基于單片機的數(shù)據(jù)采集與近距離無線傳輸系統(tǒng)研究

郝小雷，劉志強

（1.69016部隊，新疆　烏魯木齊　830001；2.預(yù)備役192師第575團，遼寧 本溪 117000）

?

基于單片機的數(shù)據(jù)采集與近距離無線傳輸系統(tǒng)研究

郝小雷1，劉志強2

（1.69016部隊，新疆烏魯木齊830001；2.預(yù)備役192師第575團，遼寧 本溪 117000）

摘要：近年來，我國工業(yè)發(fā)展迅速。在這樣的背景下，自動化機電設(shè)備的應(yīng)用也得到了相應(yīng)的普及。與此同時，一些自動化機電設(shè)備的規(guī)模、復(fù)雜程度以及智能程度也越來越高。在自動化機電設(shè)備廣泛應(yīng)用的條件，確保其運行的穩(wěn)定性及安全性非常重要。文章對基于單片機的數(shù)據(jù)采集與近距離無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究，首先對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行簡要概述，然后對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行分析，進(jìn)一步對硬件部分的實現(xiàn)以及軟件部分的實現(xiàn)進(jìn)行分析，希望以此使該系統(tǒng)能夠為自動化機電設(shè)備可靠性及安全性的提高提供有效技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：單片機；數(shù)據(jù)采集；無線傳輸系統(tǒng)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國社會經(jīng)濟呈現(xiàn)了快速的發(fā)展勢態(tài)，在這樣的勢態(tài)下我國工業(yè)也快速發(fā)展起來［1］?；诠I(yè)生產(chǎn)過程中，少不了自動化機電設(shè)備的應(yīng)用。而要想使自動化機電設(shè)備在運行過程中的穩(wěn)定性及安全性得到有效保障，為其提供相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)的支持非常關(guān)鍵。而基于單片機的數(shù)據(jù)采集與近距離無線傳輸系統(tǒng)便能夠提高自動化機電設(shè)備在運行期間的穩(wěn)定性及安全性。鑒于此，本文對“基于單片機的數(shù)據(jù)采集與近距離無線傳輸系統(tǒng)”進(jìn)行研究意義重大。

1　相關(guān)系統(tǒng)簡要概述

基于工業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中，一般的數(shù)據(jù)方式有2類：其一為持續(xù)發(fā)生變化的電壓或電流等模擬量藍(lán)齊兒為基于二進(jìn)制模式的開關(guān)量。當(dāng)中，持續(xù)發(fā)生變化的模擬量需要多類傳感器的支持，才能夠使數(shù)據(jù)得到有效輸出。因此，此類數(shù)據(jù)方式相對于基于二進(jìn)制模式的開關(guān)量更為常見。在此次研究中，將模擬量視為采集數(shù)據(jù)的主要途徑［2］。通常條件下，所采集的數(shù)據(jù)需使用導(dǎo)線向控制中心傳輸。此類方法需利用專門使用的電纜進(jìn)行鋪設(shè)，并且在造價成本上顯得不夠經(jīng)濟，此外在電纜維修養(yǎng)護(hù)方面難度也較大。綜合考慮，為了解決在造價成本、電纜維修養(yǎng)護(hù)方面的不足，此次在相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計過程中，使用了AT89S52單片機作為核心芯片，并使用高性能無線收發(fā)芯片CC1000、MAX1167多通道A/D變換器以及AD623儀器放大器等芯片，進(jìn)而使數(shù)據(jù)采集與近距離無線傳輸系統(tǒng)的高速性及穩(wěn)定性得到有效提高。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能分析

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，需對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能充分了解，這樣才能夠為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)憑據(jù)。對于將AT89S52單片機作為核心芯片的系統(tǒng)來說，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)相關(guān)功能為。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將AT89S52單片機作為核心芯片的系統(tǒng)主要由兩大組分組成：其一為數(shù)據(jù)接收處理部位；其二為數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分。將數(shù)據(jù)接收處理部位稱之為上位機，上位機又進(jìn)一步細(xì)分為3個模塊，即單片機控制系統(tǒng)模塊、無線收發(fā)模塊以及串行通信模塊。本文將數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分稱之為下位機模塊，下位機模塊組分較多，包括了單片機控制系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、無線收發(fā)模塊以及信號放大模塊等［3］。此外，單從AT89S52單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，包括了數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、微處理器、控制部件以及特殊功能寄存器等。如圖1所示，為AT89S52單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　AT89S52單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2系統(tǒng)功能

