【正文】 我們的日常生活。 測(cè)試數(shù)據(jù)分析 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求及目的，在完成系統(tǒng)的整體調(diào)試后，對(duì) 整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了某些動(dòng)態(tài)值的測(cè)量，此數(shù)據(jù)為普通儀器檢測(cè)所得出，僅作為參考數(shù)據(jù)，具體結(jié)果如 表 所示 ： 通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)試及測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到低功耗的工作，另外 GSM 模塊的收發(fā)穩(wěn)定性也達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 表 數(shù)據(jù)測(cè)試表 測(cè)試數(shù)據(jù) 測(cè)試 值 系統(tǒng)供電電壓 5V 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流 98mA 發(fā)送 短信 電流 136mA 發(fā)送功率 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 結(jié) 論 本課題的設(shè)計(jì)主要對(duì)不同傳感器進(jìn)行實(shí)際的使用，傳感器就像人類(lèi)的各種器官，能夠感知周?chē)沫h(huán)境參數(shù)的變化，從而把狀態(tài)和異常實(shí)時(shí)地傳送 給單片機(jī)，然后由單片機(jī)內(nèi)部的程序及算法對(duì)檢測(cè)到的傳感器數(shù)據(jù)處理和判斷，并做出相應(yīng)的操作。 第六步： 人為的改變每個(gè)傳感器的的周?chē)h(huán)境參數(shù)，將環(huán)境參數(shù)達(dá)到設(shè)定的預(yù)警值，測(cè)試報(bào)警系統(tǒng)是否能正常啟動(dòng)及報(bào)警短信能否正常發(fā)送到遠(yuǎn)程手機(jī)終端。 第五步： 將 STM32 單片機(jī) 與 煙霧 傳感器 MQ2 和雨量傳感器 相連 接 ， 燒寫(xiě)讀取AD 模擬量數(shù)據(jù)的 C 程序，并在 LCD12864 液晶顯示屏上顯示出來(lái)，確保 測(cè)試 煙霧 傳感器 MQ2 與雨量傳感器的 硬件及軟件部分 的正確 。 第三步： 將 SIM900A 模塊與 STM32 單片機(jī)通過(guò) RS232 串口 相連 接 ， 給單片機(jī)下載一個(gè) 撥打電話(huà)的測(cè)試 程序， 保證 STM32 與 SIM900A 模塊 單片機(jī)能夠進(jìn)行正常的通訊 。 開(kāi)始初始化預(yù)熱延時(shí) 3 S配置 ADC 通道函數(shù)數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)線性計(jì)算延時(shí)天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 44 SIM900A 模塊的工作 流程圖 SIM 900 A 初始化檢測(cè)應(yīng)答命令開(kāi)始否是對(duì)環(huán)境參數(shù)與預(yù)警值比較是否超出預(yù)警值否是發(fā)送報(bào)警短信延時(shí)USART 初始化發(fā)出 AT 命令天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 第 5 章 系統(tǒng)的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 調(diào)試步驟 第一步： 設(shè)計(jì)硬件電路原理圖，并 完成 系統(tǒng) 硬件電路的焊接。系統(tǒng)首先通過(guò) AT 指令進(jìn)行波特率的匹配，等待應(yīng)答指令的返回，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)警值對(duì)比函數(shù)觸發(fā)報(bào)警中斷函數(shù)，實(shí)現(xiàn) GSM 遠(yuǎn)程異常環(huán)境變化報(bào)警的功能。 圖 43 MQ2 和雨滴 傳感器 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 SIM900A 模塊的軟件設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)之后， SIM900A 的軟件設(shè)計(jì)工作包括串口發(fā)送與接收程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、短消息編輯發(fā)送程序、數(shù)據(jù)采集處理控制程序和測(cè)試程序等 [16]。