空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共39頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目：空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng) 系 別：電氣工程系 專 業(yè)：自動(dòng)化 班 級：132 學(xué) 號： 學(xué)生姓名：劉銀強(qiáng) 指導(dǎo)老師：崔丹丹 2017年5月專心-專注-專業(yè) 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，有效促進(jìn)我國電子科學(xué)等技術(shù)的高速發(fā)展，因此也帶動(dòng)了相關(guān)監(jiān)測技術(shù)的不斷升級換代，隨著人們對環(huán)境的關(guān)注度越來越大，因此當(dāng)前監(jiān)測技術(shù)相對落后無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)文化需求，因此需要加快空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而能夠?qū)崟r(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。本文以環(huán)境中溫度濕度、NO2、SO2 、PM2.5等氣體濃度粉采集，GPRS 無線傳輸，實(shí)時(shí)顯示并存儲為主

2、要研究內(nèi)容。首先詳細(xì)分析了課題的研究背景及意義，詳細(xì)分了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了整體方案的設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及無線傳輸方案選擇及傳輸原理，其次對控制質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包含：傳感器的選擇、時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)、擴(kuò)展外部存儲器、GPRS無線傳輸模塊以及電源模塊等，軟件進(jìn)行了系統(tǒng)初始化及數(shù)據(jù)采集和處理的流程設(shè)計(jì)。通過本文進(jìn)行的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠良好的解決空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)周期長，難度大等問題，便于居民實(shí)時(shí)獲取環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量檢測；單片機(jī)；GPRS無線傳輸；遠(yuǎn)程系統(tǒng)Air quality remote monitori

3、ng system ABSTRACTWith the rapid development of economy in our country, effectively promote the rapid development of electronic science and technology in China, which led to the monitoring technology of continuously upgrading, as people's increasing attention to the environment, the current moni

4、toring technology is relatively backward, therefore, cannot meet people's growing material and cultural needs, so the need to speed up the air quality of the remote monitoring system design, which can real-time environmental data.This paper collects the gas concentration powder such as temperatu

5、re humidity, NO2, SO2 and PM 2.5 in the environment, the GPRS wireless transmission, real-time display and storage is the main research content. First analyzed the research background and significance, points in detail the research status at home and abroad, for air quality monitoring system for the

6、 overall scheme design, analyzes the working principle of monitoring system and wireless transmission scheme selection and transmission principle of second to control the quality of the remote monitoring system hardware and software solutions for the design, include: the selection of sensors, the cl

7、ock system design, expand the external storage, GPRS wireless transmission module and power module, the software system initialization and process design of data acquisition and processing.Key words:Air quality testing; Single chip microcomputer; GPRS wireless transmission; The remote system目 錄 1. 緒

8、論1.1 論文的研究背景及意義近些年來，我國環(huán)境持續(xù)惡化，各地均不斷陷入霧霾嚴(yán)重污染的環(huán)境，由于霧或霾對人體具有較大的危害，因此當(dāng)上述危害天氣出現(xiàn)后，對我國的各個(gè)交通體系具有嚴(yán)重影響，導(dǎo)致公路、鐵路、供電系統(tǒng)及其他交通運(yùn)輸領(lǐng)域出現(xiàn)造成重要影響，此外還會惡化整個(gè)生態(tài)環(huán)境。因此為了能夠良好保護(hù)自然資源，因此長期以來國家非常重視企業(yè)的節(jié)能減排等工作，相繼出臺多種保護(hù)措施，保護(hù)環(huán)境。我國在環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域儀器水平還不搞，因此當(dāng)前針對環(huán)境的監(jiān)測大多采用的人工采集及計(jì)算機(jī)分析的方式，為了能夠有效提高環(huán)境監(jiān)測效率，因此國家大力支持相關(guān)行業(yè)科技水平，不斷提高監(jiān)測系統(tǒng)的智能化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展方向。因此為了提

9、高空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，因此本文采用基于GPRS技術(shù)的環(huán)境溫濕度、二氧化碳、二氧化硫等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入的方式，從而有效的實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)，從而完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的傳輸，達(dá)到試試監(jiān)測環(huán)境變化的目的。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢1.2.1 國外研究現(xiàn)狀當(dāng)前國外發(fā)達(dá)國家率先開展了環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)的研發(fā)工作，如今已經(jīng)取得了非常顯著的研究成果，其中很多技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，而且大批具有科研成果和技術(shù)專利，為環(huán)境監(jiān)測提供有力的技術(shù)支持，如美國從上世紀(jì)70年代就已經(jīng)開展空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)額眼睛工作，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)建立了較為完善的質(zhì)量監(jiān)測體系，涉及的國家各個(gè)地區(qū)十分全面，而

