生产环境监控系统的研究与实现

生产环境监控系统的研究与实现Research and implementation of the production environment monitoring system生产环境监控系统的研究与实现摘 要 本系统为生产环境监控系统，能够对生产现场环境内的温度、湿度、灯光亮度、可燃气体浓度进行巡检和控制，为了解决生产环境布线繁琐等问题，应用无线蓝牙技术，实现了便携终端设备无线检测和生产环境各项指标的控制，硬件主要由微控制器、信息采集模块和蓝牙模块构成。以ATMEL公司生产的AT89S52单片机为现场主控制器，巡检温度、湿度、光强度、可燃气体浓度同时进行控制，每个检测模块都能独立完成自身功能，同时根据现场主控制器发出的指令对各项环境指标进行实时收集。主控制器负责控制指令的发出，协调各个检测单元进行数据采集，处理测量数据并显示。其中，采用DHT11温湿度传感器构成温湿度检测模块，MQ-2型传感器检测可燃气体浓度，无线通信模块则采用了蓝牙模块HC-06，实现了对生产环境各项指标的无线方式实时监控并可报警。整个系统结构简单，成本低，性能可靠，能够实现对各类生产环境的智能监控。关键词： 单片机，温湿度检测，蓝牙技术，环境监控系统IIIResearch and implementation of the production environment monitoring systemAbstractThe system for the production of environmental monitoring system, able to patrol and control of temperature, humidity, light brightness, the combustible gas concentration on the production site in the environment, in order to solve the problem of the production environment of complicated wiring, using Bluetooth wireless technology, realizes the control of portable terminal device wireless detection and production environment indexes, hardware consists of microcontroller the information acquisition module and a Bluetooth module, form.Produced by ATMEL company AT89S52 microcontroller as the main controller of the inspection site, temperature, humidity, light intensity,concentration of combustible gas are controlled at the same time, each detection module can independently accomplish its own function, at the same time, according to the site of the main controller instructions issued by the real-time collection of the various environmental indicators. The main controller sends out the control command, coordinate each detection unit for data acquisition, processing and display of measuring data. Among them, using the DHT11 temperature and humidity sensor composed of temperature and humidity detection module, MQ-2 sensor to detect the concentration of combustible gas, the wireless communicationmodule is usedto realize the wirelessBluetoothmodule HC-06,the wayofthe indicatorsof production environmentreal-time monitoringandalarm.The wholesystem has the advantages of simple structure,low cost,reliable