連接數據採集傳感器的自動切換系統的製作方法

2023-05-13 05:42:06

專利名稱：：連接數據採集傳感器的自動切換系統的製作方法
技術領域：
：連接數據採集傳感器的自動切換系統
技術領域：
實用新型涉及數據採集系統，特別是涉及連接數據採集傳感器的自動切換系統。技術背景數據採集系統的主要功能是把模擬信號轉換成數位訊號，並通過計算機進行分析、處理、存儲和顯示。一般的數據採集系統由依次電信號連接的傳感器、採集器和電腦組成。電測試系統的組成主要包括傳感器、測試電纜和採集器三部分。傳統應力測試方法是通過接長電纜直接將傳感器與採集器相連。採集系統傳統連接方式為每個傳感器通過一根導線延長至採集器，一個採集器一般只能採集1020個傳感器，因此需要採集多個傳感器時，就要求配置多個採集器。若要採集200個傳感器，則需要200根導線以及IO臺採集器。傳統的採集連接方法需要消耗大量的導線及採集器，這樣會使採集系統的成本增加。
實用新型內容為了克服傳統採集系統需要較多導線及採集器的弊病，本實用新型提出了電信號數據採集系統中傳感器連接的自動切換系統，通過傳感器連接的自動切換系統將傳感器集成後，再與採集器相連，減少採集器和導線的消耗，降低成本。本實用新型的目的通過如下技術方案實現連接數據採集傳感器的自動切換系統包括與一組傳感器連接的集線器和控制器；控制器與集線器連接，控制器還與採集器電信號連接，多個集線器之間串聯連接，和控制器連接的集線器還與採集器電信號連接。所述控制器由AT89C51單片機以及與單片機信號連接的顯示輸出與鍵盤輸入模塊、485通訊模塊和時鐘模塊組成，控制器還包括電源模塊，電源模塊與各模塊及單片機連接，為其提供電源。所述485通訊模塊與AT89C51單片機的串行通信口相連接；時鐘模塊的復位電路與AT89C51單片機的第9針腳相連；顯示輸出與鍵盤輸入模塊的鍵盤電路與AT89C51單片機PO口相連接，從鍵盤輸入功能選擇、參數調整，並由AT89C51單片機處理。所述電源模塊由依次連接的輸入濾波電路、34063型直流一直流轉換晶片和輸出濾波電路組成。所述485通訊模塊主要包括MAX485晶片，AT89C51單片機的P3.0連接到MAX485晶片的RO端，AT89C51單片機的P3.1連接到MAX485晶片的DI端，AT89C51單片機的PI.7連接到MAX485晶片的RE、DE端。所述時鐘模塊包括解碼器、實時時鐘晶片和復位控制器；解碼器、實時時鐘晶片和復位控制器分別與AT89C51單片機連接，解碼器與實時時鐘晶片連接，復位控制器與實時時鐘晶片連接；解碼器選用74HC138型3—8解碼器，實時時鐘晶片選用DS12C887型晶片，復位控制器選用CSI1161PI晶片。所述集線器由AT89C51單片機二、兩位十進位鍵盤、通訊電路和電源電路組成；AT89C51單片機二分別與兩位十進位鍵盤、通訊電路和電源電路連接；電源電路還分別與兩位十進位鍵盤和通訊電路連接，以提供電源。所述AT89C51單片機二的P0口與兩位十進位鍵盤相接，供電電源經過上拉電阻也連接到P0口，AT89C51單片機二的串行通訊口P3.0、P3.1與通訊電路相連接，通訊電路使用MAX485晶片。所述集線器中AT89C51型單片機二的P20P23管腳分別與4片74HC574型D觸發器連接，AT89C51型單片機二的雙向I/O口P00P07管腳經過74HC574型D觸發器和七重達林頓管陣列連接，七重達林頓管陣列與繼電器組連接。所述控制器與集線器之間通過RS485數據總線連接。相對於現有技術，本實用新型具有如下的有益效果本實用新型通過應用電信號數據採集系統中與傳感器連接的自動切換系統，將傳感器集成後，再與採集器相連，減少採集器和導線的消耗，降低成本，同時降低了監測成本，提高了工作效率。