脉冲式电表的数据采集器设计毕业论文.docx
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脉冲式电表的数据采集器设计毕业论文
脉冲式电表的数据采集器设计毕业论文
1前言
本章主要说明设计脉冲式电表的数据采集器的目的、意义、围以及技术要求，在设计过程中遇到的主要问题以及解决方案。
1.1脉冲式电表设计的目的
计算机的普及应用为自动化管理及自动控制创造了条件。
如果将目前变电站、供电所及发.电厂使用的感应式电表改造一番，使其能输出电能脉冲，就与计算机配套使用，进行自动检测、自动记录、自动控制。
这样一方面大大减轻变电站值班人员的劳动强度;另一方面还可消除人工记录时的人为错误和计算错误。
1.2数据采集器设计的意义
数据采集器属于信息科学的一个重要分支，它是以传感器技术、信号检测和
处理技术、电子技术、计算机科学等技术为基础形成的一门综合应用技术学科。
人类从诞生开始就离不开信息活动，但是信息真正成为科学研究对象并发展成为一门科学，确是始自20世纪40年代中期。
发展至今数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。
数据采集是工业控制的基础部分，无论是集中式数字控制系统、集散式控制系统、还是现场总线控制系统，都必须首先将多个地点的诸如温度、湿度。
统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理使系统的成本降低、体积减小、功能成倍增加、数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今，在国际上，技术先进国家的数据采集技术已经在军事、航空、电子设备、宇航技术及工业等领域被广泛应用。
随着现场总线技术和网络技术的发展，数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高，可以更好地实现生产环节的在线实时数据采集与监控。
而在本文中，脉冲式电表的数据采集器，依旧有着至关重要得作用。
最简单来说，它可以使脉冲式电表的使用变得更加的完善。
1.3脉冲式电表（功能、组成、对比其他类型电表优势）
脉冲电能表为综合自动化变电站、远程自动化监测提供了采集电能、负荷监控、数据传输等方面的功能。
脉冲电能表主要由电能测量部件和脉冲装置两大部分组成。
电能测量部件即为感应式电能表；脉冲装置包括脉冲采样信号发生电路和脉冲输出电路两部分。
脉冲电表是通过累积脉冲来计量电能的，脉冲指示灯不会常亮，只会闪烁，而且闪烁快慢根据负荷大小确定。
脉冲电表灵敏度很高，家中电器指示灯亮都会计量电能。
1.4数据采集器（功能、组成、种类及各自优缺点对比）
数据采集器具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。
它具有微处理器，数据采集模块，读写存储器（RAM）、键盘、屏幕显示器、与计算机接口、A/D转换接口、D/A转换电路、V/I电路。
数据采集器可分为两种：
2.1批处理数据采集器
离线式工作，数据批量采集器后，通过USB线或串口数据线跟计算机进行通信。
数据采集器装有一个嵌入式操作系统（各个生产厂家独立研制开发，互不兼容），应用程序需要在操作系统上独立开发。
采集器带独立置存、显示屏及电源。
目前这种数据采集器已经用的很少，主要是缺乏数据处理能力，和移动工作的能力（只能通过USB和电脑有线连接）。
（2）工业数据采集器
数据采集器通过无线网络（WIFI,GPRS或Bluetooth）时时连接到本地应用软件数据库，数据进行时时更新。
数据采集器装有一个WINCE、windowsmobile或andrios操作系统，置无线通讯模块（WIFI,GPRS或Bluetooth）。
采集器带独立置存、显示屏及电源。
数据采集器参数（HK9920）
物理参数：
型号：
HK9920
外形尺寸：
采用人体工程学设计150mm长×70mm宽×25mm厚
重量：
200G（含电池）
性能参数：
CPU：
SUMSANGS3C2451（533MHz）
操作系统：
微软WindowsCE5.0中文操作系统
存：
RAM128MFlash-ROM128MB/256MB/512MB最大支持16G
输入：
英文、拼音、手写输入、字母数字功能键盘
显示屏：
英文、拼音、手写输入、字母数字功能键盘
3.2英寸TFT-LCDQVGA（240×320）彩色触控屏幕
扫描参数：
扫描速度达到100次/秒±2次/秒距离为60-650mm
分辨率为0.127-1.00mm
电源：
主电源3.7V2800mAh，充电式锂电池，可使用8小时以上（需视实际环境而定）
备用电池150MA，最长可保证数据6小时部丢失,充电时间：
3.5小时
扩展口：
