微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統的製作方法
2023-06-17 12:59:01 2
專利名稱：微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於數據採集領域，特別涉及一種對微生物燃料電池電壓數據進行無線採集的系統。
背景技術：
微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。 在對微生物燃料電池特性的研究過程中，需要對電池電壓進行測量與分析，包括陽極電勢、 陰極電勢以及電極電勢差等，在存在外接負載時，通常還需要測量負載兩端的電勢差，因此測量儀器應具備多個通道以滿足微生物燃料電池多路電壓信號的測量要求。微生物燃料電池由於其特殊的工作原理，其輸出電壓較低，單個普通的微生物燃料電池開路電壓一般在SOOmV以下，其電壓微弱，信號變換緩慢，為了達到較高的測量精度，需要電壓轉換器件具備較高的轉換精度。此外，由於微生物燃料電池是利用有機物中的微生物新陳代謝來將化學能轉換為電能，在實際的研究與應用中，電池的實體通常置於湖泊、河流等野外環境中，而傳統的數據採集儀器體積大、功耗高、價格昂貴，不適合在惡劣的野外環境中工作，並且通常採用有線接口與計算機進行數據傳輸，或使用數據存儲卡存儲採集數據，採集數據的獲取需要到採集現場進行，由於這些缺點和不足，有必要設計一種適合在野外環境工作的微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統。
發明內容
發明目的針對上述現有存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，能夠對微生物燃料電池微弱電壓信號進行精確採集，並通過無線網絡傳輸採集的數據。技術方案為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為一種微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，包括單片機最小系統、輸入微生物燃料電池電壓信號的模數轉換模塊和無線通信單元，其中單片機最小系統分別連接模數轉換模塊和無線通信單元。模數轉換模塊，用於採集模擬電壓值並將其轉換為數字電壓值；無線通信單元，用於通過無線通信網絡發送採集的數字電壓值。所述模數轉換模塊能夠處理-2. 5 +2. 5V的電壓信號，最小分辨電壓為10mV。所述模數轉換模塊可為連接基準電壓源ADR421的8通道對位[-Δ型模數轉換器AD7194。還可包括連接所述單片機最小系統的實時時鐘模塊，該模塊用於實現精確計時和定時，控制數據採集與數據發送的時間間隔。所述無線通信單元可包括GSM簡訊模塊TC35I和連接TC35I的SIM卡。還可包括連接所述單片機最小系統的顯示模塊，該模塊用於顯示系統的運行狀態。還可包括連接所述單片機最小系統的按鍵控制電路，該電路設有若干按鍵，可通過按鍵控制系統的運行狀態。還可包括連接所述單片機最小系統的存儲模塊和有線數據傳輸模塊，其中存儲模塊用於存儲採集的電壓數據，有線數據傳輸模塊還連接計算機，用於將存儲模塊中保存的電壓數據發送到計算機。所述有線數據傳輸模塊可為USB通信模塊，通過USB接口連接計算機。所述單片機最小系統可包括單片機MSP430F149和連接所述單片機MSP430F149的晶振、復位電路和用於下載程序的JTAG接口。有益效果本發明體積小、功耗低、成本低、可靠性高，能適應惡劣的工作環境，通過採用高精度模數轉換器，保證了轉換精度，能夠對電壓進行精確測量，而採用GSM簡訊模塊進行無線數據傳輸，可以及時、方便地獲取採集數據，實現遠距離的自動監測；還採用了存儲模塊和USB通信接口，能夠通過USB電纜與計算機連接，進行採集數據的高速傳輸。
圖1為本發明的結構框圖；圖2為與圖1對應的電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。如圖1和圖2所示，本發明所涉及的微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統包括MSP430F149最小系統1、按鍵控制電路2、顯示模塊3、實時時鐘模塊4、模數轉換模塊5、 存儲模塊6、無線通信單元7、USB通信模塊8，其中，MSP430F149最小系統的一組三位輸入埠 Pl 口的低三位與按鍵控制電路的三個按鍵開關相連；MSP430F149最小系統的一組三位輸出埠 Pl 口的高三位與實時時鐘電路相連；MSP430F149最小系統的一組三位輸出埠 P2 口的低三位與顯示模塊的三個控制埠相連；MSP430F149最小系統的一組八位輸入輸出埠 P4連接USB接口晶片的八位數據埠 ；MSP430F149最小系統的一組五位輸入輸出埠 P5的低五位連接USB接口晶片的五位控制埠。