防腐監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

0 引言

本文介紹的腐蝕儀是為了監(jiān)測野外輸油管道腐蝕度而設(shè)計(jì)的，由于輸油管道的腐蝕度影響到石油的生產(chǎn)，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和安全事故，故對(duì)其腐蝕度的監(jiān)測是非常必要的。本系統(tǒng)中，可以通過檢測管道里的微電流，然后通過輸入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來換算出管道當(dāng)前的腐蝕度，并通過上位機(jī)程序把數(shù)據(jù)存檔，繪制腐蝕度變化曲線圖，以便操作人員可以直觀的了解輸油管道的腐蝕變化情況。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)總體構(gòu)成方案

設(shè)計(jì)主要由下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分組成。下位機(jī)以單片機(jī)為核心，運(yùn)用程序控制來進(jìn)行電流的采集、處理、顯示，并將有關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到IC卡。上位機(jī)則是通過計(jì)算機(jī)與Q系列接觸式IC卡讀寫器之間進(jìn)行的串口通信，將IC卡里的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。

其下位機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 下位機(jī)系統(tǒng)框圖

其上位機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)系統(tǒng)框圖

1.2 下位機(jī)電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主要元件包括12位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674、擴(kuò)展多功能接口芯片8155、時(shí)鐘日歷芯片DS12887、AT89C52單片機(jī)。無憂

放大芯片采用了AD524放大器?？紤]到腐蝕電流的取值范圍為0uA~100uA，故選取固定增益值GAIN=1000，使放大后的電流量滿足AD1674的輸入端要求。

模擬電流量通過AD1674后轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。本系統(tǒng)中AD1674與AT89C52的硬件接口電路如圖3:采用+12V、-12V雙電源供電，單極輸入方式，模擬量從10VIN輸入。其中CS接GAL16V8的18號(hào)管腳,它的啟動(dòng)地址為4000H,高八位地址為4002H,低八位地址為4003H。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)STS接到INT0上，AT89C52的讀寫信號(hào)W/R、RD通過與非門接到AD1674的操作使能端CE來控制AD1674的讀/轉(zhuǎn)換操作?？捎弥袛喾绞?，也可用查詢方式。本系統(tǒng)中采用查詢方式，其流程如圖4所示。

圖3 AD1674與AT89C52的硬件接口電路

圖4 AD1674轉(zhuǎn)換流程圖

其對(duì)應(yīng)的C51語言程序如下所示：

#define ADSEL XBYTE[0x4000] //AD1674相關(guān)定義

#define HIGH_READ XBYTE[0x4002]

#define LOW_READ XBYTE[0x4003]無憂

unsigned int ad1674()

{ uchar high,low,j=0;

unsigned int ad_value1;

unsigned int ad_value2,ad[20],sum=0;

for(j=0;j<10;j++)

{ ADSEL="0x00"; //啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換

while(STS==1) ; //等待AD轉(zhuǎn)換完畢

high="HIGH"_READ; //讀高八位數(shù)據(jù)

low="LOW"_READ; //讀低四位數(shù)據(jù)

low>>=4;

ad_value1=high*256+low; //合并12位二進(jìn)制數(shù)為十進(jìn)制數(shù)

ad_value2=ad_value1*0.0002442*10;

//1/0XFFF=0.0002442，這里取單位為mA級(jí)

.

ad[j]=ad_value2;

}

for(j=0;j<10;j++) sum+=ad[j]; //對(duì)10次采集值求平均值

sum/=10;

return (sum);

}

AT89C52有256B的內(nèi)部RAM，滿足本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的需求;內(nèi)部有8KB的可編程只讀存儲(chǔ)器，構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，不需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器[3]。

DS12887的MOT接GND，即選用Intel工作模式。其讀寫允許輸入腳DS/RD、R/W分別與AT89C52的讀寫信號(hào)相接。它的復(fù)用地址數(shù)據(jù)總線AD0-AD7接AT89C52的P0.0-P0.7,片選輸入CS接GAL16V8的15號(hào)管腳,它的命令寄存器地址為：分-5002H,小時(shí)-5004H，星期-5006H，日-5007H，月-5008H，年-5009H，寄存器A-500ah，B-500bh，C-500ch，D-500dH，不掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為:500EH-507FH。RESET直接接VCC，保證DSI2C887在掉電時(shí)，其內(nèi)部控制寄存器不受影響。

液晶顯示器NS1602，它能顯示16字符X2行的內(nèi)容。系統(tǒng)運(yùn)用的是間接訪問方式8位數(shù)據(jù)總線接口電路。其3個(gè)控制信號(hào)RS、R/W、E分別與AT89C52的P3.3、P3.4、P3.5口相接，8位數(shù)據(jù)信號(hào)接8155的PB端口。對(duì)液晶顯示器的操作要嚴(yán)格遵守LCD1602的接口時(shí)序。其操作分兩類：寫指令代碼，寫顯示數(shù)據(jù)。兩者的區(qū)別取決于RS，RS=0時(shí)訪問命令寄存器，RS=1時(shí)訪問數(shù)據(jù)寄存器[6]。另外，對(duì)LCD的初始化工作是非常重要的，包括清屏、數(shù)據(jù)格式設(shè)置、顯示器特性設(shè)置、顯示地址設(shè)置等。

