通信工程毕业设计（论文）-基于ARM的水浸报警系统的研究.doc

毕 业 设 计(论 文）题 目：基于arm的水浸报警系统的研究院 系：电气信息工程系专 业：通信工程班 级：xxxx姓 名：s学 号：指导教师：2012年05月11日 iii基于arm的水浸报警系统的研究【摘要】水浸报警系统是机房监控系统中重要的一部分。传统的水浸报警系统大多采用51单片机芯片的简单核心装置，虽然在使用过程中比较方便而且便于维护但已经远远落后时代的脚步了。在现代机房监控系统中不仅要对现场有数据报警还要对现场有视频监控，这对于传统的单片机来说已经不能满足现代机房的监控要求了。本设计是以三星公司的s3c2440芯片为核心设计了一种新的报警器，该芯片不仅可以实现传统单片机的功能还能在linux系统下实现嵌入式开发。该芯片具有体积小、低功耗、低成本、大量使用寄存器，指令执行速度更快，寻址方式灵活简单，执行效率高等优点。在设计中应用s3c2440芯片的数学运算和控制功能,通过外部输入软件程序对芯片进行控制,并记录报警时间，然后再控制串口进行数据传。【关键词】 报警器 水浸 s3c2440the system of flood warning based on arm【abstract】the system of flood warning is an important part of the monitoring system. most of the traditional flood alarm system simple with 51 core single chip device, though in the course of more convenient and easy to maintain, but the pace has been far behind the times. monitoring system in a modern room on-site data is not only alarming but also on the scene, video surveillance, which is the traditional single chip can not meet the requirements of a modern control room. the design is based on samsungs s3c2440 chip as the core design of a new alarm, the chip can not only realize the function of traditional scm system can be achieved in the embedded linux development. the chip has a small size, low power, low cost, extensive use of registers, instruction execution speed, flexible and simple addressing modes, execution efficiency. application in the design of the chip s3c2440 math and control functions, the software program through the external input to control the chip and record the alarm time, and then control the serial port for data transfer.【key words】 alarm flood s3c2440 目 录1引言11.1机房监视系统的历史和现状11.2水浸报警监控系统的研究22.可用传感器设计方案选择22.1电阻传感器22.2光反射式水浸传感器32.3开关式32.4传感器的选择及确定33. 系统总体设计43.1系统的功能43.2总体方案设计44.硬件组成54.1 s3c2440主芯片54.2传感器电路64.3复位电路的介绍64.4报警蜂鸣电路的设计84.5串口电路94.6 jtag电路95.软件组成115.1软件处理模块及主要流程115.2记录时间并中断模块流程115.3串口发送数据模块流程12结论14参考文献14附录a16附录b21石家庄学院毕业设计（论文）1引言机房监控系统在当今社会实际应用中的作用日益重要。其中水浸报警系统作为机房监控系统的一部分有着不可忽视的作用。传统的水浸报警器通常采用外部电路和核心控制芯片等大量的硬件电路构成，其中核心控制芯片往往采用市场上较多的c系列的单片机。产品运行速度慢，而且市场发展前景比较小，在目前的机房监控系统中又加入视频监控等一系列先进的监控系统传统的单片机已经远远不能满足当前的市场了。在这种情况下采用以arm芯片为核心和相关硬软件实现的报警系统越来越受欢迎。