CN103868587B - 分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，包括一个主机和多个从机，主机和从机之间无线通信，主机包括第一微控制器、按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、USB接口、存储模块和三路继电器控制单元，从机包括第二微控制器、紫外线光强信号采集模块、信号放大电路、电池电压采集电路、温度测量模块、声光指示电路、无线模块和3.3V电源。本发明采用分布式的结构可以对多片区域的紫外线光强信号同时进行实时测量，采用无线方式，同时可以对紫外线光照波长进行选择和光照时间进行控制，在紫外线应用研究领域很好的解放了试验繁琐的人工手动操作工作，提高了紫外线应用研究试验的准确性与可靠性，可广泛推广。

Description

分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统

技术领域

本发明涉及一种紫外线测量系统，具体涉及一种分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统。

背景技术

随着微电子技术、传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的飞速发展，数据采集和监测系统得到了广泛的应用，用于监测各种参数的仪表也越来越多，对于许多监测现场，由于需要监测的区域广、监测的对象种类繁多，需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护，传统的监测系统造价昂贵，体积庞大，在电源供给困难的区域不易部署，同时布置一旦完毕，就很难根据监测现场灵活改变布局，重新布置会带来巨大的成本消耗，系统重用性差，而以往单一传感器定点、定时监测的无线监测系统，成本高，通用性低，对多点和多参数的信息监测往往事倍功半，当多个远程参数信息需要监测时，这些因素应当予以特别关注。因此，采用分布式无线监测的方式来实现有很大的优势，也是目前研究的热点。

大量研究表明紫外线对生物体中维生素D的合成具有很大的促进作用，用特定波长特定光强的紫外线对蘑菇进行一定时间的照射后可使得蘑菇中的维生素D含量成倍增长，有望使蘑菇成为人类获取维生素Ｄ的新途径。通过试验来研究不同波长不同光强的紫外线对蘑菇进行不同长度时间的照射后，蘑菇中维生素D含量的变化。目前这类试验大多采用对照试验，即设置多项对照组，用不同的波长，不同的光强，不同的照射时间对蘑菇进行培养，观测维生素D含量的变化，采用这种传统试验方式，依靠人工控制，试验工作量相当繁重，而且存在许多弊端。因此迫切需要一种试验装置，能够准确控制紫外线波长、照射时间，同时能够自动的分布在不同区域的紫外线光照强度。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明解决的技术问题是提供一种分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统。其技术方案为：

分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，包括一个主机和多个从机，主机和从机之间无线通信，主机包括第一微控制器、按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、USB接口、存储模块和三路继电器控制单元，所述按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、存储模块和三路继电器控制单元均与第一微控制器相连，第一微控制器通过USB接口和PC机通信，三路继电器控制单元分别连接UVA、UVB和UVC波段的紫外线灯管，从机包括第二微控制器、紫外线光强信号采集模块、信号放大电路、电池电压采集电路、温度测量模块、声光指示电路、无线模块和3.3V电源，3.3V电源分别于无线模块、电池电压采集电路、信号放大电路、紫外线光强信号采集模块和第二微控制器电连接，电池电压采集电路、无线模块、声光指示电路和温度测量模块均与第二微控制器相连，紫外线光强信号采集模块通过信号放大电路后与第二微控制器相连，多个从机的硬件配置相同，分别放置在多片待测量区域。

作为优选，第一微控制器和第二微控制器均为单片机。

作为优选，紫外线光强信号采集模块为紫外线传感器。

作为优选，报警模块为语音报警器。

作为优选，存储模块为I²C总线的数据存储器EEPROM。

作为优选，显示模块为LCD显示屏。

作为优选，温度测量模块为数字式温度传感器。

作为优选，主机和从机中的无线模块相匹配且之间无线通讯。

本发明的有益效果：

采用分布式的结构可以对多片区域的紫外线光强信号同时进行实时测量，其结构简单、使用方便，同时采用无线方式，无需馈线连接，主机和多个从机可以随时移动，可扩展性好，同时可以对紫外线光照波长进行选择和光照时间进行控制，在紫外线应用研究领域很好的解放了试验繁琐的人工手动操作工作，提高了紫外线应用研究试验的准确性与可靠性，可广泛推广。

附图说明

图1为本发明系统总体结构框图；

图2为本发明所述主机结构框图；

图3为本发明所述从机结构框图；

图4为本发明所述主机微控制器最小系统；

图5为本发明所述主机显示模块电路；

图6为本发明所述主机按键模块电路；

图7为本发明所述主机和从机无线模块电路；

图8为本发明所述主机和从机中3.3V电源电路；

图9为本发明所述从机微控制器最小系统及声光指示电路；

图10为本发明所述从机紫外线光强信号采集模块电路；

图11为本发明所述从机温度测量模块及电池电压采集电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细地说明。

