小型数据采集器的研究毕业论文.doc

青岛理工大学毕 业 论 文题目： 小型数据采集器的研究 学生姓名： - 学生学号： - 院系名称： - 专业班级： - 指导教师： - 2015年 6 月 16日毕业设计(论文)任务书 -题目小型数据采集器的研究专题 单片机主要内容及要求主要内容： 数据采集器的主要技术指标，如采样速率、分辨率、精度、输入电压范围、控制方式以及抗干扰能力等方面，都有很高的的要求。 本文详细介绍了数据采集系统的解决方案、组成结构及其特性。采用单片机作为控制器的核心器件，设计了一种通用的多路数据采集系统，通过无线方式可以对多路数据进行实时监控，也可以通过USB接口对数据进行快速传输。 该采集系统是由传感器、信号调理、数据采集硬件、通用计算机、软件等要素构成。为了满足系统要求，硬件采用模块化、开放性设计，由软件来配置、控制。要求：（1）设计简洁设计合理易于扩展（2）程序简洁可读性好逻辑性强 主要技术参数技术要求：（1） 了解小型数据采集器的工作原理（2） 掌握MCS-51系列单片机的基本结构和特性（3）了解小型数据采集器设计方案的优劣（4）选择一种合适方案来实现小型数据采集器的设计进度及完成日期2015年4月06日2015年4月25日：搜索论文资料及寻找参考文献，。2015年4月26日2015年5月11日：逐步解决遇到的问题，形成初步的论文框架。 2015年5月12日2015年5月23日：撰写毕业设计论文，形成初稿。2015年5月24日2015年6月07日：根据老师的意见对论文初稿进行整改，并继续完善系统设计。2015年6月08日2015年6月18日：对论文进行细节修改，最终定稿并制作ppt答辩。 系主任签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期指 导 教 师 评 语论文选题有意义，在吸收学术界研究成果的基础上，有自己的心得体会，提出自己的看法，言之成理。论述观点正确，材料比较充实，叙述层次分明，有较强的逻辑性。文字通顺、流畅。行文符合学术规范。该生查阅文献资料能力较强，能较为全面收集关于小型数据采集器的资料，写作过程中能综合运用小型数据采集器设计知识，全面分析小型数据采集器设计问题，综合运用知识能力较强。文章篇幅完全符合学院规定，内容较为完整，层次结构安排科学，语言表达流畅，格式比较符合规范要求；参考了较为丰富的文献资料，其时效性较强；综合看来，本人认为，该论文达到了专科毕业水平，同意论文答辩。 指导教师: 年 月 日青岛理工大学毕业设计（论文）评阅意见表设计（论文）题目小型数据采集器的研究评价项目评价标准（A级）满分评 分ABCDE文献资料利用能力能独立地利用多种方式查阅中外文献；能正确翻译外文资料；能正确有效地利用各种规范、设计手册等。10109876综合运用能力研究方案设计合理；设计方法科学；技术线路先进可行；理论分析和计算正确；动手能力强；能独立完成设计（论文）；能综合运用所学知识发现和解决实际问题；研究结果客观真实。20192017181516131412设计（论文）质量设计（论文）结构严谨；逻辑性强；语言文字表准确流畅；格式、图、表规范；有一定的学术水平或实际价值4037-4032-3628-3125-2724创新能力有较强的创新意识；所做工作有较大突破；设计（论文）有独到见解151513-1411-12109工作量工作量饱满；圆满完成了任务书所规定的各项任务。151513-1411-12109总分是否同意将该设计（论文）提交答辩：是（ ） 否（ )具体评阅及修改意见： 评阅人： 年 月 日注：1.请按照A级标准，评出设计（论文）各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中； 2.计算出总分。若总分60分，“设计（论文）质量”2米，适用于主从较远的数据传输。该模块使用频段为420MHz-440MHz。 方案二：使用24L01做数据传输部分，24L01是一中微功耗模块，相比于CC1101还要低很多，内置2.4G天线，体积小巧，方便集成使用。125个频点，满足多点通信和调频通信使用，支持2M的高速数据传输，减少发射的时间。24L01芯片有自动重发功能，自动检查和重发丢失的数据包，这种性能是CC1101所不具备的，该芯片使用的频段为2.4G全球开放ISM频段。 因此，我们这里采用微功耗的24L01作为数据发送和接收模块。2.3 方案确立 综上所述，我们传感器采用方案三，控制器采用方案一，数据传输采用方案二。那么该采集系统通过18B20分点采集温度之后经过AT89S52的数据处理后分别经过24L01模块的发射和接收，传送到主机的AT89S52，经过进一步的数据处理之后在LCD上显示出来。系统的发射电路和接收电路框图如图2.1和2.2所示。24L01发射模块AT89S52电源电路 DS18B20 复位电路 图2.1 发射电路系统框图复位电路AT89S5212864显示电路电源电路24L0接收模块图2.2 接收电路系统框图 第3章 系统硬件设计 温度采集电路包括温度采集部分、数据传输部分、单片机控制电路、数据显示电路和外围电路。主要用到的元器件有单片机AT89S52（主控部分），温度采集器DS18B20，24L01（作为数据传输模块），12864（显示屏），5V电源（本设计购买的成品电源）。3.1 单片机AT89S52及其最小电路3.1.1 AT89S52简介 如图3-1所示为AT89S52芯片的引脚图。兼容标准MCS-51指令系统的AT89S52单片机是一个低功耗、高性能CHMOS的单片机，片内含4KB在线可编程Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。 AT89S52单片机片内的Flash可允许在线重新编程，也可用通用非易失性存储编程器编程；片内数据存储器内含128字节的RAM；有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口;具有两个16位可编程定时器；中断系统是具有6个中断源、5个中断矢量、2级中断优先级的中断结构；震荡器频率0到33MHZ，因此我们在此选用12MHZ的晶振是比较合理的；具有片内看门狗定时器；AT89S52引脚图如图3.1所示。 图3.1 AT89S52引脚图3.1.2 AT89S52引脚说明P0口：8位、开漏级、双向I/O口。P0口可作为通用I/O口，但须外接上拉电阻；作为输出口，每各引脚可吸收8各TTL的灌电流。作为输入时，首先应将引脚置1。P0也可用做访问外部程序存储器和数据存储器时的低8位地址/数据总线的复用线。在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收代码字节数据；在编程效验时，P0口输出代码字节数据(需要外接上拉电阻)。P1口：8位、双向I/0口，内部含有上拉电阻。P1口可作普通I/O口。