[科普中国]-参数采集

参数采集仪表设计概述

环境、气象等监测系统中，有时需要使用仪表在对区域环境等参数进行监测，因测量参数种类繁多，这就要求仪表能够实现多种参数的自动采集、监测，并通过显示器输出，便于技术人员读取、分析。本文介绍了一种以单片机为核心的便携式多参数采集仪表，该仪表具备成本低、结构简单、数字化程度高等特点。

系统硬件设计1.硬件组成结构

仪表由主控单元、参数采集部分、COG段码液晶显示部分、按键控制部分、时钟模块、数据存储单元、串行通信模块、电压监测及电源模块组成。

2.主控单元

系统采用STC的IAP15F2K61S2单片机作为控制器，该控制器是一款支持IAP技术51内核单时钟周期的处理器，指令与传统8051单片机兼容，速度比普通8051单片机快8~12倍；其内置了看门狗、高精度R/C时钟及高可靠复位电路，可省去外围时钟、复位电路；DIP-40封装芯片的最大可用I/O端口数目为38个；芯片有61KBFlash，2K字节SRAM，内部集成了8路10位高速ADC、2组超高速UART、1组高速SPI、3路CCP/PCA/PWM等模块[1]，能够满足本设计的要求，另外，该芯片的性价比较高，采用该控制器，可降低系统成本。

3.参数采集部分

参数采集为仪表的数据采集前端，负责对外界各各模块采用数字化接口与控制器I/O端口连接，将参数测量转换结果传送到控制器；该部分包括温、湿度采集模块，光照度采集模块及大气压强采集模块。由于各模块都采用了数字接口，其电路连接简单，传感器的互换性好。温、湿度采集模块使用DHT11数字温湿度传感器，通过单总线与单片机I/O口连接，实现对外界环境温湿度的采集。光照度采集模块使用BH1750数字光照度传感器，使用IC接口与单片机连接，测量范围在1~65535lx，可满足实际测量要求。大气压强采集模块使用BMP085数字气压传感器，BMP085是一款高精度、超低能耗的压力传感器，绝对精度可以达到0.03hPa，并且耗电极低，只有3μA；BMP085通过IC总线直接与控制器相连，其测压范围在300~1100hPa。

4.显示部分

显示模块采用了NXP的PCA8538段码液晶模块，PCA8538是NXP公司在2013年7月推出的一款覆晶玻璃（Chip-onGlass，简称COG）LCD段驱动器。COG技术的应用大大减小LCD模块的体积，降低LCD显示器成本，简化了PCB布局，提高了可升级性，增加了显示的灵活性和可靠性；PCA8538驱动器集成了内部充电泵，通过其内置电容可在片内产生LCD驱动电压，还提供LCD电源电压的可编程温度补偿，确保整个温度范围内具有最佳且稳定的对比度。驱动器工作电压较宽（2.5V~5.5V），可驱动最多114个7段数字字符或最多57个14段字母数字字符或任何高达918像素的图形。液晶模块可通过双线IC总线或四线式双向SPI总线与控制器连接，功耗低，工作温度范围广，完全满足本设计的显示要求。设计中显示器接口采用IC总线模式与单片机I/O连接。

5.按键控制部分

由电源开关按键和功能按键组成，开关键有自锁功能，控制整个系统的供电；功能键由四个按键构成，前三个按键用于切换仪表不同的参数测量模式，按键4模式下可实现自动测量存储功能的开关控制，时钟/日历的调整，上传数据功能以及返回功能。

6.时钟及存储模块

时钟芯片采用低功耗CMOS实时时钟/日历芯片的功耗（典型电流0.25μA），具有四种报警和定时功能，IC总线接口最大速度为400kbit/s；每次读写数据后，其内嵌的字地址寄存器器会自动产生增量，方便数据读写操作。本设计中纽扣电池在仪表关机后为时钟芯片提供电能，以保证时钟的准确性。存储模块用于储存传感器采集的参数值，本设计中使用了AT24C256串行CMOSE2PROM芯片，器件功耗低，存储容量为32K字节，满足设计要求；芯片通过I2C总线接口与控制器连接，数据读写速度快，传输频率可高达1MHz。

