公司预算管理制度设计及多路无线数据采集系统硬件设计

公司预算管理制度设计一、预算管理组织预算包括营业预算、资本预算、财务预算、筹资预算，各项预算的有机组合构成企业总预算，也就是通常所说的全面预算。预算管理可优化企业的资源配置，全方位地调动企业各个层面员工的积极性，是会计将企业内部的管理灵活运用于预算管理的全过程，是促使企业效益最大化的坚实的基础。（一）预算管理组织构建原则1.高效高效运行是预算管理组织机构设置的首要原则。所谓高效运行就是反馈及时、反映敏捷、作用有力、生效迅速。预算，管理组织机构作为预算管理职能的执行主体，其设置目的在于充分、有效地实施预算管理职能。显然，只有高效运行的机构才能保证此目的的实现。2.适度简繁适度的机构设置是高效运行的基础。庞大、臃肿的机构徒添重复、无效的管理，必然降低管理效率，甚至可能表面人人管理，实际人人不管，从而导致管理的混乱;过于简单的管理机构，又难以担当预算管理的责任，容易顾此失彼，从而导致管理的低效。简繁适度的组织机构，用恰到好处的人员、部门，承担恰如其分的管理职能，才能使预算管理有序而高效的运行。当然，所谓“适度”是相对而言的。不同行业、不同规模、不同组织管理形式的企业，具有不同的“度”。3.系统无论是“简”是“繁”，预算管理组织机构都必须系统设置。预算管理是一种全面管理，既涉及到全员，又涉及到全过程，而且环环相扣，相互影响，交织成密切配合的预算网。如果其中某一个环节或某一个方面顾及不到，出现失误，则会影响整个预算的实现，并且会使整个预算机制的运行陷入混乱状态。4.权威有力设置系统的预算管理组织机构，并非意味着管理权能均分。由于管理者精力、能力所限，在全面管理的同时，还必须强调有力的管理。在管理机构的设置上则意味着在多数权责下放的前提下，少数关键权力必须集中在关键环节的核心机构。绝对集权或完全分权的组织机构，都将是缺乏力度的。5.清晰权责分明，减少“模糊”地带，也是组织机构高效运行的基本前提。各职能部门之间必须要有明确、清晰的管理权限和责任，才能在实施预算管理中减少或杜绝“扯皮”。6.经济提高经济效益是预算管理的根本目的，预算管理组织机构的设置首先就应经济。也就是说预算管理职能的实现还应该尽可能发挥现有人员、机构的作用，除非必须，尽量不另增设专门机构和人员。（二）预算管理组织委员会：预算管理委员会是董事会的一个专门委员会。它是预算管理决策机构，是组织领导公司全面预算管理的最高权力组织。（三）预算管理组织人员：预算管理委员会一般由企业的董事长或总经理担任主任委员，吸纳企业内各相关部门的主管（如主管销售的副总经理、主管生产的副总经理、主管财务的副总经理以及预算管理委员会秘书长等人员）为成员。对预算管理来说，预算管理委员会是最高管理机构。（四）预算管理组织委员会职权：组织有关人员对目标进行预测，审查、研究、协调各种预算事项。预算管理委员会主持召开的预算会议，由各部门主管参加，是确定预算目标、对预算进行调整的主要形式。预算管理委员会的主要职责包括以下几项：1、制定有关预算管理的政策、规定、制度等相关文件。2、组织企业有关部门或聘请有关专家对目标的确定进行预测。3、审议、确定目标，提出预算编制的方针和程序。4、审查各部门编制的预算草案及整体预算方案，并就必要的改善对策提出建议。5、在预算编制、执行过程中发现部门间有彼此抵触现象时，予以必要的协调。6、将经过审查的预算提交董事会，通过后，下达正式预算方案。7、接受预算与实际比较的定期报告，在予以认真分析、研究的基础上提出改善的建议。8、根据需要，就预算的修正加以审议并作出相关决定。预算管理组织的架构图：董事会预算管理委员会监事会总经理预算管理部预算管理责任中心投资中心利润中心成本中心二、预算编制（一）预算编制的责任人由公司总经理负责公司的预算工作，将预算工作下发各个部门，由各个部门进行预算，承担各自的责任，各部门编制完成预算，由财务主管和各部门的经理进行整理汇总，由总经理进行审核。（二）预算的原则（1）完整性原则部门预算编制要体现综合预算的思想。