專利名稱：微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，特別涉及一種對微生物燃料電池電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行無線采集的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)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(jìn)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(fù)載時(shí)，通常還需要測量負(fù)載兩端的電勢差，因此測量儀器應(yīng)具備多個(gè)通道以滿足微生物燃料電池多路電壓信號的測量要求。微生物燃料電池由于其特殊的工作原理，其輸出電壓較低，單個(gè)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(dá)到較高的測量精度，需要電壓轉(zhuǎn)換器件具備較高的轉(zhuǎn)換精度。此外，由于微生物燃料電池是利用有機(jī)物中的微生物新陳代謝來將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，在實(shí)際的研究與應(yīng)用中，電池的實(shí)體通常置于湖泊、河流等野外環(huán)境中，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀器體積大、功耗高、價(jià)格昂貴，不適合在惡劣的野外環(huán)境中工作，并且通常采用有線接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或使用數(shù)據(jù)存儲卡存儲采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的獲取需要到采集現(xiàn)場進(jìn)行，由于這些缺點(diǎn)和不足，有必要設(shè)計(jì)一種適合在野外環(huán)境工作的微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)ξ⑸锶剂想姵匚⑷蹼妷盒盘栠M(jìn)行精確采集，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸采集的數(shù)據(jù)。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、輸入微生物燃料電池電壓信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和無線通信單元，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和無線通信單元。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于采集模擬電壓值并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓值；無線通信單元，用于通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送采集的數(shù)字電壓值。所述模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊可為連接基準(zhǔn)電壓源ADR421的8通道對位[-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7194。還可包括連接所述單片機(jī)最小系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，該模塊用于實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)和定時(shí)，控制數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間間隔。所述無線通信單元可包括GSM短信模塊TC35I和連接TC35I的SIM卡。還可包括連接所述單片機(jī)最小系統(tǒng)的顯示模塊，該模塊用于顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。還可包括連接所述單片機(jī)最小系統(tǒng)的按鍵控制電路，該電路設(shè)有若干按鍵，可通過按鍵控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。還可包括連接所述單片機(jī)最小系統(tǒng)的存儲模塊和有線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其中存儲模塊用于存儲采集的電壓數(shù)據(jù)，有線數(shù)據(jù)傳輸模塊還連接計(jì)算機(jī)，用于將存儲模塊中保存的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。所述有線數(shù)據(jù)傳輸模塊可為USB通信模塊，通過USB接口連接計(jì)算機(jī)。所述單片機(jī)最小系統(tǒng)可包括單片機(jī)MSP430F149和連接所述單片機(jī)MSP430F149的晶振、復(fù)位電路和用于下載程序的JTAG接口。有益效果本發(fā)明體積小、功耗低、成本低、可靠性高，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，通過采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證了轉(zhuǎn)換精度，能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行精確測量，而采用GSM短信模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，可以及時(shí)、方便地獲取采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的自動(dòng)監(jiān)測；還采用了存儲模塊和USB通信接口，能夠通過USB電纜與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的高速傳輸。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為與圖1對應(yīng)的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1和圖2所示，本發(fā)明所涉及的微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括MSP430F149最小系統(tǒng)1、按鍵控制電路2、顯示模塊3、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊4、模數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)的一組三位輸入端口 Pl 口的低三位與按鍵控制電路的三個(gè)按鍵開關(guān)相連；MSP430F149最小系統(tǒng)的一組三位輸出端口 Pl 口的高三位與實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路相連；MSP430F149最小系統(tǒng)的一組三位輸出端口 P2 口的低三位與顯示模塊的三個(gè)控制端口相連；MSP430F149最小系統(tǒng)的一組八位輸入輸出端口 P4連接USB接口芯片的八位數(shù)據(jù)端口 ；MSP430F149最小系統(tǒng)的一組五位輸入輸出端口 P5的低五位連接USB接口芯片的五位控制端口。