基于单片机的数据采集系统.docx
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基于单片机的数据采集系统
第一章绪论
第一节前言
第二节国内外研究现状
第三节该课题研究的意义
第二章海洋
第一节海洋的简介
第二节海洋影响气候
洋流对地理环境的影响
海洋灾害
第三节我国海洋观测难题
第三章系统总体设计与分析
第一节数据采集系统的应用领域和发展前景
第二节系统总体设计与分析
第三节单片机控制部分
第四节总体框架分析
第五节传感器信号采集设计与分析
第六节无线传输部分分析
第七节上位机编程
参考文献
附录1浙江出台海洋灾害防御规划将投5亿建五工程
附录2中国海洋信息网2009年科技成果
附录3中国首部海洋观测预报法6月1日起正式实施
第一章
前言
海洋环境立体监测技术已列入国家中长期科技发展纲要中要解决的前言技术。
传感器网络作为海洋环境立体监测的重要技术单元之一，它的研究发展对提升海洋动力工程的实时立体监测能力具有关键作用。
传感器网络是当前国际上新兴的多学科交叉的前言热点研究领域。
由于其本身特有的应用价值，已引起军事领域、工业部门以及学术界的高度关注，它的研究也正经历从基础理论到工程技术的过度。
国外应用现状
目前，各沿海国家都在积极发展现代海洋监测高新技术，从空间、水面、水下对海洋环境进行立体监测，加强海洋预报、海洋信息服务领域的海洋高新技术能力的建设。
美国、加拿大、日本、欧共体、俄罗斯等海洋强国，不断强化或更新本国管辖海域的海洋环境监测和信息服务系统，不断推出海洋监测高新技术建设，维护国家安全和权益。
美国海军早在冷战时期就开始了传感器网络的研究和应用。
美国为称霸全球,早就提出要把全球海洋变为!
透明的海洋,;并为此付出了最大的努力,研制和生产了各种海洋监测高新技术产品,从空间、空中、水面、水下、海底及沿岸,对全球海域进行了全覆盖的监测,以获取海量信息。
正在组织实施的Argo计划将在全球海洋上布放3000个智能漂流浮标,每年可以得到10万个温盐剖面数据和参考速度;美国在茫特雷湾研究开发的“实时环境信息网络与分析系纷统”（REINAS）是一个军民兼用的集数据采集、管理和可视化为一身的实时监测和服务系统。
REINAS较好地利用了系统集成技术、网络技术、计算机技术、多媒体技术,将卫星遥感数据、低空遥测数据与水面和水卜现场测量数据进行综合集成分析,实时发布环境预报,并同时提供可视化产品,用于环境科学研究和信息服务。
目前,该系统正处于示范运行阶段,世界各地的用户通过互联网便可不断获得其非保密的信息服务。
法国也研制了通过改变浮力实现升降功能的潜标系统，最大工作水深1000米，平台上可以装载温盐深传感器、海流计、光学传感器、化学传感器，系统通过声学传输和卫星通讯实现数据实时传输。
国内现状：
与发达国家相比，我国在海洋环境监测技术、海洋预报和信息服务方面的技术装备水平，能力建设和服务等方面，都有很大差距。
我们在海洋环境预报领域的关键技术落后，其中包含物理过程不全面，分辨率较低，很难预报处重大海洋变异，海流、盐度、跃层、水质、赤潮等海洋环境要素的业务化预报几乎疏于空白。
目前（2008年），仍然依靠传统的人工方式来绘制、分析水文气象要素图表，用手工编报的方式传输沿海岸海洋台站和海上浮标实时数据，实时信息。
我国的海洋科学技术在区域和数量上，都与海洋大国有很大差距。
该课题研究的意义：
国防意义、环境监测意义、保护海洋生物的意义。
1.为提高海洋观测资料的综合效益，条例（《中华人民共和国涉外海洋科学研究管理规定》）特别规定了从事海洋观测活动的单位要向有关海洋主管部门统一汇交海洋观测资料，海洋主管部门要对其妥善存储、保管，并对资料进行加工整理，建立数据库，以实现资料共享。
海洋观测的资料和成果除了在经济建设、社会发展等领域有着广泛用途之外，对国防建设和军事活动也具有重要意义。
2.海洋环境立体监测和信息服务系统上海示范区，是国家863计划“九五”期间的重大项目.