MicroSD/TF插槽（最大可支持16G）
环境参数：
操作/存储温度：
－15~+50℃/-20~+60℃
操作/存储湿度：
相对湿度5-95℃（无冷凝）
坠地抗震高度：
能够承受多次从4英尺（1.2米）高度跌落到水泥地面的冲击
产品功能特点：
WI-FI无线局域网：
置802.11b/g无线通讯功能，通讯速率高达54MB/秒
摄像功能（扩展）：
200W~300W像素摄像头，有补光灯
GPS（扩展）：
GPS定位：
信道48，定位精度小于1.0m，速率精度小于0.01m/s
RFID（扩展）：
高频/超高频
产品规：
工业等级：
IP54
产品认证：
通过中国国家强制性产品3C认证，通过CE认证，具有中国信息产业部颁发的无线电发射设备型号核准认证
保修期：
12个月，配件除外
数据采集器硬件参数
物理参数
尺寸：
.5（长）mmx75（宽）mmx31（高）mm（标准电池配置）
.5（长）mmx75（宽）mmx38.9（高）mm（4400mAH电池配置）
重量（含标准电池）：
400克
显示屏幕：
彩色3.2英寸QVGA显示屏TFT-LCD、65K色
240（宽）x320（长）（QVGA尺寸）
触摸面板：
仿玻璃的耐用触摸屏
背光：
LED背光
主要电池：
充电式聚合物电池（3.7V、2200mAH）
待机时间：
150小时
一次充电扫描次数：
5000次
扩展电池容量：
可选充电式聚合物电池（3.7V、4000mAH）
扩展插槽：
用户可接入的UART插槽（带安全罩）支持SAM卡、SIM卡、TF卡
通知：
振动器（2个）和LED、语音
摄像：
300W像素摄像头
输入方式：
标配手写笔，可选多种输入方式
音频：
扬声器、接收器、全双工录音和播放（立体声）的软件支持
喇叭：
0.5W
显示灯：
无线传输/接收、扫描、电源/充电，4种状态彩色LED指示灯
可连接设备：
微型打印机、传感器、接触式IC卡读写模块、UHF读写模块等
开发环境
WINCE版：
WINCE环境开发，提供二次开发包，支持C++、C#、VB开发语言
性能参数
CPU:
SamsungARM920T533MHz
存：
128MBRAM/1GBFlash存储
接口/通信：
USB、UART
按键：
31个软硅胶按键、5个一次性操作功能键、个性化设计的旁侧扫描按键
使用环境
工作温度：
-20℃至50℃
储存温度：
-25℃至70℃
湿度：
5%RH-95%RH（无凝露）
跌落规格：
6面均可承受从1.5米高度跌落至水泥地面的冲击
滚动规格：
1,000次0.5米，六个接触面滚动
密封环境：
IP64
2.1设计重点
脉冲式电表的数据采集器，适用围要广，效率要高，时间要久。
2.2数据采集器总体结构规划
虽然基于CAN线技术的实时运行控制在典型控制系统中已经实现，但是这些控制系统在国诸多领域的运用中，控制功能仍然由上位机完成，没有达到控制功能的彻底分散，如果上位机出现故障，整个控制系统将不能正常工作，系统运行的危险仍然集中在上位机。
没有完全发挥现场总线的优点。
为此，本文将液位控制功能下放给智能数据采集器，真正地做到危险分散化。
实现现代工业控制思想的核心“分散控制，集中监控”。
2.3数据采集器总体功能分析
智能数据采集器中数据采集模块，主要完成模拟信号输入到数字信号的转换即将现场传感器（PT100热阻、压力变送器等）测得的信号转化为数字信号后送入单片机，在单片机中经过运算处理后，形成控制信号。
控制信号再经D/A转换器返送至调节阀，通过调节调节阀的开度实现控制。
数据采集器中的CAN通讯模块，主要完成CPU与CAN现场总线之间的数据传输。
即通过CAN通讯模块使不同的数据采集器之间相互通信，并将需要监控的信号送到CAN总线上，总线上其它智能数据采集器或根据事先设计好的验收码和屏蔽码，来判断是否接收该信息。
传送到的信息，可以通过监控软件进行显示、控制、记录。
同时CAN通讯模块还负责将接收的数据和控制参数传送给数据采集器。
即系统的控制参数由CAN通讯模块通过设定。
初始化与PID调节等功能由数据采集模块完成。
同时所有的状态信息在线的通过CAN通讯模块传送至上位机进行监控，并可以根据需要在线修改控制参数。
2.4设计方法
数据采集器硬件设计
该数据采集器为本安型设计并经防爆和性能测试，由无线通信电路、数字显示电路、自动复位电路、大容量存储电路、电源管理电路和时钟电路组成。
无线通信电路
该电路采用FC-201SP微功率无线数传模块，该模块具有无
需申请频点、高抗干扰能力与低误码率、传输性能优良、低功耗、
高可靠性，体积小，重量轻等特点。
该电路实现了与井下压力检
测主机、地面通信接口之间的数据传输，并通过数据通信指示灯
指示数据传输是否正在进行。
数字显示电路
四位数码管显示采集器的工作状态，指示数据传输过程中是
否有错误数据。
自动复位电路
防止单片机死机或跑飞问题，提高数据采集器工作的可靠性和稳定性
