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基于NEC 78P014的智能溫濕度顯示記錄儀的開發與研制
發布時間：2017-09-01
單片機(Microcontroller)的真正單片化,即無需外接擴展ROM或擴展RAM或其它設備便可正常工作,這是單片機發展的一個趨勢和方向。另一方面,單片機的低功耗、寬電壓工作范圍也隨著便攜式低功耗智能儀表的大量需求成為另外一個發展方向。在這二方面各單片機制造商們都有不錯的表現,特別值得一提的是日本電氣公司(NEC)在這方面的杰出表現。
NEC公司單片機的銷量雄居全球第二位,這里特別推薦的是NEC78K/0系列單片機,它符合以上提到的2個方向。該單片機內置32KB ROM、512B～1KB RAM不等,只需外接晶振電路和復位電路便可正常工作。CPU工作電壓為2.7～6V,在待機狀態下耗電只有幾個微安(具體技術參數可參考相應的技術資料)。對于智能儀表來說,人們已經不再滿足于僅僅在個別特殊的情況下使用便攜式儀表,而希望在大多數的情況下都能使用攜帶方便、操作簡單、無需管理、能長時間正常工作的低功耗儀表。同時,單片機技術和集成電路制造技術的發展,也使得便攜式儀表的大量普及成為可能。因此在今后的一段時間內,低功耗便攜式儀表將會成為儀表行業發展的一個主流方向。
基于以上的發展狀況,筆者最近成功地開發了1套基于NEC 78P014單片機的智能溫濕度顯示記錄儀。這一儀表主要是針對保鮮運輸行業的需求而研制的。保鮮運輸的質量問題是整個保鮮運輸過程中的關鍵性因素,也是運輸雙方發生糾紛的焦點。迄今為止國內市場上尚未出現一種適合于記錄保鮮運輸儲藏條件的儀表,這使得糾紛雙方在解決問題時缺乏科學的依據,難以明確責任,從而最終妨礙了整個行業的發展。智能溫、濕度顯示記錄儀集溫度、濕度的測量、記錄、液晶顯示、查看、與PC機通信等功能于一體,體積只有香煙盒大小。目前國內市場上尚未發現同類產品。
1記錄儀簡介
1.1總體框架
整個記錄儀由上位機和下位機二大部分組成,需要時,二者之間通過RS―232協議進行通信,如圖1。下位機主要完成溫度、濕度的現場測量、液晶顯示、數據記錄以及記錄查看等功能。溫度、濕度的即時測量和顯示不會影響后臺的數據記錄。查看記錄時允許用戶指定日期和時間進行定點查看,同時可以上下翻看鄰近的記錄。下位機記錄時,一般脫離上位機工作,單獨完成測量和記錄等工作。上位機主要完成數據接收、圖形顯示、表格顯示、統計計算、數據存取、圖標打印輸出、新建記錄過程、電源電壓測量等功能。脫離下位機時,上位機可以對已存盤的歷史數據進行操作。
1.2系統主要特點
(1)低功耗
①采用低功耗電路設計方法,以低功耗為主要技術指標之一。
②所有的芯片和器件均為低功耗型號。
③所有周邊電路的電源均受CPU控制。
④采用LCD液晶顯示器。
⑤CPU平時處于待機狀態,只在記錄數據或用戶操作時才進入熱態。
⑥軟件設計中將外部電路的接通狀態時間降至最低,盡量減少操作以降低功耗。
(2)寬電壓范圍
①系統工作電壓為3～6V。在此范圍內系統均能保證正常工作。
②下位機有電池低電壓指示功能,上位機可以隨時測量電池電壓,并可給出低電壓預警。
③允許斷點記錄。即允許斷電一段時間后繼續運行,此時系統將繼續記錄數據,并在數據處理時給出數據斷點警告。
(3)實用性強
①數據精度較高。溫度數據的分辨率可達4‰,在-5～+50℃測量范圍內誤差小于0.5℃。相對濕度的誤差小于5%。
②可記錄數據量大。允許用戶記錄高達近700組數據,若有特殊要求,還可以更多。
③記錄方式自由度大。記錄周期由用戶設置,小到1min,大到12h,起始記錄時間可以由用戶任意設置。
④數據后處理功能強。強大的數據自動讀取、圖形和表格方式顯示功能,各種統計、計算功能以及各種形式的打印輸出功能令用戶耳目一新。
⑤友好的用戶界面。上位機采用中文Windows環境下的圖形界面,各種操作均有提示、使用方便。下位機正面有液晶顯示、按鍵和使用提示,可以使用戶基本不用看說明書即可正確使用。
(4)便攜性好
①體積小。產品只有普通香煙盒大小,可以方便地放入衣袋中。
②重量輕。產品總重量不超過80g。
(5)充分利用了單片機的單片功能,使其性能得到了最大的發揮。
2硬件主要電路