系统总体结构框图如图1所示：本发明包括一个主机和多个从机，主机和从机之间无线通信，本发明所述主机结构框图如图2所示：主机包括第一微控制器、按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、USB接口、存储模块和三路继电器控制单元，所述按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、存储模块和三路继电器控制单元均与第一微控制器相连，第一微控制器通过USB接口和PC机通信，三路继电器控制单元分别连接UVA、UVB和UVC波段的紫外线灯管，本发明所述从机结构框图如图3所示：从机包括第二微控制器、紫外线光强信号采集模块、信号放大电路、电池电压采集电路、温度测量模块、声光指示电路、无线模块和3.3V电源，3.3V电源分别于无线模块、电池电压采集电路、信号放大电路、紫外线光强信号采集模块和第二微控制器电连接，电池电压采集电路、无线模块、声光指示电路和温度测量模块均与第二微控制器相连，紫外线光强信号采集模块通过信号放大电路后与第二微控制器相连，多个从机的硬件配置相同，分别放置在多片待测量区域。第一微控制器和第二微控制器均为单片机。紫外线光强信号采集模块为紫外线传感器。报警模块为语音报警器。存储模块为I²C总线的数据存储器EEPROM。显示模块为LCD显示屏。温度测量模块为数字式温度传感器。主机和从机中的无线模块相匹配且之间无线通讯。

优选的是，系统分为两大部分，主机系统与从机系统，主机主要完成分布式网络组建，以及对从机采集传回的数据进行显示和对紫外线光照波长进行选择和光照时间进行控制操作，从机主要完成分布式数据采集的任务，并将采得的数据按照通信协议发送给主机。所述第一微控制器和第二微控制器均选用STC12C5A60S2单片机，所述主机和从机无线模块均选用E10-M4463芯片，所述主机存储模块选用I²C总线的EEPROM芯片AT24C64，所述从机紫外线光强信号采集模块选用GUVA-S12SD型紫外线传感器为核心的UVM30A紫外线传感器，所述主机显示模块选用LCD12864液晶显示器，所述主机报警模块选用语音报警芯片ISD1730，所述从机温度测量模块选用DS18B20数字温度传感器，所述从机信号放大电路选用LM358运放组成，所述紫外线灯管是根据生物效应的不同，从紫外线按照波长划分的四个波段中选择3个典型波长来做试验，UVA波段取365nm，UVB波段取311nm，UVC波段取254nm。

所述的第一微控制器和第二微控制器选用的STC12C5A60S2单片机，该单片机自带10位AD、PWM发生器以及2K片内EEPROM，使用方便，可简化硬件电路，本发明所述主机微控制器最小系统如图4所示，KEY为按键电路信号采集端，BAKlight为单片机的PWM输出口，用于控制LCD背光灯亮度。

所述显示模块采用LCD12864液晶显示器，本发明所述主机显示模块电路如图5所示，单片机的P00～P07口作为数据端口连接LCD的DB0～DB7，P35、P34、P33以及P32作为LCD的控制端口分别连接RST、RS、RW以及使能端E，由于这里固定LCD的控制方式为并口，因此PSB端口通过电阻R2接到VCC端固定高电平。三极管Q1作为开关管控制LCD的背光灯，通过单片机的P1.3口输出PWM波控制背光灯亮度，R6为三极管Q1的上拉电阻，增加单片机端口的驱动能力。

所述主机按键模块电路如图6所示，按键电路考虑到采用独立按键电路需要对按键信号做消抖处理，硬件消抖会使得硬件电路复杂化，软件消抖则需要增加检测延时，浪费CPU处理时间，会使得整个系统性能下降，因此这里采用电阻分压式，当没有按键按下时在信号端得到的是VCC电压，当有按键按下后接通不同的电阻和R7串联，在限号端得到不同的分压信号，将该电压信号用单片机自带的AD采集转换为数字量，软件上稍加以处理即可判别哪个按键被按下。

所述主机和从机无线模块电路如图7所示，该无线收发模块采用SPI总线与微控制器通信，SCK、MISO、MOSI、SDN和nSEL端分别和单片机的P26、P25、P20、P24、P21连接。由于单片机I/O为5V电平，而无线模块为3.3V电平，为了避免无线模块I/O被烧毁，因此在无线模块的输入I/O增加限流电阻，以保护无线模块的端口。

所述主机和从机中3.3V电源电路如图8所示，从机采用电池供电，因此整个系统需要最大限度降低功耗，以增加电池的续航时间。

所述从机微控制器最小系统及声光指示电路如图9所示，通过单片机P22口控制LED1的亮灭，以指示从机工作状态，通过P27口控制三极管Q1驱动蜂鸣器LS1发声，起到提示作用，例如当电池电压过低或者检测到高温，环境条件不利于从机工作时可发出声音提示。

