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，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(DataAcquisitionsystem)。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，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控制，并运用C语言编程软件Keil进行控制软件的编写，通过CSharp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：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；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；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采集、显示、键盘、报警、传输、控制等电路；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；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；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；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，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（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能的CMOS8位微处理器。方案二：STC12C5A60S2微控制器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。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2.1STC12系列单片机看门狗寄存器76543210-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2.2STC89系列单片机看门狗寄存器76543210-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/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。2.2.3PM2.5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2.5μm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：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：SDS011

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0.3μm。图2.3SDS011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64×256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m×n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双电源，分别给显示模块和主控制器模块供电，其优点是可提供稳定的5V电源，电流也可自行设定，但是占用资源过大，并且长导线不便于移动测量。方案三：使用2节3.7V电池供电采用2节3.7V电池给单片机、12864液晶显示、无线发送端nRF24L01供电，另外电脑USB口经TTL给主控制器模块供电，不仅解决了方案一的问题，而且能让系统完整工作。综合讨论后，最终选择方案三。 2.2.7电压电流互感器的选择电压互感器，我们选择的是用电压互感器DL-PT202D。电压互感器DL-PT202D体积小，精度高，一致性好，用于电压与功率精确测量。电流互感器，我们选择的是HTTA-226B、5A/5mA电流互感器，体积小，精度高，一致性好，用于电流与功率精确测量以及电力测量及保护。2.2.8无线数传模块的选择本系统为了模拟恶劣的环境，数据采集点比较分散或者是无人监守设备等情况进行数据采集，所以需要运用到无线数传模块对采集到的数据进行无线传输。有以下两种设计方案可供选择：方案一：nRF905nRF905是单片射频的收发芯片，工作在433MHz的ISM频段，芯片集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等模块，输出功率及通信频道可通过程序实现配置。芯片能耗较低，当以10dBm的功率发射时，工作电流仅有30mA，接收时工作电流更低，只有12.5mA，多种低功率工作模式，待机模式下电流仅为12.5μA，整个芯片符合节能环保设计。nRF905适合于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、安防系统、矿井远程遥控系统、家庭自动化、遥控检测、无线门禁系统等。方案二：nRF24L01nRF24L01是由NORDIC生产的一款工作在2.4GHz~2.5GHz的国际通用ISM免申请频段GFSK调制的无线数传芯片。它的无线收发器是由频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器等组成。它的SPI接口可以设置输出功率、频道选择和协议。nRF24L01处于工作模式时电流消耗低：当工作在发射模式下发射的功率为-6dBm，此时电流消耗为9mA，接收模式时电流消耗为12.3mA。处于掉电模式及待机模式下电流的消耗更低。如果nRF2401A、nRF24L01和nRF24L01+在配置的过程中使用相同的通讯频率、空中传输速率、地址长度、地址信息、数据长度和CRC校验方式，那么它们就可以实现相互通讯。它们具有使用简单方便、性能稳定、低成本等特点。经过综合考虑，方案二更符合本系统的设计要求。2.3本章小结经过反复论证，本设计最终确定了“多路无线数据采集系统”的设计方案，具体如下：本课题设计一个基于单片机STC12C5A60S2控制的多路无线数据采集系统。控制模块由单片机STC12C5A60S2作为控制核心，主要功能模块有：多路传感器模块，报警模块，无线数传模块，按键模块，上位机模块，显示模块等。该系统主要实现多路数据的实时采集，并在Visual

Studio

6.0开发环境下，采用C#编程语言，实现数据的动态显示及分析处理。

主要设计内容如下：

1.围绕STC12C5A60S2核心控制器的硬件开发平台，采用双CPU控制，一端负责处理采集的数据并发送，另一端负责控制其接收数据；2.采用四路温湿度传感器DHT11测量温湿度、PM2.5传感器测量PM2.5值、用DL-PT202D电压互感器测量交流电压、HTTA-226B

5A/5mA

电流互感器测量交流电流；3.电源部分，选用两节3.7V的锂电池，负责给12864、单片机STC12C5A60S2、发送端nRF24L01供电，接收端nRF24L01通过电脑的USB口供电；4.下位机用12864液晶显示7路数据信息，通过上位机来显示数据历史曲线、报警模块红灯闪亮报警；5.在Visual

