硕士论文-基于单片机的无线数据采集系统的设计与分析.doc

河北工业大学硕士学位论文基于单片机的无线数据采集系统的设计与分析摘 要随着信息技术和通信技术的进步，基于单片机的无线数据采集技术取得了飞速的发展和广泛应用。本系统采用模块化，层次化设计原则，将整体电路分为温度采集模块，压力采集模块，温度控制模块和无线传输模块。系统采用at89c51单片机为主要控制核心，以温度、压力传感器作为测量元件，通过与单片机连接进行环境数据采集，并实现对温度的控制、数据处理、实时显示、无线传输功能。本设计主要完成了以下几方面的工作：第一，确定了系统的总体设计方案，包括系统的设计原则，系统的功能设计，仿真软件的确定，整体软件流程设计等，并简要介绍了系统整体电路的组成部分和工作原理。第二，将整体电路划分成温度压力采集模块、温度控制模块和无线传输模块，分别对各个模块进行了硬件电路设计，并采用keil c51 软件进行了编程调试，结合proteus仿真软件对电路进行了仿真和分析，验证了电路功能。包括对ds18b20数字温度传感器测温时序和输出数据波形的仿真；对mpx4115压力传感器输出波形的仿真分析；adc0832模数转换器控制信号和输出数据信号的时序分析，波形仿真等；以及对温度控制模块信号的模拟仿真，数字仿真和模数混合仿真等，完成了无线传输模块的软件设计。第三，实现了无线数据采集电路系统的总体仿真，得到了系统总体电路仿真结果，达到了设计要求。本系统设计中将数据采集，数据处理，数据显示、无线传输等多种信息技术融合在一起，实现了对温度，压力等环境参数的自动监测和控制，最终实现了无线数据采集系统的自动化和智能化，为无线数据传输系统的设计和仿真提供了一种新的设计思路和方法。关键字：数据采集，单片机，温度控制，无线传输，电路仿真design and analysis of wireless data acqulisition system based on mcu abstractas information and communication technology advances, wireless data collection based on microcontroller technology has achieved rapid development and wider application.the system uses a modular and hierarchical design principles. the whole circuit is divided into the temperature acquisition module, the pressure acquisition module, temperature control module and the wireless transmission module, the system adopts the at89c51 microcontroller as the main control of the core, the temperature and pressure sensor as a measuring element to achieve temperature control, data processing, real-time display and wireless transmission capability.the design will highlight the following aspects of work:first, determine the systems overall design programs, including system design principles, the systems functional design, simulation software to determine the overall software process design, and briefly describes the system as a whole circuit components and working principle. second, the whole circuit is divided into temperature and pressure acquisition module, temperature control module and wireless transmission modules, each module separately conducted a hardware circuit design and using keil c51 programming software debugging, combined with proteus simulation software circuit simulation and analysis carried out to verify the circuit functions, including