所述从机紫外线光强信号采集模块电路如图10所示，紫外线光强度传感器采用UVM30A，其输出信号为0V～1V，对应紫外线指数0～10，为了提高信号采集的精度，需要将信号放大至0～3V，便于AD采集和处理。传感器输出的电压信号进过由LM358运放组成的比例运算电路放大后送给单片机的P1.0口进行AD采集转换为数字量，软件加以运算处理即可得到紫外线光强度指数。

所述从机温度测量模块及电池电压采集电路如图11所示，从机采用电池供电，为了不耽误正常的数据采集，应该在电池电量低时做出提示，因此需要对电池电压进行监测，温度测量采用DS18B20数字温度传感器，该传感器采灵敏度高，可达0.5℃，采用单总线传输数据，数据无需转换即为温度数据，功耗低，使用方便。温度的读取通过单片机的P23口与DS18B20的数据口连接通信。电池电压在饱和时为10V，而单片机能采集的最大信号电压为3.3V，因此采用电阻分压方式将电池的电压降低至单片机AD采集的0-3V范围内，设计采用电阻分压的方法，合理选择R7和R8的阻值，就可得到电池的电压信号，经过AD转换为数字量后，以软件计算得到电池电压。

使用时，通过按键模块和显示模块来实现人机交互，完成定时时间设置、波长选择以及光照强度控制，最后启动定时，第一微控制器控制三路继电器控制单元打开相应波长的紫外线灯管使其工作，打开灯管同时系统开始计时，当到达设定时间后立即控制继电器关闭紫外线灯管。然后将多个从机分别放置在多片待测量区域中，多个从机通过紫外线光强信号采集模块将测量的紫外线光强数据送给第二微控制器，然后第二微控制器将测量的所有数据传输给无线模块，再激发无线模块将数据发送出去。主机上电后将无线模块置于接收状态，等待从机发送数据，当监测到从机有数据发送并且载波频率与地址匹配后，主机无线模块开始接收对应从机发送的紫外线光强数据，测量数据在上主机的液晶屏上显示，同时接收到所有从机发送来的数据后处理成相应的测量结果存储在存储模块中。存储器用于对实时测量数据保存，可以通过USB接口传送给PC机，在PC机上对所有测量数据进行分析、拟合历史曲线和实时曲线等。按键模块可设置各测量点的报警阈值，当某监测点数据超标时，系统将自动启动主机报警模块进行语音报警。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，包括一个主机和多个从机，主机和从机之间无线通信，所述主机包括第一微控制器、按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、USB接口、存储模块和三路继电器控制单元，所述按键模块、报警模块、显示模块、无线模块、存储模块和三路继电器控制单元均与第一微控制器相连，第一微控制器通过USB接口和PC机通信，所述三路继电器控制单元分别连接UVA、UVB和UVC波段的紫外线灯管，所述从机包括第二微控制器、紫外线光强信号采集模块、信号放大电路、电池电压采集电路、温度测量模块、声光指示电路、无线模块和3.3V电源，所述3.3V电源分别于无线模块、电池电压采集电路、信号放大电路、紫外线光强信号采集模块和第二微控制器电连接，所述电池电压采集电路、无线模块、声光指示电路和温度测量模块均与第二微控制器相连，所述紫外线光强信号采集模块通过信号放大电路后与第二微控制器相连，多个从机的硬件配置相同，分别放置在多片待测量区域；紫外线光强信号采集模块包括紫外线光强传感器UVM30A、运放LM358以及电阻R4、R5、R6，紫外线光强传感器UVM30A连接3.3V电源并进行接地，紫外线光强传感器UVM30A的输出端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接运放LM358的正极输入端，运放LM358的负极输入端分别连接电阻R4、R5的一端，电阻R5的另一端接地，运放LM358连接3.3V电源并进行接地，运放LM358的输出端与电阻R4的另一端相连接且两者之间的接点作为UV信号输出的连接点。

2.根据权利要求1所述的分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，其特征在于：所述第一微控制器和第二微控制器均为单片机。

3.根据权利要求1所述的分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，其特征在于：所述紫外线光强信号采集模块为紫外线传感器。

4.根据权利要求1所述的分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，其特征在于：所述报警模块为语音报警器。

5.根据权利要求1所述的分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，其特征在于：所述存储模块为I²C总线的数据存储器EEPROM。

6.根据权利要求1所述的分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，其特征在于：所述显示模块为LCD显示屏。

7.根据权利要求1所述的分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，其特征在于：所述温度测量模块为数字式温度传感器。

8.根据权利要求1所述的分布式无线紫外线测量与定时控制试验系统，其特征在于：所述主机和从机中的无线模块相匹配且之间无线通讯。