A Microcontroller-Based Data Acquis

A Microcontroller-Based Data Acquisition System for Solar Radiation and Environmental Monitoring
Raphael Mukaro and Xavier Francis Carelse



Abstract— The hardware design and operation of a battery- powered microcontroller-based data acquisition system (herein referred to as the DAS) for unattended remote measurements are presented. The system was designed around the ST62E20 8-bit microcontroller and applied for solar radiation monitoring. The measurement system uses the SolData silicon-cell pyranometer as the solar radiation sensor. The data from the sensor is collected by means of on-chip A/D converter and stored in a serial EEPROM until uploaded to a portable computer. Keeping the DAS in a low-power mode, which is only interrupted when measurements are to be taken or when a computer is connected to retrieve the stored data, minimizes power consumption. An on-chip timer provides an interrupt to awaken the system from its low-power wait mode at 10-min intervals to sample and store the data. At the end of each data collection period, the acquired data will be transmitted to the computer through the RS232 serial port for subsequent analysis. Only unprocessed data is stored in EEPROM. Quality control and data analysis is done off-line in the laboratory to minimize system cost, complexity and system downtime. Field tests and comparisons of this measurement sys¬tem against the standard Eppley precision spectral pyranometer (PSP) have shown a slightly nonlinear correlation and that the accuracy of this measurement system as applied to solar radiation monitoring is fairly good, typically ±13 W/m .
Index Terms—Communication, data acquisition, digital, inter¬face, interrupt, microcontroller, programmable, serial.
horizontal surface. Monitoring as described herein deals with collection, recording and transmission of the measured data to the computer for archival storage and off-site analysis of the data acquisition system performance. This data is sampled and recorded as a function of lapsed time of the experiment. This improved the quality of data since small errors are involved in digital data handling compared to conventional manual methods. This system is well suited for monitoring meteorological or environmental parameters at remote stations, particularly in developing countries where electrical power and telephone lines for telemetric data transfer are not readily available [5]. One operator with one portable computer is all what is required to collect acquired data from many such systems scattered around an area of interest.
II. HARDWARE DESIGN
The data acquisition system developed is a compact (70 x 50 x 30 mm), low cost, 8-bit system with 8 analog input channels designed for automatic long-term data collection. Fig. 1 shows the block diagram of the basic elements of the design. The system was designed to be versatile and all operations are under software control. This will allow for future expansion or modifications without the need for major hardware changes. The system is connected to a computer through the RS232 serial link to allow user communications and to download recorded data to the computer for subsequent analysis. The main component of the data acquisition system is the ST62E20 microcontroller that is driven by an 8 MHz crystal oscillator. The microcontroller is an HCMOS integrated circuit computer designed for embedded control applications which is here used to control measurement and data storage sequences. It has 4 kb of program space (EPROM), 64 bytes of scratch pad RAM and a true LIFO hardware eliminating the need for a stack pointer. It was chosen for this purpose because of its low-power consumption, low-cost and an in¬built 8-bit A/D converter with up to 8 single-ended analog inputs. The ADC has a conversion time of 70 /is when an 8 MHz oscillator is used. With a +5 V supply the converter has a resolution of 20 mV. Fig. 2 shows the hardware details of microcontroller-based data acquisition system.
Two HCF4066BE quad switches (by SGS Thomson Micro¬electronics) are used in conjunction with the A/D converter to sample signals from the silicon-cell sensor and the 2.5 V ref¬erence derived from the LM336 voltage reference. These two switches provide this design with 8 single-ended analog input channels, four of which are dedicated for the reference voltage necessary for calibration purposes. The proper operation of




0018-9456/99$10.00 © 1999 IEEE

Fig. 1. Block diagram of the data acquisition system.


Fig. 2. Circuit diagram of the data acquisition system.