2.1溫度測量及放大電路
溫度測量中的敏感元件為鉑電阻,根據鉑電阻對溫度的敏感性可以通過測量其阻值來獲得當前的溫度值。將電阻值轉化為電壓值采用的是典型的不平衡電橋,電橋中每個電阻的阻值可以根據測量的溫度范圍來具體計算確定,但最好不要讓電橋的單臂阻值太小,否則會大大增加系統的功耗。電壓信號的放大采用的是高性能、單電源、低電壓的運算放大器組成的電路。
2.2濕度信號測量電路
濕度信號是通過濕敏電容獲得的。濕敏電容的中間夾層物對水分極其敏感,因此根據其因吸收水分量不同而導致的不同的電容值,便可計算出當前空氣中的相對濕度。相對于其它測量濕度的方法,電容測濕法具有許多獨特的優點,如響應速度快、對環境要求低等,因此這一方法在國際上被普遍采用。濕敏電容的測量是利用555振蕩電路進行的。考慮到濕敏電容的容值極低,屬于小信號測量,因此在電路設計中充分考慮了附加電容的影響,同時在軟件設計中也對所得到的數據進行了信號處理,以求最大程度地去除附加電容的影響。濕度信號轉化為頻率信號后,由單片機進行脈沖計數或脈沖寬度測量,以最終獲得信號的頻率。考慮到可能的信號誤差,因此要避免振蕩頻率過高,通常應參考濕敏電容的典型測量頻率。
2.3串行通信電平轉換電路
這一部分電路有現成的芯片與之功能相對應,但考慮到產品的價格、體積和功耗等各方面的因素,還是自行設計了這部分的電路。該電路借用上位機的輸出電平完成TTL和CMOS電平之間的轉換,功耗很小、使用可靠。
2.4EEPROM電路
考慮到產品的體積等因素,選用串行方式的EEP-ROM作為存儲設備。這一芯片使用方便、功耗低,是理想的數據存儲芯片。
2.5電池電壓測量電路
關于電池電壓的測量也有專門的芯片可以實現,但同樣是考慮到產品的價格和體積,利用本電路中A/D轉換參考電壓同電源電壓成正比這一特性,采用穩壓二極管實現電池電壓的逆向計算,從而最終完成對電池電壓的測量。
2.6LCD驅動電路
LCD驅動有2種方式:專用芯片驅動和單片機直接驅動。為了節省空間和成本,同時為了充分利用78P014單片機多I/O口的優勢,采用了單片機直接驅動的方式,利用單片機定時器產生掃描信號,配合I/O的鎖存電路共同完成LCD的驅動。
3軟件總體設計
軟件的總體設計如圖3、圖4,特別要指出的是通信程序。由于NEC 78P014單片機自身不帶UART,所以器以保持“孿生”連接。進行服務器連接,在設置時,要注意將File Server Name設置為不同,IPX Internal net的地址也要不同,NetWork Address要設置成相同。
4使用備份設備
盡管容錯是一種很理想的性能,但多數網絡會經常遇到一些麻煩而需要重新恢復,這都需要為數據保存1個定期的備份。一般來說,很重要的數據一般都是動態的,所以需要經常按規定對網絡數據進行有效的備份。目前備份設備和備份軟件很多,作為用戶,要求這些備份設備和備份軟件使用簡單、性能穩定可靠、速度快、質量高。
5文件服務器的管理
有人可能有意或無意從文件服務器控制臺上對網絡造成重大損失,不論是切斷用戶連接,卸下重要的NLM和卷,還是在文件服務器上進行其它一些操作,都可能導致中斷、數據丟失或者停機。因此必須限制對網絡服務器的訪問,以防止未經許可的訪問。比如,保護文件服務器控制臺、限制文件服務器對區域驅動器和操作系統的訪問。用Secure Console控制臺命令可以禁止使用文件服務器的DOS,這樣就防止了偷竊人關閉文件服務器、并訪問存儲在區域DOS分區上的文件,防止從網絡節點上非法進入。通過管理用戶注冊和訪問權限以及設置口令、時間限制來防止非法使用者對文件服務器所造成的損害。
6防止計算機病毒
病毒在網絡上特別有危害性,它可以通過網絡的目錄和子目錄迅速傳播毀壞數據。常用的方法是安裝病毒預防軟件,在其它軟件執行時檢查病毒,通常在病毒進行任何破壞之前檢測病毒,許多程序在檢測出病毒時,還殺死病毒,如Central Point公司的Anti-Virus軟件就是這樣一個防病毒軟件,它通過檢查文件的校驗機并檢查其它的文件異常特性來檢查病毒。
7保存備件和維修
預留網絡中易發生故障的備件,這樣可以保證當網絡出現故障時及時恢復。通過以上措施,就可以保證網絡服務器長時間穩定、可靠、高傳送速度工作,即使網絡服務器出現故障,也會把損失減少至最小。
摘自：中國計量測控網
