【《单片机控制的风电机组消防监测系统的硬件和软件设计案例》6600字】

单片机控制的风电机组消防监测系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u3080单片机控制的风电机组消防监测系统的硬件和软件设计案例 13103第1章硬件电路设计 1141621.1主控制器ATmega128 1103041.2电源模块 7243391.3无线通信模块 8149001.4摄像头模块 952971.5传感器模块 11167791.5.1温湿度传感器模块 11179751.5.1烟雾传感器模块 115625第2章系统软件设计 15202442.1自动消防控制系统主程序流程 1596132.2温湿度传感器模块程序 16276362.3摄像头模块程序 2035152.4烟雾传感器模块程序 2546452.5显示屏模块程序 26第1章硬件电路设计本系统是传感技术、通信技术和嵌入式技术的结合。具体实现方案如下：用AVR单片机作为控制核心，风电机组现场温度和湿度通过温度传感器来检测；通过红外传感器、烟雾传感器和摄像头模块显示机组内是否出现火灾，有则控制消防装置灭火；且将所有传感器信息、火灾信息、消防装置运行情况等数据，在本地液晶上显示；同时通过通信模块，实现现场传感器和监控中心的双向通信。本次风电机组自动消防控制系统的设计是利用ATmega128芯片作为控制中心，利用其它各个模块对数据的采集，最后通过无线通信进行传输从而得以实现。如果将其运用到实际中，能够有效地提高了风电机组发现火灾实施灭火的效率，风力发电行业将会得到很大的改善，也方便了我们的生活1.1主控制器ATmega128本次设计选用ATmega128芯片作为主控制器，该CPU功能消耗低并且价格便宜，功能齐全，资源丰富的ATmega128是ATMEL公司atmegaAVR系列单片机中的一款。此单片机支持多种方式的程序下载与烧写，包括高压并口方式、ISP方式和JTAG下载方式。ATmeaga128单片机作为主控单片机，该型单片机具有丰富的资源和接口，内部ROM和RAM完全能满足AVR单片机高级开发要求，内置大容量程序Flash空间和SRAM数据空间，还包含非易失性存储器EEPROM，对于那些实际项目中的数据存储也不需要扩展外部存储空间。单片机外部工作晶振默认为7.3728MHz，选择此晶振的目的是考虑到单片机的速度与单片机串行通信波特率所需时钟而选择的，可以自行更换使用其他频率晶振，最大支持16M。在该芯片中有SD卡读写模块，轻松实现对SD卡内部数据进行读写，SD卡可以作为外挂超大容量存储器，存储超大容量数据。支持计算机PS2键盘接口功能，使用普通的6针PS2计算机键盘可以实现与单片机的通信，方便灵活的采集各种输入信号。支持8位数码管显示，可选择使用其中任意的数码管使用，动态显示。支持1602字符型液晶显示器、128X64点阵图形液晶接口，可以适用于不同要求。支持TFT彩屏液晶驱动，板载TFT彩屏液晶接口，在TFT液晶上显示任意字符、汉字和彩色图片，可以方便实现人机界面。配合SD卡模块和TFT模块，可以实现类似数码相框功能，显示SD卡中的BMP图片文件，让你轻松学习FAT文件系统的应用。双串口DB9接口，方便多级控制，与电脑通信也易如反掌。小功率步进电机控制模块，方便进行控制级开发。所有AVR单片机I/O接口全部引出，如果需要自行配置使用单片机的I/O口，可以通过导线简单的实现连接，因此具有良好的扩展应用功能。支持红外一体化接收功能，通过板载的红外接收器可以接收38KHz红外遥控器信号，通过软件可解码，实现无线控制；在该芯片中，每个定时器的功能不同：其中有四个定时器可以对输入输出进行捕捉比较，还可以用作编码器输入和脉冲计数；两个十六位的定时器用来对PWN进行控制管理；一个独立型和一个窗口型的看门狗计时器；一个递减型的系统时间定时器和两个十六位的可对DAC进行驱动的基本定时器。图3-1为ATmege128芯片的硬件原理图：图3-1（a）ATmega128芯片引脚图图3-1（b）ATmega128芯片引脚图在图3-1（a）中，引脚PA0是按键引脚，可以在当MCU低功耗状态或者休眠状态下起唤醒作用。