ds18b20 digital temperature sensor output data timing and waveform simulation; max4115 pressure sensor output waveform of the simulation analysis; adc0832 analog control signals and output data signals of timing analysis; and the temperature control module signal simulation, digital and hybrid simulation module and so on, and completed the wireless transmission module of the software design. third, the overall simulation of the wireless data acquisition system has been achieved.the system has integrated data acquisition, data processing, data show, and wireless transmission technology, completed the right temperature, pressure and other environmental parameters of the automatic monitoring and controlling, eventually achieved the automation and intelligent of wireless data acquisition system. and provided a new design ideas and methods for wireless data transmission system design and simulation.key words： data acquisition，mcu，temperature control，wireless transmission，circuit simulation目录摘 要 iabstractii第一章绪论11.1课题的提出11.2 数据采集系统概述11.2.1 数据采集技术应用领域11.2.2 数据采集系统的基本组成21.2.3 数据采集系统的功能和特点31.3 短距离无线传输技术31.4 论文研究内容及结构4第二章系统总体方案设计52.1系统设计原则52.1.1硬件设计原则52.1.2软件设计原则62.2系统功能设计62.3 系统总体布局结构72.4系统软件仿真7第三章数据采集端系统设计93.1温度采集电路设计93.1.2 ds18b20温度采集电路设计93.1.3 软件设计及仿真调试113.2 压力采集模块电路设计143.2.1 压力传感器简介143.2.2 adc0832转换器163.2.3 电路设计173.2.4 程序设计及仿真173.3 单片机控制单元213.3.1 主控芯片213.3.2时钟振荡电路223.3.3 复位电路223.4 人机交互接口模块233.4.1键盘调整电路233.4.2 显示电路24第四章温度控制单元设计264.1 max1241模数转换器264.2 信号处理电路274.3 温度控制电路284.4 程序设计和仿真29第五章无线传输单元设计345.1 无线传输系统概述345.1.1 无线传输技术分类345.1.2 芯片选择原则355.1.3 nrf905芯片简介375.1.4 nrf905发射和接收控制流程375.2 电路设计375.2.1 频率选择375.2.2 天线选择385.2.3 协议设计385.3 程序设计38第六章 系统整体电路仿真426.1 仿真软件简介426.2 系统仿真43第七章 结论45参考文献46致谢 48攻读学位期间所取得的相关科研成果49 49第一章 绪论1.1课题的提出数据采集系统用于获取各种现场环境参数1，在计算机系统中，将采集到的信号送入计算机内部进行处理。因此，数据采集系统正广泛应用于虚拟仪器、智能仪器、信号处理，数据通信，图像处理，遥感遥测等工业领域2,3。数据采集系统主要完成对被测信号的采样，数据存储、分析、处理，信号的放大输出，以及控制和传输等功能4。在工艺生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场的工艺参数进行采集，监视和记录；在科学研究中，应用该系统可获得工业现场的温度、湿度、电压、电流等技术参数，所得结果可以反馈给用户和控制系统，为提高产品质量，降低成本提供信息和手段。在数据传输方式上，目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接5，有线方式的数据传输速度快，可靠性高且运行稳定，能满足大多数情况的需要。但是其应用容易受到现场环境和应用对象的限制，对于测量点比较分散，环境恶劣、危险性大、对人体有危害的场合6,7，采用有线数据采集传输方式需要较高的代价，因此在这种场合无线数据采集就突显出了巨大的优势。