【多接口数据采集系统的设计及仿真实现（论文）5500字】

绪论1.1研究背景今天，随着科技的不断发展，互联网技术以及集成电路技术也得到了较大程度的进步，当前在互联网信息技术领域以及普遍应用的数据采集技术，而且在该技术的科学研究，农业生产以及工业制造等各个领域都发挥了至关重要的作用。随着互联网云计算平台的不断发展，不同领域思维方式开始出现创新性发展，同时从软硬件等方面针对系统的开发也获得了较大的进步。现代科学和技术,才会有各个领域都开始的数据收集和交换信息,在研究和应用程序的过程中逐渐增加的数据收集的环节,要求收藏数据信息更高速的处理和更多的事情,外围扩展的电路的功能。传统的数据收集的工具相对简单的活动,收集的数量、速度并不快,依赖于计算机软件分析不同的区域在数据处理领域中,连通性和可开发性都不强。一个完整的数据收集系统，不仅可以单独收集数据，而且可以在高速公路上同步处理数据，还可以相互通信，并将其扩展到其他外围设备，形成一个完整的数据收集系统，甚至可以将数据下载到网络平台上，共享云信息。1.2研究目的和意义广泛的计算机应用现在在许多领域都有非常重要的应用。它是计算机和物理之外世界之间的桥梁。利用系列或红外线通信，实施应用于移动数据收集者的软件更新，并通过建立上泰瑟枪和移动数据收集器的通信协议，实现这两种之间的通信相互干扰。工业、工程、工厂等的应用，特别是在高数据收集环境中。例如，在许多工业生产和科学研究技术领域，数据经常使用计算机或无线电控制。有很多地方可以收集所有的数据，比如液体、温度、压力、频率等等。卫星数据成像系统使用遥测、遥控器和其他技术，对宇宙飞船最远的位置进行监控，并通过卫星传送到数据中心进行自动成像。计算机技术为电子技术规模比较小的计算机以及数字通信技术等得到了很大程度的发展，以此为基础推动了高性能数据采集系统的进步，同时也对该技术的开发产生了非常大的影响。1.3国内外发展现状国家和国际两级的数据收集技术被广泛用于军事、航空航天设备、工业、运输、医药等领域。传统的数据收集设备和系统的基础是具有不同功能的传感器和转换器/d)在收集电路的前端，然后通过电路放大、过滤等方式存储器数据收集系统，然后通过计算机控制器处理数据。随着半导体行业和集成电路设备行业的发展，出现了性能性能、低功率、高可靠性数据收集系统和数据收集卡。数据收集技术已成为一种专门技术，通过与新技术相结合而得到发展和应用。在这一阶段上，数据采集系统所采用的结构比组装模块先进，并灵活地修改或扩大该系统，同时考虑到设计者对应用的需要，对模块进行简单的改动、升级或配置，并与该系统的不同方案编制模式结合起来。现在，数据收集系统已经开始加速、建模、使用远程通信和进入，甚至是当领域范围更广阔时，也能够通过互联网进行互连接，例如PXI系统、VXI系统等。因为其他国家在数据采集系统技术的发展对我国产生了较大的影响，因此在我国发展该技术的过程和其他国家是近乎相同的，但是因为相较于世界上其他的发达国家，在原材料以及技术方面，我国仍然与之差距较大。当前我国收集系统仍然达不到全球水平。1.4本次设计的概述及目的在此次设计中，使用单片机为微处理器作为控制核心，选择了两种不同规格传感器，同时采集三路数据，温度数值实时显示在液晶显示器上。为了验证系统的可行性，测量温度是最简单、最直接的策略，在系统整体设计完成后，就可以通过传感器实时测量环境温度，通过比较获得的温度值，是系统的最佳验证。由于之前使用的数据采集系统通常具有较低的采样速度，而且在运行过程中稳定性不够，操作过程比较复杂，投入的成本较高等存在一系列缺陷，因此在本设计中主要针对这些缺陷进行解决，本课题设计的数据采集系统属于新型系统的一种。2多接口数据采集系统的总体设计2.1多接口数据采集系统设计方案在能够达到对多种接口传感器进行数据采集的系统中，传感器与主机之间有多种通信方式，通过自己在研究课题和查阅资料后，最终选择了采用了两种不同通信规格的传感器有1-wire总线接口的DS18b20芯片和IIC总线接口的LM35芯片。其主控制系统通过著名的微控制器进行控制采集，将得到的信息通过液晶屏进行显示，将这两大模块组合相互使用起来，就可以通过通信规格不同的传感器进行数据采集。该模块主要功能实现原理如表2.1所示。表2.1模块的主要功能及实现方法当更换传感器时，系统不需要为主计算机编制新的控制系统程序。它可以与新连接的传感器通信，完成传感器的基本功能。