performance,can realize the intelligent controlfor the production of various types ofenvironmental. Keywords: Microcontroller Unit, temperature and humidity detection, Bluetooth technology, environmental monitoring system目 录第1章 绪 论81.1 课题的研究目的和意义81.2 生产监控系统研究现状及发展趋势81.3 课题的主要研究内容9第2章 系统总体设计方案102.1总体设计方案102.2 系统的主要技术指标112.3 设计方案论证与器件的选择112.4 系统理论分析与计算14第3章 系统的硬件电路设计173.1生产环境监控系统的微控制器简介173.2 AT89S52单片机最小系统的设计183.3 系统各项参数的数据采集模块设计193.4 系统的其它外围电路设计24第4章 系统软件设计294.1 蓝牙核心协议实现294.2 系统的软件设计30第5章 方案测试与结果分析355.1测试方案355.2 测试条件与仪器355.3测试结果与数据分析36第6章 总结38参考文献39附录 源程序42作者简介及在学期间所取得的科研成果75致 谢76第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 课题的研究目的和意义 随着我国经济的发展，工业化进程的不断推进，城市化的发展，人民生活水平不断提高，但随之而来的环境恶化问题也亟待解决。温度、湿度、环境光照情况和有害气体浓度与人类生产、生活紧密相连，这些也是工业、农业生产中最关注、最基本的监测参数，例如农业上农作物的长成温度、湿度非常关键，尤其是光照度的测量与调控，石油、化工、机械、电子等各类生产企业中都需要对温度、湿度和现场环境等情况进行测量与调控，而且随着人类日常生活水平的提升，大众对自身的生活环境愈来愈看重，而工作环境中温湿度、光照强度的转变和有害气体的含量将与人体的舒适度和工作效率都息息相关，所以对生产环境中的温湿度、光照情况和有害气体浓度的检测及调控就十分有必要了。 农业、工业生产中温度、湿度、光照情况和有害气体含量是需要监测的重要指标，同时随着对生产环境特别是恶劣环境中，人、设备和生产安全及高效率的要求越来越高，工业环境的实时综合检测与控制技术也越来越多的受到企业的重视1。但传统的监测办法有很多不足之处，用温度计、湿度表、照度计和有害气体浓度监测设备进行单一的测量，都是单一的测量设备，通过人工进行检测，对不符合温度、湿度、光照情况要求的现场各项指标，采取通风、去湿、降温、采光等措施。这样的单一人工检测方法费力费时，测试点少，监测范围窄，效率低，而且测试数据的误差也较大，人为随意性也大；同时传输的是模拟信号，更容易受到干扰，产生失真，处理复杂，监控效果差。内嵌了微型计算机或微处理器（MCU）的监控设备，由于它能够对采集到的数据进行运算、存储和输出控制等功能，具有智能监控的特点。随着工业企业生产的自动化、规模化和高效率的需要，一个成本低和精度高的工业现场环境监控设备在多个领域会替代传统人工操作模式，能够自动控制各种设备调整生产环境温度、湿度、光照度情况等各项指标。当前，市面上普遍在售的环境检测设备大多是单点监测，并且温度、湿度、光照度情况和有害气体浓度信息传递不实时，测量精度不高，控制者很难根据温度、湿度、光照情况和有害气体浓度变化适时作出调整，因此，本课题研究实现了一种能够同时监测多点参数，而且具有良好的实时性、高准确度的优点，能够综合监测多个点温度、湿度、光照情况和有害气体浓度等多项指标的监控系统。总之，生产环境监控系统的研究与实现市场前景广阔，实用价值较高。671.2 生产监控系统研究现状及发展趋势中国当前城镇化道路取得了长足发展，人们生产和生活水平有了很高的提升，可是生产和生存环境却极具恶化，中国的城镇化道路上仍面临着许多新课题。企业生产环境的监控，是保证产品质量和工人健康的重要一环，这也是一个普遍存在的问题，又是亟待解决的重大课题。生产环境监控系统针对各种特殊环境(包括包括企业生产厂房、通信机房、库房、配电室、保险舱及安全场地等)中各种与信息相关的设备特点和工作环境信息集中到一个智能监控系统上进行实时监测和控制。伴随着现代科学技术的信息化的飞速发展，生产环境监控系统在许多领域也得到长足的发展，使人们的生活质量得到了提升，生产管理更人性化、智能化，而且带来一定的经济效益，同时提高了效率。目前应用较多的监控系统有机房环境监控系统，它是一个计算机网络，综合利用了计算机网络技术、通信技术、自动控制技术、数据库技术、新型传感技术等，提供的一种以计算机技术为基础、基于集中管理监控模式的自动化、智能化和高效率的技术手段，机房动力和环境设备等设备(如：配电、UPS、空调、温湿度、漏水、烟雾、视频、门禁、防雷、消防系统等)是系统监控主要对象。