【正文】 系(教研室)主任簽名 批準日期 接受論文 (設(shè)計)任務(wù)開始執(zhí)行日期 學生簽名 秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)張 帥（陜西理工學院物理與電信工程學院通信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。系統(tǒng)對監(jiān)測信息采集并傳輸，通過監(jiān)測軟件觀察監(jiān)測點的溫度及煙霧濃度。 [關(guān)鍵詞]監(jiān)測；上位機；單片機；傳感器 Design and Implementation of Straw Incineration Wireless Monitoring SystemZhang Shuai(Grade11,Class2,Major of Communication Engineering,Physical and Telemunication Engineeringinstitute,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,Shaanxi)Tutor: Zhang Wenli Abstract:Farmland straw incineration wireless monitoring system is very important in application. By effective and reliable management, it can realize the rural information wireless monitoring. It’s one of the important steps to promote the farmland and rural intelligent management,so it has great value in issue designs a wireless detection this design,the STC89C52 singlechip microputer was choosed as the master control chip and the system collect environmental information from the MQ2 and DS18B20 sensor processing by STC89C52,the system can display temperature and smoke concentration in nixie tube,and the system can also give an alarm when environmental information cross the border. Simultaneously,the research develops monitoring software for upper system can transmit monitoring information from the MQ2 and DS18B20 sensor,and we can observe the temperature and smoke concentration of the monitoring points by the monitoring of the advantages of simple structure,stable performance,convenient application and low cost,the system would have a certain practical value. Key words:monitor,PC, MCU, sensor 目 錄引 言 11 研究背景 2 研究意義 2 研究現(xiàn)狀 2 本文的主要內(nèi)容 32 方案論證 4 設(shè)計要求 4 方案設(shè)計 4 方案選擇 53 硬件設(shè)計 6 單片機最小系統(tǒng) 6 電源供電模塊 7 晶振電路 7 復(fù)位電路 8 信號采集電路 9 溫度采集電路 9 煙霧采集電路及AD轉(zhuǎn)換 11 顯示電路 13 報警電路 14 鍵盤電路 14 無線收發(fā)電路 144 軟件設(shè)計 16 主程序設(shè)計 16 初始化程序設(shè)計 17 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 17 按鍵控制程序設(shè)計 18 報警程序設(shè)計 19 上位機軟件設(shè)計 195 系統(tǒng)分析 20 系統(tǒng)仿真 20 硬件測試 21 功能分析 23結(jié)束語 24致 謝 25參考文獻 26附錄A 外文文獻原文 27附錄B 外文文獻譯文 33附錄C 部分程序清單 38附錄D 元器件清單 41附錄E 實物圖 42V陜西理工學院畢業(yè)設(shè)計引 言自古以來農(nóng)民就有焚燒秸稈的習慣，只是近些年焚燒秸稈才被“證實”為霧霾天形成原因，雖然霧霾天并不總是在秸稈焚燒時才出現(xiàn)，將其拿出來做“擋箭牌”有點難以服眾，但事實上，焚燒秸稈確實會讓空氣質(zhì)量下降。換言之，包括焚燒秸稈者在內(nèi)的住在秸稈焚燒火點周圍的人是秸稈焚燒的最大受害者。焚燒秸稈者不僅要承擔身體之苦，若是被抓現(xiàn)行，還要被處以罰款乃至被追究法律責任，代價不可謂不大。在我國的華北平原地區(qū)深受秸稈焚燒之苦，每年夏收秋收之際，每至傍晚，到處濃煙滾滾，甚者十米之外不能見人，口鼻喉嚨也被這煙火氣撕扯著，呼吸都成難事，眼睛也被熏得疼痛不已。每每到了此等時節(jié)，新聞都對這焚燒秸稈的舉動深惡痛絕，同時對焚燒秸稈危害的宣傳也鋪天蓋地?；鶎诱疄榱似较⒈娕蚕铝舜罅庹?。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防死守。但是不管宣傳有多苦口婆心，措施多嚴厲，陣勢有多大，總沒多大用處。況且，自己家的秸稈也等著燒呢……或者是村干部等上邊風頭一過，且村民已收割完畢，不聲不響放一把火，把該燒的都燒了，當然，連帶自己家的。因此，這件事就成了死循環(huán)，政府年年強調(diào)，媒體年年報道，老百姓該燒的卻一次都沒落下。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。人們在衣食住行等各個方面都要依靠農(nóng)業(yè)來提供需求，農(nóng)業(yè)的發(fā)展關(guān)系到全國人民的生活。每到收獲的季節(jié)，人們常常會把秸稈就地焚燒，然而他們卻忽略了秸稈焚燒所帶來的危害。秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉（穗）部分的總稱。人們現(xiàn)在對秸稈處理方式最直接的印象就是在田里大量焚燒，人們?yōu)榱思涌燹r(nóng)忙的進程，就地焚燒大量的秸稈，卻不知這樣做他們將會付出更為嚴重的代價。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)。為了改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的害處，農(nóng)業(yè)部等國家六部聯(lián)合發(fā)布，提出了加強秸稈綜合利用和禁止禁燒的政策。一是焚燒的煙霧會污染空氣，進而影響人的健康。二是容易出現(xiàn)安全隱患，比如火災(zāi)，會威脅到人們的生命財產(chǎn)安全。三是容易造成交通安全隱患。四是焚燒秸稈會改變土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤孕育植物的能力下降。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報秸稈焚燒現(xiàn)象，防止和減少火災(zāi)危害，避免環(huán)境污染，減少這類事故的發(fā)生，就必須對煙霧進行現(xiàn)場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測儀表，嚴密監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度和周圍溫度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，并及時制止，采取有效措施，避免事故發(fā)生和環(huán)境污染，才能確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和環(huán)境的保護。 研究現(xiàn)狀國外從20世紀30年代開始研究及開發(fā)煙霧傳感器，使得煙霧傳感技術(shù)發(fā)展迅速，這一發(fā)展趨勢之快是因為隨著人們對火災(zāi)安全的意識增強，追求更高的生活舒適性和安全性[1]。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]。我國在70年代初期也開始了對煙霧傳感器的研究，并且生產(chǎn)型號多樣、品種也更加齊全，從最初的單一對煉油系統(tǒng)開發(fā)的可燃氣體傳感器到應(yīng)用于各種生產(chǎn)生活中的安全場所監(jiān)控，開始出現(xiàn)各種安全監(jiān)控報警器，每年的生產(chǎn)產(chǎn)量也在不斷上升，這些成就主要是在引用了國外先進的傳感器技術(shù)和先進的生產(chǎn)制造基礎(chǔ)之上，做進一步研究來開發(fā)出具有自己特色的產(chǎn)品技術(shù)。 本文的主要內(nèi)容本設(shè)計針對經(jīng)常發(fā)生的秸稈焚燒事故，主要采用傳感器采集信號并對信號做處理，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，最終使系統(tǒng)具有溫度和煙霧濃度檢測及報警功能的秸稈焚燒自動檢測報警系統(tǒng)。本設(shè)計在硬件設(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。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。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。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。(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。(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。 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)。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。當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)計通過硬件實現(xiàn)。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)。 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)。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。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。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。下面對系統(tǒng)的各模塊電路分別做具體設(shè)計。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。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。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。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。 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