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基于NEC 78P014的智能温湿度显示记录仪的开发与研制
发布时间：2017-09-01
单片机(Microcontroller)的真正单片化,即无需外接扩展ROM或扩展RAM或其它设备便可正常工作,这是单片机发展的一个趋势和方向。另一方面,单片机的低功耗、宽电压工作范围也随着便携式低功耗智能仪表的大量需求成为另外一个发展方向。在这二方面各单片机制造商们都有不错的表现,特别值得一提的是日本电气公司(NEC)在这方面的杰出表现。
NEC公司单片机的销量雄居全球第二位,这里特别推荐的是NEC78K/0系列单片机,它符合以上提到的2个方向。该单片机内置32KB ROM、512B～1KB RAM不等,只需外接晶振电路和复位电路便可正常工作。CPU工作电压为2.7～6V,在待机状态下耗电只有几个微安(具体技术参数可参考相应的技术资料)。对于智能仪表来说,人们已经不再满足于仅仅在个别特殊的情况下使用便携式仪表,而希望在大多数的情况下都能使用携带方便、操作简单、无需管理、能长时间正常工作的低功耗仪表。同时,单片机技术和集成电路制造技术的发展,也使得便携式仪表的大量普及成为可能。因此在今后的一段时间内,低功耗便携式仪表将会成为仪表行业发展的一个主流方向。
基于以上的发展状况,笔者最近成功地开发了1套基于NEC 78P014单片机的智能温湿度显示记录仪。这一仪表主要是针对保鲜运输行业的需求而研制的。保鲜运输的质量问题是整个保鲜运输过程中的关键性因素,也是运输双方发生纠纷的焦点。迄今为止国内市场上尚未出现一种适合于记录保鲜运输储藏条件的仪表,这使得纠纷双方在解决问题时缺乏科学的依据,难以明确责任,从而最终妨碍了整个行业的发展。智能温、湿度显示记录仪集温度、湿度的测量、记录、液晶显示、查看、与PC机通信等功能于一体,体积只有香烟盒大小。目前国内市场上尚未发现同类产品。
1记录仪简介
1.1总体框架
整个记录仪由上位机和下位机二大部分组成,需要时,二者之间通过RS―232协议进行通信,如图1。下位机主要完成温度、湿度的现场测量、液晶显示、数据记录以及记录查看等功能。温度、湿度的即时测量和显示不会影响后台的数据记录。查看记录时允许用户指定日期和时间进行定点查看,同时可以上下翻看邻近的记录。下位机记录时,一般脱离上位机工作,单独完成测量和记录等工作。上位机主要完成数据接收、图形显示、表格显示、统计计算、数据存取、图标打印输出、新建记录过程、电源电压测量等功能。脱离下位机时,上位机可以对已存盘的历史数据进行操作。
1.2系统主要特点
(1)低功耗
①采用低功耗电路设计方法,以低功耗为主要技术指标之一。
②所有的芯片和器件均为低功耗型号。
③所有周边电路的电源均受CPU控制。
④采用LCD液晶显示器。
⑤CPU平时处于待机状态,只在记录数据或用户操作时才进入热态。
⑥软件设计中将外部电路的接通状态时间降至最低,尽量减少操作以降低功耗。
(2)宽电压范围
①系统工作电压为3～6V。在此范围内系统均能保证正常工作。
②下位机有电池低电压指示功能,上位机可以随时测量电池电压,并可给出低电压预警。
③允许断点记录。即允许断电一段时间后继续运行,此时系统将继续记录数据,并在数据处理时给出数据断点警告。
(3)实用性强
①数据精度较高。温度数据的分辨率可达4‰,在-5～+50℃测量范围内误差小于0.5℃。相对湿度的误差小于5%。
②可记录数据量大。允许用户记录高达近700组数据,若有特殊要求,还可以更多。
③记录方式自由度大。记录周期由用户设置,小到1min,大到12h,起始记录时间可以由用户任意设置。
④数据后处理功能强。强大的数据自动读取、图形和表格方式显示功能,各种统计、计算功能以及各种形式的打印输出功能令用户耳目一新。
⑤友好的用户界面。上位机采用中文Windows环境下的图形界面,各种操作均有提示、使用方便。下位机正面有液晶显示、按键和使用提示,可以使用户基本不用看说明书即可正确使用。
(4)便携性好
①体积小。产品只有普通香烟盒大小,可以方便地放入衣袋中。
②重量轻。产品总重量不超过80g。
(5)充分利用了单片机的单片功能,使其性能得到了最大的发挥。
2硬件主要电路