PA1是ADC输入引脚，PA2是RS485的RX脚，PF3是TX引脚，PF4是DAC-OUT输出脚，PF5可以连NRF24L01芯片的SCK口。图3-1（c）ATmega128芯片PB端口引脚图在图3-1（b）中，引脚PB0可用来接TFTLCD显示屏的控制背光脚LCD_BL,PB1可接TFTLCD的SCK信号，PB2可接TFTLCD的MISO信号，PB3可接OV2640 的FIFO_WEN接口，PB4可接OV2640的PCLK接口，PB5可接NRF24L01接口的SCK信号。图3-1（d）ATmega128芯片PC端口引脚图在图3-1（c）中，引脚PC0可用来接烟雾传感器的D0小板开关数字量输出接口,PC1可接DMT11的SCK信号，PC2可接DMT11的MISO信号，PC3可接OV2640的FIFO_WEN接口，PC4可接OV2640的SCCB接口，PC5可接LM393接口的SCK信号。图3-1（e）ATmega128芯片PD端口引脚图在图3-1（d）中，PD0-AD4为8位并行数据接口，作为数码管、液晶的数据口，D5-D7作为8位LED发光二极管的控制口，其他IO口为相关模块的控制口。1.2电源模块图3-2电源模块原理图系统电源模块提供整个系统的电源，本系统支持USB接口和外接电源供电，使用USB供电显得尤其方便，一条USB线即可供电。集成5V到1.3V的电压稳压芯片ASM1117-3，可以通过跳线自由选择，确定使用何种电压，对于低功耗场所使用提供了方便，有助于项目开发的使用。1.3无线通信模块本部分的无线通信模块主要采用了NRF24L01芯片，该种类的无线通信模块体积较小，方便安装并且2.4G工作频率传输距离大约是空旷距离的40到50米，同时该芯片内部还装有片内稳压器oltageregulators，该稳压器可以让无线通信模块在1.9到1.6v低电压工作，并可以通过软件设置芯片为发送或者接收模式，更有特点的是该模块在掉电模式下的功耗400nA，待机模式下的功耗32uA，非常的节能。该无线通信模块可支持3V~5V范围的电压，可不通过外部设备便可以主控制芯片相连。该种类型的无线通信模块可通过PPS指示灯的变化判断是否成功连接，当该指示灯不亮时，表明芯片内部已被损坏或者电路连接错误；当指示灯亮但并不闪烁时，表明芯片运作正常，但接收不到信号，可对接收端芯片进行设置；当指示灯跳闪，即实现了接收端和发送端的互联。这样一来，当无线通信模块不能实现双向通信时，便可以很快知道其中原因，方便解决。NRF24L01芯片原理图如下图3-3所示：图3-3无线通信模块NRF24L01芯片模块原理图在图3-3中，引脚CE可用来外接RX或TX模式选择,引脚CSN可接SPI片选信号，引脚SCK可用来接SPI时钟,引脚MOSI是从SPI输入脚，引脚MISO是SPI输出脚,引脚IRQ是可屏蔽中断脚，引脚VDD可用来外接1.3V-5V电源,引脚VSS接地，引脚XC2是晶体振荡器2脚,引脚XC1可接外部时钟，引脚VDD-PA是电源输出脚，给RF的功率放大器提供+1.8V电源,引脚ANT1/2是天线1/2接口，引脚DVDD是去耦电路电源正极端接口。 1.4摄像头模块本部分采用的摄像头模块选用了OV2640型号的摄像头，该种类的摄像头模块体积较小，工作电压低，清晰度高。同时OV2640型号的摄像头内部是由SCCB接口进行控制，我们可以对SCCB接口进行编程，从而通过软件设置图像的平衡度。OmmiVision图像传感器应用独特的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、拖尾、浮散等，提高图像质量，能得到清晰的稳定图像。该摄像头模块可支持3V~5V范围的电压，支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等自动控制功能。同时支持色饱和度、色相、伽马、锐度等设置。支持图像缩放、平移和窗口设置。支持图像压缩，即可输出JPEG图像数据。