智能闸门启闭监视仪设计

第１５卷第４期　电脑开发与应用　智能闸门启闭监视仪设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍｏｎｉｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｓｔａｒｔ／Ｓｔｏｐ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｆ　Ｓｌｕｉｃｅ　Ｇａｔｅ　吕俊怀　王键颖　徐小群　（徐州师范大学徐州２２１００８）（彭城职业大学徐州２２１００８）（徐州理工计算机Ｉ程技术研究所徐州２２１０００）　【摘要】介绍一砷　单片机为基础的卷扬式闸门启闭机截荷监盈仪的研制、系统的软硬件结构和功能特性，着　重阐述了堕片机及扩展电路、人机接口和通信部分的设计．巴路和实现方法。　【关键词】　闸ｒ］启闭机，单片机，载荷监控　ＡＢＳＴＲＡ（１＇Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ［ｏｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｏｆ　ｈｏｉｓｔｉｎｇ　ｓｔａｒｔ／ｓｔｏｐ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｆｏｒ　ｓｌｕｉｃｅ　ｇａｔｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｅｕｅｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｓｉｎ　ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐＬｈｅｒ．ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｎＨｎ　ｒｒｍｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｒａｐｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｄｏｎ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ｎｌ０ｆｅ　ｄｅｓｃｆｉｐｔｉｏｎ．　ＫＮＹＷＯＲＤＳ　ｓｔａｒｔ／ｓｔｏｐ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｆ　ｓｌｕｉｃｅ　ｇａｔｅ，ｓ１ｎ　ｅ　ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｌｏａｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　河道、水库、水电站中卷扬式闸门启闭机的载荷监　控是保证闸门安全运行的重要条件。由于水运杂物或　机械故障造成闸门启闭机超载，导致断缆、启闭机损坏　等重大事故　因此．闸门启闭机载荷监控仪器是必要的　配套设备。本文介绍集散式闸门群监控系统中智能闸　门启闭机载荷监控仪研制的思想和实现方法。　Ｉ　ＥＤ显示器显示，并送串行日及Ｄ／　Ａ输出　显示器设　置了３个窗口分别显示Ａ通道、Ｂ通道的载荷瞬时值　以及Ａ、Ｂ两通道的瞬时差值Ａ—Ｂ。在双吊点的情况　下，两吊点的载荷失衡是重要的监测参数，不可缺少，　‘４　Ｂ显示窗口便于操作者监控两吊点的失衡状态。　同时，系统计算Ａ十Ｂ的瞬时值作为监测的参量之　当Ａ、６及Ａ—Ｂ三个显示通道的瞬时值及Ａ＋　Ｂ参量的瞬时值超过报警门限或安全门限时，分别由　４路声光报警电路报警或由继电器输出开关量控制闸　一１设计目标　智能化闸门矗闭机载荷监控仪的设计目标是满足　。各种不同类型、不同吨位启闭机的载荷监控要求。设计　要求：①可测控的范围为０￣２００ｔ。②实时测量和显示　载荷的变化。在双吊点的情况下．可以显示且、Ｂ两个　吊点的载荷瞬时值，监测Ａ、Ｂ两个吊点的瞬时载荷差　值。③提供超出　常载荷时的两档监控。当启闭机载　荷超过设定的撤警门限时，仪器发出声光报警；当载荷　超过设定的安全门限时，仪器输出开关量控制启闭机　关闭。④易于操作。设置简洁的面板小键盘和统一的　操作模式，可以完成所有的调零、参数设定等工作。⑤　具备通信能力　设置串行通信ＶＩ用于向上位机传输数　据，便于联网集成　ｆ］启闭电机的关闭。４个报警门限和４个安全门限值　可自由设定。设定范围宽达整个载荷工作区域　单片　机串行口把数据传给本站的通信机，并通过公共总线　传至上位机以实现集中监控。程序运行监控系统保证　系统能够安全可靠地运行。　３硬件系统设计　硬件系统以ＭＣＳ　５１系列的８０３１单片机为核　心．扩展程序存储器、Ｉ／０口、键盘显示单片、Ａ／Ｄ、Ｄ／　Ａ等部件，构成一个完整的单片机应用系统　系统硬　件结构框图如图１所示。　