Studio

6.0开发环境下，运用C#编程语言，编写上位机界面；6.设计5个独立按键来进行选项设置、进入等功能；7.报警电路采用有源蜂鸣器，当某个模块测量值不在阈值之内时，及时报警；8.运用三端稳压集成电路7805来进行正电压的输出，运用LM1117得到电压3.3V。上位机模块则通过AMS1117来进行5V到3.3V的转换；9.必要时，可焊接两个2个单片机STC12C5A60S2的最小系统来工作。第3章系统硬件设计3.1系统总体硬件框图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。系统总体硬件框图如图3.1所示。图3.1系统总体硬件框图3.2下位机控制模块设计3.2.1微控制器STC12C5A60S2本设计使用单片机STC12C5A60S2作为主控芯片。单片机的最小系统电路图如图3.2所示。图3.2STC12C5A60S2单片机最小系统51系列单片机型号极多，但STC公司的1T增强系列具有强大的竞争力，因为它不仅和8051的指令以及管脚完全兼容，而且其片内具有大容量的程序存储器且是FLASH工艺的，如本系统使用的STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60KFLASHROM，在此简单介绍一下STC12C5A60S2单片机的特点：1、增强型的8051CPU，1T(1024G)，单时钟/机器周期；2、工作电压为5.5-3.5V；3、1280字节的RAM；4、通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉。其I/O口可设置成四种模式：准双向口/弱上拉模式，强推挽/强上拉模式，仅为输入/高阻模式，开漏模式。每个I/O口的驱动能力均可达20mA，但是对于整个芯片来说，不能超过120mA；5、拥有EEPROM功能；6、增加看门狗复位标志位；7、内部集成了MAX810专用复位电路；8、拥有外部掉电检测电路；9、时钟源：外部高精度的晶体/时钟，而内部是R/C振荡器；10、4个16位定时器：拥有两个定时器/计数器与传统8051兼容，16位定时器T0和T1；11、拥有3个时钟输出口，可通过T0的溢出在P3.4/T0输出时钟或者是通过T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，因为其独立的波特率发生器，能于P1.0口输出时钟；12、拥有7路外部中断I/O口，触发方式均为传统的下降沿中断或电平触发中断，其中PCA模块支持上升沿中断，PowerDown模式可以由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.3；13、拥有2路PWM；14、模数转换，拥有8路10位精度的ADC，转换速度高到250K/S；15、通用全双工异步串行口(UART)；16、双串口，RxD2/P1.2和TxD2/P1.3；17、工作温度：-40~85℃；18、封装结构有LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC四种。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列的单片机包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可以称作一个片上系统。STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图及管脚定义如图3.3和表3.1所示。图3.3STC12C5A60S2单片机内部结构框图表3.1STC12C5A60S2单片机管脚定义3.2.2温湿度采集模块设计 温湿度采集模块的设计主要基于温湿度传感器DHT11。DHT11是广州奥松研发生产的一款包含已校准数字信号输出的温湿度一体化的数字传感器。它采用专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，从而保证产品具备可靠性与稳定性等特点。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，同时它功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。它成为了各类应用场合甚至是最为苛刻的应用场合的最佳选则。本次设计中我们使用了四个DHT11，采用并行的连接方式将他们放置于检测范围的四个边角，从而得到四路的温湿度信号。以此来模拟不同环境下监测点温湿度的变化情况。DHT11封装图如图3.4所示。图3.4DHT11封装图DHT11具有以下特性：供电电压：3.3~5.5VDC输出：单总线数字信号测量范围：湿度20-90%RH，温度0~50℃测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2℃分辨率：湿度1%RH，温度1℃互换性：可完全进行互换，长期稳定性：<±1%RH/年同时DHT11还具有以下的优点：（1）可同时对温度和湿度进行测量;（2）可自行进行校准，且输出量全部是数字量；（3）低功耗且稳定性极佳；（4）可进行长距离的数据传输；（5）无需其他额外的部件；（6）应用电路简单，易于搭建。其常用电路图如图3.5所示。图3.5DHT11应用电路图数字温湿度传感器DHT11采用的是单总线数据格式。即，单个的数据引脚端就可以实现数据输入和输出的双向传输。其发送的数据由5Byte或40Bit组成。数据分为小数部分与整数部分。具体的格式说明如下：一次完整的数据信息传输为40Bit，高位先出。数据的格式：8Bit的湿度整数部分的数据+8Bit的湿度小数部分的数据+8Bit的温度整数部分的数据+8Bit的温度小数部分的数据+8Bit的校验和(校验和的数据由前四个字节相加和所得)。传感器输出的数据是没有进行编码的二进制数据。