使人们摆脱了以前需要人24小时监守，耗用大量入力和财力的时代，实现了对机房的动力环境进行实时自动化集中的无人监控的智能现代化。环境监控系统也可以应用于公共电力设施，它不但可以帮家庭省下多余的电费支出，也能侦测系统的使用状况使用记录，还有以手机简讯的报警功能等，不仅人性化而且成本低，给国家带来很大的经济效益。还有在环保监督部门，也开始使用环境监控系统，提高城市环境管理的现代化水平。1.3 课题的主要研究内容本文从应用实际出发，针对工业现场生产环境监控系统展开了研究，主要研究内容有：1、实验室搭建了生产环境的平台，模拟实现了多种工业复杂的现场情况，考察了系统的实用性。2、生产环境监控系统的各项功能要求及硬件、软件的整体架构。3、实现了生产环境监控系统的功能要求，在实验室构建了各部分硬件电路，分析、测试了相关功能；完成相关软件流程设计和程序编制。4、生产环境监控系统各项参数的检测数据分析、处理。第2章 系统总体设计方案第2章 系统总体设计方案生产环境监控系统的设计，为了实现对工业现场多点分布式监测，需要设计多个功能模块，包括温湿度、可燃气体、光照度、蓝牙技术和各个控制模块，能够实时、精确地检测和控制工业生产环境的各项检测指标，并要求能够实现工人便携终端设备的实时显示和远距离控制。因此，需要对各项检测指标不断测试，进而不断完善生产环境监控系统的功能实现，所以本设计主要在实验室搭建了实际生产环境模型，完成了生产环境监控系统的硬件和软件设计，并设计完成的系统进行了综合调试，基本完成了设计功能要求，实现了对模拟现场生产环境下的各项指标的监测和控制功能。2.1总体设计方案2.1.1系统总体设计方案模拟实际生产环境现场，构建实时分布式生产环境监控系统，能够对工业生产现场环境内的温度、湿度、灯光光照度、可燃气体浓度进行实时检测与警报；当可燃气体浓度过高时，调控排风设备（用小功率风扇替代）的功率，调整排风量，同时启动喷淋系统灭火，启动安全隔离门闭合。该系统的现场主控制器可以对现场要检测和调控的温湿度、灯光光照度、可燃气体浓度值进行预置并实时显示，为了适应不同工作环境下的要求，采用蓝牙技术，能够无线远距离将现场环境温湿度、灯光光照度、可燃气体浓度等信息和喷淋系统、排风设备、安全隔离装置的开关状态发送给终端便携设备，同时终端便携设备可以调整控制各项指标的设备。2.1.2 系统总体设计方案框图经过一个月的反复论证和调研，针对生产环境监控系统的功能实现要求，最后给出了生产环境监控系统的总体设计方案框图，本系统主要由主控模块模块、温湿度监测模块、可燃气体监测模块、环境照度监控模块、无线收发模块、加热装置控制模块、喷淋阀监控模块、排风机监控模块、隔离门监控模块、电源模块组成，如图2.1所示。图2.1 生产环境监控系统的总体设计方案框图2.2 系统的主要技术指标生产环境监控系统的主要技术指标：1、 现场环境温度预设和调控范围：+25+60；2、 温度监控误差：X2；3、 现场灯光光亮度可实现5个档位调整；4、 可燃气体报警浓度设定范围：20%100%LEL；5、 系统具备声音和灯光报警功能；6、 启动安全控制设备时间小于5s，要求整个控制过程小于20s；的工作状态。 2.3 设计方案论证与器件的选择2.3.1系统主控制器的选择方案一：采用可编程逻辑器件，如XC9000系列的FPGA。这类可编程逻辑器件FPGA采用并行处理数据的方式，具有响应速度快、系统可扩展性好等优点，不过，它在处理数据是十分复杂，并且器件价格也相对较高。 方案二：51系列单片机是在中国应用比较广泛的一类微控制器，各类资源丰富，此种微控制器（MCU）技术完善，价格便宜，所以，本设计以微控制器AT89S52作为核心控制单元，用于企业生产环境现场的主控制单元，其数据处理功能够用，数学运算能力强，程序设计简单，构建的系统稳定性好，且系统功耗低，十分适用于各种环境下的现场监控。综上分析，该系统更适合选择应用广泛，控制简单灵活的微控制器AT89S52作为核心控制单元，所以采用了方案二。2.3.2温湿度监测模块的选择 方案一：选用温度控制器、数字温度传感器DS18B20和电容式湿度传感器构成温度控制模块。数字温度传感器DS18B20是一线式数字温度传感器，采用单线的串行方式传输数据，测温范围在0125，精度可以编程设置，最高精度可达0.0625，硬件接线简单，但设计采集数据程序相对复杂，电容式湿度传感器测量湿度原理简单，但前端湿度检测电路需要设计制作，且稳定性差。方案二：选用数字温湿度温度传感器DHT11和集成温湿度检测模块。DHT11是一种集成式数字输出的多功能传感器，器件内部集成了一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，能够检测相对湿度范围为2090%RH，测量误差不大于1%RH，温度测量范围为050，测温绝对误差小于1。综和考虑，从实用出发，结构简单，精度达标角度考虑，故本模块采用方案二。