输出缓冲器可驱动四个TTL负载；用作输入时，先将引脚置1，由片内上拉电阻将其抬到高电平。P1口的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻提供电流。在FLASH并行编程和校验时，P1口可输入低字节地址。在串行编程和效验时，P1.5/MO-SI，P1.6/MISO和P1.7/SCK分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。 P2口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2口用做输出口时，可驱动4各TTL负载；用做输入口时，先将引脚置1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外部输出电流。CPU访问外部16位地址的存储器时，P2口提供高8位地址。当CPU用8位地址寻址外部存储时，P2口为P2特殊功能寄存器的内容。在FLASH并行编程和校验时，P2口可输入高字节地址和某些控制信号。P3口：具有内部上拉电阻的8位双向口。P3口用做输出口时，输出缓冲器可吸收4各TTL的灌电流；用做输入口时，首先将引脚置1，由内部上拉电阻抬位高电平。若外部的负载是低电平，则通过内部上拉电阻向输出电流。在与FLASH并行编程和校验时，P3口可输入某些控制信号。P3口除了通用I/O口功能外，还有替代功能，如表3-1所示。表3-1 P3口的替代功能引脚符号说明P3.0RXD串行口输入P3.1TXD串行口输出P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0T0定时器的外部的计数输入P3.5T1T1定时器的外部的计数输入P3.6/WR外部数据存储器的写选通P3.7/RD外部数据存储器的读选通RST：复位端。当振荡器工作时，此引脚上出现两个机器周期的高电平将系统复位。 ALE/ /PROG：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）是一个用于锁存地址的低8位字节的书粗脉冲。在Flash 编程期间，此引脚也可用于输入编程脉冲（/PROG）。在正常操作情况下，ALE以振荡器频率的1/6的固定速率发出脉冲，它是用作对外输出的时钟，需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果希望禁止ALE操作，可通过将特殊功能寄存器中位地址为8EH那位置的“0”来实现。该位置的“1”后。ALE仅在MOVE或MOVC指令期间激活，否则ALE引脚将被略微拉高。若微控制器在外部执行方式，ALE禁止位无效。 /PSEN：外部程序存储器读选取通信号。当AT89S52在读取外部程序时， 每个机器周期将PSEN激活两次。在此期间内，每当访问外部数据存储器时，将跳过两个/PSEN信号。 /EA/Vpp：访问外部程序存储器允许端。为了能够从外部程序存储器的0000H至FFFFH单元中取指令，/EA必须接地，然而要注意的是，若对加密位1进行编程，则在复位时，/EA的状态在内部被锁存。 执行内部程序/EA应接VCC。不当选择12V编程电源时，在Flash编程期间，这个引脚可接12V编程电压。 XTAL1：振荡器反向放大器输入端和内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器输出端。3.1.3 单片机的最小系统 时钟电路：时钟电路就是震荡电路，是单片机工作的时间基准，决定单片机的供暖工作速度。 复位电路：确定单片机起始的工作状态，完成单片机的启动过程。 单片机最小系统原理图如图3.2所示。 图3.2 单片机最小系统3.2 温度采集电路3.2.1 DS18B20简介 DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 温度芯片DS18B20是Dallas公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。测量温度范围为 -55+125，在-10+85范围内，精度为0.5。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。由于每一个DS18B20都有唯一系列号，因此多个DS18B20可以存在同一条单总线上。这允许许多不同地方放置温度灵敏器件。此特性的应用范围包括HAVC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监控和控制中的温度检测等。DS18B20的内部结构如图3.3所示。图3.3 DS18B20方框图DS18B20有4个主要的数据部件：A、64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码(28H)组成。B、温度灵敏元件。C、非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。D、配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。其中R0、R1：温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如下表所列，出厂时R0、R1置为缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率如表3-2所示。 表 3-2 分辨率关系表R0R1分辨率/bit最大转换时间/us00993.750110187.5101137511127503.2.2 电路设计DS18B20的特点是独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件。可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源，测量温度范围为-55 C至+125 。华氏相当于是-67 F到257华氏度 -10 C至+85 C范围内精度为0.5 C。 温度传感器可编程的分辨率为912位 温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统 。描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数。信息被发送到/从DS18B20 通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。 因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。DS18B20的8个引脚封装，5、1接地，4 、2 数字 信号输入输出，一线输出：源极开路，3、3 电源 可选电源管脚。本系统为多点温度测试。