数据(温度、湿度、小数、整数）之间必须分开来处理。如果，某一次从传感器中读出数据如下：Byte4Byte3Byte2Byte1Byte00010110100000000000111000000000001001001通过上述的数据就可以计算得到温度以及湿度的数值，具体的计算方法如下：湿度值=Byte4+Byte3=45.0（%RH）；温度值=Byte2+Byte1=28.0（℃）；校验值=Byte1+Byte2+Byte3+Byte4=73（温度值+湿度值），（校验正确）；在应用的时候必须要注意：DTH11传感器进行一次通讯的最大时间值是3ms，而且主机连续采样的时间间隔必须大于100ms。 3.2.3PM2.5采集模块设计本模块采用了夏普公司开发生产的GP2Y1050AU0F传感器。该传感器体积较小，重量较轻，易于安装。5V的输入电路，导致其信号便于处理。它的工作原理：由于微粒或者分子在光照下会产生光的散射现象，同时，还会吸收部分光照的能量。所以当一束平行的单色光照射到被测颗粒场时，会因为颗粒散射和吸收的影响，使得入射光的光强衰减。通过这种方法可得出入射光通过待测颗粒场的相对衰减率。而相对衰减率的大小能线性的反应待测颗粒场灰尘的相对浓度。因为光强的大小和经过光电转换的电信号强弱成正比，经过测量电信号就可以轻易得出入射光的相对衰减率。检测原理图和硬件电路图如图3.6、图3.7所示。GP2Y1050AU0F传感器的串口输出参数为：波特率：2400bit/s；每10ms发送一个字节，共7个字节，其中校验位=Vout(H)+Vout(L)+Vref(H)+Vref(L)；数据发送格式如表3.2所示：表3.2数据发送格式起始位Vout(H)Vout(L)Vref（H）Vref（L）校验位结束位0xaa如：0x01如：0xe0如：0x00如：0x7a如：0x5b0xff数据处理：接收的数据经过公式计算后便得到Vo的值：Vo=(Vout(H)*256+Vout(L))/1024*5例如：Vout(H)=0x01，转换为10进制为1；Vout(L)=0xe0，转换为10进制为224；则Vo=(1*256+224)/1024*5=2.344V。计算得到Vo的数值后，乘以系数K便可得到灰尘的浓度值：灰尘浓度=K*Vo。图3.6GP2Y1050AU0F传感器检测原理图图3.7硬件电路图3.2.4电压电流采集模块设计电压互感器（Potentialtransformer简称PT，Voltagetransformer也简称VT）的工作原理与一般的变压器相同，仅在结构型式、所用材料、容量、误差范围等方面有所差别，它们均用来变换线路上的电压。但是变压器变换电压的主要目的是为了输送电能，它要求的容量非常大，因此它的计算单位通常是千伏安或兆伏安；而电压互感器变换电压的主要目的是为了给测量仪表或继电保护装置供电，它的主要作用用来对线路电压、功率和电能进行测量，或者用来保护当线路发生问题时线路中的贵重设备、电机或者变压器，因此电压互感器的容量普遍偏小，它的计算单位一般是伏安。本次系统中采用了DL-PT202D精密电流型电压互感器。它的结构参数和技术参数如下图3.8、表3.3所示。图3.8电压互感器结构参数表3.3电压互感器技术参数型号DL-PT202D额定输入电流0~2mA额定输出电流0~2mA最大输入电流10mA测量电压0~1000V额定点相位差≤15＇直流电阻/DCR110Ω±5%最大负载≤500Ω（2mA时）线性度≤0.1%隔离耐压4KV短时热电流20mA外壳材料ABS阻燃材料用途测量同名端1、3脚同名密封材料环氧树脂安装方式PCB安装工作温度-40℃~+70℃电压互感器实质是一种电压变换装置。它能将高电压转换为低电压，方便通过低压量值来反映高压量值的变化。它的工作原理：当输入端输入交流电压时，我们在被测电压后面串联一个限流电阻R3， 将被测电压转换为小于2mA的交流电流输入到电压互感器，然后互感器以1：1的输出交流电流，最后在互感器输出端并联电阻R4从而实现电压的采集过程。这样采集的电压为交流电，再通过一个整流桥后并联一个电解电容C13和一个电阻R5来进行阻容滤波，最终就能将采集到的交流信号转化为直流信号输入到微控制器中进行数据的处理和分析。从而实现了从高电压到低电压的隔离和转换测量。它的应用电路图如图3.9所示。图3.9电压互感器应用电路图电流互感器是一种电流的变换装置，它的工作原理是：电磁感应原理。它能将高压电流或低压大电流转换为电压较低的小电流，以供给仪表和继电器。电流互感器由两部分组成：闭合的铁心和绕组。它的一次侧线圈匝数较少，需要串联在被测量电流的线路中，因此它通常有线路的全部电流流过，二次侧线圈匝数较多，串联接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态相当于短路状态。电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来使用，二次侧不能开路。电流互感器结构参数、工作原理、硬件电路图及技术参数如图3.10、图3.11、图3.12和表3.4所示。图3.10电流互感器结构参数图3.11电流互感器工作原理图图3.12电流互感器硬件电路图表3.4电流互感器技术参数产品说明HTTA-226B电流输出型性能指标参数符号指标变比\1000:1额定输入In0-5A稳定输出Io0-5mA负载电阻RL100Ω精度等级ρ0.2级线性范围\0-10A相移δ＜20’耐压Vd3000V/min绝缘强度\1000MΩ/500V/min工作温度Ta-25℃～+75℃存储温度Ts-40℃～+80℃工作频率F50Hz～60Hz相对湿度\＜90%外壳材料\环保阻燃ABS产品特点较高的性价比，环保无污染体积较小，精度比较高，线性度好安装的方式灵活，线性范围宽主要规格输入输出负载比差相位差线性范围5A5mA≤100Ω≤0.2%＜20’0-10A产品应用适合于电力网络仪表、电量变送器、电流表、测控装置等3.2.5按键模块设计本次设计中采用独立式键盘，键盘的主要功能是为了控制12864液晶显示模块，实现数据的翻页，确认，退出等操作。