第二章海洋
海洋（Ocean）的简介
温度
海水温度是反映海水热状况的一个物理量。
世界海洋的水温变化一般在-2℃—30℃之间，其中年平均水温超过20℃的区域占整个海洋面积的一半以上。
海水温度有日、月、年、多年等周期性变化和不规则的变化，它主要取决于海洋热收支状况及其时间变化。
一般来说，影响海洋表层水温的因素有太阳辐射、沿岸地形、气象、洋流等。
经直接观测表明：
海水温度日变化很小，变化水深范围从0—30米处，而年变化可到达水深350米左右处。
在水深350米左右处，有一恒温层。
但随深度增加，水温逐渐下降（每深1000米，约下降1℃-2℃），在水深3000—4000米处，温度达到2℃-1℃。
海水温度是海洋水文状况中最重要的因子之一，常作为研究水团性质，描述水团运动的基本指标。
研究海水温度的时空分布及变化规律，不仅是海洋学的重要内容，而且对气象、航海、捕捞业和水声等学科也很重要。
影响气候
海洋是地球上决定气候发展的主要的因素之一。
海洋本身是地球表面最大的储热体。
海流是地球表面最大的热能传送带。
海洋与空气之间的气体交换（其中最主要的有水汽、二氧化碳和甲烷）对气候的变化和发展有极大的影响。
洋流对地理环境影响
全球的大洋环流，对高、低纬度间的热量输送和交换、调节全球的热量分布有重要意义。
洋流对流经海区的沿岸气候、海洋生物分布和渔业生产，航海等都有影响，对人类文明进程和社会生活有着重要的贡献。
1.对气候的影响暖流对流经沿岸地区的气候起增温、增湿的作用。
例如：
西欧海洋性气候的形成受北大西洋暖流的影响。
寒流对流经沿岸地区的气候起降温、减湿的作用。
例如：
沿岸寒流对澳大利亚西海岸、秘鲁太平洋沿岸荒漠环境的形成有一定的作用。
如果洋流的异常，就会使全球的大气环流发生异常，从而影响到气候。
如：
厄尔尼诺现象。
厄尔尼诺现象在全球范围、正常的情况下，在太平洋东部，受洋流和信风的影响，东部海区的海水随南赤道暖流向西北流动，大洋东部有上升流补偿，表现为东部海区的水温低，西部的水温高。
而当厄尔尼诺发生时，由于大洋东岸、秘鲁沿岸温度升高，致使秘鲁沿岸冷水上翻停止，上升流消失，使大气环流异常，降水发生变化。
如1982-1983年的厄尔尼诺，使赤道东太平洋沿岸秘鲁的降水骤增，洪水泛滥；太平洋西侧的澳大利亚、印尼等地持续干旱，并引发森林大火，整个非洲更是干旱异常；我国也受其影响。
如1998年我国长江流域发生的特大洪涝灾害的自然原因之一就是受到了厄尔尼诺的影响。
2.海洋生物
对海洋生物的分布的影响：
洋流对海洋生物分布的影响主要是形成渔场，全球四大渔场分为两类：
一类是分布在寒暖流交汇的地方，另一类是分布在上升补偿流的地方（秘鲁渔场）。
因为寒暖流交汇处和上升流都能把营养盐类带至海洋表层。
寒、暖流交汇处，海水受到扰动，引起上下翻腾，于是把下层丰富的营养盐类带到表层，促使浮游生物大量繁殖，各种鱼类都集中到这里觅食，这就形成了渔场。
世界著名的三大渔场都分布在寒、暖流交汇的海区，它们是北海道渔场（日本）、北海渔场（英国）、纽芬兰渔场（加拿大）。
3.对海洋污染的影响陆地上的污染物质进入海洋之后，洋流可以把近海的污染物质携带到其他海域，使污染范围扩大。