10、且還采用了一套完備的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制(QA/QC)體系，保障各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)的有效性、完成采集和傳輸?shù)裙ぷ鳎瑥亩沟帽O(jiān)測數(shù)據(jù)具有良好的可靠性和準(zhǔn)確性。盡管國外起步很早，也建立了相對較為完善的空氣遠(yuǎn)程監(jiān)測體系，但是可以看到，國外的很多監(jiān)測體系仍然存在很多的問題，如許多監(jiān)測站點(diǎn)設(shè)置的不合理，而且西方很多國家建立的體系沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，因此無法有效的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)共享機(jī)制，此外還有各個(gè)國家質(zhì)檢的聯(lián)網(wǎng)聯(lián)調(diào)的不足，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是無線通信技術(shù)的快速提升，當(dāng)前已經(jīng)能夠很好的處理監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量預(yù)測分析、動(dòng)態(tài)化顯示等功能，但仍然存在很大的發(fā)展空間。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國近些年隨著對空氣

11、質(zhì)量的重視，因此不斷加快空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測體系，盡管我國起步較晚，技術(shù)相對較為落后，而且是以城市為基礎(chǔ)建立起來的監(jiān)測體系，因此當(dāng)前我國重點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)有空氣的溫濕度變化、二氧化硫、二氧化碳、PM2.5。從2000年開始，為了加大空氣質(zhì)量的監(jiān)測和整治力度，國家加大對相關(guān)領(lǐng)域科技研發(fā)的力度，截止到2006年底，我國各大城市相繼建立了有效且完整的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測體系，且已經(jīng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)各個(gè)省區(qū)與重點(diǎn)城市之間的站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享等功能，盡管我國已經(jīng)建立了很多的空氣監(jiān)測站，由于技術(shù)相對較為落后以及意識薄弱等環(huán)節(jié)，因此需要進(jìn)一步提升科技水平和人員素質(zhì)。 2.空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 監(jiān)測系統(tǒng)的工作

12、原理和組成本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)主要包含如下幾個(gè)模塊：溫濕度傳感器模塊、氣體傳感器模塊、空氣顆粒物傳感器模塊等，其中使用的硬件設(shè)備有單片機(jī)其型號為MSP430F149、無線輸出傳輸和接收的GPRS模塊、和以及控制硬件設(shè)備的軟件 labVIEW軟件模塊的那個(gè)組成單元構(gòu)成，首先單片機(jī)需要采集傳感器發(fā)出的一系列電壓信號，然后將其進(jìn)行相關(guān)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而得到有關(guān)空氣氣量濃度值。然后將相對應(yīng)的數(shù)據(jù)打包成為要求的二進(jìn)制數(shù)碼，一般用ASCII然后將對應(yīng)的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊完成數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)過無線傳輸模塊后相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)監(jiān)測中心，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理和分析、運(yùn)算和顯示，從而實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，由于采用的

13、軟件通過軟件的編程語言實(shí)現(xiàn)，提供LabVIEW因此需要提軟件的運(yùn)行環(huán)境，從而得到有關(guān)污染氣體的濃度值，當(dāng)超出要求數(shù)值情況下，需要發(fā)出相關(guān)的報(bào)警信號。本文采用的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如3.1所示：圖2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖根據(jù)圖2.1所示的結(jié)構(gòu)原理圖可以清晰看到系統(tǒng)的流程圖如下：首先在檢測現(xiàn)場出安裝相關(guān)的監(jiān)測終端設(shè)備，通過設(shè)立的各個(gè)傳感器獲取各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)，然后將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的運(yùn)算處理，經(jīng)過GPRS無線傳輸模塊上傳至上位機(jī)的監(jiān)測中心處。其中監(jiān)測終端主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：1、數(shù)據(jù)的采集工作，可有效的采集現(xiàn)場的各個(gè)數(shù)據(jù)信息，2、設(shè)置無線通信GPRS模塊。本文設(shè)計(jì)的無線傳輸模塊采用為GPRS網(wǎng)

14、絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸。2.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理與組網(wǎng)2.2.1 GPRS工作的基本原理GPRS是當(dāng)前發(fā)展十分成熟的網(wǎng)絡(luò)通信模式，該通信方式在GSM基礎(chǔ)上增加了部分硬件設(shè)備此外還針對傳輸過程中使用的軟件進(jìn)行了必要的升級，當(dāng)前可以構(gòu)成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)體，從而能夠更好的提供端到端以及其他的無線IP傳輸功能。采用GPRS網(wǎng)絡(luò)方式不僅具有良好的GSM實(shí)現(xiàn)的所有功能，而且還增加了很多能夠進(jìn)行分組數(shù)據(jù)單元提供無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于使用GPRS網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的每個(gè)用戶相互之間均相互獨(dú)立，主要原因在于采用的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)采取的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，采用IP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式，能夠?yàn)槊恳粋€(gè)用戶分配獨(dú)立的IP地址，從

