电场强度传输监控系统的设计

本科生毕业论文(设计)题 目 电场强度传输监控系统的设计 学生姓名 学 号 学 院 专 业 指导教师 二 年 月 日目 录摘要 .1Abstract .21 绪论 .31.1 本课题的研究背景 .31.2 本课题的研究目的和意义 .31.3 本课题的研究内容 .32 系统方案设计 .42.1 系统总设计方案 .42.2 系统硬件选择方案 .42.2.1 单片机的选择与论证 .42.2.2 电平转换方案的选择与论证 .52.2.3 串口转 USB 模块转换芯片的选择与论证 .52.3 系统软件选择方案 .62.3.1 上位机软件开发环境的选择与论证 .63 硬件设计 .73.1 硬件总设计方案 .73.2 电场强度传感器模块功能概述 .73.3 MC96F8316 单片机功能概述 .83.4 USB 转串口模块功能概述 .93.4.1 CH340 芯片功能概述 .93.4.2 USB 转 TTL 串口模块工作原理 .114 软件设计 .114.1 单片机程序设计 .124.1.1 单片机程序开发工具的选择 .124.1.2 主函数的设计 .134.1.3 A/D 采样及转换程序设计 .134.1.4 定时中断程序设计 .144.1.5 串口配置程序设计 .144.2 上位机软件设计 .164.2.1 上位机软件开发环境概述 .164.2.2 软件前面板设计 .164.2.3 程序框图设计 .175 系统调试及运行 .225.1 硬件调试 .225.2 软件调试 .236 毕业设计总结 .25参考文献 .27致谢 .281电场强度传输监控系统的研究与设计摘要：本文介绍了一个电场强度传输监控系统。该设计通过电场强度传感器测量出被测设备的电场强度,再利用单片机进行信号采集、A/D 转换并将数据输出，然后通过 USB 转串口模块将数据发送到上位机。接着在以 LabVIEW 为平台开发的上位机软件上生成实时数据与波形图，从而有助于数据的监控分析与处理。该系统采用 MC96F8316 单片机作为控制核心，主要组成部分有电场强度传感器、以 CH340 芯片为核心的 USB-TTL 串口模块、LabVIEW 制作的上位机软件等，并对其硬件和软件部分进行了全方位的设计。经过调试与测试，此电场强度传输监控系统，结构简单，易于使用。同时软件图像清楚简洁，达到了可视化效果，便于进行数据处理，有较高的实用价值。 关键词：电场强度、MC96F8316、USB-TTL 串口模块、 LabVIEW、数据处理21 绪论1.1 本课题的研究背景无论是在日常生活还是工业生产中，我们的生活都离不开各种物理量的测量。其中，电场强度的测量也在许多地方有重要的应用。在大型交流输变电设备周围，存在着看不见摸不着的电场，一般被称作工频电场。工频电场通常产生频率较低的长波，长期工作在该环境中，人体会受到较大危害，神经衰弱几率大幅增加。国家规定在这样环境中工作的人都必须签订一份“职业病危害告知通知单”，可见危险性之高。随时监控该环境的电场强度和其他一些参数是保障安全的必要措施。另外在许多地点，干扰电场也不可忽视。许多时候，仅仅是自然环境就能形成多种干扰，如自然电场干扰和大地噪声干扰等。在电台和电视发射塔等设施附近，这些看似微小的干扰有时候也会造成非常严重的后果。同样的，在这些地方也需要对电场强度等各类参数进行 24小时的监控与数据分析处理，以防意外发生影响设施的正常运行。1.2 本课题的研究目的和意义目前在大型设施中多采用工业级电场强度测试仪，可以对整个系统及周围环境的各类参数进行全方面检测。除了工业生产和大型设施附近需要监控实时电场强度，在个人级的环境中，如实验与民用设备，电场强度的测量通常由电场强度测试仪完成，这种设备通常是手持并自带一个 LCD 屏幕，在屏幕上显示实时数据并按频率刷新。