【正文】 工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 通信 1102 學(xué)生姓名 張 帥 一、畢業(yè)論文﹙設(shè)計(jì)﹚題目 秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 二、畢業(yè)論文﹙設(shè)計(jì)﹚工作自 20xx 年 12 月 9 日起至 20xx 年 6 月 20 日止 三、畢業(yè)論文﹙設(shè)計(jì)﹚進(jìn)行地點(diǎn) : 物 電 學(xué) 院 實(shí) 驗(yàn) 室 四、畢業(yè)論文﹙設(shè)計(jì)﹚的內(nèi)容要求： 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求如下： 設(shè)計(jì)一個(gè) 秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng) ，要求： ⑴ 通過 基于 ZigBee 技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田監(jiān)測區(qū)域 的溫度 /煙度 等參數(shù) 的數(shù)據(jù)采集 ； ⑵ 利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù) 傳輸 ； ⑶ 編寫一套上位機(jī)監(jiān)測中心管理軟件，通過系統(tǒng)對(duì)溫度 /煙度等環(huán)境參數(shù)采集并傳輸，利用管理軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田監(jiān)測區(qū)域多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、數(shù)據(jù)共享及安全預(yù)警功能。本課題設(shè)計(jì)一個(gè)無線監(jiān)測系統(tǒng)，選用 STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，分別用 DS18B20 溫度傳感器、 MQ2 煙霧傳感器采集環(huán)境溫度和煙霧濃度，通過 STC89C52 單片機(jī)處理后實(shí)現(xiàn)溫度及煙霧濃度顯示、越界報(bào)警功能，同時(shí)，本課題研究開發(fā)上位機(jī)監(jiān)測軟件。誰是秸稈焚燒的最大受害者？很明顯，是距離起 火點(diǎn)最近的人。不過，焚燒秸稈之害雖大，農(nóng)民卻認(rèn)為離自己較遠(yuǎn)；焚燒秸稈之便利雖小，卻能讓農(nóng)民看到眼前的好處、解決其當(dāng)前的難處。加上近年來對(duì)空氣質(zhì)量問題的廣泛關(guān)注，這種可以瞬間讓人窒息的破環(huán)空氣行為，更讓輿論大張撻伐。另外也會(huì)在路兩旁掛 滿“秸稈還田，利國利民”焚燒秸稈可恥，利用秸稈光榮“之類的橫幅。鎮(zhèn)里縣里干著急也沒辦法。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 42 頁 1 研究背景 研究意義 眾所周知，我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村人口占全國的絕大多數(shù)。 秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉（穗）部分的總稱。 每年到了農(nóng)作物豐收的時(shí)候，就會(huì)在田地里產(chǎn)生很多秸稈，對(duì)于農(nóng)民來說最方便快捷的辦法就是就地焚燒，焚燒產(chǎn)生的滾滾濃煙幾乎可以使人窒息，秸稈焚燒還會(huì)給我們的生活帶來嚴(yán)重的影響，比如機(jī)場停運(yùn)、高速公路封閉等事故給我們帶來諸多不便，造成的損失也不計(jì)其數(shù)。一是焚燒的煙霧會(huì)污染空氣，進(jìn)而影響人的健康。三是容易造成交通安全隱患。 為了早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)秸稈焚燒現(xiàn)象，防止和減少火災(zāi)危害，避免環(huán)境污染， 減少這類事故的發(fā)生，就必須對(duì)煙霧進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測，采用先進(jìn)可靠的安全檢測儀表，嚴(yán)密監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度和周圍溫度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，并及時(shí)制止，采取有效措施，避免事故發(fā)生和環(huán)境污染，才能確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和環(huán)境的保護(hù)。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)他的制造工藝也有了顯著的提高，現(xiàn)今傳感器的體積不斷減小，而集成度卻提高了很多，制造工藝也復(fù)雜化，傳感器的綜合性能更加穩(wěn)定，應(yīng)用也更加靈活 [2]。 本文的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)針對(duì)經(jīng)常發(fā)生的秸稈焚燒事故，主要采用傳感器采集信號(hào)并對(duì)信號(hào)做處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，最終使系統(tǒng)具有溫度和煙霧濃度檢測及報(bào)警功能的秸稈焚燒自動(dòng)檢測報(bào)警系統(tǒng)。軟件部分主要是報(bào)警系統(tǒng)控制程序，按照軟件實(shí)現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始化子程序、鍵盤處理子程序、報(bào)警子程序。設(shè)計(jì)要求 通過基于 ZigBee 技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田監(jiān)測區(qū)域的溫度 /煙度等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集 ，利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；編寫一套上位機(jī)監(jiān)測中心管理軟件，通過系統(tǒng)對(duì)溫度 /煙度等環(huán)境參數(shù)采集并傳輸，利用管理軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田監(jiān)測區(qū)域多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、數(shù)據(jù)共享及安全預(yù)警功能。 (4)遠(yuǎn) 程無線傳輸功能，將溫度和煙度數(shù)據(jù)利用無線收發(fā)模塊傳送給 PC 端實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢和存儲(chǔ)。