1、本科毕业设计论文多路无线数据采集系统硬件设计学 位 论 文 诚 信 声 明 书本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及取得的研究（设计）成果。除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文（设计）与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学位论文（设计）作者签名： 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解学校
2、有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论文（设计）工作的知识产权属西安科技大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文（设计）作者签名： 指导教师签名： 年 月 日论文题目： 专 业： 自动化本 科 生： （签名） 指导教师： （签名） 摘 要随着科技的发展以及计算机技术的进步，数据采集的重要性日益显著。数据采集是计算机连接外部物理世界的桥梁。因此在互联网行业快速
3、发展的今天，数据采集已经被广泛应用，尤其是身处这样一个“大数据”时代，数据的分析、整理、融合等显得格外重要，而数据采集是这一切的基础，只有采集到足够多的数据，才能进行更加精准的分析，准确的指导生产实践。鉴于此，研究一种基于STC12C5A60S2的多路无线数据采集系统，并对此系统的硬件和软件进行模块化设计，从而设计出一款人机界面友好，测量精准，便于功能扩展升级的多路无线数据采集系统。无疑能给人们的生活和生产活动带来极大的便利。本课题以STC12C5A60S2作为主控制器，主要功能模块有：多路传感器模块、报警模块、电源模块、按键模块、无线数传模块、显示模块、上位机模块等。实现对温度、湿度、电压、
4、电流、PM2.5等数据的实时采集功能。将采集的数据在12864液晶显示屏上进行显示，并通过无线将数据传输到上位机，实现数据的实时监控。同时，系统具有报警功能，方便用户进行操作管理。本次设计的多路无线数据采集系统功能完善，控制准确，成本低廉，达到了预期目标，符合市场需求，适合广泛推广。关键词：数据采集，无线，STC12C5A60S2，温湿度，电压电流，PM2.5Subject： The designofhardware of multichannelwirelessdataacquisitionsystem Specialty： Automation Name： （Signature） Inst
5、ructor： （Signature） ABSTRACTWith the development of science in technology and the progress of technology of computer, the importance of data collection becomes increasingly significant. Data collection is a bridge that computer connectes to the external physical world. Therefore, data collection has
6、 been widely used at the age that the Internet industry develops fast,especially living in a big data age, data analysis, sorting, fusion are particularly important, and the data collection is the basis of all this, only when collecting enough data can we carry out a more precise analysis and guides
7、 production practices accurately . In view of this, we study a system of multi-channel wireless data acquisition,which is based on the STC12C5A60S2, and modularly design the hardware and software of this system ,so that we design a a system of multi-channel wireless data acquisition which has friend
8、ly interface, measurement accuracy and easily to expand functions.Undoubtedly it can give peoples life and production activities so much convenience.The issue selects STC12C5A60S2 as the main controller, the main function modules include multi-sensor module, alarm module, power module, button module
