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用于环境监测的数据采集器设计

21ic?? 2011年08月23日 ?? 收藏0

  1? 引言

  近年来,国家逐步加大环境监测网络建设以提高环境监测能力,保障国家环保目标的实现。主要措施包括:加强污染物排放总量的监测,加快空气质量监测网络建设,完善主要流域水质自动监测系统,加强近岸海域监测网能力、生态监测能力、监测信息传输能力等方面的建设,环境自动监测能力有了很大的提高。

  基于GPRS和MCS-51单片机的数据采集器是一种实时在线环境监测系统,它采用分组无线业务GPRS将实时在线检测到的环境状况通过Internet传到环保部门监测信息处理中心,监测信息实时处理软件通过对采集来的数据进行整理分析,使环保机关足不出户即能掌握辖区监测点和污染源的监测指标信息,从而使环保机关的管理在机制上实现从人工化向信息化的转变,克服了过去对各项环境指标的检测主要靠环保人员到现场手工取样,带回实验室分析后再作出结论的周期长、效率低的问题;还可以提高对环境的监测频次,克服过去由于监测频次低,总结出来的环境质量和污染源监测信息可信度较低的问题。

  2? 监测系统的工作过程

  整个系统的具体工作过程见图1。数据采集器单元将流量计、PH计、COD计等各个现场测量仪器输出的标准4~20mA的电流信号转变成数字信号,并对采集数据进行内部保存,然后通过GPRS模块采用无线传输方式发送给监控中心,由运行在监控中心计算机中的“监测信息实时处理系统”软件进行监测数据的集中处理和分析,监控中心人员就可以根据处理和分析后的数据了解采集点出的环境质量状况。

整个系统的具体工作过程

  3? 数据采集器硬件结构

  采集器采用双CPU结构,主CPU专门负责与监测软件之间的数据通讯传输和量程设置及参数显示;从CPU专门负责各自通道的数据采集、转换及存储,这样可以避免各通道切换带来数据信号的干扰,保证数据测量的精确可靠。从CPU用两种方式(RS-485串行通讯方式及4~20mA电流环方式)来接收或转换各个在线监测仪器的数据(见图2)。从功能上,采集器电路划分为以下几个组成部分:

主CPU流程图

  (1)单片机控制单元电路

  单片机控制单元电路包括两片单片机AT89S52(分别用主CPU和从CPU表示)、高速1K双口静态RAMIDT7130、E2PROMAT24C512等器件。MASTERCPU主要用来控制、通讯(与上位机远程通讯,与SLAVECPU进行数据的接受和发送命令等通讯操作);SLAVECPU主要用来对采集来的数据进行数据转换,并与MASTERCPU进行数据传递。AT89S52内含8K的FLASH作为程序存储器。高速1K双口静态RAMIDT7130作为MASTERCPU和SLAVECPU通讯的共享RAM。

  参数数据存储采用外部扩展一片64K的E2PROM(AT24C512),用于数据存储,并根据需要将数据送去显示或上传。

  (2)A/D转换电路

  A/D转换电路采用MAX197,用于将监测仪器送来的4~20mA的模拟信号转换成数字信号送至单片机进行处理。MAX197芯片是美国MAXIM公司近年的新产品,是多量程(±10V,±5V,0~10V,0~5V)、8通道、12位高精度的A/D转换器。它采用逐次逼近工作方式,有标准的微机接口。三态数据I/O口用做8位数据总线,数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与TTL/CMOS电平兼容。新型A/D转换器芯片MAX197与一般A/D转换器芯片相比,具有极好的性能价格比,仅需单一+5V供电,且外围电路简单,可简化电路设计。

  在此采集器系统选用从CPU与其联接。使AT89C52的P0.0~P0.7与MAX197的D0~D7相连。P2.7作片选信号,MAX197的地址分配为7000H。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式,所以置SHDN脚为高电平,本例采用内部基准电压,所以REF、REFDJ均通过电容接地。用P1.7脚用做判读高、低位数据的选择线,直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚与从CPU的P1.6相连,作为转换识别信号。

  (3)通讯传输单元

  由于环境监测点地理位置比较分散、偏僻、自然条件较差,采用有线传输需要架设专线,成本太高。无线传输因组网迅速灵活、建设周期短、成本低,特别适合条件差的野外使用环境和跨区域的应用。特别是随着移动通讯技术的发展,采用无线网络方式来传输数据已成为新的发展趋势。这里采用了深圳宏电公司的GPRS无线数据终端单元(DTU)作为监测数据的传输单元,其主要技术特点有:

  一是透明数据传输。H7100GPRSDTU直接提供RS485或RS232接口,使用简单、方便,为用户的数据设备提供透明的传输通道;二是后台计算机支持经。普通GPRSModem通常需要附着在PC机上虚拟拨号上网,利用PC机的资源进行数据收发和协议转换;而H7100GPRSDTU内置自动网络连接和协议处理模块,无须后台计算机支持;三是点、点对多点、对等、实时数据传输。H7100GPRSDTU可以实现点~点、点~多点、中心~多点的对等数据传输,传输时延一般小于1s;四是永远在线。H7100GPRSDTU一开机就能自动附着在GPRS网络上,并与数据中心建立通讯链路,随时收发用户数据设备的数据。由于H7100GPRSDTU直接提供RS485或RS232接口,因此和主CPU之间的通讯电路采用两种串行通讯方式:即RS-485和RS-232方式。分别采用MAXIM公司的MAX1487和MAX202E通讯芯片来实现,通过内定的通讯协议及GPRS数据传输单元与远程的监测信息处理中心进行数据传输。

  (4)按键、显示电路

  本采集器采用比高科技公司的BC7281芯片来实现采集器上的相关参数输入及数据显示。该芯片可驱动8位或16位数码管显示,具有64键键盘接口,内含去抖功能,具有2种键盘工作模式,适应不同应用要求,独具光柱译码方式,可独立控制两条64段光柱显示,段寻址功能便于控制独立的LED,16位均均可独立控制闪烁属性,闪烁速度软件可调,段驱动极性及移位脉冲时序均可控,可配合各种形式的驱动电路,键盘部分具有键值锁存功能,内部显示寄存器和控制寄存器的内容均可读出,且采用2线制的高速串行接口与CPU连接,大大简化了电路设计,编程较为方便。

  4? 采集器控制程序流程

采集器控制程序流程

  5? 结语

  本文介绍的数据采集器具备对多路模拟量(4~20mA信号)的自动连续采集、转换、存储及数据传输功能,能自动保存最近6-30天检测数据。由于具备RS-232和RS-485通讯接口,可以方便地外接其他的检测模块。另外该采集器还使用了GPRS无线传输模块。因此该采集器除了用于环境监测数据的传输外,还可广泛应用于地理位置比较分散、偏僻、自然条件较差的环境下的工业控制、自动测试、仪器仪表、远程通讯等领域的数据传输。


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数据采集器? 环境监测? GPRS? MAX197?

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