參數採集儀表設計
概述
環境、氣象等監測系統中，有時需要使用儀表在對區域環境等參數進行監測，因測量參數種類繁多，這就要求儀表能夠實現多種參數的自動採集、監測，並通過顯示器輸出，便於技術人員讀取、分析。本文介紹了一種以單片機為核心的攜帶型多參數採集儀表，該儀表具備成本低、結構簡單、數位化程度高等特點。
系統硬體設計
1.硬體組成結構
儀表由主控單元、參數採集部分、COG段碼液晶顯示部分、按鍵控制部分、時鐘模組、數據存儲單元、串列通信模組、電壓監測及電源模組組成。
2.主控單元
系統採用STC的IAP15F2K61S2單片機作為控制器，該控制器是一款支持IAP技術51核心單時鐘周期的處理器，指令與傳統8051單片機兼容，速度比普通8051單片機快8~12倍；其內置了看門狗、高精度R/C時鐘及高可靠復位電路，可省去外圍時鐘、復位電路；DIP-40封裝晶片的最大可用I/O連線埠數目為38個；晶片有61KBFlash，2K位元組SRAM，內部集成了8路10位高速ADC、2組超高速UART、1組高速SPI、3路CCP/PCA/PWM等模組[1]，能夠滿足本設計的要求，另外，該晶片的性價比較高，採用該控制器，可降低系統成本。
3.參數採集部分
參數採集為儀表的數據採集前端，負責對外界各各模組採用數位化接口與控制器I/O連線埠連線，將參數測量轉換結果傳送到控制器；該部分包括溫、濕度採集模組，光照度採集模組及大氣壓強採集模組。由於各模組都採用了數字接口，其電路連線簡單，感測器的互換性好。溫、濕度採集模組使用DHT11數字溫濕度感測器，通過單匯流排與單片機I/O口連線，實現對外界環境溫濕度的採集。光照度採集模組使用BH1750數字光照度感測器，使用IC接口與單片機連線，測量範圍在1~65535lx，可滿足實際測量要求。大氣壓強採集模組使用BMP085數字氣壓感測器，BMP085是一款高精度、超低能耗的壓力感測器，絕對精度可以達到0.03hPa，並且耗電極低，只有3μA；BMP085通過IC匯流排直接與控制器相連，其測壓範圍在300~1100hPa。
4.顯示部分
顯示模組採用了NXP的PCA8538段碼液晶模組，PCA8538是NXP公司在2013年7月推出的一款覆晶玻璃（Chip-onGlass，簡稱COG）LCD段驅動器。COG技術的套用大大減小LCD模組的體積，降低LCD顯示器成本，簡化了PCB布局，提高了可升級性，增加了顯示的靈活性和可靠性；PCA8538驅動器集成了內部充電泵，通過其內置電容可在片內產生LCD驅動電壓，還提供LCD電源電壓的可程式溫度補償，確保整個溫度範圍內具有最佳且穩定的對比度。驅動器工作電壓較寬（2.5V~5.5V），可驅動最多114個7段數字字元或最多57個14段字母數字字元或任何高達918像素的圖形。液晶模組可通過雙線IC匯流排或四線式雙向SPI匯流排與控制器連線，功耗低，工作溫度範圍廣，完全滿足本設計的顯示要求。設計中顯示器接口採用IC匯流排模式與單片機I/O連線。
5.按鍵控制部分
由電源開關按鍵和功能按鍵組成，開關鍵有自鎖功能，控制整個系統的供電；功能鍵由四個按鍵構成，前三個按鍵用於切換儀表不同的參數測量模式，按鍵4模式下可實現自動測量存儲功能的開關控制，時鐘/日曆的調整，上傳數據功能以及返回功能。
6.時鐘及存儲模組
時鐘晶片採用低功耗CMOS實時時鐘/日曆晶片的功耗（典型電流0.25μA），具有四種報警和定時功能，IC匯流排接口最大速度為400kbit/s；每次讀寫數據後，其內嵌的字地址暫存器器會自動產生增量，方便數據讀寫操作。本設計中紐扣電池在儀表關機後為時鐘晶片提供電能，以保證時鐘的準確性。存儲模組用於儲存感測器採集的參數值，本設計中使用了AT24C256串列CMOSE2PROM晶片，器件功耗低，存儲容量為32K位元組，滿足設計要求；晶片通過I2C匯流排接口與控制器連線，數據讀寫速度快，傳輸頻率可高達1MHz。