各种预算外资金要严格执行收支两条线的管理，所有收支全部纳入预算的管理。（2）透明性原则部门预算要体现公平、透明原则。（3）部门参与性原则部门预算应为各单位提供一种规范的模式，使部门可以将其所有收支情况通过法定预算的形式进行编制和使用。部门应根据部门职能、事业发展规划制定年度预算框架。（二）预算编制的步骤1、预算前的准备工作（1）分配任务，明确分工，严格规定各自的工作职能，以保证预算编制任务的完成。同时应根据上年度的和本年度的经济发展情况，综合考虑各方面的因素，制定本部门办单位的总体目标。（2）对各预算单位的各项财产物资进行全面清查登记，对债权债务进行认真核实，理清资金来源渠道和支出结构情况，做到账账相符，账实相符。（3）真是报告清产核资工作的结果，对资产清查中发现的资产盘盈、盘亏和损失等问题，进行相应的账务处理。2、编制预算（1）收入预算各个部门根据上年的和今年的经营状况，同时根据次年的业务量、收费项目和标准，实行根据相关因素进行增删减。（2）支出预算各个部门根据上年的和今年的支出情况进行计算，同时根据次年的人员经费、产品成本、业务费等其他支出项目和标准，实行相关因素进行增删减。（3）经营预算企业的各部门经理和财务主管根据提预算数据，进行编制销售预算、采购预算、生产预算等其他预算。（4）资本预算企业的各部门经理根据提交的预算数据进行编制投资预算、筹资预算和专项预算等其他预算。企业的总经理根据上述的预算，统筹一下，编制出企业的现金流量表，预计资产负债表和预计利润表。三、预算审核预算的审核分为项目审核和制度审核。预算的项目审核由预算管理委员会负责，审核程序包括：（1）根据预算要求各主管部门负责提出预算项目审核报告，报主管公司领导；（2）主管公司领导对预算项目审核报告的内容审核后，提交给预算管理办公室再上报预算委员会；（3）预算委员会召开会议，听取主管部门的汇报，按照公司战略和重点工作的要求，对预算项目进行审核；（4）经预算委员会审核的项目，由各主管部门提交预算价格给价格小组审核；（5）价格小组负责依照公司价格管理的有关规定，对各项目的预算价格进行审核，必要时可聘请有关专家进行论证；（6）经价格小组审核后的预算，由主管部门报企管运营部和财务部。预算的制度审核由预算管理办公室负责依据公司已颁布的各项费用支出管理规定的费用标准进行审核，杜绝超标准的费用支出；审核程序包括：（1）各主管部门负责提出须经制度规定审核的预算，上报主管公司领导。（2）主管公司领导对预算内容审核后，交由预算管理办公室对各项预算进行制度规定的审核。（3）预算管理办公室根据公司有关费用支出的制度规定，对预算项目进行审核。预算委员会如果不同意部门的审核，则应当将各部门编制的预算报告返回各个部门并且更改或重新编制，各个部门及时沟通结局问题。四、预算执行控制预算执行过程中的控制主要有外部控制和自我控制两种形式。1、外部控制是指预算执行过程中上级对下级的控制;自我控制是指每一责任单位对自身预算执行过程的控制。自我控制的好处在于，在预算编制过程中，各级责任部门都有所参与，在预算执行以前对预算就已经心中有数，有利于在执行过程中发挥主观能动性。所以，在管理过程中应以自我控制为主。预算目标的分解明确了各责任单位的目标和责任，并使他们拥有了相应的权力，与激励制度相配合，把责、权、利紧密结合起来，这样会更有利于责任单位在执行过程中对偏离预算的不利活动进行自我纠正，调动责任单位实行自我控制的积极性。

2、在利润预算管理过程中，通常是预算外的部分严格实行外部控制，预算内的实行外部控制与内部控制相结合。对于一年预算期来说，具体某个项目的预算可以采用总额控制法，允许本月节余转入下月使用，但总额不能超出预算，控制过程以实行自我控制为主;预算项目间的挪用是要坚决控制的，应以外部控制为主，这样才能使预算活动有序而高效地运行。