2.3.3光照度监测模块选择方案一:选用硅光电池检测光照度的变化情况，将光照强度变换为光电流信号，然后经过集成运算放大器再变换为电压信号输出，再经过A/D转换器转换为数字信号送入微控制器内部，通过运算和处理最终显示出光照度，并根据不同的照度，由微控制器输出信号控制切换灯光的变换档位，最终实现灯光光照度的测量与多档位控制。方案二：选用数字光强度检测模块GY-30，内部采用ROHM原装BH1750FVI（光照度传感器），光照度传感器BH1750FV是一种光照度数字转换器，集成度高，接口线路简单，它可以将光强度转换成数字信号输出，稳定性好，使用方便。GY-30供电电源：3-5V，光照度范围：0-65535 lx，传感器内置16位A/D转换器可以直接数字输出，具有低电流关机保护功能，光谱的范围在人眼灵敏度范围内，有1.8V 逻辑输入接口，无需外加驱动，不挑剔光源，白炽灯、荧光灯、卤素灯、LED灯都可，基本不受受红外线影响，忽略复杂的计算，忽略标定不区分环境光源接近于视觉灵敏度的分光特性，能对范围宽广的亮度进行1勒克斯（lx）的精度较高的测定，采用标准NXP IIC通信协议，模块内部含通信电平转换电路，与单片机I/O接口直接连接传送STC。方案三：选用光照光学传感器APDS-9300，它是一种低电压数字环境光照光学传感器，能够将光照强度转换为数字信号，可与I2C接口连接。每个产品都配置了一个宽带光电二极管（外加红外线可见）和一个红外光电二极管。内部集成了两个A/D转换器，将光电二极管输出电流变换到数字输出接口，即可以对每个通道上的辐射通量进行检测。选用硅光电池，需要设计前向通道的检测电路，硬件电路的构成也比较麻烦，同时系统稳定性也较差；方案二选用集成度较高的数字式传感器，接口电路简单，精度由生产厂家保证，完全能够实现设计要求，所以，最终选择了方案二。2.3.4 可燃气体浓度监控模块的选择方案一：选用MQ-2型传感器对环境可燃气体浓度进行检测，MQ-2型传感器对天然气、甲烷、液化气等可燃气体灵敏度高，特别是对烷类气体极为敏感,具备优良的可重复性，长期稳定性好，具有较小的响应时间，性能稳定，尤其是长时间工作也能保证其性能，抗干扰能力强，如果环境内含有有刺激性不可燃性气体，可进行快速准确的去除这些干扰信号，比如常见的酒精等。电路使用电压范围24V以下；工作时，加热电压5V左右。内部含有微型AL2O3 陶瓷管和SnO2 敏感层，敏感元件包括测量电极和加热器，它们安装在塑料或不锈钢制成的壳体内，加热丝为气体敏感元件进行加热清洗，使其具备基本的工作条件。包装好的气敏元件外部有6个针状引脚，包含4个信号取出引脚，2个提供加热电流的加热电极引脚。方案二：选用MQ-6型传感器对环境可燃气体浓度进行检测，MQ-6气体传感器由二氧化锡这种气敏材料制成，二氧化锡(SnO2)在干净的空气中电导率（G）较小。周围环境里有可燃气体时，二氧化锡(SnO2)的电导率伴随环境中可燃气体浓度的上升而增加。加上相应的转换电路就能将电导率（G）的变化变换为与可燃气体浓度对应的输出量。MQ-6半导体气敏传感器对丙烷、丁烷、液化气具有高灵敏度，也能够检测天然气，可见，它能够检测多种可燃性气体的一种气体传感器，而且成本较低，又具备广泛用途的传感器。MQ-6带有输出信号指示，有可靠地稳定性，使用寿命长，相应速度快，迟滞小等特点。工作时电压为直流（DC） 3-5V。缺点是抗干扰能力差。经过比较，最终选择了方案一。2.3.5 液晶显示模块的选择液晶显示方式以其低功耗，体积小，显示内容丰富，轻薄等特点广泛应用于便携式电子产品设计中，且具有使用寿命长，无电磁辐射等优点。方案一：用液晶显示模块LCD12864显示检测到的生产环境监控系统中的各项参数，它可以显示多行数据，可以显示的字体也比较大，使得读数更清晰，但是液晶显示模块LCD12864价格稍高，相对接口电路较复杂，故经过考虑，未选此方案。方案二：从经济高效，够用为度考虑，生产环境监控系统的显示单元，也可以选用液晶显示模块1602，LCD1602液晶显示模块硬件接线简单，能够满足本设计显示需要，价格也比LCD12864模块便宜。因此，本方案为首选方案。综和考虑，由于需要显示的环境指标较多，生产环境监控系统的显示模块采用了方案二。2.3.6无线收发模块的选择与论证方案一：红外通讯技术是取代有线电缆的一种传输数据方式，这种方式实现功能较单一，可扩充性差。同时红外通讯成本较低、接口电路简单、容易使用和结构紧密，但传输有效距离较短，同时中途如果遇到障碍物题通讯会断开。红外通信模块很多，一种是RF1101无线收发模块，是依据SMARTRF技术，以0.18s CMOS工艺制造成的一种单片UHF收发器件。该器件可以工作在315、433、868和915MHz的ISM无线频段，也可工作在SRD（短距离）频率波段。红外模块RF1101内部带有一个高度可配置的调制解调器，支持不一样的调制格式，它的数据传输率最高可达500kbps，RF1101工作电压为1.83.6V，灵敏度为-110dBm，在全部工作频率波段上，可以实现编程输出功率为-3010dBm。