便攜式環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 便攜式環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案 1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 方案一：采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是速度較快但可靠性較差、控制精度比較低、線(xiàn)路復(fù)雜、調(diào)試、安裝都不方便，實(shí)現(xiàn)題目所有的要求難度較大。 方案二：采用單片機(jī)、安卓手機(jī)與溫度傳感器結(jié)合使用的方式。即使用單片機(jī)完成人機(jī)界面系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、分析處理，由溫度傳感器完成環(huán)境信息的采集與轉(zhuǎn)換。這種方案克服了方案一的缺點(diǎn)，所以本論文的設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)和溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度環(huán)境信息采集顯示的控制。 統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 為了實(shí)現(xiàn)便攜式環(huán)境信 息的采集，本設(shè)計(jì)采用基于安卓手機(jī)與單片機(jī)的溫濕度的信息采集，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集、發(fā)送，選用 51單片機(jī) 濕度傳感器 過(guò)單片機(jī)采集完這些數(shù)據(jù)后，可通過(guò) 本論文采用將安卓手機(jī)作為信息接收的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)主要由主控中心 (單片機(jī) )、溫度信號(hào)采集、溫度信號(hào)顯示及控制等功能模塊組成，采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要設(shè)置 測(cè)溫點(diǎn)數(shù)量，系統(tǒng)具有很好的靈活性和擴(kuò)展性。 統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)采集的溫濕度數(shù)據(jù)需 要進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)被測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示以及控制，本系統(tǒng)釆用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示驅(qū)動(dòng)模塊和溫度設(shè)置模塊，驅(qū)動(dòng)電路，通信模塊。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 示 。 位電路 溫濕度采集模塊 鍵盤(pán)模塊 報(bào)警模塊 顯示驅(qū)動(dòng)模塊 輸出驅(qū)動(dòng)模塊 2 圖 統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 .1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的硬件模塊由鍵盤(pán)、單片機(jī) 、 示、 信模塊、溫濕度傳感器等各模塊組成。 片機(jī)控制模塊 本設(shè)計(jì)的硬件電路，通過(guò)單片機(jī)控制溫濕度傳感器，從而對(duì)溫濕度實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，并通過(guò) 時(shí)，本設(shè)計(jì)增加了報(bào)警語(yǔ)音模塊，可根據(jù)需要設(shè)定溫濕度上下限，若當(dāng)時(shí)溫濕度超限便會(huì)報(bào)警。接入矩陣式鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換功能，并用 示屏顯示出來(lái)。通過(guò)矩陣鍵盤(pán)設(shè)置手機(jī)號(hào)碼，通過(guò) 機(jī)發(fā)送一個(gè)指令，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)把當(dāng)前溫濕度值短信送設(shè)置的手機(jī)號(hào)碼上。 性能 片機(jī) ，器件采用 高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 令系統(tǒng) ，片內(nèi)含 8k 可反復(fù)擦寫(xiě)的序存儲(chǔ)器 和 256 片內(nèi)置通用 8位 中央處理器 和 儲(chǔ)單元 ， 片機(jī)在電信息行業(yè)中有著廣泛推廣應(yīng)用。單片機(jī) 40 個(gè)引腳， 2 個(gè)讀寫(xiě)口線(xiàn)， 2 個(gè)全雙工串行通信口，同時(shí)含有 2 個(gè)外中斷口， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出端口， 3 個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，它可以按常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以進(jìn)行在線(xiàn)編程，也可將 反 復(fù)擦寫(xiě)的 儲(chǔ)器能夠有效降低開(kāi)發(fā)成本。