【導(dǎo)讀】⑴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；⑵利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；1—4周：查閱相關(guān)資料，熟悉題目內(nèi)容，掌握設(shè)計原理，提交開題報告；5—10周：根據(jù)設(shè)計原理，進(jìn)行相應(yīng)軟、硬件設(shè)計；11—12周：完善設(shè)計功能，整理資料并進(jìn)行結(jié)果測試及分析；13—14周：畢業(yè)設(shè)計驗收；15—16周：撰寫、修改、提交畢業(yè)論文，畢業(yè)答辯。[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。單片機作為主控芯片，分別用DS18B20溫度傳感器、MQ-2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。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、具有一

　　

【正文】 采用四位一體式共陰數(shù)碼管來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，在采用單片機系統(tǒng)應(yīng)用時，通常采用價格低廉并且應(yīng)用靈活的數(shù)碼管來作為電路的顯示部分。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。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。本文對數(shù)碼管的顯示呈現(xiàn)了一種常用的顯示方法，應(yīng)用這種方法實現(xiàn)多位數(shù)碼管的動態(tài)顯示，其硬件電路結(jié)構(gòu)簡單很多，并且廉價和移植方法簡單，因此它在各種領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用 [10]。 多位 LED 顯示時，將所有數(shù)碼管的段選并聯(lián)在一起，由一個 8 位 I/O 口控制，每個數(shù)碼管的陰極或者陽極連在一起通過 8 位 I/O 口輸出控制信號控制每一個數(shù)碼管的顯示狀態(tài)。本設(shè)計的顯示是利用單片機的兩個 I/O 口實現(xiàn) 4 個 LED 數(shù)碼管的控制的簡要方法，圖 所示是該電路的硬件原理圖。其中為了使單片機 I/O 口有 足夠的電流驅(qū)動數(shù)碼管，在每個段選端口都加上一個三極管來放大電流，數(shù)碼管用共陰型數(shù)碼管 [11]。 VC CVC CP 0 . 3P 0 . 1P 0 . 0P 0 . 5P 0 . 7NP NP2.04 .7 KLED 數(shù)碼管4 .7 K 4 .7 K4 .7 K87 6 5 4 3 2 1P2.2P2.1P2.6P2.5P2.4P2.3P2.7NP NNP NNP NNP N4 .7 K1 K1 K1 K1 K1 K 圖 數(shù)碼管顯示電路圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 共 42 頁 顯示時，其數(shù)據(jù)信息會以并行傳輸方式從 STC89C52 的 P2 口輸出并且送給段選端的 8 個管腳，同時用 P0 口傳送位選信息給數(shù)碼管，實現(xiàn)對數(shù)碼管 LED1～ LED4 的位選控制，這樣， 4 個數(shù)碼管便以 100ms 的時間間隔輪流顯示。由于人眼的殘留效應(yīng)，這 4 個數(shù)碼管看上去幾乎是同時顯示。 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 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]。單片機的 口連接三極管基極，當(dāng)檢測到火災(zāi)隱患時， 輸出高電平，三極管工作在放大狀態(tài)，電路導(dǎo)通，蜂鳴器報警。 鍵盤電路 報警數(shù)值用按鍵 S2， S3， S4 來設(shè)置， S2 為調(diào)整鍵，通過三個端口分別采集鍵盤信號，電路圖如 圖 所示。 P 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4V C C1 0 KS 31 0 K 1 0 KS 5S 4 圖 鍵盤電路圖 按一下調(diào)整煙霧報警限值，按第二下調(diào)整溫度報警下限值，按第三下調(diào)節(jié)溫度報警上限值，按第四下取消光標(biāo)顯示，屏幕恢復(fù)正常顯示。 S S分別為減小鍵和增大鍵，和調(diào)整鍵配合使用。 無線收發(fā)電路 系統(tǒng)采用一對 ATKHC05 藍(lán)牙模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)， ATKHC05 是一款高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機、手機、 PDA、 PSP 等智能終端配對，模塊兼 容陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 42 頁 5V或 ，可以很方便的與其他產(chǎn)品進(jìn)行連接。這種模塊非常小巧，模塊通過 6個 間距的排針與外部連接，發(fā)射模塊電路如圖 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。 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 CA T K H C 0 5VCCGNDTXD5RXDKEYLED6 4 3 2 1GNDRXDTXDVCCU S BC H 3 4 0 圖 基于 ATKHC05 藍(lán)牙模塊的接收電路圖 通過 CH340 模塊實現(xiàn)串口到 TTL 電平的轉(zhuǎn)換之后，即接收模塊可以直接與 PC 端進(jìn)行串行通信，實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)并且傳送給 PC 端，使電路實現(xiàn)功能的同時結(jié)構(gòu)更加簡單。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 共 42 頁 4 軟件設(shè)計 軟件的設(shè)計采用模塊化設(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(jì)的方法滿足各種要求 [13]。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)這對矛盾得到解決。 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。因為 C 語言的描述由函數(shù)組成，是一種結(jié)構(gòu)化的 程序設(shè)計語言，所以更容易實現(xiàn)模塊化，而且具有可讀性好，易于移植等優(yōu)點，同時還有匯編語言一樣的位操作功能的硬件詳細(xì)控制指令。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，可以使用結(jié)構(gòu)體和數(shù)組，能夠處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可用于實時處理系統(tǒng) [14]。 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(jìn)行具體設(shè)計。 