3、在预算执行控制过程中，还应注意同时运用项目管理、数量管理、金额管理和计算机系统管理等方法。即把预算内容按项目分类，从数量、金额和与业务发生有关的部门等方面分别进行管理控制，并将预算方案输入计算机管理系统，利用计算机程序、计算机网络对预算指标进行严格控制。在计算机技术迅速发展的今天，利用计算机管理信息系统(MIS)加强对预算执行过程的控制，具有较好的辅助管理控制作用。将预算方案与预算执行结果输入该系统，一方面可以起到较好的控制作用，另一方面通过系统实现网络资源共享，以便于各层次的管理者及时掌握预算信息，随时检查预算执行情况。五、企业预算管理差异分析预算差异分析功能应服务于预算管理的各个环节，分析的范围应扩展到企业经营活动的各个层面，分析的主体应该包含参与预算的所有部门，分析流程应具准确性和适用性，从而满足全面预算管理指导经营的需要。全面预算管理是提高企业整体管理水平的重要手段，其核心在于对企业未来的行动进行事先安排和计划，对企业内部各单位、部门的各种资源进行分配、考核和控制，以使企业按照既定目标行事，从而实现企业发展战略。全面预算管理的有效作用已被国内企业广泛认同，不少企业纷纷实施了预算管理。然而，许多实施预算管理的企业组织大量人力投入预算编制工作，预算差异分析工作往往被忽略，成为预算管理的薄弱环节，使预算执行和评价工作无以支撑，进而难以发挥预算的控制、激励作用，整个预算管理变得有名无实。本文从差异分析实施的动因、主体、流程三方面，对预算差异分析作初步探析。（一）预算差异分析的动机1、辅助预算的编制决策。在预算编制中，不同的利益主体会站在自己的利益角度，提出预算需求，编报自己的预算方案以争取资源。由于预算执行单位和预算管理者之间的信息不对称，使得预算编制的决策者面对振振有辞的需求和方案，显得无从应对。预算分析通过对历史的预算方案编报情况和执行情况进行深入分析，来判断各级预算部门的本期预算需求和方案的准确性、真实性，从而为预算编制提供决策依据，避免在协调工作上耗费大量的精力。2.保障预算的实时控制。实际成果与预算标准的差异重大，应引起企业管理当局重视并审慎调查，判定差异发生的原因，以便及时采取适当的矫正措施。3.为预算调整提供依据。预算调整的依据首先来自于预算分析的结果。利用全面预算分析模型，将预算分析的范围扩展到历史数据的对比分析、未来结果的合理判断等方面来，使得预算调整的决策依据是多维度、多角度的可信分析结果。4.为预算考评提供基础。没有考核，预算工作无法执行，预算管理变得毫无意义。严格考核不仅是为了将预算指标值与预算的实际执行结果进行比较，肯定成绩，找出问题，分析原因，改进以后的工作，也是为了对员工实施公正的奖惩，以便奖勤罚懒，调动员工的积极性，激励员工共同努力，确保企业战略目标的最终实现。在企业管理实践中，考核与奖惩是预算管理工作的生命线。从上述对预算分析在预算各个环节的功能来看，预算分析是全面预算管理非常重要和不可或缺的一个部分。（二）预算差异分析的主体从目前的状况看来，预算分析工作基本由财务部门或预算部门“一手包办”，大多仅注重财务指标对比分析，而忽略对市场、质量、生产效率等费财务指标的分析，但全面预算是由各部门共同参与制定的，并以业务部门意见为主、财务部门或预算部门意见为辅，由于部门隔阂或信息不对称，停留在单纯的财务预算差异分析层面的预算分析，难以适应现代企业管理的需要，预算分析工作更应当向业务管理层面的分析倾斜，反映企业战略实施和业务流程等管理特点。因此，必须将各业务、流程部门扩大为预算分析的主体，才能得出准确、全面的预算分析结果。（三）预算差异分析的流程1、确定预算分析对象及分解标准。首先确定差异分析的对象。适合进行差异分析的预算项目一般都具备以下特点：该项目对预算目标的实现影响重大，该成本动因数据可以准确获得，该费用与其动因之间有较为确定的对应关系。其次确定差异分解的标准。预算管理委员会从企业具体业务出发，制订主要收入、成本、费用项目的差异分解标准，包括：差异分解的程度、差异分解后各细分项目对应的责任部门、各项目差异分解所参照的数据来源及收集方式。2、差异计算与分解。月度预算执行结束后，由财务部门部门根据收集的信息计算出各项目的预算差异，并依据差异分解标准对差异进行分解，确定差异的责任部门。