近年来，随着微电子技术、射频技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。远程数据采集系统工作原理将传感器检测到的信号进行无线传输，通过中央控制器对整个环境下发生的变化进行异地监控，以满足无线数据采集和监控的要求。 无线数据采集系统具有以下特点8：（1） 传输介质采用的是电磁波，特别适用于那些不适合或不方便架设电缆的现场，工程造价和人力资源成本低。（2） 传输数据不受地理环境、气候、时间的影响，可靠性高，免维护。（3） 在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制。（4） 电路简单、功耗小、体积小、成本低。由此可见，采用无线数据采集系统进行数据通信己经是现代数据采集系统的发展趋势，具有巨大的优势和广阔的应用前景。本课题采用数据采集技术和无线传输技术，以单片机为主要控制核心，将数据采集技术，传感器技术和无线通信技术融合在一起，实现基于单片机的无线数据采集系统的硬件设计和软件设计，并完成对环境参数的采集和控制功能的验证和系统仿真。1.2 数据采集系统概述1.2.1 数据采集技术应用领域数据采集技术是获取信息的手段9，是信息科学的重要分支，在科学研究、工业生产，军事民用等领域都得到了比较广泛的应用10,11。（1）科学研究领域： 数据采集技术能够通过简单的节点部署，观测环境的微观变化。通过数据采集技术能够实现对环境温度、湿度、光照强度，大气成分，以及其他环境参数等的检测和管理。数据采集技术为科学研究和环境监测提供了崭新的方法和手段。（2）民用设施领域：城市建设，民用设施和医疗领域。在城市建设方面，通过将数据采集节点分布于城市建筑当中，能够获取城市环境参数，交通信息，道路安全信息等，为城市建设、危险报警提供依据。在民用设施方面，应用数据采集系统能够获得对室内声音，气体辐射，温度，光照，湿度等的采集，实现智能化家居和自动化家居。医疗健康领域，借助数据采集技术能够实现对公民的健康检测，病变器官的观察，医疗设备技术参数的监测等，有效提高医疗水平。（3）军事应用：数据采集技术于20世纪50年代起始于军事应用。由于数据采集系统的密集型，低成本，节点随机分布等特点，得到了军事发达国家的普遍重视。另外，数据采集节点分布的多角度和多方位信息有效提高了信噪比，增强了系统的容错能力，消除了噪声对系统的影响，因此数据采集技术在军事应用中起到了关键性的工作。1.2.2 数据采集系统的基本组成数据采集系统是计算机应用硬件、软件的综合技术，是近代电子技术，自动控制技术，计算机应用技术，半导体技术，微电子技术和传感技术的综合应用12。常用的数据采集系统有两种，一种是以单片微处理器为核心的数据采集系统，它的构成主要由传感器、放大器、采样保持器、模拟多路开关、a/d转换器、微处理器及其它一些外围器件构成。第二种是基于通用微型计算机的数据采集系统。这类系统一般由计算机和数据采集卡组成，数据采集卡通过计算机插槽与计算机相连，形成内插式工作方式。根据使用目的和用途进行电量和非电量多参量的数据采集，数据处理，实施多种功能控制。图1.1 是一个基本的数据采集系统结构图信号处理传感器传感器传感器信号处理a/ds/h多路器mux信号处理打印d/a数字键存输出单片机显示图1.1 基本数据采集系统结构图fig.1.1 basic data acquisition system diagram传感器（sensor）：是把待测的温度、压力、流量、位移物理量转化成为电流、电压、频率等电量或其他形式的信息输出，以满足信号的传输、处理、控制等要求。传感器可以输出模拟量、开关量和数字量。信号处理：对于传感器传来的模拟信号，由于要经过a/d转换器转换成数字信号，而ad转换器对输入的模拟信号有一定的电压限制范围。所以，传感器送出的模拟信号需要经过信号放大，整形、滤波等信号处理（signal conditioning）电路调整成符合a/d转换器输入要求的电压。多路开关（mux）：对于一个实现多路数据采集的系统，各自的传感器信号调整后，需要分时选通同一套a/d电路通道，因此在通道上加上一个多路开关13，可以实现各路参数的巡回检测，能够简化接口电路，降低硬件成本。采样保持（s/h）：采样保持电路有采样状态和保持状态两种工作状态，采样电路主要是将电路输入的模拟信号传送到输出端；保持电路主要是将电路输出的模拟信号与输入隔离，保持信号不变。因此，在a/d转换器和多路开关之间加一个采样保持电路能够减少电路误差。a/d转换电路：a/d转换电路对采样保持电路输出的模拟信号进行转换，变成能够被计算机接收的数字信号（电压），然后输出给计算机进行信号处理，分析，存储，显示，打印，输出等加工处理。1.2.3 数据采集系统的功能和特点数据采集系统的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号14，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示和打印，以便实现对默写物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。