CN102323473A - 微生物燃料电池电压的长期定时采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，包括微控制器、用于程序下载的接口、输入微生物燃料电池电压信号的模数转换模块和存储模块，其中微控制器分别连接用于程序下载的接口、模数转换模块和存储模块。本发明以高性能低功耗微控制器AT89S52为核心，采用适合直流微弱小信号测量的电路和元器件，降低系统成本，提高转换精度，并通过程序设计实现对微生物燃料电池的电压进行长时间间隔的定时测量。与现有的数据采集系统相比，本发明能够以设定的定时间隔长期、精确地进行数据采集，功耗低，可靠性好。

Description

微生物燃料电池电压的长期定时采集系统

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长期定时采集的系统。

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。与其它利用有机物产能的技术相比，微生物燃料电池具有操作上和功能上的优势：能量转化效率高，在常温环境条件下能够有效运作，不需要进行废气处理，不需要输入较大能量，在缺乏电力基础设施的局部地区，微生物燃料电池具有广泛应用的潜力。

微生物燃料电池输出的电压较低，一般为几百毫伏，对A/D转换器的转换精度要求较高，但并不要求在短时间内连续采样，因而对转换速度要求不高。传统的电路设计方法是在A/D转换之前使用一级或多级高精度的放大器，由于电压信号在传输过程中信噪比降低明显，这样不但会增加系统的成本和复杂性，还会在实际测量过程中发生外部工频干扰和放大器漂移等问题，导致测量精度降低。

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长期定时采集系统，对于微弱电压信号保证其测量精度，结合实时时钟，对采样间隔进行控制，使其在较长时间能够以精确的时间间隔进行采样。

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长期定时采集系统，包括微控制器、用于程序下载的接口、输入微生物燃料电池电压信号的模数转换模块和存储模块，其中微控制器分别连接用于程序下载的接口、模数转换模块和存储模块；由微控制器控制定时，当设定的定时间隔到达时，控制模数转换模块对输入的电压信号进行模数转换。

所述模数转换模块可具有两组电压输入接口，能够直接接受来自电源、传感器等输出的低电平电压信号，且该模数转换模块能够处理0～2.5V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AD780的双通道16位∑-Δ模数转换器AD7705。

还可包括连接所述微控制器的实时时钟模块。

还可包括连接所述微控制器的显示模块。

还可包括连接所述微控制器的数据传输模块，该数据传输模块将存储模块中保存的数据发送到计算机。

所述微控制器可为AT89S52，用于程序下载的接口为在系统编程接口(ISP接口)，还包括连接微控制器AT89S52的第一晶体振荡器和复位电路。

还可包括连接微控制器AT89S52的按键电路。

所述实时时钟模块可为DS1302和第二晶体振荡器，所述第二晶体振荡器的一端连接DS1302的引脚X1，另一端连接DS1302的引脚X2。本发明采用微控制器内置定时器和实时时钟模块相结合的定时控制方式，降低了系统功耗，提高了定时精确性，并且能够实现长时间间隔的精确定时。

所述存储模块可为EEPROM存储器AT24C512。

有益效果：本发明根据微生物燃料电池的一些特性，以高性能低功耗微控制器AT89S52为核心，采用适合直流微弱小信号测量的电路和元器件，降低系统成本，提高转换精度，并通过程序设计实现对微生物燃料电池的电压进行长时间间隔的定时测量。与现有的数据采集系统相比，本发明能够以设定的定时间隔长期、精确地进行数据采集，功耗低，可靠性好。

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；

图3为数据采集的流程图；

图4为数据采集系统工作于自动采集模式的流程图。

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，对微生物燃料电池微弱电压信号进行长期定时采集的系统以低功耗、高性能CMOS8位微控制器AT89S52为核心，外围功能模块主要有：高精度模数转换器AD7705、实时时钟DS1302、EEPROM存储器AT24C512，液晶显示模块LCD1602。