常用的红外通信模块还有NRF905，它由频率合成器、接受收解码器、功率放大器、晶体振荡器和调制器构成，外部不需要加滤波器，采用Shock Burst TM工作模式，具备自动处理字头和循环冗余码校验(CRC)的功能，采用SPI接口与单片机传输数据，接口电路简单，耗能低，在-10dBm的输出功率发射时，内部电流仅有11mA，工作于接收模式时电流也不高，为12.5mA，内部含有空闲节电模式和关机保护模式，节能环保。方案二：蓝牙无线传输技术自上世纪90年代末出现以后，收到许多企业关注和推广，它主要实现终端与终端之间的短距离通讯，稳定性好，而且相对红外通讯方式，蓝牙技术覆盖范围大，可以穿过不一样的物质，也可以在物质之间扩散。综上所述，为了更好的与便携终端设备实现无线通讯，最终采用了方案二。2.4 系统理论分析与计算2.4.1系统总体理论分析完成设计的生产环境监控系统，能实现对生产环境中的各项参数实时收集，用于对各环境参数感知的传感器包括：温湿度传感器DHT11，感知生产环境中的温度和湿度两项参数；光强度检测模块GY-30用于感知生产环境中的光强度；环境参数可燃气体浓度的感知，则选用了MQ-2型烟雾传感器；设计系统将感知的各项环境参数进行汇总，由核心控制器对收集的数据进行处理和分析，最后，依据分析结果，发出控制指令，驱动执行器件动作，从而实现了生产环境中各项参数的调控。经过综合分析，系统的主要调控量包括：温度、湿度、光照度和环境常见可燃气体的浓度。对于温度和湿度的调节，主要通过加热器加热、通风等措施；工作环境光照度的调节，主要是按不同档位进行调节，控制照明灯的亮度和数量来实现；因为是模拟现场环境，所以在测试时，需要人为的向测试现场内释放一些可燃气体，控制其浓度，实现环境参数的监控。整个生产环境监控系统主要包括数据汇集结点、无线传感器节点和具体执行器件三部分。设计过程中，考虑实际，调节方式分为手动调节和智能调节两种方式。手动调节顾名思义，主要是通过人工手动来动作的，而智能控制模式，则是系统根据无线传感器感知到的信息，微控制器收集到信息，进行运算和处理后，向执行器件输出指令，对检测环境内的多个参数进行智能的控制并调整。2.4.2系统各功能模块的理论分析1、温湿度监测模块的理论分析DHT11传感器内部含有一个电阻式感湿元件和一个负温度系数的热敏电阻（NTC）元件，可以和一个性能高的8位单片机相接。所以，这种传感器具有高品质、响应极快、抑制干扰能力好等特点。每一个出厂的DHT11温湿度传感器，都是经过十分精确地校准的。而且校准系数已经村粗在内部OTP中，所以在具体使用过程中，器件内部在信号的处理过程会经过校准系数修正的。连线采用单线串行方式，整个系统集成度高，使用简单方便。2、可燃气体监测模块的理论分析环境可燃气体浓度的检测采用了MQ-2型气体传感器，MQ-2型气敏元件的敏感元件用稳定性好的SnO2制作，当环境气体浓度变化时，二氧化锡表面电阻会发生变化，进而测出气体的浓度变化，可燃气体浓度升高，电导率升高，电阻下降，减小的大小与可燃气体的浓度相关。MQ-2型传感器感知气体浓度变化的原理是其内部具有敏感元件，敏感元件、固定电阻和可变电阻构成惠世登电桥电路。电桥电路用铂丝为载体和催化元件，上电后铂丝温度升高，达到工作温度，周围环境气体以自然扩散方式到元件表面，当环境中没有可燃性气体时，电桥平衡，桥路输出电压为零；当环境中有可燃性气体且发散到敏感元件上时，在催化剂的作用下为无火焰燃烧，敏感元件周围温度上升，铂电阻必然阻值增加，从而使电桥失去平衡，将气敏电阻阻值的变化转换为桥路输出电压的变化，输出电压的大小与可燃气体的浓度成正比，此电压信号再经过放大器放大，送入A/D转换器转换为数字信号，再经过控制器处理后显示出来。3、光照度监控模块的理论分析GY-30是数字光强度检测模块，内部含ROHM原装BH1750FVI芯片，供电电压在35V之间，光照度检测范围在065535lx之间，光强度传感器内部放置了16位高精度A/D转换器，可以直接输出数字信号，省略复杂的计算，省略标定，不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性。2.4.3生产环境浓度的计算在设计指标要求中，要求可燃气体报警浓度设定范围：20%100%LEL，可选的测试用可燃气体种类繁多，测试气体选用了CH4(甲烷)，查阅文献资料后，我们知道了LEL表示可燃气体的爆炸下限，经查CH4(甲烷)的爆炸范围为2.57.2，也就是说甲烷气体的LEL为20（在空气中所占的体积百分比）。模拟测试环境现场，设计的空间体积为： 经过下列计算： 所以设计过程中，要能实现可测得的可燃气体的体积范围为300立方厘米到1500立方厘米之间。第3章 系统的硬件电路设计第3章 系统的硬件电路设计3.1生产环境监控系统的微控制器简介生产环境监控系统的功能和要求如前所述，生产环境现场监控系统的主控制器选择了美国ATMEL公司生产的51系列的AT89S52单片机作为核心控制单元，组建了检测和控制系统。美国ATMEL公司生产的AT89S52单片机，是一种高性能、低功耗的8位CMOS的MCU(微控制器)，内部有8KB的片内Flash ROM（存储器）。