如採用本實用新型的傳感器連接自動切換系統，若要同時採集200個傳感器，則需要l根導線、l臺採集器、1個控制器及13個集線器，這樣使的採集系統的成本大大降低，同時由於現場導線較少，易於保護。圖1為本實用新型連接數據採集傳感器的自動切換系統組成示意圖；圖2為控制器電路框圖；圖3為控制器電源模塊結構示意框圖；圖4為控制器顯示輸出與鍵盤輸入模塊結構示意框圖；圖5為控制器485通訊模塊結構示意框圖；圖6為控制器時鐘模塊結構示意框圖；圖7為集線器電路框圖；圖8為集線器鍵盤電路示意框圖；圖9為集線器電源模塊結構示意框圖；圖IO為集線器輸出模塊結構示意框圖。具體實施方式為了進一步理解本實用新型，以下結合附圖和實施例對本實用新型作具體的說明，但本實用新型要求保護的範圍並不局限於實施例表述的範圍。如圖1所示，連接數據採集傳感器的自動切換系統包括控制器3與集線器2。三個集線器2分別與三組傳感器1相連，每一組傳感器l為7個傳感器。該系統也可以是多個集線器2，每個集線器2對應與一組傳感器1相連。控制器3與其中一個集線器2之間通過RS485數據總線連接，多個集線器2之間通過數據線和模擬信號傳輸線串連連接，控制器3還與採集器4電信號連接。採集器4可選用DataTaker型採集器，與集線器2連接，該集線器2同時與控制器3連接。如圖2所示，控制器3內設有電源模塊21，顯示輸出與鍵盤輸入模塊22、485通訊模塊23、時鐘模塊24和控制器電路20。控制器電路即為AT89C51型單片機，其他各模塊分別與AT89C51型單片機20信號連接。電源模塊21把輸入的直流12V電壓轉換為單片機系統的供電電壓，給系統內各模塊供電；485通訊模塊23與AT89C51單片機的串行通信口相連接；時鐘模塊24的復位電路與AT89C51單片機的第9針腳相連；顯示輸出與鍵盤輸入模塊22的鍵盤電路與AT89C51單片機P0口相連接，從鍵盤輸入功能選擇、參數調整，並由AT89C51單片機處理。控制器電路供電有電池供電和直流12C供電兩種方式。如採用12V直流供電時，如圖3所示，由於系統內晶片的電源電壓一般是5V，所以電源模塊21使用了34063直流一直流轉換晶片，對12V直流電源進行轉換。具體是，12V直流電源通過輸入濾波電路31濾波後，再經過34063直流一直流轉換晶片32的作用進入輸出濾波電路33作用成為5V直流電源。如圖4所示，控制器3主要用發光LED和七段LED進行顯示，用於顯示切換周期和傳感器的編號。電路中，顯示輸出與鍵盤輸入模塊22採用74HC138型3—8解碼器對地址進行解碼，74HC138型3—8解碼器之一41和74HC138型3—8解碼器之二42分別與控制器電路20信號連接。74HC1383—8解碼器之一41還與74HC574型D觸發器之一43信號連接；74HC138型3—8解碼器之二42與74HC541型緩衝器44信號連接，74HC574D觸發器之一43和74HC54型1緩衝器還分別與控制器電路20信號連接，並與ULN2003達林頓管陣列45連接，ULN2003達林頓管陣列45分別與74HC574D觸發器之一46和鍵盤矩陣及發光LED矩陣47連接，D觸發器74HC574之二46與七段LED48信號連接。考慮到顯示模塊的電流相對較大，所以採用了達林頓管陣列ULN2003，增加驅動能力。如圖5所示，控制器3和集線器2之間採用485總線連接，而AT89C51單片機20的串行通信口採用的是非485的電平，所以485通訊模塊23使用電平轉換電路，485/422收發器MAX485晶片可以方便地實現這種轉換。連接方法是把AT89C51單片機20的P3.0(RXD)連接到MAX485晶片51的RO端，AT89C51單片機20的P3.1(TXD)連接到MAX485晶片51的DI端，AT89C51單片機20的P1.7連接到MAX485晶片51的RE、DE端，作為選通信號，同時控制MAX485晶片在同一時間只能發送或接收數據。