所述的按鍵控制電路是由3個(gè)按鍵開關(guān)來實(shí)現(xiàn)功能模式的選擇和設(shè)置的調(diào)整，3 個(gè)按鍵開關(guān)各上拉一片IOK歐姆電阻，連到MSP430F149最小系統(tǒng)的PI. 0-P1. 2。所述的顯示模塊是由型號為IXD12864的點(diǎn)陣液晶來實(shí)現(xiàn)，可以顯示4行字符，每行可以顯示16個(gè)ASCII碼字符。采用串行方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，IXD12864的三位控制端口 CS、SID、CLK與MSP430F149最小系統(tǒng)的P2. 0-P2. 2連接，并將串行/并行選擇端口 PSB 接地。所述的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊是由型號為DS1302的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和晶振來實(shí)現(xiàn)，DS1302有兩個(gè)電源接口，VCC2端口連接系統(tǒng)3. 3V模擬電源，VCCl端口連接CR2032鋰電池，Xl、X2端口連接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(tǒng)的 PI. 5-P1. 7。所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由前端濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓源組成，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADI公司生產(chǎn)的AD7194，AD7194是一款適合高精密測量應(yīng)用的低噪聲完整模擬前端，內(nèi)部集成了低噪聲可編程增益放大器、緩沖器和對位1 -Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接輸入小信號。調(diào)制器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換具有高輸入采樣速率和低精度特性，無需外部采樣保持電路， 只需要一個(gè)簡單的單極點(diǎn)RC濾波電路?；鶞?zhǔn)電壓源由低噪聲、高精度電壓源ADR421提供 2. 5V基準(zhǔn)電壓。外部輸入經(jīng)過RC濾波電路后連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端口 Aim-AIN16，構(gòu)成8對差分輸入，數(shù)據(jù)線、控制線CS、SCLK、DIN、DOUT/RDY、SYNC與MSP430F149最小系統(tǒng)的 P6. 3-P6. 7 相連。所述的存儲模塊由意法半導(dǎo)體推出的8Mbit串行接口 NAND FLASH存儲器M25P80 實(shí)現(xiàn)，M25P80片選信號端口 S與MSP430F149最小系統(tǒng)的P2. 3連接，MSP430F149最小系統(tǒng)通過3線串行外圍設(shè)備接口(SPI接口)對M25P80進(jìn)行讀寫操作，M25P80端口 D、Q、C分別與 MSP430F149 最小系統(tǒng) SIMOO、SOMIO、UCLKO 連接。所述的無線通信單元由西門子GSM短信模塊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(dòng)電路、數(shù)據(jù)通信電路、SIM卡電路和指示燈電路。電源電路由5V電源經(jīng)LP3966ADJ降壓后得到穩(wěn)定3. 7V工作電壓，連接到ZIF 連接器的1-5腳；啟動(dòng)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(tǒng)的P2. 7實(shí)現(xiàn)，通過在IGT引腳產(chǎn)生至少IOOms的低電平啟動(dòng)TC35I，啟動(dòng)完成后 IGT引腳恢復(fù)高電平；數(shù)據(jù)通信電路主要完成TC35I與MSP430F149的數(shù)據(jù)信息，ZIF連接器的18、19腳分別與MSP430F149最小系統(tǒng)的URXD0、UT)(D0連接；SIM卡電路用于連接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通過三極管連接發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)， 用于指示TC35I工作狀態(tài)。所述的USB通信模塊由FTDI公司推出的型號為FTM5BL的芯片實(shí)現(xiàn)，主要功能是進(jìn)行USB和并行I/O 口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，F(xiàn)T245BL電源端口 AVCC、VCC連接5V電源， ACC-IO連接3. 3V模擬電源，F(xiàn)T245BL的10-16腳控制端口 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，八位并行數(shù)據(jù)端口 D0-D7分別與MSP430F149最小系統(tǒng)的Ρ4. 0-Ρ4. 7連接，數(shù)據(jù)信號線USBDP、USBDM分別連接到USB接口 DATA+、DATA-端。系統(tǒng)電源由外部5V直流電源提供，通過兩個(gè)AMS1117降壓分離得到模擬3. 3V和數(shù)字3. 3V電源，降低了模擬電路和數(shù)字電路間的相互干擾，5V直流電源經(jīng)LP3966ADJ降壓得到3. 6V電源提供給GSM短信模塊TC35I。在使用本系統(tǒng)的時(shí)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(tǒng)上電后，首先顯示器顯示頂層菜單界面，按OK鍵進(jìn)入操作目錄菜單選擇界面，設(shè)置有“CHECK TIME” (查看時(shí)間)、“SET TIME” (設(shè)置時(shí)間)、“SP0TSURVEY” (現(xiàn)場測量),"AUTO SURVEY” (自動(dòng)測量)、“SET” (設(shè)置)、“SEND DATA” (USB 發(fā)送數(shù)據(jù))、“DELETE DATA”(刪除數(shù)據(jù))7個(gè)操作菜單，通過按NEXT鍵切換操作目錄，按OK鍵確認(rèn)執(zhí)行所選擇的操作。當(dāng)運(yùn)行“CHECK TIME” (查看時(shí)間)功能時(shí)，MSP430F149讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘獲取當(dāng)前時(shí)間，經(jīng)過相關(guān)的字符處理后送顯示器顯示，顯示字符隨時(shí)間變化而同步變化，按OK鍵退出查看時(shí)間返回頂層界面。