由此可知，数据采集系统具有数据采集、模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理、二次数据计算、屏幕显示、数据存储、打印输出、人机联系等多方面的功能。数据采集系统能实现解决测量、控制、计算、存储、分析信号等功能15，具有如下主要特点：第一，一般由单片机或计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件投资。软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。第二，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。第三，数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要；对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。第四，随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高。第五，总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结构的发展起着重要作用。1.3 短距离无线传输技术随着通信和信息技术的不断发展，短距离无线通信技术以其低成本、低功耗和对等通信16三方面的优势，迅速发展，并走向成熟。经过十多年来的不断探索，形成了当今丰富的无线通信协议和产品。 一般意义上来说，短距离无线传输技术是指：只要收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离在较短的范围内的都可以成为短距离无线通信。短距离无线传输的通信距离一般限制在几十米以内17。短距离无线传输模块一般由射频收发芯片、微控制器和少量的外围器件构成。通信模块一般使用简单的加密协议或者采用简单透明的通信协议，用户不需要对无线通信的原理和无线通信机制有深入的了解，只要依据命令字进行操作，就可以实现数据的无线传输功能。无线传输模块的射频芯片一般采用fsk调制方式，工作于ism频段，具有功率小，开发简单、快速等特点，比较适合搭建小型网络，多应用于工业和民用领域。无线数据采集系统是软硬结合的系统，以短距离无线数据传输模块18,19为主要设计核心。关于短距离无线数据通信，目前最为常见，技术最为成熟的三个标准是红外数据传输（irda）20、蓝牙(bluetooth)和无线局域网802.11(wi-fi)。随着科技的飞速发展，一些具有很大发展潜力的近距离无线技术21，如超宽频（uwb）、rfid22和射频（rf）等新兴的短距离无线传输技术凭借其独有的特点进入了我们的视线，成为当今无线传输技术的后起之秀。以上这些无线传输技术都有其各自的特点，有的可以满足传输速度、距离、耗电量等的特殊要求，有的具有很好的功能扩展性，有的只针对某些单一的应用要求。因此，在进行无线数据传输系统的设计中，要根据实际设计需要选择适合的无线传输技术。1.4 论文研究内容及结构本文研究的无线数据采集与传输系统是基于单片机的短距离无线通信技术在数据监控中的具体应用。针对传统数据采集方式在数据传输上存在的布线受限制问题，提出的一种新的解决方案。论文在分析无线数据采集与传输技术的基础上，详细阐述了基于单片机的数据采集系统的设计和实现，并对无线数据采集与传输系统的子模块的设计，主要外围电路设计，无线网络协议，数据采集与传输的准确性，系统硬件电路芯片选择，系统软件设计流程，及系统电路仿真等关键技术做了重点研究。结合课题实际情况本系统主要分为温度采集，压力采集，信号调理，a/d转换，恒温控制，无线数据传输，数据显示，键盘调整等几大模块，重点研究方向为数据采集处理、恒温控制，数据显示与短距离无线传输。数据采集显示部分采用单片机和液晶显示，方便用户随时监控数据。数据采集端采用温度传感器和压力传感器进行数据采集，在无线数据传输部分选用无线射频传输模块，进行数据通信。 根据以上所述论文研究内容，论文的结构内容安排如下：第一章：主要介绍了课题研究的目的，数据采集系统的发展现状、数据采集系统的组成机构及无线传输技术的分类。第二章：阐述了系统的总体方案设计，包括系统的硬件设计原则，软件设计原则，功能设计等，并将系统划分成不同的采集模块进行分析和设计。第三章：详细分析了基于单片机的数据采集系统的温度采集模块和压力采集模块的设计思想，芯片选择，采集电路设计，程序设计流程及电路仿真，得到了两种传感器的输出信号波形图，并对仿真图形进行了详细的分析。第四章：研究了基于单片机的温度控制电路的设计，对温度控制电路的硬件电路设计，组成芯片的选择，控制程序设计，以及电路的仿真进行了详细的阐述和分析。得到了温度控制电路的信号仿真结果，并对仿真结果进行了分析和研究。 第五章：分析了无线数据传输系统的组成，简单介绍了无线传输模块的特点和芯片选择原则，确定无线传输系统的设计方案和设计思想，编写了无线传输程序。