这样就允许了新连接的传感器和主机之间的通信。2.2传感器的应用模块在电子信息时代，信息收集是一个重要的话题，为了弥补信息收集的不足，传感器的电子元件得到了发展。传感器是一种检测设备，可以将测量的信息转换成所需的输出形式。为了更便捷地使用传感器，研究人员在传感器内部增加了存储器和定时器等多个功能模块。传感器虽然有很多种，但其接口的总线规格限制了传感器的通信方式。如表2.2所示的通信总线规格。表2.2通信总线规格如表2.2的通信规格，RS-232在计算机中的使用是多接口的，因此，为了更方便地执行设计功能，将选择另外两种总线规格的传感器与主机进行通信，并设计传感器。随着智能时代的到来，传感器的发展已经不再是简单的信息收集，随着智能设备的进化，传感器被赋予了更多的功能，这为传感器的发展打开了新的突破口。该智能传感器是将微处理器以及传感器两者相互结合，同时该传感器能够实现的功能比较多，例如处理信息数据，实现自我诊断，完成逻辑判断等。传感器的发展不简单是传统产业的升级转型，更是建立新的产业模式、改变世界面貌的可能。2.3多接口数据采集系统设计框图本论文完成的数据采集系统的核心控制器为，其型号为STC89C52，同时结合应用型号为DS18b20传感器以及型号为LM35的温度传感器，LM35传感器用PCF8591采集此端口数据，然后用IIC通信方式与单片机通信，DS18b20传感器则用1-wire数字总线方式进行通信，并将转换后的数据通过USB接口传输到上位机，再用LCD1602液晶显示器实时显示结果的数据采集系统。图2.1是此系统的设计的系统框图。IIC1-wireIIC1-wire图2.1系统设计框图2.4本章小结本章通过介绍该系统设计要用到的各个部分主要器件包括总线接口、温度传感器、数模转换、单片机和显示器以及应用的相关技术和实现多接口数据采集系统的原理设计框图。

3系统的硬件设计3.1STC89C52单片机系统采用低功耗、高性能的STC89C52型单片机为控制器，其内部有8位中央处理器（CPU）、Flash闪存存储器的容量为4k、内部数据存储器的容量为128Byte、输入输出接口的数量为32个，只有一个串行通信接口，为全双工通信方式，定时器计数器都为16位，共有2个，两级向量中断结构共有5个，片内振荡器和时钟电路REF_Ref18043\r\h[1]。为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活高效的解决方案。其引脚接口图3.1所示。图3.1STC85C52引脚图3.2PCF8591PCF8591存在串行的IIC总线接口共有一个，模拟量输出接口共有一个，模拟量输入接口共有四个。该芯片的外部引脚中A0，A1和A2属于地址引脚，能够进行硬件地址的编程，对于同一个IIC总线，能够允许8个此器件共同连接在上面，而且不需要借助于其他的硬件。在PCF8591器件上所有的信号的传输都是借助于双线双向IIC总线，而且传输的方式为串行REF_Ref18258\r\h[2]。其引脚图如3.2所示。图3.2PCF8591引脚图3.3LCD液晶显示屏该型号的液晶显示屏属于字符型，能够对字符，字母以及数字等进行显示，LCD液晶显示器选择软封装的方式，引脚上可以划分成控制引脚，电源引脚以及通信数据引脚三个部分，全都为标准的SIP16引脚，能够和单片机直接进行连接，更加方便REF_Ref18376\r\h[3]。如图3.3所示，为该显示屏的引脚图。图3.3LCD引脚图3.4传感器模块相较于传感器的选择，本着节约成本和容易实现的想法，在众多的传感器中选取两个典型的传感器，并对其进行验证和实现，选择出的温度传感器的型号分别为LM35和DS18B20温度传感器，本设计将选用功能相同，其通信接口规格不同的传感器进行数据采集。3.4.11-wire接口传感器温度传感器DS18B20在封装时可以使用不同种类的形式，该传感器输出的型号为数字型，信号自身体积更小，而且在抵抗外部影响的方面具有更强的能力，除此之外采集温度的分辨率更高，在硬件方面投入的成本较少REF_Ref18477\r\h[4]。当1-wire总线接口与主机连接时，主机与1线总线可以进行双向通信。通过了解芯片的命令部分，可以更好地使用芯片，如表3.4.1为该传感器的部分指令。