环境监控仪

环境监控仪（精选6篇）

环境监控仪 篇1

引言

20世纪80年代,在中国提起环境自动监测系统,仅仅是指大气自动监测。现今的环境自动监控(监测)系统已包括大气自动监测系统、水质自动监测系统、噪声自动监测系统以及污染源在线监控系统(实际上仍然是监测现场的水、气、声参数,并希望增加控制功能)[1]。大气自动监测主要采用的是8800(美国ESC公司)、9400 DAS(澳大利亚ECOTECH公司)等系统;水质自动监测站大多使用晟德瑞、摩特威尔等集成商提供的系统;污染源在线监测、噪声连续监测则使用国内供应商自行开发的系统。目前,除进口系统外,国内生产自动监测系统中的数据采集传输仪厂家至少有数十家,由于在此之前没有国际国内标准,各厂家的产品规格、技术指标和通讯协议都不相同,处于自成体系各自为战的状态,缺乏相互间的兼容性。其结果导致倘若在同一地区、部门安装不同厂家的数据采集传输仪,就需要在控制中心安装不同的监控软件,使得一个部门中需同时运行多套系统,监测数据又难以整合共享,致使在数据处理、分析、传输等方面的工作效率低,强度大,时效性无法保证,且出现故障难以互相协调解决,给自动监测系统的安装、管理和使用带来极大的不便,也大大增加监测成本[2]。

2005年为规范污染源自动监控,国家环保总局发布《HJ/T212-2005污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准》,为全国污染源在线自动监控(监测)系统的建设提供统一的数据传输标准。但目前正运行的自动监测系统仍具各自的独立性,经过细致的调查研究,运行中的各类系统就其原理及监测功能是相同的,只是采用的软、硬件不同,理论上仅需完善数据采集传输仪软件功能,更换原系统中的数据采集传输仪,实现灵活的数据采集协议与统一的传输协议,就能实现各个供应商所提供的监测仪器间的数据整合、处理、分析、规定格式报告生成过程的完全自动化。而且随着移动通讯的发展,可用于流动监测车和流动监测点位的数据实时传输[3]。

1 数据采集传输仪的基本技术要求

数据采集传输仪(Data Acquisition and Transmission Equipment以下简称DATE)是由数据记录仪(data logger)发展而来,随着计算机和通信技术的快速发展,在数据储存的基础上逐步增加统计分析与传输的功能[4]。

根据国家环保总局对自动监测技术规范的最新要求,要达到兼容通用的目的,DATE的外部连接必须统一规范,应满足如下的最低基本技术指标要求:(1)数据采集单元:数采端口兼容,采集精度应至少达到12位分辩率,应具备RS232数字输入通道4个以上,用于连接监测仪器,实现数据、命令双向传输。至少具备8个模拟量输入通道,应支持4～20mA电流输入或0～5V电压(可设定)输入;(2)数据存储单元:应保证对采集数据的正常存储,存储容量应满足实时数据和各类均值数据存储时间和传输的有关要求;(3)数据传输单元:应采用可靠的数据传输设备,保证连续、快速、可靠地进行数据传输;与监控中心的通信协议符合HJ/T 212要求,通信方式应具备无线和有线两种兼容方式。无线传输方式通过GPRS、CDMA等传输,有线方式通过局域网(以太网)、Internet等网及电信电话线路拨号与控制中心通讯;(4)开关量I/O端口:至少具备4个开关量输入输出通道,用于监控设施的工作状态;(5)图表显示单元:除噪声自动监测系统外,其它自动监控系统的DATE均需带有显示屏幕,操作员可以以表格的形式查看分、时、日平均值、辅助值和最大、最小值以及子站的停电记录等,可以以图形的形式查看实时值、分钟、小时平均值和日平均值的曲线图。

通过图形显示,确保用户在监测现场也能非常直观的看到污染和气象参数等的动态变化情况,方便用户的现场操作调试,给用户以更加直观的显示。

2 数据采集传输仪的功能设计与实现

2.1 DATE的硬件构成

数据采集传输仪DATE采用一体化工控机(工作站),配有Intel PIII 933 CPU、80G硬盘、6.4"彩色液晶显示器、推拉式键盘、16路12位高速A/D模拟量输入卡(模拟信号输入0～5V)、16路开关量输出以及用于无线通信的GPRS模块。同时系统还预留电话线MODEM通信方式。整机采用通用接口,只要符合接口标准的污染物和气象、水文参数都可直接接入,目前已经接入的污染物和气象参数有NO、NO2、O3、SO2、PM10、HC、COD、pH、风向、风速、温度、湿度、流量等。

2.2 DATE的软件构成

2.2.1 基础软件

数据采集传输仪DATE基础软件采用Microsoft公司稳定可靠的Windows 2000Professional中文版操作系统,该系统提供极为完备的中文环境,可满足DATE的实时监控、多任务并行处理以及人机界面友好的要求。

2.2.2 开发工具

DATA的软件开发工具采用Borland的C++Builder企业版开发设计。C++Builder是Windows环境下的优秀软件开发工具,具有面向对象和可视化特点,功能强大,使用方便,运行效率高。

2.2.3 应用程序

数据采集传输仪DATE中主要运行两个应用程序,自动监控主程序和辅助看门狗(WD)程序,其中WD程序是自动监控主程序的软件看门狗程序,当发现主程序跑飞或进入死循环就将该程序重新启动(见图1)。

