2022年李呈斌--多路无线数据采集系统硬件设计.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 学 位 论 文 诚 信 声 明 书本人正式声明：所呈交的学位论文设计是我个人在导师指导下进行的争论设 计工作及取得的争论设计成果；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争论设计成果,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争论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假设有不实之处,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 书本人完全明白学校有关爱护学问产权的规定,即：在校期间所做论文设计工作 的学问产权属西安科技高校全部；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；本人答应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,可以采纳影印、缩印或其它复制手段储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：指导老师签名：名师归纳总结 年月日第 1 页,共 43 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 论文题目：专 业： 自动化本 科 生： 李呈斌签名指导老师：赵燕云签名摘 要随着科技的进展以及电脑技术的进步,数据采集的重要性日益显著；数据采集是电脑连接外部物理世界的桥梁；因此在互联网行业快速进展的今日,数据采集已经被广泛应用,特殊是身处这样一个“ 大数据” 时代,数据的分析、整理、融合等显得特殊重要,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,争论一种基于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 作为主掌握器,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、电流、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,便利用户进行操作治理；本次设计的多路无线数据采集系统功能完善,掌握精确,成本低廉,到达了预期目 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,I名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - Subject：The design of hardware of multi channel wireless data acquisition system Specialty：Automation SignatureName：LiChengbin Instructor：ZhaoYanyun SignatureABSTRACT With 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 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 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 friendly interface, measurement accuracy and easily to expand functions.Undoubtedly it can give people's 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, 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 purpose 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 need of market and can spread extensively. Key wordsII名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录名师归纳总结 第 1 章 绪论 . . 1 第 4 页,共 43 页课题争论背景及意义. 1 1.2 国内外争论现状和进展趋势. 1 课题的主要争论内容. 3 本章小结 . 3 第 2 章 总体方案设计 . . 4 系统总体方案设计思路. 4 2.2 系统设计方案论证与比较. 4 微掌握器的挑选 . . 4 2.2.2 温湿度芯片的挑选 . . 6 模块的挑选 . . 6 2.2.4 液晶显示模块的挑选 . . 7 2.2.5 按键模块挑选 . . 8 2.2.6 电源模块 . . 8 2.2.7 电压电流互感器的挑选. . 9 2.2.8 无线数传模块的挑选 . . 9 2.3 本章小结 . 9 第 3 章 系统硬件设计 . . 10 3.1 系统总体硬件框图. 10 3.2 下位机掌握模块设计. 11 3.2.1 微掌握器 STC12C5A60S2 . 11 3.2.2 温湿度采集模块设计 . . 14 采集模块设计 . . 16 3.2.4 电压电流采集模块设计. . 17 3.2.5 按键模块设计 . . 20 3.2.6 电源模块设计 . . 21 3.2.7 报警模块设计 . . 21 3.2.8 液晶显示模块设计 . . 22 无线数传模块设计 . . 23 3.3 上位机掌握模块设计. 24 本章小结 . 24 第 4 章 系统软件设计 . . 25 4.1 软件整体设计. 25 4.2 上位机软件设计. 27 4.3 本章小结 . 27 第 5 章 系统的调试、运行 . . 28 硬件调试 . 28 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 硬件调试的步骤 . . 28 名师归纳总结 5.1.2 硬件调试问题及解决方法. . 28 第 5 页,共 43 页5.2 软件调试 . 29 5.2.1 软件调试步骤 . . 29 5.2.2 软件调试问题及解决方法. . 29 系统调试运行结果. 30 5.4 本章小结 . 33 第 6 章 结论与展望 . . 34 6.1 结论 . 34 6.2 展望 . 34 致 谢 . . 35 参考文献 . . 36 附录 I 系统实物图 . 37 附录 II 系统硬件电路图. 