9、, wireless module, display module, PC module and so on. Those can achieve the function of real-time collection of temperature, humidity, voltage, current, PM2.5 and so on.The collected Data will be displayed on the 12864 LCD ,and transfer data to the host computer by wireless module to achieve the p
10、urpose of real-time monitoring data. At the same time, the system has an alarm function, it is convenient for people to operate and manage.The design of the multi-channel wireless data acquisition system can control accurately,and its price is low, can achieve the desired objectives, which meets the
11、 need of market and can spread extensively.Key words: data acquisition, wireless, STC12C5A60S2, temperature, humidity, voltage and current, PM2.5第1章 绪论多路无线数据采集系统属于环境监测的一种，其主要特征是无线化。随着人们探索认知能力的加强，部分环境系统对无线传输的要求逐渐增大。研究数据采集系统的无线传输化程度，使其更经济实用，成为人们迫切的需求。本章从数据采集系统的设计与应用的角度出发，简要介绍了数据采集系统的国内外研究现状、生产需求现状及研究意
12、义，并对本文的内容进行了简要的说明。1.1课题研究背景及意义21世纪的今天，随着现代化工业生产的飞速发展和科学技术的空前进步，带动了数据采集技术的发展，现代控制设备开始不同于以前，它们在性能和结构方面发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了信息高速发展的时代，数据采集技术已成为当今社会的主流，广泛地应用到应用工程的各个领域。长久以来，国内外的知名领域均对数据采集的研究花费了巨大的精力，同时也研究开发了众多合宜自己领域的数据采集仪或数据采集系统。IT技术的全面进步不仅为数据采集创造了便利，提供了良好的条件，同时也为其赋予了全新的意义。通过将被测量的物理对象经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，
13、然后传输到主控制器进行数据的处理或存储，主控制器由计算机组成，计算机作为数据采集系统的总核心，主要实现对整个系统的控制功能，并加工和处理被采集的数据。因此可进行数据采集的配套设备被称作数据采集系统DAS (Data Acquisition system)。与此同时，由于中国工业迅猛的发展，对工业设备的运行状况的监控要求更高。精密的监控系统要求运行在工作情况良好的环境之下，其还必须实现对距离远，工作环境恶劣，数据采集点分布广以及无人坚守的设备进行监控的功能，如对风电，水利等特殊领域设备实行监控。如果使用以往的监控方式对这些特殊情况下的设备运行状况进行监控，会极大的消耗我们的物力及人力资源，并且取
14、得的成果不佳。 面对以上情况，目前国内以及国外的主要解决方法是通过数据采集系统结合无线通信的办法来搭建无线远程数据釆集系统。通过无线网络实现检测点的全面覆盖，数据采集及传输就会变得非常简单及便利。以往在无线数据采集方面使用的主要通信方式主要包括广域网、无线电台、无线集群和GSM短信等，这些通信技术市场广，技术成熟，却都存在着不小的局限性。而目前釆用的一些新的无线通信方式包括蓝牙、ZigBee、RFID、UWB超宽带、NFC以及wifi等，这些通信方式的数据传输速率高，并且价位适中，适合广泛推广。鉴于此，研究一种多路无线数据采集系统，并对此系统硬件和软件进行模块化设计，从而研究出一种人机界面友好
15、，测量准确，便于功能扩展升级的多路数据采集系统。成本低，可靠性高，能满足极大多数的工厂生产、煤矿井下监测、地质勘测、气象水文检测等需求，具有极大地市场发展前景。1.2 国内外研究现状和发展趋势数据采集系统是经过将数据采集器采集到的模拟信号转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示等步骤。它起源于20世纪中期，在以往的几十年里，伴随着计算机领域各种技术的飞速发展，导致了数据采集领域技术的革新。目前社会发展的主流方向是实现采集数据的高度信息化。无论在我们的工作还是生活领域均用到了数据采集，在勘探石油、大棚种植、交通运输、地震数据等各种采集领域已经得到广泛运用。大棚数据采集系统及小区智
16、能数据采集系统如图1.1和图1.2所示。图1.1 大棚数据采集系统图1.2 小区智能数据采集系统由于计算机技术、微电子技术、测控技术和数字通信技术的高速发展，如今国外数据采集的技术对比早期已经取得了极大的增长。通过国外有关公司展示的新产品与国内产品进行对比可以看出，如今国外数据采集技术发生的主要变化可概括为功能多、体积小和使用方便这三个方面。自上世纪80年代末至90年代初，中国的某些仪表公司已经研究开发出多种各具特色的数据采集器，其中SP201、SC247型属于单通道型，EG3300、YE5938属于双通道型，911、902和921型则属于超小型，同时还有一些具有特殊功能的型号，如SMC一90
