[工学]化工设备手持式巡检器的设计.doc

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1、本科生毕业设计（论文） 摘 要在化工生产中，对于重要生产过程的大型关键设备的巡检，往往采用在线监测仪器仪表系统，其体积庞大不便携带，手持式化工设备巡检器就应运而生。手持式巡检器能够解决巡检人员的巡检不到位、伪造记录、不按制度落实巡检计划等问题，加强对巡检人员的巡检工作的有效管理。 本设计给出了化工设备手持式巡检器的设计方案。以单片机应用系统为控制核心，应用单片机技术、电子电路技术和EDA技术，设计了手持式巡检器，实现对化工设备的定人、定时、定点、定量巡检。通过系统的预先设置巡检计划来限定特定特定人员、特定时间、特定地点及设备参数的巡检范围，可满足各种场合的设备巡检，方便记录人员到达巡检地点的时

2、间及状态信息。该巡检器主要由STC89C52单片机及外围电路、非接触式IC卡读卡模块、液晶显示模块、 时钟及键盘模块组成。能够方便的实现对生产设备的数据采集和数据上传的功能。本文设计的手持式化工设备巡检器体积小，携带方便，操作简单，可存储多条巡检记录，并且可以通过串行接口与计算机系统实现数据交换，可广泛应用于其他重要生产设备的巡检。关键词：手持式巡检器；单片机；IC卡；串口通信AbstractIn the chemical production, on-line monitoring instrumentation systems are often used to inspect the i

3、mportant large key equipments, but thess are inconvenient to carry the sheer volume, hand-held chemical inspecting devices emerge as the times require. A hand-held inspecting device can solve the problem of strengthening the inspection personnel and effective patrol inspection; falsify records, insp

4、ection not in place, not by the implementation of the system.This design gives a solution of hand-held inspecting device of chemical equipment. The system adopts the single chip computer application system as the control core, the single-chip technology, electronic circuit technology and EDA technol

5、ogy are used to design a scanning device to realize the inspection of chemical equipment. The special equipment, special time, special place, and special personnel of the inspection system through the predetermined range, can meet a variety of occasions special inspection, convenient recording perso

6、nnel arrived at the polling place on time and state information. The inspection device is mainly composed of STC89C52 MCU and its peripheral circuit, non-contact IC card reader module, LCD display module, the clock and the keyboard blocks, to facilitate the realization of the production equipment fo

7、r data collection and data uploading function.The inspecting device has the advantages of small size and easy to carry, simple to operation, it can exchange data with the computer system through the serial interface, and can be widely used in inspection of other important production equipment.Key wo

8、rds: hand-held inspecting device; STC89C52; IC card; serial communication.目 录第1章 绪 论11.1 电子巡检系统的分类11.2 离线式电子巡检系统的配置21.3 电子巡检系统的应用31.4 电子巡检系统国内外的发展状况31.5 本文的主要工作4第2章 化工设备手持式巡检器的总体设计方案52.1 手持式巡检器的设计思想52.2 设计方案和总体框图52.3 化工设备手持式巡检器的工作原理6第3章 手持式巡检器的硬件设计73.1 单片机最小系统设计73.2 非接触式IC卡读卡电路设计103.3 巡检器的时钟电路的设计143

9、.4 数据存储模块的设计163.5 键盘输入模块的设计173.6 液晶显示器的设计193.7 串口通信电路的设计213.8 电源电路的设计22第4章 系统的软件设计254.1 LCD液晶显示程序设计264.2 EM4095软件设计304.3 4*4键盘软件设计384.4 DS1302的程序设计394.5 24C256储存模块程序设计45第5章 结 论48参考文献49致 谢50附录51附录60附录6162第1章 绪 论当前，随着社会的发展，人们的安全意识在逐渐的提高，为了适应这种变化，人们加强了安全巡检人员的巡检次数，为了保证巡检的次数，通常的方法是依靠检查人员的自觉性，也有采用在巡检地点上定时

10、签到的方法。但是，这些方法作为管理者来说难以进行有效的监督管理。随着技术的发展，产生了电子巡检器系统，该系统采用电子技术和信息技术，提高巡检工作的规范及科学管理水平，杜绝了对巡检人员无法科学、准确度考核监控的现象，有效的保障并井然有序的工作流程，它改变了人们对巡检考查的原始理解，把只限于特定时间、地点及人员的考查范围通过系统的预先设定，满足各种场合的考查，方便记录人员知道巡检点时间及状态信息，从而达到事半功倍的效果。1.1 电子巡检系统的分类随着Internet的迅速普及，网上内容的爆炸性扩充，一个巨大的网络社会已然形成，人们的生活、学习和工作越来越离不开网络。正如在现实生活中离不开高速流通的