要想了解系統(tǒng)的整體功能，需從上位機和下位機2個方面著手：（1）基于上位機中，單片機控制系統(tǒng)主要針對上位機的其他模塊進(jìn)行控制。而無線收發(fā)模塊則主要和下位機保持通信關(guān)系，使短距離的數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫接行崿F(xiàn)，同時使信息的傳輸?shù)玫接行Э刂啤τ诖型ㄐ拍K來說，主要把無線收發(fā)模塊所接收的數(shù)據(jù)向設(shè)備控制中心傳輸。（2）基于下位機中，傳感器主要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。放大器主要把傳感器傳輸?shù)玫降哪M量進(jìn)一步放大。而模擬量被放大之后，其數(shù)字化則需A/D轉(zhuǎn)換模塊加以實現(xiàn)。進(jìn)一步在單片機控制系統(tǒng)的作用下，使數(shù)字化進(jìn)一步向二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化［4］。此外，單片機控制系統(tǒng)還起到了對無線收發(fā)模塊控制的作用，進(jìn)而以天線為傳輸渠道，通過電磁波的方式把數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送過去。

3　系統(tǒng)硬件部分的實現(xiàn)分析

在上述分析過程中對本次設(shè)計系統(tǒng)的硬件有了一定的認(rèn)識，為了使系統(tǒng)硬件部分得到有效實現(xiàn)，下面就對其相關(guān)硬件進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1AT89S52單片機分析

在本次系統(tǒng)當(dāng)中，所使用的單片機即為AT89S52單片機，由Atmel公司生產(chǎn)，屬于八位CMOS微處理器，主要特點是功耗低以及性能高。其內(nèi)部具備在線可編程Flash存儲器，屬于8K字節(jié)類型，此外還包括了看門狗定時器以及計數(shù)器等?；谙到y(tǒng)應(yīng)用分析，AT89S2單片機能夠與工業(yè)上指定的80C51產(chǎn)生充分兼容，進(jìn)而使系統(tǒng)功能的實現(xiàn)得到有效保障。

3.2無線收發(fā)模塊分析

基于無線收發(fā)模塊當(dāng)中，系統(tǒng)應(yīng)用了CC1000加以實現(xiàn)，這是一類單片無線收發(fā)一體芯片，由Chipcon公司生產(chǎn)，主要的特點是功耗低以及電壓低。在工業(yè)以及醫(yī)療的一些特定頻率當(dāng)中，該無線收發(fā)模塊具備顯著應(yīng)用價值。與此同時，在不能直接適應(yīng)的頻率中，可采取編程的方式使其間接性地在一些頻率中應(yīng)用。在此次系統(tǒng)設(shè)計過程中，將工作頻率控制在433MHz。在此芯片應(yīng)用的條件下，使得短距離的數(shù)據(jù)傳輸顯得更加穩(wěn)定，同時還具備接收穩(wěn)定數(shù)據(jù)的功能。

3.3轉(zhuǎn)換器分析

在此次系統(tǒng)設(shè)計過程中，所使用的轉(zhuǎn)換器為MAX1167 A/ D轉(zhuǎn)換器，由MAXIM公司生產(chǎn)。該轉(zhuǎn)換器主要用于模數(shù)的轉(zhuǎn)換，其具備的特點包括功率低、高精度以及多通道等。采樣頻率最高數(shù)值為200K，其內(nèi)部有4V左右的參考電壓集成，與此同時還包括了參考電壓緩沖器以及自動掉電等功能?？傊撧D(zhuǎn)換器在模數(shù)轉(zhuǎn)換中效率高，為系統(tǒng)硬件部分功能的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

3.4放大器分析

為了使傳感器小信號的放大得到有效實現(xiàn)，此次設(shè)計了AD623放大器，這是一種集成單電源儀表放大器，基于單電源3～12V的條件下能夠使電源幅度的輸出得到有效實現(xiàn)。與此同時，該放大器可以進(jìn)行單獨的增益設(shè)置電阻，進(jìn)一步使增益編程得到有效實現(xiàn)，這樣便使得放大器的功能的靈活度得到有效提高?；跊]有外接電阻的情況下，如果該放大器設(shè)置單位增益，則可以使外接電阻值擴大數(shù)千倍［5］。并且，該放大器的誤差偏小，能夠使線路可能產(chǎn)生的噪聲得到有效控制。基于整體層面分析，AD623放大器是以單電源的方法進(jìn)行設(shè)計的，基于雙電源工作環(huán)節(jié)中，它還是可以發(fā)揮出很好的性能作用。

4　系統(tǒng)控制流程及軟件實現(xiàn)分析

如前所述，系統(tǒng)做好分為上位機和下位機兩大構(gòu)成部分。而本次所設(shè)計的系統(tǒng)的控制流程便是這兩大構(gòu)成部分的主要工作。與此同時，軟件的實現(xiàn)也可系統(tǒng)控制流程有著密不可分的關(guān)系。具體內(nèi)容包括如下。