其原理是，CPU初始化时将键盘引脚赋值为高电平，在程序中不停对该键位进行扫描，在按键按下时，该键位端口电平跳变为低电平，此时CPU便认为将有一个事件被执行，该事件可以是程序开发者赋予的任何事件。本次总共设计了5个按键开关。Key1接控制器的P3.3端口，用来当作界面选择的确认按钮；Key2、Key3、Key4分别接控制器的P3.4端口和P3.5端口以及P3.6端口，分别用来进行温湿度界面选择、PM2.5界面选择、电压电流界面选择；Key5接控制器的P3.7端口，用于实现界面的退出功能。按键模块电路如图3.13所示。图3.13按键模块电路图3.2.6电源模块设计本次课题中由于下位机控制系统中STC12C5A60S2单片机、PM2.5传感器、独立按键、DHT11传感器、蜂鸣器报警模块等需要5V供电，而nRF24L01需要3.3V供电。为了方便统一供电，所以采用2节3.7V电池经过串联的方式，然后通过稳压芯片7805将输入的电压转换为5V电压给系统供电。因为nRF24L01的电压范围为1.9V~3.6V之间，超过3.6V易烧毁模块，本系统用电为5v供电，所以采用5v通过稳压芯片LM1117-3.3稳压后输出3.3v为nRF24L01单独供电。系统供电电路及3.3V稳压电路如图3.14、图3.15所示。图3.14系统供电电路图3.153.3V稳压电路上位机控制模块由USB转TTL模块进行5V电压供电，再经过AMS1117芯片将5V电压转换为3.3V给nRF24L01供电。上位机控制模块供电电路如图3.16所示。图3.16上位机控制模块供电电路3.2.7报警模块设计报警模块分为两个部分：下位机蜂鸣器报警模块、上位机LED报警模块。当采集的数值超过设定的阈值时，下位机蜂鸣器模块发出报警信号，蜂鸣器鸣叫。与此同时，上位机LED报警模块中相对应的LED灯发出报警信号，从绿色转变为红色。下位机报警电路硬件图如图3.17所示。当P3.1引脚为高电平时，三极管导通，蜂鸣器中有电流流过，发出响声，进行报警功能；当P3.1引脚为低电平时，三极管截止，蜂鸣器不工作。上位机LED报警模块如图3.18所示。图3.17蜂鸣器报警电路图3.18上位机LED报警模块在本次课题中，各模块报警上下限设置如下：温湿度报警上限为温度40℃，湿度40%。PM2.5模块报警上限为200。电压采集模块报警上限为36V，电流采集模块报警上限为5A。3.2.8液晶显示模块设计本设计中选用的液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块。该模块可显示汉字及图形，也可与CPU直接相连，为了提高传输速率，本设计采用并行的连接方式。其引脚如表3.5所示。表3.5点阵液晶显示模块引脚说明引脚名称方向说明引脚名称方向说明1VSS-电源负极11DB4I/O数据42VDD-电源正极12DB5I/O数据53VO-LCD偏压输入13DB6I/O数据64RSH/L数据/命令选择端14DB7I/O数据75R/WH/L读/写控制信号15PSBH/L并/串行数据模式6EH/L使能信号16NC-空脚7DB0I/O数据017RSTH/L复位端8DB1I/O数据118NC-空脚9DB2I/O数据219LEDA-背光源正极10DB3I/O数据320LEDK-背光源负极LCD12864基本特性如下：1.供电电压范围为+3.0~+5.5V；2.显示分辨率:128×64点；3.内置128个16×8点阵字符；4.通讯方式：串行、并口可选；5.不需要需片选信号，可以简化软件设计；6.工作温度:0℃-+55℃，存储温度:-20℃-+60℃。液晶显示屏与单片机的并行连接电路如图3.24所示。由于12是全双工通信，数据传输速度较快，而本次系统中需要传送7路数据，数据传送量大，而12864并行的连接方式比串行的传输速率快。因此我们采用并行的连接方式。其电路图如图3.19所示。图3.19显示模块电路图3.2.9无线数传模块设计nRF24L01是微功率的无线通讯模块，采用Nordic公司研究生产的nRF24L01芯片，2.4GHz全球开放ISM频段，免许可证使用支持六路通道的数据接收。最高工作速率可达2Mbps，125频道可以满足多点通信以及跳频通信的需求，体积小巧轻薄约31mm乘以17mm，高效GFSK调制，抗干扰能力强，因此适用于无线音视频传输、工业控制领域等需要较大传输速率的无线通讯需求。它的基本电气特性如表3.6所示。表3.6nRF24L01基本电气特性参数数值单位供电电压1.9～3.6V最大发射功率0dBm最大数据传输率2021kbps发射模式下，电流消耗（0dBm）11.3mA接受模式下电流消耗（2021kbps）12.3mA温度范围-40～+85℃数据传输率为1000kbps下的灵敏度-85dBm掉电模式下的电流消耗900nAnRF2401有四种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。工作模式由CE和寄存器内部PWR_UP、PRIM_RX共同控制，其工作模式如下表3.7所示。表3.7nRF24L01工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接受模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式101→0停留在发射模式，直到数据发送完待机模式II101TXFIFO为空待机模式I1-0无正在传输的数据掉电模式0nRF24L01与为微控制器的硬件电路图如图3.27。VCC端接经3.3V稳压电路转换的3.3V电压。CE使能发射或接收接P1.1口，SCK接P1.7口，MISO接P1.6口，CSN接P1.2口，MOSI接P1.5口，微控制器可通过SCK、MISO、CSN、MOSI这几个引脚配置nRF24L01。IRQ作为中断标志位接P1.0口。其收发电路如图3.20所示

