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1、本科生毕业论文(设计) 题 目 电场强度传输监控系统的设计 学生姓名 学 号 学 院 专 业 指导教师 二 年 月 日目录摘要1Abstract21 绪论31.1 本课题的研究背景31.2 本课题的研究目的和意义31.3 本课题的研究内容32系统方案设计42.1 系统总设计方案42.2 系统硬件选择方案4 单片机的选择与论证4 电平转换方案的选择与论证5 串口转USB模块转换芯片的选择与论证52.3 系统软件选择方案6 上位机软件开发环境的选择与论证63硬件设计73.1 硬件总设计方案73.2 电场强度传感器模块功能概述73.3 MC96F8316单片机功能概述83.4 USB转串口模块功能概
2、述9 CH340芯片功能概述9 USB转TTL串口模块工作原理114软件设计114.1 单片机程序设计12 单片机程序开发工具的选择12 主函数的设计13 A/D采样及转换程序设计13 定时中断程序设计14 串口配置程序设计144.2 上位机软件设计16 上位机软件开发环境概述16 软件前面板设计164.2.3 程序框图设计175 系统调试及运行225.1 硬件调试225.2 软件调试236 毕业设计总结25参考文献27致谢28电场强度传输监控系统的研究与设计摘要：本文介绍了一个电场强度传输监控系统。该设计通过电场强度传感器测量出被测设备的电场强度,再利用单片机进行信号采集、A/D转换并将数据
3、输出，然后通过USB转串口模块将数据发送到上位机。接着在以LabVIEW为平台开发的上位机软件上生成实时数据与波形图，从而有助于数据的监控分析与处理。该系统采用MC96F8316单片机作为控制核心，主要组成部分有电场强度传感器、以CH340芯片为核心的USB-TTL串口模块、LabVIEW制作的上位机软件等，并对其硬件和软件部分进行了全方位的设计。经过调试与测试，此电场强度传输监控系统，结构简单，易于使用。同时软件图像清楚简洁，达到了可视化效果，便于进行数据处理，有较高的实用价值。 关键词：电场强度、MC96F8316、USB-TTL串口模块、LabVIEW、数据处理1 绪论1.1 本课题的研
4、究背景无论是在日常生活还是工业生产中，我们的生活都离不开各种物理量的测量。其中，电场强度的测量也在许多地方有重要的应用。在大型交流输变电设备周围，存在着看不见摸不着的电场，一般被称作工频电场。工频电场通常产生频率较低的长波，长期工作在该环境中，人体会受到较大危害，神经衰弱几率大幅增加。国家规定在这样环境中工作的人都必须签订一份“职业病危害告知通知单”，可见危险性之高。随时监控该环境的电场强度和其他一些参数是保障安全的必要措施。另外在许多地点，干扰电场也不可忽视。许多时候，仅仅是自然环境就能形成多种干扰，如自然电场干扰和大地噪声干扰等。在电台和电视发射塔等设施附近，这些看似微小的干扰有时候也会造
5、成非常严重的后果。同样的，在这些地方也需要对电场强度等各类参数进行24小时的监控与数据分析处理，以防意外发生影响设施的正常运行。1.2 本课题的研究目的和意义目前在大型设施中多采用工业级电场强度测试仪，可以对整个系统及周围环境的各类参数进行全方面检测。除了工业生产和大型设施附近需要监控实时电场强度，在个人级的环境中，如实验与民用设备，电场强度的测量通常由电场强度测试仪完成，这种设备通常是手持并自带一个LCD屏幕，在屏幕上显示实时数据并按频率刷新。它的原理是传感器接收模块在空间某点处感应电信号的大小，以表征该点的电场强度。许多身体特殊人群购买的“电磁辐射仪”有时候也是用了这个原理去测量被测电子设
6、备在相应的距离上对人的电场强度的大小，来提醒使用者（如孕妇）注意使用电子设备的频率和次数以保护健康。但是，无论是实验室的测试仪抑或是民用产品，都只能按照仪器的频率参数测试出实时电场强度大小，在实际测量中，该值通常波动较大并且受距离长短影响较大。仅仅使用电场强度测试仪在很多时候都有着较大的局限性，使用者无法对波动的数据进行有效的数据分析与处理。为了更好的实验效果和数据结果，设计一个电场强度数据传输监控系统是非常必要的。这个系统可以将测得的数据进行整理分析，自动产生波形图以便于后续进一步的数据处理。远程监控系统的连接方式可分为无线连接和有线连接两大类。无线方式主要利用GPS技术，虽然有着传输距离远
7、的优点，但是成本较高，且连接易受干扰造成误差，不适合在实验室和日常使用设备中。所以本设计采用TTL通信协议通过USB与上位机相连，将电场强度数据传输至计算机中进行数据分析处理。总线技术成本较低，结构简单，是该设计中最理想的数据通信技术。1.3 本课题的研究内容本课题研究并设计了一个电场强度数据传输监控系统，可以通过手持传感器模块来靠近被测设备测出电场强度，然后经过下位机的数据采样A/D转换与传输，通过USB接口将数据传入上位机并在上位机软件中以动态折线图的形式直观地显示并为使用者之利用1。该系统可以让测试出的电场强度数据可视化与图像化，得到的结果不再是单纯的点数据，而是能形成一段时间内电场强度