7.电源、串口通信及监测等模块

采用9V电池供电，电源模块负责电压转换为各模块提供所需电压；串口通信模块的作用是将存储的数据发送给上位机；电压监测模块通过单片机内置ADC模块采集电池电压，电池电压低于设定值时液晶显示提示；蜂鸣器和LED用于开机自检和不同模式下的声光提示。

系统软件设计系统软件工作流程，上电后进行开机自检，显示屏全亮，蜂鸣器提示自检通过，显示屏显示系统时间、日期，等待按键操作；1min内若无按键操作，显示器关闭，系统进入待机模式以降低功耗；初始化后按动按键进入相应模式，K1~K4键为功能切换键，K1键实现温湿度实时测量并将结果通过显示屏输出；K2键实现光照度的测量和显示；K3键实现大气压的测量和显示；K4键为辅助功能切换模式，在K4模式下，按K1进入时钟调整模式，按K2键自动采集存储开关设定，按K3键进入数据上传模式，通过串口将存储的数据上传到上位机，数据传输完毕后返回，按K4键返回时钟显示界面。仪表待机模式下，LED指示灯慢闪，有按键操作后，仪表唤醒并执行相应按键功能。1

参数采集系统设计概述蓄电池参数采集实验系统设计

蓄电池是1859年由法国人普兰特发明的，至今已有100多年的历史，其作为后备电源，在很多领域都有重要应用．而蓄电池的特性研究也一直是蓄电池行业研究的热点与难点．目前，人们经常使用的蓄电池参数检测仪器大多数功能单一、精度不足．比如，有文献指出，在蓄电池容量高于60%时，其内阻没有变化．但是，利用高精度的仪表测试发现，其内阻数值在μΩ数量级上还是有变化的．大多数的仪器仪表也不能实现在线、实时、连续的检测．

针对以上不足，该蓄电池参数采集实验系统不仅实现了在线、自动、实时、连续检测功能，还可以进行数据的存储与分析处理．其主要用来完成以下几方面的功能：单体蓄电池端电压检测、单体蓄电池内阻检测、单体蓄电池温度检测、数据的传输与综合处理等．该系统采用友好的人机界面，数据显示直观．

1系统硬件设计系统的硬件部分主要包括：集中主控单元、电压检测单元、内阻检测单元与温度检测单元．

1.集中主控单元

蓄电池参数采集实验系统采用主－从机模式．集中主控单元作为主机，采集单元作为从机，集中主控单元负责向各个从机发送命令，接收来自各个从机的报文数据并对接收到的数据进行处理运算，然后将结果显示在液晶屏幕上．集中主控单元通过RS485协议与各个从机进行通讯，通过按键向各个采集模块发送消息与查看数据．集中主控单元可以设置从机模块的采样周期、设置参数的越限定值以及向上位机软件发送警告报文等．上位机软件通过网络与集中主控单元进行通信，通过软件可以进行集中主控单元的遥控以及数据的综合处理．

集中主控单元硬件设计

集中主控单元主芯片选择型号为STM32F103ZET6的单片机微处理器．系统的集中主控单元的电路主要分为以下几部分：数据的接收与发送、数据的存储、RS485通信电路、数据的显示、按键操作等．为了保证系统的稳定性与检修的方便，在电源部分采用光耦隔离技术，按电路模块功能分别进行供电．其中，数据的接收与发送通过STM32F103ZET6芯片自带的串口以及后续电路控制实现；数据的存储部分采用外扩FLASH芯片实现；RS485通信电路部分采用MAX485典型电路设计；数据的显示通过单片机总线控制液晶实现实时更新显示；按键操作则是单片机直接控制，在程序上进行设计实现．

2.电压检测单元

针对目前电压测量模块精度不高、不能在线实时监测和在充放电过程中测量不准确的缺点，该单元利用1个六位半数字多功能万用表结合后续电路实现在线连续检测蓄电池的端电压数据．该检测单元只需要1个六位半数字多功能万用表就可进行多个蓄电池端电压的测量，同时配合上位机软件，就可以进行蓄电池端电压数据的连续测量与存储．

