【正文】 gnal amplification, linear filtering, After processing maintain synchronous sampling, which converted to digital signal input A/D conversion by SCM Acquisition, Then, SCM and PC to PC munications data to the data storage, postprocessing and display. a powerful data processing, visual shows, friendly interface and high performanceprice ratio, a wide range of features. can be widely used in industrial control equipment, instruments, and electrical engineering integration, intelligent home and many other fields． Key words: Multichannel Data Acquisition Microcontroller XXX 大學 畢業(yè)設計 4 無線 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 前言 21世紀的今天，科學技術(shù)的發(fā)展日新月異，科學技術(shù)的進步同時也帶動了測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設備不同于以前，它們在性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已經(jīng)進入了高速發(fā)展的信息時代，測量技術(shù)是當今社會的 主流，廣泛地深入到應用工程的各個領域。 溫度是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的和最基本的參數(shù)之一，在生產(chǎn)過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控，采用微型機進行溫度檢測、數(shù)字顯示、信息存儲及實時控制，對于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等都有重要的作用。伴隨工業(yè)科技、農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，溫度測量需求越來越多，也越來越重要。但是在一些特定環(huán)境溫度監(jiān)測環(huán)境范圍大 ,測點距離遠 ,布線很不方便。這時就要采用無線方式對溫度數(shù)據(jù)進行采集。 多路無線溫度采集系統(tǒng)可被廣泛應用于溫度測量或相應的可轉(zhuǎn)換為溫度量或供電故障監(jiān)控的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、服務業(yè) 、安全監(jiān)控等工程中，例如：城市路燈故障檢測和供電線路防盜監(jiān)視、城市居民小區(qū)供熱檢測、大型倉庫溫度檢測、工業(yè)生產(chǎn)測控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度測控、環(huán)保工程、故障監(jiān)控工程等?？紤]到許多工業(yè)環(huán)境中對多點溫度進行監(jiān)控，一般需要測量幾十個點以上。本文設計多路無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 本設計是以 Atmel 公司的 AT89S51 單片機作為控制核心，提出以 DS18B20 的單總線分布式溫度采集與控制系統(tǒng)。多個溫度傳感節(jié)點通過單總線與單片機相連形成分布式系統(tǒng)?？刂破魍ㄟ^溫度傳感器實時檢測各節(jié)點的溫度變化，并在 LCD1602 上循環(huán)顯示各節(jié)點溫度的 變化。通過串口將檢測到的溫度信息回饋到上位機（ PC 機），從而遠程實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的檢測。 因為 采用微型機進行溫度檢測、數(shù)字顯示、信息存儲及實時控制，對于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等都有重要的作用 ，并且 溫度參數(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的重要性， 所以溫度 測量系統(tǒng) 的精確度和智能化一直受到企業(yè)的重視。 所以學習并研究溫度測量及相關知識可做為一個較為實用的課題的方向，能獲得較實用的知識和方法。因此溫度測控技術(shù)是一個很實用、也很重要的技術(shù)，值得去研究掌握。 它應用的領域也相當廣泛，可以應用到消防電氣的非破壞性溫度檢測，電力、電訊設備 的過熱故障預知檢測，空調(diào)系統(tǒng)的溫度檢測，各類運輸工具之組件的過熱檢測，保全與監(jiān)視系統(tǒng)之應用，醫(yī)療與健診的溫度測試，化工、機械?等設備溫度過熱檢測。因此前景是相當?shù)目捎^。 XXX 大學 畢業(yè)設計 5 1 總體方案設計 溫度檢測系統(tǒng)有則共同的特點：測量點多、環(huán)境復雜、布線分散、現(xiàn)場離監(jiān)控室遠等。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號，則需要設計信號調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換及相應的接口電 路，才能把傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到計算機去處理。