CN102222405A

CN102222405A - 微生物燃料电池电压的无线数据采集系统

Info

Publication number: CN102222405A
Application number: CN 201110143026
Authority: CN
Inventors: 赵志伟; 刘凯; 江和龙
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，包括单片机最小系统、输入微生物燃料电池电压信号的模数转换模块和GSM通信单元，其中单片机最小系统分别连接模数转换模块和无线通信单元。本发明体积小、功耗低、成本低、可靠性高，能适应恶劣的工作环境，通过采用高精度模数转换器，保证了转换精度，能够对电压进行精确测量，而采用GSM短信模块进行无线数据传输，可以及时、方便地获取采集数据，实现远距离的自动监测；还采用了存储模块和USB通信接口，能够通过USB电缆与计算机连接，进行采集数据的高速传输。

Description

微生物燃料电池电压的无线数据采集系统

技术领域

本发明属于数据采集领域，特别涉及一种对微生物燃料电池电压数据进行无线采集的系统。

背景技术

微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。在对微生物燃料电池特性的研究过程中，需要对电池电压进行测量与分析，包括阳极电势、阴极电势以及电极电势差等，在存在外接负载时，通常还需要测量负载两端的电势差，因此测量仪器应具备多个通道以满足微生物燃料电池多路电压信号的测量要求。

微生物燃料电池由于其特殊的工作原理，其输出电压较低，单个普通的微生物燃料电池开路电压一般在800mV以下，其电压微弱，信号变换缓慢，为了达到较高的测量精度，需要电压转换器件具备较高的转换精度。此外，由于微生物燃料电池是利用有机物中的微生物新陈代谢来将化学能转换为电能，在实际的研究与应用中，电池的实体通常置于湖泊、河流等野外环境中，而传统的数据采集仪器体积大、功耗高、价格昂贵，不适合在恶劣的野外环境中工作，并且通常采用有线接口与计算机进行数据传输，或使用数据存储卡存储采集数据，采集数据的获取需要到采集现场进行，由于这些缺点和不足，有必要设计一种适合在野外环境工作的微生物燃料电池电压的无线数据采集系统。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，能够对微生物燃料电池微弱电压信号进行精确采集，并通过无线网络传输采集的数据。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，包括单片机最小系统、输入微生物燃料电池电压信号的模数转换模块和无线通信单元，其中单片机最小系统分别连接模数转换模块和无线通信单元。模数转换模块，用于采集模拟电压值并将其转换为数字电压值；无线通信单元，用于通过无线通信网络发送采集的数字电压值。

所述模数转换模块能够处理-2.5～+2.5V的电压信号，最小分辨电压为10mV。

所述模数转换模块可为连接基准电压源ADR421的8通道24位∑-Δ型模数转换器AD7194。

还可包括连接所述单片机最小系统的实时时钟模块，该模块用于实现精确计时和定时，控制数据采集与数据发送的时间间隔。

所述无线通信单元可包括GSM短信模块TC35I和连接TC35I的SIM卡。

还可包括连接所述单片机最小系统的显示模块，该模块用于显示系统的运行状态。

还可包括连接所述单片机最小系统的按键控制电路，该电路设有若干按键，可通过按键控制系统的运行状态。

还可包括连接所述单片机最小系统的存储模块和有线数据传输模块，其中存储模块用于存储采集的电压数据，有线数据传输模块还连接计算机，用于将存储模块中保存的电压数据发送到计算机。

所述有线数据传输模块可为USB通信模块，通过USB接口连接计算机。

所述单片机最小系统可包括单片机MSP430F149和连接所述单片机MSP430F149的晶振、复位电路和用于下载程序的JTAG接口。

有益效果：本发明体积小、功耗低、成本低、可靠性高，能适应恶劣的工作环境，通过采用高精度模数转换器，保证了转换精度，能够对电压进行精确测量，而采用GSM短信模块进行无线数据传输，可以及时、方便地获取采集数据，实现远距离的自动监测；还采用了存储模块和USB通信接口，能够通过USB电缆与计算机连接，进行采集数据的高速传输。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为与图1对应的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和图2所示，本发明所涉及的微生物燃料电池电压的无线数据采集系统包括MSP430F149最小系统1、按键控制电路2、显示模块3、实时时钟模块4、模数转换模块5、存储模块6、无线通信单元7、USB通信模块8，其中，MSP430F149最小系统的一组三位输入端口P1口的低三位与按键控制电路的三个按键开关相连；MSP430F149最小系统的一组三位输出端口P1口的高三位与实时时钟电路相连；MSP430F149最小系统的一组三位输出端口P2口的低三位与显示模块的三个控制端口相连；MSP430F149最小系统的一组八位输入输出端口P4连接USB接口芯片的八位数据端口；MSP430F149最小系统的一组五位输入输出端口P5的低五位连接USB接口芯片的五位控制端口。