本课题以s3c2440为核心控制器件的，并用c语言编写程序，采用单片机智能控制，结合外围电子电路。最终实现水浸报警系统的设计方案，根据报警器的特点，可广泛应用于各种实际场所。1.1机房监视系统的历史和现状机房监控系统主要是针对机房所有的设备及环境进行集中监控和管理的，其监控对象构成机房的各个子系统：动力系统、环境系统、消防系统、保安系统、网络系统等。网络综合布线系统是机房监控系统的基础而且采用集散监控，将监控主机放置在机房的监视室中，在监控时运行监控软件，以统一的界面对各个子系统集中监控。各系统设备的运行状态及工作参数都在被机房监控系统时时监视着，如果发现部件产生故障或参数发生异常，当即就会采取主动声光报警、语音、电话、短消息等多种报警方式，在报警的同时记录报警事件和历史数据。为以后提供远程监控管理功能和智能专家诊断建议以及web浏览等提供方便。在当今社会随着通信技术的发展和普及，计算机微型系统数量的与日俱增，与其配套的环境监控设备也日益增多，各大运营商最主要的监控部分就是通信机房的安全运转，因此机房的环境设备或子系统必须时时刻刻为通信系统提供正常的运行环境。一旦机房环境设备出现故障，不但会影响到通信系统的运行，对数据传输、存储以及整个系统运行的可靠性构成威胁，若事故及其严重又没有得到及时的处理，就可能损坏硬件设备，造成严重后果。尤其对于银行，海关，邮局等需要实时交换数据的单位的机房，机房管理显得更为重要，一旦系统发生故障，造成的经济损失更是不可估量。眼下人们对生活中的一些突发事件的处理提出了越来越高的要求,对问题要求及时准确地表述出来,并把所处的事情状态准确无误地反馈给处理系统,使突发事件得到及时的控制和处理。为此,人们开发了各种传感器用于各类环境测量,水浸测量就是其中的一个分支,它主要用来检测环境中的漏水或者浸水情况。1.2水浸报警监控系统的研究机房漏水检测是对机房空调或者窗户等处可能漏水的地方进行监测。机房内有着精密空调等设备，液体泄漏的情况时有发生,以及一些人为因素造成机房内出现积水。这就要求水浸监控系统可以及早地发现泄漏情况，精确的知道泄漏的位置和泄露的规模，一旦出现漏水情况，即显示漏水部位并报警。装置将漏水信号传送给中央监控设备。并且及时的向报警中心发送报警信号，以便人们采取一定的措施，保证机房设备的稳定运行。因此，为了保证机房运行的安全性和稳定性，目前许多运营商的机房管理人员经常采取24小时专人值班的方式，以定时巡查机房各环境设备。但这样不仅加重了管理人员的工作负担，在很多情况下往往不能及时排除故障，对事故发生时间、频率及原因等也无科学的管理与数据分析。尤其是国内普遍缺乏专业的机房环境设备管理人员，在许多地方的机房不得不安排软件人员或者不太懂机房设备管理的维护人员值班，这对机房的安全运行无疑又是一个不利因素。基于以上状况，水浸报警系统领域迅速发展起来，拥有非常广阔的应用市场前景。目前许多国内外的大公司都在积极开拓机房水浸监控系统的市场。面对这种情况我们国内的企业应该早做准备，争取在激烈的市场竞争中争取到自己的一杯羹。2.可用传感器设计方案选择2.1电阻传感器该水浸传感器的型号为sw-1,也称水浸监控仪。探测器是可变电阻元件。水浸感应部分是由几根铜线组成。为了可靠感应水浸,一个感应回路可设置多个探测器,分别设在易浸水部位。控制器可以控制多个感应回路。探测针是印制在陶瓷基片上的钯银线条,高温烧结后,每个接点都连接牢固。探测针抗氧化和抗外界环境影响的能力都很强。在无浸水情况下,两根感应线间电阻为无穷大,浸没在水中也需23小时的时间才能达到低阻的稳定状态。控制器的信号提取电路主要是应用电阻串并联的分压原理来实现的。具体方案为:探测器并联上一个外电阻r外,然后再串联一个内电阻r内。在有水状态下,电阻值r总由传感器串联电阻r内和外电阻r外并联而得:r总=r内r外/r内+r外。在无水状态下,r总电阻值为r传,将固定电压加在r总与r内的串联回路上,r总与r内分压后,随着r总的阻变化,r内上的电压值也随着变化,调整r传、r内、r外的电阻值就可以提取出信号。然后将提取的信号传送给芯片控制系统。2.2光反射式水浸传感器光折射式水浸传感器，其整个具有一个长方形外壳，壳体的内部是一个扇形面，扇形管外壁的横截面是向外凸起的鼓形，外凸的鼓形管外壁的两个平行的平面与扇形管内腔的对衬轴面相平行，鼓形面外壁的一个平面侧，沿扇形管的长度方向有一串发光管是均匀排列的，在这个凸起的扇形管外壁的平面另一侧，沿扇形管的长度方向均布有一串与发光管相对应的感光管，传感器内感光管的位置在液体所反射的发光管发出光线的路径上或在发光管发出的光线经扇形管内是气体时的反射光路上。这种新型的传感探测装置具有很大的优点：传感器不会和液体有所接触，不会因时间过长而产生污垢，其工作原理是液体和气体对光的反射率差别比较大。但与电极式液位传感器比较，安装和维修不是很方便。而且相对价位也比较高。2.3开关式nv3-wdt-p型水浸传感器主要是由探头和放大器构成。探头是由两根铜线构成，铜线是焊制在陶瓷基片上的线条,在高温情况下两个接点都牢固的连接在基片上。而且铜线的抗氧化性比较强，受外界环境影响的能力比较小。