1、河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计）题目：微生物燃料电池数据采集系统 设计与实现 学 院 指导教师 候顺艳 2013 年 5 月 16 日装订线河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）微生物燃料电池数据采集系统设计与实现摘 要微生物燃料电池是一种重要的清洁能源，在阳极厌氧环境下，有机物经过微生物的分解释放出电子和质子，电子在生物组分和阳极之间流动，并通过外电路流动到阴极形成电流。分析微生物产电的效能时， 需要实时观测微生物电池的输出电压， 并分析电池的输出电压变化曲线，而这个是一个非常枯燥耗时的工作，因此提出设计一个装置来自动地获取电池的输出电压。本文基于单片
2、机的数据采集系统的硬件设计，数据采集系统是连接模拟域与计算机之间的桥梁，它在实际应用中有很重要的作用。本设计的硬件部分以单片机 STC89C52 为核心，还有模数转换模块、显示模块、串口通信模块、电源模块等。微生物燃料电池的输出电压通过模数转换器件 ADC0809 进行模数装换，从而实现采集电压信号由模拟量到数字量的转换，然后单片机接受数据并对其进行处理，将测量得到的电压值用三位数码管显示，最后该系统根据上位机的控制信号将电压值通过 MAX232 发送到上位机进行存储、处理。关键词：STC89C51；ADC0809 ；数据采集 ；串口通信河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）The De
3、sign and Implementation of Data Acquisition System of Microbial Fuel CellABSTRACTMicrobial fuel cell is an important clean energy,in the anode anaerobic conditions,microbial decomposition of organic matter by releasing electrons and protons,electrons flow between the biological components and the an
4、ode,and through the external circuit to the cathode current flow. Analysis of microbial electrogenesis performance,we need to real-time observe the output voltage of microbial cells,and analyze the output voltage curve of battery.It is very boring and time-consuming,so we proposed a design of an app
5、aratus to automatically derive the output voltage of cell.This paper introduces the hardware design of data acquisition system based on MCU.Data acquisition system is a bridge between the analog domain and computer ,it has a very important role in practical application. The hardware part of the desi
6、gn of the MCU as the core,in addition to the analog-to-digital conversion module,display module,serial communication module etc. Voltage of the microbial fuel cell transforms through a digital-to-analog converter ADC0809,realize the acquisition of signal from the analog to digital conversion.Then th
7、e MCU for data processing,and the voltage measured using digital tube display. Finally the system according to the control signal of PC will voltage value is sent to the host computer by MAX232 for storage,processing.Key words:STC89C51;ADC0809;Data Acquisition;Serial Communication河北大学 2013 届本科生毕业论文（
8、设计）目 录1 绪论.11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外研究状况 .11.3 本文的主要工作 .12 微生物燃料电池简介 .33 数据采集系统的开发方案论证 .53.1 模数转换器件的选择 .53.2 单片机的选择 .53.3 通信模块的选择 .53.4 显示模块的选择 .54 数据采集系统硬件设计 .64.1 系统模块图 .64.2 主机模块 .64.2.1 STC89C52 简介 .64.2.2 单片机时钟电路 .74.2.3 单片机复位电路 .84.3 AD 转换模块 .84.3.1 ADC0809 简介 .84.3.2 ADC0809 内部结构 .94.3.3 ADC08
9、9 外部引脚 .9河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）4.3.4 ADC0809 工作原理 .114.4 串口通信模块 .124.4.1 RS232 串口简介 .124.4.2 MAX232 简介 .134.5 系统总电路图 .165 数据采集系统软件设计.175.1 编程软件 KeiluVision 简介 .175.2 主程序设计 .175.3 单片机初始化子程序 .185.4 ADC0809 初始化子程序 .185.5 模数转换子程序 .185.6 字符处理子程序 .205.7 显示子程序 .205.8 串口通信子程序 .216 数据采集系统的仿真 .237 数据采集系统的使用调试
10、 .257.1 准备工作 .257.2 调试结果和现象 .258 总结与展望 .26参考文献： .27致 谢 .28附 录 .29河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）11 绪论1.1 课题研究背景及意义近些年来，随着化石燃料的使用逐年增加，环境污染和能源短缺问题变的日益严重，使得开发新型的清洁高效的能源显得越来越重要。因此，科学家一直在积极开发新能源。生物能源一直是人类赖以生存的重要能源之一，在整个能源系统中占有重要地位。微生物燃料电池(MFC) 是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。利用 MFC 不仅可以直接将水中或者污泥中的有机物降解，而且同时可以将有机物在微生