7.電源、串口通信及監測等模組
採用9V電池供電，電源模組負責電壓轉換為各模組提供所需電壓；串口通信模組的作用是將存儲的數據傳送給上位機；電壓監測模組通過單片機內置ADC模組採集電池電壓，電池電壓低於設定值時液晶顯示提示；蜂鳴器和LED用於開機自檢和不同模式下的聲光提示。
系統軟體設計
系統軟體工作流程，上電後進行開機自檢，顯示屏全亮，蜂鳴器提示自檢通過，顯示屏顯示系統時間、日期，等待按鍵操作；1min內若無按鍵操作，顯示器關閉，系統進入待機模式以降低功耗；初始化後按動按鍵進入相應模式，K1~K4鍵為功能切換鍵，K1鍵實現溫濕度實時測量並將結果通過顯示屏輸出；K2鍵實現光照度的測量和顯示；K3鍵實現大氣壓的測量和顯示；K4鍵為輔助功能切換模式，在K4模式下，按K1進入時鐘調整模式，按K2鍵自動採集存儲開關設定，按K3鍵進入數據上傳模式，通過串口將存儲的數據上傳到上位機，數據傳輸完畢後返回，按K4鍵返回時鐘顯示界面。儀表待機模式下，LED指示燈慢閃，有按鍵操作後，儀表喚醒並執行相應按鍵功能。
參數採集系統設計
概述
蓄電池參數採集實驗系統設計
蓄電池是1859年由法國人普蘭特發明的，至今已有100多年的歷史，其作為後備電源，在很多領域都有重要套用而蓄電池的特性研究也一直是蓄電池行業研究的熱點與難點目前，人們經常使用的蓄電池參數檢測儀器大多數功能單一、精度不足．比如，有文獻指出，在蓄電池容量高於60%時，其內阻沒有變化．但是，利用高精度的儀表測試發現，其內阻數值在數量級上還是有變化的．大多數的儀器儀表也不能實現線上、實時、連續的檢測．
針對以上不足，該蓄電池參數採集實驗系統不僅實現了線上、自動、實時、連續檢測功能，還可以進行數據的存儲與分析處理．其主要用來完成以下幾方面的功能：單體蓄電池端電壓檢測、單體蓄電池內阻檢測、單體蓄電池溫度檢測、數據的傳輸與綜合處理等．該系統採用友好的人機界面，數據顯示直觀．
1系統硬體設計
系統的硬體部分主要包括：集中主控單元、電壓檢測單元、內阻檢測單元與溫度檢測單元．
1.集中主控單元
蓄電池參數採集實驗系統採用主從機模式．集中主控單元作為主機，採集單元作為從機，集中主控單元負責向各個從機傳送命令，接收來自各個從機的報文數據並對接收到的數據進行處理運算，然後將結果顯示在液晶螢幕上．集中主控單元通過RS485協定與各個從機進行通訊，通過按鍵向各個採集模組傳送訊息與查看數據．集中主控單元可以設定從機模組的採樣周期、設定參數的越限定值以及向上位機軟體傳送警告報文等．上位機軟體通過網路與集中主控單元進行通信，通過軟體可以進行集中主控單元的遙控以及數據的綜合處理．
集中主控單元硬體設計
集中主控單元主晶片選擇型號為STM32F103ZET6的單片機微處理器．系統的集中主控單元的電路主要分為以下幾部分：數據的接收與傳送、數據的存儲、RS485通信電路、數據的顯示、按鍵操作等．為了保證系統的穩定性與檢修的方便，在電源部分採用光耦隔離技術，按電路模組功能分別進行供電．其中，數據的接收與傳送通過STM32F103ZET6晶片自帶的串口以及後續電路控制實現；數據的存儲部分採用外擴FLASH晶片實現；RS485通信電路部分採用MAX485典型電路設計；數據的顯示通過單片機匯流排控制液晶實現實時更新顯示；按鍵操作則是單片機直接控制，在程式上進行設計實現．
2.電壓檢測單元
針對目前電壓測量模組精度不高、不能線上實時監測和在充放電過程中測量不準確的缺點，該單元利用1個六位半數字多功能萬用表結合後續電路實現線上連續檢測蓄電池的端電壓數據．該檢測單元只需要1個六位半數字多功能萬用表就可進行多個蓄電池端電壓的測量，同時配合上位機軟體，就可以進行蓄電池端電壓數據的連續測量與存儲．
電壓檢測單元硬體設計
