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基于NEC 78P014的智能溫濕度顯示記錄儀的開(kāi)發(fā)與研制
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
單片機(jī)(Microcontroller)的真正單片化,即無(wú)需外接擴(kuò)展ROM或擴(kuò)展RAM或其它設(shè)備便可正常工作,這是單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)和方向。另一方面,單片機(jī)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(gè)發(fā)展方向。在這二方面各單片機(jī)制造商們都有不錯(cuò)的表現(xiàn),特別值得一提的是日本電氣公司(NEC)在這方面的杰出表現(xiàn)。
NEC公司單片機(jī)的銷(xiāo)量雄居全球第二位,這里特別推薦的是NEC78K/0系列單片機(jī),它符合以上提到的2個(gè)方向。該單片機(jī)內(nèi)置32KB ROM、512B～1KB RAM不等,只需外接晶振電路和復(fù)位電路便可正常工作。CPU工作電壓為2.7～6V,在待機(jī)狀態(tài)下耗電只有幾個(gè)微安(具體技術(shù)參數(shù)可參考相應(yīng)的技術(shù)資料)。對(duì)于智能儀表來(lái)說(shuō),人們已經(jīng)不再滿(mǎn)足于僅僅在個(gè)別特殊的情況下使用便攜式儀表,而希望在大多數(shù)的情況下都能使用攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、無(wú)需管理、能長(zhǎng)時(shí)間正常工作的低功耗儀表。同時(shí),單片機(jī)技術(shù)和集成電路制造技術(shù)的發(fā)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(shí)間內(nèi),低功耗便攜式儀表將會(huì)成為儀表行業(yè)發(fā)展的一個(gè)主流方向。
基于以上的發(fā)展?fàn)顩r,筆者最近成功地開(kāi)發(fā)了1套基于NEC 78P014單片機(jī)的智能溫濕度顯示記錄儀。這一儀表主要是針對(duì)保鮮運(yùn)輸行業(yè)的需求而研制的。保鮮運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量問(wèn)題是整個(gè)保鮮運(yùn)輸過(guò)程中的關(guān)鍵性因素,也是運(yùn)輸雙方發(fā)生糾紛的焦點(diǎn)。迄今為止國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)一種適合于記錄保鮮運(yùn)輸儲(chǔ)藏條件的儀表,這使得糾紛雙方在解決問(wèn)題時(shí)缺乏科學(xué)的依據(jù),難以明確責(zé)任,從而最終妨礙了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。智能溫、濕度顯示記錄儀集溫度、濕度的測(cè)量、記錄、液晶顯示、查看、與PC機(jī)通信等功能于一體,體積只有香煙盒大小。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚未發(fā)現(xiàn)同類(lèi)產(chǎn)品。
1記錄儀簡(jiǎn)介
1.1總體框架
整個(gè)記錄儀由上位機(jī)和下位機(jī)二大部分組成,需要時(shí),二者之間通過(guò)RS―232協(xié)議進(jìn)行通信,如圖1。下位機(jī)主要完成溫度、濕度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、液晶顯示、數(shù)據(jù)記錄以及記錄查看等功能。溫度、濕度的即時(shí)測(cè)量和顯示不會(huì)影響后臺(tái)的數(shù)據(jù)記錄。查看記錄時(shí)允許用戶(hù)指定日期和時(shí)間進(jìn)行定點(diǎn)查看,同時(shí)可以上下翻看鄰近的記錄。下位機(jī)記錄時(shí),一般脫離上位機(jī)工作,單獨(dú)完成測(cè)量和記錄等工作。上位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)接收、圖形顯示、表格顯示、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)存取、圖標(biāo)打印輸出、新建記錄過(guò)程、電源電壓測(cè)量等功能。脫離下位機(jī)時(shí),上位機(jī)可以對(duì)已存盤(pán)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。
1.2系統(tǒng)主要特點(diǎn)
(1)低功耗
①采用低功耗電路設(shè)計(jì)方法,以低功耗為主要技術(shù)指標(biāo)之一。
②所有的芯片和器件均為低功耗型號(hào)。
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(shí)處于待機(jī)狀態(tài),只在記錄數(shù)據(jù)或用戶(hù)操作時(shí)才進(jìn)入熱態(tài)。
