緒論1.1研究背景今天，隨著科技的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及集成電路技術(shù)也得到了較大程度的進(jìn)步，當(dāng)前在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)領(lǐng)域以及普遍應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，而且在該技術(shù)的科學(xué)研究，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及工業(yè)制造等各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算平臺(tái)的不斷發(fā)展，不同領(lǐng)域思維方式開(kāi)始出現(xiàn)創(chuàng)新性發(fā)展，同時(shí)從軟硬件等方面針對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也獲得了較大的進(jìn)步。現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù),才會(huì)有各個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)始的數(shù)據(jù)收集和交換信息,在研究和應(yīng)用程序的過(guò)程中逐漸增加的數(shù)據(jù)收集的環(huán)節(jié),要求收藏?cái)?shù)據(jù)信息更高速的處理和更多的事情,外圍擴(kuò)展的電路的功能。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集的工具相對(duì)簡(jiǎn)單的活動(dòng),收集的數(shù)量、速度并不快,依賴于計(jì)算機(jī)軟件分析不同的區(qū)域在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中,連通性和可開(kāi)發(fā)性都不強(qiáng)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，不僅可以單獨(dú)收集數(shù)據(jù)，而且可以在高速公路上同步處理數(shù)據(jù)，還可以相互通信，并將其擴(kuò)展到其他外圍設(shè)備，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，甚至可以將數(shù)據(jù)下載到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，共享云信息。1.2研究目的和意義廣泛的計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)在在許多領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用。它是計(jì)算機(jī)和物理之外世界之間的橋梁。利用系列或紅外線通信，實(shí)施應(yīng)用于移動(dòng)數(shù)據(jù)收集者的軟件更新，并通過(guò)建立上泰瑟槍和移動(dòng)數(shù)據(jù)收集器的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)這兩種之間的通信相互干擾。工業(yè)、工程、工廠等的應(yīng)用，特別是在高數(shù)據(jù)收集環(huán)境中。例如，在許多工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)經(jīng)常使用計(jì)算機(jī)或無(wú)線電控制。有很多地方可以收集所有的數(shù)據(jù)，比如液體、溫度、壓力、頻率等等。衛(wèi)星數(shù)據(jù)成像系統(tǒng)使用遙測(cè)、遙控器和其他技術(shù)，對(duì)宇宙飛船最遠(yuǎn)的位置進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)衛(wèi)星傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行自動(dòng)成像。計(jì)算機(jī)技術(shù)為電子技術(shù)規(guī)模比較小的計(jì)算機(jī)以及數(shù)字通信技術(shù)等得到了很大程度的發(fā)展，以此為基礎(chǔ)推動(dòng)了高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)步，同時(shí)也對(duì)該技術(shù)的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了非常大的影響。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)家和國(guó)際兩級(jí)的數(shù)據(jù)收集技術(shù)被廣泛用于軍事、航空航天設(shè)備、工業(yè)、運(yùn)輸、醫(yī)藥等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集設(shè)備和系統(tǒng)的基礎(chǔ)是具有不同功能的傳感器和轉(zhuǎn)換器/d)在收集電路的前端，然后通過(guò)電路放大、過(guò)濾等方式存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)控制器處理數(shù)據(jù)。隨著半導(dǎo)體行業(yè)和集成電路設(shè)備行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了性能性能、低功率、高可靠性數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集卡。數(shù)據(jù)收集技術(shù)已成為一種專門(mén)技術(shù)，通過(guò)與新技術(shù)相結(jié)合而得到發(fā)展和應(yīng)用。