电压信号输入AIN+，AIN-接地形成电压差，作为CS5521的差分输入信号。VD+接5V电压。

输入共膜电压由LM336-2.5精密基准电压源提供2.5V电压。整个电路由AT90S2313控制，SCLK为串行时钟输入端，与单片机的SCK相连。SDI为CS5521串行命令辕数据输入端，接AT90S2313的MISO，SDO为CS5521数据输出端，接单片机的MISI，空闲时为高电平，高电平向低电平转变用来指示芯片A/D转换数据可取或校验结束。

2.4显示模块6位字高1英寸的LED发光数码管可以显6位数字和相应的小数点。数码管右边有8个指示灯，显示不同参数时对应的指示灯点亮，指示出显示参数的名称和量纲。8个指示灯下方是“显示轮换”开关，用手指轻触光电开关窗口约1秒钟，机内蜂鸣器发出短促音提示显示轮换到下一参数。轮换顺序是：时钟，日期，质量流量，体积流量，温度，压力，密度，累计量。

2.5通信接口采用RS-485串行总线标准。该接口能平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。具有高灵敏度，可以远距离传输等特点，可以满足本系统的测量和传输要求。

3总结本设计可实现在线监测、记录、显示、通信的功能，具有成本低，体积小，测量精度较可靠精确的特点。

参考文献院[1]张为.基于单片机的温湿度测量系统设计[J].阴山学刊(自然科学)，2010(03).[2]李艳丽.温度采集报警系统的设计和实现[J].微计算机信息，2008(20).[3]张宇,赵宇雯,王燕.可燃气体监测及预警系统[J].工业设计，2011(05).__作者简介院张文树（1984-），男，河北沧州人，工程师，研究方向为自动化仪表。