表3.1传感器指令寄存器的温度值由命令0x33读取，然而此时读取的并不是真正的温度值，若经过读取获取的数据为负值，那么对该数据的补数之后再与0.625进行相乘，就是温度的实际值，如果为正，则实际温度为该数据乘以0.625。图3.4.1是1-wire通信规格的DS18B20的硬件连接图图3.4.11-wire规格的硬件连接图3.4.2IIC接口传感器LM35传感器的线性工作期间比较宽，同时具有更高的工作精度，温度和其输出电压之间具有正比例关系，当温度升高1℃，相对应的输出电压就会提高10ms.LM35传感器不需要从外部进行校准，能够提供的常用室温精度为±1/4℃REF_Ref18627\r\h[5]。因为传感LM35没有IIC的通信接口，所以要通过PCF8591进行数模转换，再由IIC方式进行通信。LM35温度传感器的计算公式：PCF8591的通信格式如表3.4.2所示：表3.2PCF8591通信格式IIC方式的通信格式分为两种，一种是主机写数据到从机，另一种是主机从从机中读取数据，分别如表3.4.3和表3.4.4所示表3.3IIC写数据到从机的通信格式表3.4IIC从从机中读取数据的通信格式3.5显示模块设计温湿度传感器采集的相关数据之后传输到单片机中，单片机接收并经过处理后，将该数据借助于液晶显示屏完成显示。在设计中应用比较普遍的液晶屏幕就是LCD1602，该液晶显示屏选择使用的是点阵型液晶，分辨率较高而且驱动上更加便利，能够显示不同类型的内容REF_Ref18702\r\h[6]。如图3.5所示是该模块的部分显示电路。图3.5LCD1602部分显示电路4系统软件设计及仿真实现4.1主程序设计整个控制程序中，当连接到主机感应到的传感器时，主机可以简单的识别端口的接收命令，用相应传感器的功能处理信息，然后通过LCD1602显示出来。系统的软件流程图如图4.1所示。图4.1主程序流程图4.2系统各模块流程4.2.11-wire接口传感器软件设计在软件部分首先要初始化芯片DS18b20并对总线接口进行处理，读写功能如图4.2.1为该系统的流程图。图4.2.11-wire接口温度传感器接入及处理当主机发现DS18B20端口接入时，启动温度检测程序。进行DS18B20芯片的初始化。初始化成功时返回1，失败时返回0。主机跳过ROM，读取温度，处理，在IO端口显示。4.2.2IIC接口传感器软件设计当上位机识别出DS18B20不存在时，LM35传感器跳过调用DS18B20芯片的处理功能，处理并显示LM35温度传感器。经过PCF8591模数转换后，再由IIC方式进行通信。如图4.2.2为LM35传感器的软件流程图。图4.2.2IIC接口传感器接入与处理主机在检测到LM35温度传感器后，接收由器件发送的地址信号，将由器件向主机发送温度操作命令，通过PCF8591进行数模转换，由模拟信号转换为数字信号，读取温度并进行相应的处理，送至显示端口。4.3系统仿真4.4本章小结在本章中主要针对数据采集系统软件设计部分进行讲解，首先是软件设计的流程，之后再对系统仿真进行介绍，通过流程图和仿真实现可以更好的了解该系统的工作过程。5结论5.1总结本设计介绍了用于通信通信规范的传感器控制系统的研究和开发。仿真软件部分主要由KeiluVision5和Proteus8专业软件平台C组成。这个项目的基本检查已经完成。项目一开始是在两种不同通信规范的外部传感器非同步/独立连接的情况下显示通信控制，并显示所收集的数据。通过模拟试验，开发系统中的1-wire和IIC总线接口能够通过单独的传感器互连来实现上述功能。在此基础上，经过实验验证的研究试图获得对这三种具有不同通信规范的传感器的自动识别和自动控制。实验和研究结果表明,如果使用51或52单片机这样的简单控制器来实现对多种通信规格的外接传感器进行自动检测识别，继而实现多传感器的自适应控制尚有困难，特别是单纯通过软件编程是无法实现的。5.2展望本次设计研究表明，仅靠51或52微控制器和软件程序是不可能实现只支持多种传感器自动检测的控制系统的。为了实现系统的最终功能。在微机上连接周边硬件电路，通过软件进行编程，同时还可以选择更高级的arm系列主控制器，实现系统的自校验行和适应性。

参考文献张绪强,韩坚洁,夏普凯特·买买提,麦合木提·依明.基于AT89C51单片机的智能浇花系统设计[J].产业与科技论坛,2019,18(13):44-45.任晓芳.PCF8591在数据采集过程中的应用[J