⑥軟件設(shè)計(jì)中將外部電路的接通狀態(tài)時(shí)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(tǒng)工作電壓為3～6V。在此范圍內(nèi)系統(tǒng)均能保證正常工作。
②下位機(jī)有電池低電壓指示功能,上位機(jī)可以隨時(shí)測(cè)量電池電壓,并可給出低電壓預(yù)警。
③允許斷點(diǎn)記錄。即允許斷電一段時(shí)間后繼續(xù)運(yùn)行,此時(shí)系統(tǒng)將繼續(xù)記錄數(shù)據(jù),并在數(shù)據(jù)處理時(shí)給出數(shù)據(jù)斷點(diǎn)警告。
(3)實(shí)用性強(qiáng)
①數(shù)據(jù)精度較高。溫度數(shù)據(jù)的分辨率可達(dá)4‰,在-5～+50℃測(cè)量范圍內(nèi)誤差小于0.5℃。相對(duì)濕度的誤差小于5%。
②可記錄數(shù)據(jù)量大。允許用戶(hù)記錄高達(dá)近700組數(shù)據(jù),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(hù)設(shè)置,小到1min,大到12h,起始記錄時(shí)間可以由用戶(hù)任意設(shè)置。
④數(shù)據(jù)后處理功能強(qiáng)。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取、圖形和表格方式顯示功能,各種統(tǒng)計(jì)、計(jì)算功能以及各種形式的打印輸出功能令用戶(hù)耳目一新。
⑤友好的用戶(hù)界面。上位機(jī)采用中文Windows環(huán)境下的圖形界面,各種操作均有提示、使用方便。下位機(jī)正面有液晶顯示、按鍵和使用提示,可以使用戶(hù)基本不用看說(shuō)明書(shū)即可正確使用。
(4)便攜性好
①體積小。產(chǎn)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(chǎn)品總重量不超過(guò)80g。
(5)充分利用了單片機(jī)的單片功能,使其性能得到了最大的發(fā)揮。
2硬件主要電路
2.1溫度測(cè)量及放大電路
溫度測(cè)量中的敏感元件為鉑電阻,根據(jù)鉑電阻對(duì)溫度的敏感性可以通過(guò)測(cè)量其阻值來(lái)獲得當(dāng)前的溫度值。將電阻值轉(zhuǎn)化為電壓值采用的是典型的不平衡電橋,電橋中每個(gè)電阻的阻值可以根據(jù)測(cè)量的溫度范圍來(lái)具體計(jì)算確定,但最好不要讓電橋的單臂阻值太小,否則會(huì)大大增加系統(tǒng)的功耗。電壓信號(hào)的放大采用的是高性能、單電源、低電壓的運(yùn)算放大器組成的電路。
2.2濕度信號(hào)測(cè)量電路
濕度信號(hào)是通過(guò)濕敏電容獲得的。濕敏電容的中間夾層物對(duì)水分極其敏感,因此根據(jù)其因吸收水分量不同而導(dǎo)致的不同的電容值,便可計(jì)算出當(dāng)前空氣中的相對(duì)濕度。相對(duì)于其它測(cè)量濕度的方法,電容測(cè)濕法具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如響應(yīng)速度快、對(duì)環(huán)境要求低等,因此這一方法在國(guó)際上被普遍采用。濕敏電容的測(cè)量是利用555振蕩電路進(jìn)行的。考慮到濕敏電容的容值極低,屬于小信號(hào)測(cè)量,因此在電路設(shè)計(jì)中充分考慮了附加電容的影響,同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中也對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了信號(hào)處理,以求最大程度地去除附加電容的影響。濕度信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)后,由單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)或脈沖寬度測(cè)量,以最終獲得信號(hào)的頻率?？紤]到可能的信號(hào)誤差,因此要避免振蕩頻率過(guò)高,通常應(yīng)參考濕敏電容的典型測(cè)量頻率。
2.3串行通信電平轉(zhuǎn)換電路
這一部分電路有現(xiàn)成的芯片與之功能相對(duì)應(yīng),但考慮到產(chǎn)品的價(jià)格、體積和功耗等各方面的因素,還是自行設(shè)計(jì)了這部分的電路。該電路借用上位機(jī)的輸出電平完成TTL和CMOS電平之間的轉(zhuǎn)換,功耗很小、使用可靠。
2.4EEPROM電路
考慮到產(chǎn)品的體積等因素,選用串行方式的EEP-ROM作為存儲(chǔ)設(shè)備。這一芯片使用方便、功耗低,是理想的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片。
2.5電池電壓測(cè)量電路