11、交通一样，人们对网络宽带的需求也在不断提高。毫无疑问，光纤在传输宽带方面具有无与伦比的优势。经过多年的发展，长途光纤通信几乎已经普遍全球。此时，接入网宽带成为整个传输网络的瓶颈，并开始迎接光通信的到来。电子巡检系统可分为二类：（1）在线式电子巡检系统是在一定的范围内进行综合布线，把巡检器设置在一定的巡检点上，巡检人员须携带通讯钮或信息卡，按布线的范围进行巡逻，管理者只需在中央监控室就可以看到巡检人员所在巡检路线及到达巡检点的时间，它的缺点是施工量大，成本高，室外安装的线路易遭人为破坏，对安装好的建筑再配置在线式巡检系统更显困难，也容易受温度、湿度、布线范围的影响，安装维护也比较麻烦，优点是能实

12、时管理。（2）离线式电子巡检系统此系统无需布线，把巡检器安置在一定的巡检点上，巡检人员只需携带手持式巡检器到每一个巡检点采集信息后，统一上传到计算机，就可以显示整个巡检过程。相对在线式电子巡检系统离线式电子巡检系统的缺点是不能实时管理。它的优点是无需布线，安装简单，易于携带，操作方便，性能可靠。不受温度、湿度、范围的影响，系统扩容、线路变更容易且价格先对低廉，又不易被破坏。系统安装维护方便，适用于任何巡检或值班巡视领域。1.2 离线式电子巡检系统的配置离线式电子巡检系统分为两类：接触式巡检系统和非接触式巡检系统也称感应式巡检系统。接触式巡检系统是巡检人员手持式巡检器到各指定巡检点接触信息钮上所

13、记录的位置，巡检器接触时间，巡检人员的姓名等信息自动记录成一条数据，工作时有声光提示，消耗的电量比较小。非接触式巡检系统是利用感应卡技术不用接触信息点就可以在一定的范围内读取信息，它自带显示屏，可以猜到到当前存储的信息，同时还具有记录事件记录及记录信号、自身设置等功能，它的不足之处是易受强电磁干扰。不适应在恶劣环境下持续工作。一套完整的电子巡检系统是由信息钮、巡检器、巡检管理软件三大部分组成：（1）信息钮：接触式巡检器目前基本采用美国设计的信息钮，属接触式操作，不怕干扰，读取百分之百，无误差。非常适合恶劣的环境下工作。将信息钮安置在需要巡检的地点上，由于信息钮的内置编码是全球唯一的，可以通过设

14、置，时期编码与点点一一对应，方便清楚知道哪一个地点对应哪个编码。（2）巡检器：读取信息钮的内置编码信息，把此信息与读取的时间记录在其内部的存储器上。内带时钟，体积小携带方便。巡检时巡检员携带，采集完毕后，通过接口把数据导入计算机。（3）巡检管理软件：是整个巡检系统的核心，整个巡检过程都通过软件来查询记录，从而考察巡检的整个过程，所以说一个完善的系统管理软件为用户提供了人员设置，即为用户提供操作人员身份识别地点设置，即为不同巡检地点提供的巡检计划，计划设置即为整个巡检范围提供人员地点的设置它通过计算能够方便查询记录与备份记录巡检地点、巡检人员、时间、事件等，针对不同的产品，有不同的软件配置。随着

15、巡检系统应用领域的扩大，软件也在改变，以便适应不同的客服群。接触式巡检系统工作过程如下：巡检人员手持自己的巡检器每到一处，将巡检器的接触头与信息钮轻轻一碰，蜂鸣器报警，提示数据采集成功，就记录了信息钮的编号及响应时间，完后，管理人员可通过巡检器系统插卡相应的信息。1.3 电子巡检系统的应用由于信息产业的发展，电子巡检系统已经可以通过远程通讯对巡检人员进行科学，合理的管理和考察，对一些特殊行业将会更加适用。随着我国加入WTO后，全球政治，经济，文化，对我国的影响将会更加直接，我国市场开放程度将会更高，社会主义市场经济活动将与国际惯例进一步接轨，大批的外商将以不同的形式进入我国，这些将会给安保，安