11、物代谢过程中产生的电子转化成电流，从而获得电能。在研究微生物电池的性能时，需要分析电池的电压曲线。然而获取电池的电压曲线是一个耗时的过程，利用计算机自动准确地测量电池的电压值并输入到计算机进行分析具有很大的实用价值。因此，设计出一个数据采集系统，能够周期性地对电池的输出电压进行采样，并把采样的数据传输到计算机中进行保存和处理，提高了时间利用，使研究人员不必花费大量的时间去记录数据。1.2 国内外研究状况数据采集系统是利用传感器采集模拟信号并转换成数字信号的系统，对其进行分析、处理、传输、显示、存储和显示。它最早出现在 20 世纪中期，经过几十年的发展，数据采集技术也取得了很大的进步。数据采集的
12、信息化是现在科技的主要发展方向。在现实应用中各种行业都用到了数据采集系统，它在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域发挥了重要作用 1。我国的数字地震观测系统以 TDE-124C 型 TDE-224C 型地震数据采集系统为主。这几年又成功研发了在动态范围、线性度、兼容性、低功耗、可靠性比上一型更优秀的 TDE-324C 型地震数据采集系统。该系统对拾震计输出的模拟信号放大后送至 A/D 数字化和采样，采样后的数据经 DSP 数字滤波处理后，变成数字地震信号。TDE-324C 型地震数据采集系统是 24 位的 A/D 转换系统，采样频率可采用 50Hz、100Hz、200Hz 三种 1。
13、美国 PASCO 公司研发的 “科学工作室”是一个将数据采集应用于物理实验的系统，它可分为三部分：（1）传感器：使用先进的传感技术实时地采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将传感器采集的数据信号传输到计算机，采样频率最高达 25万次/S；（3 ）软件：有多种语言版本的应用软件 1。本设计采用模块化的开发方式，将系统分为主机模块，模数转换模块，显示模块，串口通信模块，依次进行设计，最后将各个模块整合到一起，得到一个完整的数据采集系统。1.3 本文的主要工作本设计是基于 AT89C51 为核心的单片机系统，微生物燃料电池的输出电压信号经放河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）2大
14、电路放大采集，让后由 ADC0809 模数转换元件转换成数字信号后传入单片机，由单片机对数字信号进行相应的处理，从而得到电压测量的目的，然后输出在数码管上进行显示并通过串口将数据传输到计算机中。设计首先要解决的是对 ADC0809 元件的各个性能参数、内部功能以及外部引脚有一个很好的掌握，还要对 51 单片机的用法，外围电路（电压检测电路，单片机串口通信的电路，复位电路，数码管显示电路）的设计接法进行进一步的掌握，最后就是软件编写部分了，软件部分需要解决的问题有 ADC0809 初始化模块，电压数据的处理模块，数据显示模块，串口通信模块。河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）32 微生物
15、燃料电池简介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。它以微生物作为催化剂，以有机污水为原料，将污水中的有机生物质转化为电能，微生物燃料电池（MFC）燃料来源广泛、无污染、能源利用效率高等特点。本设计的对象是一个经典的双室微生物燃料电池，其实物图如图 2-1，微生物燃料电池由两个室组成，分别为阳极室和阴极室，阳极槽保持厌氧，阴极槽保持有氧。它工作原理为：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得
16、到电子被还原与质子结合成水，工作原理图如图 2-22。图 2-1 微生物燃料电池河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）4虽然研究者们对微生物燃料电池已展开了大量有意义的研究，开发出了结构等更加合理的微生物燃料电池，但是总的来说，目前微生物燃料电池技术尚处于试验室研发阶段，作为电源应用于实际生产与生活还比较遥远。其主要原因是输出功率与其他电池技术相比存在着数量级上的差距。虽然微生物燃料电池在工作原理和功能上与其他燃料电池相差无几，但其输出功率却比后者要低三至四个数量级，离实际应用还有很大距离 2。如何提高输出功率密度成为了科研人员的研究目标，而在分析微生物产电的效能时，需要实时观测微生物电
17、池的输出电压， 并分析电池的输出电压变化曲线。微生物燃料电池的反应周期较长，如果人工地记录数据无疑浪费了大量的宝贵时间。本设计根据河北大学生命科学学院赵老师的需求，设计一款自动测量、记录微生物燃料电池的输出电压的装置，根据现场考察得到微生物燃料电池的基本参数：（1） 输出电压范围：02V，以后随着技术的改良，该电池的最高电压能达到 5V左右。（2）产电周期：4872h。根据已知微生物燃料电池的参数，将数据采集系统的测量范围定为 0-5V，采集周期为 30min。图 2-2 微生物燃料电池工作原理图河北大学 2013 届本科生毕业论文（设计）53 数据采集系统的开发方案论证3.1 模数转换器件的
18、选择模数转换器的种类很多，按位数分，可以分为 8 位、10 位、12 位、16 位，位数越高其分辨率越高，价格也就越贵。另外其转换时间和转换误差也各不相同。(1)逐渐逼近式 A/D 转换器：它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。(2)双积分 A/D 转 换 器 ： 它 是 一 种 间 接 式 的 A/D 转换器，优点是抗干扰能力强，精度比较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。（3)并行式 A/D 转换器：它又被称为 flash（快速）型，它的转换数度很高，但它采用了很多个比较器，而 n 位的转换就需要 2n-1 个比较器，因此电路规
19、模也极大，价格也很贵，只适用于视频 A/D 转换器等数度特别高的领域。由于本设计对转换精度和装换时间要求不高，在价格和功能等标准的考量下，我选择逐渐逼近式 AD 转换器作为本设计的模数转换器件。3.2 单片机的选择本设计中涉及到定时、串口通信等功能，根据单片机的配置和功能，采用 STC89C52作为设计的核心。3.3 通信模块的选择通信模块选用了标准 RS-232 接口，它是电平与 TTL 电 平 转 换 驱 动 电 路 。 常用的芯片是 MAX232，M AX232 芯片是美信（MAXIM）公司专为 RS232 标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v 单电源供电。3.4 显示模块的选择本设计采用七段数码管作为显示模块。七 段 数 码 管 是 一 种 由 发 光 二 极 管 组 合 而 成 显 示 字 符 的 器 件 。 它 由 8 个 LED 组成， 其 中7 个用于显示数字，1 个用来显示小数点。七 段 数 码 管 的控制可以采用周期性地向 它 提 供具 有 驱 动 信 号 和 位 选 信 号 。 数 码 管 显 示 方 式 有 动 态 扫 描 显 示 法和静态显示法。在实际设计应用中，为了节省硬件资源，常采用动态扫描显示法。