铜线之间的高度差可以设定为任意数值。此数值就是要检测的水的高度。开关式水浸传感器是水浸传感器中最简单的装置，其应用原理是将水作为导体来导通电流。整个装置就是一个开关电路，当在无水的情况下整个电路断开信号可以记录为0。但检测到积水的时候整个电路通路信号可以记录为1。这种传感器的探头经常和水接触较容易发生氧化。但是，装置比较简单价钱也比较便宜。2.4传感器的选择及确定通过上述三个方案的比较我们可以发现方案二显然要比方案一和方案三精确、新颖，但从系统设计的指标要求上看，方案二的实现需要更高的技术要求和技术指导以及严格的工作环境。并且在工程造价方面要比方案一和方案三高的多。下面我们比较方案一和方案三。从原理上看两种方案都是采用相同的原理，即把水当成导体，用水导通电路。方案一是用水导通电路然后使其另外的支路电阻断路，造成整个输入电阻的变化再分压。方案中用到的元器件较多而且电路图比较复杂。但方案三仅仅是用水导通电路不考虑电路中的电阻问题。在当今机房的监控系统中所用到的传感器数量巨大，就联通一个机房中所用到的水浸传感器数量就达25个。方案一和方案三的基本原理单体相同，所以本着简单易懂便于维护的目的我们选择方案三。3.系统总体设计3.1系统的功能基于arm的水浸报警系统在当今机房监控系统中的作用已经越显突出。本课题研究的水浸报警系统可以实时的全天候的检测机房的漏水情况，该系统可以检测机房中任意高度的积水并且采用蜂鸣电路报警具有现场报警的功能。当机房中有水浸情况发生时报警系统不仅可以现场报警提醒机房中的工作人员采取措施阻止漏水情况的发生，还可以进行远程数据传输将报警信号传送给远方的报警中心。3.2总体方案设计水浸报警系统主要是由传感器，arm9开发板底板和系统软件所组成，其中arm9开发板底板包括：s3c2440主芯片、jtag电路、复位电路、蜂鸣器电路和串口电路组成。系统硬件组成框图如图1所示。 图1系统硬件结构框图此报警系统的设计以s3c2440芯片为核心，s3c2440的内核基于arm920t。水浸传感器将水浸信号以数字信号的形式输入到s3c2440芯片的i/o接口，当在无水的情况下传感器内部电路断路向芯片提供低电平信号“0”。此时系统不进行现场报警不向报警中心传送数据。当在有漏水的时候传感器内部电路导通，传感器向芯片提供一个开关信号。水浸报警信号传送到芯片上时通过底板上的外接蜂鸣器进行现场报警通知机房中的监控人员进行处理。当芯片接受到报警信号的时候芯片中的时钟电路开始记录报警时间，设定报警的时间为10分钟。在10分钟内如果人工关闭则报警终止，若在10分钟后仍无人工关闭则通过软件设定自动关闭。芯片在接受到报警信号的同时将报警信号通过串口电路传送给远方的报警中心。系统流程图如图2所示图2 系统工作流程4.硬件组成4.1 s3c2440主芯片三星公司推出的16/32位微处理器s3c2440a,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整体系统成本，s3c2440a采用了arm920t的内核，0.13um的cmos标准宏单元和存储器单元。其低功耗简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构advanced micro controller bus architecture(amba).s3c2440a的杰出的特点是其核心处理器(cpu)，是一个由advanced risc machines有限公司设计的16/32位arm920t的risc处理器。arm920t实现了mmu，amba bus和harvard高速缓冲体系结构构。通过提供一套完整的通用系统外设，s3c2440a减少整体系统成本和无需配置额外的组件。s3c2440处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。1、体积小、低功耗、低成本、高性能2、支持thumb（16位）/arm（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件3、大量使用寄存器，指令执行速度更快4、大多数数据操作都在寄存器中完成5、寻址方式灵活简单，执行效率高4.2传感器电路本课题中采用的水浸报警器是联通公司内部设计的sc3-wdt-p型水浸报警器其结构比较简单实用性比较高。我们可以设置两根铜线之间的距离为10mm也就可以测量10mm的积水。我们也可以将两根铜线之间的距离设为我们想要测量的任何值。当在无水的情况下是两根铜线之间断路，此时电路处于断路状态。当机房发生漏水的时候，水位达到10mm时电路通路。在电路导通后产生开关信号，并将信号传给继电器。继电器接常开端口，当有水浸的时候通路开始向芯片提供开关信号即简单的数字信号，如图3。