2.2.4 自动监控主程序

自动监控主程序采用Windows环境下的优秀软件开发工具C++Builder来实现的,开发过程中充分考虑到结构化设计,各功能单元独立,利于以后的升级改造,按功能进行区分:HMI模块、通信功能模块(GPRS、电话线MODEM、网络)、通道设置模块、图表显示模块、权限管理模块、A/D转换模块等(见图2)。(1)HMI模块:数据采集仪监测软件采用Windows的菜单结构设计,纯中文界面,系统自动运行时界面(见图3)。该界面显示当前点位DATE各通道数据的实测值和转换为工程单位的实际值。(2)通信模块:通信模块由GPRS通信模块和电话线MODEM通信模块组成,两个模块只是外界承载方式不同,系统内部处理采用同一套函数。

DATE具有COM1和COM2两个串口,分别接GPRS模块和电话线MODEM,系统的通信参数设置界面(见图4)。对于GPRS和电话线MODEM均要设置串口的波特率、数据位、停止位以及校验方式,这个设置要和监控中心的相应设置一致。

GPRS通信方式,系统采用内置TCP/IP协议的GPRS模块,该模块可以工作在透明传输模式,即该模块努力尝试和控制中心保持永久连接,只要GPRS链路断线,就不停的尝试,直到重新建立连接为止,这种方式的好处就是控制简单,但如果控制中心软件关闭,则GPRS流量惊人,造成巨大浪费不建议采用;目前系统采用按照预先设定好的时间段主动与控制中心建立连接方式,这种方式GPRS流量会大大减少,使用起来更加经济,不过软件实现复杂度稍有增加。

电话线拨号方式,对于电话线MODEM串口,在收到监控中心拨过来的振铃信号就会自动应答,建立连接。系统建立连接后,收发数据和对串口操作一样,当接收到没有载波信号,即表示本次数传已经结束,控制中心软件已经挂机;(3)图表显示模块:操作员可以以表格的形式查看分钟平均值、日平均值、辅助值和小时值(均值、标准偏差、有效率、最大、最小值)以及子站的停电记录;可以以图形的形式查看实时值、分钟平均值、小时平均值和日平均值的曲线图。通过图形显示,确保用户在监测现场也能非常直观的看到污染物和气象参数的动态变化情况,方便用户的现场操作;(4)权限管理模块:数据采集器采用三级登录权限,分别为查看登录、操作登录以及高级登录,系统的所有功能都可以通过主菜单进行操作,权限管理也是通过菜单的可见和不可见实现的。

高级登录:可进行所有操作,并且可以修改各级登录密码;

操作登录:除不能修改密码,可进行所有操作;

查看登录:只能对实时数据和历史数据进行查看,不能进行子站或通道设置以及修改密码操作;(5)通道设置模块:以操作或高级方式登录的用户,可以对子站DATE站点信息和16个通道采集参数进行智能设置,以适应各类监控项目,也可以通过通信网络在监控中心对其进行设置,子站通道参数设置界面(见图5),设置内容包括:通道名称、通道类型、单位、工程单位值和实测值之间的算术关系、通道的报警限以及通道数据有效限值等参数。

系统可以启用或封闭某一通道,通道未设置时,该通道不采集数据并可隐藏;(6)模拟量采集模块:通过在DATE中加装16路12位A/D高速采集卡,实现对子站各污染物和气象参数的采集,通过提供的直流0～5V的标准接口实现和各采集仪器的对接。

DATE程序启动后,首先就是打开高速采集卡,同时打开采集时钟。采集时钟将采集到的实时数据送到界面上显示,同时将当前分钟中采集到的所有数据的算术平均值作为该通道的分钟平均值数据在文件中存储;(7)GPS自动校时:监测系统中的所有数据存储,报警事件的产生都是和时间相关的,因此系统时间的精准非常重要。当服务器获得准确时间后,通过网络对DATE进行校时,监控中心每次对子站发出查询命令的时候就将系统的当前时间带给子站DATE的,从而实现整个系统时间的一致性。

3 探讨

由于监测现场各类水、气、声自动监测仪器(又称一次仪表)的生产厂商繁多,DATE在采集一次仪表的数据时传输协议也不同,这一环节的规范需有国家统一标准,短期内无法改变,只能从软件上适应,但软件要达到所有厂商完全通用难度很大,最简单的方法是使用硬件模拟量端口采集,这就要求DATE具有足够的通道端口。对于水质自动监测系统,目前监测COD、TOC、氨氮以及水质五参数;污染源在线监测系统,大多为水、气独立监测,废水监测主要为COD、流量、pH、氨氮,烟气监测SO2、NOX、尘、氧含量、流速、温度、湿度、压力,因此8通道基本上能满足要求。而对于大气自动监测系统或水、气、声有混合的污染源在线监测系统,则需设计为16通道,因为气体参数有SO2、NO、NO2、NOX、O3、CO及测尘仪等,再加气象5参数8通道就无法满足要求。对于独立的噪声自动监测系统,因其监测因子较少,从降低费用考虑也可采用单片机设计,省去现场的显示功能。随着我国3G通讯的发展,音、像的音频、视频传输已进入实用阶段,环境自动监控网络信息的共享,必将迎来更大的发展。

参考文献

[1]齐文启,孙宗先.环境监测新技术[M],北京:化学工业出版,2004

[2]污染源在线自动监控(监测)数据采集传输仪技术要求(征求意见稿)2008

[3]欧阳俊,王淮滨,张子凡等.环境监测数据远程自动监控系统的建设,中国科技成果,2007,14:37～39

[4]ESC公司.8800数据采集器使用操作手册[M],美国

火炮随动控制系统监控仪设计 篇2

近年来,随着高新技术武器的不断涌现,其目标识别能力、隐蔽程度、目标命中精度均大大提高,这给火炮武器系统提出了新的要求。对火炮随动系统而言,必须具备很高的角速度、角加速度和很高的跟踪精度,要求有很好的快速性和动态品质,还应有很高的可靠性和可维护性[1]。