硬體主晶片選擇型號為AT89C51的微處理器．該電壓檢測單元硬體電路主要包括：單片機控制電路、MAX232轉換電路與繼電器切換電路．AT89C51晶片通過MAX232晶片與上位機軟體進行通信，同時提供向主控單元傳送數據的接口，其他I/O口控制繼電器的切換以保證在同一時刻只有一塊蓄電池在測量迴路中．通過單片機編程與制定報文協定，就可以通過六位半數字多功能萬用表的串口進行繼電器的控制與數據傳輸．通過這個硬體電路，可以進行多塊蓄電池端電壓的高精度循環測量．
3.內阻檢測單元
蓄電池內阻是反映電池性能的重要參數．儘管密封鉛酸蓄電池內阻跟電池容量之間沒有觀察到嚴格的數學關係，無法根據單個電池的內阻值去預測電池的使用壽命．但文獻[3]指出，電池內阻的突然增大或電導的突然減小，則預示著電池壽命即將終止．目前的內阻測試方法中交流注入法相對套用比較廣泛，該方法不需對蓄電池進行放電，所以不會影響蓄電池的性能而該文的內阻檢測單元在交流法測內阻的基礎上，採用鎖相放大技術，以提取微弱信號；採用差分交流信號輸入，以濾除噪聲干擾；在單片機的程式處理上，對輸入電壓、電流與A/D採樣值之間的對應關係，採用最小二乘法進行處理以提高測量精度與準確性．
內阻檢測單元硬體設計
內阻檢測單元功能的實現主要在於信號的放大提取與抗干擾的設計．放大電路的設計主要採用高精度集成運算放大器，同時進行阻容濾波的處理．為了消除工模干擾，只放大差模信號，採用差分輸入電路．
內阻檢測單元放電數據採集
利用該單元對山東聖陽固定型閥控密封式GFM－200C型12塊蓄電池，以20A/h的放電率進行放電，同時採集其內阻數據，取其3塊電池得到其剩餘容量與蓄電池內阻的數據報表.容量與蓄電池內阻之間的關係．
4.溫度檢測單元
蓄電池在進行充、放電時內部存在氧化還原反應，氧化反應放熱，還原反應吸熱，但是由於內阻的存在，充、放電過程均會產生熱量．研究表明：閥控蓄電池為15～25時，工作狀態最佳，溫度過高或是過低都會對蓄電池的整體性能產生影響所以，對蓄電池本身以及運行環境溫度進行實時檢測是十分必要的．該溫度檢測單元，主要使用DS18B20溫度感測器進行溫度檢測．為了直接測量蓄電池的本身溫度，該單元直接測量蓄電池的極柱溫度．同時，溫度檢測單元採用了無線數據傳輸，將檢測單元採集到的溫度數據，無線傳送給集中
2系統軟體設計
為了使數據查看更加直觀，數據處理更加方便，以及操作更加便捷，本系統配合硬體設計了一款命名為蓄電池參數綜合測試儀的測試軟體．該軟體可以進行電壓、內阻、溫度的單次測量，可以啟動連續測量、設定單元的採樣間隔、設定參數的越限定值、查看歷史數據等．該軟體通過網路協定與集中主控單元進行互動．互動界面如圖8所示．
數據採集的套用
一種基於旋轉觸探的參數採集及處理微機系統
目前，高速鐵路、城際軌道交通、地下鐵路工程迅猛發展，設計和施工對工程勘察都提出了高精度的要求，已經成熟的靜力觸探技術由於達不到設計深度，只能全部採用鑽探取樣方法，造成勘探成本大幅度提高，我院為了解決觸探深度問題，經過十多年努力，已初步研發成功旋轉觸探技術。旋轉觸探技術是一種能將鑽探深度大和觸探原位測試數據連續的優點有機結合起來，測試精度準確可靠的全新深層原位測試技術，且已取得初步成果，在邯黃線、京滬線上進行了試套用，最大測試深度達86m。2010年10月《旋轉觸探技術套用研究》項目通過了天津市科技成果轉化中心組織的成果鑑定，鑑定成果達到國際領先水平。目前共取得了3項國家發明專利、7項國家實用新型專利，已申報2011年度鐵道部科技進步獎。旋轉觸探技術採用無纜靜力觸探技術，在靜力觸探探頭上增加測試扭矩、水壓力參數，利用靜探車的液壓裝置使鑽頭按一定的速率旋轉並勻速壓入土層中，測出土層對鑽頭在旋轉貫入過程中隨深度連續變化的貫入阻力、鑽頭旋轉扭矩、排土水壓力等參數，並且將這些參數儲存在桿件中的儲存元件中，待觸探完成後，把記錄數據回放到地面的接收儀器中，最後根據這些旋轉觸探參數與深度的關係曲線反應土層物理力學性質的變化實現深孔觸探。