图3.20nRF24L01收发电路3.3上位机控制模块设计上位机控制模块由微控制器STC12C5A60S2、nRF24L01、USB转TTL、5V转3.3V稳压模块、上位机组成。3.4本章小结本章主要介绍了多路无线数据采集系统的硬件设计，对所采用的硬件元器件做了总体概述并介绍了相关电路的设计。主要包括单片机最小系统、温湿度采集电路、PM2.5采集电路、电压电流采集电路、系统显示与按键电路、系统报警电路、系统供电电路、无线数传电路。本章所涉及芯片多，电路复杂，是本次设计的重点，也是难点。第4章系统软件设计对于基于单片机的数据采集系统来说，上一章的硬件设计相当于构造人的身躯，而本章要介绍的软件设计则相当于铸就人的灵魂，所以，系统软件设计的重要性就不言而喻了。为了设计出功能明确、可读性强、调试方便的程序，一般采用结构化程序设计的方法。结构化的程序设计包括三个层面的工作：自顶向下的设计、模块化编程和结构化编程。具体操作方法是把系统从整体到局部再到细节，一层一层分解开来，一直分解到最下层模块，方便编码时为止，所有模块调试成功以后，又将各个模块联调，最后构成一个整体软件系统。4.1软件整体设计本次软件程序设计可以把整体两大部分：下位机设计和上位机设计。下位机部分又可分解为五个部分：主程序、温湿度采集子程序、PM2.5采集子程序、电压电流采集子程序、显示子程序、按键子程序、无线传输子程序。本次程序编写在KeilµVision4软件中采用C语言进行编写。两节电池供电，开关按下后，程序开始执行。首先硬件进行初始化，各个模块开始工作。各模块测量过程中，不断对按键进行扫描，以获取输入信息，根据扫描得到的信息，调用相应的程序，实现相应的功能需求。在数据进行测量过程中，无线模块和报警模块发挥作用。一方面，报警模块不断检测测量的数据是否在规定的阈值之内，一旦不在范围内，马上蜂鸣器报警。另一方面，无线模块循环进行，实时传送数据，输送给接收方上位机显示。如图4.1所示：图4.1主程序流程图4.2上位机软件设计本次上位机设计采用的是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NETFramework之上的高级程序设计语言C#。其主要作用是进行温湿度，PM2.5，电压电流等数据的实时显示，并显示曲线。若超过阈值，通过LED灯实现报警功能。其软件流程图如图4.2所示。图4.2上位机软件流程4.3本章小结本章主要介绍了数据采集系统软件的总体设计。对系统的主程序流程图及上位机软件流程图做了简要的介绍。第5章系统的调试、运行系统的硬件、软件设计完成后，就是对系统的调试。硬件设计的设计工作占整个系统工作量的3/10，而调试和改进工作则占到整个系统工作量的7/10，所以通常说，电路是不断调试出来的，没有进行调试的设计，不能算的上是成功的的设计，充其量只不过是复制别人的成功而已。调试一般分为硬件调试、软件调试、系统联合调试。调试的顺序为先硬件，后软件，最后再到系统联合调试。硬件、软件的调试方法和程序设计方法类似，一般采用模块化调试。5.1硬件调试硬件的调试是所有调试的基础，若硬件调试不通过，软件调试则是无从下手。当硬件设计从焊接安装完成之后，马上就进入了硬件调试的阶段。5.1.1硬件调试的步骤系统硬件调试是为了确保硬件处于正常的作状态，其过程大体分为以下几个步骤：1.排除逻辑故障在一些纯手工焊接的电路板中，可能会出现错焊、开路、短路等现象。排除问题的首要办法先将电路板和原理图认真比照，看二者是否一致，尤其要重点检查芯片的供电系统，以防止电源短路或者极性错误；其次可以充分利用数字万用表来检测电路。2.检查元器件的好坏元器件坏掉有两个原因：一个是元器件买来时已经坏掉;另一个是由于安装错误，造成元器件烧坏。检查的方法是：一是像二极管、三极管，继电器之类的元器件可以通过数字万用表的通断档检验：二是用相同型号的元器件替换对比，判断其好坏。3.检查电源在确保电路焊接准确无误的情况下，若所上的电极性错误或幅值过限，也会造成电路板不能正常工作，甚至烧毁，所以系统上电之前一定要检查系统的供电电源。4.排查有问题模块有时候，每个模块调试无误后，把所有模块联合起来调试时，却会出现系统不能正常工作的现象，这时可以采用模块替换或去掉的方法排查影响系统的模块，然后根据现象再分析出现这种情况的原因，重新完善，再次整体调试，再次排查，直到不再有问题。5.1.2硬件调试问题及解决方法。调试问题1：通过整流和电容滤波后的直流电压不稳定。原因分析：（1）焊接电路有问题。（2）整流滤波前的交流电压不稳定。（3）滤波电路有问题。解决方法及步骤：（1）通过万用表对焊接电路进行检验，检查是否有虚焊。发现无问题；（2）对整流滤波前的交流电压进行测量，发现其稳定；（3）检测滤波电路，发现滤波电容过小，导致滤波不彻底，加大滤波电容。调试问题2：GP2Y1050AU0F传感器不工作。原因分析：（1）传感器坏了。（2）供电有问题。（3）程序编写错误。解决方法及步骤：（1）通过示波器进行校验，发现输出波形符合标准，排除传感器损坏的原因；（2）对传感器进行单独供电，发现传感器正常工作。由此可推出供电部分出现问题。因为gp2y1050au0f传感器的工作电压是4.8-5.2V，而单片机为12864供电后电压只有3.8V，电压过低导致传感器无法工作。因此需加上电源模块为PM2.5传感器单独供电。调试问题3：蜂鸣器报警模块不工作。原因分析：（1）电路焊接错误。（2）电路设计问题，导致驱动能力不够。解决方法及步骤：运用万用表进行检测，发现电路没有问题。经检测，发现12的单片机驱动能力不够，必须在报警电路中加上一个上拉电阻才行。5.2软件调试软件调试是整个软件系统设计中非常重要的一部分，只有软件调试成功，才能将软件与硬件相结合，从而实现系统功能。5.2.1软件调试步骤软件在调试时采用模块化调试思想，将整个软件系统划分为多个子功能模块，对每一子功能模块逐个进行调试，调试完成后，再逐个将不同功能模块相结合进行调试，直到将所有模块全部结合在一起为止，调试完成。在软件调试过程中遇到问题时仔细观察问题细节情况，分析出所有可能导致问题的原因，然后逐一尝试排除，若仍未找到原因，可逐句分析整个程序执行过程，直到找到问题根源为止。5.2.2软件调试问题及解决方法调试问题1：温湿度采集显示0，未采集到数据。