為了動態地顯示數據交換過程，系統設計了簡單的發送、接受指示電路。指示電路用兩個9012三極體52作開關管使用，發射極各接一個發光LED,基極分別經一電阻接到AT89C51單片機20的的P3.0口和P3.1接口，這樣，當這兩個口是低電平(有數據發送或接收)時，三極體導通，相應的LED發光。時鐘模塊24的功能包括(1)按用戶要求調整採樣時間，每個採樣周期產生一次中斷信號，供AT89C51型單片機使用；(2)看門狗功能。如圖6所示，時鐘模塊24包括解碼器63、實時時鐘晶片61和復位控制器62。解碼器63選用74HC138型3—8解碼器，實時時鐘晶片61選用DS12C887型晶片，復位控制器62選用CSI1161PI晶片。解碼器63、實時時鐘晶片61和復位控制器62分別與AT89C51單片機20連接，解碼器63與實時時鐘晶片61連接，復位控制器62與實時時鐘晶片61連接。時鐘模塊24中地址信號經過74HC138型3—8解碼器63選擇DS12C887實時時鐘晶片61，該晶片內含鋰電池，具有計時功能，有3個可編程中斷源，可與處理器電路AT89C51單片機20的中斷系統連接，計時時間到則產生中斷信號至AT89C51單片機20的中斷輸入端INTO，採用這種方式可以保證採樣周期比較準確。CSI1161PI晶片62分別與AT89C51和DS12C887實時時鐘晶片61連接，為AT89C51提供看門狗功能，防止程序跑飛。如圖7所示，集線器2內設AT89C51單片機二71，兩位十進位鍵盤72、通訊電路74和電源電路73。AT89C51單片機二71分別與兩位十進位鍵盤72、通訊電路74和電源電路73連接；電源電路73還分別與兩位十進位鍵盤72和通訊電路74連接，以提供電源。如圖8所示，AT89C51單片機二71的PO口與兩位十進位鍵盤81相接，供電電源經過上拉電阻也連接到PO口，兩位十進位鍵盤是機械式的，上有兩位十進位數字顯示，顯示的數字不一樣，其連接到PO口的8位二進位編碼也不一樣，這樣單片機通過PO讀取的信息就不一樣，這樣就實現了用二進位鍵盤來設置集線器的編號，上拉電阻主要起限流的作用。AT89C51單片機二的串行通訊口P3.0和P3.1與通訊電路74相連接，通訊電路使用MAX485晶片，它可以方便地實現非485電平和485電平的轉換，連接方法是把AT89C51的P3.0(RXD)連接到MAX485的RO端，P3.1(TXD)連接到DI端，P2.6連接到MAX485的RE、DE，作為選通信號，同時控制MAX485在同一時間只能發送或接收數據；為了動態地顯示數據交換過程，系統還設有簡單的發送、接受指示電路，指示電路用兩個9012三極體作開關管使用，發射極各接一個發光LED，基極分別經一電阻接到AT89C51的P3.0口和P3.1,當這兩個口是低電平(有數據發送或接收)時，三極體導通，相應的LED發光。電源模塊73如圖9所示，輸入直流12V經阻容Pi型濾波器91濾波後，再通過7805型穩壓管92，得到5V直流電壓，經過濾波電路93電容濾波後給集線器2各部分電路供電。如圖10所示，集線器中AT89C51型單片機二71的P20P23管腳分別與4片74HC574型D觸發器101的連接，AT89C51型單片機二的雙向I/O口P00P07經過74HC574型D觸發器101和七重達林頓管陣列102連接，七重達林頓管陣列102與繼電器組103連接。集線器2中AT89C51型單片機二71的P20P23管腳分別用作4片74HC574型D觸發器的選通信號，AT89C51型單片機二71的雙向I/O口P00-P07經過74HC574型D觸發器101和ULN2803型七重達林頓管陣列102增加驅動能力後，控制繼電器組103，實現不同採集通道的接通或斷開。