模数转换器AD7705是一款适合精密测量应用的低噪声完整模拟前端，最小分辨电压为0.038mV，微生物燃料电池的电压信号可以直接连接到AD7705的输入端。

AD7705由5V单电源供电，基准电压2.5V由AD780提供。AD780是一款超高精度带隙基准电压源，可以利用4.0V至36V的输入提供2.5V或3.0V输出。AD780的8号引脚2.5V/3.0V O/P SELECT用于控制输出基准电压值，该引脚悬空，以输出基准电压2.5V。输出端使用一个1μF旁路电容，使器件输出保持稳定。AD7705的基准电压输入端REF IN(+)与AD780VOUT端相连，REF IN(-)接地。两路模拟差分输入信号分别连接到AIN1(+)/AIN1(-)和AIN2(+)/AIN2(-)。CS为AD7705片选信号，将CS信号线拉低可以选中器件，AT89S52通过时钟信号线SCLK、复位信号线RESET和数据输入线DIN对AD7705进行初始化、配置、校准开启转换等操作，当DRDY信号线由高电平转换为低电平时，指示转换完成，此时通过时钟信号线SCLK和数据输出线DOUT可以将16位二进制数表示的转换结果读出。

实时时钟采用美国DALLAS公司推出的高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302。DS1302有两个电源引脚，其中VCC1连接3V锂二氧化锰电池CR2032，VCC2连接5V系统电源。系统电路板正常供电时，由VCC2向芯片提供电能；当系统断电时，由电池CR2032通过引脚VCC1向芯片供电，保证芯片不间断运行，以实现实时时钟功能。DS1302时钟的产生基于外接的第二晶体振荡器，该晶振的频率为32768Hz，通过引脚X1、X2连接到芯片。AT89S52通过三根信号线：时钟信号线SCLK、数据信号线IO以及复位信号线RST与DS1302进行通信，通过读写内部寄存器对芯片进行配置等操作。三根信号线连接上拉10千欧姆电阻以提高驱动能力。

数据存储器采用ATMEL公司生产的具有I2C总线容量达512Kbit(64K×8)的EEPROM存储器AT24C512。AT24C512引脚A0、A1用于同时连接多片存储器时区分地址，由于系统只使用一片AT24C512，将A0、A1接地，同时将写保护引脚WP接地。AT24C512使用I2C总线与外部微处理器进行通信，AT89S52没有I2C总线接口，但可以使用普通I/O口线模拟I2C总线，P2.6口与AT24C512SCL引脚相连作为串行时钟线，P2.7口与AT24C512SDA引脚连接作为串行数据线。为了提高驱动能力，在SCL和SDA信号线上拉10千欧姆的电阻。

显示模块采用字符型液晶显示模块LCD1602，可显示字母、数字、符号等信息，工作电压为5V。引脚V0电压值用于调节液晶显示对比度。LCD1602与AT89S52的连接线可以分为：控制信号线，包括片选信号线E、读/写信号线R/W和复位信号线RS，8位数据线DB0～DB7。

此外，系统电路板上还包括连接微控制器的第一晶体振荡器、复位电路、按键电路、在系统编程接口(ISP接口)，以及用于和计算机数据传输的RS-232串口电路，其中，第一晶体振荡器的频率为11.0592MHz，用于向微控制器提供基本的时钟信号，复位电路用于系统发生故障时使系统复位回复正常工作状态，按键电路用于实现系统的各个功能操作，在系统编程接口(ISP接口)用于下载程序到系统电路板，RS-232串口电路用于电路板向计算机发送采集数据。通过计算机端串口应用程序的操作，可以将串口接收的数据处理后按文本文件的格式存储到本地磁盘。

如图3所示，为了便于数据采集器的操作，使用四个按键结合液晶显示以实现系统菜单功能。四个按键标号分别为：MODE、OK、ADD、CANCEL，在菜单的不同层次四个按键均有各自不同的功能。程序中设置了若干菜单变量，用于指示当前程序指向的菜单项，以及所指向菜单项的菜单层次。程序运行过程中，通过扫描按键获取按键状态，对相关菜单变量进行更改，然后转向相应的菜单操作。

系统上电后首先显示顶层目录，按MODE键将依次显示自动测量目录、现场测量目录、查看时间目录、设置时间目录、发送数据目录和删除数据目录，当目录指向某个功能时，按OK键确认进入该功能。

当运行现场测量功能时，显示屏显示通道号和通道电压值，并且其字符会随通道电压的变化而同步变化，按OK键退出。

当运行查看时间功能时，显示屏显示当前时钟的时间，并且其字符会随时间变化而同步变化，按OK键退出。

当运行设置时间功能时，显示屏首先显示当前时钟的时间，并且选中时间的首位数字，以光标闪烁的形式标识，按ADD键，选中的时间位数字加1，达到最大值后归零，按MODE键，光标移向下一位数字，所有时间位修改完成后，按OK键保存修改，按CANCEL键取消修改，返回查看时间。