16、全防范行业提供更广阔的市场前景，电子巡检系统将会得到更广泛的应用。目前电子巡检系统主要应用在一下的领域：（1）高级物业管理、仓库、工厂、建筑工地、住宅小区的保安巡逻；（2）电话局线路、油田输油管线及野外设备的巡检；（3）医院病房病人的护理、监视；（4）邮政信箱的开启及维护，边境巡逻；（5）高压气罐及危险品的使用及维护；（6）仓库防火，防盗巡检管理；1.4 电子巡检系统国内外的发展状况电子巡检系统从90年代进入中国，它大致分为两类：在线式巡检系统和离线式巡检系统。由于在线式电子巡检是在一定的范围捏进行综合布线，将巡检器设置在一定的巡检点上，巡检人员携带信息钮或信息卡，按布线的范围进行巡逻；管理者

17、只需在中央监控室就可以看到巡检人员所在的巡检路线，以及到达巡检点的时间；如巡检人员发生意外，没有读卡时，中心可以快速核查，处理突发事件，由于在线式可以实现实时控制，因此，在一些对巡检要求特别严格或巡检工作有一定危险性的地方，都适合使用在线式系统。此外，在门禁点比较多的小区或管理区域内，结合门禁布线，也可以使用在线式巡检系统。但它的缺点是施工量大，成本高，容易受温度、湿度、布线范围的影响，安装维护也比较麻烦，而且对于已装修好的建筑而言，要重新进行配置也显得较为困难；另外，室外安装的传输线路也容易遭到人为破坏。鉴于在线式巡检系统存在的以上缺点，到九十年代后期，一些厂商退出了离线式巡检系统。这种方式

18、与在线式相比，优点在于鱼鱼携带，无需布线，安装简单，不受温度、湿度的影响，又不易被破坏，因此解决了投资昂贵的问题，并且系统扩容和线路变更的实现更为容易。产品一经推广后，就很受用户欢迎，目前离线式巡检已成为当前国内市场上的主流产品，占据了市场90%左右的份。1.5 本文的主要工作本文主要是对手持式巡检器的研究，主要分为五章1. 系统的硬件设计，以STC89C52单片机为主控芯片，采用EM4095非接触式IC卡射频读卡模块，采用德州仪器公司产生的TSP60110DC-DC电荷泵，可以将2.7V到5.4V电压转换为3V电压。2. 系统的软件设计：采用基于前、后台模块程序结构。程序模块包括时钟模块、存

19、储模块、键盘以及主程序模块等。论文结构本论文第一章介绍了手持式巡检器的应用及发展史和特点，以及介绍了巡检器的发展现状、发展趋势。第二章主要介绍了手持式巡检器的总体设计方案、宗特框图和设计思想。第三章介绍了巡检器的各个模块的功能及特点主要有：STC89C52主控制器、时钟电路、液晶显示模块、串口通信电路、键盘模块、非接触式IC卡读卡电路。第四章是软件设计，首先介绍软件总体设计方案，再是个子程序软件设计。第五章是结论。总结了本设计完成的任务。第2章 化工设备手持式巡检器的总体设计方案2.1 手持式巡检器的设计思想本课题将设计一个化工设备手持式巡检器，它上面装有LCD液晶显示，可以即时的查看巡检信息

20、，不需要与计算机相连。首先采用STC89C52单片机为核心，统一控制采集信息、储存以及时钟和显示。选用DS1302时钟芯片，储存时间和信息的24C256存储模块，显示时间、卡号信息的NOKIA5110液晶显示以及按键。本设计将细介绍系统的硬件原理。2.2 设计方案和总体框图在该系统中，选择STC89C52的单片机作为整体系统的控制核心。该系统的结构框图如图2.1所示。单片机STC89C52电 源键 盘时钟模块读卡模块通信模块液晶显示存储模块图2.1系统总体框图1. 单片机采用STC89C52作为控制器，实现读取信息、键盘输入、信息存储以及显示的功能。与其他单片机8051相比，运行速度高六倍，具

21、有高性价比等特点。2.时钟模块芯片采用DS1302，主要用于记录采集信息的时间 。其时间格式为年，月，日，星期，时，分，秒，共七个字节，采用SPI总线协议与单片机通信。3.存储模块 采用EEPROM芯片24C256，主要用于对巡检器数据巡检地点信息和巡检时间的存储，采用总线协议与单片机通信。4.LCD显示使用诺基亚LCD5110，用于对采集的时间，采集员的编号，地点的显示。此模块是彩屏显示器，能够数字和汉字双显示。是移动电话的液晶显示模块，可以广泛应用于便携式设备的显示系统。采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200uA以下，且具有掉电模式。非常适合于电池供电的便携式通讯设备和测试设备。5.