each analog input line is verified by connecting the reference voltage, Vref, through one of the switches to the A/D converter. A digital conversion is made and the results transmitted to the computer and compared against an expected digital output. To ensure optimum system use and minimum power consumption, nearly all control lines of the microcontroller are used effectively. Seven lines from port B are used: four (PB1, PB2, PB3 and PB4) for analog inputs and two (PB5 and PB6) for data exchange with the memory chip. The other port B line, PB0, together with port A line, PA3 are used for RS232 communication with the computer for receiving command messages and for uploading acquired data to the computer respectively. Two other lines of port A, PA0 and PA1, are used as control lines for the quad switches. Analog input line PB1 is used for measuring both solar radiation and battery status if appropriate signals are applied to the control lines. A logic low on the control line turns off the selected switch shutting off all its analog inputs. A logic high placed on line PA1 selects quad switch SW1 so that four analog input lines connected to this switch can be sequentially sampled. Similarly a logic high placed on PA0 selects SW0 so that the reference voltage can be sampled. In this application, when PA1 is high and PA0 is low, solar radiation will be measured by sampling the signal on PB1. Similarly Vrei (which gives information on battery status) will be sampled through the same analog input line PB1, if PA0 is now high while PA1 is low. The other three analog input lines are not used here, but could be used for other environmental parameters such as ambient temperature and humidity. An LED shows the status of the system. The LED is illuminated when measurements are being taken and while data is being transferred between the data acquisition system and the computer. Line PA2 capable of sinking 20 mA current is used for directly driving this indicator LED. The status LED is lit when a logic 0 is placed on this line and is turned off by a logic 1.
The SolData pyranometer is the most expensive component of the system, costing about U.S $300. The rest of the data acquisition system components cost less than U.S. $60. The sensor produces a voltage between 0 and 100 mV. An LM358 low power dual operational amplifier (SGS-Thomson Microelectronics) with a gain of 34 was used for signal amplification. It was chosen because both its offset current and offset voltage are very low (2 nA and 2 mV respectively).
The only other major component connected to the microcon¬troller is the Microchip 24C65, an HCMOS 8-pin and 64-kbit serial EEPROM. This memory is used to sequentially store acquired data. It has the following attractive features:
1) has a data retention of over 40 years without the need for a power source;
2) has filtered inputs for noise suppression;
3) has got power on/off data protection circuitry;
4) has an electrostatic discharge protection of over 4 kV so it can withstand power surges caused by lightning which is a common hazard in this region during the rainy season.
The 24C65, which is described by the manufacturer as a Smart Serial EEPROM, uses only two lines, namely the serial data line, SDA, and the serial clock line, SCK, to communicate with the microcontroller. The 24C65 data line, SDA, and the HCF4066BE switch control lines are both open drain terminals so 10 kfi pull-up resistors have been used. The 3-bit address (chip select) of the memory chip is hard-wired at the pins A0, A1 and A2 which are connected to ground to set the address at 000 (binary). However up to eight such EEPROMS, giving a total of 64 kilobytes may be connected in parallel when the address pins are appropriately hardwired to obtain addresses ranging from 000 to 111 (binary).
Serial interfacing between the data acquisition system and the computer is implemented using the MAX232 line driver/receiver which is used to convert TTL (0-5 V) voltages required by the data acquisition system to the -12 V and +12 V needed by the computer for RS232 communication. Only three RS232 lines are used for serial communication in this application. PB0, PA3 and ground from the microcontroller are connected to the controlling computer’s RS232 Transmit Data (Tx), Receive Data (Rx) and logic Ground lines respectively. The +5 V supply for the interface circuit is derived from the data acquisition system. The MAX232 serial interface chip is incorporated in the detachable module, which acts as a data transfer interface between the data acquisition system and the computer. It is only powered when a computer is connected to the data acquisition system to retrieve the collected data. Capacitors C3, C4, and C7 are provide power supply filtering to the ST6220, the 24C65 memory chip and the MAX232 respectively. The reset pin on the microcontroller is active low and is held to a positive voltage by a 2.5 kil pull-up resistor. A touch of the push button brings down the potential of the reset pin to ground thereby causing a system reset. Capacitor C8 is used to eliminate debouncing of the push button which causes the microcontroller to reset many times. Diode D1 is used for protecting the system against damage due to accidental battery polarity reversal.
