【文章內(nèi)容簡介】 件設(shè)計方面主要對單片機芯片 、煙霧傳感器和溫度傳感器的功能和使用方法進行研究并掌握，并且選擇合適的型號應(yīng)用在本設(shè)計中。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。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。 本文的第一章主要介紹課題的研究意義，介紹了秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展狀況。此外，還介紹了論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排；第二章介紹了秸稈焚燒探測的實現(xiàn)方法，給出秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架，并且介紹了設(shè)計應(yīng)用到的基本技術(shù)；第三章介紹了秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè) 計，詳細介紹了傳感器信號采集電路、單片機處理電路及報警電路，并給出相應(yīng)模塊的設(shè)計原理圖；第四章介紹了秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計，介紹數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報警子程序等；第五章主要介紹本設(shè)計方案的具體實現(xiàn)及調(diào)試，其中包括故障監(jiān)測和檢測和功能分析。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 42 頁 2 方案論證 設(shè)計要求 秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)是能夠檢測環(huán)境中的溫度和煙霧濃度，并具有報警功能的儀器。設(shè)計要求 通過基于 ZigBee 技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(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)進行遠程數(shù)據(jù)傳輸；編寫一套上位機監(jiān)測中心管理軟件，通過系統(tǒng)對溫度 /煙度等環(huán)境參數(shù)采集并傳輸，利用管理軟件對采集數(shù)據(jù)進行分析，以實現(xiàn)農(nóng)田監(jiān)測區(qū)域多個監(jiān)測點數(shù)據(jù)實時獲取、數(shù)據(jù)共享及安全預(yù)警功能。 設(shè)計完成的秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能： (1)環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示功能，顯示環(huán)境當(dāng)前的溫度和煙霧濃度。 (2)報警上限值調(diào)節(jié)功能，設(shè)置溫度和煙度的報警上限值。 (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。 (4)遠 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。 方案設(shè)計 (1)方案一：基于單片機的系統(tǒng)設(shè)計 本設(shè)計方案主要由單片機最小系統(tǒng)、顯示電路、按鍵電路、傳感器電路、報警電路、無線數(shù)據(jù)傳輸電路和上位機系統(tǒng)等模塊組成，其中采用 STC89C52 單片機為主控制系統(tǒng)來控制各模塊并且將各模塊功能組合在一起形成秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計思路如圖 所示。 S TC 89 C 52晶振電路復(fù)位電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器溫度傳感器煙霧傳感器報警電路顯示電路鍵盤電路無線傳輸上位機系統(tǒng)電源 圖 基于單片機的系 統(tǒng)框圖 單片機是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的工作原理是：先通過傳感器 (包括溫度傳感器和煙度傳感器 )將田地溫度、煙霧等非電信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可以直接處理的數(shù)字信號 ,完成將溫度傳感器和煙霧傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換 [5]，單片機處理采集到的信號控制顯示電路顯示溫度和煙度參數(shù)并判斷現(xiàn)場是否發(fā)生秸稈焚燒，如果發(fā)生秸稈焚燒，系統(tǒng)將控制報警電路報警，在整個過程中利用無線收發(fā)模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給 PC 端上位機系統(tǒng)。 (2)方案二：基于 FPGA 的秸稈禁燒圖像監(jiān)測系 統(tǒng)設(shè)計 本設(shè)計方案主要是采用 FPGA 來實現(xiàn)秸稈焚燒圖像的檢測方法，首先采用從秸稈焚燒現(xiàn)場所傳回的視頻中按每隔幾幀抽取出一幅圖像，然后通過 Matlab 軟件讀取出相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，再將讀出的圖像數(shù)據(jù)通過 FPGA 存儲在 ROM 中。然后通過讀取 ROM 中存儲的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)秸稈焚燒火焰圖像的特征進行火災(zāi)的監(jiān)測，最后將檢測的結(jié)果顯示出來。通過采用圖像的邊緣檢測的方法對秸稈焚燒的火焰圖像進行邊緣檢測，根據(jù)邊緣檢測的結(jié)果來判斷是否發(fā)生秸稈焚燒。 當(dāng)上述的檢測取得較好的結(jié)果后，可以模擬秸稈焚燒的場景進行檢測，系統(tǒng)的整體設(shè)計通過硬陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 42 頁 件實現(xiàn)。其硬件電路設(shè)計的整體框圖如圖 所示。 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。將圖像數(shù)據(jù)采集到之后，經(jīng)過顏色空間相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換完成的圖像數(shù)據(jù)傳送給 SDROM 并進行存儲，通過圖像數(shù)據(jù)獲得相應(yīng)信息而實現(xiàn)秸稈焚燒的檢測，最后將檢測到的數(shù)據(jù)信息傳給輸出控制模塊而顯示出監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過 FPGA 實現(xiàn)的硬件系統(tǒng)處理速度快而且實 時性比較高。 方案選擇 方案一采用 STC89C52 單片機作為主控芯片，利用溫度和煙度傳感器采集環(huán)境參數(shù)并送給單片機做數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)顯示和報警功能，整個系統(tǒng)是以單片機為核心，控制各單元模塊協(xié)調(diào)工作，使用的單片機和外圍器件都不是特別復(fù)雜，并且成本也不會太高，基本能控制在農(nóng)田應(yīng)用的可接受范圍以內(nèi)。 方案二采用圖像傳感器采集環(huán)境信息并應(yīng)用基于 FPGA 的硬件電路進行圖像處理獲得環(huán)境信息并實現(xiàn)顯示和報警功能。