电压检测单元硬件设计

硬件主芯片选择型号为AT89C51的微处理器．该电压检测单元硬件电路主要包括：单片机控制电路、MAX232转换电路与继电器切换电路．AT89C51芯片通过MAX232芯片与上位机软件进行通信，同时提供向主控单元传送数据的接口，其他I/O口控制继电器的切换以保证在同一时刻只有一块蓄电池在测量回路中．通过单片机编程与制定报文协议，就可以通过六位半数字多功能万用表的串口进行继电器的控制与数据传输．通过这个硬件电路，可以进行多块蓄电池端电压的高精度循环测量．

3.内阻检测单元

蓄电池内阻是反映电池性能的重要参数．尽管密封铅酸蓄电池内阻跟电池容量之间没有观察到严格的数学关系，无法根据单个电池的内阻值去预测电池的使用寿命．但文献[3]指出，电池内阻的突然增大或电导的突然减小，则预示着电池寿命即将终止．目前的内阻测试方法中交流注入法相对应用比较广泛，该方法不需对蓄电池进行放电，所以不会影响蓄电池的性能．而该文的内阻检测单元在交流法测内阻的基础上，采用锁相放大技术，以提取微弱信号；采用差分交流信号输入，以滤除噪声干扰；在单片机的程序处理上，对输入电压、电流与A/D采样值之间的对应关系，采用最小二乘法进行处理以提高测量精度与准确性．

内阻检测单元硬件设计

内阻检测单元功能的实现主要在于信号的放大提取与抗干扰的设计．放大电路的设计主要采用高精度集成运算放大器，同时进行阻容滤波的处理．为了消除工模干扰，只放大差模信号，采用差分输入电路．

内阻检测单元放电数据采集

利用该单元对山东圣阳固定型阀控密封式GFM－200C型12块蓄电池，以20A/h的放电率进行放电，同时采集其内阻数据，取其3块电池得到其剩余容量与蓄电池内阻的数据报表.容量与蓄电池内阻之间的关系．

4.温度检测单元

蓄电池在进行充、放电时内部存在氧化还原反应，氧化反应放热，还原反应吸热，但是由于内阻的存在，充、放电过程均会产生热量．研究表明：阀控蓄电池为15～25时，工作状态最佳，温度过高或是过低都会对蓄电池的整体性能产生影响．所以，对蓄电池本身以及运行环境温度进行实时检测是十分必要的．该温度检测单元，主要使用DS18B20温度传感器进行温度检测．为了直接测量蓄电池的本身温度，该单元直接测量蓄电池的极柱温度．同时，温度检测单元采用了无线数据传输，将检测单元采集到的温度数据，无线传送给集中

2系统软件设计为了使数据查看更加直观，数据处理更加方便，以及操作更加便捷，本系统配合硬件设计了一款命名为蓄电池参数综合测试仪的测试软件．该软件可以进行电压、内阻、温度的单次测量，可以启动连续测量、设置单元的采样间隔、设置参数的越限定值、查看历史数据等．该软件通过网络协议与集中主控单元进行交互．交互界面如图8所示．2

数据采集的应用一种基于旋转触探的参数采集及处理微机系统目前，高速铁路、城际轨道交通、地下铁路工程迅猛发展，设计和施工对工程勘察都提出了高精度的要求，已经成熟的静力触探技术由于达不到设计深度，只能全部采用钻探取样方法，造成勘探成本大幅度提高，我院为了解决触探深度问题，经过十多年努力，已初步研发成功旋转触探技术。旋转触探技术是一种能将钻探深度大和触探原位测试数据连续的优点有机结合起来，测试精度准确可靠的全新深层原位测试技术，且已取得初步成果，在邯黄线、京沪线上进行了试应用，最大测试深度达86m。2010年10月《旋转触探技术应用研究》项目通过了天津市科技成果转化中心组织的成果鉴定，鉴定成果达到国际领先水平。目前共取得了3项国家发明专利、7项国家实用新型专利，已申报2011年度铁道部科技进步奖。旋转触探技术采用无缆静力触探技术，在静力触探探头上增加测试扭矩、水压力参数，利用静探车的液压装置使钻头按一定的速率旋转并匀速压入土层中，测出土层对钻头在旋转贯入过程中随深度连续变化的贯入阻力、钻头旋转扭矩、排土水压力等参数，并且将这些参数储存在杆件中的储存元件中，待触探完成后，把记录数据回放到地面的接收仪器中，最后根据这些旋转触探参数与深度的关系曲线反应土层物理力学性质的变化实现深孔触探。旋转触探系统是以时间同步为基础，进行同步采集、存储触探参数的微机系统。地上、地下数据采集装置同时记录触探深度、探头转速、贯入阻力、钻头旋转扭矩、排土水压力等参数，并根据存储数据的对应关系，建立相应的数据库和打印输出关系曲线图或数据表格文件。并且可以将这些数据传输于上级计算机进行后处理，最终根据这些参数计算得出工程设计所需的地层资料。因此地上、地下参数采集存储、接收处理系统是旋转触探技术的核心，本文主要介绍该系统工作的基本原理，地上、地下数据采集存储、接收处理系统的软、硬件设计，系统功能的设计。