III. SOFTWARE DESIGN AND DATA
ACQUISITION SYSTEM OPERATION
The control program, written in ST62 family assembly language, oversees the

Kết quả (Việt) 1:

Một hệ thống mua lại vi điều khiển dựa trên dữ liệu cho bức xạ mặt trời và giám sát môi trườngRaphael Mukaro và Xavier Francis Carelse Tóm tắt — Thiết kế phần cứng và hoạt động của một pin-powered vi điều khiển dựa trên dữ liệu mua lại hệ thống (đây được gọi là the DAS) không giám sát từ xa đo được trình bày. Hệ thống được thiết kế xung quanh thành phố vi điều khiển ST62E20 8-bit và áp dụng để bức xạ mặt trời theo dõi. Hệ thống đo lường sử dụng silic-cell SolData pyranometer như cảm biến bức xạ mặt trời. Dữ liệu từ các cảm biến được thu thập bằng phương tiện trên chip A/D chuyển đổi và lưu trữ trong một EEPROM nối tiếp cho đến khi tải lên máy tính xách tay. Giữ các DAS trong một chế độ năng lượng thấp, mà chỉ bị gián đoạn khi đo đạc được thực hiện hoặc khi một máy tính được kết nối để lấy các dữ liệu được lưu trữ, giảm thiểu tiêu thụ điện năng. Một bộ đếm thời gian trên chip cung cấp một gián đoạn để đánh thức hệ thống từ chế độ chờ đợi nguồn điện thấp của nó lúc 10-phút khoảng thời gian để nếm thử và lưu trữ dữ liệu. Vào cuối mỗi khoảng thời gian bộ sưu tập dữ liệu, dữ liệu mua lại sẽ được chuyển đến máy tính thông qua cổng nối tiếp RS232 cho phân tích tiếp theo. Chỉ chưa qua chế biến dữ liệu được lưu trữ trong EEPROM. Phân tích dữ liệu và kiểm soát chất lượng được thực hiện off-line trong phòng thí nghiệm để giảm thiểu hệ thống chi phí, phức tạp và hệ thống thời gian chết. Field kiểm tra và so sánh này sys¬tem đo lường đối với tiêu chuẩn Eppley chính xác phổ pyranometer (PSP) đã cho thấy một sự tương quan hơi phi tuyến và tính chính xác của hệ thống đo lường này như được áp dụng cho bức xạ mặt trời giám sát là khá tốt, thường ±13 W/m.Chỉ số thuật ngữ — thông tin liên lạc, thu thập dữ liệu, kỹ thuật số, inter¬face, gián đoạn, vi điều khiển, lập trình, nối tiếp.bề mặt ngang. Theo dõi như được mô tả trong tài liệu này đề với bộ sưu tập, ghi âm và truyền tải dữ liệu đo để máy tính để lưu trữ lưu trữ và off-trang web phân tích hiệu năng hệ thống dữ liệu mua lại. Dữ liệu này được lấy mẫu và ghi lại là một hàm thời gian lapsed của thử nghiệm. Điều này cải thiện chất lượng của dữ liệu kể từ khi lỗi nhỏ có liên quan trong xử lý kỹ thuật số dữ liệu so với phương pháp thủ công truyền thống. Hệ thống này là tốt nhất cho giám sát khí tượng hoặc môi trường tham số tại các trạm từ xa, đặc biệt là ở các nước đang phát triển nơi năng lượng điện và đường dây điện thoại để truyền dữ liệu trắc là không dễ dàng có sẵn [5]. Một nhà điều hành với một máy tính xách tay là tất cả những gì là cần thiết để thu thập dữ liệu mua lại từ nhiều hệ thống như vậy rải rác xung quanh một khu vực quan tâm.THIẾT KẾ II. PHẦN CỨNGHệ thống mua lại dữ liệu phát triển là một nhỏ gọn (70 x 50 x 30 mm), chi phí thấp, 8-bit hệ thống với 8 kênh đầu vào tương tự được thiết kế để tự động thu thập dữ liệu dài hạn. Hình 1 cho thấy sơ đồ khối của các yếu tố cơ bản của thiết kế. Hệ thống được thiết kế để được linh hoạt và tất cả hoạt động dưới sự kiểm soát phần mềm. Điều này sẽ cho phép để mở rộng trong tương lai hoặc sửa đổi mà không cần thay đổi phần cứng chính. Hệ thống được kết nối với một máy tính thông qua liên kết nối tiếp RS232 để cho phép người sử dụng thông tin và để tải về dữ liệu ghi lại vào máy tính để phân tích tiếp