大容量存储电路
该电路采用大容量存储器M25P16实现数据存储，在该存储
器中可存储2天的压力数据。
M25P16是一个16Mbit（2M×8）的
串行Flash存储器，有先进的写保护机制，通过高速SPI兼容总线
进行读取。
可以用页编程指令进行页写操作，一次可写1~256字
节。
M25P16由32个段组成，每段包括256页，每页有256字节。
这样，整个存储器可以被看成由8192页或2097152字节构成。
可
以用片擦除指令擦除整个存储器，或者用段擦除指令进行段擦除，
一次只擦除一段。
电源管理电路
该数据采集器由锂电池供电，在使用过程中要不断检测电池
的电量，以及时充电。
该电路实现了电量的检测与状态指示。
钟电路
该电路采用时钟芯片PCF8563来实现时钟功能，用于记录数
据采集的时间信息。
PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟日历芯
片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，
所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递，最大总线速度为
400Kbits/s，每次读写数据后，嵌的字地址寄存器会自动产生增
量。
软件设计
软件设计主要完成3个方面的工作：
（1）按系统的功能要求编制相应的软件；
（2）按器件的操作要求编制相应的软件；（3）计算机对数据处理的相应软件。
系统的软件要实现双机通讯，以发送命令、接收数据，操作读键。
根据按键的次数，完成不同的工作。
为了避免在无意间碰压按键，只设置一个按键，各种功能的完成是靠按压的次数和时间间隔以及指示灯的配合来完成。
比如当电池电压不足需要更换电池时，可以按住键不放5s，待指示灯亮放开，灯亮3次，灯灭时再按住不放，如此3次，程序部停止读数、存数等操作，处于等待状态，此时可以更换电池，更换完毕再按住3s，系统又重新开始工作，这样程序运行正常，保证读数、存数不会紊乱出错；
对器件操作软件主要针对3个器件：
实时时钟、闪存。
高性能、低功耗的贴片式时钟芯片是串行数据接口，程序通过单片机的I/O对该芯片进行操作。
初始化后先写入命令字，跟随在输入写命令字节的8个SCLK周期之后，在下8个SCLK周期的上升沿开始输入数据，数据从“0”位开始输入，这时即可把修改的时间参数写入。
读取时钟的数据也是先写命令字，而后跟随在输入读命令字的8个SCLK周期之后，在下8
个SCLK周期的下降沿输出数据字节。
如果使/RST保持在高电平，输入有额外SCLK周期，则可连续发送数据字节，实现连续多字节读出的功能，其数据也是从“0”位开始输出。
时、分时数据读出后，即按顺序存入闪速存储器中，因为时、分都是2
位数，所以占用2个存单元，地址计数器加2。
温度传感器的数据输出线只有（根，所以，也是串行接口式的数据输出。
程序先要对其进行初始化，然后读取温度数据，先读低）位，后读高）位，读出的数据稍微处理即可存入闪存，排在时、分数据的后面。
对闪速存储器的操作，主要是擦除、写、读3种方式。
每种方式操作之前都要写入相关的命令字。
对存储器空间的查询，是在闪存的片外完成，通过单片机的计数单元进行计数，每存入一次数据进行一次计数查询，计满为止。
数据处理的软件是在计算机完成的。
当各种数据传送给计算机时，先把数据存放在数据库中作为原始数据，然后根据需要进行相应的处理。
一般常用的就是时间、温度的显示，按时间查阅、列表、最大值、最小值等等。
在我们进行对比的实验中，还兼有统计方面的程序。
2.5微处理器的选择及其电路设计
在数据采集器中，微处理器是核心，因此，在硬件设计时首先要考虑的是微处理器的选择，然后再确定与之配套的外围设备电路。
2.6单片机芯片的选择
单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革。
以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起组成新一代的“智能仪器”。
在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪器后，能解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化仪表电路，提高仪表可靠性，降低仪表成本以及加快新产品的开发速度。
本文研究的数据采集器采用单片机作为微处理器微处理器原则上只要能够满足实时控制调节需要的处理器都可以使用，但考虑到硬件设计的兼容性和成本，可采用80C51系列或兼容的51单片机。
从工厂实际生产的角度来说，最好使用嵌CAN控制器的单片机，可以减少使用成本和占用设备空间的开销但从设计的角度来说，这样设计的系统灵活性欠佳，协议无法有效的扩展和改进。