火炮随动系统是一种位置反馈的控制系统,在设计及产品交验时,需要知道火炮随动系统的各类技术指标,如跟踪性能、阶跃性能等。该火炮随动控制系统监控仪主要用来控制和监测火炮随动系统能够的方位及高低位置,并根据主令曲线计算出误差曲线,从而判定随动系统的跟踪性能、阶跃性能等,当火炮运行至所设定的极限位置时,能够输出开关量。该火炮随动控制系统监控仪要求:体积小;能通过图形显示火炮的速度、位置及误差曲线;响应时间快,要求到限响应时间不大于10 ms。

1 PC104模块与MCS-51单片机之间的通信

随动控制系统监控仪采用PC104计算机作为主控制器,与外部随动系统的通信采用PC104 CAN卡,操作系统为Windows XP。因此,可以通过PC104计算机实现曲线图形显示及误差计算等功能。但是,由于Windows XP是非实时操作系统,程序运行时,无法通过应用程序精确控制时间,因此无法做到真正的实时性。所以在火炮到限检测时,采用单片机电路,可确保快速响应的要求。MCS-51单片机通过串口与PC104计算机系统连接,串口设置为最简单的工作方式,串口通信波特率设置为9 600 b/s,接口芯片使用MAX232,串口通信协议采用十六进制编码方式[2]。

1.1 下位机数据包组成

下位机(单片机)数据包定义相同,每个数据包由4个字节组成,依次为:

发送顺序为先高后低。

BYTE3:起始帧,0xAB。

BYTE2:长度帧,0x02。

BYTE1:命令帧,0xA0/0xA1/0xA2/0xA3:执行复位/停止监控/恢复监控/射角限制设置等命令成功;0xFF:接收数据错误,要求重发;0xF3/0xF4:火炮位置超下限/上限,产生下限/上限报警;0x3F/0x4F:清除下限/上限报警显示。

BYTE0:结束帧,0xCD。

1.2 上位机(PC104计算机)数据包组成[3]

上位机数据包组成有两种定义,第一种数据包定义由4个字节组成,依次为:

发送顺序为先高后低。

BYTE3:起始帧,0xAB。

BYTE2:长度帧,0x02。

BYTE1:命令帧,0x00/0x01/0x02:复位/停止监控/恢复监控命令;0xFF:接收数据错误,要求重发;0xE3/0xE4:解除下限/上限警报;

BYTE0:结束帧,0xCD。

上位机第二种数据包定义由8个字节组成,依次为:

发送顺序为先高后低。

BYTE7:起始帧,0xAB。

BYTE6:长度帧,0x06。

BYTE5:命令帧,0x04:设置射角上下限。

BYTE4～BYTE3:数据帧,射角上限值。

BYTE2～BYTE1:数据帧,射角下限值。

BYTE0:结束帧,0xCD。

上位机与下位机之间一包的通信数据量为8个字节和4个字节,其所用时间大概为7 ms和3.5 ms。

2 监控仪与随动系统之间的通信

随动控制系统功能要求:

(1) 监控仪能接收CAN总线上的数据,并显示在显示器上,显示的内容包括:火控机数据、随动反馈角、方位高低误差、故障报警,显示到小数点后一位;

(2) 能模拟射角限制器功能,并能随意的设置射角限制区等;

(3) 监控仪能够通过CAN总线向随动系统发送主令数据。

根据控制系统的要求,在监控仪和随动系统之间使用CAN总线通信方式。单片机电路主要功能是同上位机进行通信和监控火炮的极限位置[4,5]。

2.1 MCS-51单片机与随动系统之间的通信电路设计

单片机与随动系统之间使用实时性强、可靠度高、价格低廉、传输距离远、传输速率快和有较强的抗电磁干扰能力等的CAN总线通信方式。在电路设计中,使用AT89S52作为微处理器。CAN总线控制器选用Philips半导体公司的SJA1000,它支持CAN 2.0A和CAN 2.0B协议,可以工作在BasicCAN模式或者是具有更多功能的PeliCAN模式。

CAN总线收发器选用PAC82C250,其能提供CAN总线的差动发送能力及对CAN控制器的差动接收能力,信号使用差分电压传送,两条信号线被称主CANH和CANL。为了提高抗干扰能力在SJA1000与PAC82C250 之间采用高速光耦6N137进行信号隔离。电路连接如图1所示[6,7,8]。

为了保证系统的可靠性,提高系统的抗干扰能力,电路中使用隔离型DC/DC电源模块向收发电路供电,DC/DC电源使用可以提供稳定、低噪声5 V DC电压的BO505RN-1W的电源模块。

2.2 MCS-51单片机与随动系统之间通信的软件设计

监控仪软件功能为:

(1) 使用CAN 2.0B通讯协议,通信波特率500 Kb/s;

(2) 上限位置、下限位置设置:可设置一定的区域,设置单位为密位;

(3) 上下限的响应必须足够快,为此电路上设计了单片机电路板,通过串口与PC104计算机系统连接;

(4) 故障指示: PC104系统接收到故障代码后,除了显示器上显示故障情况,同时通过串口传送给单片机,单片机控制故障指示灯亮。

(5) 通信数据格式:

① CAN总线上不同节点具有不同的节点号;

② 位置反馈方位、高低角数值范围0～65 535,代表0～6 000密位;

BYTE7:方位反馈低位;

BYTE6:方位反馈高位;

BYTE5:高低反馈低位;

BYTE4:高低反馈高位;

BYTE3:BYTE2:空;

BYTE1:方位误差;