17、12型，它具有采集静态信号(温度、压力、流量)的功能。大型多通道类型的有eM3000系统等。这些数据采集系统所配套的软件包主要囊括了设备维修管理和基本频谱分析这两项，能够实现机器设备的状态监测及故障诊断的功能。通过近几年来广大工矿企业用户的现场使用及测试，证明设备质量卓越，工作安全可靠，性能稳定可靠，从各方面开始全面赶超国外数据采集器的发展水平。1.3课题的主要研究内容数据采集系统的核心技术就是精准且实时的采集监测点范围内的温度、湿度、电压、电流、PM2.5值。本论文结合国内数据采集系统的现状和市场需求，以温度、湿度、电压、电流、PM2.5值为研究对象，将目前市场上技术比较成熟的STC12C5
18、A60S2作为控制器，通过12864实现数据的实时显示，利用相关外围电路进行控制，并运用C语言编程软件Keil进行控制软件的编写，通过C Sharp实现上位机功能。根据功能需求，本次毕业设计主要进行了如下几个方面的工作：1. 了解国内外数据采集系统的发展状况，分析国内外市场的需求情况，精准定位本次数据采集系统的设计方向；2. 对目前数据采集的控制方法进行研究，并分析和对比各种控制方案的优缺点，选定较为理想的控制方案；3. 控制系统的硬件设计。根据温度、湿度、电压、电流以及PM2.5值的变化范围和控制精度的要求，选择适合本次毕业设计的控制器、电子元器件、芯片以及小型电器装置，设计出控制系统的信号
19、采集、显示、键盘、报警、传输、控制等电路；4. 控制系统的软件设计。根据系统的功能以及操作过程，采用模块化程序设计方法，用C语言编写程序；5. 焊制电路板，进行控制系统的硬件和软件结合调试，最终达到设计的预期目标；6. 将各电路模块合理地组装，并进行一定的装饰，按时完成作品；7. 最后，按照学校要求，撰写并提交符合规范的毕业论文。1.4本章小结本章主要描述了本次课题研究背景及意义，并对目前国内外研究现状和发展趋势作了详细的论述，由此得出本次课题研究的方向和目标。同时，对本次课题的主要研究内容作了详细的介绍。第2章 总体方案设计整个系统主要通过数据采集模块，在液晶显示模块上循环显示各路传感器信号
20、，然后通过无线模块将传感器信号传输到上位机，在上位机上显示曲线，并设定上下限实现报警功能。2.1系统总体方案设计思路根据系统总的设计要求，本系统的整体设计分为两大模块：下位机控制模块、上位机控制模块。下位机控制模块分为如下几个部分：数据采集模块，报警模块，液晶显示模块，电源模块，按键模块，无线数传模块。其中数据采集模块包含了温湿度采集模块，电压采集模块，电流采集模块，PM2.5值采集模块。下位机控制模块整体设计框图如图2.1所示。图2.1 下位机控制模块整体设计框图 上位机控制模块分为如下几个部分：无线数传模块，上位机主控制器，上位机模块。上位机控制模块整体设计框图如图2.2所示。图2.2 上
21、位机控制模块整体设计框图2.2 系统设计方案论证与比较2.2.1微控制器的选择根据本课题的要求，整个系统中需有一个主控芯片来进行数据处理和控制等操作，所以选择一个合适的主控芯片对一个系统的设计来说是至关重要的，一个好的主控芯片可以使系统具有良好的工作能力。结合系统的设计需要与处理器的性能，提出以下两种方案进行比较分析：方案一：STC89C51微控制器89C51是一种本身自带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能的CMOS8位微处理器。 方案二：STC12C5A60S2微控
22、制器STC12C5A60S2/AD/PWM系列的单片机是由宏晶科技研发生产的一款单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有高运行速度、超低功耗、超强抗干扰等功能的新型的8051单片机，12系列单片机的定时器0/定时器1与以往的8051系列完全兼容，但速度比之快了8-12倍。芯片内部包括了MAX810专用的复位电路，两路PWM ，自带8路高速10位模拟/数字转换(250K/S)，使用于控制电机，强干扰等精度需求高的场合。 相比较以往8051的系列，12系列的单片机具备以下优点：1、比8051系列单片机多了两个定时器，带PWM功能。2、拥有SPI接口。 3、拥有EEPROM。4、拥有1K内部扩展RAM
23、。5、比8051系列单片机多一个串口。6、I/O口可以定义，有四种状态。普通I/O口既可作为输入又可作为输出。7、中断优先级有四种状态可定义。8、STC12C5A60S2有看门狗。最新的STC12系列的单片机看门狗寄存器WDT_CONTR的地址位于C1H，并且增加了看门狗复位标志位。STC12系列单片机看门狗寄存器如表2.1所示。表2.1 STC12系列单片机看门狗寄存器MnemonicAddName76543210Reset valueWDT_CONTRC1hWatch-Dog-TimerControl registerWDT_FLAG-EN_WDTCLR_WDTIDLE_WDTPS2PS1
24、PS0xx00，0000而以往的STC89系列增强型单片机看门狗寄存器WDT_CONTR的地址位于E1H，且没有看门狗复位标志位。其寄存器如表2.2所示表2.2 STC89系列单片机看门狗寄存器MnemonicAddName76543210Reset valueWDT_CONTRE1hWatch-Dog-TimerControl register-EN_WDTCLR_WDTIDLE_WDTPS2PS1PS0xx00，0000最新12 系列的单片机看门狗在ISP烧录程序可以在设置上电复位后直接启动看门狗，而以往的STC89系列单片机并没有这个功能。因此12系列单片机的看门狗更加安全可靠。9、I/