它的原理是传感器接收模块在空间某点处感应电信号的大小，以表征该点的电场强度。许多身体特殊人群购买的“电磁辐射仪”有时候也是用了这个原理去测量被测电子设备在相应的距离上对人的电场强度的大小，来提醒使用者（如孕妇）注意使用电子设备的频率和次数以保护健康。但是，无论是实验室的测试仪抑或是民用产品，都只能按照仪器的频率参数测试出实时电场强度大小，在实际测量中，该值通常波动较大并且受距离长短影响较大。仅仅使用电场强度测试仪在很多时候都有着较大的局限性，使用者无法对波动的数据进行有效的数据分析与处理。为了更好的实验效果和数据结果，设计一个电场强度数据传输监控系统是非常必要的。这个系统可以将测得的数据进行整理分析，自动产生波形图以便于后续进一步的数据处理。远程监控系统的连接方式可分为无线连接和有线连接两大类。无线方式主要利用 GPS 技术，虽然有着传输距离远的优点，但是成本较高，且连接易受干扰造成误差，不适合在实验室和日常使用设备中。所以本设计采用 TTL 通信协议通过 USB 与上位机相连，将电场强度数据传输至计算机中进行数据分析处理。总线技术成本较低，结构简单，是该设计中最理想的数据通信技术。1.3 本课题的研究内容本课题研究并设计了一个电场强度数据传输监控系统，可以通过手持传感器模块来靠近3被测设备测出电场强度，然后经过下位机的数据采样 A/D 转换与传输，通过 USB 接口将数据传入上位机并在上位机软件中以动态折线图的形式直观地显示并为使用者之利用 1。该系统可以让测试出的电场强度数据可视化与图像化，得到的结果不再是单纯的点数据，而是能形成一段时间内电场强度的波形图并可以保存，让使用者对数据的监控以及分析处理更加方便与有效率。该设计的测量过程与生成图像均由软件控制完成，节约人工成本。同时，该设计还有结构简单，成本较低，易于携带等优点。2 系统方案设计2.1 系统总设计方案本课题研究的是电场强度（单位：V/m ）检测系统，该系统总共分为四部分。第一部分是电场强度传感器部分，本课题采用某款电场强度测试仪的集成模块，使用内置的电场强度传感器来采集电场强度并将信号输出到单片机。第二部分是单片机部分，本设计采用MC96F8316 微控制器对从第一部分接收的数据进行信号采集， A/D 转换以及数据输出。第三部分是 USB 转串口接口部分，通过 CH340 芯片为主控制器的 USB-TTL 信号转换模块进行电平转换，将 TTL 电平的单片机信号转化为计算机可以接收处理的 USB 信号，然后通过 USB接口将数据传输到上位机软件中。最后的第四部分是在 LabVIEW 为平台制作的上位机软件上会产生实时电场强度的连续波形图，从而让使用者可以直观地观察测得的电场强度数据，做到了对测量数据的可视化与图形化，从而方便使用者进一步的数据处理。图 2-1 为本系统的总设计框图。图 2-1 系统总设计框图2.2 系统硬件选择方案2.2.1 单片机的选择与论证在大学单片机的入门学习和实验中，通常会选用 C51 单片机作为微控制器，显然它有着众所周知的优点：首先其制作的成本低；其次，出现年代早，有大量易得到的资料可供我们参考，适合初学者入门。C51 单片机自出现以来，衍生出非常多的系列产品，由此侧面彰显了 51 单片机的高性价比以及易于入门等各种优点。MC96F8316 单片机是具体 8051 内核的 8 位单片机，而且自带 12 位 A/D 传感器，可以不虚外接直接完成模数转换的功能 2-6。同时它具有两个独立的地址存储空间 存储内容被合理分配的程序存储器和允许 8 位存储的数据存储器,两者相辅相成，使得 8 位 CPU 进入数4据存储器更为迅速。随着单片机行业迅猛发展，C51 单片机简单的构造越来越不足以完成中大型项目，同时比它更容易实现各种功能的单片机型号也越来越多，所以目前 51 单片机多用于初学者入门教学和实验中。