根据不同的差异原因，预算管理委员会可以要求相应的责任部门做出差异原因解释。3、判断差异重要程度。预算管理委员会根据实际经验，制定差异重要性标准，并按此标准衡量实际发生的预算差异，确定其中重要的、需由相关责任部门做出解释的差异。差异重要性标准可采取以下形式确定：定量标准：设定差异率，即超过某一特定百分比的差异即为重要差异；设定差异金额，即超过某一设定金额的差异视为重要差异。定性标准：差异变动趋势，即连续若干月持续增长的差异视为重要差异；特殊性质，即产生未预期差异、重大错误数据或涉及企业重大管理缺陷的差异视为重要差异。4、查找重要差异产生的原因。对于重要差异，由预算管理委员会要求各责任部门对差异产生的原因进行解释。预算差异产生的原因很多，通过差异分解只揭示并排除了其中一部分原因，对预算差异的全面解释，需要各责任部门在差异分解的基础上，对其经营活动进行深入的、定量的分析，并对其可控性及在后续月度可能产生的影响做出判断。5、针对差异的相应措施。针对差异分析的结果采取以下措施：（1）调整经营活动，采取相应的预算控制方式。也就是说，由内部可控因素引起的不利预算差异，应由对应的责任部门调整其经营活动，采取措施消除差异产生的原因，并尽可能在后续月度消化已形成的预算差异。相应的预算控制部门对上述责任部门经营活动要加强预算控制力度。（2）调整后续月度的经营预算。结合公司为消除不利差异所作的调整，由预算管理委员会对初始编定的后续各期预算进行调整，以保证在完成年度预算的目标下，月度预算能够及时反映经营活动的变化，以便于实施控制与考核。预算差异分析是全面预算管理得以有效实施落实的重要手段，其功能应该服务于预算管理的各个环节之中；预算分析的范围应该超越财务报表，扩展到企业业务和经营活动的各个层面；预算分析的主体应该包含参与预算的所有部门；借助科学的预算分析流程，可大大提高预算分析的准确性和适用性，从而满足全面预算管理服务于企业战略发展、降低企业管理风险和提高企业综合管理水平的需要，使全面预算管理真正成为企业管理的利器。六、预算管理审计（一）实行财务预算管理审计的现实意义1.企业财务性质的转变需要实施财务预算管理审计2.预算管理的程序化要求加强对财务预算管理的审计（二）内部审计的独特功能有助于加强财务预算管理审计（1）财务预算管理审计的现状企业推行财务预算管理以来通过加强预算管理执行情况审计，使得企业的财务预算管理状况有了比较明显的转变，主要表现在：收入和支出结构逐渐趋于合理，资金预算收支运行平稳，各类违纪违规问题呈逐年下降的趋势但是由于经济运行中面临的不利因素较多，企业发展中一些深层次问题依然存在，一定程度上制约了财务预算的执行，也使得财务预算管理审计这个正常的工作没有得到更好的实施，造成我们在实际审计工作中面临很多的困难，从目前审计实践中看，主要存在以下问题：1.组织形式有待创新2.审计制度有待建立3.审计手段有待转变4.审计内容有待完善5.工作机制有待健全（三）预算管理审计思路创新的构想1.转变审计思路2.明确工作职责3.争取领导支持4.创新审计手段（四）公司预算管理审计的主要内容1.财务预算管理原则审计2.财务预算控制机制审计3.财务预算管理组织体系审计4.预算编制审计5.预算执行审计6.预算调整审计7.预算对比分析8.管理机制审计（五）企业预算管理审计应把握的原则1.全面性2.先进性3.促进性4.合作性七、预算调整预算调整的基本条件：市场环境，经营条件，政策法规发生重大变化，致使财务预算编制基础不成立，或者将导致财务预算执行结果产生重大偏差。1.预算内的调整2.对于不影响预算目标业务，资本预算，筹资预算之间的调整，企业可按内部授权申请标准制度执行，鼓励预算单位执行单位及时采取有效的经营管理对策，保证预算目标时实现。3.预算外的调整由预算执行单位逐级向企业预算委员会提出书面报告，阐述预算执行的具体情况，客观因素变化情况及其对预算执行造成的影响程度提出调整幅度。财务管理部门对预算执行单位的预算调整，报告进行分析。