25、O口驱动能力不一样。目前STC12系列单片机I/O口的灌电流是20mA，因此具有驱动能力强，驱动大电流时，不容易烧坏等特点。 而传统STC89Cxx系列单片机I/O口的灌电流是6mA，驱动能力弱，无法驱动大电流，所以推荐采用STC12系列。综合考虑，STC12C5A60S2微控制器无论从运行速度、稳定性、功耗还是功能等方面较之STC89C51微处理器更加全面可靠。同时STC12C5A60S2自带8路10位的AD转换，而本系统采集的部分信号为模拟信号，需要经过AD转换才能进入主控制器。所以方案二更符合本次系统的设计要求，选择STC12C5A60S2作为本次系统的主控芯片。2.2.2 温湿度芯片的
26、选择本系统需要采集多点的温湿度，以便对检测点范围内的环境做到有效的掌控。因此温湿度芯片的选取就是重中之重，合理的选取，能让系统的成本及效率达到一个有效的平衡。可选取的类型如下方案： 方案一：DS18b20+集成温湿度传感器。芯片内部集成了温度及湿度传感器，设计时可以略去信号调理，模数转换等环节，集成传感器在出厂前已经进行了标定校准，使其准确度及精度较高，使用方便，但缺点是成本较高。方案二：集成数字式温湿度传感器。选用成本较低的国产DHT11等，其优点在于，相比方案一，本方案可专用更少的IO口，使系统工作稳定，设计工作量减少。根据设计要求可知，本系统不需要较快的响应时间，但对线性度和稳定性等要求
27、高，故选择线性度较好的数字式湿度传感器DHT11作为本次设计的传感器。2.2.3 PM2.5模块的选择现代社会，随着生产生活水平的提高，环境污染的趋势恶化，由此产生的废弃物也越来越多。由于环境不断被污染，一些与之相关的检测指标也被提出。如PM2.5。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5m的颗粒物，也被称为可入肺颗粒物。这种颗粒物对人体有极大的危害。对于PM2.5值的测量和预警，对我们的生产生活都有重大的意义。因此对于这个模块提供如下两种方案进行选择： 方案一：GP2Y1050AU0FGP2Y1050AU0F是日本夏普公司开发的一种光学灰尘浓度检测传感器。此传感器内部有成对脚分布的红外发光管
28、和光电晶体管，它们通过光敏原理来进行工作。用于检测特别细微的颗粒，如香烟颗粒、细微灰尘。可通过检测输出脉冲的高度来判断颗粒浓度。方案二：SDS011SDS011是诺方激光开发生产的一种激光灰尘浓度检测传感器，其实物图如图2.3所示。SDS011通过激光检测原理来进行工作：由特定的激光模块产生一束特定的激光，当颗粒物或灰尘经过时，其信号会被灵敏度高的数字电路模块检测到，然后对数据信号进行智能识别分析从而得到颗粒计数和颗粒大小，最后通过专业的标定技术得到粒径分布与质量浓度转换公式，最终得到跟官方统一的质量浓度。从而得出准确的PM2.5值。该传感器数据稳定可靠，内置风扇，数字化输出，集成度高。它具有
29、如下四个优点：1.数据准确：通过激光进行检测，稳定和一致性比较好；2.响应快速：场景变换的响应时间小于10秒钟；3.便于集成：串口输出（或I/O口输出可进行定制），自带风扇；4.分辨率高：分辨颗粒最小直径可达0.3m。图2.3 SDS011实物图通过对两个方案进行对比选择，发现第二个方案SDS011芯片的测试准确度更高，便于集成，但器件费用过于昂贵，由于本次设计的经费问题，在能够满足设计要求的前提下，我们选择性价比更高的GP2Y1050AU0F芯片。2.2.4 液晶显示模块的选择为了实现对采集到数据在下位机上实现实时显示，本系统需要有以下两种方案可供选择：方案一：使用1602液晶显示屏显示信息
30、LCD1602能显示2行共32个字符，是一种专门用来显示数字、字母和符号等的点阵型液晶模块。其体积较小、功耗较低，可用于袖珍式的仪表或者低功耗的应用系统中。但是，LCD1602不能用来显示汉字和一些图像等。方案二：使用LED数码管进行显示LED数码管分为共阴极数码管和共阳极数码管，显示较清晰，成本低，使用简单。但显示较单一，只能显示数字和一些简单的字符，功耗大，实际电路较复杂。 方案三：使用12864液晶显示屏显示12864液晶为中文汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字，128个字符及64256点阵显示RAM，功耗低、字迹清晰、美观、显示信息量大、显示质量高、画面
31、效果好。由于本系统需要显示四路温湿度，电压电流及PM2.5值以及一些基本信息，显示量大。所以我们采取方案三作为下位机液晶显示模块。2.2.5 按键模块选择按键也是人机交互中的重要组成部分，我们可以通过按键来键入控制指令。目前的常用按键方案如下：方案一：采用独立式键盘各个按键相互独立，且每一个按键需占用一根I/O口线，通过检测该线的高低电平状态可以轻易判断哪个按键被按下，该方法操作速度高，且软件结构简单。但在按键数量过多时，易造成I/O口的浪费。方案二：采用矩阵式键盘矩阵式键盘的结构决定了它只需m根行线和n根列线就可以组成mn个按键的键盘，非常适用于按键数量较多的场合。但是矩阵键盘多键共用的特性导致必须将行、列线信号配合起来并作适当处理才能确定闭合键的状态，因此软件编程方面计较复杂，导致工作量大。考虑到本次毕业设计中所用按键较少，因此选择方案一，即采用独立式按键，这样既节约了单片机的I/O口，同时提高了操作速度且软件编写较简单。2.2.6 电源模块方案一：采用4节1.5V电池供电采用4节1.5V电池供电，耗用资源少，但是6V的电压同时给单片机和12864液晶供电，显示屏亮度较低，有时甚至出现乱屏不动作，效果不好。方案二：采用电源箱供电实验室的电源箱可提供
