Dans de nombreux systèmes de surveillance en temps réel, il est souvent nécessaire de recevoir des données provenant de points de mesure et de contrôle éloignés. Ces modules de surveillance doivent résoudre le problème de la mise en œuvre fiable et rapide de la collecte de données sur site, de la transmission de données à distance et du contrôle des sorties. La recherche d'une conception moderne à faible coût a conduit à la production de nombreux microcontrôleurs puissants et fiables. Cet article est un module d'acquisition de données conçu sur la base du microcontrôleur C8051F021, doté de fonctions complètes et d'un coût élevé.
1. Conception matérielle du module
1.1 Structure générale du matériel
Le schéma fonctionnel de la structure matérielle globale de ce module est illustré à la figure 1.
Ce module utilise le microcontrôleur C8051F021 comme noyau de l'unité de contrôle CPU, et comprend également de multiples fonctions telles que l'acquisition de données, le stockage de données, la communication de données, le couplage photoélectrique et la protection contre la mise hors tension. Le C8051F021 ayant des fonctions relativement complètes, l'ensemble du module est particulièrement simple, ce qui permet non seulement de réduire la taille et la consommation d'énergie du module, d'économiser considérablement le coût de l'équipement périphérique, mais aussi d'améliorer considérablement la fiabilité et la stabilité du module.
1.2 Unité d'acquisition analogique
This module selects the ADC0 analog/digital conversion channel of C8051F021 as the acquisition channel of analog signals. For example, the temperature and humidity of the working environment can be collected in real time through temperature and humidity sensors. When the analog signal collected on site is transmitted to the ADC0 input channel of C8051F021, it will inevitably be interfered by external signals. From the perspective of anti-interference and ensuring the high linearity of the collected signal, a high linearity optocoupler HCNR201 is selected at the input end. The analog signal is isolated once, so that the useful signal is obtained more accurately and the interference component is removed. The circuit diagram is shown in Figure 2. The front-end operational amplifier LMV931 in the figure forms a negative feedback amplifier circuit to suppress changes in current in the LED; the back-end operational amplifier LMV931 forms an I/V conversion circuit. It can be seen from the figure that VOUT /VAIN=KR30 /R28, that is, the output voltage has a linear relationship with the input voltage and has nothing to do with the intensity of the LED output light. Adjust the voltage gain by adjusting the value of R30/R28. R29 is the current limiting resistor of the LED, and the two capacitors are used to improve the high-frequency characteristics of the circuit.
1.3 Unité d'acquisition des signaux de commutation
L'unité d'acquisition est adaptée à la collecte de signaux avec des valeurs de commutation, telles que l'alimentation ou non du circuit, le passage ou non du flux d'eau, et d'autres valeurs de commutation. Le circuit est illustré à la figure 3. L'unité d'acquisition est conçue pour une entrée de tension de 220V AC. Elle est réglée pour ne pas donner de réponse lorsque l'entrée est approximativement inférieure à la moitié de la valeur de crête du courant alternatif. Afin d'éviter les interférences causées par les caractéristiques électriques et un environnement de travail difficile, le couplage photoélectrique est utilisé pour réaliser la conversion primaire électrique-optique-électrique du signal. Avant d'entrer dans l'optocoupleur, certaines des impulsions de pointe sont filtrées par le condensateur électrolytique. En même temps, ce condensateur forme une boucle de décharge avec la résistance de division de tension. Ces mesures protègent efficacement les interférences pendant le processus de transmission du signal. En même temps, des indicateurs de travail LED sont également installés, permettant aux utilisateurs de voir l'état de fonctionnement de chaque canal d'un seul coup d'œil.
1.4 Unité de contrôle de sortie
Cette unité analyse les données collectées sur le site, puis le personnel de l'ordinateur hôte ou le microcontrôleur fournit automatiquement la sortie de contrôle en fonction des conditions de rétroaction prédéfinies pour contrôler le relais statique JGX-1505FB avec isolation photoélectrique, puis commande l'équipement de contrôle sur le site. En même temps, des indicateurs de travail LED sont également installés, ce qui permet de comprendre clairement l'état de fonctionnement de chaque canal.