15、而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)用戶到網(wǎng)絡(luò)端到端的各項(xiàng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，當(dāng)前使用的GPRS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.2 GPRS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1)PCU：表示的為分組數(shù)據(jù)處理與控制單元，通過上述模塊能夠很好的在BSC與SGSN之間建立良好的基于幀中繼的Gb接口，主要完成的功能是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和分離電路功能，由于可以將PCU插入到BSC單元模塊中，因此該模塊可以獨(dú)立工作。2)SGSN：表示的為GPRS服務(wù)的支持結(jié)點(diǎn)，能夠清晰的記錄移動(dòng)臺的當(dāng)前位置發(fā)生變化的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，此外還能夠完成在移動(dòng)臺與GGSN之間移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等功能，該模塊與MSC處于同等水平，此外還能夠良好的跟蹤MS的存儲單元，從而更好的實(shí)現(xiàn)接入控

16、制和安全管理等功能，并通過幀中繼將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交窘邮漳K中。3)GGSN：表示的為GPRS網(wǎng)關(guān)的支持結(jié)點(diǎn)，該模塊時(shí)連接GSM網(wǎng)絡(luò)與外部交換系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，主要實(shí)現(xiàn)的功能能夠良好的支持與外部分組交換數(shù)據(jù)的互通和傳輸，此外還可完成基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和SGSN連通功能。2.2.2 GPRS組網(wǎng)方案的選擇本文采用GPRS無線終端要能夠滿足TCP/IP相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因此使得該方法與其他的傳輸模塊存在一定的區(qū)別，在監(jiān)測中心處，往往要求設(shè)置一臺能夠連接網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)，從而更好的實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等功能，此外還要結(jié)合不同的需求，從而制定恰當(dāng)?shù)慕M網(wǎng)方案，如圖2.3所示是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的

17、GPRS通信組網(wǎng)模式。圖2.3 GPRS通信組網(wǎng)模式3.空氣質(zhì)量檢測終端硬件設(shè)計(jì)設(shè)置檢測終端主要完成的目標(biāo)是采集空氣質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，采集完畢后經(jīng)過一定的處理后通過無線GPRS模塊上傳至監(jiān)測中心，每隔一定時(shí)間監(jiān)測中心都進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新。該系統(tǒng)主要包含五個(gè)模塊：傳感器的選用、時(shí)鐘模塊、擴(kuò)展外部存儲器、GPRS模塊、電源供電模塊。3.1 硬件的總體設(shè)計(jì)圖3.1 檢測終端的原理圖如圖3.1所示為檢測終端的原理圖，采用的單片機(jī)MSP430F149的兩個(gè)USART串口一個(gè)與無線傳輸模塊連接在一起，另外一個(gè)作為系統(tǒng)的擴(kuò)展串口，其中根據(jù)設(shè)計(jì)要求，還設(shè)定了PM2.5 、傳感器，溫濕度傳感器以及氣體濃度采集傳感器；

18、為了保障數(shù)據(jù)存儲，因此可以擴(kuò)展外存儲，保障時(shí)鐘系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。3.2 傳感器的選用以及其調(diào)理電路本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)很多傳感器均設(shè)置在外部，能夠有效的采集現(xiàn)場空氣質(zhì)量，主要包含溫濕度傳感器，氣壓傳感器，氣體傳感器（NO2，CO2，SO2）。為了能夠節(jié)約單片機(jī)的外部接口，因此選擇的各個(gè)傳感器滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，因此采用二線接口數(shù)字式傳感器，由于輸出的為數(shù)字量，因此無需經(jīng)過模擬量的數(shù)字化，從而簡化系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜性。3.2.1 溫濕度傳統(tǒng)的溫濕度測量比較麻煩，工作量巨大，往往將相關(guān)電路設(shè)置在調(diào)理電路上，經(jīng)過復(fù)雜運(yùn)算過程，因此使得輸出的數(shù)據(jù)精度較低，此外傳統(tǒng)的電路也無法保證各個(gè)器件的穩(wěn)定性、安全性