自带嵌入式微处理器、集成有源晶振，无需外部提供时钟。集成LDO，仅需提供1.3V电源即可正常工作。OV2640芯片原理图如下图3-4所示：图3-4摄像头模块OV2640芯片原理图从图3-4可以看出，模块自带了1.3V和2.8V的稳压芯片，给OV2640供电，因此外部仅需提供1.3V电压即可；同时自带了一个12M的有源晶振，所以模块不需要外部提供时钟。OV2640摄像头模块通过一个2*9的排针同外部电路连接，GND是接地线，VCC1.3是1.3V电源输入脚，OV_SCL为SCCB时钟线（IN1）接口，OV_VSYNC是帧同步信号（OUT2）接口，OV_SDA为SCCB数据线（IN/OUT）接口，OV_HREF为行参考信号（OUT）接口，OV_D0~D7为数据线（OUT）接口，OV_RESET为复位信号（低电平有效）（IN）接口，OV_PCLK为像素时钟（OUT）接口，OV_PWDN为掉电模式使能（高电平有效）（IN）接口，NC未用到。1.5传感器模块1.5.1温湿度传感器模块本部分采用的温湿度模块选用了DHT11作为核心芯片的数字温湿度传感器，DHT11数字温湿度传感器是已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它有专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有可靠性与卓越的长期稳定性，成本低、相对湿度和温度测量、快响应、抗干扰能力强、信号传输距离长、数字信号输出、精确校准。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。该温湿度传感器模块可支持1.3V~5V范围的电压，支持相对湿度和温度一体测量，全量程标定，且响应时间很短。DHT11芯片原理图如下图3-5（a）所示：图3-5（a）温湿度模块DHT11芯片原理图在图3-5（a）中，引脚VCC可用来外接1.3V-5V,GND可外接GND接口，D0小板开关数字量输出接口接单片机IO口。1.5.1烟雾传感器模块本部分采用的烟雾传感器模块选用了LM393、MQ135气体感应探头作为核心芯片，DHT11数字烟雾传感器是可调节灵敏度的复合传感器，内置具有信号输出指示灯指示，双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出），TTL输出有效信号为低电平，（输出低电平时信号灯亮，可接单片机IO口），气感探头的模拟量输出随浓度增加而增加，浓度越高电压越高，对烟雾气体具有很高的灵敏度，使用寿命长且稳定，能够快速的响应和恢复。烟雾传感器芯片原理图如下图3-5（b）所示：图3-5(b)烟雾传感器模块芯片原理图在图3-5（b）中，引脚VCC可用来外接电源正输入,DOUT为TTL电平信号输出接口，GND为电源负输入接口，Aout为模拟信号输出接口。1.6显示屏模块本部分的显示屏模块选用了DMTFT-28模组，一种2.8寸TFT彩屏，主要用液晶面板，触摸屏和转接板组成，转接板与液晶面板通过排线连接。转接板电路共分为FPC接口电路、触摸屏控制电路、IO扩展电路、TFT控制接口电路、背光电路及SD卡接口电路等。屏幕显示分辨率为240X320，可自由显示字符、汉字、图片，支持1.3V或5V，可由模组的液晶转接板进行设置。显示屏模块原理图如下图3-7所示：图3-6(a)液晶显示屏模块FPC接口电路原理图FPC接口电路是用于将液晶面板与转接板连接起来，连接方式采用焊接，该种方式可以得到最稳定的工作状态，如果需要卸载面板，则需要使用专业的拆除工具。图3-6(b)液晶显示屏模块触摸屏控制电路原理图在图3-6（b）中，引脚BUSY是转换状态信号接口,DOUT为串行数据输出接口，DIN为串行数据输入接口，DLCK为外部串行时钟输入接口，引脚CS是片选信号接口,VCC为电源输入接口，VBAT为电池监视输入接口，AUX为ADC辅助输入通道接口，引脚VREF是参考电压输入/出接口,PRNIRQ为笔接触中断引脚，IOVDD为数字电源输入接口。