theo. Các thành phần chính của hệ thống mua lại dữ liệu là vi điều khiển ST62E20 là lái xe của một 8 MHz tinh thể dao động. Vi điều khiển là một HCMOS mạch tích hợp máy tính được thiết kế cho các ứng dụng nhúng kiểm soát ở đây được sử dụng để kiểm soát đo lường và dữ liệu lưu trữ chuỗi. Đô thị này có 4 kb của chương trình không gian (EPROM), 64 byte đầu pad RAM và một phần cứng LIFO đúng loại bỏ sự cần thiết cho một con trỏ ngăn xếp. Nó đã được lựa chọn cho mục đích này vì sự tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí thấp và một in¬built 8-bit A/D chuyển đổi với tối đa 8 kết thúc đĩa đơn analog đầu vào. ADC có một thời gian chuyển đổi của 70 /is khi một dao động 8 MHz được sử dụng. Với một + 5 V cung cấp bộ chuyển đổi có độ phân giải của 20 mV. Hình 2 cho thấy chi tiết phần cứng của vi điều khiển dựa trên dữ liệu mua lại hệ thống.Hai HCF4066BE quad thiết bị chuyển mạch (bởi SGS Thomson Micro¬electronics) được sử dụng kết hợp với bộ chuyển đổi A/D mẫu tín hiệu từ các cảm biến di động silic và ref¬erence V 2.5 bắt nguồn từ tham chiếu điện áp LM336. Các thiết bị chuyển mạch hai cung cấp thiết kế này với 8 kết thúc đĩa đơn analog đầu vào kênh, bốn trong số đó được dành riêng cho điện áp tham khảo cần thiết cho các mục đích hiệu chuẩn. Hoạt động đúng đắn của 0018-9456/99$ 10,00 © 1999 IEEE Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống mua lại dữ liệu. Hình 2. Sơ đồ mạch của hệ thống thu nhận dữ liệu. mỗi dòng đầu vào tương tự được xác minh bằng cách kết nối điện áp tham chiếu, Vref, thông qua một thiết bị chuyển mạch để chuyển đổi A/D. Một chuyển đổi kỹ thuật số được thực hiện và các kết quả chuyển đến máy tính và so sánh với một đầu ra dự kiến kỹ thuật số. Để đảm bảo tối ưu hệ thống sử dụng và tối thiểu tiêu thụ điện năng, gần như tất cả các dòng kiểm soát của vi điều khiển được sử dụng có hiệu quả. Bảy dòng từ port B được sử dụng: bốn (PB1, PB2, PB3 và PB4) cho analog đầu vào và hai (PB5 và PB6) để trao đổi dữ liệu với chip bộ nhớ. Cảng B dòng, PB0, cùng với tuyến cảng A, PA3 được sử dụng cho RS232 giao tiếp với máy tính để tiếp nhận lệnh thư và tải lên dữ liệu mua lại máy tính. Hai dòng khác của cảng A, PA0 và PA1, được sử dụng như là kiểm soát dòng cho các thiết bị chuyển mạch quad. Analog đầu vào dòng PB1 được sử dụng để đo bức xạ mặt trời và tình trạng pin nếu thích hợp tín hiệu được áp dụng cho các dòng kiểm soát. Một thấp logic trên dòng điều khiển tắt chuyển đổi đã chọn tắt tất cả các đầu vào tương tự của nó. Một logic cao đặt dòng PA1 chọn chuyển đổi quad SW1 nỗi bốn dòng đầu vào analog kết nối với chuyển đổi này có thể được lấy mẫu theo tuần tự. Tương tự như vậy một logic cao, đặt trên PA0 chọn SW0 để điện áp tham chiếu có thể được nếm thử. Trong ứng dụng này, khi PA1 là cao và PA0 là thấp, bức xạ mặt trời sẽ được đo bằng cách lấy mẫu tín hiệu trên PB1. Tương tự như vậy Vrei (trong đó cung cấp cho thông tin về tình trạng pin) sẽ được lấy mẫu thông qua đường vào tương tự cùng một PB1, nếu PA0 bây giờ là cao trong khi PA1 là thấp. Các khác ba analog đầu vào dòng không được sử dụng ở đây, nhưng có thể được sử dụng cho các thông số môi trường như môi trường xung quanh nhiệt độ và độ ẩm. Một LED cho thấy tình trạng của hệ thống. Các đèn LED chiếu sáng khi đo đạc đang được thực hiện và trong khi dữ liệu được được chuyển giao giữa hệ thống mua lại dữ liệu và máy tính. Dòng PA2 có khả năng đánh chìm 20 mA hiện tại