所述的按键控制电路是由3个按键开关来实现功能模式的选择和设置的调整，3个按键开关各上拉一片10K欧姆电阻，连到MSP430F149最小系统的P1.0-P1.2。

所述的显示模块是由型号为LCD12864的点阵液晶来实现，可以显示4行字符，每行可以显示16个ASCII码字符。采用串行方式来进行数据传输，LCD12864的三位控制端口CS、SID、CLK与MSP430F149最小系统的P2.0-P2.2连接，并将串行/并行选择端口PSB接地。

所述的实时时钟模块是由型号为DS1302的实时时钟和晶振来实现，DS1302有两个电源接口，VCC2端口连接系统3.3V模拟电源，VCC1端口连接CR2032锂电池，X1、X2端口连接32768Hz的晶振，SCLK、I/O、RST信号线上拉10K欧姆电阻连接到MSP430F149最小系统的P1.5-P1.7。

所述的模数转换模块由前端滤波电路、模数转换器和基准电压源组成，模数转换器采用ADI公司生产的AD7194，AD7194是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端，内部集成了低噪声可编程增益放大器、缓冲器和24位∑-Δ型模数转换器，可直接输入小信号。调制器中的模数转换具有高输入采样速率和低精度特性，无需外部采样保持电路，只需要一个简单的单极点RC滤波电路。基准电压源由低噪声、高精度电压源ADR421提供2.5V基准电压。外部输入经过RC滤波电路后连接到模数转换器输入端口AIN1-AIN16，构成8对差分输入，数据线、控制线CS、SCLK、DIN、DOUT/RDY、SYNC与MSP430F149最小系统的P6.3-P6.7相连。

所述的存储模块由意法半导体推出的8Mbit串行接口NAND FLASH存储器M25P80实现，M25P80片选信号端口S与MSP430F149最小系统的P2.3连接，MSP430F149最小系统通过3线串行外围设备接口(SPI接口)对M25P80进行读写操作，M25P80端口D、Q、C分别与MSP430F149最小系统SIMO0、SOMI0、UCLK0连接。

所述的无线通信单元由西门子GSM短信模块TC35I和SIM卡组成，TC35I通过40脚ZIF连接器与外部电路连接，主要有电源电路、启动电路、数据通信电路、SIM卡电路和指示灯电路。电源电路由5V电源经LP3966ADJ降压后得到稳定3.7V工作电压，连接到ZIF连接器的1-5脚；启动电路由ZIF连接器15脚IGT上拉10K欧姆电阻连接到MSP430F149最小系统的P2.7实现，通过在IGT引脚产生至少100ms的低电平启动TC35I，启动完成后IGT引脚恢复高电平；数据通信电路主要完成TC35I与MSP430F149的数据信息，ZIF连接器的18、19脚分别与MSP430F149最小系统的URXD0、UTXD0连接；SIM卡电路用于连接TC35I和SIM卡，ZIF连接器的24-29引脚分别连接到SIM卡卡座的CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC、CCGND引脚；指示灯电路由ZIF连接器32脚SYNC通过三极管连接发光二极管实现，用于指示TC35I工作状态。

所述的USB通信模块由FTDI公司推出的型号为FT245BL的芯片实现，主要功能是进行USB和并行I/O口之间的协议转换，FT245BL电源端口AVCC、VCC连接5V电源，ACC-IO连接3.3V模拟电源，FT245BL的10-16脚控制端口PWREN、RXF、TXE、WR和RD分别与MSP430F149最小系)的P5.4、P5.3、P5.2、P5.1、P5.0连接，八位并行数据端口D0-D7分别与MSP430F149最小系统的P4.0-P4.7连接，数据信号线USBDP、USBDM分别连接到USB接口DATA+、DATA-端。