在這一階段上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采用的結(jié)構(gòu)比組裝模塊先進(jìn)，并靈活地修改或擴(kuò)大該系統(tǒng)，同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)者對(duì)應(yīng)用的需要，對(duì)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的改動(dòng)、升級(jí)或配置，并與該系統(tǒng)的不同方案編制模式結(jié)合起來(lái)。現(xiàn)在，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始加速、建模、使用遠(yuǎn)程通信和進(jìn)入，甚至是當(dāng)領(lǐng)域范圍更廣闊時(shí)，也能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互連接，例如PXI系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)等。因?yàn)槠渌麌?guó)家在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展對(duì)我國(guó)產(chǎn)生了較大的影響，因此在我國(guó)發(fā)展該技術(shù)的過(guò)程和其他國(guó)家是近乎相同的，但是因?yàn)橄噍^于世界上其他的發(fā)達(dá)國(guó)家，在原材料以及技術(shù)方面，我國(guó)仍然與之差距較大。當(dāng)前我國(guó)收集系統(tǒng)仍然達(dá)不到全球水平。1.4本次設(shè)計(jì)的概述及目的在此次設(shè)計(jì)中，使用單片機(jī)為微處理器作為控制核心，選擇了兩種不同規(guī)格傳感器，同時(shí)采集三路數(shù)據(jù)，溫度數(shù)值實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示器上。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，測(cè)量溫度是最簡(jiǎn)單、最直接的策略，在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)完成后，就可以通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，通過(guò)比較獲得的溫度值，是系統(tǒng)的最佳驗(yàn)證。由于之前使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常具有較低的采樣速度，而且在運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定性不夠，操作過(guò)程比較復(fù)雜，投入的成本較高等存在一系列缺陷，因此在本設(shè)計(jì)中主要針對(duì)這些缺陷進(jìn)行解決，本課題設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屬于新型系統(tǒng)的一種。2多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在能夠達(dá)到對(duì)多種接口傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)中，傳感器與主機(jī)之間有多種通信方式，通過(guò)自己在研究課題和查閱資料后，最終選擇了采用了兩種不同通信規(guī)格的傳感器有1-wire總線接口的DS18b20芯片和IIC總線接口的LM35芯片。其主控制系統(tǒng)通過(guò)著名的微控制器進(jìn)行控制采集，將得到的信息通過(guò)液晶屏進(jìn)行顯示，將這兩大模塊組合相互使用起來(lái)，就可以通過(guò)通信規(guī)格不同的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該模塊主要功能實(shí)現(xiàn)原理如表2.1所示。表2.1模塊的主要功能及實(shí)現(xiàn)方法當(dāng)更換傳感器時(shí)，系統(tǒng)不需要為主計(jì)算機(jī)編制新的控制系統(tǒng)程序。它可以與新連接的傳感器通信，完成傳感器的基本功能。這樣就允許了新連接的傳感器和主機(jī)之間的通信。2.2傳感器的應(yīng)用模塊在電子信息時(shí)代，信息收集是一個(gè)重要的話題，為了彌補(bǔ)信息收集的不足，傳感器的電子元件得到了發(fā)展。傳感器是一種檢測(cè)設(shè)備，可以將測(cè)量的信息轉(zhuǎn)換成所需的輸出形式。為了更便捷地使用傳感器，研究人員在傳感器內(nèi)部增加了存儲(chǔ)器和定時(shí)器等多個(gè)功能模塊。傳感器雖然有很多種，但其接口的總線規(guī)格限制了傳感器的通信方式。如表2.2所示的通信總線規(guī)格。表2.2通信總線規(guī)格如表2.2的通信規(guī)格，RS-232在計(jì)算機(jī)中的使用是多接口的，因此，為了更方便地執(zhí)行設(shè)計(jì)功能，將選擇另外兩種總線規(guī)格的傳感器與主機(jī)進(jìn)行通信，并設(shè)計(jì)傳感器。隨著智能時(shí)代的到來(lái)，傳感器的發(fā)展已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的信息收集，隨著智能設(shè)備的進(jìn)化，傳感器被賦予了更多的功能，這為傳感器的發(fā)展打開(kāi)了新的突破口。該智能傳感器是將微處理器以及傳感器兩者相互結(jié)合，同時(shí)該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)的功能比較多，例如處理信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自我診斷，完成邏輯判斷等。傳感器的發(fā)展不簡(jiǎn)單是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，更是建立新的產(chǎn)業(yè)模式、改變世界面貌的可能。