论文总字数：25071字

摘 要

基于单片机的工业用仪器仪表，一般会集成多种基础功能，包括实时数据测量、数据储存、历史数据查看、阈值报警系统等。但这类仪表需要工作人员现场操作，对于所测数据的波动和趋势无法做长期的分析和预测，对监控点位数据异常无法做出精准反应，即无法实现真正智能化和自动化。本课题对此种仪器仪表进行功能拓展，添加无线传输功能，以及远程数据存储，远程数据分析等功能。

在掌握仪表的已有功能及参数要求后，综合考量通信性能需求、功耗需求以及成本考虑等进行无线芯片的选型，建立其与PC机的通信信道，从而可以用手机或者PC机来比较方便快捷地实现测量参数的远程采集与集中存储，以便进行后续的数据趋势分析和预警设置。PC机接收端方面，需开发接收软件，实现设置传输参数、串口数据接收和绘制折线图等功能。

通过严格遵循设计步骤，以及在遇到问题时查阅相关的技术资料，解决了许多开发的难题。最终，在本人的努力以及指导老师的帮助下，改良后的仪器仪表数据能稳定无线传输，PC机能稳定接收数据并绘制折线图。本次设计具有现实的工程意义。

关键词：仪表 无线传输 数据分析

Design of remote measurement scheme for industrial instruments

Abstract

Industrial instrumentation based on single chip microcomputer generally integrates a variety of basic functions, including real-time data measurement, data storage, historical data viewing,threshold alarm system, etc. However, this type of instrument requires staff to operate on site. It cannot make long-term analysis and prediction of the fluctuation and trend of the measured data, and it cannot accurately respond to abnormal data at the monitoring point, that means it cannot be truly intelligent and automated. This subject expands the functions of this kind of instrumentation, adds wireless transmission function, and remote data storage, remote data analysis and other functions.

After mastering the existing functions and parameter requirements of the instrument, comprehensively consider the communication performance requirements, power consumption requirements and cost considerations to select the wireless chip and establish its communication channel with the PC, so that it can be compared with a mobile phone or PC It is convenient and quick to realize remote collection and centralized storage of measurement parameters for subsequent data trend analysis and early warning setting. Regarding the receiving end of the PC, the receiving software needs to be developed to realize the functions of setting transmission parameters, receiving serial data and drawing line charts.

By strictly following the design steps and consulting relevant technical information when encountering problems, many development problems were solved. In the end,with the help of my efforts and the guidance of the instructor,the improved instrumentation data can be stably transmitted wirelessly, and the PC can receive the data steadily and draw a line chart. This design has realistic engineering significance.

Key Words: Meter; Wireless transmission; Data analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 工业仪器仪表研究背景和意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 论文的主要内容和组织结构 3

第二章 基本功能和相关硬件原理 5

2.1 远程测量仪表系统的基本功能 5

2.2 串口通信基本原理 6

2.2.1 串行通信概览 6

2.2. 串行通信数据传输方式： 6

2.3 串行通信两种通信方式： 7

2.3 单片机串口通信（UART模块） 7

2.3.1 UART功能 8

2.3.2 UART1内部结构 8

第三章 硬件方案设计 10

3.1 总体实现方案 10

3.2 开发环境 11

3.2.1 软件开发平台 11

3.3 无线方案 12

3.3.1 nRF24L01P芯片概述 12

3.3.2 芯片工作方式 13

3.3.4 数据接收的软件实现 15

3.3.5 多发一收的实现 16

3.3.6 单片机驱动模块的大概流程及配置步骤 18

3.4 USB转换模块 19

第四章 PC端程序设计 20

4.1 功能需求及软件平台 20

4.2 程序逻辑 21

4.3 用户界面设计 21

4.4 数据接收 22

4.5 绘制曲线 23

4.5.1 QCustomPlot简介 23

4.5.2 使用流程 23

4.5.3 如何实现绘图 24

第五章 设计总结与展望 26

5.1 设计结果 26

5.2 设计总结 28

5.2.1 硬件开发总结 28

5.2.2 软件开发总结 29

5.3 进一步的工作展望 29

参考文献 31

第一章 绪论

1.1 工业仪器仪表研究背景和意义

随着现代化工业生产的普及和网络通信技术的进步，企业和工厂对于各种工业测量仪表的需求进一步扩大，仪表也正走向智能化。仪器仪表的功能不断丰富，精度不断提高，同时也在向无线化发展。工业生产中，仪器的电流电压值、转速、压力、温度、湿度等都是重要的运行指标，能够体现生产仪器的运行情况，安全系数，生产效率等，所以仪表的功能也日益丰富且贴合工厂的实际生产环境。目前，基于单片机的仪器仪表，一般都会集成多种基础功能，通过改变测量参数，实现不同的功能。包括实时数据测量、数据储存、历史数据回看、阈值报警系统等。但这类仪表依赖现场布线，不能脱离工厂进行远程监测，对于所测数据的波动和趋势无法做长期的分析和预测，对监控点位数据异常无法做出精准反应，即无法实现真正的无线化，智能化和自动化。而数据的变化特点恰恰与工业生产安全、生产效率、生产质量以及能源消耗密切相关，进而直接影响工厂经济运营。因此此类智能型仪表有继续开发的意义，需要对现有仪器仪表进行针对性的改进，包括在测量仪表中增加无线通信芯片，建立其与手机或PC机的通信信道，从而可以用手机或者PC机来比较方便快捷地实现测量参数的远程采集与集中存储，以便进行后续的数据趋势分析和预警设置。

由于测量仪表参与工业生产的一线，其对电流、电压、温度、湿度、转速等的监控至关重要，所以务必保证仪表运行时的稳定性，精准性，也要兼顾功耗效率和经济性。因此对仪表的感应部件、单片机控制单元、存储单元、无线传输单元的模块化设计也应有高要求高标准。

1.2 研究现状

由于迫切的市场需求和技术的进步，工业生产以及工程控制流程越来越依赖于工业仪器仪表。在日常生活、生产活动以及科研领域中，仪表应用极为广泛。在医疗、交通、能源控制等各个领域都有一些先进的研究范例。

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