相对的，MC96F8316 具备片内 16k 字节 ISP 类型的可读写 FLASH 存储，能够反复编写与擦除，有较强的可编辑性，方便使用者擦除或修改。综上所述，该方案选用MC96F8316 单片机作为主控芯片。2.2.2 电平转换方案的选择与论证随着笔记本电脑与 USB 接口的越加普及，RS232 的 9 针接口已经逐渐淡出人们的视野，日常使用的频率也越来越低。该课题设计了一款民用电场强度检测系统，所以必须将单片机信号通过 USB 接口发送到上位机中。几乎所有单片机都是 TTL 电平信号，所以得万变不离其宗得将其它各种信号转成 TTL 电平，这样才能完成单片机与各种接口的数据交换。TTL 作为个人计算机的标准通讯接口之一，其和 RS232 的最大的区别在于电平标准完全相反。 TTL的逻辑电平 0 是用 0V 表示， 1 则表示 5V。而 RS232 电平的逻辑电平 0 是用+3V 到+15V 表示，1 则是用-3V 到-15V 表示。为了完成单片机与个人计算机的数据交换，目前市场上有两种主要的转换方案，第一种是将单片机的 TTL 信号通过诸如 MAX232 电平转换芯片来转换成 RS232 信号，这时候电脑如有 RS232 的 9 针接口，那么可以无需下载驱动直接与计算机进行数据交换。如果想使用USB 接口，此时则需要通过诸如 CH340 和 PL2303 的 USB 转串口芯片来制作一个 USB 转串口模块单元，实现数据交换。第二种是通过 USB 转串口芯片将 TTL 电平信号直接转换为计算机可以处理的 USB 信号，一步到位。很显然，方案二通过一个 USB2.0 接口就可以一步完成转换，减少了所占开发板的面积和数量，从而节省成本并且方便快捷。第一种方案也有着自己的优点，那就是 RS232 信号可传输的距离可达到十几米，而 TTL 电平信号传输距离则相对较短，一般不超过 5 米，甚至 3 米以上就会出现信号传输的不稳定。综合设计要求和成本等多方面考虑，该设计主要目标对象是实验室用和家用电子设备的测量，显然不需要很强的传输能力，所以该设计选择方案二 即直接通过 USB 转串口芯片来进行单片机到上位机的信号传输。目前市场上常用的串口转 USB 芯片有 CH340 系列和 PL2303 系列，接下来就开始论证选择哪种芯片作为转换芯片。2.2.3 串口转 USB 模块转换芯片的选择与论证CH340 系列是南京沁恒公司生产的 RS232-USB 接口转换芯片，可以实现 USB 与串口的双向通信。在 Windows 操作系统环境下， CH340 的驱动程序能够仿真标准串口 7，所以与绝大部分的串口应用程序完全兼容，给使用者提供非常大的便利。同时，该系列芯片接收信号允许的波特率误差一般小于 1%，低于国际 2%的标准。同时，该芯片同时支持 3V 和 5V 电源电压，各自具有一套不同的操作逻辑。在使用空闲时，NOS 引脚会自动挂起并将设备切断以自动节能。CH340 还提供了多种分装来满足客服需求，并兼容了自家较新的 CH341 芯片，5是一款质量过硬的国产芯片。PL2303 是 Prolific 公司的一款工艺成熟市场占有率较高的 USB 串口接口转换芯片。PL2303 内置了许多功能单元，如 USB 收发器、UARTUSB 、振荡器等等。因为内置丰富，所以实现 RS232 信号与 USB 信号的相互转换理论上只需要外接几只电容即可。此外，它的成本是此种转换芯片中是最低的几个之一，便于节省成本或量产。同时，作为双向接口，PL2303 既可以从计算机接收 USB 数据后将之转换为 RS232 信息流格式发送给外设；另又可以从单片机接受 TTL 电平数据并将之转换为 USB 数据流格式传送回计算机。以上工作器件都可以自动完成，开发者无需考虑固件问题，是较早进入中国并被广泛应用的一种转换芯片。