此運(yùn)行流程包括：系統(tǒng)初始化、預(yù)熱延時(shí)、配置 ADC 通道函數(shù)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)線性計(jì)算，等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。 MQ2傳感器數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖 43 所示。此運(yùn)行流程包括：系統(tǒng)初始化、預(yù)熱延時(shí)、配置 ADC 通道函數(shù)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)線性計(jì)算，等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。如此反復(fù)，完成所有操作，其流程開(kāi)始初始化寄存器配置傳感數(shù)據(jù)合并計(jì)算函數(shù)LCD 顯示函數(shù)報(bào)警中斷掃描函數(shù)啟動(dòng)報(bào)警函數(shù)及 GSM 報(bào)警短信函數(shù)是否判斷報(bào)警中斷MQ 2 數(shù)據(jù)讀取函數(shù)DHT 11 數(shù)據(jù)讀取函數(shù)雨量數(shù)據(jù)讀取函數(shù)天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖如圖 42 所示。 圖 41 主程序工作 流程圖 各傳感器模塊軟件設(shè)計(jì) 溫濕度傳感器檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì) 為了確保通信數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，對(duì)于 DHT11 溫 濕 度檢測(cè) 傳感器 軟件設(shè)計(jì)的測(cè)溫原理 必須 遵循 標(biāo)準(zhǔn) 的單總線 通信 協(xié)議，單片機(jī)通過(guò) 標(biāo)準(zhǔn)的 時(shí)序?qū)懭牒妥x出DHT11 寄存器中 的數(shù)據(jù)，包括初始化 命令 、 等待應(yīng)答脈沖、發(fā)送指令及數(shù)據(jù)合并計(jì)算等 操作 [14]。 圖 310 電源 5V 轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)電路 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)中，防止不同功能函數(shù)之間的運(yùn)行沖突，造成不合理的運(yùn)行結(jié)果，主函數(shù)對(duì)各子函數(shù)的合理調(diào)用非常關(guān)鍵，在本設(shè)計(jì)中主函數(shù)的運(yùn)行主要包括初始化所有函數(shù)、配置寄存器、傳感器數(shù)據(jù)讀取函數(shù)、采集數(shù)據(jù)運(yùn)算函數(shù)、 LCD 顯示函數(shù)、掃描報(bào)警中斷函數(shù)。在該系統(tǒng)中還需要提供 的電壓作為單片機(jī)系統(tǒng)的供電電壓，因此還需要設(shè)計(jì) 5V 轉(zhuǎn) 的穩(wěn)壓整流電路，系統(tǒng)選擇 穩(wěn)壓 芯片， 通過(guò)該穩(wěn)壓芯片的內(nèi)部整流和穩(wěn)壓電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行精確的降壓，保證控制系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性 。 此處我們選用 5V1A 的直流輸出型電源適配器作為電源驅(qū)動(dòng)模塊。 圖 39 報(bào)警驅(qū)動(dòng) 電路 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 電源驅(qū)動(dòng)模塊 電源適配器能夠很好的輸出較為平穩(wěn)的直流電壓，其輸出電流也相對(duì)穩(wěn)定，并且電源適配器有塑料外殼能夠起到電源芯片的防塵和防爆作用，其內(nèi)部電路的功耗較低，穩(wěn)定性也相對(duì)比較好，攜帶也比較方便 。 LED 報(bào)警指示功能的驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)方式較為簡(jiǎn)單，可以通過(guò)單片機(jī)的 IO 直接驅(qū)動(dòng)。因?yàn)榉澍Q器的工作電流比較大，所以無(wú)法直接通過(guò)單片機(jī)的 IO 口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一般需要通過(guò)放大電路才能驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響。 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 38 液晶顯示電路 蜂鳴語(yǔ)音報(bào)警模塊及模擬繼電器 LED 指示模塊 由于蜂 鳴器是直流電壓驅(qū)動(dòng)器件，只需要給蜂鳴器供上額定的電壓就能驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出響聲。