DS18B20采用外部供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20，但时间应用中发现，如果挂接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。另外单总线长度也不宜超过80M，否则也会影响到数据的传输。在这种情况下我们可以采用分组的方式，用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。在实际应用中还可以使用一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连，起到上拉的作用。对DS18B20的设计，需要注意以下问题:（1）对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20 进行操作，需要用较为复杂的程序完成。编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行，读、写时间片程序要严格按要求编写。尤其在使用DS18B20 的高测温分辨力时，对时序及电气特性参数要求更高。（2）有多个测温点时，应考虑系统能实现传感器出错自动指示，进行自动DS18B20 序列号和自动排序，以减少调试和维护工作量。（3）测温电缆线建议采用屏蔽4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。DS18B20 在三线制应用时，应将其三线焊接牢固；在两线应用时，应将VCC与GND接在一起，焊接牢固。若VCC脱开未接，传感器只送85的温度值。（4）实际应用时，要注意单线的驱动能力，不能挂接过多的DS18B20，同时还应注意最远接线距离。另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。本设计是运用两个DS18B20分别采集温度来实现多路数据采集的，但是设计中考虑一根总线带多个DS18B20会互相影响测量结果，因此并没有使用一个单片机带多个温度采集器的方式，而是采用一个单片机带一个温度采集器兵分别通过发送模块将测得的数据传输到主机。设计总只需要把温度采集器DS18B20接到单片机P0口就可以实现采集功能了。原理图如图3.4。 图3.4 温度采集电路 3.3 无线传输电路模块无线传输模块，采用集成芯片24L01来构建收发电路。nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。NRF24L01采用GFSK调制，具有自动应答和自动再发射功能，片内自动生成报头和CRC校验码，数据传输率为l Mb/s或2Mb/s，SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s，内部有125个通道，他的供电电压为1.9V-3.6V。他的个引脚功能如表3-4所示。表3-4 DS18B20功能引脚图引脚名称引脚功能描述1CE数字输入RX或TX模式选择2SCN数字输入SPI片选信号3SCK数字输入SPI时钟4MOSI数字输入从SPI数据输入脚5MISO数字输出从SPI数据输出脚6IRQ数字输出可屏蔽中断脚7VOD电源电源（+3V）8VSS电源接地（0V）9XC2模拟输出晶体振荡器2脚10XC1模拟输入晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚11VDD-PA电源输出给RF的功率放大器提供的+1.8V电源12ANT1天线天线接口113ANT2天线天线接口214VSS电源接地（0V）15VDD电源电源（+3V）16IREP模拟输入参考电流17VSS电源接地（0V）18VDD电源电源（+3V）19DVDD电源输出去耦电路电源正极端20VSS电源接地（0V） 通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表3-5所示。表3-5 nFR24L01工作模式模式PWR-UPPRIM-RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO 寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX FIFO 为空待机模式11-0无数据传输掉电0-NRF24L01工作原理：发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。 接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。24L01的工作原理图如3.5所示。图3.5 接收与发射原理图3.4无线发送与接收电路本次设计无线接收和发射系统采用的是SPI技术来实现的，下面我们来了解一下SPI协议的相关内容。 SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68 HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200. SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。 SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCLK（时钟），CS（片选）。 （1） MOSI SPI 总线主机输出/ 从机输入（SPI Bus Master Output/Slave Input） （2） MISO SPI 总线主机输入/ 从机输出（SPI Bus Master Input/Slave Output) SCLK 时钟信号，由主设备产生CS 从设备使能信号，由主设备控制（Chip select），有的IC此pin脚叫SS其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。3.5显示电路本设计中显示模块用到的LCD是12864。3.5.1 12864的简介 12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，业界约定俗成的简称。 液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD 可分为段位式LCD、字符式LCD 和点阵式LCD。其中，段位式LCD 和字符式LCD 只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式LCD 不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，动画功能，分区开窗口，反转，闪烁等功能，用途十分广泛。3.5.2 12864液晶模组接口表3-6 LCD