2.3多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本論文完成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心控制器為，其型號(hào)為STC89C52，同時(shí)結(jié)合應(yīng)用型號(hào)為DS18b20傳感器以及型號(hào)為L(zhǎng)M35的溫度傳感器，LM35傳感器用PCF8591采集此端口數(shù)據(jù)，然后用IIC通信方式與單片機(jī)通信，DS18b20傳感器則用1-wire數(shù)字總線方式進(jìn)行通信，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，再用LCD1602液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示結(jié)果的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖2.1是此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。IIC1-wireIIC1-wire圖2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2.4本章小結(jié)本章通過(guò)介紹該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要用到的各個(gè)部分主要器件包括總線接口、溫度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、單片機(jī)和顯示器以及應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)多接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)框圖。

3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STC89C52型單片機(jī)為控制器，其內(nèi)部有8位中央處理器（CPU）、Flash閃存存儲(chǔ)器的容量為4k、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量為128Byte、輸入輸出接口的數(shù)量為32個(gè)，只有一個(gè)串行通信接口，為全雙工通信方式，定時(shí)器計(jì)數(shù)器都為16位，共有2個(gè)，兩級(jí)向量中斷結(jié)構(gòu)共有5個(gè)，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路REF_Ref18043\r\h[1]。為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了高度靈活高效的解決方案。其引腳接口圖3.1所示。圖3.1STC85C52引腳圖3.2PCF8591PCF8591存在串行的IIC總線接口共有一個(gè)，模擬量輸出接口共有一個(gè)，模擬量輸入接口共有四個(gè)。該芯片的外部引腳中A0，A1和A2屬于地址引腳，能夠進(jìn)行硬件地址的編程，對(duì)于同一個(gè)IIC總線，能夠允許8個(gè)此器件共同連接在上面，而且不需要借助于其他的硬件。在PCF8591器件上所有的信號(hào)的傳輸都是借助于雙線雙向IIC總線，而且傳輸?shù)姆绞綖榇蠷EF_Ref18258\r\h[2]。其引腳圖如3.2所示。圖3.2PCF8591引腳圖3.3LCD液晶顯示屏該型號(hào)的液晶顯示屏屬于字符型，能夠?qū)ψ址帜敢约皵?shù)字等進(jìn)行顯示，LCD液晶顯示器選擇軟封裝的方式，引腳上可以劃分成控制引腳，電源引腳以及通信數(shù)據(jù)引腳三個(gè)部分，全都為標(biāo)準(zhǔn)的SIP16引腳，能夠和單片機(jī)直接進(jìn)行連接，更加方便REF_Ref18376\r\h[3]。如圖3.3所示，為該顯示屏的引腳圖。圖3.3LCD引腳圖3.4傳感器模塊相較于傳感器的選擇，本著節(jié)約成本和容易實(shí)現(xiàn)的想法，在眾多的傳感器中選取兩個(gè)典型的傳感器，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，選擇出的溫度傳感器的型號(hào)分別為L(zhǎng)M35和DS18B20溫度傳感器，本設(shè)計(jì)將選用功能相同，其通信接口規(guī)格不同的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3.4.11-wire接口傳感器溫度傳感器DS18B20在封裝時(shí)可以使用不同種類的形式，該傳感器輸出的型號(hào)為數(shù)字型，信號(hào)自身體積更小，而且在抵抗外部影響的方面具有更強(qiáng)的能力，除此之外采集溫度的分辨率更高，在硬件方面投入的成本較少REF_Ref18477\r\h[4]。當(dāng)1-wire總線接口與主機(jī)連接時(shí)，主機(jī)與1線總線可以進(jìn)行雙向通信。通過(guò)了解芯片的命令部分，可以更好地使用芯片，如表3.4.1為該傳感器的部分指令。表3.1傳感器指令寄存器的溫度值由命令0x33讀取，然而此時(shí)讀取的并不是真正的溫度值，若經(jīng)過(guò)讀取獲取的數(shù)據(jù)為負(fù)值，那么對(duì)該數(shù)據(jù)的補(bǔ)數(shù)之后再與0.625進(jìn)行相乘，就是溫度的實(shí)際值，如果為正，則實(shí)際溫度為該數(shù)據(jù)乘以0.625。圖3.4.1是1-wire通信規(guī)格的DS18B20的硬件連接圖圖3.4.11-wire規(guī)格的硬件連接圖3.4.2IIC接口傳感器LM35傳感器的線性工作期間比較寬，同時(shí)具有更高的工作精度，溫度和其輸出電壓之間具有正比例關(guān)系，當(dāng)溫度升高1℃，相對(duì)應(yīng)的輸出電壓就會(huì)提高10ms.LM35傳感器不需要從外部進(jìn)行校準(zhǔn)，能夠提供的常用室溫精度為±1/4℃REF_Ref18627\r\h[5]。因?yàn)閭鞲蠰M35沒(méi)有IIC的通信接口，所以要通過(guò)PCF8591進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再由IIC方式進(jìn)行通信。