數據採集器4用於傳感器的數據採集和發出啟動信號激發控制器3，控制器3用於巡檢與其相連接所有集線器2上的傳感器1，某個時刻只能與其中的一個傳感器相連接，並顯示當前傳感器的編號。數據採集器4同時獲得當前傳感器的數據和編號。假如設有M(M《32)個監測斷面，每個斷面設有n(n《16)個傳感器，一個控制器最多可以連接32個集線器，實際應用時，可以根據需要設置M個集線器與一個控制器連接；一個集線器可以連接16個傳感器，實際應用時，可以根據需要設置n個集線器與一個集線器連接。設傳感器1連接切換的時間間隔為T，本實用新型連接切換及數據採集流程如下-①DataTaker採集器4輸出數位訊號，在t二0時刻啟動控制器3，控制器3復位，並將開關打至第1個集線器2的第1個傳感器；②DataTaker釆集器4在t=T/2時刻開始採集第1個傳感器的數據；③控制器3在t-T時刻將連接切換到第2個傳感器；DataTaker採集器4在t=3T/2時刻開始採集第2個傳感器的數據；⑤如此循環，直至最後一個傳感器的數據採集完畢。上述流程可以歸納為控制器3在t二(i-l)T時刻將連接切換到第i個傳感器，採集器則在t^(i-l/2)T時刻開始採集第i個傳感器的數據，i=l，2，，Mn。實施例在實驗室裡將一個DataTaker採集器4、一個控制器3、四個集線器2與16個Roctest振弦式傳感器1相連，組成一個小型的傳感器連接自動切換系統。其中16個傳感器分成4組，每組有4個傳感器；每組傳感器與一個集線器相連，分別連接在第2、5、6和7號(集線器)位置上，如圖1所示。連接傳感器的自動切換系統自動採集16個傳感器的數據，其中切換的時周期分別設為2、5、8和10秒，以檢測自動切換系統在不同時間間隔下的工作穩定性。由圖1可見，每個監測斷面的傳感器1均與一個集線器2相連。集線器2通過電子開關將單個監測斷面的傳感器1集成在一起，但它同一個時刻只與一個傳感器相連，具體與哪個傳感器相連則由其所連的控制器3決定。眾多集線器通過與一個控制器串聯相連接，它們也是通過電子開關相互連接，控制器3在某一時刻也只能與一個集線器2相連，但具體連接哪個集線器2以及集線器2與哪個傳感器1相連則是由控制器的內製晶片決定的。通過晶片程序，可對控制器所控制的所有傳感器的連接開關自動以指定時間間隔從頭到尾順序切換一次，以達到採集所有與切換系統相連傳感器的目的。實驗結果如表l所示。從表l中可看出，編號為1_1傳感器應用本系統採集在2S的時間系統切換周期下採集的頻率為790.34Hz,手動採集，也就是將採集器直接與傳感器相連接，採集傳感器的頻率值為790.31Hz，在不同的時間間隔下，該切換系統均能正常工作，系統穩定性良好。表中還看出，利用採集器直接採集傳感器的頻率值(是一種將應變轉化為可測的電信號)與利用本切換系統的採集的數據相差不大，均在0.1%以內。基於DataTaker採集器的傳感器自動切換系統同時也是一個數據採集系統，它可以克服傳統數據採集系統需配置多臺採集器的缺點，只需少量採集器，且導線用量可以大幅減少，同時也可以有效地提高後續數據傳輸工作的效率及降低相關費用。表1不同時間間隔下自動切換系統採集數據對比(單位Hz)tableseeoriginaldocumentpage9權利要求1.連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於該切換系統包括與一組傳感器連接的集線器和控制器；控制器與集線器連接，控制器還與採集器電信號連接，多個集線器之間串聯連接，和控制器連接的集線器還與採集器電信號連接。2、根據權利要求l所述的連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述控制器由AT89C51單片機以及與單片機信號連接的顯示輸出與鍵盤輸入模塊、485通訊模塊和時鐘模塊組成，控制器還包括電源模塊，電源模塊與各模塊及單片機連接。