BYTE0:高低误差。

依据控制系统的要求,SJA1000初始为peliCAN模式,通信波特率为500 Kb/s,使用CAN 2.0B通讯协议,其初始化代码如下[9,10]:

单片机电路主要是接收CAN总线上随动系统的数据,并监控火炮的极限位置;超上限或者超下限时向上位机发送报警命令,同时释放继电器,火炮处于超限锁死状态。流程图如图2所示。

CAN总线上数据的报文格式有标准帧和扩展帧。本文中使用扩展帧,其数据帧由13个字节组成,依次为:

BYTE12:RX帧信息 EFF;

BYTE11～BYTE8:RX识别码1～RX识别码4;

BYTE7～BYTE0:RX数据1～RX数据8。

单片机完成一次CAN总线随动数据的接收,数据量有13个字节;通信波特率为500 Kb/s的情况下,大概需要210 μs。

3 结 语

火炮随动控制系统监控仪在现场测试中到限响应时间为8 ms,满足到限快速响应要求。监控仪是一种实时的火炮随动控制系统监测仪器,且电路结构合理、体积小、易维护,可以通过计算机接口进行软件升级和各项参数的调整,具有较强的实用性。

摘要：介绍基于嵌入式PC104计算机和MCS-51单片机的火炮随动控制系统监控仪设计。该系统要求实时显示火炮高低和方位主令曲线及火炮位置反馈曲线,并且实时监控火炮的极限位置。采用PC104模块实现主令发送及曲线显示,单片机实时检测火炮极限位置,单片机和PC104模块与火炮随动系统之间通过CAN总线通信,单片机与PC104模块之间通过串口进行数据设置及状态信息传送。该设计不仅利用PC104模块实现了强大的计算及图形显示功能,同时采用单片机又保证了整体系统的实时性。

关键词：随动系统,PC104,CAN总线,串行通信

参考文献

[1]张捷,薄煜明,杜国平.基于DSP的数字火控随动系统设计[J].荆门职业技术学院学报,2006,21(3):15-17.

[2]朱华,宋柏,薛永刚,等.基于单片机的随动控制系统设计[J].制造业自动化,2007,29(4):59-61,71.

[3]张新房,徐大平.WindowsCE下PC104模块与MCS-51单片机通信[J].测控技术,2002,21(11):40-44.

[4]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.

[5]求是科技.单片机通信技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[6]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.

[7]王福瑞.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

[8]魏瑞轩.CAN总线测控网络的设计与实现[J].工业控制计算机,2000,13(2):9-10.

[9]广州致远电子有限公司.基于SJA1000的CAN节点设计[M].广州:广州致远电子有限公司,2006.

模块化柴油机监控仪的设计与实现 篇3

柴油机监控仪是基于单片机的全自动柴油机监测系统。其通过对柴油机的转速、油路压力、油路温度、轴承温度、轴承压力、排气温度、燃料位置、增压器状态等信息的检测,分析柴油机工作状态是否正常,当监测数据接近或超出警戒值时,发出声光报警信号;当柴油机运行状态超出设定值时,通过减速、停机等主动控制的手段对柴油机进行保护。目前市场上多数柴油机监控仪是专用型的,既一款柴油机监控仪只能与一款柴油机配套。这种类型的监控仪通用性差,维护不便。针对现有柴油机监控仪存在的不足,研发出一种通用性强、维护方便的柴油机监控仪具有重要意义。

1总体方案

本方案将柴油机监控仪分为电源、模拟信号输入输出处理部分、数字信号输入输出处理部分、显示模块四大部分。其中模拟信号输入输出处理部分包括模拟主CPU模块、4 ~ 20m A电流输入(AI)模块、 4 ~ 20m A电流输出模块(AO)模块、温度信号处理模块和一个底板,各模块插接在底板上进行连接,根据实际需要,可增加或减少各模块的插接数量;数字信号输入输出部分包括继电器输出(DO) 模块、电平信号输入(DI) 模块、数字从CPU模块和一个底板,同样的,可根据实际需要,增加或减少各模块的插接数量。显示模块、 数字从CPU模块分别通过RS485总线与模拟主CPU模块交换信息,主CPU模块将信息汇总处理后根据程序设定进行相应的处理。系统框图如图1所示。

2设计实现

2.1电源部分

柴油机监控仪工作电源由发动机电瓶提供,电压可在16V.d.c ~ 30V.d.c范围内变化。电源经DC/DC模块处理后,转换成电压以供柴油机监控仪各部分电路使用。为提高监控仪的抗干扰能力,对数字部分电路、模拟部分电路进行了电气隔离。柴油机监控仪输入工作电源经DC/DC模块处理后,分成以下三组输出:

(1)配电电源:主要为4 ~ 20m A电流输出模块提供工作电源,输出电压为24V ;

(2)模拟电源:主要为模拟部分电路提供工作电源,输出电压 ±12V ;

(3)数字电源:主要为数字部分电路提供工作电源,输出电压5V。

DC/DC模块选用金升阳公司的PWB系列,其特点是输入电压范围宽(9V.d.c ~ 36V.d.c),满足柴油机监控仪16V.d.c ~ 30V.d.c的供电电压输入范围;输入输出隔离,满足设计要求。经测算,5V电源功耗不大于1.5W, ±12V电源功耗不大于0.5W,24V电源功耗不大于4W,考虑预留一定余量,5V电源电路选择3W DC/ DC电源模块,±12V电源电路选择1W DC/DC模块,24V电源电路选择10W电源模块。