但是，随着洋流的运动，污染物质会传到其他海域，加快净化速度。
如近日在西班牙海域的油轮燃料油泄漏、已使350公里的海岸受到严重污染，给当地的渔业生产和生态环境造成严重破坏。
4.对航海事业的影响：
我们平常顺风、顺水走的速度要比逆风、逆水走的速度快的道理一样。
航海一般选择近岸顺风、顺水。
海洋灾害
海洋
海洋灾害主要指风暴潮灾害、巨浪灾害，海冰灾害、海雾灾害、大风灾害及地震海啸灾害等突发性等自然灾害。
引发海洋灾害的原因主要有大气的强烈扰动，如热带气旋、温带气旋等；海洋水体本身的扰动或状态骤变；海底地震、火山爆发及其伴生之海底滑坡、地裂缝等。
海洋自然灾害不仅威胁海上及海岸，有些还危及自岸向陆广大纵深地区的城乡经济和人民生命财产的安全。
上述海洋灾害还会在受灾地区引起许多次生灾害和衍生灾害。
如：
风暴潮、风暴巨浪引起海岸侵蚀、土地盐碱化；海洋污染引起生物毒素灾害，再引起人畜中毒等。
世界上经济发达的海洋国家，以及有关国际组织，都很重视海洋灾害的预警和防御。
海洋灾害（现象）发生、发展、移行和消失的监视监测，是预警和防御体系最重要和最基本的内容。
全球范围的海洋灾害监视监测是通过海洋监测，（或观测）网实现的。
通常，海洋监测网包括以下内容：
1．岸边及岛屿海洋站。
一般包括全部的海面气象观测和海洋水文观测。
但专业海洋站往往只进行单项观测，如测波站、验潮站（海平面观测）、污染监测站、海冰观测站等。
2．硼舶观测。
船舶观测包括使用海洋调查船的海洋标准断面监测和大面观测，以及使用各类交通运输、渔业、油气勘探船（或平台）的辅助观测。
海洋生物
3．海洋浮标观测。
包括建造专用的锚定海洋资料浮标，以锚泊方式固定于特定的海洋测站上进行记录，或漂流（海洋资料）浮标，随风和海流漂移在海上，并由卫星对其定位和收集资料数据的观测。
除用浮标监测海洋气象和海面的海洋环境要素外，现在还正在发展水下遥测系统，以便获取海面以下的海洋环境资料。
4．水下及海底系统。
水下及海底系统的发展除了因为要进行水下及海底探测外，更主要的还是因为一定深度的水下和海底较为"安静"，可以比较安全地系泊或安放仪器，对水面、水体、海底的环境及其变化进行监测。
5．遥感监测。
航天（卫星）、航空（飞机，包括飞机探测）和陆基（岸边、船舶雷达）遥感，是近几十年来迅速发展的，对海洋灾害监视监测非常有效的手段。
它更具有快速、大范围和全天候的特点，因此更适用于海洋灾害的监视监测。
我国海洋观测的难题
。
由于海洋观测站（点）具有施工难度大、维护成本高等特点，中国目前的整体海洋观测站（点）数量仍然相对较少，远远不能满足实际工作的要求。
政策需要：
1.为提高海洋观测资料的综合效益，条例（《中华人民共和国涉外海洋科学研究管理规定》）特别规定了从事海洋观测活动的单位要向有关海洋主管部门统一汇交海洋观测资料，海洋主管部门要对其妥善存储、保管，并对资料进行加工整理，建立数据库，以实现资料共享。
海洋观测的资料和成果除了在经济建设、社会发展等领域有着广泛用途之外，对国防建设和军事活动也具有重要意义。
2.海洋环境立体监测和信息服务系统上海示范区，是国家863计划“九五”期间的重大项目.