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(jìn)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。主程序流程圖如圖 所示。 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(jìn) 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(jìn) 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(jìn)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。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。為方便調(diào)節(jié)濃度和溫度報警的上下限，還加入了三個按鍵，因此主程序在不斷地采集信號然后顯示并判斷是否需要報警，我們把初始化完成后的這幾步操作 放入一個死循環(huán)中實現(xiàn)功能。 煙霧采集電路的主要元件是煙霧傳感器，由煙霧傳感器采集煙霧信號，轉(zhuǎn)化為模擬的電信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將該模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷是否大于或等于預(yù)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 共 42 頁 設(shè)值，如果大于等于則蜂鳴器報警，紅色 LED 燈亮，繼電器動作，帶動旁邊的紅色 LED 燈亮，綠色 LED 燈滅。 首先要給傳感器預(yù)熱三分鐘，因為 MQ2 型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，二氧化錫會吸附空氣中的水蒸氣，再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預(yù)熱，使水蒸氣蒸發(fā)后，氣敏電阻才能正常工 作。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，進(jìn)行按鍵掃描。 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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換處理，溫度傳感器讀取溫度，由單片機進(jìn)行分析處理，判斷系統(tǒng)是否啟動聲光報警。 初始化程序設(shè)計 系統(tǒng)上電后，程序由主程序開始執(zhí)行，主程序執(zhí)行的第一步就是初始化，所謂初始化，是對將要用到 AT89S52 單片機內(nèi)部部件或擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始化工作狀態(tài)設(shè)定。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。初始化程序流程圖如圖 所示。 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 警 指 示 燈是 否 保 存 報 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)置定時初值，再設(shè)置定時器工作方式，打開定時器并且允許中斷，首先要蜂鳴器和指示燈都要設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，即熄滅報警指示燈，并且關(guān)閉蜂鳴器。 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 數(shù)據(jù)采集是火災(zāi)報警系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。為了降低誤報率，系統(tǒng)設(shè)計時對溫度煙霧采用了兩次采集、兩次判斷的方法。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(jìn)行比較，判斷現(xiàn) 場是否發(fā)生火災(zāi)。 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(jìn)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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后存入寄存器。系統(tǒng)延時 50ms，進(jìn)行第二次溫度煙霧信號采集，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入寄存器中。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)。系統(tǒng)溫度煙霧信號采集程序流程圖 如圖 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 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 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)計采用的是模塊化設(shè)計，系統(tǒng)實現(xiàn)報警功能是通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)的。在數(shù)據(jù)采集子程序中，一次溫度煙霧信號采集延時 10ms，是讓 ADC0809 準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次信號轉(zhuǎn)換。當(dāng)系統(tǒng)采集 2次溫度煙霧信號后，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)存入單片機的寄存器中，系統(tǒng)再調(diào)用火災(zāi)判斷子程序。 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。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。 NN YY開 始掃 描 設(shè) 置 狀 態(tài)延 時 1 0 m s延 時 1 0 m s 結(jié) 束按 鍵 狀 態(tài) 更 新按 鍵 狀 態(tài) 更 新設(shè) 置 煙 度顯 示 煙 度設(shè) 置 煙 度顯 示 煙 度 圖 按鍵控制子程序流程圖 按鍵程序在實現(xiàn)掃描按鍵信息時要消除抖動，因此要在掃描到按鍵信息時延時 10ms 再掃描，兩次掃描都出現(xiàn)按下動作時才認(rèn)為按鍵動作，然后提取鍵值調(diào)用按鍵處理子程序。 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。 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。 上位機軟件設(shè)計 上位機軟件的開發(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)計語言。 VB 被認(rèn)為是世界上最流行的語言，程序員可以非常容易的利用 VB 中的組件創(chuàng)建應(yīng)用程序 [16]。軟件開發(fā)流程如圖 所示。 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。 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(jìn)行模擬來測試功能是