關(guān)于電池電壓的測(cè)量也有專(zhuān)門(mén)的芯片可以實(shí)現(xiàn),但同樣是考慮到產(chǎn)品的價(jià)格和體積,利用本電路中A/D轉(zhuǎn)換參考電壓同電源電壓成正比這一特性,采用穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)電池電壓的逆向計(jì)算,從而最終完成對(duì)電池電壓的測(cè)量。
2.6LCD驅(qū)動(dòng)電路
LCD驅(qū)動(dòng)有2種方式:專(zhuān)用芯片驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。為了節(jié)省空間和成本,同時(shí)為了充分利用78P014單片機(jī)多I/O口的優(yōu)勢(shì),采用了單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式,利用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生掃描信號(hào),配合I/O的鎖存電路共同完成LCD的驅(qū)動(dòng)。
3軟件總體設(shè)計(jì)
軟件的總體設(shè)計(jì)如圖3、圖4,特別要指出的是通信程序。由于NEC 78P014單片機(jī)自身不帶UART,所以器以保持“孿生”連接。進(jìn)行服務(wù)器連接,在設(shè)置時(shí),要注意將File Server Name設(shè)置為不同,IPX Internal net的地址也要不同,NetWork Address要設(shè)置成相同。
4使用備份設(shè)備
盡管容錯(cuò)是一種很理想的性能,但多數(shù)網(wǎng)絡(luò)會(huì)經(jīng)常遇到一些麻煩而需要重新恢復(fù),這都需要為數(shù)據(jù)保存1個(gè)定期的備份。一般來(lái)說(shuō),很重要的數(shù)據(jù)一般都是動(dòng)態(tài)的,所以需要經(jīng)常按規(guī)定對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的備份。目前備份設(shè)備和備份軟件很多,作為用戶(hù),要求這些備份設(shè)備和備份軟件使用簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠、速度快、質(zhì)量高。
5文件服務(wù)器的管理
有人可能有意或無(wú)意從文件服務(wù)器控制臺(tái)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成重大損失,不論是切斷用戶(hù)連接,卸下重要的NLM和卷,還是在文件服務(wù)器上進(jìn)行其它一些操作,都可能導(dǎo)致中斷、數(shù)據(jù)丟失或者停機(jī)。因此必須限制對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn),以防止未經(jīng)許可的訪(fǎng)問(wèn)。比如,保護(hù)文件服務(wù)器控制臺(tái)、限制文件服務(wù)器對(duì)區(qū)域驅(qū)動(dòng)器和操作系統(tǒng)的訪(fǎng)問(wèn)。用Secure Console控制臺(tái)命令可以禁止使用文件服務(wù)器的DOS,這樣就防止了偷竊人關(guān)閉文件服務(wù)器、并訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)在區(qū)域DOS分區(qū)上的文件,防止從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上非法進(jìn)入。通過(guò)管理用戶(hù)注冊(cè)和訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限以及設(shè)置口令、時(shí)間限制來(lái)防止非法使用者對(duì)文件服務(wù)器所造成的損害。
6防止計(jì)算機(jī)病毒
病毒在網(wǎng)絡(luò)上特別有危害性,它可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的目錄和子目錄迅速傳播毀壞數(shù)據(jù)。常用的方法是安裝病毒預(yù)防軟件,在其它軟件執(zhí)行時(shí)檢查病毒,通常在病毒進(jìn)行任何破壞之前檢測(cè)病毒,許多程序在檢測(cè)出病毒時(shí),還殺死病毒,如Central Point公司的Anti-Virus軟件就是這樣一個(gè)防病毒軟件,它通過(guò)檢查文件的校驗(yàn)機(jī)并檢查其它的文件異常特性來(lái)檢查病毒。
7保存?zhèn)浼途S修
預(yù)留網(wǎng)絡(luò)中易發(fā)生故障的備件,這樣可以保證當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)恢復(fù)。通過(guò)以上措施,就可以保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、可靠、高傳送速度工作,即使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器出現(xiàn)故障,也會(huì)把損失減少至最小。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