第六章：总结了系统总体电路的硬件设计，软件程序设计，调试等，并得到了系统总体电路的整体仿真效果图结果，以及各组成模块的控制信号、数字信号、模拟信号的仿真结果图。第七章：总结了本论文的研究成果。第二章 系统总体方案设计系统总体设计方案是系统设计的关键，它直接影响着系统的技术先进性、经济指标和性能价格比。在进行总体方案设计时，应充分了解测控对象及其工艺技术要求，调查当前国内外水平和发展趋势，进行多种方案比较和可行性论证，以确定最佳方案24,25。通常，在总体设计方案中，应确定技术指标，合理配置系统，恰当安排软件、硬件功能。2.1系统设计原则2.1.1硬件设计原则系统硬件设计中，单片机和外设是硬件投资的一个主要部分26，应在满足速度、存储容量、兼容性、可靠性的基础上，合理选择单片机和外设，尽可能降低成本，调高性价比。还要保证系统能稳定，安全可靠的工作。具体应该考虑以下几点。1. 芯片选择原则在单片机及其外设硬件的选择上要尽量选择功能强的芯片27，主要从以下几点出发：（1）单片机的选型。随着单片机集成度的提高，许多外围部件已经集成到了单片机芯片内部，并且有许多单片机本身就组成了一个系统，这样既可以省去许多外围电路的扩展工作，又能使单片机外围电路的设计工作大大简化。（2）优先选择带有片内flash存储器的芯片。选用内部带有32k的flash存储器的芯片，这样可省去使用单片机扩展程序存储器的工作量，减少芯片数量，缩小体积。（3）尽量选择容量大的eprom和ram。对于内部ram单元有限的单片机，应尽量选用内部容量大的eprom，并可采用数据存储器芯片配置外部ram，增强软件数据处理功能。（4）模数/数模（ad/da）转换。在实际系统实际使用时一定会发现新的问题，并且当有新的信号需要采集和控制时，就需要对系统的功能进行扩展，因此，在硬件设计之初要多设计a/d和d/a转换通道，这样就可以轻松应对系统应用时遇到的问题。（5）i/o端口。与上述原因相同，系统设计时多留出一些i/o端口，都是为了解决系统实际应用时遇到的新问题。2遵循“以软代硬”原则系统结构的合理性直接影响到系统的可靠性、性价比等特性。在实时性要求不高的场合，在硬件和软件功能的合理分配上，只要系统能满足性能要求，并且软件设计能实现的，要尽可能的遵循“以软代硬”的原则，只要软件能做到的就不用硬件。还要考虑系统的布局和包括采用什么样的总线、采样数据的输出接口、数据编码格式等在内的接口特性。3. 满足设计指标原则系统设计时必须考虑系统到安装、调试、维修的方便，还要考虑系统的各项指标，包括采样率、系统分辨率、精度以及输入通道信号强弱和动态范围等特性。另外，系统的抗干扰措施也应该被考虑，有完善的抗干扰措施是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽、正确接地、高输入阻抗下的防止漏电等。2.1.2软件设计原则一般来说，软件的功能可以分为两大类：一类是执行软件，它能够完成测量、计算、显示、打印、输出控制等各种实质性的功能；一类是监控软件，它在系统软件中充当组织调度角色，专门用来协调各个执行模块和操作者的关系。软件程序设计时应考虑以下几个方面28。1. 程序功能结构合理根据软件功能要求，将程序分成若干个独立的部分，即采取结构模块化设计，设计出合理的软件结构，使其清晰、简洁、流程合理，这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。在程序编写时，要尽量利用子程序，这样既便于调试、链接、又便于移植、修改。当程序中有经常需要加以修改或变化的参数时，应该设计成独立的参数传递程序，避免程序的频繁修改。2程序设计操作性要求在开发程序时，应该考虑如何降低对操作人员专业知识的要求，这点对数据采集系统来说是很重要的。因此，在编写应用程序之前，应绘制出程序流程图，这样可以节约几倍的源程序编辑调试时间。并且在程序设计中，采用各种图表或菜单实现人机对话，以提高工作效率和程序的易操作性。3程序设计保护性措施系统应该设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障不稳，对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。4. 合理分配系统资源系统资源包括：rom、ram、定时器/计数器、中断源等。其中最关键的是片内ram的分配。5.程序执行速度的提高6程序说明必要的程序说明能够使程序流程更加清晰，提高编程效率。2.2系统功能设计本文的设计系统要实现数据采集和无线传输功能，主要从以下几点进行考虑：第一，数据采集节点由温度传感器和压力传感器组成，主要实现温度和压力数据采集，实时性好，采集精度高。第二，由单片机对每个数据采集传感器进行循环检测，并对传感器采集到得信号进行处理、显示等，实现数据的智能化、自动化测量。第三，单片机对加热炉的温度进行采集后，将实际温度与预置温度值进行比较，并通过控制继电器来实现加热或停止加热等功能。第四，对于传感器采集到得模拟信号，需要通过信号调理电路进行信号处理，再经过ad转换器转换成数字信号传给单片机，以减少现场干扰和a/d转换误差。