第三章系统总体设计与分析
数据采集系统的应用领域及发展前景
数据采集系统的应用范围非常广泛。
随着科学技术的发展，对有用信号进行数据的采集，分析，计算，提取等有较好的运用。
一般的数据采集主要应用于：
（1）生物医学信号处理
（2）多媒体技术与人机交互
（3）导航与现代通信技术
（4）遥感，遥测的应用
（5）人工智能与模式识别，计算机视觉与可视化
（6）雷达，声纳信号处理
（7）微弱信号处理技术
随着数据采集系统被广泛的利用，在特定的行业要获得较精确的采样数据，都需要对该系统进行特殊的要求如：
由于工业现场环境恶劣，很多设备（比如变频器）都是对数据采集产生很大干扰的干扰源；而且一般的采集器都有多路信号输入，它们地线相连会导致干扰通过地线进入正在采集的信号，使得数据采集不准确，因此数据采集器的抗干扰设计十分重要。
所以，在数据采集系统的发展过程中，为满足特定的要求，数据采集系统的发展方向主要有：
1）系统抗干扰性保证获得的数据较精确。
如：
可设计一个数据采集器，它除了正常的低通滤波，RC滤波外，还可用PHOTOMOS光继电器对每路信号进行隔离，每路信号的地线都独立开来。
2）实时通信保证数据处理单元能较快的得到要处理的数据，提高了主机的运行效率，如：
采集现场与处理单元距离短可用RS-232总线，距离长可用RS-485总线，以及相关的无线通信。
3）高速数据采集一般数字信号的获得需要对模拟信号进行采集，这就需
要高速，高性能的A/D转换相适应，以及相应的传感芯片进行处理。
4）低功耗性适合与电池供电和空间受限的工作环境以及便携式场合。
系统总体设计与分析
本设计属于传感网与单片机相结合的应用系统。
确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。
总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。
总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。
设计方法大致如下：
根据系统的要求，首先确定该系统为数据处理系统。
选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。
选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。
执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。
选择输入/输出通道及外围设备。
选择时应考虑以下几个问题：
被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有
何要求；画出整个系统流程图和原理图。
单片机控制部分
本系统是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，其特点是体积小，成本低，功能强，功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一，它已广泛地应用在产品智能化和工业自动化上。
而把单片机面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。
嵌入式系统一般分为四种:
工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。
嵌入式系统具有以下特点：
（1）面对控制对象。
如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。
（2）嵌入到工控应用系统中的结构形态。
（3）能在工业现场环境中可靠运行的品质。
（4）突出控制功能。
如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作和转移指令等）。
单片机信号分析处理
温度传感模块
湿度传感模块
气压传感模块
无线传输模块
通信控制机
pc
单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。
单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。
总体框架分析：
数据的的无线传输采用无线数据传输芯片nRF905来设计。
每个数据采集点有一个单片机控制信号的采集并控制nRF905进行信号的传输。
通信控制机框图设计：
AT89S52
键盘
RS232
nRF905
DS1302时钟模块
LCD
模式1:
该通信控制机实现各个子收集系统与计算机的数据传输，通过无线传输模块把从数据采集节点的数据接收进来，并传输到计算机。
然后通过计算机的上位机部分进行数据的处理与分析。
键盘的功能可以选择相关功能，如启用温度传输模式、气压传输模式、湿度传输模式，以及数据的显示功能。
LCD显示相关功能的菜单。
模式2：
通过该通信控制机，直接把从子收集系统通过无线传输的数据直接显示在LCD上，通过键盘进行相关功能的选择。
数据采集节点框图
各数据采集模块
AT89S52
nRF905
RS232
LCD和键盘
传感器信号采集设计与分析：
1）温度传感器：
本系统采用数字式的温度传感器DS18B20，DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。
主要根据应用场合的不同而改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。
耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
2）湿度传感器：
本系统采用数字式的湿度传感器DHT11。
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
产品为4针单排引脚封装，连接方便。
3）气压传感器：
气压传感器才用数字式的BP5607.BP5607是一款采用MEMS技术将高线性压力传感器与一个低功耗的24位模数转换电路（ADC）集成于一体的数字气压传感器模块。
该产品支持SPI和I2C总线传输协议，可与任何微处理器匹配工作。
用户可根据实际应用的转换速度和功耗在软件中选择不同的工作模式。
传感器的输出电压信号经过24位ADC转换后输出的数字信号可读出准确的压力值和温度值。
在不需要额外传感器的同时，该产品能同时测量绝对海拔高度或者相对高度，高度分辨率可高达20cm。