原因分析：（1）程序问题；

（2）DHT11已损坏。解决方法与步骤：

（1）更换传感器，仍然未采集到温湿度；

（2）检查程序，使其循环检测读取并显示温湿度，依然未采集到温湿度；

（3）由于程序从传统51单片机移植而来，考虑到STC12C5A60S2单片机比普通51单片机速度快，所以传统51系列单片机的延时程序并不适用于STC12C5A60S2单片机，更改延时程序，将延时时间缩短，问题得到解决。

调试问题2：nRF24L01收发数据不完整。

原因分析：程序编写问题。

解决方法与步骤：仔细检查程序，发现配置寄存器时，配置的接收发送有效数据长度小于设定数据长度。修改程序使二者匹配，问题解决。

调试问题3：12864液晶显示出现花屏

原因分析：程序编写问题

解决方法与步骤：51换成12后，延时函数的延时时间改变，但模块所需的延时是不变的，但单片机延时程序实际延时时间改变了，缩短了。5.3系统调试运行结果在进行了两个多月的软硬件联调，在此次毕业设计过程中经过反复的探讨与修改，最终完成了预期的功能。1.首先是下位机实物图和上位机控制模块实物图与界面图。如图5.1、图5.2所示。图5.1下位机系统实物图图5.2上位机控制模块实物图与界面图2.下位机液晶显示模块的开机界面及选择菜单。如图5.3、5.4所示。图5.3开机界面图5.4选择菜单界面3.采集模块分为：4路温湿度，PM2.5，电压电流。下位机液晶显示如下图5.5所示。图5.5下位机液晶显示模块4.上位机主要显示实时数据及实时曲线，同时可通过LED灯实现报警功能。如下图5.6、图5.7、图5.8所示。图5.64路温湿度曲线图图5.7PM2.5曲线图图5.8电压电流曲线图5.4本章小结本章主要介绍硬软件调试步骤，及硬软件调试过程中出现的问题及解决问题。最后，对整个系统的总的调试结果做了一个简述。第6章结论与展望6.1结论本文主要从数据采集系统的发展过程出发。介绍了数据采集系统的现状以及国内外的发展情况，明确了该系统对人类社会发展进步的意义。然后，经过逐步的实验，确定了我们的方案。在硬件电路焊接完成以后，经过不断修改和调试，最终完成了课题的基本要求。设计主要成果总结如下：（1）通过总体设计思路设计出了最合理的方案，完成了器件的选型以及各模块电路的设计。包括无线收发电路、PM2.5采集电路、电压电流采集电路、温湿度采集电路、按键电路、液晶显示电路、电源电路等。（2）分析比较了国内外数据采集系统后，选择了以STC12C5A60S2单片机为控制核心。（3）在下位机控制模块以STC12C5A60S2单片机为主控芯片，nRF24L01为通信器件，蜂鸣器为报警电路，以键盘以及LCD12864作为人机交互的主要组成，以DHT11、GP2Y1050AU0F、电压电流互感器构建数据采集端。最终实现采集的数据在12864上实现实时显示，超过阈值时蜂鸣器发出蜂鸣声实现报警功能。（4）在上位机控制模块以STC12C5A60S2单片机为主控芯片，nRF24L01为通信器件，以C#编程语言，编写上位机界面。在上位机上实现7路数据及其曲线的实时显示，超过阈值时，在上位机上通过LED实现报警功能。（5）通过不断调试设计出了最合理的程序方案，实现了各模块之间的协调。当毕业设计基本完成时，我们对整个数据采集系统也有更加完备的认识，同时也学到了许多有关采集系统的知识。整个系统的功能也达到了我们的预期目标。6.2展望由于本人能力有限，所以在本系统中仍然有许多不足之处及可供完善之处。展望未来，我们还可以从以下几个方面进行扩展：增加更多的数据采集模块，实现多方位，立体化的数据采集。增加手势识别功能，可通过手势来代替控制键盘，真正实现智能化操作。利用互联网实现远距离通信，做到真正意义上的远程控制。致谢此次毕业设计已接近尾声，在这半年中，我有付出，也有收获，经历了许多，学会了许多，也成长了许多。在此，我要感谢我的母校，感谢我的老师，感谢陪伴我的同学们，感谢我的家人。我首先要感谢的是赵燕云指导老师。