2.2模拟信号输入输出理部分

模拟信号输入输出部分包括模拟主CPU模块、4 ~ 20m A电流输入(AI)模块、4 ~ 20m A电流输出模块(AO)模块和温度信号处理模块。模拟主CPU模块是柴油机监控仪的核心,它要控制各个模拟信号输入输出模块的正常工作,同时通过RS485总线与显示部分和数字信号输入输出处理部分进行数据交换,数据汇总分析处理后,根据程序设定指挥柴油机监控仪正常工作。CPU选用飞思卡尔公司的MC9S08DZ60,该芯片抗干扰能力强,片内资源丰富,能够满足设计要求。模拟主CPU模块设计有两路RS485通讯电路,分别与显示部分和数字部分通讯,通过光耦进行电器隔离。模拟主CPU模块通过底板为AI模块、AO模块和温度采集模块提供总线驱动接口,CPU模块与其他模块总线通过光耦隔离。

AI模块设计有四通道带配电4 ~ 20m A输入处理电路。四个通道共用一片ADC,ADC采用ADS1252。输入电流信号经采样电阻R1采样转换成电压信号, 经过由运算放大器搭成的跟随电路后进入二阶巴特沃斯滤波器,滤波后连接到模拟开关,由底板上主CPU模块提供的总线控制模拟开关选择各通道输入到ADC进行模数转换,转换结果通过底板上的总线传输给模拟主CPU。

AO模块设计有四通道4 ~ 20m A输出电路。主CPU模块通过总线控制电流输出模块上的DAC芯片,输出相应的电压值,再通过V/I转换电路,将该电压值转换成电流输出。D/A转换器为TI公司的12位双通道D/A转化器DAC7612。一个D/A控制两路V/I转换电路。

温度采集模块设计有四通道热电阻信号采集电路。温度采集电路采用惠斯顿电桥原理测得热电阻阻值并计算得到对应的温度值。

AI模块、AO模块和温度采集模块通过底板与模拟主CPU模块相连,使用时, 增/ 删底板上各模块插接数量即可满足不同的需求。

2.3数字信号输入输出处理部分

数字信号输入输出处理部主要由数字从CPU模块、继电器输出(DO) 模块、电平信号输入(DI) 模块和一个底板组成。数字从CPU模块通过底板为DI模块、DO模块提供总线驱动接口,CPU模块与其他模块总线通过光耦隔离。数字信号输入输出处理部的信息处理由数字从CPU模块完成,以RS485通讯方式与主CPU模块交换数据。

AO模块设计有4路继电器输出电路, 驱动信号由数字从CPU提供。继电器选择欧姆龙公司的功率继电器G5LA-1-DC5, 额定线圈电压为5V,额定负载为DC24V10A。该继电器性能稳定,成本也不高,满足项目需求。

AOI模块设计有4通道电平输入监测电路,输入电平范围为:低(0 ~ 3V ); 高(15V ~ 24V)。输入信号经过光耦隔离后输入到CPU。

数字部分从CPU模块通过底板为继电器输出模块提供驱动总线,总线与CPU通过光耦隔离。

2.4显示部分

显示部分由显示从CPU模块和显示模块组成。显示从CPU模块主要包括一个CPU和一路RS485通讯电路,电路与主CPU模块上对应的电路相识。显示从CPU模块通过RS485通讯接口与主CPU模块进行数据交流,驱动显示模块显示相应的内容。

显示模块电路如图所示。8位移位寄存器CD4094输出端驱动共阳极4位一体数码管CA56-21EWA,显示数据以串行的方式输入到CD4094输入端,驱动数码管发光, 通过扫描的方式逐位显示。多个显示模块可以串接在一起,组成多个显示窗口。

2.5软件设计

软件主控流程图及软件功能框图如图2图3所示。

3总结与展望

随我国船舶工业的飞速发展,船用柴油机监控仪市场增长迅速。本文设计的模块化柴油机监控仪通用性强,维护方便, 性能稳定可靠,在后续应用中,只需进行模块卡件的增删和软件调整,就能匹配不同厂家、不同型号柴油机的。除此之外,通过少量的软硬件调整,本产品亦可用于齿轮箱监控、发电柴油机监控等领域,市场前景广阔。

本产品主要面向中小型柴油机监控仪市场,设计时成本因素考虑较多,导致模块化产品的优势没有得到最大化体现, 如模块卡件安装位置及数量受到限制。如有需要,在以后的设计中可以做成全分布式控制系统,即现场总线控制系统(Field Bus Control System,FCS),届时各模块卡件安装位置和数量限制将不复存在,产品的通用性优势将得到最大化体现。

摘要：针对现有柴油机监控仪存在的通用性差、维护不便的缺点,本文设计了一种模块化的柴油机监控仪,有效的解决了这些问题,具有很好的市场应用价值。

环境监控仪 篇4

1 塔机监控仪的总体设计方案

本塔机防倾翻监控仪采用嵌入式处理器LM3S1138, 通过无线收发模块实现对系统的数据采集单元 (各个传感器) 的数据采集, 利用Zig Bee技术实现对监控仪的额定参数设定, 对采集的数据进行实时的超额判断并作出声光报警或断电等处理, 将采集到的数据在驾驶室监控台实现实时显示及利用CH376数据转储技术实现数据外部存储, 通过GPRS技术将监测数据及违规操作和危险动作及时传送到远程监控室终端。塔机防倾翻监控仪原理框图如图1所示。

2 系统硬件组成

本课题研究的塔机防倾翻监控仪的特点是数据处理量大, 对实时性、准确性要求高, 同时数据采集后的信息需要快速传输给微处理器进行相应的控制处理。该文选用Luminary Micro公司生产的LM3S1138芯片作为整个控制系统的核心, 确保监控仪运行、处理速度等性能指标的实现以及保证系统的性价比。