được sử dụng để trực tiếp lái xe này chỉ báo LED. Tình trạng LED được thắp sáng khi một logic 0 được đặt trên dòng này và bị tắt bởi một logic 1.SolData pyranometer là thành phần đắt nhất của hệ thống, chi phí khoảng US $300. Phần còn lại của các thành phần hệ thống dữ liệu mua lại chi phí ít hơn US $60. Bộ cảm biến tạo ra một hiệu điện thế giữa 0 và 100 mV. Một LM358 điện năng thấp kép khuếch đại (SGS-Thomson vi điện tử) với một tăng 34 được sử dụng để khuếch đại tín hiệu. Nó đã được lựa chọn bởi vì cả hai của mình bù đắp hiện tại và bù đắp điện áp là rất thấp (2 nA và 2 mV tương ứng).Chỉ lớn thành phần khác được kết nối với microcon¬troller là vi mạch 24C 65, một HCMOS 8-pin và 64-kbit EEPROM nối tiếp. Bộ nhớ này được sử dụng để tuần tự lưu trữ dữ liệu mua lại. Đô thị này có các tính năng hấp dẫn sau:1) có một lưu giữ dữ liệu của hơn 40 năm mà không có sự cần thiết cho một nguồn năng lượng;2) đã lọc đầu vào cho ức chế tiếng ồn;3) đã có quyền lực bật/tắt dữ liệu bảo vệ mạch;4) có một bảo vệ điện xả của hơn 4 kV vì vậy nó có thể chịu được sức mạnh dâng do sét đó là một mối nguy hiểm phổ biến trong khu vực này trong mùa mưa.24C 65, được mô tả bởi nhà sản xuất như là một EEPROM nối tiếp thông minh, sử dụng chỉ có hai dòng, cụ thể là dòng dữ liệu nối tiếp, SDA, và đường dây nối tiếp đồng hồ, SCK, giao tiếp với vi điều khiển. Dòng dữ liệu 24C 65, SDA, và HCF4066BE chuyển đổi kiểm soát dòng là cả hai thiết bị đầu cuối mở cống để kfi kéo điện trở 10 đã được sử dụng. 3-bit địa chỉ (chip chọn) của chip bộ nhớ là cứng có dây tại các chân A0, A1 và A2 được kết nối với đất để đặt địa chỉ tại 000 (nhị phân). Tuy nhiên lên đến tám EEPROMS như vậy, đưa ra tổng cộng 64 kilobyte có thể được kết nối song song khi pins địa chỉ là một cách thích hợp hardwired để có được địa chỉ khác nhau, từ 000 111 (nhị phân).Interfacing nối tiếp giữa các hệ thống mua lại dữ liệu và máy tính được thực hiện bằng cách sử dụng MAX232 dòng trình điều khiển/nhận được sử dụng để chuyển đổi TTL (0-5 V) điện áp theo yêu cầu của hệ thống dữ liệu mua lại V -12 và + 12 V cần thiết bởi máy tính cho RS232 giao tiếp. Chỉ ba RS232 dòng được sử dụng cho các giao tiếp nối tiếp trong ứng dụng này. PB0, PA3 và mặt đất từ vi điều khiển được kết nối với máy tính kiểm soát RS232 truyền dữ liệu (Tx), nhận được dữ liệu (Rx) và logic đất dòng tương ứng. + 5 V cung cấp cho các mạch giao diện có nguồn gốc từ hệ thống mua lại dữ liệu. Các MAX232 giao diên serial chip được kết hợp trong mô-đun tháo rời, mà hoạt động như một truyền dữ liệu giao diện giữa các hệ thống mua lại dữ liệu và máy tính. Nó chỉ được cung cấp khi một máy tính được kết nối với hệ thống mua lại dữ liệu để lấy các dữ liệu thu thập. Tụ C3, C4, và C7 cung cấp nguồn cung cấp lọc để ST6220, 24C 65 bộ nhớ chip và MAX232 tương ứng. Đặt lại pin trên vi điều khiển là hoạt động thấp và được tổ chức để một điện áp tích cực bởi một 2.5 kil kéo điện trở. Liên lạc của một nút nhấn mang xuống khả năng thiết lập lại pin mặt đất do đó gây ra một thiết lập lại hệ thống. C8 tụ điện được sử dụng để loại bỏ debouncing của nút đó gây ra vi điều khiển để thiết lập lại nhiều lần. Diode D1 được sử dụng để bảo vệ hệ thống chống lại thiệt hại do tình cờ pin cực đảo ngược.III. PHẦN MỀM THIẾT KẾ VÀ DỮ LIỆUMUA LẠI HỆ THỐNG HOẠT ĐỘNGChương trình điều khiển, viết bằng ngôn ngữ hội gia đình ST62, giám sát các

Kết quả (Việt) 2:

Một dữ liệu hệ thống thu Vi điều khiển dựa trên cho năng lượng mặt trời bức xạ và giám sát môi trường
Raphael Mukaro và Xavier Francis Carelse Abstract- Thiết kế phần cứng và hoạt động của một hệ thống thu thập dữ liệu được cung cấp dựa trên vi điều khiển chạy pin (sau đây gọi tắt là DAS) cho các phép đo từ xa là không cần giám sát trình bày. Hệ thống này được thiết kế xung quanh các vi điều khiển 8-bit ST62E20 và áp dụng cho giám sát bức xạ mặt trời. Các hệ thống đo lường sử dụng SolData pyranometer silicon-cell như cảm biến bức xạ mặt trời. Các dữ liệu từ các cảm biến được thu thập bằng các phương tiện trên chip A / D chuyển đổi và lưu trữ trong một EEPROM nối tiếp cho đến khi được tải lên một máy tính xách tay. Giữ DAS trong một chế độ năng lượng thấp, mà chỉ bị gián đoạn khi đo phải được thực hiện hoặc khi một máy tính được kết nối để lấy dữ liệu lưu trữ, giảm thiểu tiêu thụ điện năng. Một bộ đếm thời gian trên chip cung cấp một ngắt để đánh thức hệ thống từ chế độ chờ tiết kiệm năng lượng tại 10 phút khoảng thời gian để lấy mẫu và lưu trữ dữ liệu. Vào cuối mỗi kỳ thu thập số liệu, dữ liệu thu được sẽ được chuyển đến máy tính thông qua cổng nối tiếp RS232 để phân tích tiếp theo. Chỉ có số liệu chưa qua chế biến được lưu trữ trong EEPROM. Kiểm soát chất lượng và phân tích dữ liệu được thực hiện off-line trong phòng thí nghiệm để giảm thiểu chi phí hệ thống, phức tạp và hệ thống thời gian chết. Kiểm tra hiện trường và so sánh sys¬tem đo này đối với các tiêu chuẩn chính xác Eppley phổ pyranometer (PSP) đã cho thấy một mối tương quan một chút phi tuyến và tính chính xác của hệ thống đo lường này là áp dụng cho giám sát bức xạ mặt trời là khá tốt, điển hình là ± 13 W / m . Index Điều khoản-Truyền thông, thu thập dữ liệu, kỹ thuật số, inter¬face, gây cản trở, vi điều khiển, lập trình, serial. bề mặt nằm ngang. Giám sát như được mô tả trong tài liệu này đề với bộ sưu tập, ghi chép và truyền tải các dữ liệu đo vào máy tính để lưu trữ, lưu trữ và off-site phân tích hiệu năng hệ thống thu thập dữ liệu. Những thông tin này được lấy mẫu và ghi lại như một hàm của thời gian mất hiệu lực của thí nghiệm. Điều này cải thiện chất lượng của dữ liệu từ lỗi nhỏ có liên quan đến dữ liệu kỹ thuật số việc được giải quyết so với phương pháp thủ công truyền thống. Hệ thống này là rất thích hợp để theo dõi các thông số khí tượng và môi trường tại các trạm từ xa, đặc biệt là ở các nước đang phát triển, nơi điện và điện thoại đường dây điện để truyền dữ liệu đo từ xa không có sẵn [5]. Một nhà điều hành với một máy tính xách tay là tất cả những gì là cần thiết để thu thập dữ liệu thu được từ nhiều hệ thống như vậy nằm rải rác xung quanh một khu vực quan tâm. II. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Hệ thống thu thập dữ liệu phát triển là một nhỏ gọn (70 x 50 x 30 mm), chi phí thấp, hệ thống 8-bit với 8 kênh đầu vào tương tự được thiết kế để thu thập dữ liệu dài hạn tự động. Hình. 1 cho thấy sơ đồ khối của các yếu tố cơ bản của thiết kế. Hệ thống này được thiết kế để được linh hoạt và mọi hoạt động được dưới sự kiểm soát phần mềm. Điều này sẽ cho phép mở rộng trong tương lai hoặc sửa đổi mà không cần thay đổi phần cứng lớn. Hệ thống này được kết nối với một máy tính thông qua các liên kết nối tiếp RS232 cho phép truyền thông sử dụng và tải dữ liệu được ghi vào máy tính để phân tích tiếp theo. Các thành phần chính của hệ thống thu thập dữ liệu là vi điều khiển ST62E20 được dẫn