【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)據(jù)讀寫操作，由串行時鐘(SCK)控制讀寫操作。 數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊及外圍設(shè)備的硬件連接如圖21所示。傳感器節(jié)點上設(shè)計528kB的串行FLASH存儲器AT45DB041來完成信息在本節(jié)點的輔助存儲功能。處理器通過UART接口與AT45DB041連接。通過TXD1和RXD1進行數(shù)據(jù)讀寫操作，由時鐘(XCK1)控制讀寫操作。處理器通過3根通用I／O引腳與溫濕度傳感器SHT10連接。軟件控制I／O引腳的電平來完成對SHT10的操作。處理器還預(yù)留了ADC模擬輸入通道、I／O接口、I2C接口到傳感器擴展接口，對系統(tǒng)擴展其它傳感器提供硬件支持。處理器ADC的PF0與系統(tǒng)電池電壓檢測電路連接，提供對系統(tǒng)電池剩余能量的檢測。電源檢測PC無線通信模塊AT45DB041MOSMOSISCKRXD1TXD1 SPI接口UART接口 PF0UART接口ATmoga1281JTAGI2 C接口 I/O口I/O口DATAVDDSCK傳感器擴展接口 SHTI0圖21 硬件連接圖 電源模塊節(jié)點的能量供應(yīng)是節(jié)點工作的重要前提，如果供電不足，將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。為延長節(jié)點的使用壽命，多種降低功耗的方法已經(jīng)被提出，如：數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和低功耗路由技術(shù)等，但任何降低功耗的方法都不能徹底解決節(jié)點壽命有限的問題?？稍偕茉吹睦茫纾禾柲?、振動、潮汐和風(fēng)能等的利用，被認為是解決上述問題的可行方案。對于室外系統(tǒng)，太陽能具有技術(shù)相對成熟，能量密度較大等優(yōu)勢，被認為是為節(jié)點提供額外能源的可行方法。上路是電源電路框圖。分壓器將3．3 V的穩(wěn)壓器輸出電壓降至2．75 V。比較器比較此值于電池的電壓值。當(dāng)陽光充足并且電池的電壓低于2．75 V時，比較器打開開關(guān)，對電池充電。否則，當(dāng)電池的電壓等于或大于2．75 V時，開關(guān)關(guān)閉阻止充電過程。二極管用來阻止電流由電池流入太陽能電池板。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將各種傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_管理軟件，后臺管理軟件對這些數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲，以便獲得相關(guān)信息，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行和監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況進行監(jiān)控。另外，后臺管理軟件也可以發(fā)起任務(wù)并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)告知WSN，以便完成特定的任務(wù)。這些功能主要是在應(yīng)用程序服務(wù)器上實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖22所示。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)解析和打包串口通信圖22系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖SYNC BYTETOS msgPacket TypeSYNC BYTECRCDataData LengthGroup IDMessage TypeMessage AddressTemperature...HumidityVoltageSequence NumberOrigin AddressSource Address圖23TinyOS數(shù)據(jù)包格式表21溫濕度數(shù)據(jù)表Point IDTemperatureHumidityCollectime12134315系統(tǒng)通過串口接收到的溫濕度數(shù)據(jù)如表21所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行的是TinyOS操作系統(tǒng)，系統(tǒng)傳遞信息數(shù)據(jù)包幀格式如圖23所示。每一幀用同步字節(jié)SYNC_BYTE(0x7E)包裝。其中的負載數(shù)據(jù)TOS_mag是傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層所使用的數(shù)據(jù)包格式。信息中包括了目的節(jié)點地址、信息類型、信息長度、信息組別以及數(shù)據(jù)載荷等。其中，數(shù)據(jù)載荷Data是提供給用戶的有效消息載體，包含為實現(xiàn)多跳路由功能而設(shè)置的源地址、數(shù)據(jù)采集節(jié)點地址及電壓、濕度、溫度等高層應(yīng)用信息。