所以本文最终选择使用美国ATMEL公司的AT89C52单片机，片具有8KB的可在线编程的Flash存储器，方便调试和系统升级。
2.7微处理器电路设计
本文选用的AT89C52单片机是低功耗，高性能，采用CMOS工艺的8位单片机。
它与S-51产品完全兼容；片存储器包含8KB的Flash存储器，可在线编程，擦写次数不少于1000次；具有256字节的片RAM；工作电源电压为4.0～5.5V；全静态时钟为0～24MHz；具有可编程的32根I/O口线；中断系统具有8个中断源；具有可编程串口通信信道；2种低功耗节电工作方式,即空闲模式和掉电模式。
由于AT89C52单片机与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容；片的Flash存储器可在线重新编程，从而使AT89C52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比。
AT89C52单片机具有上述优点，因此完全可以满足伴生气提馏自动控制系统的数据采集与控制要求。
具体的电路如图所示。
2.7数据采集模块的设计
数据采集模块负责进行采集各个现场设备的传感器信号，经A/D转换后送入单片机，在单片机中经过运算处理后，形成控制信号。
控制信号再经D/A转换器返送至现场执行设备，从而实现信号的传输与控制。
2.8A/D转换接口设计
ADC089的原理结构框图如下
转换电路图如下
ADC0809是一种较为常用的8路模拟量输入，8位数字量输出的逐次比较式ADC芯片，芯片的主要部分是一个8位的逐次比较式A/D转换器。
为了能实现8路模拟信号的分时采集，在芯片部设置了多路模拟开关及通道地址锁存和译码电路，因此能对多路模拟信号进行分时采集和转换。
转换后的数据送入三态输出数据锁存器ADC0809的典型的时钟频率为640KHz，时钟信号应由外部提供。
每一通道的转换时间约为100μs。
根据前面分析，本智能数据采集器共需六路模拟量输入。
即两路标准模拟信号输入，四路热阻信号输入。
系统要根据需要选择其中的一路信号通路，本文就是利用ADC0809中的片自带的8位模拟开关来实现这个选择功能的。
2.9D/A转换电路设计
DAC0832D/A转换器，其部结构如下图。
它由数据寄存器、DAC寄存器和D/A转换器三大部分组成。
DAC0832部有两个寄存器,输入数据寄存器和DAC寄存器用以实现两次缓冲，故在输出的同时，尚可采集一个数字，这就提高了转换速度。
当多芯片同时工作时，可用同步信号实现各模拟量同时输出。
DAC0832是采用CMOS/Si-Cr工艺制成的双列直插式单片8位D/A转换器。
它可直接与Z80、8085、8080等CPU相连，也可同8051相连，以电流形式输出；当转换为电压输出时，可外扩运算放大器。
它的转换时间为1μS；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；每次输入数字为8位二进制数；供电电源为单一电源，可在5V～15V。
本文中D/A转换的具体电路如下图所示：
2.9V/I电路设计
由于经D/A转换器输出的信号为电压信号，而执行机构，本文中即为气开式调节阀，要求为电流信号，所以要在D/A后加上V/I转换电路，实现标准电流的输出。
在考虑V/I时，仍然避免不了要用到运算放大器和晶体三极管。
本系统设计时就是采用的V/I转换电路如图4-11所示，2.A/D转换部分误差ADC分辨率的高低取决于位数的多少。
一般来讲，分辨率越高，精度也越高，但是影响转换器精度的因素很多，分辨率高的ADC，并不一定具有较高的精度。
精度是量化误差ε1、偏移误差ε2、增益误差ε3、微分线性误差ε4、积分线性误差ε5、电源波动误差ε6等综合因素引起的总误差。
参数如下图所示。
它为同相端输入，采用电流串联负反馈方式，具有恒流作用，且电路输出电流IOUT与输入电压VIN的关系为IOUT=VIN/Rt。
这种电路结构简单实用。
在测试过程中取得了满意的效果，它所采用的电路元器件比较少，在整个系统设计过程中，我们都尽量本着降低干扰及较低功耗来做工作的。
V/I转换电路一般来讲是大多数智能型仪器仪表硬件电路所必需的。
而且，它的性能的好坏直接关系到整个仪器仪表系统的性能。
所以在对V/I转换电路设计时应该注意到一些问题，如稳定性、输出控制围、波动围等。
这些都是该电路设计所必须考虑的问题。
我们在设计中DAC0832模拟电压转换电路再接V/I转换电路，就是考虑到这使整个系统有较大的稳定性，而且容易通过调节外部电阻或者单片机本身数据输出来达到4~20mA的标准电流输出。
3.1A/D转换部分误差
条件项目数值
VREF=2.50V，
PGA增益=1，
MDCLK=2.4576MHz，
校准后误差
积分非线性±15ppmFS