采用ATMEL公司高速度不易丢失性Flash ROM（存储器）生产技术，与常用的51系列产品全部指令和引脚都全部通用。片内Flash ROM可以在线系统编程，也可以采用编程器实现程序的烧写，方便灵活。所以，AT89S52产品在这么多的嵌入式微控制系统中应用广泛。微控制器AT89S51的内部结构框图如图3.1所示。 图3.1 微控制器AT89S52的内部结构框图微控制器AT89S51的主要特性： 能够与51系列产品完全相容8KB可编程Flash ROM ,1000次循环写/擦，数据可留存10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定256B内部RAM32根可编程并行I/O口线3个16位定时器/计数器具有8个中断源 含有可编程串行口具有低功耗节电模式和掉电保护模式3.2 AT89S52单片机最小系统的设计结合系统所要实现的检测功能要求，AT89S52单片机最小系统设计如图3.2所示，主要包括时钟电路、复位电路和独立按键电路。 图3.2 AT89S52单片机最小系统电路原理图3.2.1 系统复位电路当系统运行出错或程序进入死循环时，为了摆脱困境，必需在系统中设置复位电路，实现系统可靠与稳定的工作。AT89S52芯片的9引脚是RST复位引脚，这个引脚有持续2个机器周期以上的高电平，系统才能复位。这里采用了常用的按键手动复位电路，电路如图3.3所示。 图3.3 AT89S52的复位电路3.2.2 时钟电路时钟电路的作用是产生AT89S52运行时所必需的时钟控制信号。时钟频率直接影响单片机的运行速度，时钟电路输出时钟信号的准确度和稳定度将直接影响系统的工作稳定性。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟信号方式 ，片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，如图3.4所示，C1和C2典型值通常选择为30pF左右，时钟频率最高可达40MHz，本设计中时钟频率为12MHz。 图3.4 AT89S52内部时钟方式电路3.3 系统各项参数的数据采集模块设计为了对工业现场环境各项指标的智能监控，必需采用各类传感器来采集各项指标的信息，来确定各个控制设备的启动与工作状态，实现节能环保、经济高效，同时能为使用者提供舒适的工作环境。所以，用于生产环境监控的数据采集模块主要包括温湿度监测模块、可燃气体监测模块和灯光照度监控模块三部分组成。3.3.1生产环境监控系统温湿度监测模块温度和湿度与人类的生活息息相关，人类很早就开始为监测温度和湿度进行了各种努力，并开始使用温湿度传感器检测温湿度。在工业生产的自动化流程中，温度和湿度更是主要检测参数，因为它们直接影响产品的质量。本设计选用了数字温湿度温度传感器DHT11和集成温湿度检测模块构成了温湿度监测模块。DHT11数字式温湿度传感器，是一中内部有已经校准数字信号输出的温湿度多功能集成传感器。采用专用的A/D数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证了该传感器具有非常高的可靠性与良好的长时间稳定性。内部集成有一个电阻式感湿元件和一个负温度系数热敏电阻（NTC）感温器件，所以，该温湿度传感器品质高、响应快、抑制干扰能力好、高性价比等特点。每个传感器在出厂前，都经过十分精确的温湿度校准。采用一线式串行接口电路，系统硬件电路设计简单，同时体积小，功耗低，传输距离20m以上，适应各种复杂环境，采用为4 针单列引脚封装形式。数字式湿度传感器DHT11实物图如图3.5所示。 图3.5 数字式湿度传感器DHT11实物图温湿度传感器DHT11检测模块的电路图如图3.6所示，温湿度传感器DHT11将周围环境温度转换为数字信号，以带符号二进制16位补码形式输出，本设计中输出引脚与AT89S52的P2.0相接，整个检测模块采用外部电源供电方式。图3.6为温湿度传感器DHT11检测模块实物图。 图3.5 温湿度传感器DHT11检测模块电路图 图3.6 温湿度传感器DHT11检测模块实物图3.3.2 生产环境监控系统可燃气体检测模块可燃气体检测模块要求能够检测环境中的可燃气体浓度，最基本构成包含：可燃气体传感器、前向信息收集电路、A/D转换电路,考虑采用半导体烟雾传感器，半导体烟雾传感器有用半导体陶瓷氧化物材料为敏感元件制成的可燃气体传感器，还有用半导体单晶材料制成的可燃气体传感器，它们的特点是灵敏度很高， 响应时间短、外形小、构成简单，用起来方便、卖价低等优点，所以得到了广泛应用。半导体烟雾传感器质量的好坏，主要看其技术指标，包括灵敏度、抗干扰能力和使用时间。经过综合比较，本设计选用MQ-2型烟雾传感器。图3.7为MQ-2型气敏元件的灵敏度特性，图3.8为MQ-2型气敏元件的温湿度特性。 