基于當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田信息采集中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了體積小、成本低、低功耗、工作持續(xù)時間長的農(nóng)田信息采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的必要性。該系統(tǒng)利用無線收發(fā)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，無需專門架線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省了人力物力，通過監(jiān)控中心可實現(xiàn)對農(nóng)田溫濕度的監(jiān)控等功能，實現(xiàn)真正意義上的無人值守，與普通無線技術(shù)相比，還具有低功耗、低成本和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點，為實現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)田監(jiān)控的信息化、自動化、提高工作效率具有很高的實際應(yīng)用價值。 理論分析此次設(shè)計是針對于單片機原理及其應(yīng)用展開的。運用我們所學(xué)的電工技術(shù)，傳感器技術(shù)，單片機技術(shù)去設(shè)計基于單片機的聲光報警系統(tǒng)。80C51單片機好比一個橋梁，聯(lián)系著傳感器和報警電路設(shè)備。當(dāng)周圍的環(huán)境達到我們設(shè)定的數(shù)值時，聲光傳感器把被測的物理量作為輸入?yún)?shù)，轉(zhuǎn)換為電量（電流、電壓、電阻等等）輸出。物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機理和結(jié)構(gòu)就不同[4]。通常傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當(dāng)信號的數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，可以不用放大器放大；當(dāng)信號的數(shù)值不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，就需要放大器放大。而我們選擇前者，不需要用放大器，選擇數(shù)值符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級，這樣就可以簡化整個系統(tǒng)的設(shè)置。傳感器將物理信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以利用識別的電信號給單片機。此時，揚聲器將發(fā)出高、低交替的2種叫聲，同時二極管發(fā)光，這就達到了聲光報警的效果。 系統(tǒng)硬件 主控電路設(shè)計：硬件設(shè)計中最核心的器件是單片機80C51，它一方面控制A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，另一方面，將采集到的數(shù)字電壓值經(jīng)計算機處理得到相應(yīng)的二進制代碼，與設(shè)定的值作比較[8]。整個系統(tǒng)的軟件編程就是通過匯編語言對單片機80C51實現(xiàn)其控制功能。 80C51的基本結(jié)構(gòu)：（1）CPU系統(tǒng) 8位CPU，含布爾處理器；時鐘電路；總線控制邏輯。（2）存儲器系統(tǒng) 4KB的程序存儲器（ROM/EPROM/Flash，可擴至64KB）；128KB數(shù)據(jù)存儲器（RAM，可再擴64KB）；特殊功能寄存器SFR。（3）I/O口和其他動能單元 4個并行I/O口；2個16位定時/計數(shù)器；1個全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（5個中斷源，2個優(yōu)先級）。 80C51單片機的的封裝和引腳： 80C51系列單片機采用雙列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封裝。這里僅介紹常用的總線型DIP40封裝。40個引腳按引腳功能大致可分為4個種類：電源、時鐘、控制和I/O引腳，在這里不作詳細介紹。80C51單片機的時鐘：(1)振蕩器和時鐘電路80C51內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路。80C51的時鐘產(chǎn)生方法有以下兩種。(a) 內(nèi)部時鐘方式利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTALl和XTAL2兩端跨接晶體振蕩器（簡稱晶振），就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路。外接晶振時，Cl和C2的值通常選擇為30pF左右；Cl、C2對頻率有微調(diào)作用，～12MHz之間選擇。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機引腳XTALl和XTAL2靠近。 (b) 外部時鐘方式此方式是利用外部振蕩脈沖接入XTALl或XTAL2。HMOS和CHMOS單片機外時鐘信號接入方式不同。 