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(多图) 基于虚拟仪器的浊度测试系统的设计

大同大学 贾权 郭计云 王晓亮?? 2009年11月09日 ?? 收藏0

  0 引 言

  浊度是工业水处理(除盐水)检验水质要求的一个重要参数,对除盐水的水质要求较高。目前,浊度的测定大部分都是停留在传统仪器的模式下,没有摆脱独立使用,手动操作的模式。随着科技的迅猛发展,计算机强大的处理能力,虚拟仪器在测定系统中正被广泛采用,它可以利用虚拟仪器的多面板能满足多功能的测量要求,同时提高检测的精度和可靠性;利用虚拟仪器良好的人机交互性和在线帮助功能使测量具有很大的灵活性,操作简便。将测试结果图形化形式显示出来,使测试的结果更加直观明了;随着计算机网络的发展,虚拟仪器还能满足今后更多功能的扩展和网络互联的要求。基于此设计了基于虚拟仪器的浊度测试系统,利用 LabVIEW图形化的编程语言和编程环境,实现了对浊度数据的显示、标定和报警等功能。

  1 系统的硬件设计

  1.1 测量电路的设计

  中央处理器采用C8051F020。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC),具有与8051兼容的高速CIP-51内核,与 MCS-51指令集完全兼容。片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件,内置FLASH程序存储器、内部RAM。C8051F 单片机还具有片内调试电路,通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在线系统调试。放大后的信号由C8051F020内的交叉开关选通,调节增益后送ADC0进行A/D转换并存储。

  1.1.1 主控制板电路

  主控制板电路实现数据的采集、存储、处理和输出功能。它由C8051F020单片机处理电路、传感和模拟信号处理电路、AT45DB081数据存储电路、 DS18B20温度监控电路、RS 232通信电路、液晶显示和键盘电路、报警电路、标准4~20 mA工业信号输出电路几部分构成。浊度仪的核心控制器件是Cygnal公司新出产的混合信号系统级单片机C8051F020。在一个标准的8051中,除 MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期,并且通常最大系统时钟频率为12 MHz。而对于CIP-51内核,70%的指令执行时间为1或2个系统时钟周期,没有执行时间超过8个系统时钟周期的指令。可见C8051F020单片机的指令执行速度是标准8051单片机的10倍,因此测量时间非常短,可以满足在线实时测量的要求。该单片机片内集成了Cygnal公司独创的CIP-51 的CPU内核,指令系统与MCS-51完全兼容。它具有如下特点:集成度高、抗干扰能力强、速度高、可靠性高、扩展功能强等。本仪器中选用 C8051F020单片机,可以使电路在设计上结构紧凑,并能够提高仪器的抗干扰能力。C8051F020的原理图如图1所示。

C8051F020的原理图

  1.1.2 传感和模拟信号处理电路

  光电转换元件采用的是TCZ 6×6型硅光电池,此种型号硅光电池的光电特性,其短路电流与入射光强有良好的线性关系。但是其转换信号仅为10-7A数量级,必须进行放大处理,因此,在电路设计中采用了输入阻抗高的运算放大器LF353来获取电流信号,并进行滤波放大处理。如图2所示。

传感和模拟信号处理电路

  1.2 C8051F020与虚拟仪器的实现

  串口通信虽然传输速度较慢,但是由于简单易行,并且现有的微机都具备串行通信口,因而得到了广泛的应用。本文在浊度测试系统中利用串口实现了对单片机的通信控制。

  1.2.1 系统硬件配置

  本文通信系统采用C51F020作为下位机,PC机作为上位机,二者通过RS 232串口接收或发送数据和指令。传输介质为二芯屏蔽电缆。RS 232信号和单片机串口信号的电平转换采用MAX232,它是具有双驱动器、双接收器的通信器接口电路,不需外接电容而进行倍压及电压极性转换,只需+5 V供电,电源电流为5 mA,传输率为200 Kb/s。串行接口电路原理见图3。

串行接口电路原理

  系统中PC机承担主控任务,负责该测控系统的通信参数设定、数据的采集处理及对单片机运行的控制,程序采用LabVIEW编写。其通信协议为:采用RS 232异步通信方式,51单片机串行口共有4种工作方式,这里采用单片机串口通信的方式1,该方式为8位异步串行通信方式,其波特率是可变的,1位起始位,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验,若晶振频率为11.059 2 MHz,取波特率为4 800 Kb/s。下位机按接收到的指令工作,若主控机发出无效或错误指令,将不作任何控制。


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虚拟仪器? 浊度测试? C8051? LabVIEW?

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