系统电源由外部5V直流电源提供，通过两个AMS1117降压分离得到模拟3.3V和数字3.3V电源，降低了模拟电路和数字电路间的相互干扰，5V直流电源经LP3966ADJ降压得到3.6V电源提供给GSM短信模块TC35I。

在使用本系统的时候，首先通过在线编程将程序下载到MSP430F149中，等待用户下一步命令。

系统上电后，首先显示器显示顶层菜单界面，按OK键进入操作目录菜单选择界面，设置有“CHECK TIME”(查看时间)、“SET TIME”(设置时间)、“SPOTSURVEY”(现场测量)、“AUTO SURVEY”(自动测量)、“SET”(设置)、“SEND DATA”(USB发送数据)、“DELETE DATA”(删除数据)7个操作菜单，通过按NEXT键切换操作目录，按OK键确认执行所选择的操作。

当运行“CHECK TIME”(查看时间)功能时，MSP430F149读取实时时钟获取当前时间，经过相关的字符处理后送显示器显示，显示字符随时间变化而同步变化，按OK键退出查看时间返回顶层界面。

当“SET TIME”(设置时间)功能时，首先MSP430F149读取实时时钟获取当前时间并经过相关的字符处理后送显示器显示，按NEXT、BACK键变更当前设置的日期时间位，如“月”的各位、“分”的十位等，按OK键执行当前要设置的日期时间位加一操作，超过该位最大值时归零，最后显示器提示是否保存时间设置，按OK键保存设置，按NEXT键取消设置，并进入“CHECK TIME”(查看时间)模式查看当前时间。

当运行“SPOT SURVEY”(现场测量)功能时，MSP430F149对通道1的输入电压进行连续采样转换，将转换结果处理后送显示器显示，由于是连续采样，所以输入端的电压变化在显示器中可以即时更新，按OK键退出现场测量返回顶层界面。

当运行“AUTO SURVEY”(自动测量)功能时，程序将根据预先设定的定时间隔，对八个输入通道的电压值进行定时采样和转换，储存采样数据到存储器中，并通过GSM短信模块TC35I将采样数据以短信息的方式发送到目标手机或客户端。

当运行“SET”(设置)功能时，可以对自动测量模式中的测量时间间隔进行设置，可以设置的测量时间间隔有三种：20分钟、30分钟、60分钟，按NEXT键切换时间间隔，按OK键确认所选择的时间间隔退出并返回顶层界面。

当运行“SEND DATA”(USB发送数据)功能时，首先通过USB连接线将系统电路板与计算机连接，在计算机上运行特别编制的USB数据接口应用程序VOLT3.0.exe，按OK键确认发送，按BACK键取消并返回顶层界面，发送的数据由应用程序VOLT3.0.exe接收处理后保存到计算机磁盘中。

当运行“DELETE DATA”(删除数据)功能时，将删除FLASH存储器中储存的采集数据，按OK键对FLASH存储器执行格式化操作，按BACK键取消删除操作并返回顶层界面。

Claims

1.一种微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，包括单片机最小系统、输入微生物燃料电池电压信号的模数转换模块和无线通信单元，其中单片机最小系统分别连接模数转换模块和无线通信单元。

2.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，所述模数转换模块的最小分辨电压为10mV。

3.根据权利要求2所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，所述模数转换模块为连接基准电压源ADR421的8通道24位∑-Δ型模数转换器AD7194。

4.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，所述无线通信单元包括GSM短信模块TC35I和连接TC35I的SIM卡。

5.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，还包括连接所述单片机最小系统的实时时钟模块。

6.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，还包括连接所述单片机最小系统的显示模块。

7.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，还包括连接所述单片机最小系统的按键控制电路。

8.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，还包括连接所述单片机最小系统的存储模块和有线数据传输模块，其中有线数据传输模块还连接计算机，用于将存储模块中保存的电压数据发送到计算机。

9.根据权利要求8所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，所述有线数据传输模块为USB通信模块。

10.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的无线数据采集系统，其特征在于，所述单片机最小系统包括单片机MSP430F149和连接所述单片机MSP430F149的晶振、复位电路和用于下载程序的JTAG接口。