單片機(jī) 8 位 通用微處理器 ，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主 部 寄存器 、數(shù)據(jù) 聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試控制，紅外遙控信號(hào) 接收解碼和主板 信等。單片機(jī) 供以下功能： 8字節(jié) 速存儲(chǔ)器， 256字內(nèi)部 32個(gè) I/3個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 同時(shí)， 降至 靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電上作模式。空閑方式停止 工作，但允許 時(shí)計(jì)數(shù)器串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作1。掉電方式保存 的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一 3 個(gè)硬件復(fù)位。 圖 引腳圖 0 口： 是一組 8 位開(kāi)路型雙向 1/O 口，即地址 /數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口時(shí)，每位可以吸收電流驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) 輯門(mén)電路，對(duì)端口 “ 1”時(shí)，作為高阻抗輸入端用。在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組端口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，在訪(fǎng)問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 編程時(shí)， 接收指令字節(jié)，在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，需要外接上拉電阻。在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，訪(fǎng)問(wèn)期間會(huì)激活內(nèi)部上拉電阻。 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 輸出 緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) 輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入 口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè) 引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 ( 可分別作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ 2）和輸入（ 2 程和程序校驗(yàn)期間， 收低 8 位地址。 ： 是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 輸出 緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) 輯門(mén)電路。對(duì) 寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平， 4 此時(shí)可作輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪(fǎng)問(wèn)外部 程序存儲(chǔ)器 或 16 位的地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 令）時(shí)， 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪(fǎng)問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 （例如執(zhí)行 ， 輸出 內(nèi)容。 者校驗(yàn)時(shí)， 制信號(hào) 。 ： 是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) 輯門(mén)電路。對(duì) 寫(xiě)入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的 將用上拉電阻輸出電流（ 除了作為一般的 I/O 口線(xiàn)外，更重要的用途是它的第二功能。 還接收一些用于 速存儲(chǔ)器 編程 和程序校驗(yàn)的 控制信號(hào) 2。 引腳的第二功能如表 表 3 口引腳的第二功能 3 腳號(hào) 第二功能 行輸入） 行輸出） 部中斷 0） 部中斷 1） 0（定時(shí)器 0外部輸入） 1（定時(shí)器 1外部輸入） R（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） D（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀選通） 位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， 腳 出現(xiàn)兩個(gè) 機(jī)器周期 以上高電平將使 單片機(jī) 復(fù)位 。 當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部 程序存儲(chǔ)器 或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 地址鎖存 允 許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié) 3。一般情況下， 然以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，它可以對(duì)外輸出時(shí)鐘或者是在用于定時(shí)目的。