然后通過讀取 ROM 中存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)秸稈焚燒火焰圖像的特征進(jìn)行火災(zāi)的監(jiān)測，最后將檢測的結(jié)果顯示出來。 圖像傳感器S D RA M 控制初始化設(shè)置火災(zāi)檢測S D RA M數(shù)據(jù)獲取 輸出控制顏色空間轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示 圖 基于 FPGA 的系統(tǒng)框圖 此方案應(yīng)用 CMOS 圖像傳感器實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集，通過初始化設(shè)置這一模塊來實(shí)現(xiàn)圖像傳感器的初始配置。 方案二采用圖像傳感器采集環(huán)境信息并應(yīng)用基于 FPGA 的硬件電路進(jìn)行圖像處理獲得環(huán)境信息并實(shí)現(xiàn)顯示和報(bào)警功能。另一方面， 單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)的全稱為單片微型計(jì)算機(jī)，是嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit）中最典型的一種，英文中通常會(huì)用 MCU 來表示單片機(jī)，單片微控制器也表示單片機(jī) [5]。 單片機(jī)作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。 STC89C52 單片機(jī)的管腳排列如圖 所示。 1 K+1 0 u FL E DU S B+V c cS 1 圖 電源供電模塊電路圖 此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計(jì)算機(jī)的 USB 口供給，也可使用外部穩(wěn)定的 5V電源供電模塊供給。高級(jí) 的精度更高。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。 復(fù)位電路 單片機(jī)的置位和 復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。復(fù)位電路圖如圖 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 42 頁 信號(hào)采集電路 溫度采集電路 溫度采集選用 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器來采集環(huán)境溫度。 D S 1 8 B 2 0321G N DD O V D D 圖 DS18B20 溫度傳感器引腳圖 其引腳功能描述見表 。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL，可通過軟件寫入戶報(bào)警上下限。當(dāng)符號(hào)位 S＝ 0 時(shí)，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位 S＝ 1 時(shí)，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將－ 55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。如圖 所示。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。由單片機(jī)通過 端口輸出低電平， ADC0832 開始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， ADC0832 提供穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件連接和處理器控制變得更加方便。 1 8765234C SC H 0C H 1G N DV c cC L KD 0D 1ADC0832 圖 ADC0832 引腳圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 42 頁 各引腳說明如下： （ 1） CS— 片選端，低電平有效。 （ 5） CLK— 串行時(shí)鐘輸入端。但由于 DO 端與 DI 端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以在電路的具體應(yīng)用中可以把 D0 和D1 連接在一起。在第 3 個(gè)脈沖下降沿 DI 端應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用來選擇通道功能，其功能項(xiàng)見表 。當(dāng)讀取到的信息為“ 0”和“ 1”時(shí)，將 CH0作為負(fù)輸入端 IN， CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。也正是從此位開始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個(gè)字節(jié)的下沉輸出 DATA0。如果作為由 IN+與 IN輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。通常我們有多種方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示，不變 的是，實(shí)現(xiàn)多位數(shù)字的顯示其基本原理是類似的。其中為了使單片機(jī) I/O 口有 足夠的電流驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，在每個(gè)段選端口都加上一個(gè)三極管來放大電流，數(shù)碼管用共陰型數(shù)碼管 [11]。 V C CP N P1 K2 KSPEAKERA l arm 圖 蜂鳴器報(bào)警電路圖 由于單片機(jī)輸出電流較小，所以用三極管 S9013 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音 [12]。 S S分別為減小鍵和增大鍵，和調(diào)整鍵配合使用。 接收模塊同樣采用一片 ATKHC05 模塊作為無線接收部分，接收部分要實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的串口通信，這里直接運(yùn)用 CH340 模塊實(shí)現(xiàn)串口到 TTL 電平的轉(zhuǎn)換，不再需要通過單片機(jī)控制，節(jié)省成本的同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)，其原理電路圖如圖 所示。 本系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的匯編語言而采用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。 主程序設(shè)計(jì) 程序運(yùn)行時(shí)就是從主程序開始執(zhí)行的，因此首先要調(diào)用初始化模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，報(bào)警器上電后綠色 LED 燈亮，說明系統(tǒng)沒有故障，可正常工 作。