dắt bởi một 8 MHz tinh thể dao động. Các vi điều khiển là một máy tính tích hợp HCMOS mạch được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển nhúng được sử dụng ở đây để kiểm soát đo lường và lưu trữ dữ liệu chuỗi. Nó có 4 kb của chương trình không gian (EPROM), 64 byte đầu pad RAM và một phần cứng LIFO đúng loại bỏ sự cần thiết cho một con trỏ stack. Nó đã được lựa chọn cho mục đích này vì tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí thấp và một in¬built 8-bit A / D chuyển đổi với 8 đầu vào tương tự single-end. ADC có một thời gian chuyển đổi 70 / là khi một bộ dao động 8 MHz được sử dụng. Với một nguồn cung cấp 5 V chuyển đổi có độ phân giải 20 mV. Hình. 2 cho thấy các chi tiết phần cứng của hệ thống thu thập dữ liệu dựa trên vi điều khiển. Hai công tắc HCF4066BE quad (SGS Thomson Micro¬electronics) được sử dụng kết hợp với bộ chuyển đổi A / D để lấy mẫu tín hiệu từ các cảm biến silicon-cell và ref¬ 2,5 V erence có nguồn gốc từ tham chiếu điện áp LM336. Hai thiết bị chuyển mạch cung cấp thiết kế này với 8 kênh đầu vào tương tự duy nhất đã kết thúc, bốn trong số đó được dành riêng cho điện áp tham chiếu cần thiết cho các mục đích hiệu chuẩn. Các hoạt động của loại 0018-9456 / 99 $ 10,00 © 1999 IEEE hình. 1 Sơ đồ khối của hệ thống thu thập dữ liệu. hình. 2 sơ đồ mạch của hệ thống thu thập dữ liệu. mỗi dòng đầu vào tương tự được xác minh bằng cách kết nối điện áp tham chiếu, Vref, thông qua một trong những thiết bị chuyển mạch để chuyển đổi A / D. Một chuyển đổi kỹ thuật số được thực hiện và kết quả được truyền vào máy tính và so sánh với sản lượng kỹ thuật số dự kiến. Để đảm bảo sử dụng tối ưu hệ thống và tiêu thụ điện năng tối thiểu, gần như tất cả các dòng kiểm soát của vi điều khiển được sử dụng một cách hiệu quả. Bảy dòng từ cổng B được sử dụng: bốn (PB1, PB2, PB3 và PB4) cho đầu vào analog và hai (PB5 và PB6) để trao đổi dữ liệu với các chip bộ nhớ. Đầu dây bên kia cổng B, PB0, cùng với cổng Một dòng, PA3 được sử dụng để giao tiếp RS232 với máy tính để nhận tin nhắn lệnh và cho tải lên dữ liệu thu được vào máy tính tương ứng. Hai dòng khác của cổng A, PA0 và PA1, được sử dụng như dòng điều khiển cho thiết bị chuyển mạch quad. Tương tự dòng đầu vào PB1 được sử dụng để đo cả hai bức xạ và tình trạng Pin năng lượng mặt trời, nếu tín hiệu thích hợp được áp dụng cho các dòng điều khiển. Một logic thấp trên dòng điều khiển tắt công tắc lựa chọn tắt tất cả các đầu vào analog của nó. Một logic cao đặt trên dòng PA1 chọn quad switch SW1 để bốn dòng đầu vào tương tự kết nối với chuyển đổi này có thể được lấy mẫu theo tuần tự. Tương tự như một logic cao đặt trên PA0 chọn SW0 để điện áp tham chiếu có thể được lấy mẫu. Trong ứng dụng này, khi PA1 là cao và PA0 thấp, bức xạ mặt trời sẽ được đo bằng cách lấy mẫu tín hiệu trên PB1. Tương tự như vậy Vrei (trong đó cung cấp thông tin về tình trạng pin) sẽ được lấy mẫu thông qua các dòng đầu vào cùng một PB1 tương tự, nếu PA0 bây giờ cao trong khi PA1 là thấp. Ba dòng đầu vào tương tự khác không được sử dụng ở đây, nhưng có thể được sử dụng cho các thông số môi trường khác như nhiệt độ môi trường và độ ẩm. Một đèn LED hiển thị trạng thái của hệ thống. Đèn LED chiếu sáng khi đo đang được thực hiện và trong khi dữ liệu đang được chuyển giao giữa các hệ thống thu thập dữ liệu và máy tính. Dòng PA2 có khả năng đánh chìm 20 mA hiện tại được sử dụng để trực tiếp lái xe chỉ số này