集中编制企业年度预算调整方案，提交预算委员会，企业董事会或经理办公室。财务管理部门对与预算执行单位的预算调整报告进行审核分析，集中编制企业年度预算方案，提交预算委员会，企业董事会或经理办公室审批然后下达执行。原则1.不可以偏离企业发展战略和企业年度预算目标。2.调整方案应当在经济上可以实现最优化。3.调整重点应在预算执行中出现的重要的，非正常的，不符合常规的关键性差异方面。八、预算考核办法及实施细则总则为促进预算管理、保障预算有效执行，实现公司各项经营目标，参照公司《财务预算管理的指导意见》及公司《预算管理办法（修订）》相关规定，结合工作实际，特制定本办法。第一条：本办法适用于公司预算指标考核。第二条：本办法的考核对象为公司各部门。第三条：预算考核遵循以下基本原则：客观公正、突出重点，指标考核。第一章：预算考核的程序第四条公司预算考核分为季度考核和年度考核。季度考核主要针对预算的日常管理进行考核，年度考核主要针对预算执行情况进行考核。第五条预算管理办公室每季度末20日内进行季度考核；每年度终了30日内进行年度考核，并将考核结果报公司预算管理委员会审核。第六条预算管理委员会对考核结果的客观性、公正性、合理性进行复核，并进行审批。第七条预算管理办公室将批准后的季度考核结果报企业发展部，纳入各部门季末次月的绩效考核；将批准后的年度考核报人力资源部兑现奖惩。第二章考核内容及方式第八条公司预算考核内容包括预算指标考核、预算工作质量考核两个方面。预算指标考核主要评价各部门预算执行情况，重点考核成本费用指标；预算工作质量考核主要评价各部门预算编制、控制和管理水平。第九条季度考核于每季度结束后20个工作日内完成，主要目的是通过信息反馈控制和调节预算执行偏差，确保年度预算的最终实现。部门季度考核包括扣分、加分两项。部门季度考核扣分计算方法如下：部门季度考核扣分=Σ部门负责人考核扣分+Σ预算员考核扣分季度考核无扣分者的相对较优部门，综合考虑各部门季度预算执行情况、预算管理及分析情况等因素，评选1-3个先进部门，给部门负责人、预算员加1-2分。第十条年度考核于年度终了后30个工作日内完成，主要是进行奖惩和为下年度的预算提供依据。年度考核为百分制，采取日常考核与年终考核相结合的方式评分，以得分最高者为优。部门年度考核得分计算方法如下：部门年度预算考核得分=基础得分+年终考核得分=（100–各季度扣分+季度考核得分）+（部门可控预算得分+突出节约事项得分）年终考核得分是对部门年度预算执行情况的总体评价，由财务部结合公司年度总预算执行情况进行综合考量。部门可控预算得分按照各部实际执行占可控预算（剔除不可控成本费用）的比例、及成本费用节约额进行计算。实际执行占可控预算比例达60%以上，按由高到低计分；60%以下属执行偏低不计分。突出节约事项得分是指在预算执行过程中，由非客观因素形成的突出节约贡献、或具有推广意义的先进事项，视部门突出节约事项的具体情况给予加分。第十一条不可控因素作为特殊情况处理不予扣分。遇自然灾害、政策调整等不可抗力因素及其他特殊因素影响预算执行的，各部应书面说明原因，于每季度末报财务部核实确认。第十二条公司预算指标按部门下达，以部门为单位进行考核，预算考核结果作为各部年度工作业绩考核的重要依据。第十三条各部门负责人作为预算管理的第一责任人，对本部门预算考核结果负责。各部门预算员在职责范围内，对本部门预算考核结果承担相应责任。‘第十四条公司季度预算考核部门负责人和预算人员；年度预算考核部门全体员工。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是广州奥松有限公司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2000kbps发射模式下，电流消耗（0dBm）11.3mA接受模式下电流消耗（2000kbps）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