２工作原理　由荷重传感器来的两路模拟输入信号分为２个通　道，经放大器放大后由模拟开关切换为一路．进入Ａ／　Ｄ转换器．转换后的数字量交ＣＰＵ处理。然后．送　＊　２００１　１２　２４收到．２００２　０１　１４改呵　３．１前向通道　前向通道主要由传感器、信号放大器、模拟开关及　Ａ／Ｄ转换器组成。前端传感器使用电阻应变片荷重传　感器　如ＢＨＲ系列或　系列。荷重传感器的输出　是微伏级到毫伏级的电压信号，先进行信号放大，再进　＊＊　本项目为稼』ｆ＇１　０ｒ￣大中青年教师基金资助项目　…吕俊怖一男一１９５９年生．副教授．１９８２年７月毕业于徐州师范学院．研究方向为嵌入式系统、智能仪表、多媒体通信。　维普资讯 http://www.cqvip.com

智能闸门启闭监视仪设计　２００２芷　时，ＴＨ。的值约为Ｅ６Ｈ。　一　Ｄ一　通信时单片机ｓＣ０Ｎ中ＳＭ　及ＲＥＮ位先置１，　使之处于接收地址的状态。在单片机收到地址帧后，检　机　声光报警卜一　８０３１堕　片查地址是否与本机地址相符，确认是本机后，把ＳＭ２　清零以接收主机的指令。系统在每次收到通信机的发　送命令后把缓冲中的数据写入ＳＢＵＦ，通过串行口实　时传出。通信周期约定为ｌｓ。　扩充的Ｄ／Ａ接口选用８位Ｄ／Ａ芯片ＤＡＣ０８３２。　卷一　Ｄ／Ａ　１　——　通信Ⅱ一　图１系统硬件结构框图　ＤＡＣ０９３２的输出可直接供小长图记录仪等现场记录　设备使用。　行Ａ／Ｄ转换。仪器中信号放大器由斩波自稳零运算放　大器ＩＣＬ７６５０构成，共有两路。模拟多路开关使用　ＣＭＯＳ器件４０１６。它以扩展的Ｉ／ｏ口控制，实现双通　道模拟信号到１路Ａ／Ｄ的切换。Ａ／Ｄ转换器采用了　芯片ＩＣＬ７１０９。　３　２单片机有扩展电路　本仪器除了８０３ｌ的Ｉ／Ｏ口外，另扩展一片８２５５。　程序存储器使用ＥＰＲＯＭ　片２７６４　本仪器采用了芯　３　５程序运行监控及抗干扰设计　本仪器以看门狗电路ＭＡＸ７０５作为程序运行监　控。在前端小信号模拟通道中对输入信号、电源滤波等　方面采取了抗干扰措施　并采用差分放大器降低共模　干扰。在后向通道中为防止继电器输出对单片机的工　作产生影响，在单片机与驱动器之间设置了光电隔离　器。软件采取了数字滤波、错误陷阱等手段，使仪器具　有较强的抗干扰能力。　片２８１６Ａ，它的在线读写和非易失性能够满足设计的　要求。２８１６Ａ为５Ｖ电擦除可编程存储器。　８０３ｌ芯片各ｉ／ｏ口资源的使用。尸。口用于报警　信号和开关量的输出，尸。口使用第一功能，用于中断、　串行通信、程序监控等。扩展的Ｉ／ｏ口中，．４口用ｆ　Ａ／Ｄ（ＡＤＣ８０３）转换后的数字量的输入，Ｂ口用作输　出口与Ｄ／Ａ芯片的ＤＢ相连。ｃ　ｎ作控制用　扩展一片８２７９作为键盘／显示接口。仪器设置了　８个轻触按键构成简洁的面板小键盘　显示部分采用　了３组ＬＥＤ数码管构成３个显示窗口，分别显示Ａ通　４软件设计　本仪器软件设计思想是在现有的硬件平台之上构　造尽可能完善的功能，提高可用性和可　营陛。按功能把　程序划分为６个模块。程序结构见图２。　４．１主程序模块　主程序由２个程序段　组成。第１个程序段完成　系统初始化。第２程序段　为主循环。在初始化阶段．　程序完成８０３１及８２５５、　道、Ｂ通道及Ａ　Ｂ通道的瞬时值。　３．３声光报警和控制开关量输出模块　系统提供了，４路声光报警和４路控制开关量的输　出。除了　、Ｂ及　一Ｂ　３路的报警／控制输出外．还有　８２７９等芯片的初始化工　作。初始化完成后，程序进　图２系统软件结构　路是　＋　量值的报警／控制输出．Ｊ４＋　量值没　有显示窗口。声光报警电路由振荡器、门电路４０６９、驱　一动器ＭＣｌ４１６构成。当Ｐ　门的低四位口线中任意一［］　线有输出时．对应的Ｉ，ＥＤ灯闪烁，同时蜂鸣器响。控制　开关量的输出电路由门电路、光隔离器、驱动器和继电　器组成。当ｒｔ　Ｌ］的高四位口线任意一根有输出时．经　过或逻辑、光隔、驱动，由继电器输出控制信号。　３．４通信及Ｄ／Ａ接口模块　系统　主从机方式与现场通信机通信．数据传输　由８０３１的串行＿］实现．此时串行口：　作方式设　在方　式３。在该工作，行　下，串行口是９位异步通信口，‘　帧信息为１１位，波持率设定为１　２００ｂ／ｓ。波特率的设　定由定时器１实现。当１’。在工作方式为２时，ＴＨ。中　为时间常数设定值，在时钟频率１　２ＭＨｚ．ＳＭ（）Ｄ一０　入主工作循环。这里没有采用初始化后即进入监控程　序的做法是出于这样的考虑：在系统运行中若因程序　失效而被监控系统复位．不能自动重人工作状态的系　统可能会带来事故隐患。　４．２采样模块　采样子程序主要完成信号采集和处理工作　先以　查询方式检查Ａ／Ｄ转换器７１０９的工作状态．若已经　完成一次转换，则依次从７１０９读出转换值的低八位和　高四位，读出值存入ＲＡＭ。这里使用算术平均值算法　对采样值作简单的数字滤波．即以５次采样值的平均　值作为采样结果。采样结果经校零处理后送下道程序。　采样子程序流程如图３所示。　３键盘监控模块　键盘监控子程序是整个软件系统的核心部分，它配　维普资讯 http://www.cqvip.com