3、根據權利要求2所述的連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述485通訊模塊與AT89C51單片機的串行通信口相連接；時鐘模塊的復位電路與AT89C51單片機的第9針腳相連；顯示輸出與鍵盤輸入模塊的鍵盤電路與AT89C51單片機P0口相連接。4、根據權利要求2所述的連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述電源模塊由依次連接的輸入濾波電路、34063型直流一直流轉換晶片和輸出濾波電路組成。5、根據權利要求2所述的連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述485通訊模塊主要包括MAX485晶片，AT89C51單片機的P3.0連接到MAX485晶片的RO端，AT89C51單片機的P3.1連接到MAX485晶片的DI端，AT89C51單片機的P1.7連接到MAX485晶片的RE、DE端。6、根據權利要求2所述的連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述時鐘模塊包括解碼器、實時時鐘晶片和復位控制器；解碼器、實時時鐘晶片和復位控制器分別與AT89C51單片機連接，解碼器與實時時鐘晶片連接，復位控制器與實時時鐘晶片連接；解碼器選用74HC138型3—8解碼器，實時時鐘晶片選用DS12C887型晶片，復位控制器選用CSI1161PI晶片。7、根據權利要求l所述的連接數據釆集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述集線器由AT89C51單片機二、兩位十進位鍵盤、通訊電路和電源電路組成；AT89C51單片機二分別與兩位十進位鍵盤、通訊電路和電源電路連接；電源電路還分別與兩位十進位鍵盤和通訊電路連接。8、根據權利要求7所述的連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述AT89C51單片機二的PO口與兩位十進位鍵盤相接,供電電源經過上拉電阻也連接到PO口，AT89C51單片機二的串行通訊口P3.0、P3.1與通訊電路相連接，通訊電路使用MAX485晶片。9、根據權利要求7所述的連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述集線器中AT89C51型單片機二的P20-P23管腳分別與4片74HC574型D觸發器連接,AT89C51型單片機二的雙向I/O口P00P07管腳經過74HC574型D觸發器和七重達林頓管陣列連接，七重達林頓管陣列與繼電器組連接。10、根據權利要求1所述的連接數據採集傳感器的自動切換系統，其特徵在於所述控制器與集線器之間通過RS485數據總線連接。專利摘要本實用新型公開了連接數據採集傳感器的自動切換系統。該切換系統包括與一組傳感器連接的集線器和控制器；控制器與集線器連接，控制器還與採集器電信號連接，多個集線器之間串聯連接，和控制器連接的集線器還與採集器電信號連接。控制器與集線器之間通過RS485數據總線連接。本實用新型通過傳感器連接的自動切換系統將傳感器集成後，再與採集器相連，減少採集器和導線的消耗，採用一臺採集器即可，節省了大量的導線，降低監測成本，同時也提高了工作效率。文檔編號G08C19/00GK201111712SQ20072005423公開日2008年9月10日申請日期2007年7月17日優先權日2007年7月17日發明者徐鬱峰,潘志剛,成蘇,林譚申請人:華南理工大學