單片機技術在彈庫環境監控中的應用

李成新，趙鑫，盛廣能

（中國人民解放軍91004部隊，遼寧大連 116031）

0 引言

工業自動化控制在國防和軍隊建設中起著越來越重要的作用。利用單片機技術設計制作設備控制器，可在設定條件下控制彈庫內不同種類、不同功能設備的工作狀態，從而達到自動監控環境狀態的目的。每臺控制器負責控制一臺設備，設備類型包括排風機、空調、除濕機、水泵等，控制器之間通過485總線并聯到主光纖，最后與上位機監控主機連接。

1 基于單片機技術的控制器設計

1.1 單片機選型與功能

控制器CPU采用STC12C5628AD單片機[1][2]，內置28 k Flash程序存儲器，用于存儲用戶程序、數據和表格等信息，所有 Flash空間可做EEPROM空間使用，無需外接，操作便捷可靠。內置768字節數據存儲器（SRAM），用于存放程序執行的中間結果和過程數據。它的特殊功能寄存器可以對片內各功能模塊進行管理、控制、監視。該單片機I/O口提供4種工作模式：準雙向口/弱上拉(標準 8051輸出模式)、強推挽輸出/強上拉、僅為輸入(高阻)或開漏輸出功能。它還帶有 8路 10位高速 A/D轉換器[3]，速度可達 100 kHZ（10 萬次/秒）。

1.2 單片機I/O及外圍電路設計

1.2.1 單片機I/O設計

單片機引腳共有28個，其中P1.0至P1.7口既可作A/D轉換，又可用于普通I/O口使用。根據控制器功能將單片機引腳定義如下（如圖1所示）。

XTAL1、XTAL2用于晶振電路，P1.0、P1.1用于傳感器串行時鐘（SCK）輸入和數據（DATA）輸入輸出，P1.2 至P1.7用于過程狀態測試，P3.4、P2.1用于控制設備開關機狀態，P2.3用于485數據收發使能，P3.0、P3.1用于485數據收發，P2.5、P2.6、P2.7、P3.7用于狀態LED指示燈顯示。

1.2.2 外圍電路設計

外圍電路包括控制電路和供電電路等。

控制電路分兩種：一種輸出標準5 V高電平脈沖信號，持續時間500 ms，控制觸點式開關。另一種保持輸出18 V以上電壓信號，通過固態繼電器控制 220 V交流電路開關。IN4007續流二極管的作用是消除繼電器線圈在電源接入或斷開時產生的反向電動勢電壓,將這一電壓引入到電源端,達到保護三極管和電源的作用。R18是上拉電阻，當P2.1置高電平，光耦前端電壓V0遠小于5 V，光耦不工作，后端電壓V1被拉升至18 V以上（空載），接入負載后，電壓維持在+5 V，使固態繼電器保持常閉狀態，設備啟動。當P2.1置低電平，V0接近5 V，光耦導通，V1電壓為0，固態繼電器斷路，設備停止。控制電路工作原理如圖2所示。

供電電路[4,5]采用 T8-03變壓器，輸出 12 V交流，經過橋式整流器件MB6S和電容濾波，輸出12 V直流，再經過7812 CT和7805 CT穩壓器件得到穩定的12 V和5 V直流電源。供電電路如圖3所示。

1.3 傳感器工作原理

彈庫環境涉及的傳感器[6]有溫濕度傳感器、流量傳感器、液位傳感器等，由這些傳感器測量出彈庫的溫濕度、排風機的氣體流量、除濕機排水器液位等數據。單片機通過I/O口定時向傳感器及其信號處理單元申請數據。

1.3.1 溫濕度傳感器

圖 4為 DHT9x系列插針型數字溫濕度傳感器[7]工作原理圖。DHT9x傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，提供4針單排引腳封裝，易于集成替換。兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡單。