38 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 第 1 章 绪论多路无线数据采集系统属于环境监测的一种,其主要特点是无线化；随着人们探究 认知才能的加强,部分环境系统对无线传输的要求逐步增大；争论数据采集系统的无线 传输化程度,使其更经济有用,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动身,简要介绍了数据采集系统的国内外 争论现状、生产需求现状及争论意义,并对本文的内容进行了简要的说明；21 世纪的今日,随着现代化工业生产的飞速进展和科学技术的空前进步,带动了数 据采集技术的进展,现代掌握设备开头不同于以前,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进展的时代,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；长期以来,国内外的知名领域均对数据采集的争论花费了庞大的精力,同时也争论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制造了便利,供应了良好的条件,同时也为其给予了全新的意义；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,然后传输到主掌握器进行数 据的处理或储备,主掌握器由电脑组成,电脑作为数据采集系统的总核心,主要实现对 整个系统的掌握功能,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进展,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形良好的环境之下,其仍必需实现对距离远,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；假如使用以往的监控方式对这些特殊情形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,并且取得的成果不佳；面对以上情形,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 信的方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掩盖,数据采 集及传输就会变得特别简洁及便利；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,争论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,从而争论出一种人机界面友好,测量精确,便于功能扩展升级的多路数据采集系统；成 本低,牢靠性高,能满意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,具有极大地市场进展前景；1名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1.2 国内外争论现状和进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、储备和显示等步骤；它起源于20 世纪中期,在以往的几十年里,伴随着电脑领域各种技术的飞速进展,导致了数据采集领域技术的革新；目前社会进展的 主流方向是实现采集数据的高度信息化；无论在我们的工作仍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能数据采集系统如图1.1 和图 1.2 所示；无线数传模块 上位机主掌握器 上位机模块图 1.1 大棚数据采集系统 蜂鸣器 电源模块 报警模块四路DHT11 温湿度采集模块电压采集模块下位机主掌握器NRF24L01NRF24L01上位机主掌握器上位机模块STC12C5A60S2发送）（接收）STC12C5A60S2电流采集模块PM2.5 采集模块LCD12864按键模块 图 1.2 小区智能数据采集系统（GP2Y1050AU0F液晶显示模块由于电脑技术、微电子技术、测控技术和数字通信技术的高速进展,如今国外数据 采集的技术比照早期已经取得了极大的增长；通过国外有关公司展现的新产品与国内产 品进行比照可以看出,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 和使用便利这三个方面；自上世纪 80 岁月末至 90 岁月初,中国的某些外表公司已经争论开发出多种各具特2名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 型就属于超小型,同时仍有一些具有特殊功能的型号,如 SMC 一 9012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修理治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；通过近几年来宽阔工矿企业用户的现场使用及测试,证明设备质量杰出,工作安全牢靠,性能稳固牢靠,从各方面开头全面赶超国外数据采集器的进展水平；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畴内的温度、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 值为争论对象,将目前市场上技术比较成熟的 STC12C5A60S2 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掌握,并运用 C 语言编程软件 Keil 进行掌握软件的编写,通过C Sharp实现上位机功能；依据功能需求,本次毕业设计主要进行了如下几个方面的工作：1. 明白国内外数据采集系统的进展状况,分析国内外市场的需求情形,精准定位本 次数据采集系统的设计方向；2. 对目前数据采集的掌握方法进行争论,并分析和比照各种掌握方案的优缺点,选 定较为抱负的掌握方案；3. 掌握系统的硬件设计；依据温度、湿度、电压、电流以及值的变化范畴和掌握精 度的要求,挑选适合本次毕业设计的掌握器、电子元器件、芯片以及小型电器装置,设计出掌握系统的信号采集、显示、键盘、报警、传输、掌握等电路；4. 掌握系统的软件设计； 依据系统的功能以及操作过程, 采纳模块化程序设计方法,用 C 语言编写程序；5. 焊制电路板,进行掌握系统的硬件和软件结合调试,最终到达设计的预期目标；6. 将各电路模块合理地组装,并进行肯定的装饰,按时完成作品；7. 