偏移误差±5ppm
增益误差±0.002%
偏移温漂10nV/℃
增益温漂±0.5ppm/℃
输入缓冲器断
开增益=1
输入阻抗7MΩ
输入电流±0.5nA
DC
共模抑制比110dB
分辨率24位
部为全差分24位Sigma-Delta模/数转换器（ADC），具有在片校准功能。
可以使用部或系统校准方式对ADC0的增益和偏移进行在系统校准。
在编程设计过程中为保证校准精度，先进行偏移校准，然后再进行增益校准。
由于在一般的场合不太需要考虑微分线性误差和积分非线性误差，所以在系统A/D转换误差分析中不予以考虑。
测试误差软件
第一步
第二步
第三步
如下页图
通过以上三步，便可以很简单的测出误差，并且进行修改。
车体重心位置对赛车加减速性能、转向性能和稳定性都有较大影响。
重心调整主要包括重心高度和前后位置的调整。
理论上，赛车重心越低稳定性越好。
因此除了激光传感器装得稍高以外，其他各个部件的安装高度都很低。
除此之外，车辆重心前后方向的调整，对赛车行驶性能也有很大的影响。
根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增加转向，但降低转向的灵敏度（因为大部分重量压在前轮，转向负载增大），同时降低后轮的抓地力；重心后移，会减少转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加。
因此，确定合适的车体重心，让车模更加适应比赛赛道是很关键的。
经过实际调试，将整个车的重心放在小车中间稍靠后的位置。
舵机的灵敏度可通过调整舵机的安装方式解决。
2.4传感器模块
2.4.1光电传感器的原理
光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管。
如图2.4.1，由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来，光电传感器原理
图2.4.1激光原理图
2.4.2红外传感器和激光传感器方案对比
红外传感器的电路简单，但是其前瞻能力不是很好。
但由于其价格便宜，无静电干扰，但是都外界光线干扰影响很大，各传感器在相同光照下各相异性很明显，阻值相差很大，导致在全白情况下依然有压差最大的传感器出现，而且根据传感器倾斜程度不同，压差最大的传感器也是不同的。
激光传感器与普通的光电传感器原理都是一样，但是其前瞻能力远大于普通的光电传感器，可以达到40-50厘米，对于智能车来说已经足够。
激光传感器同样是由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份。
发射部份由一个振荡管发出180KHz频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入单片机，检测返回电压的高低。
由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。
但是激光传感器的致命缺点是其单价比红外传感器高很多。
—光速；
Eg—半导体的禁带宽度。
上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。
当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。
如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。
当有源层的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。
当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光。
2.4.3激光发射管的相关参数
（1）波长：
即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
（2）阈值电流Ith：
即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。
（3）工作电流Iop：
即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。
（4）垂直发散角θ⊥：
激光发射管的发光带在垂直PN结方向开的角度，一般在15˚~40˚左右。
（5）水平发散角θ∥：
激光发射管的发光带在与PN结平行方向所开的角度，一般在6˚~10˚左右。
（6）监控电流Im：
即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流
2.4.4激光的使用注意事项：
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