19、、可靠性、非線性等獲得均衡，因此給系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)帶來很多不便。因此本文采用型號SHT11的新式的數(shù)字式傳感器，有瑞士Sensit-ion公司生產(chǎn)，該產(chǎn)品最大的特點(diǎn)在于采用傳感器技術(shù)與CMOSens技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起。圖3.2 SHT11外形及其管腳示意圖3.2.2 氣體傳感器本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣體傳感器采用的為TGS-2系列電阻式傳感器以及MEMBRAPCR公司的SO2氣體傳感器組成本系統(tǒng)的氣體傳感器檢測，其中采用SO2/MA20用來檢測空氣中SO2以及其他氣體的濃度的變化，具有價(jià)格低、使用年限長等優(yōu)點(diǎn)，其中采用的傳感器當(dāng)處理不同濃度氣體是易引發(fā)敏感電阻值的變化，此時(shí)信號調(diào)理部分能夠直接完成后續(xù)數(shù)

20、據(jù)的處理，因此往往選擇簡單且具有較小的噪聲的電路，根據(jù)傳感器電阻的變化能夠真實(shí)的反映出輸出信號的變化，此外設(shè)置的信號調(diào)理電路在一定范圍要求內(nèi)能夠準(zhǔn)確的獲取阻值的變化。當(dāng)前調(diào)理方法使用較多的有分壓法、比較法，由于分壓電路簡單，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍廣，因此獲得了廣泛應(yīng)用。如圖3.3為傳感器基本測量電路，其所用的信號為分壓電路。輸入部分共包含兩個(gè)輸入電壓，其中VH加熱電壓用于敏感因子處于對象氣體相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上；VC用于測定傳感器串聯(lián)負(fù)載RL的兩端電壓；傳感器電阻Rs與負(fù)載電阻RL串聯(lián)；RH為加熱器電阻，通過采樣輸出采樣電壓Vout。根據(jù)計(jì)算得到的傳感器電阻值Rs，可以計(jì)算得出有關(guān)檢測

21、氣體的濃度數(shù)值。圖3.3 傳感器基本測量電路 (3.1)根據(jù)式3.1所示，可以看到，氣體傳感器的電阻阻值的大小與檢測氣體濃度C存在一定的關(guān)聯(lián)，可通過式3.2公式近似描述。 (3.2)式3.2中，常量用A表示，測量氣體傳感器電阻為，所測氣體的濃度為C，其中為傳感器的輸出電阻曲線的指數(shù)變數(shù)指數(shù)，其數(shù)值表示所測氣體濃度變化的敏感程度，其中與測量氣體的類型、測量環(huán)境的溫濕度、傳感器器件等因素決定。3.2.3 PM2.5傳感器霧霾的監(jiān)測采用設(shè)備韓國SYHITECH的專利產(chǎn)品DSM501，上述產(chǎn)品采用的計(jì)數(shù)原理為粒子計(jì)數(shù)，從而完成空氣中的顆粒物計(jì)數(shù)，此外在內(nèi)部還設(shè)置加熱器可自動(dòng)吸入空氣。輸出采用的PWM脈

22、寬調(diào)制，通過設(shè)置的可調(diào)電阻可以檢測灰塵的大小，因此能夠準(zhǔn)確的測量出PM2.5的含量，輸入電路為5V，便于信號處理，如圖3.4為DSM501原理圖。圖3.4 DSM501原理圖DSM501的3，5 腳分別為Vcc(+5V)、GND，輸出腳Vout2為普通輸出腳，有圖3.4可以看出，DSM501 、只有五個(gè)引腳，引腳數(shù)非常少，故與MSP340F149單片機(jī)的連接的電路就非常簡單，DSM501的3引腳為電源引腳，接+5V 電壓，5引腳為接地引腳,根據(jù)要檢測空氣中顆粒物直徑的不同要以，來選用Vout1或 Vout2輸出，連接在MSP340F149的CPP1模塊的RC2引腳，利用定時(shí)器 TMR1 當(dāng)下降

23、沿來臨時(shí)多輸出 PMW 波形低脈沖時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。3.3 時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)部分采用的芯片為DS1302型號，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求，可選擇絕對時(shí)鐘和相對時(shí)鐘兩種計(jì)算設(shè)計(jì)方法。 3.3.1、DS1302芯片概述DS1302是由DALLAS公司推出的芯片，其主要特點(diǎn)為能夠涓流充電，內(nèi)部富含一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸十分方便，通過簡單的串行接口即可完成與單片機(jī)89C52數(shù)據(jù)的交換和通信。各個(gè)管腳的功能：RST表示復(fù)位腳功能；I/O表示數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳功能；SCLK表示串行時(shí)鐘功能；X1，X2表示32.768KHz晶振管腳功能；Vcc1表示電池供電管腳1功能；Vcc2表示電