当运行传送数据功能时，首先在计算机上运行串口接收程序LK.exe，设置串口号、波特率、数据位、校验位并打开串口，然后在电路板上进入数据传送功能界面，按OK键确认发送数据操作，串口接收程序在数据接收框内显示接收到的数据，并在计算机C盘新建文本文件LK.txt，将数据按一定格式保存到该文本文件中。

当运行删除数据功能时，将删除存储器中保存的数据，并返回顶层目录。

当运行自动测量功能时，如图4所示，首先读取实时时钟模块获取当前时间，判断是否为整10分(这个时间可由用户事先设置，也可以设为其它时间)，若不是则等待，到达整10分时，高精度模数转换模块对两路输入通道电压分别进行采样和转换，并将转换结果传送到微控制器，微控制器对转换结果进行数据处理后将其储存到数据存储器中。第一次采样结束，微控制器开启内部定时器，定时略小于10分钟，定时结束后，关闭定时器，通过读取实时时钟获取准确时间并判断是否到达下一个整10分，若是则进行采样、转换、数据处理和存储等操作，并循环执行。自动测量过程中，按OK键将退出测量返回顶层目录。

在开始转换之前需要对模数转换器AD7705进行相关设置，需要设置的参数有通道、时钟、增益、缓冲、极性等。此外，由于强电磁场、系统中的闪烁信号干扰或者软件错误等不可避免地会造成器件接口迷失，即接口时序发生错误导致无法对器件进行正确的读写操作。为防止器件接口迷失，在通道转换之前和通道切换后，均应对器件进行复位操作。具体代码如下：

对器件设置完成之后，就可以进行转换，读取转换结果。获取转换结果只需要等待数据转换完成之后，读取AD7705的数据寄存器即可，代码如下

由于读出的数据寄存器内容是16位的二进制数，上述程序中加入代码

vol_1＝ADValue_1/65535.0*2500；

将16位二进制结果转换为十进制数据。

数据存储时，将存储器AT24C512地址为0x0000和0x0001的两个存储单元作为单独放置存储器写地址的空间，该地址用于指示按顺序将采集数据写入存储器，当前数据应该写入的位置。

写地址初始值为0x0020。当要进行数据存储操作时，首先从0x0000和0x0001地址空间读取写地址，然后将时间和通道电压值按一定的格式写入存储器写数据寄存器数组中，例如

日期：2011-03-03

时间：20:30

通道1电压值：0.245V

通道2电压值：0.073V

则向存储器数据数组中写入：

EEPROMBUF[]＝{″0303203002450073″}；

为了节约存储器空间，写入数据只包含月、日、时、分和电压值。AT89S52向AT24C512写入16个字节的待写入数据后，将存储写地址加16，并写入0x0000和0x0001存储单元覆盖原来的存储器写地址，当下次进行数据保存操作时就能够自动地从后续的地址开始。

Claims (10)

1.一种微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，其特征在于，包括微控制器、用于程序下载的接口、输入微生物燃料电池电压信号的模数转换模块和存储模块，其中微控制器分别连接用于程序下载的接口、模数转换模块和存储模块。

2.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，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长期定时采集系统，其特征在于，所述模数转换模块为连接基准电压源AD780的双通道16位∑-Δ模数转换器AD7705。

4.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，其特征在于，还包括连接所述微控制器的实时时钟模块。

5.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，其特征在于，还包括连接所述微控制器的显示模块。

6.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，其特征在于，还包括连接所述微控制器的数据传输模块，该数据传输模块将存储模块中保存的数据发送到计算机。

7.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，其特征在于，所述微控制器为AT89S52，用于程序下载的接口为在系统编程接口，还包括连接微控制器AT89S52的第一晶体振荡器和复位电路。

8.根据权利要求7所述微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，其特征在于，还包括连接所述微控制器AT89S52的按键电路。

9.根据权利要求4所述微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，其特征在于，所述实时时钟模块为DS1302和第二晶体振荡器，所述第二晶体振荡器的一端连接DS1302的引脚X1，另一端连接DS1302的引脚X2。

10.根据权利要求1所述微生物燃料电池电压的长期定时采集系统，其特征在于，所述存储模块为EEPROM存储器AT24C512。

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