图3.7 MQ-2型气敏元件的灵敏度特性 图3.8 MQ-2型气敏元件的温湿度特性MQ-2型烟雾传感器能够用于住宅和厂房的可燃气体泄漏检测，包括液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等多种气体的检测。MQ-2型传感器对天然气、甲烷、液化气等可燃气体灵敏度高，特别是对烷类气体极为敏感,具备优良的可重复性，长期稳定性好，具有较小的响应时间，性能稳定，尤其是长时间工作也能保证其性能，抗干扰能力强，如果环境内含有有刺激性不可燃性气体，可进行快速准确的去除这些干扰信号，比如常见的酒精等。电路使用电压范围24V以下；工作时，加热电压5V左右。内部含有微型AL2O3 陶瓷管和SnO2 敏感层，敏感元件包括测量电极和加热器，它们安装在塑料或不锈钢制成的壳体内，加热丝为气体敏感元件进行加热清洗，使其具备基本的工作条件。包装好的气敏元件外部有6个针状引脚，包含4个信号取出引脚，2个提供加热电流的加热电极引脚。图3.9为可燃气体检测模块电路图。图3.9 可燃气体检测模块电路图3.3.3 生产环境监控系统灯光照度检测模块光照度是指物体表面被照亮的程度。由发光物体发出的光能在单位时间内通过某y一截面的光能数量，叫光通量。光通量越大，即表示该发光体所发出的可见光越强。光通量的单位是流明（lm）。照度为照射到物体单位面积上的光通量。照度用符号E(Ev)表示；单位为勒克斯(lx)，1 lx=l lm/m2。其数学表达式为： 其中，光通量，A面积。人工光源的亮度用光通量来表示，不同类型的人工光源的光通量照度不同，照度是背光照射物体单位面积上所受的光通量，所以，同一光源在不同距离将产生不同的照度，距离越长，照度将越小。常见的人工光源的光通量见表3.1所示。 表3.1 人工光源光通量概述白炽灯荧光灯30W330lm10W480lm40W500lm15W730lm60W830lm20W1120lm100W1570lm30W1730lm本设计采用数字集成式光照传感器BH1750FV构成灯光照度检测模块，它是能够检测周围环境光强度传感器。两个通道是用个光敏二极管进行检测，一向通道对可见光和红外光进行感测，一向通道只对红外光敏感。内部采用双积分式A/D转换器将光敏二极管的信号转换为数字信号，这种方式稳定性好，转换精度高，转换完成后将数据存于内部寄存器中。如此往复进行A/D转换，但相对转换速度较逐次比较型慢。图3.10 光照传感器BH1750FV电路图3.4 系统的其它外围电路设计3.4.1 报警电路设计本设计由于完成的是模拟生产现场环境的监控系统，所以只设置了可燃气体浓度超限报警电路。如果检测到可燃气体浓度高于上限值时，报警电路图如图3.11所示，将由程序软件设置P2.0为“1”（高电平）,使8550导通，声音报警器报警；另外由软件程序设置P2.1为“1”（高电平），控制报警灯点亮。图3.11 报警电路图3.4.2 蓝牙无线通信模块 蓝牙技术是一种支持设备之间短距离通信的无线通信技术，能实现如手机、PDA、无线耳机等终端设备之间的无线信息交换。蓝牙技术采用分布式网络结构，支持点对点及点对多点的通信，工作于全通通用的2.4GHz ISM 频段。本设计中使用了蓝牙通信模块HC-06，蓝牙通信模块HC-06具有灵敏度高，外形小巧，价格便宜，耗电量低等优点，与蓝牙2.0规范UART接口的蓝牙模块能够连接通用，还支持设置多种波特率，支持SPP蓝牙串口协议。最高传输速率可达2.1Mbps，传输距离超过20米。图3.12为蓝牙无线通信模块电路图。蓝牙通信模块HC-06的特征： 1、无线收发 1) 灵敏度(误码率) 达到 80dBm 2) -4 - 6dBm 功率可调输出 2、性能概述1) 蓝牙2.0带EDR ，2Mbps -3Mbps 调制度 2) 内置2.4GHz天线, 用户无需调试天线 3) 外置 8Mbit FLAS H 4) 低电压 3.3V 工作（3.1V4.2V）配对时3040MA 波动，配对完毕通信8MA 5) 可选 PIO 控制 6) 标准 HCI 端口(UART or USB) 7) USB 协议: Full Speed USB1.1, Compliant With 2.0 8) 模块可以作为 SMD贴片工艺 9) RoHS制程 10) 引脚半孔工艺 11) 数字 2.4GHz无线收发射 12) CSR BC04 蓝牙芯片技术 13) 自适应跳频技术 14) 体积小 ,(27mm13mm2mm) 15) 简单的外围设计电路 16) 蓝牙 Class 2 功率级别 17) 存储温度：-40至+85 度，工作温度：-25至+75 度 18) 协波干扰：2.4MHz，发射功率 3 dBm 19) 误码率 ：0 ，但会在传输链路产生信号衰变，才有误码，如RS232 和TTL 线路处理线路 图3.11 蓝牙无线通信模块电路图3.4.3 液晶显示模块1、液晶简介液晶（Liquid Crystal)是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始广泛应用在便携式设备上。