當(dāng)“SET TIME” (設(shè)置時(shí)間)功能時(shí)，首先MSP430F149讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘獲取當(dāng)前時(shí)間并經(jīng)過相關(guān)的字符處理后送顯示器顯示，按NEXT、BACK鍵變更當(dāng)前設(shè)置的日期時(shí)間位， 如“月”的各位、“分”的十位等，按OK鍵執(zhí)行當(dāng)前要設(shè)置的日期時(shí)間位加一操作，超過該位最大值時(shí)歸零，最后顯示器提示是否保存時(shí)間設(shè)置，按OK鍵保存設(shè)置，按NEXT鍵取消設(shè)置， 并進(jìn)入“CHECK TIME”(查看時(shí)間)模式查看當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)運(yùn)行“SPOT SURVEY” (現(xiàn)場測量)功能時(shí)，MSP430F149對通道1的輸入電壓進(jìn)行連續(xù)采樣轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果處理后送顯示器顯示，由于是連續(xù)采樣，所以輸入端的電壓變化在顯示器中可以即時(shí)更新，按OK鍵退出現(xiàn)場測量返回頂層界面。當(dāng)運(yùn)行“AUTO SURVEY” (自動(dòng)測量)功能時(shí)，程序?qū)⒏鶕?jù)預(yù)先設(shè)定的定時(shí)間隔，對八個(gè)輸入通道的電壓值進(jìn)行定時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換，儲存采樣數(shù)據(jù)到存儲器中，并通過GSM短信模塊TC35I將采樣數(shù)據(jù)以短信息的方式發(fā)送到目標(biāo)手機(jī)或客戶端。當(dāng)運(yùn)行“SET” (設(shè)置)功能時(shí)，可以對自動(dòng)測量模式中的測量時(shí)間間隔進(jìn)行設(shè)置， 可以設(shè)置的測量時(shí)間間隔有三種20分鐘、30分鐘、60分鐘，按NEXT鍵切換時(shí)間間隔，按OK 鍵確認(rèn)所選擇的時(shí)間間隔退出并返回頂層界面。當(dāng)運(yùn)行“SEND DATA” (USB發(fā)送數(shù)據(jù))功能時(shí)，首先通過USB連接線將系統(tǒng)電路板與計(jì)算機(jī)連接，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行特別編制的USB數(shù)據(jù)接口應(yīng)用程序V0LT3. 0. exe，按OK鍵確認(rèn)發(fā)送，按BACK鍵取消并返回頂層界面，發(fā)送的數(shù)據(jù)由應(yīng)用程序V0LT3. 0. exe接收處理后保存到計(jì)算機(jī)磁盤中。當(dāng)運(yùn)行“DELETE DATA”(刪除數(shù)據(jù))功能時(shí)，將刪除FLASH存儲器中儲存的采集數(shù)據(jù)，按OK鍵對FLASH存儲器執(zhí)行格式化操作，按BACK鍵取消刪除操作并返回頂層界面。
權(quán)利要求
1.一種微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、 輸入微生物燃料電池電壓信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和無線通信單元，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和無線通信單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的最小分辨電壓為10mV。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為連接基準(zhǔn)電壓源ADR421的8通道對位[-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7194。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述無線通信單元包括GSM短信模塊TC35I和連接TC35I的SIM卡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接所述單片機(jī)最小系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接所述單片機(jī)最小系統(tǒng)的顯示模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接所述單片機(jī)最小系統(tǒng)的按鍵控制電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接所述單片機(jī)最小系統(tǒng)的存儲模塊和有線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其中有線數(shù)據(jù)傳輸模塊還連接計(jì)算機(jī)，用于將存儲模塊中保存的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述有線數(shù)據(jù)傳輸模塊為USB通信模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)MSP430F149和連接所述單片機(jī)MSP430F149的晶振、復(fù)位電路和用于下載程序的JTAG接口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微生物燃料電池電壓的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、輸入微生物燃料電池電壓信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和GSM通信單元，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和無線通信單元。本發(fā)明體積小、功耗低、成本低、可靠性高，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，通過采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證了轉(zhuǎn)換精度，能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行精確測量，而采用GSM短信模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，可以及時(shí)、方便地獲取采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的自動(dòng)監(jiān)測；還采用了存儲模塊和USB通信接口，能夠通過USB電纜與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)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(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者劉凱, 江和龍, 趙志偉 申請人:東南大學(xué)