水浸传感器的主要特性如下：传感器采用全隔离,传感器输入电源、探测器引线、完全隔离,安全可靠其结构可靠性高,适应温度高、灰尘大和烟雾浓的恶劣环境安装简便,使用安全,测量精度高 sc3-wdt-p水浸传感器的有关参数如下工作电源：+12v工作温度湿度：070，30%rh100%rh图3 传感器4.3复位电路的介绍s3c2440芯片上的复位电路采用maxim公司生产的max811复位芯片，该芯片为四引脚微处理器电压监视器，具有精密电源监控和低功耗特点，能监视3v、3.3v和5v的电压，max811工作电压为1.0v5.0v，max811为低电平有效。该芯片除了复位电路以外还能在掉电前做预警使得arm保存数据。max811管脚描述：1端口reset 复位低电平有效。reset在vcc降到低于复位阈值电压时有效，并在vcc上升到大于复位阈值电压后的至少140ms内仍保持低电平。2端口gnd接入地3端口mr手动复位输入端。当mr在低电平时复位管脚有效。并且，复位管脚的状态将保持到mr返回高电平后的140ms。该低电平有效的输入包含一个内部的20k的上拉电阻。mr在不使用时为悬空可由ttl或cmos逻辑驱动，也可短接到地通过一个开关。4端口vcc输入的电源电压。复位流程如图4电路图如图5图4复位流程图图5复位电路图4.4报警蜂鸣电路的设计在本次水浸报警系统中采用峰鸣音报警器。峰鸣器报警接口电路是arm9芯片上自带的蜂鸣报警器，报警器通过芯片的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10ma的驱动电流。在图中tout0接晶体管基极输入端。当tout0有一个高电平“1”输出时，晶体管导通，这是+5v的电压加在蜂鸣器的两端而是蜂鸣器发出报警；当tout0端有一个低电平“0”时输出时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。图5就是一个简单的使用三极管驱动的峰鸣音报警电路图6蜂鸣电路4.5串口电路目前，在国际上最通用的串行通信接口标准是由电子工业协会指定的rs232标准，rs232是一种很常用的串行数据传送总线标准。早期它被应用于计算机和终端之间的通信。随着微型计算机的发展和微控制器的发展，不仅远距离通信，近距离通信也采用该方式。要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要rxdtxd和gnd即可，但由于rs232标准所定义的高、低电平信号与s3c2440系统所定义的高、低电平信号完全不同，lvttl的标准逻辑“1”对应2-3.3v电平，标准逻辑“0”对应0-0.4电平，而rs232标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-515v电平，标准逻辑电路0对应+5-+15v电平。显然两者之间要进行通信必须经过电平信号的转换，目前常使用的电平转换电路为max232。电路图如图7所示图7串口电路4.6 jtag电路jtag(joint test actiongroup;联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部软件测试。现在多数的高级器件都支持jtag协议，如dsp、fpga器件等。jtag最初是用来对芯片进行测试的，jtag的基本原理是在器件内部定义一个tap芯片（test access port;测试访问口）通过专用的jtag测试工具对进行内部节点进行测试。芯片处于调试状态的时候，边界扫描寄存器可以将芯片和外围的输入输出隔离开来。通过这些边界扫描寄存单元，可以实现对芯片输入和输出信号的观察和控制。如果需要捕捉芯片某个拐角上的输出，首先需要把该管脚上的输出装载到边界扫描链的寄存器单元中去，然后通过td0输出，这样，我们可以从td0上得到相应管脚上的输出信号。当进行jtag测试时允许多个器件通过jtag接口串联在一起，从而形成一个jtag链， 以实现对各个部分器件的分别测试。具有jtag口的芯片都有如下jtag引脚定义：tck测试时钟输入；tdi测试数据输入，数据通过tdi输入jtag口；tdo测试数据输出，数据通过tdo从jtag口输出；tms测试模式选择，tms用来设置jtag口处于某种特定的测试模式。可选引脚trst测试复位，输入引脚，低电平有效。jtag内部有一个状态机，称为tap控制器。tap控制器的状态机通过tck和tms进行状态的改变，实现数据和指令的输入。电路图如图8所示图 8jtag电路5.软件组成5.1软件处理模块及主要流程图9软件主要流程图系统软件主要模块包括记录时间并关闭模块和用串口发送数据模块。软件主要流程图如图9所示。软件主要流程从检测传感器中继电器输入的开关量信号开始，当有信号输入的时候把蜂鸣器打开进行报警并开始倒计时10分钟，当倒计时到达10分钟的时候定时器中断停止计数。在中断的同时报警器停止报警，通过串口向远方报警中心进行报警。5.2记录时间并中断模块流程记录报警时间并中断模块首先要进行端口初始化当传感器中的继电器开始向芯片输入开关信号时芯片检测到信号后，开始进行10分钟计时。10分钟后计时中断并且记录时间结束。流程图如图10所示图10记录时间并中断模块流程5.3串口发送数据模块流程在串口发送数据流程中首先进行串口初始化。