《多路传感器数据采集器设计》开题报告

211大学信息科学与技术学院

毕业设计开题报告

课题名称： 多路传感器数据采集器设计 学生姓名：

学 院： 信息科学与技术学院 专业年级： 电子信息工程201级 指导教师：

讲 师

完成日期： 二○一五年十二月三日

一、本课题来源及研究的目的和意义 1、课题来源 211大学信息科学与技术学院 2、本课题研究的目的和意义 1) 研究目的 本课题通过对多路传感器的研究，对信号的采集方式、D/A转换、数字信号的输出等有更加清晰的认识。同时本课题中要求产生的数字信号要通过无线（ZigBee）上传到上位机。这也要求我们对于ZigBee有一定的理解。ZigBee协议是物联网的基础，了解ZigBee对于我们研究物联网有很大帮助。 2) 研究意义 通过对模拟信号的采集、转换、发送等，对传感器的工作原理会有更进一步的理解。在当今工业自动化高速发展的大背景下，掌握传感器方面的相关知识，并且能够将所学的知识应用到实践当中，实现生产兼职，对于日后的工作实践有很大的帮助。 ZigBee技术的应用前景被非常看好。ZigBee在未来的几年里将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后ZigBee芯片的主要应用领域。掌握基本的ZigBee协议有助于我们将传感器的信号及时的反馈到用户终端。 传感器是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的一个关键组成部分。传感器技术是 二、本课题所涉及的问题在国内(外)研究现状及分析 1、国内外研究现状 1) 传感器的市场趋势 传感器是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的一个关键组成部分。传感器技术是世界各国竞相发展的高新技术，也是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。并且正在不断地改变我们的生活。传感器作为信息技术和信息系统的关键基础元器件和最前沿工具 ,其技术水平直接影响检测控制系统及信息系统的技术水平 ，起到促进传统产业和行业的技术跳跃式进步，同时拓展和涉足新的非传统领域应用的作用。因此 ，传感器技术在现代

1

信息社会的作用将更加重要。[ 1 ] 国外传感器市场正在不断的变化创新中呈现快速增长之势，2003年开始，一些汽车电子系统如自动刹车系统 ( ABS automatic brakingsystem) 、气囊电子系统等将趋于饱和的状态 ，但是通讯器材及系统中应用的传感器市场将出现强劲增长势头。未来5年，传感器市场由于互联网和电子商务的迅速发展将进一步面临价格的压力。同时，主要工业国家经济衰退，价格竞争进一步加剧。[ 2 ] 2) 传感器的技术发展趋势 世纪初期(2010年前后)，敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、阵列化、多功能化、智能化、系统化和网络化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高 ,各国竞相并加速新一代传感器的开发和产业化[ 3 ] 。当今社会的发展，就是信息社会的发展。早在20世纪80年代，美国就认为世界已进入传感器时代，日本也将传感器技术列为十大技术之首。我国将传感器技术列为国家八五重点科技攻关项目。建成了“传感器技术国家重点实验室”、“微纳米国家重点实验室”、“国家传感器工程中心”等研究开发基地。而且MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点。传感器产业已被国内外公认为是具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。[ 9 ] 科学技术的发展使得人们对传感器技术越来越重视．认识到它是影响人们生活水平的重要因素之一。因此对传感器的开发成为目前最热门的研究课题之一 传感器技术发展趋势可以从以下几方面来看。一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化；三是通过传感器与其它学科的交叉整合．实现无线网络化。[ 11 ] 2、ZigBee技术的发展 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee过去又称为“HomeRFlite”， “RF-EasyLink”或 “FireFly”无线电技术， 目前统一称为ZigBee技术。[ 7 ] ZigBee 基于IEEE 802.15.4 标准，根据不同的国家和地区为其提供不同的工作频率，分别有2.4GHz( 全球)、868 MHz( 欧洲)、916 MHz( 美国) 三个频段.共有37 个信道，其中，2.4 Ghz 定义了16 个信道。 采用QPSK 调制技术，传输速率达到250 kb/s，传输距离标准为10m-75m，根据功放的的不同可以扩展至几公里至几十公里， 组成庞大的无线网络。 为避免被干扰，在各个频段皆采用直接序列扩频(DSSS) 技术， 以化整为零方式将一个信号分为多个信 2

号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列的应用可使模拟电路变得简单，具有更高的容错性能[ 4 ]。 有专家称，随着批量的逐步增加，价格将下降，在所有无线技术中，它的潜力最大。目前的ZigBee也许能够处理每小时10-15英里的一般移动速度。但是如果移动节点需要每小时100英里的速度，就需要对技术进行变革，比如在RFID或其他移动应用中[ 5 ]。 3、多路传感器数据采集器技术分析 多路传感器数据采集器关键技术是和无线传输模块。现在有各种低功耗、体积小、功能强的无线收发芯片，例如具有ZigBee 无线数据传输功能的CC2530 模块等；将无线模块集成到传感器上，形成了无线传感器。通过集成有数据发送功能的传感器采集多路模拟信号并且能够将模拟信号转化为数字信号发送到数据接收模块。 [6]1) 多路模拟信号采集模块 其主要功能就是对数据进行采集和转换。如图1所示： 12v电源 继电器 单 片 机 信号输入 A/D 转换 数据发送模块 数据接收模块 上位机 15v 太阳能电源 AT89C51/STM8等 图1 多路模拟信号采集系统示意图 通过单片机进行信号采集，再通过A/D转换器将模拟信号转化为数字信号，由发送模块发送到上位机。继电器的功能是控制信号输入，使单片机不会因为电流过大导致过载和信号出错。 2) 信号接收模块 传输模块采用ZigBee短距离传输协议，所以采用集成开发板（如cc2530）完成收发任务。 三、对课题提出的任务要求及实现预期目标的可行性分析 3

1、对课题提出的任务要求： （1）传感器采用12V电源 （2）能够采集电压和电流信号 （3）系统电源15V与6V的太阳能电池和锂电池两种供电方案 （4）采集到的电压或电流以数字量的形式通过无线（ZigBee）上传到上位机 2、完成本课题需要使用的系统平台和主要开发工具 （1）Windows 7、10等 操作系统 （2）Keil开发平台 （3）Multisim 9、Proteus 6仿真软件 （4）PCB制图软件Protel DXP （5）ZigBee开发套件 3、实现预期目标的可行性分析 1) 技术可行性 本课题中的设计要求，在国内外已经有相当成熟的理论基础和技术基础。通过查阅大量的相关文献，我已经对整个课题的设计过程有了系统的规划，大体方案已经定了下来；结合暑期为期9天的物联网实训对ZigBee相关知识的了解以及《单片机原理》所学知识，可以很好地完成本次课题。 2) 经济可行性 本课题所涉及到的硬件电路主要是无线传输系统和基于单片机的最小系统，集成化、产业化程度很高，所以所需成本在可承受范围内，可以完成课题。 3) 操作可行性 本课题要求对51系列单片机熟练的掌握，对嵌入式语言以及ZigBee无线传输协议也要有一定了解。以上知识都是过去学过的课程涉及到的，都有一定的理论基础。电路设计与实现方面也有过相关课程和软件使用经历。所以本课题实际操作可行。 四、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路 本课题的难题主要是8路、16路信号输入的问题，目前来看16路较难实现，在后期的学习过程中会慢慢寻找解决方案，逐步找到解决办法，8路方案将作为备用方案，如果实现不了16路方案将采用备选8路方案。 另一个难点就是电源适配的问题，题目要求要有两部分电源分别供电给不同模块，中间都需 4