在本次毕业设计的整个过程，赵老师倾注了大量的时间和心血，从论文的选题、开题报告的撰写、平时进度的检查、期中和期末检查、论文的撰写，到最后答辩的注意事项等，对我严格要求，帮助我解答了许多疑难问题。此外，我还要感谢李红岩老师。在我的本科学习期间以及本次毕业设计期间，李老师为我提供了大量的帮助。特别是方案的设计及总体设计思路上，李老师提出了许多建设性的意见。最后我还要感谢所有在大学期间为我授业解惑的老师。在所有老师的帮助下，我的毕业设计才得以顺利完成。此外，我还要感谢实验室的同学为我提供器材，帮我解答难题。感谢张华军、张晓斌等同学，对我此次的毕业设计提出了宝贵的意见。除此，我要特别感谢我的搭档鱼轮同学，正是由于我们的通力合作，才能高质高量地完成此次毕业设计。最后，我要感谢我的家人，是他们对我的默默支持，使得我顺利完成大学四年的学业，是他们的默默付出，使得我拥有了一个光明的前途。在此，我要再次感谢我的老师、父母、同学们，祝愿你们万事顺利、身体健康！参考文献[1]刘德坤.无线数据采集[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2021.[2]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京航空航天大学出版社，2021.9.[3]李军.数据采集系统整体设计与开发[M].北京航空航天大学出版社,2021.[4]陈锡辉,张银鸿.LabvIEw8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2021.[5]郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用[M].西安电子科技大学出版社，2021.[6]郑刚.基于无线网络的数据采集系统研究开发[D].西安:西安理工大学,2021.[7]曹益,张海峰,侯维;基于WIFI的无线测控系统设计与实现[J].电测与仪表,2021,48(7):81-83,96.[8]张建平.常用无线收发模块应用与选型[J].电脑单片机,2021,547:74-76.[9]孙宝元,杨宝清.传感器原理及其应用手册[M].北京:机械工业出版社,2021.4:2.[10]高翔.基于无线通信的电力参数采集与处理系统[D].广西大学硕士学位论文.2021:1~3.[11]PabloCosti-Kowolik,RobertoGutierrez-Mazon.AFirstApproachTowardsaHigh-SpeedPCI-basedDataAcquisitionCardforIndustrialApplications.IEEEElectricalandElectronicsEngineersinIsrael,2021,24(19):426-429.[12]WeiZhang,MichaelS.Branicky,StephenM.Pillips.Stabilityofnetworkedcontrolsystems,IEEEcontrolsystemsmagazine,2021,37(21):84-90.[13]YangKe-ji,WuEr-yong.ResearchonanintegrativesystemforautomaticdynamicbalancingemendationbasedonPCIbus.Robotics,AutomationandMechatronics,2021,2(13)：626-631.[14]马海潮.超高速数据采集技术发展状况[J]．测试技术学报，2021，17(4):287-29.[15]解威．多通道数据采集系统的设计与实现[D]：[沈阳理工大学硕士学位论文]．沈阳：沈阳理工大学，2021，11-12.[16]周林，殷侠等．数据采集与分析技术[M]．第一版．西安：西安电子科技大学出版社，2021．[17]任家富，庹先国，陶永莉．数据采集与总线技术[M]．第一版．北京：北京航空航天大学出版社，2021．附录I系统实物图附录II系统硬件电路图