24、源供電管腳2功能；GND表示接地功能。圖3.5 1302時(shí)鐘電路圖3.4 擴(kuò)展外部存儲器考慮到采用無線通信網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)傳輸過程中容易發(fā)生丟包活堵塞等情況，因此次數(shù)采集獲取的數(shù)據(jù)無法順利的傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。此時(shí)需要將采集的數(shù)據(jù)先保存一段時(shí)間，待通信線路恢復(fù)正常狀態(tài)下，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選用I2C總線E2PPROM。本文采用的AT24C64正是這種類型的串行的芯片，具有較低的功耗，工作和靜態(tài)電流均較小，因此便于攜帶，其封裝圖如3.5所示。NCNC圖3.6 AT24C64 的引腳圖3.5 GPRS模塊的設(shè)計(jì)下面詳細(xì)分析通信模塊電力的設(shè)計(jì)過程，本文采用的無線傳輸數(shù)據(jù)模塊包含GPRS模塊以及與單

25、片機(jī)接口電路、SIM卡接口電路以及GPRS工作狀態(tài)指示電力等模塊，首先由傳感器采集的各個(gè)數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)接口中，經(jīng)過簡單的處理操作后按照串行接口電路發(fā)送SIM300C中，其中設(shè)置SIM300C主要完成的是對獲取數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)以及完成命令進(jìn)行TCP/IP打包封裝，由于GPRS采用的為無線發(fā)射方式，因此可以通過無線網(wǎng)絡(luò)即可將采集并處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心，其中SIM300C具有三波段的GSM或者GPRS可選用模塊，在全球范圍內(nèi)都能夠良好、穩(wěn)定的工作，此外上述模塊還能夠?yàn)镚PRS提供多信道類型的能力，具有多種編碼方案，分別為CS-1，CS-2，CS-3和CS-4的四種。此外在模塊內(nèi)部還集成了TCP/I

26、P協(xié)議棧，根據(jù)要求可完成各項(xiàng)拓展功能，因此采用上述模塊非常簡單、快捷、方便。本文采用的單片機(jī)與SIM300C GPRS模塊通過RS232串口的方式連接到一起，由于電平存在差異，因此應(yīng)用時(shí)需要完成電平轉(zhuǎn)換功能，本文采用的轉(zhuǎn)換芯片為MAX3221，如圖3.5所示的電路圖，可以清晰的而看到，GPRS模塊通過中間轉(zhuǎn)換的方式完成了與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)的通信，圖3.6為SIM300C 的電路連接圖。圖3.7 RS232 串口電平轉(zhuǎn)換電路圖3.8 SIM300C 的電路連接圖圖3.7所示，發(fā)光二極管D-STATE與SIM300C的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示引腳相連接，能夠?qū)崟r(shí)顯示出GPRS模塊的工作狀態(tài)，其中SIM300C的

27、PWRKEY引腳與單片機(jī)MSP430F149的I/O端口P4.7相連，由MSP430F149來控制其啟動(dòng)和關(guān)閉。3.6 電源模塊設(shè)計(jì)（1）芯片介紹當(dāng)前應(yīng)用到電力電子元器件中的重要大暖主要有三端穩(wěn)壓集成電路。該型號的元器件包含兩種型號輸出，1、正向電壓，2、負(fù)向電壓。其中涉及的三端IC主要指的是穩(wěn)壓集成電路的三條引腳輸出，包含接地端、輸入端及輸出端三個(gè)組成單元。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的主要為78/79系列三端穩(wěn)壓IC構(gòu)成的穩(wěn)壓電源電路部分，該電路結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)成元器件較少，其內(nèi)部設(shè)置了諸多保護(hù)電路環(huán)節(jié)，其中78/79數(shù)字分別代表的是三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓的數(shù)值，取值06代表的為輸出正6V的電壓，09代表

28、輸出為正9V的輸出電壓，實(shí)際應(yīng)用中，為了能夠保證元器件的穩(wěn)定運(yùn)行，通常在三端集成穩(wěn)壓電路裝設(shè)足夠大的散熱器，當(dāng)溫度過高時(shí)，將對穩(wěn)壓性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。（2）電路原理圖本文設(shè)計(jì)的電源部分采用的是78系列電源電路芯片，可以分別產(chǎn)生+5V、+15V兩路電源，下面通過圖2.7所示進(jìn)行分析介紹，IC芯片采用的是集成穩(wěn)壓器部分型號分別為7805和7815，濾波電容的輸入輸出端口分別用C2、C3、C5、C6表示，在D1口出分別串接穩(wěn)壓二級管，地點(diǎn)將設(shè)置在7805穩(wěn)壓器2腳與地之間的位置，主要完成功能是保障輸出電壓U能夠得到明顯提升，其中U表示的是7805穩(wěn)壓器與穩(wěn)壓二極管D1數(shù)值的和。保護(hù)二級管電路采用的為D