本课题设计的塔机防倾翻监控仪采用模块化的设计, 实质上就是在基于ARM的最小系统上扩展数据采集模块、无线收发模块、控制模块、液晶显示模块等。采用CC2530芯片实现传感器检测数据的无线传输和参数的无线设置, 利用GPRS技术实现参数及报警信息的远程传输。本系统于ARM的塔机防倾翻监控仪的硬件设计框架图如图2所示。

3 参数采集及传输的实现

3.1 信息采集单元

起重量传感器、起升高度传感器等共同构成塔机的信息采集模块, 负责塔机参数信息的采集, 输出信号为电流和二进制码;CC2530无线传输模块接受参数采集模块的输出信号, 经标定后由路由器到达协调器;中央处理单元经网络路由器获取无线传输模块的信息后在监控仪操作室监控台显示;GPRS无线传输模块将检测数据及报警信息传送到远程监控中心。塔机防倾翻监控仪的数据处理流程如图3所示。

3.2 基于Zig Bee无线收发单元的硬件设计

本文选用Zig Bee新一代SOC芯片CC2530。CC2530的快闪记忆体多达256个字节, 是理想Zig Bee专业应用。信息采集单元各传感器对监测参数测定以后, 我们利用无线通信模块CC2530将各传感器的检测号经标定以后发送到中央处理单元。传感器节点信息各参数的采集框图如图4所示。

3.3 GPRS无线传输模块设计

本文设计的远程传输模块采用EP220P GPRS数据传输终端, 实现塔机操作室与远程监控中心的数据通信。EP220P GPRS无线数传终端可以即插即用, 可以满足客户对数据无线传输的需求, 为远程数据通讯提供无线接口。经过相关参数的设置就可实现将嵌入式系统与Internet的连接, 实现网络信息的传输。EP220PGPRS无线数据终端具有客户机功能, 可以主动连接远方服务器通信, 支持GPRS/900/1800GSM系统, 通信费用低廉。

通过串行接口EP220P GPRS数据终端获得塔机状态参数后, 打成IP包, 通过GPRS空中接口连接到GPRS网络, 经过各种网关和路由将数据发送到塔机远程监控中心。EP220P GPRS数据终端采用模块化设计, 硬件结构如图5所示。

中央处理单元负责参数的设置、网络连接设置、供电及缓存处理等, 通信模块 (EP220P) 负责数据的打包处理。各个模块完成塔机数据的远程传输。

4 监控仪主程序的设计

监控仪主控单元LM3S1138嵌入式系统的开发平台采用IAR Embedded Workbench。IAR Embedded Workbench是一套具有高精度、高性能的嵌入式应用程序开发工具。基于IAR Embedded Workbench的塔机监控仪主控板LM3S1138的主程序设计流程如图6所示。

监控仪上电正常开机以后, Zig Bee网络协调器自动组网检测路由节点消息, 路由节点接收到协调器接收申请后将信息打包传给协调器, 最后传送给中央处理单元。中央处理单元LM3S1138对数据进行识别, 并将各监测参数由液晶显示模块进行显示, 参数经过分析与设定的额定限定值进行比较判断塔机是否有违规、危险操作, 如果存在进行声光报警及相关的控制处理, 最后将数据、报警信息进行存储, 并利用GPRS技术传送到远程监控中心。 (下转第4980页) (上接第4970页)

5 结论

本文根据国内外塔式起重机安全监控系统的研究现状及发展趋势, 结合嵌入式技术、无线通信技术、计算机技术和传感器技术设计出基于的塔机防倾翻监控仪。

参考文献

[1]Timo Ruohonen, Leena Ukkonen, Mikael soini, Markku Kivikosk.Quality and Reliability of GPRS Connections[C].IEE Consumer Commu nications and Networking Conference, CCNC.2004:268-272.

[2]姜晓勇, 倪敬.基于单片机的塔机安全监测系统设计[J].机电工程, 2001, 18 (5) :145-147.

[3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

[4]倪建军, 韦权伟, 白彬.施工升降机、塔机在线无线远程监测系统介绍[J].建筑机械, 2009 (4) :66-69.

[5]张本义.一种塔机安全监控与数据传输系统的设计与实现[D].大连:大连海事大学, 2009.

[6]中国测控网.有效预防塔式起重机倾翻的塔机防倾翻监控仪[DB/OL].北京:中国测控网, 2012.8.24.

[7]杜德慧.ZigBee无线网络组网及数据传输研究与实现[J].电脑编程技巧与维护, 2011 (10) :69-71.

环境监控仪 篇5

随着经济的发展,工作节奏的加快,家居无人值守的情况普遍出现,家居安全监测工作逐步为人们所重视。针对传统的家居安全监测产品存在的功能单一、火警、盗警误报率较高、仅能单向通讯等不足,本文以16位片上型单片机SPCE061A[1]为核心,设计了基于PLMN(陆基移动通信网)和PSTN(公用电话交换网)[2]的新型远程家居安全监控仪。仪器以CCITT及中国标准共同规定的部分标准程控交换信令作为系统控制命令,以PLMN与PSTN通信网作为传输介质,使用户可以在远端利用固定电话或移动电话发送DTMF双音多频信号对家用电器设备进行远程控制或监听,同时该新型远程家居安全检测仪可对家居环境安全参数进行监测,具有实时时钟模块,具备历史数据记录比较功能。在信息处理技术上,监控仪利用多传感器的信息融合技术,有效避免了警情误报的发生。新型远程家居安全监控仪支持双向通讯,利用SPCE061A的API函数调用,实现了低成本高质量的语音报警功能。