第五，采用低功耗无线通信模块和无线通信协议进行无线监控，确保无线数据采集系统的实用性，并且采集节点具有高灵敏度高、功耗低等特点。第六，在软件设计上采用c语言编程，利用keil和proteus对电路进行混合仿真。程序采用模块化设计，便于操作和移植，提高了程序的可读性，并保证了数据传输可靠性。软件编程功能强大，界面友好。2.3 系统总体布局结构本系统采取多传感器数据采集无线传输系统，对现场环境的温度和压力进行监测和控制。系统主要分为单片机控制模块、环境温度采集模块、压力采集模块、加热炉温度控制模块、键盘调整模块、液晶显示模块和无线传输模块。系统结构图如下图2.1所示：信号处理电路单片机微处理器a/d转换器加热炉温度传感器液晶显示键盘输入无线射频收发模块压力传感器a/d转换器信号处理电路控制电路图2.1系统结构框图fig.2.1 system structure diagram单片机控制模块：主要实现对各个数据采集子模块和无线通信模块的控制，并对各传感器采集到得数据进行处理，判断，存储和传输。压力采集模块：实现对现场环境的压力值的采集。炉外温度采集模块：实现对环境温度的实时采集。温度采控制模块：实现对加热炉内温度的实时采集和恒温控制功能。即当温度达到指定温度值时，由单片机发出控制指令停止加热；当温度低于指定温度值时，单片机控制继电器吸合，加热开始。控制加热炉内的温度保持在系统设定温度，实现恒温功能。键盘调整模块：实现对日历时钟的调整和加热炉内温度上限的设定。液晶显示模块：主要实现各传感器采集到的数据的显示功能。2.4系统软件仿真在本课题中采用keil c51与proteus软件23联合编程进行电路的设计与仿真。keil c51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一29。而proteus软件不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台，更是目前世界上最先进、对最完整的多种型号单片机系统的设计与仿真平台。它完全支持mcs-51及其派生系列单片机的设计系统，同时还支持plm、汇编和c语言的程序设计。它不仅能仿真单片机，而且能仿真常用外围电路。能够完美地对单片机及外围电路（如lcd，ram，rom，键盘，lcd，ad/da）进行虚拟仿真。真正实现了在计算机上完成从原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试于功能验证到形成pcb的完整的电子设计、研发过程。本设计是在keil c51环境中编译数据采集系统控制程序，采用模块化，层次化程序设计原则，将总体程序分成：主程序、ad转换程序、液晶显示程序、ds18b20温度采集程序、压力采集程序、恒温控制程序和无线通信程序。其中主程序是总的控制程序，主要实现各单元初始化、控制采样和中断等；ad转换程序主要完成采样启动、数据保存等功能；液晶显示程序是用来显示单片机采集到的各路数据，及时间日历等功能；ds18b20温度采集程序主要完成温度采集等功能；数据的无线传输通过无线通信模块nrf905实现。 程序编译通过后，将生成的hex文件载入proteus电路仿真软件，进行电路各模块功能仿真和系统总体电路仿真。在对电路进行仿真工作时，同样采用模块化仿真手段。首先完成的是对ds18b20温度采集模块和mpx4115压力采集模块的仿真，得到温度和压力输出信号的仿真结果图表，并对信号的正确性，精确度，稳定性进行分析研究；其次，实现电路的温度控制功能仿真，对max1241模数转换器的控制信号，以及加热炉输出的模拟温度信号进行采集和仿真，利用模拟仿真图表、数字仿真图表和模数混合图表，得到各路信号的输出波形图和仿真效果图，并对波形图进行分析研究，得到系统的工作指标；最后，对系统整体电路进行综合仿真，得到液晶显示效果图，数字温度信号数字图表仿真结果图、压力信号混合仿真波形图，以及温度控制信号混合仿真结果图，等总体电路综合仿真效果图，完成系统设计目标。第三章 数据采集端系统设计数据采集系统包括数据采集和数据处理两部分，从硬件上看包括模拟系统和数字系统；从功能上看既能完成数据采集也能实现数据处理。被采集参数大部分由传感器将被测量转换成电压信号，或先变成电参数（如电阻、电容或电感），再经过一定的线路（如桥式电路）变换成为电压信号，然后通过a/d转换器将电压信号转换成数字信号。3.1温度采集电路设计3.1.1 ds18b20数字温度传感器智能温度传感器的主要优点是采用数字化技术30，能以数字形式直接输出被测温度值，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、能够远程传输数据、带串行总线接口等优点，适配各种微控制器（mcu），含微处理器（up）和单片机（uc），是研制和开发具有高性价比的新一代温度测量系统所必不可少的核心器件。ds18b20是美国dallas半导体公司生产的一种新型智能温度传感器，采用“单线总线”技术，通过串行通信接口（i/o）直接输出被测温度值，适配各种单片机或系统机。ds18b20的具有以下特点：（1） 测温范围是-55+125，在-10+85范围内，可确保误差不超过0.5，增量值最小可为0.0625。