29、2保護(hù)電路，當(dāng)輸出小于D1穩(wěn)壓值時(shí)，將促進(jìn)D2發(fā)生導(dǎo)通，因此電流將通過旁路支路流出。 圖3.9主機(jī)電路圖 圖3.10從機(jī)電路圖圖3.11 78系列的電源電路 圖3.12 系統(tǒng)總體供電電路 4.軟件的總體分析根據(jù)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此還需設(shè)置軟件系統(tǒng)，并結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)的思想及要求，從而設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件的總體框架圖，包含數(shù)據(jù)采集、硬件系統(tǒng)初始化。圖4.1 總體框架圖4.1 數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)設(shè)置檢測的終端主要完成的是空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，需要將現(xiàn)場擦劑的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心，采集到的空氣質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取主要是通過設(shè)置的各個(gè)傳感器有效的捕捉空氣中存在的敏感因子。從而使得傳感器發(fā)生一定的變化，然后將

30、獲得的采集數(shù)據(jù)通過GPRS模塊將其打包成IP數(shù)據(jù)包，通過無線傳輸?shù)姆绞綇亩鴮?shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接，最后完成整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸，在監(jiān)測終端還要設(shè)置能夠接收終端監(jiān)測中心的各個(gè)相關(guān)控制指令，從而有效更新數(shù)據(jù)發(fā)生的變化。其中空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要的工作流程有：先進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化、數(shù)據(jù)的采集工作、輸出的傳輸，等待下一次采集任務(wù)，其流程圖如4.2所示。圖4.2 檢測終端軟件設(shè)計(jì)流程圖4.2 硬件系統(tǒng)的初始化每次進(jìn)項(xiàng)相關(guān)操作前，都需要對硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，由于采用的單片機(jī)型號為MSP430F149，設(shè)計(jì)的端口大多為復(fù)用端口，因此在設(shè)計(jì)是要嚴(yán)格區(qū)分，此外在進(jìn)行無線傳輸工程中，還需要采用USARAT串行端口連接GP

31、RS模塊傳輸數(shù)，然后對所采用的氣體傳感器模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的I/O端口進(jìn)行設(shè)置，本文可以采用單片機(jī)自身所帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，對相關(guān)的參考電壓數(shù)值、采樣頻率數(shù)值以及端口轉(zhuǎn)換方式等數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，此外還要對脈沖端口進(jìn)行設(shè)置以及對存儲器進(jìn)行初始化，當(dāng)采用GPRS模塊上電后，能夠自動(dòng)檢測SIM卡自動(dòng)連接當(dāng)前的無線通信網(wǎng)絡(luò)。檢測終端初始化部分程序如下所示：void InitSys()unsigned int iq0;BCSCTL1 &= XT2OFF;do IFG1 &= OFIFG;for (iq0=0xFF; iq0>0; iq0-);while (IFG1 & OFIFG)

32、 != 0);BCSCTL2=SELM_2; /選擇 MCLK 為 XT2UartInit(); /初始化 USART0LED_DIR |= LED_IO;TimerBInit(); /定時(shí)器 B 初始化SetTime(TimeZhi); /設(shè)置定時(shí)時(shí)間GotimeDfB(100); /打開定時(shí)器InitBhTimerA(); /初始化定時(shí)器 AGoBhTimerA(100); /打開捕獲功能InitIIC(); /初始化 IIC 總線端口Adc12Init(); /初始化 AD 轉(zhuǎn)換模塊EINT();4.3 數(shù)據(jù)采集采集與處理 在采集的數(shù)據(jù)信息中，包含PM2.5的含量，二氧化硫、二氧化碳以及

33、其他顆粒物的含量，本文采用的傳感器型號為DSM501，該傳感器測量的周期時(shí)間設(shè)定為30s，因此每經(jīng)過30s就要對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而獲取一組完整的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，其中定時(shí)時(shí)間可采用中斷的方式，每經(jīng)過30s系統(tǒng)就關(guān)閉所有的中斷程序，讀取傳感器采集到的各個(gè)數(shù)據(jù)信息，按照指定格式要求打包成IP數(shù)據(jù)包的方式通過GPRS無線發(fā)射模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的監(jiān)測中心，此時(shí)定時(shí)器設(shè)定的定時(shí)時(shí)間為30s，當(dāng)數(shù)據(jù)采集中關(guān)閉重點(diǎn)，帶提取所有數(shù)據(jù)后，打開此時(shí)的中斷進(jìn)程，然后返回到主程序中，等待下一個(gè)指令。如圖4.3、4.4分別表示數(shù)據(jù)采集的中斷程序流程圖和氣體濃度ADC轉(zhuǎn)換流程圖。圖4.3 數(shù)據(jù)采集的中斷程序流程圖4.4