2.1温度测量及放大电路
温度测量中的敏感元件为铂电阻,根据铂电阻对温度的敏感性可以通过测量其阻值来获得当前的温度值。将电阻值转化为电压值采用的是典型的不平衡电桥,电桥中每个电阻的阻值可以根据测量的温度范围来具体计算确定,但最好不要让电桥的单臂阻值太小,否则会大大增加系统的功耗。电压信号的放大采用的是高性能、单电源、低电压的运算放大器组成的电路。
2.2湿度信号测量电路
湿度信号是通过湿敏电容获得的。湿敏电容的中间夹层物对水分极其敏感,因此根据其因吸收水分量不同而导致的不同的电容值,便可计算出当前空气中的相对湿度。相对于其它测量湿度的方法,电容测湿法具有许多独特的优点,如响应速度快、对环境要求低等,因此这一方法在国际上被普遍采用。湿敏电容的测量是利用555振荡电路进行的。考虑到湿敏电容的容值极低,属于小信号测量,因此在电路设计中充分考虑了附加电容的影响,同时在软件设计中也对所得到的数据进行了信号处理,以求最大程度地去除附加电容的影响。湿度信号转化为频率信号后,由单片机进行脉冲计数或脉冲宽度测量,以最终获得信号的频率。考虑到可能的信号误差,因此要避免振荡频率过高,通常应参考湿敏电容的典型测量频率。
2.3串行通信电平转换电路
这一部分电路有现成的芯片与之功能相对应,但考虑到产品的价格、体积和功耗等各方面的因素,还是自行设计了这部分的电路。该电路借用上位机的输出电平完成TTL和CMOS电平之间的转换,功耗很小、使用可靠。
2.4EEPROM电路
考虑到产品的体积等因素,选用串行方式的EEP-ROM作为存储设备。这一芯片使用方便、功耗低,是理想的数据存储芯片。
2.5电池电压测量电路
关于电池电压的测量也有专门的芯片可以实现,但同样是考虑到产品的价格和体积,利用本电路中A/D转换参考电压同电源电压成正比这一特性,采用稳压二极管实现电池电压的逆向计算,从而最终完成对电池电压的测量。
2.6LCD驱动电路
LCD驱动有2种方式:专用芯片驱动和单片机直接驱动。为了节省空间和成本,同时为了充分利用78P014单片机多I/O口的优势,采用了单片机直接驱动的方式,利用单片机定时器产生扫描信号,配合I/O的锁存电路共同完成LCD的驱动。
3软件总体设计
软件的总体设计如图3、图4,特别要指出的是通信程序。由于NEC 78P014单片机自身不带UART,所以器以保持“孪生”连接。进行服务器连接,在设置时,要注意将File Server Name设置为不同,IPX Internal net的地址也要不同,NetWork Address要设置成相同。
4使用备份设备
尽管容错是一种很理想的性能,但多数网络会经常遇到一些麻烦而需要重新恢复,这都需要为数据保存1个定期的备份。一般来说,很重要的数据一般都是动态的,所以需要经常按规定对网络数据进行有效的备份。目前备份设备和备份软件很多,作为用户,要求这些备份设备和备份软件使用简单、性能稳定可靠、速度快、质量高。
5文件服务器的管理
有人可能有意或无意从文件服务器控制台上对网络造成重大损失,不论是切断用户连接,卸下重要的NLM和卷,还是在文件服务器上进行其它一些操作,都可能导致中断、数据丢失或者停机。因此必须限制对网络服务器的访问,以防止未经许可的访问。比如,保护文件服务器控制台、限制文件服务器对区域驱动器和操作系统的访问。用Secure Console控制台命令可以禁止使用文件服务器的DOS,这样就防止了偷窃人关闭文件服务器、并访问存储在区域DOS分区上的文件,防止从网络节点上非法进入。通过管理用户注册和访问权限以及设置口令、时间限制来防止非法使用者对文件服务器所造成的损害。
6防止计算机病毒
病毒在网络上特别有危害性,它可以通过网络的目录和子目录迅速传播毁坏数据。常用的方法是安装病毒预防软件,在其它软件执行时检查病毒,通常在病毒进行任何破坏之前检测病毒,许多程序在检测出病毒时,还杀死病毒,如Central Point公司的Anti-Virus软件就是这样一个防病毒软件,它通过检查文件的校验机并检查其它的文件异常特性来检查病毒。
7保存备件和维修
预留网络中易发生故障的备件,这样可以保证当网络出现故障时及时恢复。通过以上措施,就可以保证网络服务器长时间稳定、可靠、高传送速度工作,即使网络服务器出现故障,也会把损失减少至最小。
摘自：中国计量测控网