雖然 本系統(tǒng)中單片機(jī)接口資源豐富， 但是考慮減輕電路焊接的工作量， 所以采用 串 行傳輸?shù)姆绞脚c LCD12864 液晶顯示屏連接通訊。并行連接的數(shù)據(jù)顯示和傳輸速度快，適合對(duì)顯示速度要求高的場(chǎng)合，但是 IO 資源占 用的較多；串行連接的數(shù)據(jù)顯示和傳輸速度相對(duì)較慢，但是其 IO 資源占用較少，對(duì)顯示速度要求不高的場(chǎng)合可以選用串行方式連接。 圖 37 SIM900A 模塊與單片機(jī)連接電路圖 顯示電路設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中 LCD12864 液晶 顯示 用于顯示 當(dāng)前的日期時(shí)間、系統(tǒng)周?chē)臏貪穸?、煙霧濃度及雨量檢測(cè)數(shù)據(jù) 。本設(shè)計(jì)選用 SIM900A模塊作為系統(tǒng)的 GSM 通訊模塊，主要考慮其功耗低，運(yùn)行穩(wěn)定且體積較小，安裝較為方便等優(yōu)點(diǎn)。為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，采用串口的方式與單片機(jī)連接，這樣僅需要三根線即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 SIM900A 模塊之間的通信，即發(fā)送線 TXD，接收線 RXD，地線 GND 三根線。 圖 36 SW420 震動(dòng)傳感器與單片機(jī)連接電路圖 GSM 無(wú)線通訊模塊 設(shè)計(jì) 單片機(jī)與 SIM900A 模塊的連接和控制主要是通過(guò)串口進(jìn)行控制。輸出可直接連接到單片機(jī)，由單片機(jī) 來(lái)檢測(cè)電平的高低，從而檢測(cè)有無(wú)振動(dòng)，發(fā)出震感報(bào)警信號(hào)。 VCCDATAGNDNCDATA5 KVCC VCCGNDDHT 11C P U天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 35 MQ2 模塊與單片機(jī)連接電路圖 震動(dòng)傳感器模塊 設(shè)計(jì) SW420 為常閉式振動(dòng)傳感器采用了比較器輸出，波形好，信號(hào)穩(wěn)定，有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，電流大于 15mA。外部使用電位器來(lái)檢測(cè)閥值，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整以后送到 后面一級(jí)，經(jīng)過(guò)由 LM393 組成的比較器進(jìn)行比較，最終將得到的模擬量電壓信號(hào)輸出，以便控制器對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與處理 。 DHT11 傳感器典型應(yīng)用電路如圖 33 所示： 圖 32 DHT11 實(shí)物圖 圖 33 DHT11 傳感器典型應(yīng)用電路 煙霧傳感器電路設(shè)計(jì) 煙霧傳感器在工作時(shí)，內(nèi)部的加熱絲會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此需要較大的工作電流，因此對(duì)供電電源有一定的要求，至少應(yīng)該使用電流在 1A 以上的電源。 圖 32 的三個(gè)引腳中有兩 個(gè)是電源引腳，有一個(gè)是輸出數(shù)據(jù)的引腳，只需要給模塊供上額定的電壓，然后就可以通過(guò)單片機(jī)的某個(gè) IO 口從 DHT11 的輸出引腳采集到所需要的溫濕度數(shù)據(jù)。 2℃ 的測(cè)量精度，其額定供電電壓在 至 均可，供電范圍較寬，響應(yīng)時(shí)間短，最長(zhǎng)不超過(guò) 5 秒， DHT11溫度傳感器有 4 個(gè)外接引腳，給傳感器上電后，需要經(jīng)過(guò)一秒鐘左右的預(yù)熱時(shí)間，因?yàn)閯偵想姇?huì)有一個(gè)不穩(wěn)定過(guò)程，所以在這段時(shí)間內(nèi)控制器不需要發(fā)送任何指令個(gè)傳感器。 DHT11 溫濕度傳感器的濕度檢測(cè)范圍是 20％ ~90％RH； 177。為了確保該傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，器內(nèi)部采用了專(zhuān)用的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)。本課題選用的單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖 31 所示。 STM32F103C8T6 單片機(jī)的溫度工作范圍很寬，能夠在零下 40 攝氏度到零上 105 攝氏度的范圍里面正常工作。 