LED. Các đèn LED trạng thái được thắp sáng khi một logic 0 được đặt trên đường dây này và được tắt bởi một logic 1. Các SolData pyranometer là thành phần đắt nhất của hệ thống, chi phí khoảng 300 USD. Phần còn lại của các thành phần hệ thống thu thập dữ liệu chi phí ít hơn US $ 60. Các cảm biến tạo ra một điện áp từ 0 đến 100 mV. Một LM358 thấp năng lượng kép hoạt động khuếch đại (SGS-Thomson vi điện tử) với mức tăng 34 được sử dụng để khuếch đại tín hiệu. Nó đã được lựa chọn bởi vì cả hai bù đắp hiện tại của nó và bù điện áp rất thấp (2 nA và 2 mV tương ứng). Các thành phần chính khác chỉ kết nối với microcon¬troller là vi mạch 24C65, một HCMOS 8-pin và EEPROM nối tiếp 64 kbit . Bộ nhớ này được sử dụng để liên tục lưu trữ dữ liệu có được. Nó có các tính năng hấp dẫn sau đây: 1) có lưu giữ dữ liệu của hơn 40 năm mà không cần một nguồn năng lượng, nguyên liệu đầu vào 2) đã được lọc để đàn áp tiếng ồn; 3) đã có power on / off bảo vệ dữ liệu mạch; 4) có một bảo vệ phóng tĩnh điện trên 4 kV do đó, nó có thể chịu được sức mạnh dâng do sét đó là một mối nguy hiểm thường gặp ở khu vực này trong mùa mưa. Các 24C65, được mô tả bởi các nhà sản xuất như là một nối tiếp EEPROM thông minh, sử dụng chỉ có hai dòng, cụ thể là dòng dữ liệu nối tiếp, SDA, và dòng đồng hồ nối tiếp, SCK, để giao tiếp với vi điều khiển. Dòng 24C65 dữ liệu, SDA, và các dòng điều khiển chuyển đổi HCF4066BE là cả hai thiết bị đầu cuối mở cống để 10 KFI kéo lên điện trở đã được sử dụng. 3-bit địa chỉ (chip chọn) của các chip bộ nhớ là cứng có dây tại các chân A0, A1 và A2 được kết nối với mặt đất để thiết lập địa chỉ tại 000 (nhị phân). Tuy nhiên lên đến tám EEPROMS như vậy, cho tổng cộng 64 kilobyte có thể được kết nối song song khi các chân địa chỉ thích hợp được điều khiển để có được địa chỉ khác nhau, 000-111 (nhị phân). nối tiếp interfacing giữa hệ thống thu thập dữ liệu và máy tính được thực hiện bằng cách sử dụng dòng MAX232 lái xe / nhận được sử dụng để chuyển đổi TTL (0-5 V) là điện áp theo yêu cầu của các hệ thống thu thập dữ liệu vào -12 V và 12 V cần thiết cho máy tính để giao tiếp RS232. Chỉ có ba dòng RS232 được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp trong ứng dụng này. PB0, PA3 và mặt đất từ vi điều khiển được kết nối với RS232 Truyền dữ liệu máy tính kiểm soát của (Tx), nhận dữ liệu (Rx) và đường đất logic tương ứng. Việc cung cấp 5 V cho các mạch giao diện có nguồn gốc từ hệ thống thu thập dữ liệu. Các MAX232 chip giao diện nối tiếp được tích hợp trong các mô-đun có thể tháo rời, đóng vai trò như một giao diện truyền dữ liệu giữa các hệ thống thu thập dữ liệu và máy tính. Nó chỉ được hỗ trợ khi một máy tính được kết nối với hệ thống thu thập dữ liệu để lấy dữ liệu thu thập được. Tụ C3, C4, C7 và đang cung cấp các bộ lọc cung cấp điện cho ST6220, chip bộ nhớ 24C65 và MAX232 tương ứng. Pin đặt lại trên vi điều khiển đang hoạt động thấp và được tổ chức với một điện áp dương 2,5 kil trở kéo lên. Một liên lạc của các nút nhấn mang lại tiềm năng của pin thiết lập lại mặt đất do đó gây ra một thiết lập lại hệ thống. Tụ C8 được sử dụng để loại bỏ debouncing của các nút nhấn mà nguyên nhân của vi điều khiển để thiết lập lại nhiều lần. Diode D1 được sử dụng để bảo vệ hệ thống chống lại thiệt hại do tai nạn cực pin đảo ngược. III. THIẾT KẾ PHẦN MỀM VÀ DỮ LIỆU HỆ THỐNG MUA HOẠT ĐỘNG Chương trình quản lý, được viết bằng ngôn ngữ lắp ráp gia đình ST62, giám sát