该模块将传感器采集的信号经过模数转换器后输出24位的数字信号可直接与微处理器通信，便于集成，相对于以前的模拟信号输出的产品，减少了信号放大等电路，同时也节省了标定环节的时间和资金。
BP5607小体积（5.3×3.0×1.6mm），低功耗，高精度，高分辨率，响应时间快，可应用于手持仪表、气压计、高度计、防盗系统、移动电话、GPS等领域。
无线传输部分分析：
本系统采用无线传输芯片nRF905进行数据数据传输。
nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。
nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。
ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
nRF905采用Nordic公司的VLSIShockBurst技术。
ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。
通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。
nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。
在ShockBurstRX模式中，地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。
在ShockBurstTX模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪DR信号通知MCU数据传输已经完成。
总之，这意味着降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本，又同时缩短软件开发时间。
上位机（PC机）编程
用户界面的设计
用户界面是一个应用程序最重要的部分，对用户而言，界面就是应用程序，用户感觉不到幕后正在执行的代码。
不论花多少时间和精力来编制和优化代码，应用程序的可用性仍然在很大程度上依赖于界面的好坏。
首先针对本系统要开发的应用程序做出初步规划设计，在设计用户界面时，参照了Microsoft和其他公司的一些应用程序，使用了通用的设计方案，比如：
工具栏、状态条、工具提示、上下文菜单以及标记对话框等。
串行通信的实现
利用VB开发通信程序主要有两种方法，一是利用VB本身提供的控件，另一种是利用WindowsAPI应用程序接口，WindowsAPI主要提供了三个动态链接库KERNEL.EXE、USER.EXE、GDI.EXE供开发人员调用，其中KERNEL.EXE主要包括一些底层操作函数，如通信、菜单、消息等以及绝大多数非显示函数，GDI.EXE图形设备接口库，主要内容为与设备输出有关的函数。
和串口通信有关的函数均在Windows\System子目录下的USER.EXE动态链接库中。
在本设计中用VB控件实现通信的方法比调用SDK的API动态链接库的方法更加快捷，且用较少的代码可以实现相同的功能，因此本设计使用此控件来完成串口的通信。
控件MSComm使用方法
MSComm控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。
MSComm控件在串口编程时非常方便，程序员不必去花时间去了解较为复杂的API函数，而且在VC、VB、Delphi等语言中均可使用。
MicrosoftCommunicationsControl（以下简称MSComm）是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。
具体的来说，它提供了两种处理通信问题的方法：
一是事件驱动（Event－driven）方法，一是查询法。
MSComm控件提供下列两种处理通讯的方式：
事件驱动方式和查询方式。
①事件驱动方式
事件驱动通讯是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。
在许多情况下，在事件发生时需要得到通知，例如，在串口接收缓冲区中有字符，或者CarrierDetect（CD）或RequestToSend（RTS）线上一个字符到达或一个变化发生时。
在这些情况下，可以利用MSComm控件的OnComm事件捕获并处理这些通讯事件。
OnComm事件还可以检查和处理通讯错误。
所有通讯事件和通讯错误的列表，参阅CommEvent属性。
在编程过程中，就可以在OnComm事件处理函数中加入自己的处理代码。
这种方法的优点是程序响应及时，可靠性高。
每个MSComm控件对应着一个串行端口。
如果应用程序需要访问多个串行端口，必须使用多个MSComm控件。
②查询方式
查询方式实质上还是事件驱动，但在有些情况下，这种方式显得更为便捷。
在程序的每个关键功能之后，可以通过检查CommEvent属性的值来查询事件和错误。
如果应用程序较小，并且是自保持的，这种方法可能是更可取的。
MSComm控件有很多重要的属性，常用的如下。
CommPort设置并返回通讯端口号。
Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。
PortOpen设置并返回通讯端口的状态。
也可以打开和关闭端口。
Input从接收缓冲区返回和删除字符。
Output向传输缓冲区写一个字符串。
下面分别描述。
CommPort属性 设置并返回通讯端口号。
语法 object.CommPort[value]（value一整型值，说明端口号。
）
说明 在设计时，value可以设置成从1到16的任何数（缺省值为1）。
但是如果用PortOpen属性打开一个并不存在的端口时，MSComm控件会产生错误68（设备无效）。
必须在打开端口之前设置CommPort属性。
RThreshold属性 在MSComm控件设置CommEvent属性为comEvReceive并产生OnComm之前，设置并返回的要接收的字符数。
语法 object.Rthreshold[=value]（value整型表达式，说明在产生OnComm事件之前要接收的字符数。
）
说明 当接收字符后，若Rthreshold属性设置为0
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