系統(tǒng)通過 COMS 圖像傳感器來采集環(huán)境信息，并且對圖像進行處理獲得有效信息，通過基于 FPGA 的硬件電路識別圖 像信息并控制外圍電路實現(xiàn)相關(guān)功能，通過 CMOS 傳感器獲得數(shù)據(jù)信息會更加準確，并且穩(wěn)定性很高。 相比方案一來講，方案二采用的 COMS 圖像傳感器雖然獲取數(shù)據(jù)更準確穩(wěn)定一些，但比起溫度煙度傳感器來說成本要高很多，而且考慮到傳感器要布置在無人看守的田地里，采用更廉價的傳感器更現(xiàn)實一些，加上基于 FPGA 的圖像采集技術(shù)比較復(fù)雜，因此選用方案一更貼切實際，而且容易實現(xiàn)。 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。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。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。下面對系統(tǒng)的各模塊電路分別做具體設(shè)計。 單片機最小系統(tǒng) 單片機的全稱為單片微型計算機，是嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit）中最典型的一種，英文中通常會用 MCU 來表示單片機，單片微控制器也表示單片機 [5]。單片機是秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)的心臟，用來接收 秸稈焚燒信號并啟動報警裝置顯示和執(zhí)行相應(yīng)的保護和預(yù)防動作。 在單片機實現(xiàn)的控制功能中，需要單片機有較快的運算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實時的溫度值和煙霧濃度等級，并進行相應(yīng)處理。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。 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。由于其微小的體積和極低的成本，開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分 豐富，開發(fā)工具和編程語言也大大簡化，因此被廣泛應(yīng)用于家用電器、機器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設(shè)備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具 [6]。 由于單片機技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中， Atmel 公司單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程應(yīng)用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計采用 STC89C52 單片機。 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 存儲器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 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]。 STC89C52 單片機的管腳排列如圖 所示。 X T A L 1X T A L 2A L EP 0 . 0 / A D 0P 0 . 1 / A D 1P 0 . 2 / A D 2P 0 . 3 / A D 3P 0 . 4 / A D 4P 0 . 5 / A D 5P 0 . 6 / A D 6P 0 . 7 / A D 7P 2 . 0 / A 8P 2 . 1 / A 9P 2 . 2 / A 1 0P 2 . 3 / A 1 1P 2 . 4 / A 1 2P 2 . 5 / A 1 3P 2 . 6 / A 1 4P 2 . 7 / A 1 5E AR S TP 1 . 0 / T 2P 1 . 1 / T 2 E XP 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 0 / R X DP 3 . 1 / T X D P 2 . 2 / I N T 0P 3 . 3 / I N T 1P 3 . 4 / T 0P 3 . 5 / T 1P 3 . 6 / W RP 3 . 7 / R DP S E N3 93 83 73 63 53 43 33 22 12 22 32 42 52 72 81 01 11 21 31 41 51 61 71 91 892 93 03 112345678 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 42 頁 圖 STC89C52 單片機管腳圖 STC89C52 單片機主要特性如下： (1)增強型 8051 單片機， 6 時鐘 /機器周期和 12 時鐘 /機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051. (2)工作電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V 單片機） (3)工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作頻率可 48MHz (4)用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) (5)片上集成 512 字節(jié) RAM (6)通用 I/O 口（ 32 個），復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 (7)ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 (8)具有 EEPROM 功能 (9)具有看門狗功能 (10)共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。即定時器 T0、 T T2 (11)外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 (12)通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART (13)工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級） /0～ 75℃（商業(yè)級） (14)PDIP 封裝 電源供電模塊 對于一個完整的電子設(shè)計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎(chǔ)，如圖 所示，圖中 1K 電阻為 LED 的限流電阻，電源電路中接入了電源指示 LED， S1 為電源開關(guān)。 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算機的 USB 口供給，也可使用外部穩(wěn)定的 5V電源供電模塊供給。 51 單片機雖然使用時間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機， 51 單片機更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個重要手段就是為單片機系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。 晶振電路 單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機內(nèi)部 電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率，其電路圖如圖 所示。 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