22、按键模块采用4*4矩阵模块，其实现的功能是输入采集员的编号等。6.读卡模块读卡模块采用EM4095，该模块采用非接触式射频感应系统能够采集在最远达30mm范围内的信息。采集人员必须到达指定的地点才能采集到信息，能达到考勤的目的。7.电源读卡模块EM4095需要5V直流电源，所以需要将3.33.7V的锂电池升压至5V。我使用的是TPS60110DCDC升压模块。该模块可以将2.75.4V输入电压直接升到5V。最大可达300mA输出电流。能够转换百分之九十的效率。2.3 化工设备手持式巡检器的工作原理巡检器系统的任务，具体的说，就是采集传感器输出的模拟信号并装换成计算机能够识别的数字信号，然后送入

23、计算机，根据不同的需要由计算机相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示，以便于对某些物理量的监视。系统工作原理为：巡检人员到达巡检点用巡检器靠近指定的感应区域，单片机将采集地点的编号读入，并读取巡检器内部的实时时钟，以及化工设备的数据存储到巡检器的存储器中，显示屏显示采集到信息表示采集信息成功。并且可以通过键盘输入翻查信息以及采集人员的编号，当各个网点的信息采集完毕后通过串口协议将采集到的信息统一上传到上位机中进行综合的数据分析。第3章 手持式巡检器的硬件设计化工设备手持式巡检器主要由STC单片机及外围电路、非接触式IC卡读取电路、LCD液晶显示模块、存储模块、时

24、钟模块、键盘以及电源组成、主控制单元的核心是由一块STC89C52单片机进行控制，从而完成各部分电路的工作。非接触式IC卡是一个射频卡，它能以非接触形式接收到与之频率相同的信号对信号经行采集。综合多方面的因素考虑如大小、功率、耗电量以及性价比选用EM4095，该模块能够采集在最远30mm范围内的信息。采集人员必须到达指定的地点才能采集到信息，以到达考勤的目的。采集后的数据通过24C256存储模块存储，是一款高性价比的存储模块。单片机采用STC89C52作为控制器，与其他单片机相比（51系列）具有高性价比、低功耗的特点，而且控制系统硬件电路简单，软件编程方便。同时巡检器硬件还选用了DS1302时

25、钟模块，该模块在市场上非常常见且价格低廉。巡检器的显示非常重要，要求很高，所以选用了NOKIA5110液晶显示模块，该模块是彩屏显示器，能够数字和汉字双显示，是移动电话的液晶显示模块，可以广泛应用于便携式设备的显示系统，采用低电压供电，具有掉电模式。非常适合于电池供电的便携式通讯设备和测试设备。巡检器的供电由3.7V锂电池供电，但有些模块需要不同的电压，所以，加入了TPS60110模块可以将电池电压变到各模块所需的电压。在本章下面几个小节中将对整个手持式巡检器进行详细的设计和分析。3.1 单片机最小系统设计单片机又称微控制器，是由中央处理单元、存储器和各种I/O接口集成。一块芯片就成立了一台计

26、算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件自20世纪70年代问世以来，已广泛应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、家用电器、机电一体化设备、汽车电子等各个方面。单片机根据其基本操作处理的二进制位数分为1位、4位、8位、16位和32位单片机。本设计采用STC89C52单片机，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RA

27、M， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。图3.1 最小系统电路图为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态

28、开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST 引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST 引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用开关复位方式。图3.1为STC89C52的最小系统电路图，VCC表示电源输入。一般是工作电压3.3V5.5V。本设计使用的是3.7V锂电池作为电源输入。STC89C52主要特性如下：（1）增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任 意选择，指令代码完全兼容传统 8051； （2）工作电压：5.5V3.3V（5V

29、单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）；（3）工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工 作频率可达 48MHz；（4）片上集成 512 字节 RAM ；（5）具有 EEPROM 功能；（6）共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2；STC89C52单片机的工作模式：掉电模式：典型功耗2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768kHz 的晶振。只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。另外，功耗低，显示状态时电流为2A (典型值)，省电模式时小于1A，工作电压为2.4V3.3V，显示清晰。表3.3日历、时间寄存器及其控制字