[论文解读] Low Cost PC Based Real Time Data Logging System Using PCs Parallel Port For Slowly Varying Signals

Nungleppam Monoranjan Singh, Kamal Sarma|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2012

Sensor Technology and Measurement Systems被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于PC的低成本实时数据记录系统，利用并行端口监测温度和湿度等缓慢变化的信号。系统采用LM35传感器、ADC0808进行模数转换，并通过C语言编程接口以每秒2个样本的速率记录数据，分辨率为0.2°C，结果以CSV格式存储，便于使用Excel进行分析，同时支持实时图形显示，并能自动计算相对湿度和露点。

ABSTRACT

A low cost PC based real time data logging system can be used in the laboratories for the measurement, monitoring and storage of the data for slowly varying signals in science and engineering stream. This can be designed and interfaced to the PCs Parallel Port, which is common to all desktop computers or Personal Computers (PCs). By the use of this data logging system one can monitor, measure and store data for slowly varying signals, which is hard to visualise the signal waveforms by ordinary CRO (Cathode Ray Oscilloscope) and DSO (Digital Storage Oscilloscope). The data so stored can be used for further study and analysis. It can be used for a wide range of applications to monitor and store data of temperature, humidity, light intensity, ECG signals etc. with proper signal conditioning circuitry.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、实时的数据采集系统，用于监测温度和湿度等缓慢变化的物理参数。
• 利用PC的并行端口作为经济高效的接口实现数据输入，避免使用昂贵的数据采集硬件。
• 实现实时图形显示，并通过标准软件（如Excel）实现传感器数据的长期存储与后处理分析。
• 基于干球和湿球温度读数，自动计算并记录相对湿度和露点。
• 通过利用广泛存在的并行端口接口，确保系统与新型和旧型PC（包括台式机和笔记本电脑）的兼容性。

提出的方法

• 使用低失调、高增益运算放大器对LM35传感器输出的模拟温度信号进行调理，将输出电压范围调整为0–5 V。
• 在模数转换前应用抗混叠低通滤波器，防止频谱混叠，确保信号保真度。
• ADC0808将模拟信号转换为8位数字值（分辨率≈19.6 mV或0.2°C），采样速率为每秒2个样本。
• 使用IC 7414、电阻和陶瓷电容构成的时钟电路，生成稳定时钟信号，频率为 f = 1/(1.1RC)，用于控制ADC工作。
• 采用齐纳二极管构成的电压限制电路，将输出电压钳位至5 V，防止ADC因过压而损坏。
• 通过C语言编程的应用程序控制并行端口，读取数字数据，实现实时温度图形显示，并将数据以.csv格式保存，确保与Excel的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低成本配置下，并行端口能否有效用于实时采集缓慢变化的模拟信号？
• RQ2 通过PC并行端口使用ADC0808和LM35传感器构建的数据记录器，其可实现的分辨率和精度如何？
• RQ3 在该系统中，基于干球和湿球温度读数，相对湿度和露点的计算精度如何？
• RQ4 在典型环境条件下，该系统在数据完整性和实时性能方面表现如何？
• RQ5 该低成本系统能否作为商业数据记录器在教育和基础工业监测中的可行替代方案？

主要发现

• 由于使用8位ADC0808和5 V参考电压，系统实现了约0.2°C的温度分辨率（每最低有效位对应0.0196 V）。
• 数据记录系统以稳定的2个样本/秒的采样率运行，可通过软件修改进行调整。
• 系统成功实现实时计算并记录相对湿度（85.18%）和露点（17.36°C），输入为干球和湿球温度。
• 实测数据显示，系统读数与水银温度计读数具有良好一致性，尽管存在噪声和屏蔽限制，仍确认了可接受的精度。
• 系统支持实时温度图形监控，并自动将数据以.csv格式保存，可直接与Microsoft Excel兼容。
• 采用齐纳二极管实现的过压保护有效防止了ADC损坏，显著提升了系统可靠性。