第ｌ５卷第４期　电脑开发与应用　合硬件系统为用户提供人　机接口。键盘监控程序是　软件设计的重点。监控程　序的主要功能是：①仪器　工作状态的转换；②校零　操作；③对　、Ｂ、Ａ—Ｂ　和Ａ＋Ｂ四路报警门限位　作方式３。当从机接收到　主机发出的地址信息后，　串行口向ｃＰＵ申请中　断，由中断处理程序完成　地址、命令的检测和发送　数据的工作。通信程序见　图６　图３采样模块流程　和安全门限值的设定；④　参数酌保存。硬件设计了　８只轻触按键，构成简洁　的面板小键盘。８只按键　的定义如图４所示。　５结束语　闸门启闭机智能载　荷监控仪经过几年现场　运行．在使用中不断改　进．已形成稳定的机型　该仪器符合当前水利自　动化仪器的发展方向，能　“监控”键是键盘监控程序的唯一入口。在仪器运　行中按下“监控”键，系统从测量显示状态进入监控状　态。“运行”键使系统从监控状态返回到运行状态。数　字键是键盘的重要部分。本仪器为简化键盘结构、数字　的修改和设定只设置了“右移位”键和“加１”键，用它　一聂宰　一　毒　图４键盘按键定义　够适应现代水利工程自　动化设备的配套需要。　图６串行口中断处理程序流程　参考文献　１　沈德金．陈粤初．ＭＣＳ一５１系列单片机接口电路与应用程　序实例．北京：北京航空航天大学出版社．１９９２．４：垒书　们可以完成从０到９９９．９数值的设定。采用了“循环加　”两键输入数字方案。　叶　警门限设定”键和“安全门限设定”键用于选择　两种设定功能。按下　报警门限设定”键．进入报警门限　设定状态。用右移键和加１键可设定４路报警门限值。　按下“安全门限设定”键，则进入４路安全门限值的设　定状态，设定方法与报警门限相同　设定完毕用保存键　保存。仪器使用前要调零。按下校零键即可完成调零　操作。键盘监控子程序流程如图５所示。　２涂时亮，张友德．ＳＩＣＥ通用单片机仿真器及其应用．上海；　复旦大学出版社．１９９１．１０：全书　生，　生Ｈ　南、皇ｉ皇　皇　生　专Ｐ　（上接第ｌ２丽）　２总结　本文提出的基于局域网和并行软件ＰＶＭ相结合　的并行模拟算法，利用先划分后排序的方式，把　ＶＨＤＬ描述的电路分割成多个ＬＰ，对每个ＬＰ按先后　顺序进行排序。工作站之间的同步通过优化的Ｃｏｎ　ｓｅｒｖａｔｉｖｅ方法．可以减少一定的开销。实验表明这种　并行算法可以极大地提高ＶＨＤＬ的模拟时间。　参考文献　１　Ｂ　Ａ　Ｖｅｌｌａｎｄｉ—Ｍ　Ｌｉｇｈｍｅｒ．Ｐａｒａｌｌｅｌｉｓｍ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏ　ｇｒａｉｎ　ｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ　ｏｆ　ＶＨＩ）Ｉ　／Ｏｒ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｅｕｒｏ—　ｌ：，ｅａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．０ｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ａｕｔｏｎｍｌｉｏｎ，１９９２￣ｉ８ｌ～８７　２江礼章，段　富，徐岩松等．ＴＪＧＳ：基于编译和排序的面向　过程的逻辑模拟系统．计　：机辅助设计与图形学学报，　１９９１．３（４）：７１～７８　３　Ａ　Ｇｅ　Ｊｓｔ．Ｖ　Ｓｕｎｄｅｒａｍ．ＰＶＭ　３．０　Ｕｓｅｒ’ｓ　Ｇｕｉｄｅ　ａｎｄ　Ｒｅｆｅ卜　ｅｎｅｅ　Ｍ．ｎｕａ１．ＯＡＫ｝Ｏａｋｒｌｄｇｅ．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．１９９３｝　全书　４　Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｋｏｃｈ・Ｄｊａｍｓｈｉｄ　Ｔａｕａｎｇａｒ［ａｎ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ＶＨＤＩ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈｉｎ　ａ　ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ　ｄｕｓｔｅｒ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　４．４通信模块　本机通信方式采用主从工作模式　仪器作为从机　与本地通信主机联系。在多机模式下串行口设置在工　ＨａｗａｉｉＩｍｅｒｎａｆｉｏｎａ［Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ＳｙｓｔｅｍＳｃｉｅｎｃｅｓ．１　９９４：　３】３～３２１