34、氣體濃度ADC轉(zhuǎn)換流程圖5.總結(jié) 近些年來，我國環(huán)境持續(xù)惡化，各地均不斷陷入霧霾嚴(yán)重污染的環(huán)境，為了提高空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，因此本文采用基于GPRS技術(shù)的環(huán)境溫濕度、二氧化碳、二氧化硫等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，本文主要進(jìn)行了如下研究。首先詳細(xì)分析了課題的研究背景及意義，詳細(xì)分了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了整體方案的設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及無線傳輸方案選擇及傳輸原理，其次對控制質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包含：傳感器的選擇、時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)、擴(kuò)展外部存儲器、GPRS無線傳輸模塊以及電源模塊等，軟件進(jìn)行了系統(tǒng)初始化及數(shù)據(jù)采集和處理的流程設(shè)計(jì)。 通過本文進(jìn)行的空氣

35、質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠良好的解決空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)周期長，難度大等問題，便于居民實(shí)時(shí)獲取環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)。致謝畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我的大學(xué)生活既將結(jié)束?；厥准韧约阂簧顚氋F的時(shí)光能于這樣的校園之中，能在眾多學(xué)富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實(shí)是榮幸之極。在這四年的時(shí)間里，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。老師的諄諄誘導(dǎo)、同學(xué)的相互討論及家長的支持鼓勵(lì)，是我堅(jiān)持完成論文的強(qiáng)大動(dòng)力。在此，我要特別感謝我的導(dǎo)師老師。從論文的選題、文獻(xiàn)的采集、框架的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的布局到最終的論文定稿，從內(nèi)容到格式，從標(biāo)題到標(biāo)點(diǎn)，他

36、都費(fèi)盡心血。沒有老師的辛勤栽培、孜孜教誨，就沒有我論文的順利完成。感謝各位同學(xué)，與他們的交流使我受益頗多。感謝大家對我的理解、支持、鼓勵(lì)和幫助，正是因?yàn)橛辛怂麄?，我所做的一切才更有意義；也正是因?yàn)橛辛怂麄?，我才有了追求進(jìn)步的勇氣和信心。時(shí)間的倉促及自身專業(yè)水平的不足，整篇論文肯定存在尚未發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)和錯(cuò)誤。懇請閱讀此篇論文的老師、同學(xué)，多予指正，不勝感激！參考文獻(xiàn)1汪勝輝.基于 GPRS 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)D.湖南大學(xué),2008.92文志成.GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社，20053倉彬彬.基于 LabVIEW 的氣象監(jiān)測系統(tǒng)D.南京信息工程大學(xué),20114侯國平，王坤，葉齊鑫.

37、 LabVIEW7.1 編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社，5王磊，陶梅.精通 LabVIEW8.0M.北京:電子工業(yè)出版社，20076楊樂平，李海濤，楊磊. LabVIEW 程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用(第 2 版)M.北京:電子工業(yè)出版社，20057郁波.自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)D.南京信息工程大學(xué),20088孫澤文.基于 LabVIEW 軟件的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.電工電氣,2010.No. l9師寶山，張貴州.氣體傳感器在多參數(shù)氣體檢測儀中的應(yīng)用J.儀表技術(shù)與傳感器，2007, 6:23-2510張艷麗，楊仁弟.數(shù)字溫濕度傳感器 SHT11 及其應(yīng)用J.工礦自動(dòng)化，2007,(3):1

38、13-11411師寶山.基于 AT89S51 的多參數(shù)氣體檢測儀的研制J.微計(jì)算機(jī)信,2007,23,(7-1)附錄一 檢測主程序程序#include <AT89X52.H> /調(diào)用外函數(shù)/#include <ctype.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <math.h>#include <LCD.h> /*初始化CPU*/void init_cpu() /初始化cPu EA=1;TR0=1;TR1=1;TMOD

39、=0x11;TH1=0x3c;TL1=0xb0;/*void time1(void) interrupt 3 using 1 TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256; keyval=P1; * /初始化CPU結(jié)束/void main_menu_initial() /LCD主菜單初始化./main1_menu0.menu_count=4; /有4個(gè)菜單項(xiàng)./main1_menu0.display=measurearray; /定義一個(gè)”開始測量“數(shù)組/main1_menu0.subs=NULL; main1_menu0.children_menus

40、=measure_menu;/當(dāng)前菜單子菜單的指針main1_menu0.parent_menus=NULL; /還有“數(shù)據(jù)存儲”、“時(shí)間設(shè)置”/void measure_menu_initial() /“開始測量”菜單設(shè)置/ measure_menu0.menu_count=2; measure_menu0.display=qr; /開始測量函數(shù), 確認(rèn). measure_menu0.subs=start_measure_function; /開始測量函數(shù) measure_menu0.children_menus=NULL; measure_menu0.parent_menus=main1_

