【正文】 模塊化設(shè)計，模塊 化設(shè)計的目的是以少變應(yīng)多變，以盡可能少的投入生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品，以最為經(jīng)濟的方法滿足各種要求 [13]。 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 警 限進 入 報 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 入 報 警 子 程序報 警 復(fù) 位 圖 主程序流程圖 溫度信號采集電路采集外界溫度，將溫度數(shù)據(jù)直接發(fā)送到單片機中，對數(shù)據(jù)進行處理分析，如果溫度值高于設(shè)定的溫度報警上限或低于下限，蜂鳴器報警，紅色 LED 燈亮，綠色 LED 燈滅。這部分實現(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)先級等。單片機每次驅(qū)動 A/D 轉(zhuǎn)換后等待外部中斷 1，當(dāng) ADC0809 的 EOC 端變?yōu)?1 時，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)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 共 42 頁 報警程序設(shè)計 當(dāng)煙霧濃度超過報警設(shè)定值或者溫度超出一定范圍時，報警器發(fā)出一種近似警笛的鳴叫聲，對應(yīng)通道的紅燈閃亮，以提示操作人員采取 安全對策或自動控制相關(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。 5 系統(tǒng)分析 通過以上對系統(tǒng)的硬件和軟件部分的設(shè)計，隨即對系統(tǒng)進行模擬來測試功能是。按鍵的識別方法采用掃描法，不同的按鍵控制不同的功能，其電路圖如圖 所示。 具體流程是：系統(tǒng)和程序初始化后，驅(qū)動 ADC0809 的 IN0 對溫度信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機接受轉(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 10ms，驅(qū)動 ADC0809 的 IN1對煙霧信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后存入寄存器。 在整個報警器系統(tǒng)工作中，煙霧傳感器檢測到的煙霧濃度信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換處理，溫度傳感器讀取溫度，由單片機進行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動聲光報警。 主程序設(shè)計 程序運行時就是從主程序開始執(zhí)行的，因此首先要調(diào)用初始化模塊對系統(tǒng)進行初始化，報警器上電后綠色 LED 燈亮，說明系統(tǒng)沒有故障，可正常工 作。 接收模塊同樣采用一片 ATKHC05 模塊作為無線接收部分，接收部分要實現(xiàn)與單片機的串口通信，這里直接運用 CH340 模塊實現(xiàn)串口到 TTL 電平的轉(zhuǎn)換，不再需要通過單片機控制，節(jié)省成本的同時結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，其原理電路圖如圖 所示。 V C CP N P1 K2 KSPEAKERA l arm 圖 蜂鳴器報警電路圖 由于單片機輸出電流較小，所以用三極管 S9013 驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音 [12]。通常我們有多種方法來實現(xiàn)數(shù)字顯示，不變 的是，實現(xiàn)多位數(shù)字的顯示其基本原理是類似的。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個字節(jié)的下沉輸出 DATA0。在第 3 個脈沖下降沿 DI 端應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用來選擇通道功能，其功能項見表 。 （ 5） CLK— 串行時鐘輸入端。獨立的芯片使能輸入，使多器件連接和處理器控制變得更加方便。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。如圖 所示。當(dāng)符號位 S＝ 0 時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位 S＝ 1 時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 42 頁 信號采集電路 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。 復(fù)位電路 單片機的置位和 復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。高級 的精度更高。 STC89C52 單片機的管腳排列如圖 所示。 單片機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。另一方面， 單片機應(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)計思想和設(shè)計方法。 