LM35溫度傳感器的計(jì)算公式：PCF8591的通信格式如表3.4.2所示：表3.2PCF8591通信格式IIC方式的通信格式分為兩種，一種是主機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)到從機(jī)，另一種是主機(jī)從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)，分別如表3.4.3和表3.4.4所示表3.3IIC寫(xiě)數(shù)據(jù)到從機(jī)的通信格式表3.4IIC從從機(jī)中讀取數(shù)據(jù)的通信格式3.5顯示模塊設(shè)計(jì)溫濕度傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)之后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)接收并經(jīng)過(guò)處理后，將該數(shù)據(jù)借助于液晶顯示屏完成顯示。在設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較普遍的液晶屏幕就是LCD1602，該液晶顯示屏選擇使用的是點(diǎn)陣型液晶，分辨率較高而且驅(qū)動(dòng)上更加便利，能夠顯示不同類型的內(nèi)容REF_Ref18702\r\h[6]。如圖3.5所示是該模塊的部分顯示電路。圖3.5LCD1602部分顯示電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真實(shí)現(xiàn)4.1主程序設(shè)計(jì)整個(gè)控制程序中，當(dāng)連接到主機(jī)感應(yīng)到的傳感器時(shí)，主機(jī)可以簡(jiǎn)單的識(shí)別端口的接收命令，用相應(yīng)傳感器的功能處理信息，然后通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序流程圖4.2系統(tǒng)各模塊流程4.2.11-wire接口傳感器軟件設(shè)計(jì)在軟件部分首先要初始化芯片DS18b20并對(duì)總線接口進(jìn)行處理，讀寫(xiě)功能如圖4.2.1為該系統(tǒng)的流程圖。圖4.2.11-wire接口溫度傳感器接入及處理當(dāng)主機(jī)發(fā)現(xiàn)DS18B20端口接入時(shí)，啟動(dòng)溫度檢測(cè)程序。進(jìn)行DS18B20芯片的初始化。初始化成功時(shí)返回1，失敗時(shí)返回0。主機(jī)跳過(guò)ROM，讀取溫度，處理，在IO端口顯示。4.2.2IIC接口傳感器軟件設(shè)計(jì)當(dāng)上位機(jī)識(shí)別出DS18B20不存在時(shí)，LM35傳感器跳過(guò)調(diào)用DS18B20芯片的處理功能，處理并顯示LM35溫度傳感器。經(jīng)過(guò)PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再由IIC方式進(jìn)行通信。如圖4.2.2為L(zhǎng)M35傳感器的軟件流程圖。圖4.2.2IIC接口傳感器接入與處理主機(jī)在檢測(cè)到LM35溫度傳感器后，接收由器件發(fā)送的地址信號(hào)，將由器件向主機(jī)發(fā)送溫度操作命令，通過(guò)PCF8591進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，讀取溫度并進(jìn)行相應(yīng)的處理，送至顯示端口。4.3系統(tǒng)仿真4.4本章小結(jié)在本章中主要針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行講解，首先是軟件設(shè)計(jì)的流程，之后再對(duì)系統(tǒng)仿真進(jìn)行介紹，通過(guò)流程圖和仿真實(shí)現(xiàn)可以更好的了解該系統(tǒng)的工作過(guò)程。5結(jié)論5.1總結(jié)本設(shè)計(jì)介紹了用于通信通信規(guī)范的傳感器控制系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。仿真軟件部分主要由KeiluVision5和Proteus8專業(yè)軟件平臺(tái)C組成。這個(gè)項(xiàng)目的基本檢查已經(jīng)完成。項(xiàng)目一開(kāi)始是在兩種不同通信規(guī)范的外部傳感器非同步/獨(dú)立連接的情況下顯示通信控制，并顯示所收集的數(shù)據(jù)。通過(guò)模擬試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的1-wire和IIC總線接口能夠通過(guò)單獨(dú)的傳感器互連來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究試圖獲得對(duì)這三種具有不同通信規(guī)范的傳感器的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果表明,如果使用51或52單片機(jī)這樣的簡(jiǎn)單控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種通信規(guī)格的外接傳感器進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別，繼而實(shí)現(xiàn)多傳感器的自適應(yīng)控制尚有困難，特別是單純通過(guò)軟件編程是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。5.2展望本次設(shè)計(jì)研究表明，僅靠51或52微控制器和軟件程序是不可能實(shí)現(xiàn)只支持多種傳感器自動(dòng)檢測(cè)的控制系統(tǒng)的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最終功能。在微機(jī)上連接周邊硬件電路，通過(guò)軟件進(jìn)行編程，同時(shí)還可以選擇更高級(jí)的arm系列主控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自校驗(yàn)行和適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)張緒強(qiáng),韓堅(jiān)潔,夏普凱特·買(mǎi)買(mǎi)提,麥合木提·依明.基于AT89C51單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2019,18(13):44-45.任曉芳.PCF8591在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的應(yīng)用[J