（2）独特的单线接口仅需要一个端口进行通信。（3）可以有多个ds18b20可以并联在唯一的3线上，实现多点组网测温功能。（4）可通过数据线供电，电压范围为3.05.5v，温度以912位数字量输出，测温转换为12位数字量最大需要750ms。（5）负电压特性。ds18b20转换精度高，抗干扰能力强，使用时无需标定或调试；与单片机的接口简单，可方便地实现多点组网测温，给硬件设计工作带来了极大的方便。另外，采用ds18b20能有效降低成本，简化系统设计，缩短开发周期，占用系统i/o资源少、扩展方便，在多点温度检测中有极为广泛的应用前景。ds18b20采用3脚pr-35封装或8脚soic封装，其中3引脚封装比较常见，引脚功能分别为gnd、电源vcc，信号dq。其引脚排列和内部结构图如图3.1，3.2所示。ds18b20的测温原理图如图3.3所示。ds18b20可采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时ds18b20的1引脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源；另一种方式是寄生电源供电。当ds18b20处于写存储器操作和温度a/d转换操作时，总线上必须有强的上拉电阻，典型的电阻值是5.1k或4.7k，上拉开启时间最大为10us。3.1.2 ds18b20温度采集电路设计本系统中使用mcs-51系列单片机at89c51控制ds18b20进行环境温度数据采集，在硬件电路设计上，ds18b20单总线必须接一个5k的电阻，保证dq线上有足够的功率，使ds18b20的工作电流达到1.5ma并且在闲置时状态为高电平。ds18b20温度传感器与单片机的接口电路如图3.4所示。图中r8为上拉电阻，由单片机的p2.7口对ds18b20的数据输出端dq进行控制，实现温度采集。单片机控制ds18b20完成数据采集的工作原理是：at89c51首先发送复位脉冲，使信号线上的ds18b20芯片被复位，接着发送rom操作命令，使得ds18b20被激活进入接收内存访问命令状态，启动ds18b20进行温度转换，读回温度数据。ds18b201 2 3gnddqvcc图3.1 ds18b20引脚图fig.3.1 ds18b20 pin diagram图3.2 ds18b20内部结构图fig.3.2 ds18b20 internal structure diagram图3.3 ds18b20内部测温电路图fig.3.3 internal temperature measurement circuit of ds18b20图3.4 ds18b20和单片机的接口电路fig.3.4 ds18b20 and mcu interface circuit3.1.3 软件设计及仿真调试本系统在对ds18b20温度采集程序设计时，严格遵循了ds18b20的单线通信协议31，保证了数据的完整性。ds18b20的单线通信协议定义了六种信号类型，即：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。在这六种信号类型中，除了应答脉冲以外，所有的这些信号都由主机发出同步信号控制。在程序编写方面，根据ds18b20的通信协议采用时隙数据进行编程，数据读写由主机读/写时间来完成，包括传送rom码，初始化，读数据和写数据。软件调试时先编写显示程序，然后进行主函数、ds18b20复位函数、写字节函数，读字节函数、温度计算转换函数、显示函数等程序的编程和调试。由于ds18b20与单片机采用串行数据传送，因此值得注意的一个问题是在对于ds18b20进行读写编程时必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测量结果。ds18b20温度采集程序流程图如图3.5所示。主要函数说明：void init_ds18b20(void); /初始化ds1820unsigned char readonechar(void); /读一个字节void writeonechar(unsigned char dat); /写一个字节unsigned int readtemperature(void); /读取温度void lcd_dispwendu(); /显示温度对所编写的程序进行keil编译和调试，编译通过后进行仿真。对ds18b20温度采集电路采用数字图表仿真，数字仿真可以绘制逻辑电平随时间变化的曲线，图表中的波形代表单一数据位或总线的二进制电平值，图3.6，3.7，3.8显示的对ds18b20输出信号和液晶显示信号的仿真图。图3.5 ds18b20程序流程图fig.3.5 ds18b20 program flowchart 图3.6 ds18b20输出信号和液晶显示控制信号波形图fig.3.6 ds18b20 output signal and lcd display control signal waveform图3.7 ds18b20温度采集电路仿真图fig.3.7 ds18b20 temperature acquisition circuit simulation diagram图3.8 ds18b20输出信号波形图fig.3.8 ds18b20 output signal waveforms从图3.6中能够看出，ds18b20数据输出端由数据输出，液晶显示器控制端口有控制信号输出。