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)置這一模塊來實現(xiàn)圖像傳感器的初始配置。 (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 端實現(xiàn)上位機監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢和存儲。軟件部分主要是報警系統(tǒng)控制程序，按照軟件實現(xiàn)的功能，主要分為主程序、初始化子程序、鍵盤處理子程序、報警子程序。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，人們對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]。三是容易造成交通安全隱患。 每年到了農(nóng)作物豐收的時候，就會在田地里產(chǎn)生很多秸稈，對于農(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，秸稈焚燒還會給我們的生活帶來嚴(yán)重的影響，比如機場停運、高速公路封閉等事故給我們帶來諸多不便，造成的損失也不計其數(shù)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 共 42 頁 1 研究背景 研究意義 眾所周知，我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村人口占全國的絕大多數(shù)。另外也會在路兩旁掛 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。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。本課題設(shè)計一個無線監(jiān)測系統(tǒng)，選用 STC89C52單片機作為主控芯片，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 單片機處理后實現(xiàn)溫度及煙霧濃度顯示、越界報警功能，同時，本課題研究開發(fā)上位機監(jiān)測軟件。 指 導(dǎo) 教 師 系 (教 研 室 ) 系 (教研室 )主任簽名 批準(zhǔn)日期 接受論文 (設(shè)計 )任務(wù)開始執(zhí)行日期 學(xué)生簽名 II 秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 張 帥 （陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院通信 1102 班，陜西 漢中 723000） 指導(dǎo)教 師：張文麗 [摘要 ]農(nóng)田秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)農(nóng)田及農(nóng)村信息無線監(jiān)測、無人值守，有效并且可靠管理的重要組成部分，是推動農(nóng)田及農(nóng)村智能化管理的重要步驟，具有較大的應(yīng)用價值。焚燒秸稈者不僅要承擔(dān)身體之苦，若是被抓現(xiàn)行，還要被處以罰款乃至被追究法律責(zé)任，代價不可謂不大。同時也會要求村委通知鄉(xiāng)民禁燒秸稈，違者從重懲處、罰款多少多少之類，還要組織人到地里嚴(yán)防死守。本次設(shè)計主要針對農(nóng)田區(qū)域的智能化管理來設(shè)計出一套可以實現(xiàn)秸稈焚燒監(jiān)測的應(yīng)用系統(tǒng)，解決農(nóng)田的監(jiān)測困難問題。盡管這些年來，相關(guān)部門采取了一些措施遏制了秸稈就地焚燒，但這些措施卻未能從根本上消除此類事件的發(fā)生，這一現(xiàn)象在我國的東部地區(qū)更加常見。秸稈焚燒，極易引燃周圍的易燃物，尤其是在村莊附近，因施救難度大，一旦引發(fā)火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，美國 1996 年至 20xx 年煙霧傳感器年均增長率為 27%～ 30%。以單片機作為中央處理器，對硬件電路進行設(shè)計和驅(qū)動。 (3)異常報警功能，當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)異常 (如煙霧濃度過大或是溫度較高 )時，能發(fā)出異常報警信號，引起人們注意，盡可能避免事故的發(fā)生。其硬件電路設(shè)計的整體框圖如圖 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 42 頁 3 硬件設(shè)計 本系統(tǒng)選用基于單片機的系統(tǒng)設(shè)計方案來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，單片機已成為計算機發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。同時，在能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了系統(tǒng)的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 按照功能， STC89C52 的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能 I/O 口、控制和復(fù)位等 [7]。