引力波的实验探测给我们的启示摘要：引力理论的发展经历了数百年，从牛顿到爱因斯坦，从万有引力定律到广义相对论。在这过程中，科学家们引力波的预言质疑不休、争论不止。而引力波的实验探测无疑证明了一切。引力波的发现，弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞，也确定了他的理论的正确。这是人类史上出现的又一契机，它将为人类社会带来重大变革。“破五”是中国传统迎财神的日子。2016年的这一天，却一个让全世界物理学界沸腾的日子，甚至许多的物理学家为之痛哭流涕——被预言已经百年的引力波，终于被探测到了。引力是什么？在今天人们所知道的物质的四种基本相互作用中，引力作用为最弱。四种相互作用按作用强度比例顺序是：强相互作用(1),电磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此，在研究基本粒子的运动时，引力一般略去不计。但在天文学领域内，由于涉及的对象的质量极其巨大，引力就成为不仅支配着天体的运动，而且往往是天体的结构和演化的决定因素。引力并不是一种所谓的“力”，而是一种属性。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首次提出万有引力定律，基于此，他结识了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象，并根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。简单的说，质量越大的东西产生的引力越大，地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，突破了绝对时间和绝对空间的概念，否定了瞬时超距作用，从根本上动摇了建立在这些旧观念基础上的牛顿引力理论。经过十年的探索后，爱因斯坦于1915年提出了迄今为止最成功的近代引力理论——广义相对论。广义相对论中，引力被归咎于时空的弯曲。这种弯曲是由物质造成的，物质的质量越大，所形成的扭曲也就越严重。但是这种弯曲，对于人类来说根本感知不到，一是因为人类伴随这种弯曲一起弯曲了，而是由于这种弯曲太微小。大质量物体发生的扭曲引起了震动，而这种震动，就是引力波。科学家们通过探测这种时空震荡，来证实引力波的存在。早在1916年，爱因斯坦在广义相对论中就预言了引力波的存在。而科学家们普遍认为，这次LIGO这一发现是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，证实了爱因斯坦广义相对论的正确性，弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞，验证了已故科学家爱因斯坦的预言。探测的仪器叫做迈克尔逊干涉仪，或是LIGO。LIGO的“两条腿”都有4千米长，最近的一次升级就花去了几十亿美元。LIGO的原理是什么？简单来说是利用光速不变，在同样的直线路程里测试耗时，而通过时间的偏差（尽最大可能排除误差，也是耗资巨大的原因）来判定空间确实存在震动。这样的实验设置基于爱因斯坦的假设：光速不变，是因为以光的视角看，它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。可能的引力波探测源包括致密双星系统（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。在过去的数十年里，许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在进行了大量研究。其中，泰勒和赫尔斯由于第一次得到引力波存在的间接证据荣获1993年诺贝尔物理学奖。到目前为止，类似的双中子星系统已经发现了近十个，但是双黑洞系统却是首次。在实验方面，第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯。虽然他的共振棒探测器最后没能找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河，为如今的硕果打下了基础。因为在地面上很容易受到干扰，所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA（演化激光干涉空间天线）。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形，同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准，正式立项，目前处于设计阶段，计划于2034年发射运行。作为先导项目，两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功，目前正在调试之中。中国的科研人员，在积极参与目前的国际合作之外之外，也在筹建自己的引力波探测项目。引力波的实验探测引起了世界范围的轰动，这些探测极其不易，宇宙中发生爆炸性的大事件时产生的引力波，才相对容易探测到，例如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。100年前，爱因斯坦在预言引力波存在时就曾说：“这些数值是如此微小，她们不会对任何的东西产生显著的作用，没人能够去测量它们。”蔡一夫给出解释：“时间发生得越早，距离越远，越会在宇宙中传播期间被红移。红移指的是由于宇宙本身的膨胀将所有的波动的波长拉直拉平，这样其波动性就难以被探测到。例如，这次LIGO探测到的引力波，是13亿年以前两个大约30个太阳质量的黑洞并合所产生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探测到真的是非常不容易，LIGO实验组的科学家们也是在几十年里经历多次挫折，不断调整方案，改进仪器，才最终探测到的。”所以它的成功探测也标志着在这个领域人类的技术进步到了前所未有的水平。而它所具有的里程碑意义不止在科学情感上，更在于能够打开人类的一个新的世界——每个人都对它满怀期待。如果电磁波探测是人类的眼睛，那么人类又多了一双聆听外界的耳朵。马克斯·普朗克引力物理研究所说：“在《星际穿越》和《三体》中，都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段，这也许只能是美好的幻想，但对于天文研究而言，引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风，就带来了一个重大的信息：极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间（10亿年）内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中，LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢？”引力波有两个非常重要而且比较独特的性质。第一：不需要任何的物质存在于引力波源周围。这时就不会有电磁辐射产生。第二：引力波能够几乎不受阻挡的穿过行进途中的天体。比如，来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡，引力波能够不受阻碍的穿过。对于天文学家来说，这两个特征允许引力波携带有更多的之前从未被观测过的天文现象信息，而每一个电磁波谱的打开，都会为我们带来前所未有的发现。天文学家们同样期望引力波也是如此。而引力波本身的性质也可能对基础物理学产生巨大的影响。另外，引力波蕴含的，很可能是宇宙诞生的画面。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空的开始，宇宙又一次最为剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在？有多大规模？不仅如此，引力波还能传递信息——我们看不到的宇宙空间在发生什么？据科学家解释，这次的引力波就是在遥远的距离上巨大的黑洞变化引起的。而这一结果也证明了黑洞真实存在——至少是广义相对论预测的由纯净、真空、扭曲时空组成的完美圆形物体。并且，引力波传递的信息可以让科学家更精确地估计宇宙膨胀的速度。总而言之，一个新的重大科学发现，总会给人类社会带来无法预估的发展。18世纪面熟电磁波的麦克斯韦理论确认的时候，也没人知道会给人类带来什么，但是现在不管是电视机还是移动电话，都与电磁现象有关。引力波的发现类似当年的发现X光一样，是一种工具。有了这个工具，我们可以利用引力波的观察，去观察遥远的宇宙的现象。发现HYPERLINK"/s?wd=%E6%