8、的波形图并可以保存，让使用者对数据的监控以及分析处理更加方便与有效率。该设计的测量过程与生成图像均由软件控制完成，节约人工成本。同时，该设计还有结构简单，成本较低，易于携带等优点。2 系统方案设计2.1 系统总设计方案本课题研究的是电场强度（单位：V/m）检测系统，该系统总共分为四部分。第一部分是电场强度传感器部分，本课题采用某款电场强度测试仪的集成模块，使用内置的电场强度传感器来采集电场强度并将信号输出到单片机。第二部分是单片机部分，本设计采用MC96F8316微控制器对从第一部分接收的数据进行信号采集，A/D转换以及数据输出。第三部分是USB转串口接口部分，通过CH340芯片为主控制器的U
9、SB-TTL信号转换模块进行电平转换，将TTL电平的单片机信号转化为计算机可以接收处理的USB信号，然后通过USB接口将数据传输到上位机软件中。最后的第四部分是在LabVIEW为平台制作的上位机软件上会产生实时电场强度的连续波形图，从而让使用者可以直观地观察测得的电场强度数据，做到了对测量数据的可视化与图形化，从而方便使用者进一步的数据处理。图2-1为本系统的总设计框图。图2-1 系统总设计框图2.2 系统硬件选择方案 单片机的选择与论证在大学单片机的入门学习和实验中，通常会选用C51单片机作为微控制器，显然它有着众所周知的优点：首先其制作的成本低；其次，出现年代早，有大量易得到的资料可供我们
10、参考，适合初学者入门。C51单片机自出现以来，衍生出非常多的系列产品，由此侧面彰显了51单片机的高性价比以及易于入门等各种优点。MC96F8316单片机是具体8051内核的8位单片机，而且自带12位A/D传感器，可以不虚外接直接完成模数转换的功能2-6。同时它具有两个独立的地址存储空间存储内容被合理分配的程序存储器和允许8位存储的数据存储器,两者相辅相成，使得8位CPU进入数据存储器更为迅速。随着单片机行业迅猛发展，C51单片机简单的构造越来越不足以完成中大型项目，同时比它更容易实现各种功能的单片机型号也越来越多，所以目前51单片机多用于初学者入门教学和实验中。相对的，MC96F8316具备片
11、内16k字节ISP类型的可读写FLASH存储，能够反复编写与擦除，有较强的可编辑性，方便使用者擦除或修改。综上所述，该方案选用MC96F8316单片机作为主控芯片。 电平转换方案的选择与论证随着笔记本电脑与USB接口的越加普及，RS232的9针接口已经逐渐淡出人们的视野，日常使用的频率也越来越低。该课题设计了一款民用电场强度检测系统，所以必须将单片机信号通过USB接口发送到上位机中。几乎所有单片机都是TTL电平信号，所以得万变不离其宗得将其它各种信号转成TTL电平，这样才能完成单片机与各种接口的数据交换。TTL作为个人计算机的标准通讯接口之一，其和RS232的最大的区别在于电平标准完全相反。T
12、TL的逻辑电平0是用0V表示，1则表示5V。而RS232电平的逻辑电平0是用+3V到+15V表示，1则是用-3V到-15V表示。为了完成单片机与个人计算机的数据交换，目前市场上有两种主要的转换方案，第一种是将单片机的TTL信号通过诸如MAX232电平转换芯片来转换成RS232信号，这时候电脑如有RS232的9针接口，那么可以无需下载驱动直接与计算机进行数据交换。如果想使用USB接口，此时则需要通过诸如CH340和PL2303的USB转串口芯片来制作一个USB转串口模块单元，实现数据交换。第二种是通过USB转串口芯片将TTL电平信号直接转换为计算机可以处理的USB信号，一步到位。很显然，方案二通
13、过一个USB2.0接口就可以一步完成转换，减少了所占开发板的面积和数量，从而节省成本并且方便快捷。第一种方案也有着自己的优点，那就是RS232信号可传输的距离可达到十几米，而TTL电平信号传输距离则相对较短，一般不超过5米，甚至3米以上就会出现信号传输的不稳定。综合设计要求和成本等多方面考虑，该设计主要目标对象是实验室用和家用电子设备的测量，显然不需要很强的传输能力，所以该设计选择方案二即直接通过USB转串口芯片来进行单片机到上位机的信号传输。目前市场上常用的串口转USB芯片有CH340系列和PL2303系列，接下来就开始论证选择哪种芯片作为转换芯片。 串口转USB模块转换芯片的选择与论证CH
14、340系列是南京沁恒公司生产的RS232-USB接口转换芯片，可以实现USB与串口的双向通信。在Windows操作系统环境下，CH340的驱动程序能够仿真标准串口7，所以与绝大部分的串口应用程序完全兼容，给使用者提供非常大的便利。同时，该系列芯片接收信号允许的波特率误差一般小于1%，低于国际2%的标准。同时，该芯片同时支持3V和5V电源电压，各自具有一套不同的操作逻辑。在使用空闲时，NOS引脚会自动挂起并将设备切断以自动节能。CH340还提供了多种分装来满足客服需求，并兼容了自家较新的CH341芯片，是一款质量过硬的国产芯片。PL2303是Prolific 公司的一款工艺成熟市场占有率较高的U
15、SB串口接口转换芯片。PL2303内置了许多功能单元，如USB收发器、UARTUSB、振荡器等等。因为内置丰富，所以实现RS232信号与USB信号的相互转换理论上只需要外接几只电容即可。此外，它的成本是此种转换芯片中是最低的几个之一，便于节省成本或量产。同时，作为双向接口，PL2303既可以从计算机接收USB 数据后将之转换为RS232 信息流格式发送给外设；另又可以从单片机接受TTL电平数据并将之转换为USB 数据流格式传送回计算机。以上工作器件都可以自动完成，开发者无需考虑固件问题，是较早进入中国并被广泛应用的一种转换芯片。以上两种接口转换芯片被大量人选择使用并投入生产，都经受住了市场的考验