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 42 頁 3 0 p F3 0 p F晶 振C 2C 1X 1X 2 圖 晶振電路圖 STC89C52 使用 的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在 15pF 至 50pF 之間，在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。 (2)手動復(fù)位：手動復(fù)位的實現(xiàn)方法是通過開關(guān)動作給 RST 一個短暫的高電平，開關(guān)與復(fù)位電容并聯(lián)后按下開關(guān) 復(fù)位電容被短路復(fù)位電阻上有電流導(dǎo)通使得 RST 端有了一個暫時的高電平讓單片機復(fù)位。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃／ LSB 形式表示。 DS18B20 溫度傳感器的 1 腳接地， 2 腳數(shù)據(jù)端接單片機的 ， 3 腳接 VCC，為了確保 DS18B20工作可靠， 2 腳要接 10K 的上拉電阻。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。芯片具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。 （ 4） DO— 模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端。在第 1 個時鐘脈沖的下降沿 DI 端必須是高電平，表示啟始信號。直到第 11 個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。我們經(jīng)常應(yīng)用到的 4～ 8 位七段 LED 顯示數(shù)碼管器件，這里采用的是 4 位一體數(shù)碼管。 報警電路 本系統(tǒng)中采 用蜂鳴器報警，通過單片機 I/O 口發(fā)出控制信號來控制蜂鳴器的響應(yīng)，其電路圖如圖 所示。 V C CA T K H C 0 5VCCGNDTXD5RXDKEYLED6 4 3 2 1P3.0P3.1 圖 基于 ATKHC05 藍(lán)牙模塊的發(fā)射電路圖 發(fā)射模塊通過串口與單片機直接實現(xiàn)通信，供電與單片機一致使用 5V 電壓，單片機直接把數(shù)據(jù)傳送給發(fā)送模塊，發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 本系統(tǒng)的軟件編程使用 Keil 編程環(huán)境開發(fā)軟件，它可以支持 C 語言編程并且編譯出來的軟件與單片機完美兼容 [15]， 下面對軟件分為以下幾個模塊來進行具體設(shè)計。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)，進行按鍵掃描。每次采集溫度煙霧數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存入單片機的寄存器，然后在火災(zāi)判斷程序中，將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進行比較，判斷現(xiàn) 場是否發(fā)生火災(zāi)。 按鍵控制程序設(shè)計 按鍵由于彈性作用的影響，在閉合及斷開均有抖動過程，從而使電壓也出現(xiàn)抖動，所以在識別按鍵時要 消除抖動的影響。 YN開 始設(shè) 置 并 打 開 串 口設(shè) 置 發(fā) 送 準(zhǔn) 備數(shù) 據(jù) 完 整 性 驗 證發(fā) 送 通 信 請 求應(yīng) 答發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 圖 上位機軟件設(shè)計流程圖 首先設(shè)置發(fā)送機發(fā)送數(shù)據(jù)，然后接收端驗證數(shù)據(jù)無丟失后打開串口發(fā)送接收請求，如果發(fā)射端并未應(yīng)答那么繼續(xù)轉(zhuǎn)到執(zhí)行發(fā)送請求命令，如果發(fā)射機應(yīng)答了則完成一次數(shù)據(jù)傳輸，這樣 PC 就接陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 共 42 頁 收 到了串口發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。 NY開 始讀 取 處 理 后 的 溫 度值 及 煙 度 值紅 色 L E D 亮 ， 蜂 鳴器 報 警是 否 超 過 報 警 限返 回 圖 報警子程序流程圖 程序開始先讀取數(shù)據(jù)信息，然后判斷數(shù)據(jù)是否超過預(yù)設(shè)上限，未超過預(yù)設(shè)上限則返回主程序繼續(xù)執(zhí)行，超過上限值將 LED 點亮并且驅(qū)動蜂鳴器報警，并且繼續(xù)檢測數(shù)據(jù)是否恢復(fù)正常，如果恢復(fù)正常則返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。系統(tǒng)溫度煙霧信號采集程序流程圖 如圖 所示。初始化程序流程圖如圖 所示。系統(tǒng)還加入一個 LCD 顯示屏，將濃度級別和溫度值發(fā)送到顯示屏中。由于模塊具有不同的組合可以配置生成多樣化的滿足用戶需求的產(chǎn)品的特點，同時模塊又具有標(biāo)準(zhǔn)的幾何連接接口和一致的輸入輸出接口，如果模塊的劃分和接口定義符合企業(yè)批量化生產(chǎn)中采購、物流、生產(chǎn)和服務(wù)的實際情況，這就意味著按照模塊化模式配置出來的產(chǎn)品是符合批量化生產(chǎn)的實際情況的，從而使定制化生產(chǎn)和批量化生產(chǎn)