所述的按鍵控制電路是由3個按鍵開關來實現功能模式的選擇和設置的調整，3 個按鍵開關各上拉一片IOK歐姆電阻，連到MSP430F149最小系統的PI. 0-P1. 2。所述的顯示模塊是由型號為IXD12864的點陣液晶來實現，可以顯示4行字符，每行可以顯示16個ASCII碼字符。採用串行方式來進行數據傳輸，IXD12864的三位控制埠 CS、SID、CLK與MSP430F149最小系統的P2. 0-P2. 2連接，並將串行/並行選擇埠 PSB 接地。所述的實時時鐘模塊是由型號為DS1302的實時時鐘和晶振來實現，DS1302有兩個電源接口，VCC2埠連接系統3. 3V模擬電源，VCCl埠連接CR2032鋰電池，Xl、X2埠連接32768Hz的晶振，SCLK、I/O、RST信號線上拉IOK歐姆電阻連接到MSP430F149最小系統的 PI. 5-P1. 7。所述的模數轉換模塊由前端濾波電路、模數轉換器和基準電壓源組成，模數轉換器採用ADI公司生產的AD7194，AD7194是一款適合高精密測量應用的低噪聲完整模擬前端，內部集成了低噪聲可編程增益放大器、緩衝器和對位1 -Δ型模數轉換器，可直接輸入小信號。調製器中的模數轉換具有高輸入採樣速率和低精度特性，無需外部採樣保持電路， 只需要一個簡單的單極點RC濾波電路。基準電壓源由低噪聲、高精度電壓源ADR421提供 2. 5V基準電壓。外部輸入經過RC濾波電路後連接到模數轉換器輸入埠 Aim-AIN16，構成8對差分輸入，數據線、控制線CS、SCLK、DIN、DOUT/RDY、SYNC與MSP430F149最小系統的 P6. 3-P6. 7 相連。所述的存儲模塊由意法半導體推出的8Mbit串行接口 NAND FLASH存儲器M25P80 實現，M25P80片選信號埠 S與MSP430F149最小系統的P2. 3連接，MSP430F149最小系統通過3線串行外圍設備接口(SPI接口)對M25P80進行讀寫操作，M25P80埠 D、Q、C分別與 MSP430F149 最小系統 SIMOO、SOMIO、UCLKO 連接。所述的無線通信單元由西門子GSM簡訊模塊TC35I和SIM卡組成，TC35I通過40 腳ZIF連接器與外部電路連接，主要有電源電路、啟動電路、數據通信電路、SIM卡電路和指示燈電路。電源電路由5V電源經LP3966ADJ降壓後得到穩定3. 7V工作電壓，連接到ZIF 連接器的1-5腳；啟動電路由ZIF連接器15腳IGT上拉IOK歐姆電阻連接到MSP430F149 最小系統的P2. 7實現，通過在IGT引腳產生至少IOOms的低電平啟動TC35I，啟動完成後 IGT引腳恢復高電平；數據通信電路主要完成TC35I與MSP430F149的數據信息，ZIF連接器的18、19腳分別與MSP430F149最小系統的URXD0、UT)(D0連接；SIM卡電路用於連接TC35I 和SIM卡，ZIF連接器的24-29引腳分別連接到SIM卡卡座的CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK, CCVCC.CCGND引腳；指示燈電路由ZIF連接器32腳SYNC通過三極體連接發光二極體實現， 用於指示TC35I工作狀態。所述的USB通信模塊由FTDI公司推出的型號為FTM5BL的晶片實現，主要功能是進行USB和並行I/O 口之間的協議轉換，FT245BL電源埠 AVCC、VCC連接5V電源， ACC-IO連接3. 3V模擬電源，FT245BL的10-16腳控制埠 PWREN、RXF、TXE、WR和RD分別與MSP430F149最小系)的P5. 4、Ρ5· 3、Ρ5· 2、Ρ5· 1、Ρ5· 0連接，八位並行數據埠 D0-D7分別與MSP430F149最小系統的Ρ4. 0-Ρ4. 7連接，數據信號線USBDP、USBDM分別連接到USB接口 DATA+、DATA-端。系統電源由外部5V直流電源提供，通過兩個AMS1117降壓分離得到模擬3. 3V和數字3. 3V電源，降低了模擬電路和數字電路間的相互幹擾，5V直流電源經LP3966ADJ降壓得到3. 6V電源提供給GSM簡訊模塊TC35I。在使用本系統的時候，首先通過在線編程將程序下載到MSP430F149中，等待用戶下一步命令。系統上電後，首先顯示器顯示頂層菜單界面，按OK鍵進入操作目錄菜單選擇界面，設置有「CHECK TIME」 (查看時間)、「SET TIME」 (設置時間)、「SP0TSURVEY」 (現場測量),"AUTO SURVEY」 (自動測量)、「SET」 (設置)、「SEND DATA」 (USB 發送數據)、「DELETE DATA」(刪除數據)7個操作菜單，通過按NEXT鍵切換操作目錄，按OK鍵確認執行所選擇的操作。當運行「CHECK TIME」 (查看時間)功能時，MSP430F149讀取實時時鐘獲取當前時間，經過相關的字符處理後送顯示器顯示，顯示字符隨時間變化而同步變化，按OK鍵退出查看時間返回頂層界面。