圖 29 紅色發(fā)光 LED 實(shí)物 圖 210 蜂鳴器實(shí)物 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第 3 章 系統(tǒng)模塊的電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)的芯片采用的是 STM32F103C8T6 單片機(jī)，由于 STM32 系列基于ARM CortexM3 內(nèi)核的高性能單片機(jī)，其工作頻率高達(dá) 72MHz，芯片內(nèi)部集成有高速存儲(chǔ)器，豐富的 I/O 接口 [9]。蜂鳴器只需要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路便可以發(fā)出聲音，并且可以通過(guò)改變控制信號(hào)的頻率，使發(fā)出的聲音產(chǎn)生不同的聲波，報(bào)警不同頻率的聲音可以被用來(lái)區(qū)分警報(bào)信號(hào)的類(lèi)型。紅色發(fā)天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 光 LED 實(shí)物圖如圖 29 所示。 圖 27 SIM900A 模塊 圖 28 LCD12864 液晶顯示器 報(bào)警模塊的 選擇 在系統(tǒng)中，聲光報(bào)警的作用是進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)的雙重感官提醒，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮到警報(bào)燈的顏色對(duì)人眼的視覺(jué)刺激程度。 經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)分析，最終選擇方案一作為本系統(tǒng)的人機(jī)交互顯示方式的模塊。 數(shù)碼管一般都是七段數(shù)碼管，分為共陰極數(shù)碼管和共陽(yáng)極數(shù)碼管，其編程方式采用循環(huán)掃描將不同的數(shù)據(jù)和變量在數(shù)碼管上顯示出來(lái)，數(shù)碼管的市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)便宜，而且編程簡(jiǎn)單，但是該模塊只能顯示簡(jiǎn)單的英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字，其顯示效果相對(duì)較差，并且外圍電路的搭建較為復(fù)雜，需要配合74HC595 等類(lèi)型的鎖存器使用，較為復(fù)雜 [8]。并且 LCD12864 液晶屏 的顯示程序比較簡(jiǎn)單，與外部控制器的電路設(shè)計(jì)連接非常方便，能夠很好的嵌入到系統(tǒng)中。 液晶 顯示 模塊的 選擇 方案一： 人機(jī)交互界面在每個(gè)系統(tǒng)中都有很重要的作用， LCD12864 液晶 顯示就天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 是一種常見(jiàn)的 人機(jī)界面顯示 方式， LCD12864 的顯示功能比較強(qiáng)大，不僅僅能顯示中文和英文，而且一些較為復(fù)雜的圖形符號(hào)都可以通過(guò)編程的方式在液晶屏上顯示出來(lái)， LCD12864 液晶屏 與單片機(jī)的連接方式有串行連接和并行連接，可以根據(jù)不同場(chǎng)合和顯示數(shù)據(jù)量的大小進(jìn)行選擇。該系統(tǒng)利用 GSM 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)快速性、穩(wěn)定性和相對(duì)低廉的費(fèi)用，可以很好的嵌入到一個(gè)大型的家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和無(wú)人值守的系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足客戶(hù)所需要的高可靠性，及時(shí)性和易用性，以及性能穩(wěn)定，具有很高的性?xún)r(jià)比 [6]。 圖 25 震動(dòng)傳感器 圖 26 雨滴傳感器 GSM 無(wú)線通訊模塊的 選擇 SIMCom 公司生產(chǎn)的無(wú)線異步收發(fā)芯片 SIM900A 基于 GSM 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，根據(jù)其基本性能和主要結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)使用 SIM900A 的 GSM 模塊進(jìn)行短消息發(fā)送遠(yuǎn)程故障的報(bào)告系統(tǒng)。 雨滴傳感器模塊的 選擇 雨滴傳感器是用于檢測(cè)室外環(huán)境下雨天氣及雨量大小，提醒終端 操作者，及時(shí)關(guān)閉窗戶(hù)，防止雨水過(guò)大進(jìn)入房間，造成地板、家具或窗簾的損害，減小不必要的物品和財(cái)產(chǎn)損失，本課題選用模擬量輸出信號(hào)的雨滴傳感器，該傳感器檢測(cè)范圍寬泛，能夠根據(jù)雨