最终,依据学校要求,撰写并提交符合标准的毕业论文；本章主要描述了本次课题争论背景及意义,并对目前国内外争论现状和进展趋势作了具体的论述,由此得出本次课题争论的方向和目标；同时,对本次课题的主要争论内容作了具体的介绍；3名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,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；依据系统总的设计要求,本系统的整体设计分为两大模块：下位机掌握模块、上位 机掌握模块；下位机掌握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；下位机掌握模块整体设计框图如图；报警模块 电源模块温湿度采集模块电压采集模块下位机主掌握器 无线数传模块电流采集模块PM2.5采集模块液晶显示模块 按键模块图 2.1 下位机掌握模块整体设计框图上位机掌握模块分为如下几个部分：无线数传模块, 上位机主掌握器, 上位机模块；上位机掌握模块整体设计框图如图2.2 所示；上位机模块无线数传模块上位机主掌握器图 2.2 上位机掌握模块整体设计框图2.2 系统设计方案论证与比较依据本课题的要求,整个系统中需有一个主控芯片来进行数据处理和掌握等操作,4名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - 所以挑选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才能；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 微掌握器89C51 是一种本身自带4K 字节闪耀可编程可擦除只读储备器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微掌握器 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,使用于掌握电机,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 ；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；一般 7、中断优先级有四种状态可定义；8、STC12C5A60S2 有看门狗；I/O 口既可作为输入又可作为输出；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ReseMnemonic Add Name 7 6 5 4 3 2 1 0 t value WDT_CONC1h Watch-DoW- EN_CLR_IDLE_PSPSPSxx00g-Timer DTControl ,TR _FLWDT WDT WDT 2 1 0 register 0000 AG 而以往的 STC89 系列增强型单片机看门狗寄存器5WDT_CONTR 的地址位于 E1H 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - 表 2.2 STC89 系列单片机看门狗寄存器ReseMnemonic Add Name 7 6 5 4 3 2 1 0 t value Watch-DoWDT_CONE1h g-Timer - - EN_CLR_IDLE_PSPSPSxx00Control ,TR WDT WDT WDT 2 1 0 register 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牢靠；9、I/O 口驱动才能不一样；目前STC12 系列单片机 I/O 口的灌电流是 20mA,因此具有驱动才能强, 驱动大电流时, 不简洁烧坏等特点；而传统 STC89Cxx 系列单片机 I/O 口的灌电流是 6mA,驱动才能弱,无法驱动大电流,所以举荐采纳 STC12 系列；综合考虑, STC12C5A60S2 微掌握器无论从运行速度、稳固性、功耗仍是功能等方 面较之 STC89C51 微处理器更加全面牢靠； 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 转换才能进入主掌握器；所以方案二更符合本次系统的设计要求,挑选 STC12C5A60S2 作为本次系统的主控芯片；2.2.2 温湿度芯片的挑选 本系统需要采集多点的温湿度,以便对检测点范畴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到达一个有效的 平稳；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 精确度及精度较高,使用便利,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,使系统工作稳固,设计工作量削减；依据设计要求可知,本系统不需要较快的响应时间,但对线性度和稳固性等要求高,故挑选线性度较好的数字式湿度传感器 2.2.3 模块的挑选DHT11 作为本次设计的传感器；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；是指大气中 直径小于或等于 m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6名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - 害；对于值的测量和预警,对我们的生产生活都有重大的意义；因此对于这个模块供应 如下两种方案进行挑选：方案一： GP2Y1050AU0F GP2Y1050AU0F 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和光电晶体管,它们通过光敏原理来进行工作；用于检测 特殊微小的颗粒,如香烟颗粒、微小灰尘；可通过检测输出脉冲的高度来判定颗粒浓度；方案二： SDS011 2.3 所 SDS011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 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,最终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；从而得出精确的值；该传感器 数据稳固牢靠,内置风扇,数字化输出,集成度高；它具有如下四个优点：1.数据精确：通过激光进行检测,稳固和一样性比较好；10 秒钟；2.响应快速：场景变换的响应时间小于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.辨论率高：辨论颗粒最小直径可达 m；图 2.3 SDS011 实物图通过对两个方案进行比照挑选,发觉其次个方案SDS011芯片的测试精确度更高,便于集成,但器件费用过于昂贵,由于本次设计的经费问题,在能够满意设计要求的前提下,我们挑选性价比更高的GP2Y1050AU0F 芯片；2.2.4 液晶显示模块的挑选 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挑选：方案一：使用 1602 液晶显示屏显示信息LCD1602 能显示 2 行共 32 个字符,是一种特地用来显示数字、 字母和符号等的点阵 型液晶模块；其体积较小、功耗较低,可用于袖珍式的外表或者低功耗的应用系统中；7名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 43 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,显示较清楚,成本低,使用简洁；但显示较单一,只能显示数字和一些简洁的字符,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 64×256 点阵显示 RAM ,功耗低、字迹清楚、美观、显示信息量 大、显示质量高、画面成效好；,显示量大；所以我们实行方案三作为下位机液晶显示模块；2.2.5 按键模块挑选 按键