41、menu; measure_menu1.menu_count=2; measure_menu1.display=qx; /開始測量函數(shù), 取消. measure_menu1.subs=NULL; measure_menu1.children_menus=NULL; measure_menu1.parent_menus=main1_menu; /還有void store_menu_initial()、void time_menu_initial()/void led_menu_pro() max_item=menu_led->menu_count;switch(keyval)case 0:

42、 break;case 1: /向上鍵.if(user_choosen=0)user_choosen=max_item;shuaxin=1;user_choosen-;break; /“向上”“向下”“確認(rèn)”“取消”鍵/if(shuaxin)/是否需要刷新LCD標(biāo)志位. Clr_Scr(); shuaxin=0;led_menu_show();v oid led_menu_show()uchar n;max_item=menu_led->menu_count;if (max_item>=4) /菜單項(xiàng)為3則表示為主菜單.for(n=0;n<4;n+) draw_bmp(n*2

43、,20,96,0,menu_ledn.display);select_item(user_choosen); /標(biāo)記出當(dāng)前菜單項(xiàng).elseswitch(temp_choosen) case 0:draw_bmp(0,20,96,0,measurearray); /“開始測量”數(shù)組/break; default:break;for(n=0;n<max_item;n+)draw_bmp(n+1)*2,20,32,0,menu_ledn.display);select_item(user_choosen+1); void select_item(uchar n)draw_bmp(n*2,2,1

44、6,0,curflag); void start_measure_function(void) /開始測量函數(shù)/main_Menu();/*-主函數(shù)-*/main() init_cpu(); Init_Clock(); init_lcd(); Disp_Img(FirstPage);delay(2000); /延時(shí)/ClockMsg(); Refresh(); delay(2500); Clr_Scr(); main_Menu(); Clr_Scr(); main_menu_initial(); measure_menu_initial(); store_menu_initial(); tim

45、e_menu_initial(); communication_menu_initial(); while(1) keyval=get_key(); /讀鍵.led_menu_pro(); / 適當(dāng)延時(shí)防止因?yàn)椴粩嗖槊Χ馁M(fèi)大量CUP資源 /主機(jī)程序sbit RS=P20; /寫信號sbit RWW=P21; /寫信號sbit E=P22; /使能信號#define e1 E=1 #define rs1 RS=1 #define e0 E=0 #define rs0 RS=0 #define PP P0 / 延時(shí)函數(shù)msvoid _delay_ms(uint t) uint i,j; for(

46、i=0;i<t;i+) for(j=0;j<120;j+);/延時(shí)函數(shù)usvoid _delay_us(uchar t) while(t>0)t-;/寫1602控制字void lcd1602_writecrtl(uchar dat) rs0;/寫信號置0 _delay_us(5); PP=dat; e1;/使能信號置1 _delay_us(5); e0;/使能信號置0/寫1602數(shù)據(jù)void lcd1602_writenumber(uchar dat) rs1;/寫信號置1 _delay_us(5); PP=dat; e1;/使能信號置1 _delay_us(5); e0;/

47、使能信號置0/1602初始化void lcd1602_init() RWW=0; lcd1602_writecrtl(0x38); /顯示模式 lcd1602_writecrtl(0x06); /顯示光標(biāo)移動(dòng)位置 lcd1602_writecrtl(0x0c); /顯示開及光標(biāo)設(shè)置 lcd1602_writecrtl(0x01); /顯示清屏/顯示地址void lcd1602_adr(uchar dat) lcd1602_writecrtl(0x80 | dat);/行顯示-void LCD1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar const *p)ucha

48、r a;if(hang = 1) a = 0x00;if(hang = 2) a = 0x40;a = a + lie - 1;lcd1602_adr(a);while(1)if(*p = '0') break;lcd1602_writenumber(*p);p+; 從機(jī)程序sbit CS= P12;sbit Clk= P10;sbit DATI=P11;sbit DATO= P11;uint dat = 0x00; /AD值/AD轉(zhuǎn)換子程序uint adc0832A(unsigned char CH) uchar i,test,adval; adval = 0x00; test = 0x00; /初始化 Clk = 0; DATI = 1; _nop_(); _nop_(); CS = 0; _nop_(); Clk = 1; _nop_(); _nop_(); /通道選擇 if(CH = 0x00) Clk = 0; DATI = 1; /通道0的第一位 _nop_(); Clk = 1; _nop_(); _nop_(); Clk = 0; DATI = 0; /通道0的第二位 _nop_(); _nop_(); Clk = 1; _nop_();