2 监控仪的总体结构与工作原理

远程家居安全监控仪的供电采用市电转换和蓄电池后备的模式,可以保证在220V交流供电故障时,仍然能够正常工作。

监控仪利用程控电话线路作为信息传递载体,可以与用户电话终端进行并机工作,利用线路电压监测功能可以探测并阻止用户线路被盗打,原理图如图1所示。整个仪器采用模块化设计。其中,门磁I/O接口模块,用于监测门窗的开闭情况;主动红外探测模块,用于探测人体移动的热释电;离子感烟接口模块、可燃性气体接口模块、温度检测模块,完成火灾的探测工作;系统还设计有自动增益的监听模块;实时时钟模块为数据记录,对比分析提供精确的时间参照;家电开关控制器模块,采用继电器输出形式,可以实现对照明,通风等系统的控制。

家居安全监控仪是利用SPCE061A微控制器完成数据采集、分析和控制输出等工作,通过DTMF编解码模块实现与远程固定电话或移动通信终端的双向互联。

2.1 SPCE061A控制核心

SPCE061A单片机是一种高性能SOC(片上型)型16位微控制器,具有较高的运算速度,其丰富的片上资源和软件API函数,非常适合作为家居安全监控仪的控制核心。SPCE061A的内部框图如图2所示。

设计上主要利用了SPCE061A的如下主要特性:

(1)具有32个独立可编程的I/O,可以方便地作为数字状态的输入与输出检测端口;

(2)具有7路10Bit的通用A/D通道,可方便地用于模拟传感器的信号采集,具有1路ADC+AGC;

(3)具有2路10Bit的D/A,提供了语音录放的API函数;

(4)2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);

(5)32位通用可编程输入/输出端口;

(6)14个中断源可来自定时器A/B,时基,2个外部时钟源输入,支持键唤醒;

SPCE061A具有硬件看门狗电路,可以有效提高远程监控仪的运行的可靠性。

2.2 监测传感器与数字输出接口模块

为提高监测传感器传输过程中的稳定性,设计上均采用开关量输出型传感器,主要包括数字温度传感器、门磁传感器、红外传感器、离子烟雾传感器,这些传感器的信号经过非门隔离驱动后,直接与SPCE061A的I/O引脚进行连接;温度传感器选用1-WIRE数字温度传感器DS18B20,利用一根I/O引脚并接六路DS18B20,做分布式温度测量,这种设计可有效地提高信号传输的可靠性。

2.3 DTMF编解码双向通讯模块

为减小微控制器运算时间开销,本设计利用MT8880[3]作为DTMF(双音多频信号)的编解码芯片,在SPCE061A的控制下完成DTMF码的接收和发送工作,MT8880工作在突发模式下。

2.4 实时时钟与flash存储模块

实时时钟电路的作用是提供精确的时间参照,这样监测仪可以利用对片内FlashRom读写的操作,记录最近几天固定时间点的家居环境的参数,为对比分析提供数据。为节省端口资源,选择DS1302芯片为时钟芯片,采用3线SPI通讯。

SPCE061A内部自带了32k的FlashROM,除用于固化用户程序,还可以用来存储远程监控仪的操作密码、用户通讯号码、语音数据信息等。

对SPCE061A的FlashROM操作一定要避开程序段,否则可能造成系统崩溃,对FlashROM的读写操作流程如图3所示。

3 监控仪的软件设计

监控仪的软件采用C语言与汇编语言混合编程方式编写,主程序由C语言编写,低层函数由汇编编写,主程序流程图如图4所示。

在完成软件开发后,固化程序到SPCE061A。测试主要分为两个方面。利用固定电话或手机拨打与监控仪并机的电话号码,在振铃六次后,监控仪成功地模拟摘机。并通过调用API函数完成数字语音合成,提示各步骤操作。当处于正常监控模式的时候,通过人为触发传感器信号,该远程监控仪可自动拨打已设定号码,进行语音报警,由于在传感器的布置上采用了空间的融合技术、多传感器模糊处理技术、并提供实时时间参照,大幅度地提高了报警的准确性。

4 结束语

设计了基于SPCE061A的新型家居远程监控仪,利用SPCE061A片上型的特点有效降低了开发成本,利用语音编解码技术,实现了语音报警,在传感器信号采集上采用了多传感器的信息融合和空间融合技术,提高了判断的准确性;采用实时时钟模块和历史数据存储模块为数据的对比分析提供了条件,提高了家居远程监控仪警情判断的可靠性。

摘要：设计了基于SPCE061A的新型远程家居安全监控仪,介绍了系统的总体结构与设计思路。所设计的监控仪具有接受远程遥控、远程监听、语音远程报警、实时数据记录等功能,对防灾、减灾,提高家居安全水平具有积极意义,开发的样机试用效果良好。

关键词：SPCE061A,智能家居,安全监控

参考文献

[1]薛钧义,张彦斌,虞鹤松,等.凌阳十六位单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[2]毛兆荣,许华.基于电话的远程遥控系统设计[J].电子技术,2000(3):20-21.

[3]张立成.DTMF信号收/发芯片MT8888原理及应用[J].国外电子元器件,2001(9):30-31.

[4]雷思孝,李伯成,雷向莉.单片机原理及实用技术——凌阳16位单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.