图3.7，3.8是对ds18b20数据输出信号的放大显示。在这两个仿真结果图中，可以清楚的看到dq端的输出信号波形，并能够得出如下的结论：系统采集温度的周期为22ms，保证了温度采集的实时性；在温度保持不变的情况下，串行数据输出端各周期信号波形的占空比保持相同，保证了数据的准确性；液晶显示器的各控制端口有数据输出，结合液晶显示结果，得到了正确的温度数据。3.2 压力采集模块电路设计3.2.1 压力传感器简介mpx4115系列传感器是由motorola公司生产的集成式气体压力传感器32,33，主要应用在高度计和气压计中，用来测量绝对气体压力。mpx4115压力传感器芯片上集成了双极运放电路和薄膜电阻网络，因此mpx4115能够提供更高的模拟输出信号和温度补偿。mpx4115传感器体积小，可靠性高，价格低廉，成为越来越多的应用程序设计人员选择的对象。mpx4115的主要特征如下：（1）最大误差为1.5，工作环境温度范围为：40to +125。（2）压力值在15kpa115kpa内遵循线性输出，输出电压为0.2v 4.8 v。（3）适合于微控制器系统或以微处理器为基础的系统。（4）可用于绝对，差分和计量装置。（5）耐用性好，工作寿命长。（6）与其他芯片的接口简单，易于使用。mpx4115压力传感器的引脚和内部原理图如图3.9，3.10所示。mpx4116压力传感器与ad转换器连接时，要求在ad转换器的输入端必须有适当的去耦电源。如图3.11所示，mpx4115压力传感器与adc0832的接口电路中，50pf的电容和51k的电阻形成了一个典型的去耦电路。表3-1所示的是mpx4115传感器的工作特性。 图3.9 mpx4115引脚图fig.3.9 mpx4115 pin diagramvsgndvout薄膜温度补偿和增益级增益级和参考位移电路敏感元件123图3.10 mpx4115压力传感器内部原理图fig.3.10 internal schematic diagram of mpx4115 pressure sensors表3-1 mpx4115压力传感器特性参数表table 3-1 mpx4115 pressure sensors characteristic parameters table特征符号最小值典值最大值单位压力范围pop15115kpa电源电压vs4.855.15.35vdc电源电流io7.010madc最小压力偏移(085)voff0.1350.204 0.273vdc满量程输出vfso4.7254.7944.863vdc满刻度量程vfss4.59vdc精度 1.5%vfss灵敏度v/p46mv/kpa响应时间tr1.0ms电流满量程输出io+0.1madc预热时间20msec偏移稳定性0.5 %vfss51kadc0832转换器gndmpx4115输出端50pf图3.11 mpx4115压力传感器与ad转换器接口电路图fig.3.11 mpx4115 pressure sensor and ad converter interface circuit图3.12显示的是mpx4115压力传感器的温度误差。4.02014060100-203.02.01.00.0errortemperature（）图3.12 温度误差fig.3.12 temperature error3.2.2 adc0832转换器adc0832 34是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 a/d转换芯片。其最高分辨率可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。它体积小，兼容性强，性价比高，目前已经有很高的普及率。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05v之间，电压精度为19.61mv。工作频率为250khz，功耗为15mw，芯片转换时间仅为 32us，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 di 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 adc0832与单片机接口电路如图3.13所示。图3.13 adc0832与单片机接口电路图fig.3.13 adc0832 and mcu interface circuit diagram从图中能够看出，在正常情况下 adc0832 与单片机接口数据线为4条，分别是 cs、clk、do、di。通常情况下，do端和di端在通信时并不同时有效，而且do和di端与单片机的接口是双向的，因此，在电路设计时一般把do和di端并联于一根数据线上进行使用。adc0832的工作原理：adc0832不工作时，应将芯片禁用，此时cs输入端应为高电