當「SET TIME」 (設置時間)功能時，首先MSP430F149讀取實時時鐘獲取當前時間並經過相關的字符處理後送顯示器顯示，按NEXT、BACK鍵變更當前設置的日期時間位， 如「月」的各位、「分」的十位等，按OK鍵執行當前要設置的日期時間位加一操作，超過該位最大值時歸零，最後顯示器提示是否保存時間設置，按OK鍵保存設置，按NEXT鍵取消設置， 並進入「CHECK TIME」(查看時間)模式查看當前時間。當運行「SPOT SURVEY」 (現場測量)功能時，MSP430F149對通道1的輸入電壓進行連續採樣轉換，將轉換結果處理後送顯示器顯示，由於是連續採樣，所以輸入端的電壓變化在顯示器中可以即時更新，按OK鍵退出現場測量返回頂層界面。當運行「AUTO SURVEY」 (自動測量)功能時，程序將根據預先設定的定時間隔，對八個輸入通道的電壓值進行定時採樣和轉換，儲存採樣數據到存儲器中，並通過GSM簡訊模塊TC35I將採樣數據以簡訊息的方式發送到目標手機或客戶端。當運行「SET」 (設置)功能時，可以對自動測量模式中的測量時間間隔進行設置， 可以設置的測量時間間隔有三種20分鐘、30分鐘、60分鐘，按NEXT鍵切換時間間隔，按OK 鍵確認所選擇的時間間隔退出並返回頂層界面。當運行「SEND DATA」 (USB發送數據)功能時，首先通過USB連接線將系統電路板與計算機連接，在計算機上運行特別編制的USB數據接口應用程式V0LT3. 0. exe，按OK鍵確認發送，按BACK鍵取消並返回頂層界面，發送的數據由應用程式V0LT3. 0. exe接收處理後保存到計算機磁碟中。當運行「DELETE DATA」(刪除數據)功能時，將刪除FLASH存儲器中儲存的採集數據，按OK鍵對FLASH存儲器執行格式化操作，按BACK鍵取消刪除操作並返回頂層界面。
權利要求
1.一種微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，包括單片機最小系統、 輸入微生物燃料電池電壓信號的模數轉換模塊和無線通信單元，其中單片機最小系統分別連接模數轉換模塊和無線通信單元。
2.根據權利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，所述模數轉換模塊的最小分辨電壓為10mV。
3.根據權利要求2所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，所述模數轉換模塊為連接基準電壓源ADR421的8通道對位[-Δ型模數轉換器AD7194。
4.根據權利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，所述無線通信單元包括GSM簡訊模塊TC35I和連接TC35I的SIM卡。
5.根據權利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，還包括連接所述單片機最小系統的實時時鐘模塊。
6.根據權利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，還包括連接所述單片機最小系統的顯示模塊。
7.根據權利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，還包括連接所述單片機最小系統的按鍵控制電路。
8.根據權利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，還包括連接所述單片機最小系統的存儲模塊和有線數據傳輸模塊，其中有線數據傳輸模塊還連接計算機，用於將存儲模塊中保存的電壓數據發送到計算機。
9.根據權利要求8所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，所述有線數據傳輸模塊為USB通信模塊。
10.根據權利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，其特徵在於，所述單片機最小系統包括單片機MSP430F149和連接所述單片機MSP430F149的晶振、復位電路和用於下載程序的JTAG接口。
全文摘要
本發明公開了一種微生物燃料電池電壓的無線數據採集系統，包括單片機最小系統、輸入微生物燃料電池電壓信號的模數轉換模塊和GSM通信單元，其中單片機最小系統分別連接模數轉換模塊和無線通信單元。本發明體積小、功耗低、成本低、可靠性高，能適應惡劣的工作環境，通過採用高精度模數轉換器，保證了轉換精度，能夠對電壓進行精確測量，而採用GSM簡訊模塊進行無線數據傳輸，可以及時、方便地獲取採集數據，實現遠距離的自動監測；還採用了存儲模塊和USB通信接口，能夠通過USB電纜與計算機連接，進行採集數據的高速傳輸。
文檔編號G01R31/36GK102222405SQ20111014302
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者劉凱, 江和龍, 趙志偉 申請人:東南大學