液晶显示器（Liquid Crystal Display,LCD）的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。比如：1602的意思是每行显示16个字符，一共可以显示两行；类似的命名还有0801,0802,1601等，这类液晶通常都是字符型液晶，即只能显示ASCII码字符，如数字、大小写字母、各种符号等。12232液晶属于图形型液晶，它是由122*32个点来显示各种图形，类似的命名还有12864,19264等，根据用户需要，厂家可以设计出任意数组合的点阵液晶。液晶体积小、功耗低、显示操作简单，但是它有一个致命的弱点，其使用的温度范围很窄，通用型液晶正常工作温度范围为0- +55，存储温度范围为-20- +60，即使是宽温液晶，其正常工作温度范围也仅为-20- +70，存储温度范围为-30- +80，因此，在设计相应产品时，要考虑周全，选择合适的液晶。2、液晶显示模块介绍生产环境监控系统设计的显示单元，选用液晶显示模块1602，LCD1602液晶显示模块硬件接线简单，价格低，能够满足本设计显示需要。图3.12为液晶显示器LCD1602实物图，图3.13为液晶显示器LCD1602接口电路。 图3.12液晶显示器LCD1602实物图 图3.13 液晶显示器LCD1602接口电路液晶显示器LCD1602接口电路简单，表3.2为液晶显示器1602引脚功能表。 表3.2 液晶显示器1602引脚功能表第4章 系统软件设计第4章 系统软件设计本课题的生产环境监控系统的软件设计主要由两部分构成，一部分是生产环境监控系统各项环境参数智能检测和控制部分的软件设计，包括单片机的初始化、模拟量采集处理、数字量采集处理、串行通讯等；另一部分是生产环境监控系统控制策略的软件实现，包括便携终端设备的无线通讯和控制等。4.1 蓝牙核心协议实现4.1.1 蓝牙核心协议无论哪种蓝牙设备，都必须遵守蓝牙规范，这样才能使得各厂商的产品相互兼容。蓝牙规范具体又包括核心协议和应用层面，核心协议规范了蓝牙通讯设备应该遵循的协议层内容，具体应用层协议规范了在不一样的应用环境下蓝牙通讯设备实际的实施规范。蓝牙核心协议栈包含射频协议、BB(基带)协议等多种协议。BB(基带)协议又包含链路控制协议和链路管理协议，主要承担发送和接收数据、申请获得名称、查询链路地址、连接的建立、鉴权、链路模式商讨和决定帧的类型等工作。蓝牙射频基带协议具体实现，包括射频单元、链路控制单元和链路管理单元，一般由具体芯片来实施。逻辑链路控制适配协议(L2CAP)与链路管理协议（LMP）在一起工作,其中逻辑链路控制适配协议（L2CAP）往上供给面向连接和面向无连接的服务数据，L2CAP允许上层协议以64K发收数据。服务发现协议（SDP）主要是查找蓝牙通讯设备提供的具体服务。蓝牙通讯设备所供给的服务和具体参数都注册在SDP中，如果要使用这些个服务的蓝牙设备，都能够经过SDP来查询到消息。串口仿真协议(RFCOMM)应用多条通路复用的方式,供给多条全透明的数据通道,由服务通道号(server channel number)和流向位来一起定夺。RFCOMM提供每一条数据链路连接标识服务信道号的服务标识，这样一个服务通道号要注册在SDP中，用户端蓝牙通讯设备经过SDP能够查获服务通道号，再向此服务通道号发送RFCOMM连接请求。蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙专用协议组成。大本部分蓝牙设备都需要核心协议（包括无线部分），不过其他协议则根据具体应用的需要来定。总之，电缆替代协议、电话控制系统协议和被采用的协议在核心协议基础上组成了面向具体应用的协议。4.1.2串口替代应用为了使得最终应用蓝牙技术的产品间的互联互通和具有通用性，蓝牙标准中，定义了一系列的应用模型，主要面向基本的应用，即应用层面。本文设计中无线传感器就使用了SPP（serial port profile），即串口替代应用模型。串口替代应用是建立在基本接入GAP和服务发现应用SDP两个应用模型基础上的。GAP和SDP是全部蓝牙应用层面的根基部分,不管是什么蓝牙应用，都务必符合这两个应用层的相关规范。在设备之间需要经由RFCOMM 仿真的串口进行通信时，SPP（串口替代应用模型）对这里边必备的服务和过程进行了详密的规定。SPP蓝牙设备含有了串口替代的功能，它是其他建立在串口应用的基础，在串口使用之上，弄够进行拨号网络、传真和局域网接入的具体应用。经过以上的分析，能够看出如果要实现蓝牙模块应用，应该具备蓝牙规范中的串口替代应用规定的所有协议，而且要结合实际要求编写上层链路控制应用层，来完成自组织形式的组网功能。4.2 系统的软件设计4.2.1程序设计功能分析根据题目要求软件部分主要分为七部分，第一部分为主控模块，可对喷淋阀、排风机、隔离门等装置进行就地开关控制，当设备运行时能指示出工作状态；对环境温度进行控制，要求温度控制绝对误差小于2；第二部分为LCD12864显示部分，利用IAP15F2K61S2单片机串行传输功能，实现各个功能模块在显示器上的状态显示；