鍵盤輸入采用4*4鍵盤，其中鍵盤行線接P1.0-P1.3，輸出接地信號(hào);鍵盤列線接P1.4-P1.7,輸入回饋信號(hào)，來檢測按鍵是否按下。鍵盤是非編碼鍵盤，要通過軟件編程來識(shí)別鍵盤。鍵盤輸入信息的主要過程是：判斷是否有鍵按下，掃描確定按下的是哪一個(gè)鍵;把此鍵代表的信息翻譯成計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的代碼。

由于IO口不夠用，外加一片擴(kuò)展多功能接口芯片8155。其片選端接GAL16V8的14號(hào)管腳，IO/M端接地址A8，8155的命令口地址為2100H，A口地址為2101H，B口地址為2102H，C口地址為2103H。8155的PB口為LCD的數(shù)據(jù)口。

1.3 上位機(jī)電路的設(shè)計(jì)

利用接觸式IC卡讀寫器跟計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行串口通信將IC卡里的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。讀寫器提供了性能完善、可靠的接口函數(shù)庫，在用VB編程時(shí)可直接運(yùn)用這些函數(shù)。

首先要調(diào)用通訊口初始化函數(shù)IC_InitComm(Port)來檢測串口，再設(shè)置卡型，成功后輸入頁碼就可讀入該頁的數(shù)據(jù)了。讀入的數(shù)據(jù)可通過保存控件保存到指定的路徑下。程序退出之前要執(zhí)行IC_ExitComm()函數(shù)關(guān)閉串口釋放串口設(shè)備句柄否則再次初始化串口將出錯(cuò)。

2. 數(shù)據(jù)的串行存儲(chǔ)

2.1 I2C總線通信原理

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。SDA總線上的數(shù)據(jù)僅在SCL為低電平時(shí)可以改變，每一個(gè)SCL周期表示傳送一位串行碼。若SCL高電平期間,SDA由高轉(zhuǎn)低,表示“開始”狀態(tài)，提示一個(gè)通信進(jìn)程的激活。而SDA由低轉(zhuǎn)高，表示“停止”狀態(tài),該狀態(tài)終止所有通信。所有地址和數(shù)據(jù)均以8位串行碼為數(shù)據(jù)單位輸入輸出，總線上任何接收設(shè)備必需在接收到8位串行碼后，將SDA總線置1位低電平以確認(rèn)它成功地收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。寫操作需在“開始”狀態(tài)后, 發(fā)出一個(gè)8位的控制及器件地址碼并得到確認(rèn),再發(fā)出一個(gè)8位或16位數(shù)據(jù)碼地址并在被確認(rèn)后隨時(shí)鐘不斷滾動(dòng)輸出8位數(shù)據(jù)碼,直至“停止”狀態(tài)發(fā)生[2]。

2.2 I2C總線的編程實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中是用P3.0和P3.1分別作為SDA和SCL信號(hào),單片機(jī)所用晶體振蕩器的頻率為12MHz。當(dāng)無卡插入時(shí)開關(guān)閉合，PC0為低電平，當(dāng)有卡插入時(shí)開關(guān)斷開，PC0為拉為高電平。每個(gè)機(jī)器周期為1us，設(shè)計(jì)可根據(jù)I2C總線的工作時(shí)序用軟件模擬I2C總線產(chǎn)生起始位、停止位以及發(fā)送字節(jié)。

3. 結(jié)束語

現(xiàn)有一塊美國FANN公司生產(chǎn)的機(jī)械電流測量表，價(jià)格一萬多元人民幣。本文以AT89C52單片機(jī)為核心處理器設(shè)計(jì)的防腐監(jiān)測儀則只需幾百元的成本，而且能自動(dòng)定時(shí)將腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，與傳統(tǒng)的機(jī)械電流測量表相比，無需專門的工作人員來記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，操作起來更簡單方便。在外形上，本設(shè)計(jì)利用液晶屏顯示，其體積更小巧。本設(shè)計(jì)能較好的對(duì)石油管道的腐蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測，將對(duì)減少石油管道事故和降低由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失起到良好效果。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：與國外的同類儀器相比具有價(jià)格上的絕對(duì)優(yōu)勢，從使用的角度看讀數(shù)精確，攜帶方便。無憂電子開發(fā)網(wǎng)

參考文獻(xiàn)

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[2] 楊金巖，鄭應(yīng)強(qiáng)，張振仁.8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口擴(kuò)展技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社,2005.1

[3] 李群芳，張士軍，黃建.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版，2005.1無憂電子開發(fā)網(wǎng)

[4] 王述全,孟臣.智能型LED鍵盤顯示技術(shù)及其在儀器儀表中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2004,(10).

[5] http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/346669145AD1674_c. pdf[S].

[6] /upload/eWebUpload/200805/20080524001955393.pdf[S].

[7] The I2C Bus concept and Specification[S]. Philips Semiconductors.1992