1.5 Interface de communication RS-485
À en juger par l'analyse des nombreuses solutions actuelles de communication à moyenne et longue distance dans les microcontrôleurs, le mode de communication par bus RS-485 est largement utilisé en raison de sa structure simple, de son faible prix, de sa distance de communication appropriée et de son taux de transmission de données. Par conséquent, ce module utilise la communication RS-485 et sélectionne P0.0 et P0.1 de C8051F021 comme TX0 et RX0 du port série. Du point de vue de la réduction des périphériques matériels, le circuit utilise la puce d'interface RS-485 auto-isolée IL485. Elle utilise deux alimentations. L'extrémité connectée au microcontrôleur est alimentée par une alimentation de 3,3 V, et l'autre extrémité est alimentée par une alimentation de 5V. L'extrémité de validation DE de la puce d'interface RS485 est contrôlée en réglant P2.4 du microcontrôleur sur 0 ou 1, contrôlant ainsi la transmission des données de communication ; son extrémité de validation de réception/RE est mise à la terre pour rester basse, c'est-à-dire que lorsque la validation d'émission n'est pas valide, elle reste toujours en réception. Le circuit spécifique est illustré à la figure 4. Par rapport aux puces RS-485 ordinaires, il peut prévenir les coups de foudre à haute tension. Pour certains sites présentant des environnements relativement difficiles, il peut être directement connecté à la ligne de transmission sans aucun composant de protection supplémentaire.
2 module conception de logiciels
Le logiciel du module est écrit en langage d'assemblage et se compose principalement du module de programme principal, du module d'acquisition et de traitement des données, du module de communication, du module de contrôle de la sortie des données, etc. Les tâches du programme principal comprennent l'initialisation de chaque dispositif programmable, de la pile, de divers paramètres, etc. Une fois l'initialisation terminée, l'interruption est ouverte immédiatement, la source de l'interruption est déterminée et le module de service correspondant (collecte de données, envoi et réception de données, etc. Une fois le service terminé, le système revient à l'entrée spécifiée dans le programme principal et attend le cycle suivant. Le module d'acquisition de données fonctionne généralement sur site. Comme l'environnement de travail sur site est généralement difficile et qu'il y a beaucoup d'interférences causées par divers équipements, il y a certaines erreurs dans les données collectées. Outre le renforcement des mesures anti-interférences sur le matériel, des mesures correspondantes ont également été prises au niveau de la conception du logiciel. En analysant les moyens et les causes des erreurs, les erreurs dans les données collectées sont classées en erreurs grossières, erreurs systématiques et erreurs aléatoires, et des stratégies de traitement correspondantes sont adoptées en fonction des caractéristiques de ces trois types d'erreurs : Tout d'abord, le filtrage par moyenne désextrême est utilisé pour éliminer les erreurs grossières. L'impact des erreurs et des erreurs aléatoires, deuxièmement, prend en compte l'impact des erreurs systématiques causées par les capteurs et d'autres composants sur les données collectées, et forme un tableau basé sur les valeurs de correction obtenues à partir des erreurs du système, et élimine les erreurs systématiques dans les données en consultant le tableau. En outre, afin de garantir la fiabilité et la stabilité du module, d'autres fonctions logicielles telles que la protection contre la mise hors tension et la réinitialisation du système sont également ajoutées.
3 module évolutivité et applications
Cet article conçoit un module d'acquisition de données avec 4 entrées analogiques telles que des capteurs, 4 entrées de commutation avec isolation photoélectrique et une sortie relais. Ce module choisit le C8051F021 comme unité de contrôle de l'unité centrale. Le C8051F021 possède 64 broches. Dans cette conception, certaines des broches sont libres. Ces broches de réserve peuvent être utilisées pour étendre d'autres fonctions en fonction des besoins réels. Une application typique de ce module est le système de contrôle de l'irrigation au goutte-à-goutte. L'humidité du sol est recueillie par le capteur et comparée à la valeur limite inférieure de l'irrigation au goutte-à-goutte pour obtenir la commande d'arrosage ou non. S'il s'agit d'une commande d'arrosage, la commande de contrôle de l'arrosage est exécutée et l'électrovanne d'alimentation en eau est commandée par le relais. Dans le même temps, les commutateurs à 4 voies recueillent des informations sur le débit d'eau afin d'obtenir des informations en retour sur le bon déroulement de l'irrigation. Parallèlement, le capteur d'humidité du sol recueille la teneur en eau du sol en temps réel. Lorsqu'elle dépasse la limite supérieure de l'irrigation au goutte-à-goutte, la commande de contrôle de sortie pour fermer l'électrovanne est exécutée. Comme le montre le schéma fonctionnel de la figure 5.