為方便調(diào)節(jié)濃度和溫度報(bào)警的上下限，還加入了三個(gè)按鍵，因此主程序在不斷地采集信號(hào)然后顯示并判斷是否需要報(bào)警，我們把初始化完成后的這幾步操作 放入一個(gè)死循環(huán)中實(shí)現(xiàn)功能。 在整個(gè)報(bào)警器系統(tǒng)工作中，煙霧傳感器檢測到的煙霧濃度信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換處理，溫度傳感器讀取溫度，由單片機(jī)進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動(dòng)聲光報(bào)警。 開 始D S 1 8 B 2 0 初 始 化A / D 轉(zhuǎn) 換 芯 片 初 始 化關(guān) 閉 蜂 鳴 器關(guān) 閉 報(bào) 警 指 示 燈是 否 保 存 報(bào) 警 初 值設(shè) 定 初 值結(jié) 束 圖 初始化程序流程圖 在初始化的過程中，首先設(shè)置定時(shí)初值，再設(shè)置定時(shí)器工作方式，打開定時(shí)器并且允許中斷，首先要蜂鳴器和指示燈都要設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，即熄滅報(bào)警指示燈，并且關(guān)閉蜂鳴器。 具體流程是：系統(tǒng)和程序初始化后，驅(qū)動(dòng) ADC0809 的 IN0 對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)接受轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，存入寄存器，由 INT1 中斷服務(wù)程序完成；系統(tǒng)延時(shí) 10ms，驅(qū)動(dòng) ADC0809 的 IN1對(duì)煙霧信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后存入寄存器。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 42 頁 開 始寫 溫 度 讀 取 指 令讀 取 溫 度 數(shù) 據(jù)延 時(shí) 1 0 m sA / D 轉(zhuǎn) 換讀 取 煙 霧 數(shù) 據(jù)結(jié) 束等 待 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換無 中 斷 圖 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖 由于設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能是通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)的。按鍵的識(shí)別方法采用掃描法，不同的按鍵控制不同的功能，其電路圖如圖 所示。 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)軟件的開發(fā)需要用到 Visual Basic 開發(fā)軟件， Visual Basic 是一種由 Microsoft 公司開發(fā)出來的結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計(jì)語言。 5 系統(tǒng)分析 通過以上對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)，隨即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬來測試功能是。軟件開發(fā)流程如圖 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 42 頁 報(bào)警程序設(shè)計(jì) 當(dāng)煙霧濃度超過報(bào)警設(shè)定值或者溫度超出一定范圍時(shí)，報(bào)警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對(duì)應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取 安全對(duì)策或自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置，從而保障生產(chǎn)安全，避免火災(zāi)和爆炸事故的發(fā)生，電路圖如圖 所示。當(dāng)系統(tǒng)采集 2次溫度煙霧信號(hào)后，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)的寄存器中，系統(tǒng)再調(diào)用火災(zāi)判斷子程序。單片機(jī)每次驅(qū)動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換后等待外部中斷 1，當(dāng) ADC0809 的 EOC 端變?yōu)?1 時(shí)，即中斷到來，說明 A/D 轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，通過中斷服務(wù)程序讀取轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。為了降低誤報(bào)率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)溫度煙霧采用了兩次采集、兩次判斷的方法。這部分實(shí)現(xiàn)的功能包括各種I/O 口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化、允許某些中斷源和設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)等。 首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因?yàn)?MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時(shí)間后，二氧化錫會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，再次通電時(shí)，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時(shí)間預(yù)熱，使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工 作。 NNYY開 始系 統(tǒng) 初 始 化濃 度 及 溫 度 顯 示是 否 為 設(shè) 置 模 式是 否 超 過 報(bào) 警 限進(jìn) 入 報(bào) 警 上 限設(shè) 置 模 式按 鍵 狀 態(tài) 掃 描數(shù) 據(jù) 采 集設(shè) 置 指 示 燈 狀 態(tài)進(jìn) 入 報(bào) 警 子 程序報(bào) 警 復(fù) 位 圖 主程序流程圖 溫度信號(hào)采集