1.3.2 流量傳感器

選用差壓式流量傳感器測量排風管道中氣體流量。差壓式流量傳感器主要由節流裝置和差壓計（或差壓變送器）組成，測量原理是，當排風管中的空氣流經節流裝置時，由于氣流面積突然減小形成流束收縮，導致氣體流速加快，當流出節流裝置后又流速由于流通面積變大和流束擴大而減小。流經節流裝置前后的靜壓分別用p1和p2表示，靜壓差用Δp表示，則有公式：

靜壓差的大小和流過的氣體流量之間有一定的函數關系，通過測量靜壓差即可求出流量。體積流量vq和質量流量mq可用下列方程求出。

1.3.3 液位傳感器

浮子磁感應式的液位傳感器，價格便宜，應用廣泛。其原理是當水位上升或降低時會帶動浮子上下移動，在浮子的套桿上有磁感應式的位置，單浮子到達個位置時，傳感器便將信號傳送給單片機，單片機處理后的數據通過變送器輸出，變送器輸出的標準參數一般有兩種：4～20 mA電流信號，1-5 VDC或0-10VDC電壓信號。

液位傳感器主要用于檢測除濕機排水水箱液位，防止水箱水位過高而溢出，破壞防潮效果。當水位達到高位警戒線時，液位傳感器發送高位警戒信號，此時單片機自動啟動水泵排水。當水量低于低位警戒線時，液位傳感器發送低位警戒信號，此時單片機關閉水泵。水泵抽出的水通過集中排水管道排出彈庫。

2 基于Modbus RTU的通信設計

控制器與上位機之間的通信采取 Modbus RTU(遠程終端設備)模式[8,9]，上位機是主機，控制器是從機。主機每2 s輪詢一次從機地址，從機偵聽到本機地址后，再偵聽功能碼、寄存器地址碼，確認后進行數據長度判斷，數據長度根據彈庫環境需求確定，數據位完畢進行CRC校驗，校驗通過后，才開始接收數據信息，否則丟掉數據包并釋放總線，以備其它機器查詢。控制器以RTU模式在Modbus總線上進行通訊時，信息中的每8位字節分成2個4位16進制的字符，相比ASCII模式，在相同波特率下RTU的傳輸字符密度要高。

3 監控系統上位機組態設計

系統是基于Modbus RTU遠程模式的網絡結構，其拓撲結構如圖5所示。終端設備以控制器為核心，連接傳感器和現場設備，傳感器負責采集現場環境變量的狀態，發送給單片機，由單片機根據用戶設定的參數，控制現場設備的啟動與停止，同時將現場設備的工作狀態，通過Modbus RTU協議傳送至遠端數據服務器，供工程師站、歷史站、操作員站、Web站用戶共享使用。

4 結語

運用單片機技術控制彈庫現場環境設備，具有成本低、技術成熟、穩定可靠等優勢，而基于組態王二次開發的監控系統與控制器完美結合，實現了彈庫環境全時段不間斷監控，為導彈等重要武器裝備儲存環境建設提供了可行的解決方案，應用前景廣闊。

[1]丁向榮. STC系列增強型 8051單片機原理與應用[M]. 北京: 電子工業出版社, 2011.

[2]郭天祥. 新概念 51單片機 C語言教程[M]. 北京:電子工業出版社, 2009.

[3]（美）D.H.Sheingolo著, 杜毅仁, 白英彩, 劉壽譯.模數轉換技術[M]. 南京: 江蘇科學技術出版社,2012.

[4]范承志, 孫盾, 童梅等. 電路原理第3版[M]. 北京:機械工業出版社, 2010.

[5]周文良. 電子電路設計與實踐[M]. 北京: 國防工業出版社, 2011.

[6]于彤. 傳感器應用[M]. 北京: 人民郵電出版社,2010.

[7]大連北方測控工程有限公司. 《DATA SHEET DHT9x說明書》, 2009.

[8]朱懿, 蔣念平. Modbus協議在工業控制系統中的應用[J]. 微計算機信息, 2006, 22(10): 118-120.

[9]Modbus協議詳解[S/OL]. http://www.hicode.cn/.

[10]北京亞控科技發展有限公司. 《組態王6.52用戶手冊》[M], 2006.