1 系统工作的基本原理参数采集时，必须同步采集地上参数与地下参数，才能进行准确的对比、分析、判断以得出正确的结论。因此，该系统在设计时，采用了两台单片微型计算机。一台特制装进探杆内随着钻头贯入地下并完成对各参数的采集、存储功能的异型计算机，它和传感器一起被称之为旋转触探地下数据采集存储系统;另一台在地面上，制成台式便于操作并完成深度、转速检测记录和一系列数据处理等功能的专用计算机，称为旋转触探数据处理仪，也称读数仪。本套系统是以时间同步来准确地完成了地上、地下系统分别记录的深度与地下测试参数的对应关系。待触探到预定深度停止贯入时，将贯入地下钻头拔出，进行两机通讯，将存储器内的数据传输给数据处理仪。处理仪将这些数据建立与深度的对应关系，并打印出对应的数据，绘制出曲线。

2 系统硬件的设计2．1 旋转触探数据处理仪的硬件设计

旋转 、以ATMega128CPU为核心的控制单元、存储器、液晶屏显示器、485通讯以及各种地上传感器的接口电路等组成，它是一台控制地下数据采集储存系统，指示开始测试、向地上传输数据及检测地下系统并完成测试

2．2地下数据采集储存器的硬件设计

地下数据采集储存器是由四通道数据采集、A/D转换、主控CPU单片机、储存器、电池组、通讯接口等组成，并全部密封在一外径为36mm，内径为25mm，长为30cm的圆管状环形夹层中，负责采集钻压、扭矩、排土水压力参数并进行储存，接受地上读数仪的控制。

3系统软件功能的设计在软件上，整套系统共设计为两大部分，即地上系统软件和地下系统软件。软件开发采用了方便的KeilCx51编译器，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，而且Cx51编译器为51系列单片机软件开发提供了全新的C语言环境，同时保留了汇编代码高效、快速的特点。

3．1地上系统软件功能设计

地上系统软件具有测试数据管理、现场测试、旋转触探传感器标定等各项功能。

3．1．1测试数据管理

对存储在数据接收处理仪的现场测试数据文件进行管理，可以选择文件，显示曲线，显示光标处的测试数据，也可发送或转存数据文件。

3．1．2现场测试功能

可输入孔号、传感器类型及标定系数、采样间距等参数;充当地下系统的输出设备，即接收并显示测试数据;控制地下系统的操作，向数据采集存储仪发送各种指令;接收深度、转速记录仪发来的信号，并进行储存、显示。

3．1．3传感器标定

与地下数据采集存储仪连接，输入标定级数及级差，对传感器进行各项标定，存储并显示标定曲线、各种误差及标定系数。地上系统软件功能操作流程如图3所示。

3．2地下系统软件功能设计

地下系统软件0．5s定时进行数据采集并存储;可对不同传感器设置不同的灵敏度;具有软件归零功能;响应暂停工作命令，保持断点工作状态;响应继续工作命令，恢复断点工作状态;支持多孔数据采样一次回放;具有RS485通讯功能。另外，为了便于后处理，我们还专门为该套系统设计编写了上位机软件，操作系统平台为win98及winXP，可形成数据库，可备份，操作简单，可视性强，数据处理过程中可对每个孔号数据进行曲线显示和打印。3