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn) 外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) 沖。對(duì) 程 時(shí)，該 引腳 可以輸入編程脈沖（ 還可通過(guò)對(duì) 特殊功能寄存器 區(qū)中的 8元的 止 作。該位置位后，只有一條 令才可以將 活。此外，該 引腳 會(huì)被微弱拉高， 單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 止位無(wú)效 。 程序儲(chǔ)存允許（ 出是外部程序 存儲(chǔ)器 的讀選通信號(hào)，當(dāng) 5 外部 程序存儲(chǔ)器 取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè) 機(jī)器周期 兩次 效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn) 外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次 4。 外部訪(fǎng)問(wèn)允許。 訪(fǎng)問(wèn)外部 程序存儲(chǔ)器 （地址為 0000H 時(shí)候， 必須保持低電平（接地）。如果加密位 編程 ，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 會(huì)執(zhí)行內(nèi)部 程序存儲(chǔ)器 中的指令。 程 時(shí)，該 引腳 加 +12V 電平的編程允許電源。 蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 蕩器反相放大器的輸出端。 電電壓。 地。 位電路與晶振電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的核心，它控制了溫濕度的采集、處理以及顯示，溫度值越限時(shí)控制電路的啟動(dòng)。復(fù)位電路可以提供單片機(jī)復(fù)位功能，上電時(shí)可給單片機(jī)提供相應(yīng)的復(fù)位電平 信號(hào)電路本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路有單片機(jī) 外圍電路組成。 部有一個(gè)帶反饋的線(xiàn)性反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但是要形成時(shí)鐘脈沖，外部需要附加電路，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩器，在引腳 成穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，兩個(gè)電容的值通常選擇為 22振選擇 12了減小寄生電容，更好地保證振蕩器的穩(wěn)定性和可靠性，振蕩器電容應(yīng)該安裝得更加靠近引腳 部振蕩器的輸入和輸出 接晶振和電容組成震蕩器，震蕩器在，由加電以后延遲一段時(shí)間起振產(chǎn)生時(shí)鐘， 腳 單片機(jī)內(nèi)部提供時(shí)鐘信號(hào)。引腳 +5V 電源，表示允許使用片內(nèi) 位是系統(tǒng)歸零調(diào)整操作。單片機(jī) 9 個(gè)腳為 腳。在工作中， 個(gè)機(jī)器周期可以產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位，其中 6個(gè)時(shí)鐘脈沖為 1 個(gè)機(jī)器周期。系統(tǒng)采用 12個(gè)時(shí)鐘脈沖周期為 1/12 s，一個(gè)機(jī)器周期含有 12個(gè)時(shí)鐘脈沖，即 1 s。也就是說(shuō)在 腳上連接一個(gè) 2 s 的高電平脈沖即可產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位動(dòng)作。時(shí)鐘脈沖震蕩電路的主控制器 部有晶振電路。在 脈沖振蕩電路選用的振蕩頻率為 12足實(shí)際的溫濕度數(shù)據(jù)采集的要求。 由于單片機(jī)電路是時(shí)序 數(shù)字電路 ，需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，所以電源上電時(shí)，只有當(dāng)電壓超過(guò) 于 體振蕩器 穩(wěn) 定工作時(shí)， 復(fù)位信號(hào) 才被撤除，微機(jī)電路開(kāi)始正常工作 5。 6 按鍵復(fù)位原理：上電后，單片機(jī)不能復(fù)位，不能運(yùn)行 作期間，按下 S， 10K 電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位 。幾個(gè)毫秒后，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。復(fù)位鍵按下以后，電容迅速放電，使 位鍵彈起以后，電源通過(guò) 1k 電阻對(duì)電容重新充電，引腳 出現(xiàn)復(fù)位正脈沖。單片機(jī)按鍵復(fù)位電路與晶振電路圖如圖 圖 位電路與晶振電路設(shè)計(jì) 濕度采集模塊 一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它可應(yīng)用于數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器含有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) 與一個(gè)高性能 8位單片機(jī)相連接，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn) 6。