4.1上位機控制流程分析

對于上位機來說，其控制流程實現(xiàn)需嚴(yán)格遵循基本原則：首先，通過上電完成初始化工作，然后由控制無線收發(fā)模塊對相關(guān)控制信息進(jìn)行發(fā)送，例如下位機ID信息、校驗荷以及傳感器編號信息等。其次，通過串行通信模式把數(shù)據(jù)向設(shè)備控制中心傳輸，當(dāng)接收到與設(shè)定值個數(shù)相符合的數(shù)據(jù)之后，上位機再進(jìn)行控制信息的發(fā)送，進(jìn)一步完成其他傳感器數(shù)據(jù)的采集。如果情況較為復(fù)雜，則可利用按鍵對一些復(fù)雜傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

4.2下位機控制流程分析

與上位機相同，下位機在控制流程實現(xiàn)過程中也需遵循一定的原則：首先，下位機需保持在初始化狀態(tài)，將上位機的控制信息接收到之后，以控制信息為依據(jù)，對MAX1167采集到的不同通道的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，進(jìn)一步在無線收發(fā)模塊的作用下，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送出去［6］。將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)發(fā)送之后，再轉(zhuǎn)化為接收方式，對上位機的命令進(jìn)行接收，最終對特定的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及發(fā)送?？傊瑹o論是上位機控制還是下位機控制，均需要遵循一定的流程，這樣才能夠使軟件功能的實現(xiàn)得到有效保障。

5　結(jié)語

通過本文的探究，認(rèn)識到在我國工業(yè)發(fā)展的背景下，相關(guān)技術(shù)也不斷的進(jìn)步，而對于其中的自動化機電設(shè)備來說，由于復(fù)雜程度、只能程度越來越高，為此確保其在運行過程中的穩(wěn)定性及安全性便顯得極為重要。在此次研究過程中，設(shè)計了基于單片機的數(shù)據(jù)采集與近距離無線傳輸系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，首先需對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及功能有足夠的了解，以此為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。本系統(tǒng)設(shè)計過程中，將AT89S52單片機作為核心芯片，同時還包括了無線收發(fā)、轉(zhuǎn)換器、放大器等硬件設(shè)備，每一類設(shè)備均具備自身的功能。此外，在系統(tǒng)控制流程方面，主要分為上位機的控制流程和下位機的控制流程。本次設(shè)計的系統(tǒng)能夠提高自動化控制設(shè)備在運行過程中的穩(wěn)定性及安全性，進(jìn)一步為相關(guān)工作生產(chǎn)效益的提高奠定堅實的基礎(chǔ)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］劉小群，錢郁，陳磊.基于單片機的多路數(shù)據(jù)采集與傳輸顯示系統(tǒng)［J］.電源技術(shù)，2014（8）：1546-1548.

［2］李圖江.基于單片機的數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究［J］.硅谷，2014（17）：14.

［3］李斌，鄒家焱.基于MSP430單片機的錄井無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011（6）：69-71.

［4］樓平.基于GPRS的無線遠(yuǎn)程氣象數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子測量技術(shù)，2012（5）：118-122.

［5］梁錦，趙同剛.基于CC1110單片機的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集通信節(jié)點及節(jié)點間無線通信控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.軟件，2012（12）：205-209.

［6］左湘文，薛箏箏，肖建輝，等.基于51單片機的氣象數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)［J］.氣象科技，2015（5）：829-832.

Based on Single Chip Microcomputer Data
Acquisition and Wireless Transmission System Closely

Hao Xiaolei1, Liu Zhiqiang2
（1.69016 Units， Urumqi830001， China；2.Reserve 192， 575th Regiment， Benxi 117000， China）

Abstract：In recent years, the industry has developed rapidly in our country. In this context, the application of automated mechanical and electrical equipment is the popularity of the corresponding. At the same time, some degree of automation of mechanical and electrical equipment scale, complex and intelligent degree is becoming more and more high. In the conditions of the automation of mechanical and electrical equipment widely used， to ensure the running stability and security is very important. This paper based on the single-chip microcomputer data acquisition and wireless transmission system is studied from close range， frst to a brief overview of related systems，and then analyzes the structure and function of the system, further to the realization of the realization of the hardware part and software part were analyzed, and hope to make the system can provide automation to improve mechanical and electrical equipment reliability and security of effective technical support.

Key words：single chip microcomputer; data acquisition; the wireless transmission system

作者簡介：郝小雷（1981-），男，安徽渦陽，碩士，助理工程師；研究方向：計算機軟件工程，多agent系統(tǒng)。