环境监控仪 篇6

水害是影响矿井安全生产的五大灾害之一。在矿井生产中, 及时查明采掘工作面前方及顶底板富水异常区位置时煤矿安全生产亟待解决的问题。近几年, 高分辨电法超前探技术等井下电法探测技术由于具有成本低、效率高、探测距离长等优点, 已成为煤矿水害探测首选。随着技术的应用, 其在井下应用中受干扰因素影响, 实际操作难度大、数据采集可靠性差等问题也随之暴露出来。

笔者通过分析在山东唐口煤业有限公司矿井煤巷和岩巷不同条件下的应用情况与井上条件对比和反复验证, 归纳总结出井下环境的主要干扰因素为巷道大面积积水等潮湿环境, 通过无损改进设备和优化操作技术有效消除了该因素的干扰, 提高了探测效率和精度。

1 高分辨电法仪的工作原理

高分辨法三级超前探测技术是井下直流电法的一种, 是利用不同岩石间或矿石与围岩之间的电位差异, 在地面上借助研究天然的或人工方法建立的电场或电磁场的分布规律来查明地质构造或寻找有用矿产的一类地球勘探方法。它以岩石的电性差异为基础, 电流通过布置在巷道内的供电电极在巷道周围岩层中建立起全空间稳定电场。通过在掘进工作面顺着巷道向掘进后方每隔4m布设三个供电电极A1、A2、A3, 每个供电电极形成一个点电源场, 并在距离第三个供电电极4m的同一直线上向掘进后方每隔4m布置32个测量电极M1~M32, 在距离供电电极约300~500m的后方布置无穷远电极B (电极布置方式见图1) 。施工时, 先给第一个供电电极A1供电, 自动记录下各个测量电极的供电电流、电位差、桩号、电极距等数据, 自动断开供电电极A1, 然后分别自动接通供电电极A2、A3测量并记录各相关数据, 完成所有的设计观测点。超前探测通过向下供电, 形成稳定的人工电场, 通过测量电极接收数据, 来探测供电电极A1前方14~118m范围内的含导水构造的发育情况。根据视电阻率剖面图分析低阻异常区的分布情况, 以确定巷道前方的含水陷落柱及含水构造的发育情况, 为生产提供准确的地质及水文地质资料。

2 高分辨电法井下干扰因素发现与分析

唐口煤业自引进高分辨电法仪坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的探放水原则, 先后进行高分辨超前探测20余次, 有效探测距离达2400m, 多次准确预测富水异常区。在该技术应用中经过不断摸索和探讨发现, 高分辨电法仪在煤巷与岩巷中使用存在巨大的差异, 主要表现在:煤巷中完成电极布设经对电极附近注水处理, 通过调节仪器配备的限流盒阻值, 能顺利通过电极发射与接收检测, 且在实测中发射电极电流一般稳定在45~60m A, 能够采集到质量比较高的数据;在岩巷中按与煤巷相同的操作步骤, 调节限流盒阻值至最大档2KΩ, 发射电极电流很难稳定在30m A以上, 且三个发射电极发射电流变化较大, 即便能勉强通过检查, 在施工至第二个发射电极时, 发射电流突然减小为2m A左右, 甚至出现无法采集合格的数据, 经过反复重测方能完成一组数据的采集, 而经过反复复位, 势必影响数据的可靠程度, 且大大降低了工作效率。

期间经多次于相关科研单位联系, 均无很好的解决方案, 经归纳总结以往探测经历和反复进行井下煤岩巷不同条件及地面试验对比分析, 发现仪器出现发射电流在30m A以下的情况, 主要出现在巷道大面积积水、顶板淋水较大、水沟内水流不断等潮湿环境, 且以孔隙率较高的砂岩层位为主的全岩巷道。经分析得出, 导致发射电流低且不稳定的原因为现场环境潮湿、阻值低, 而无穷远距离和限流盒调节能力有限是导致该问题的主要原因。

3 高分辨电法井下干扰因素解决方案

在井上检测仪器时, 通过调节限流盒的电阻值, 发现当电阻值调节至1KΩ时, 三个发射电极的发射电流表现形式和井下检测不合格的情况一致, 当在井上增大电阻值时, 发射电流就可以达到30m A以上, 也就是井下潮湿环境中, 只要加大电阻值, 限制发射限流保护, 发射电流就能控制在30m A以上。为验证这一设想, 在多次探测均未成功, 环境潮湿的南部回风大巷进行试验。探测分为两次, 在电极布设条件相同的前提下, 第一次仅用限流盒调节阻值, 经发射电极检测发射电流最大值在20m A左右, 且三个电极的差距较大, 无法通过检测;第二次通过在双回路限流盒的两个回路上分别加设2KΩ电阻, 限流盒只需调整至1KΩ, 三个发射电极的电流值可维持在50~60m A之间, 且顺利进行了数据采集。 (两个如表1)

4 结束语

(1) 高分辨电法仪由于自带的限流电阻盒最大电阻为2KΩ, 在井下潮湿的工作地点无法正常工作, 通过在双回路加装同阻值电阻, 可有效提高高分辨电法仪的适用范围, 可有效避免因作业环境恶劣造成仪器无法正常工作, 提高工作效率、并可及时采集高质量的原始数据, 提高高分辨电法仪的探测精度, 为井下水害预测和防治提供可靠依据。

(2) 高分辨电法仪电极布设中需尽量选择干燥地点布设发射电极和无穷远电极。尽可能降低井下潮湿环境对数据采集和分析的干扰, 以提高探测精度和质量。

摘要：介绍了高分辨电法超前探测技术的工作原理, 通过分析在山东唐口煤业有限公司矿井煤巷和岩巷不同条件下的应用情况与井上条件对比, 归纳总结出井下环境的主要干扰因素, 并提出有效便捷的解决方案, 提高了高分辨电法技术可靠性和适应性, 为井下水害预测和防治提供可靠依据。

关键词：高分辨电法,潮湿环境,低阻值

参考文献

[1]于景村, 李志聃.高分辨率三极电测深法探测煤矿突水构造[J].煤田地质与勘探, 1997 (5) :38-40.

[2]李志聃.煤田电法勘探[M].北京:煤炭工业出版社.

[3]1991电测深法探测煤矿突水构造[J].煤田地质与勘探, 1997.