這樣 ，由于各種因素會造成檢測系統(tǒng)較大的偏差；又因為檢測環(huán)境復雜、測量點多、信號傳輸距離遠及各種干 擾的影響，會使檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降 。 所以多點溫度檢測系統(tǒng)的設計的關鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和主控單元的設計。溫度傳感器應用范圍廣泛、使用數(shù)量龐大，也高居各類傳感器之首。 方案論證 傳感器 方案一： 采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測 1 攝氏度的信號是不適用的。 方案二：采用單片模擬量的溫度傳感器 ， 比 如 AD590,LM35 等 。 但這些芯片輸出的都是模擬信號 ， 必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才能送給計算機 ， 這樣就使得測溫裝置的結(jié) 構(gòu)較復雜 。另外 ， 這種測溫裝置的一根線上只能掛一個傳感器 ， 不能進行多點測量 。 即使能實現(xiàn) ，也要用到復雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。 方案三：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測量溫度，輸出信號全數(shù)字化。便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線性度較好。在 0~100 攝氏度時，最大線形偏差小于 1攝氏度。 DS18B20 的最大特點之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計 DS1820 和微控制器 AT89S52 構(gòu)成的溫度測量裝置 ， 它直接輸出 溫度的數(shù)字信號 ， 可直接與計算機連接。這樣 ， 測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡單 ， 體積也不大 ， 且由于 AT89S52 可以帶多個DSB1820， 因此可以非常容易實現(xiàn)多點測量 。 輕松的組建傳感器網(wǎng)絡。 采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個趨勢。 部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測量電路的精確度。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應用這一溫度芯片，也是順應這一趨勢。 主控部分 方案一：采用 AT89S52 八 位單片機實現(xiàn)。單片機軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨對多 DS18B20 控制工作，還可以與 PC 機通信 .運用主從分布式思想，由一臺上位機XXX 大學 畢業(yè)設計 6 （ PC 微型計算機），下位機（單片機）多點溫度數(shù)據(jù)采集，組成兩級分布式多點溫度測量的巡回檢測系統(tǒng) ,實現(xiàn)遠程控制。另外 AT89C51 在工業(yè)控制上也有著廣泛的應用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟 [1]。 方案二：使用 MSP430 作控制器， 德州儀器 (TI) 的超低功率 16 位 RISC 混合信號處理器 MSP430 產(chǎn)品系列為電池供電測量應用提供了最終解決方案。作為混合信號和數(shù)字技術(shù)的領導者 ， TI 創(chuàng)新生產(chǎn)的 MSP430， 使系統(tǒng)設計人員能夠在保持獨一無二的低功率的同時同步連接至模擬信號、傳感器和數(shù)字組件。 但在溫度采集和實施控制這個重要的場合低功耗相對來說顯得就不是那么重要了，而應該考慮它的穩(wěn)定性、準確性，同時對比 AT89S52 能夠在性能和資源都可以到達一個最佳的狀態(tài)，可以避免用 MSP430 的不必要的資源浪費。 綜上，我們傳感器采用方案二，控制器采用方案一。系統(tǒng)框圖如 下 圖 。 圖 發(fā)射電路 系統(tǒng)框圖 圖 接收電路系統(tǒng)框圖 2 硬件電路的設計 本課題所設計的 外圍電路包括：電源電路、溫度采集、時鐘電路、存儲電路、報警電路、模擬控制電路、按鍵電路、顯示電路以及串口等電路。下面將依次對各個模塊進行說明。 電源電路 電源變壓器是將交流電網(wǎng) 220V 的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐怠＝涣麟娊?jīng)過二極管整流之后，方向單一了，但是電流強度大小還是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給集成電路供電的，而要通過整流電路將交流電變成脈動的 直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑XXX 大學 畢業(yè)設計 7 的直流電壓。濾波的任務，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近穩(wěn)恒的直流電。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動，一般有 177。10%左右的波動，負載和溫度的變化而變化，因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。 穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。220V 交流電通過 9V 變壓器變?yōu)?9V 的交流電， 9V 交流電通過四個二極管的全橋整流后變?yōu)?9V 直流電，然后經(jīng)過電解電容（ 470μF）進行一 級濾波，以去除直流電里面的雜波，防止干擾。 9V 直流電出來后再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器 LM7805 穩(wěn)壓成為穩(wěn)定的 5V 電源，其中 7805 的 Vin 腳是輸入腳，接 9V 直流電源正極， GND 是接地腳，接 9V 直流電源負極， Vout 為輸出腳，它和接地腳的電壓就是 +5V 了。 5V 電源出來再經(jīng)過電解電容的二級濾波，使 5V 電源更加穩(wěn)定可靠。同時在 5V 穩(wěn)壓電源加上一個 10K 的電阻和一個紅色發(fā)光二極管，當上電后，紅色發(fā)光二極管點亮，表示電源工作正常。此時一個穩(wěn)定輸出 5V 的電源已經(jīng)設計好，對于本設計它完全能夠滿足單片機及集成塊所需電源的要求 [2]。電源原理 圖如圖 所示 。 112233con1DY+3～1～24bridge1DQC5470UFC6220UFC8C7123V VGNDIN OUTU278L05D1REDR110K1 2 3P1DYSWVCC5 圖 電源原理圖 溫度采集電路 DS18B20 簡介 溫度芯片 DS18B20 是 Dallas 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3引腳 TO－92小體積封裝形式。測溫分辨率可達 ℃ ，被測溫度用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出。測量溫度范圍為 55℃ ～ +125℃ ，在 10℃ ～ +85℃ 范圍內(nèi) ， 精度為 177?！?。其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。 CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用微處理器的端 口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。由于每一個 DS18B20 都有唯一系列號，因此多個 DS18B20 可以存在同一條單總線上。這允許許XXX 大學 畢業(yè)設計 8 多不同地方放置溫度靈敏器件。此特性的應用范圍包括 HAVC 環(huán)境控制，建筑物、設備或機械內(nèi)的溫度檢測，以及過程監(jiān)控和控制中的溫度檢測等 [3]。 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖 。 圖 DS18B20方框圖 DS18B20 有 4個主要的數(shù)據(jù)部件： A、 64 位激光 ROM。 64位激光 ROM 從高位到低位依次為 8 位 CRC、 48位序列號和 8位家族代碼 (28H)組成。 B、 溫度靈敏元件。 C、 非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL?？赏ㄟ^軟件寫入用戶報警上下限值。 D、 配置寄存器。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第五個字節(jié)。 其中 R0、 R1：溫度計分辨率設置位，其對應四種 分 辨率如 下 表所列，出廠時 R0、 R1 置為缺省值： R0=1，R1=1（即 12位分辨率），用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。 表 分辨率關系表 R0 R1 分辨率 /bit 最大轉(zhuǎn)換時間 /us 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 XXX 大學 畢業(yè)設計 9 高速暫存存儲器由 9個字節(jié)組成，其分配 如 表 。當溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后 ， 經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0和第 1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位 在后，數(shù)據(jù)格式如 表 所示。對應的溫度計算：當符號位 S=0 時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當 S=1 時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。 表 DS18B20存儲器 溫度 LSB 溫度 MSB TH TL 保留 保留 計數(shù)寄存器 計數(shù)寄存器 8位 CRC 電路設計 本系統(tǒng)為多點溫度測試。 DS18B20 采用外部供電方式，理論上可以在一根數(shù)據(jù)總線上掛 256 個 DS18B20，但時間應用中發(fā)現(xiàn)，如果掛接 25個以上的 DS18B20 仍舊有可能產(chǎn)生功耗問題。另外單總線長度也不 宜超過 80M，否則也會影響到數(shù)據(jù)的傳輸。在這種情況下我們可以采用分組的方式，用單片機的多個 I/O 來驅(qū)動多路 DS18B20。在實際應用中還可以使用一個 MOSFET 將 I/O 口線直接和電源相連，起到上拉的作用 [4]。電路如圖。 1 2 3J1DS18B20 AGNDVCCR3Res2VCC1 2 3J2DS18B20 BGNDVCC1 2 3