因此，本設(shè)計(jì)采用 過(guò)內(nèi)部電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理并且進(jìn)行顯示。溫 濕度模塊的實(shí)物圖如圖 7 圖 濕度采集模塊實(shí)物圖 數(shù)字傳感器 電電壓 :C；輸出：?jiǎn)慰偩€(xiàn)數(shù)字信號(hào)；測(cè)量范圍：濕度 20H，溫度 0測(cè)量精度：濕度 +H,溫度 +分 辨 率：濕度 1%度 1互換性：可完全互換；長(zhǎng)期穩(wěn)定性： #; _;_;_;_; ; /標(biāo)記 收數(shù)組 5=0; /斷接收數(shù)組 ; /管腳定義， ; /管腳定義， 1602液晶 ; /管腳定義， 1602液晶 W/ ; /管腳定義， 1602液晶 1 = ; 2 = ; 3 = ; 4 = ; ; /蜂鳴器 =0,1,2,3,4,5,6,7,8,9; = 6 = 6 ,; ,; ; /聲明 ; /聲明 晶顯示函數(shù)； ; /聲明 收數(shù)據(jù)函數(shù)； 31 ; X(); ; ; ; /主函數(shù) ; ; ) ; ; ; (0) ; if(0) ; 0)= 0) ; if(0) ; 0) ; 32 if(0) ; 0)= 0) ; if(0) ; /* /延時(shí)函數(shù) /* i ; i=0;i250;i+); /* /延時(shí)函數(shù) /* ; 33 /* /蜂鳴器響一聲 /* y; y=0;y180;y+) /反 000); ; /關(guān)閉蜂鳴器 /* /延時(shí) 10* i; /*主機(jī)發(fā)出開(kāi)始信號(hào) */ /請(qǐng)結(jié)合時(shí)序圖分析 ; ; ; 00); /保持電平時(shí)間大于 18; ; /延遲等待 20; 34 ; ; ; ; /* /* i,; i=0;i8;i+) ; !&);/等待 50電平結(jié)束 ; ; 1) ; ; &); if(1) if(1) =1; /* / 35 /* ; /主機(jī)發(fā)出開(kāi)始信號(hào) ; /拉高等待 /從機(jī)發(fā)出響應(yīng)信號(hào) 2; !& ); /判斷從機(jī)是否發(fā)出 80低電平響應(yīng)信號(hào)是否結(jié)束 2; & ); /判斷從機(jī)是否發(fā)出 80高電平，若發(fā)出則開(kāi)始采集數(shù)據(jù) ; /采集濕度整數(shù)部分 ; /采集濕度小數(shù)部分 ; /采集溫度整數(shù)部分 ; /采集溫度小數(shù)部分 ; /采集校驗(yàn)位 1; /* /按鍵控制溫度濕度上限 /* X() 000); ; 10) 36 ; ; 000); ; 000); ; 10) ; ; 37 000); ; /* /寫(xiě)指令數(shù)據(jù)到 S=L,E=高脈沖 ,令碼 /* 0; 0; 1; 0; ); /* /寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)到 S=H， ， E=高脈沖， 據(jù) /* 1; 0; 1; 38 0; ); /* / /* ; /使 能低電平 0; ); /清除 顯示內(nèi)容 /16*2 顯示， 5*7 點(diǎn)陣， 8 位數(shù)據(jù) ); ); ); /開(kāi)顯示，不顯示光標(biāo) ); /清除 顯示內(nèi)容 ); /* /1602 液晶顯示 /* (2); T);/); e);/); m);/); :);/); 39 0);/);/輸出溫度的十位 0);/);/輸出溫度的個(gè)位 (2); /輸出 (2); (2); (2); (2); ;/); ;/); (2 /輸出 (2); /液晶第二行：濕度顯示； (2); H);/); u);/); m);/); :);/); 0);/); /輸出濕度的十位 0);/); /輸出濕度的個(gè)位 %);/); (2); (2); (2); ;/); ;/); %);/); /* /注意，無(wú)論接收到信號(hào)還是發(fā)送完信號(hào)，都會(huì)進(jìn)中斷服務(wù)程序的初始化程序（必須使用，否則無(wú)法收發(fā)），次程序?qū)?huì)使用定時(shí)器 /* （必須使用，否則無(wú)法收發(fā)） 40 # /在這里根據(jù)晶振大小設(shè)置不同的數(shù)值初始化串口 /裝入初值，波特率 2400 # ，波特率 9600 #;/打開(kāi)定時(shí)器 ;/設(shè)置串行通訊工作模式 ; /(同上 )在此模式下，定時(shí)器溢出一次就發(fā)送一個(gè)位的數(shù)據(jù) ; /串行接收允許位（要先設(shè)置 開(kāi)串行允許） ; /開(kāi)總中斷 ; /開(kāi)串行口中斷 /* /串行通訊中斷，收發(fā)完成將進(jìn)入該中斷 /* I) 0; /清除串行接受標(biāo)志位 /從串口緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù) / /接受到 1，第一個(gè) /接受到 2，第二個(gè) / /接受到 3，第三個(gè) / /接受到 4，第四個(gè) / /接受到 5，第五個(gè) / /接受到 5，第六個(gè) ; /接受到 5，第七個(gè) / /接受到 5，第八個(gè) /接受到 其它數(shù)據(jù)，蜂鳴器響 41 c) c; （ ）出現(xiàn) ; /* /串行口連續(xù)發(fā)送 到終止號(hào) /0將停止 /* 0) /等待發(fā)送完成信號(hào)（ ）出現(xiàn) ; ; /* /延時(shí)函數(shù)大概是 1s 鐘，不過(guò)延時(shí)大的話(huà)不準(zhǔn) /* i , j= 0; i=0; ii+) j=0; j65535; j+) 42 /* /短信發(fā)送溫度 /* rn); );/延時(shí)大約 3 秒 rn); );/延時(shí) 3 秒 rn); );/延時(shí) 3 秒 7,167,0,25rn); );/延時(shí) 3 秒