以上两种接口转换芯片被大量人选择使用并投入生产，都经受住了市场的考验。在该课题中，两者在功能的实现上几乎无明显的区别，主要差异就在于使用者对其稳定性的口碑以及成本问题。PL2303 芯片的主要优点在于批发成本较低，但在评价上许多使用者认为其稳定性较之 CH340 差了不少，经常会无故断连。所以该设计选择 CH340 芯片完成串口转 USB 模块的设计。2.3 系统软件选择方案2.3.1 上位机软件开发环境的选择与论证在仪器界面的开发中，通常使用 MFC 和 LabVIEW 作为开发环境。MFC 是微软基础类库的简称，是微软开发的一个 C+类库，在内部封装了大部分的Windows API 函数、 MFC 作为一个类库，可以方便的用 C+构建出 Windows 平台下的图形界面程序 8。但是，近年来微软并不重视 MFC, 而且它并不是跨平台的 GUI 库, 并且库的设计也相对比较糟糕。LabVIEW 是一种程序开发环境，其中许多控件和实验室中的传统仪表颇为相似。与 C或者 C+不同的是，它使用了图形化的程序语言，即使是初学者，也能方便地创建一个美观的用户界面。在使用 LabVIEW 编程的过程中，除非刻意为之对某些部分进行微调，否则几乎看不到程序代码取而代之的是用各种颜色标注的流程图和框图。因此，LabVIEW 并不是一个面向对象的编程软件，甚至可以说南辕北辙。它的优势在于便捷以及非常直观地可视化操作界面，缺点则是维护成本和难度都很高。因此，在实现非仪器仪表系统的编程中使用的不多。LabVIEW 面向的并非传统意义上的程序员。他的所有功能都可以通过某些组件来完成，程序的流程控制（如循环）也是通过和画图一样的操作来实现的。程序功能几乎都可以通过鼠标来构造出来。显然，它的优点是做一个能运行的程序非常简单，所以被广泛应用在工控系统程序的设计制作中 9。MFC 所编软件在美观上欠佳，并且操作和使用较为麻烦，可选用的库函数也不多。相对的，LabVIEW 平台编写效率更高，节省成本。而且编写的上位机软件简洁美观，运行方便。而且显而易见，在设计目标为类仪器界面时，毫无疑问应该选择在工控系统中广泛应用的6LabVIEW 平台。3 硬件设计3.1 硬件总设计方案本系统的硬件部分采用杜邦线连接或焊接而成，具体组成部分有电场强度传感器模块、MC96F8316 单片机与测试座（方便杜邦线直接连接） 、发光二极管以及 USB、转串口模块。硬件系统通过单片机对系统各个部分实现自动控制，电场强度传感器输出的模拟信号由单片机进行数据采集、算法控制等处理，再经由 USB 接口将场强数据传给上位机软件，完成后续数据采集与处理 8。首先是传感器模块用以测量电场强度，然后从中引出一条信号线与一条信号地线分别连接单片机的 VSS 脚与 SS 脚，进行信号采集、模数转换与数据处理，接着将单片机 RXD 口接到 USB-TTL 串口转换模块接口的 TXD 口，再将单片机 TXD 口接到 USB-TTL 模块接口的RXD 口，最后通过 USB 接口将数据传输至上位机。硬件连接图如图 3-1 所示。图 3-1 硬件连接图3.2 电场强度传感器模块功能概述市面上有许多可用的电场强度测试仪，在该系统中使用了某电场强度测试仪自带的电场强度传感器模块。该模块参数如表 3-1 所示，这也是该电场强度传输监控系统的设计参数。 表 3-1 传感器模块参数单位 V/m精度 1V/m量程 1V/m-1999V/m测试频宽 5Hz-3500MHz取样时间 约 0.4s工作电压 9V7该模块的电路结构如图 3-2 所示。图 3-2 电场强度传感器电路图模块功能实现原理：电感在电场中产生微弱的感应电动势，该电动势比较小，所以经过同相跟随器来匹配输入输出电阻防止后端电路对感应电动势产生影响，然后再经过一级运算放大电路将信号放大到单片