表22為單片機外部時鐘接入方法：表22 外部時鐘接入芯片類型接線方法XTAL 1XTAL 2Hmos接地接片外時鐘脈輸入端（引腳需接上拉電阻）Ghmos接片外時鐘脈沖輸入端懸空80C51單片機的復(fù)位：在整個聲光報警系統(tǒng)中，要進行實驗，必須對整個系統(tǒng)先復(fù)位。復(fù)位是單片機的初始化操作。單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復(fù)位。其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部復(fù)位電路才能實現(xiàn)。單片機的外部復(fù)位電路有上電復(fù)位和上電和按鍵均有效的復(fù)位兩種。我們在設(shè)計單片機復(fù)位時，選用上電復(fù)位。上電復(fù)位利用電容器的充電實現(xiàn)。圖24是80C51單片機的上電+復(fù)位電路。圖中給出了復(fù)位電路參數(shù)。圖25是80C51單片機的上電+按鍵復(fù)位電路。上電要求接通電源后，單片機實現(xiàn)自動復(fù)位操作。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RST引腳的高電平將逐漸下降。RST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進行復(fù)位操作。該電路典型的電阻值和電容參數(shù)為：晶振為12MHZ，電容值為10uF。 圖24電復(fù)位電路 圖25按鍵復(fù)位電路 復(fù)位狀態(tài)：初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0～R7）的狀態(tài)，復(fù)位時，ALE和成輸入狀態(tài)，即ALE== 1，片內(nèi)RAM不受復(fù)位影響。復(fù)位后，P0～P3口輸出高電平且使這些雙向口皆處于輸入狀態(tài)，并將07H寫入堆棧指針SP，同時將PC和其余專用寄存器清0。此時，單片機從起始地址0000H開始重新執(zhí)行程序。所以，單片機運行出錯或進入死循環(huán)時，可使其復(fù)位后重新運行。AD574A芯片介紹：AD574A型快速12位逐次比較式A／D轉(zhuǎn)換器為美國模擬器件公司產(chǎn)品。一次轉(zhuǎn)換時間為25μs，轉(zhuǎn)換速率為40MSPS，分辨率12位，非線性誤差小于177。1/2LSB。采用28腳雙立直插式封裝，各引腳功能如圖26所示， AD574A引腳圖AD574A引腳功能：DB11～DB0:12位數(shù)據(jù)輸出線。DB11為最高，DB0為最低，它們可由控制邏輯決定是輸出數(shù)據(jù)還是對外成高阻狀態(tài)。12/8：數(shù)據(jù)模式選擇。當(dāng)此引腳輸入為高電平時，12為數(shù)據(jù)并行輸出；當(dāng)此引腳為低電平時，與引腳A0配合，把12位數(shù)據(jù)分兩次輸入。應(yīng)該注意，此引腳不與TTL兼容，若要此引腳為高電平，應(yīng)直接按腳1；若要此引腳為低電平，應(yīng)接引腳15.A0：字節(jié)選擇控制。此引腳有兩個功能，一個功能是決定方式是12位是8位。若A0=0，進行全12位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為25us；若A0=1,僅進行8位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為16us，另一個功能是決定輸出數(shù)據(jù)是高8位還是低4位。若A0=0，高8位數(shù)據(jù)有效；若A0=1，低4位有效，中間4位為“0”，高4位為高阻狀態(tài)。因此，低4位數(shù)據(jù)讀出時，應(yīng)遵循左對齊原則（即：高8位+低4位+中間4位的‘0000’）。CS:芯片選擇。當(dāng)CS=0時，AD574A被選中；否則AD574A不進行任何操作。R/C：讀/轉(zhuǎn)換選擇。當(dāng)R/C=1時，允許讀取結(jié)果；當(dāng)R/C=0，允許A/D轉(zhuǎn)換。CE：芯片啟動信號。CE=1時，允許讀取結(jié)果，到底是轉(zhuǎn)換還是讀取結(jié)果與R/C有關(guān)。STS：狀態(tài)信號。STS=1表示正在進行A/D轉(zhuǎn)換，STS=0表示轉(zhuǎn)換已完成。REFOUT：+10V基準電壓輸出。REIN準電壓輸入。只有此腳把從“REFOUT”腳輸出的基準電壓引入到AD574A內(nèi)部的12位DAC(AD565),才能進行正常的A/D轉(zhuǎn)換。BIPOFF：雙極性補償。此引腳適當(dāng)連接，可實現(xiàn)單極性或雙極性輸入。10VIN：10V量程模擬信號輸入端。對單極性信號為10V量程的模擬信號輸入端，對雙極性信號為177。5V模擬信號輸入腳。20VIN：20V量程輸入端。單極性信號為20V量程模擬信號輸入端，對雙極性信號為177。10V量程模擬信號輸入腳。DG：數(shù)字地。各字電路（譯碼器、門電路、觸發(fā)器等）及“+5V”的電源地。AG：模擬地。各模擬器件（放大器、比較器、多路開關(guān)、取樣保持器等）地及“+15V”和“15V”電源地。VLOG：邏輯電路供電輸入端，‘+5V’.VCC:正電源端，VCC=+12～+15V。VEE：負電源端，VEE=15～12V。AD574A的單極性和雙極性輸入如圖27和28所示： 圖27單極性輸入 圖28雙極性輸入單極性輸入電路：如圖27所示是AD574A系列的模擬量單極性輸入電路。當(dāng)輸入電壓為VIN=0～+10V時，應(yīng)從