其波特率为115200bps，依次对端口控制寄存器、行控制寄存器、fifo控制寄存器、modem控制及寄存器进行初始化。检查是否有数据输入当有信号输入的时候通过串口发送数据。图11 串口传送数据流程图结论此次设计为水浸报警系统提供了一种新的设计方法，所制作的报警系统除了芯片比较复杂一些,外部器件相对比较少。适宜用于嵌入式系统。技术上采用s3c2440芯片智能化控制，硬件部分简单且稳定,充分发挥了软件功能；同时，由于s3c2440芯片的特性也可以让其结合linux系统进行嵌入式开发，使其以后的应用前景更为广阔。在本次课题设计中我们仅仅使用了s3c2440芯片很少一部分系统。在arm9开发板上有很多外接电路及接口如串行接口，蜂鸣器等。这大大节省我们要去重新设计电路的时间。系统的软件源程序用c语言编成，c语言是相对比较简单的语言比较容易上手，而且修改起来也比较方便。此次报警系统应用的水浸传感器简单、实用可以精确的测量机房的水浸情况。水浸报警系统作为机房监控系统的一部分与温湿度、火警烟雾测量之间都有着密切的关系。在综合运用基础理论和专业技术的基础上，通过对水浸报警系统的设计，提高了实际的动手能力和运用综合理论知识的水平，为以后的学习和工作打下坚实的基础。参考文献1王雪文.传感器原理和应用.北京航空航天大学出版社.20042徐英慧.arm9嵌入式系统设计.北京航空航天大学出版社.20073贾东永.arm嵌入式系统技术开发与应用实践.电子工业出版社.20094王元庆.新型传感原理及应用.机械工业出版社. 20065侯识忠.数据结构算法程序集.北京：中国水利水电出版社.20056郑人杰.殷人坤，陶永雷.实用软件工程及开发. 北京：清华大学出版社.20077杜春雷.arm体系结构与编程.北京:清华大学出版社.2003.17-148谭浩强.c程序设计(第二版)，清华大学出版社.1999.129arm公司 arm architeture referencem annual . 200010philips公司 lpc248 user manual. 200411张一斌 余建坤. 单片机原理课程设计 中南大学出版社. 200912马忠梅.at91 arm核微控制器结构和开发 北京航空航天大学出版社.200313samsung .s3c2410x 32-bit risc sers manual revision .200514于明 范书瑞 .arm9嵌入式系统设计与开发教程 电子工业出版社. 200615李驹光arm应用系统开发详解.s3c4510b的系统设计 清华大学出版社.2003致谢半年的时间过去的很快，由于我的能力有限，所以这次我的毕业设计可能存在很多的不足之处，希望各位老师多多批评指教。在这里首先要感谢院、系领导给予的大力支持，特别要感谢我的指导老师陈国通老师给予的悉心指导和不厌其烦的热情帮助，陈老师以其渊博的知识、严谨的治学态度、开拓进取的精神和高度的责任心，将对我以后的工作和学习中产生深深的影响，并将永远激励我奋发向上。在此谨向导师表示最衷心的感谢、我在本次设计中学到了很多东西，我认为最大的收获就是学会了自学能力，这对以后不断提高自身能力有很大帮助。在这里我还有感谢答辩组的各位老师在炎热的天气下为我们所作的各种工作和对我们论文所作的批评指正。感谢辅导老师陈国通的热情帮助和指导。特别是在制图、工程设计方面给予了我们极大的指导和帮助。感谢我的同学积极的配合和其他同学的热情帮助。另外，衷心感谢本文所引文献的作者和编者们。附录aregister definition#define gphcon (*(volatile unsigned long *)0x56000070)#define gphup (*(volatile unsigned long *)0x56000078)#define ulcon0 (*(volatile unsigned long *)0x50000000)#define ucon0 (*(volatile unsigned long *)0x50000004)#define ufcon0 (*(volatile unsigned long *)0x50000008)#define umcon0 (*(volatile unsigned long *)0x5000000c)#define ubrdiv0 (*(volatile unsigned long *)0x50000028)#define utrstat0(*(volatile unsigned long *)0x50000010)#define utxh0 (*(volatile unsigned long *)0x50000020)#define gpbcon (*(volatile unsigned long *)0x56000010)#define gpgcon (*(volatile unsigned long 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