旋轉觸探系統是以時間同步為基礎，進行同步採集、存儲觸探參數的微機系統。地上、地下數據採集裝置同時記錄觸探深度、探頭轉速、貫入阻力、鑽頭旋轉扭矩、排土水壓力等參數，並根據存儲數據的對應關係，建立相應的資料庫和列印輸出關係曲線圖或數據表格檔案。並且可以將這些數據傳輸於上級計算機進行後處理，最終根據這些參數計算得出工程設計所需的地層資料。因此地上、地下參數採集存儲、接收處理系統是旋轉觸探技術的核心，本文主要介紹該系統工作的基本原理，地上、地下數據採集存儲、接收處理系統的軟、硬體設計，系統功能的設計。
1 系統工作的基本原理
參數採集時，必須同步採集地上參數與地下參數，才能進行準確的對比、分析、判斷以得出正確的結論。因此，該系統在設計時，採用了兩台單片微型計算機。一台特製裝進探桿內隨著鑽頭貫入地下並完成對各參數的採集、存儲功能的異型計算機，它和感測器一起被稱之為旋轉觸探地下數據採集存儲系統;另一台在地面上，製成台式便於操作並完成深度、轉速檢測記錄和一系列數據處理等功能的專用計算機，稱為旋轉觸探數據處理儀，也稱讀數儀。本套系統是以時間同步來準確地完成了地上、地下系統分別記錄的深度與地下測試參數的對應關係。待觸探到預定深度停止貫入時，將貫入地下鑽頭拔出，進行兩機通訊，將存儲器內的數據傳輸給數據處理儀。處理儀將這些數據建立與深度的對應關係，並列印出對應的數據，繪製出曲線。
2 系統硬體的設計
2．1 旋轉觸探數據處理儀的硬體設計
旋轉 、以ATMega128CPU為核心的控制單元、存儲器、液晶屏顯示器、485通訊以及各種地上感測器的接口電路等組成，它是一台控制地下數據採集儲存系統，指示開始測試、向地上傳輸數據及檢測地下系統並完成測試
2．2地下數據採集儲存器的硬體設計
地下數據採集儲存器是由四通道數據採集、A/D轉換、主控CPU單片機、儲存器、電池組、通訊接口等組成，並全部密封在一外徑為36mm，內徑為25mm，長為30cm的圓管狀環形夾層中，負責採集鑽壓、扭矩、排土水壓力參數並進行儲存，接受地上讀數儀的控制。
3系統軟體功能的設計
在軟體上，整套系統共設計為兩大部分，即地上系統軟體和地下系統軟體。軟體開發採用了方便的KeilCx51編譯器，與彙編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，而且Cx51編譯器為51系列單片機軟體開發提供了全新的C語言環境，同時保留了彙編代碼高效、快速的特點。
3．1地上系統軟體功能設計
地上系統軟體具有測試數據管理、現場測試、旋轉觸探感測器標定等各項功能。
3．1．1測試數據管理
對存儲在數據接收處理儀的現場測試數據檔案進行管理，可以選擇檔案，顯示曲線，顯示游標處的測試數據，也可傳送或轉存數據檔案。
3．1．2現場測試功能
可輸入孔號、感測器類型及標定係數、採樣間距等參數;充當地下系統的輸出設備，即接收並顯示測試數據;控制地下系統的操作，向數據採集存儲儀傳送各種指令;接收深度、轉速記錄儀發來的信號，並進行儲存、顯示。
3．1．3感測器標定
與地下數據採集存儲儀連線，輸入標定級數及級差，對感測器進行各項標定，存儲並顯示標定曲線、各種誤差及標定係數。地上系統軟體功能操作流程如圖3所示。
3．2地下系統軟體功能設計
地下系統軟體0．5s定時進行數據採集並存儲;可對不同感測器設定不同的靈敏度;具有軟體歸零功能;回響暫停工作命令，保持斷點工作狀態;回響繼續工作命令，恢復斷點工作狀態;支持多孔數據採樣一次回放;具有RS485通訊功能。另外，為了便於後處理，我們還專門為該套系統設計編寫了上位機軟體，作業系統平台為win98及winXP，可形成資料庫，可備份，操作簡單，可視性強，數據處理過程中可對每個孔號數據進行曲線顯示和列印。