图3-6(c)液晶显示屏模块触摸屏IO扩展电路原理图在图3-6（c）中控制器的8位IO口与锁存器的D0~D7连接，锁存器的输出与TFT的高8位数据口连接，当写16位数据时，现将16位数据的高8位送到D10~D17，此时通过LE控制管脚将数据锁存到TFT的高8位数据口，然后16位数据的低8位送到D10~D17即完成数据送至TFT数据口工作。图3-6(c)液晶显示屏模块电源电路原理图液晶屏支持外接1.3V或者5V电源，板上集成AMS1117芯片，在图3-6（c）中，引脚VIN为输入电压脚，TFT面板本身只能在1.3V下工作，所以当输入电压VIN脚为5V时，必须让AMS1117-1.3这个IC工作，当输入VIN脚为1.3V时，则需要使用0欧姆电阻将J2短接，相当于不通过稳压芯片直接给模块供电，引脚VOUT为输出电压脚。第2章系统软件设计本章详细介绍了各个模块的软件设计流程以及部分源代码，包括温湿度传感器模块、摄像头模块与ATmega128芯片之间的软件程序，显示屏模块的程序，最终得以在显示屏上显示出温湿度，烟雾浓度以及我的班级，姓名和课题。2.1自动消防控制系统主程序流程在该系统中，首先对变量进行定义，其次利用调用函数对液晶、摄像头、接下来对这些模块的参数进行设置，利用While语句进行循环，将读取的温湿度，烟雾浓度以及我个人的信息在液晶屏上显示出来。主程序流程图如图4-1图4-1主程序流程图2.2温湿度传感器模块程序温湿度传感器模块是利用温湿度传感器检测风电机组内部从而判断机组内是否要发生火灾，该部分程序L2.1如下：L2.1.1程序清单：#include<string.h>…#defineuintunsignedint#defineData_IO PORTA#defineData_DDRDDRA（1）#defineD_LE0 PORTD&=~(1<<PD4)（2）#defineD_LE1PORTD|=(1<<PD4)（3）#defineW_LE0 PORTD&=~(1<<PD5)#defineW_LE1PORTD|=(1<<PD5)#defineDQ_IN DDRE&=~(1<<PE4) （4）#defineDQ_OUT DDRE|=(1<<PE4) #defineDQ_CLR PORTE&=~(1<<PE4) #defineDQ_SET PORTE|=(1<<PE4) #defineDQ_R PINE&(1<<PE4) （5）程序L2.1.1说明：L2.1.1（1）：设置数码管寄存器L2.1.1（2）：设置数码管段控制位为0，锁存端口数据L2.1.1（3）：数码管段控制位为1，锁存器输出与端口一致L2.1.1（4）：设置输入，DHT11接单片机PE4口L2.1.1（5）：读电平L2.1.2程序清单：ucharkey;uinttemp_value;uinttemp,A1,A2,A3; (1)ucharflag1;uchartable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};（2） voidsystem_init(){Data_IO=0xFF;Data_DDR=0xFF;PORTD=0xFF;（3）DDRD=0xFF;}（4）L2.1.2程序说明：L2.1.2（1）：定义的变量,显示数据处理L2.1.2（2）：IO端口初始化L2.1.2（3）：定义DHT11的控制口，设置为输出L2.1.2（4）：DHT11控制数码管动态扫描显示函数，显示采集到的温度L2.1.3程序清单：unsignedcharDS18B20_Reset(void){unsignedchari;DQ_OUT; DQ_CLR; ... delay_us(500); （1） if(i) … return(value);}Void_wriu8_byte(unsignedcharvalue) ...} delay_us(80); （2） value>>=1; } }（3）voidDHT11_start(void){ dht11_Reset(); dht11_write_byte(0xCC); dht11_write_byte(0x44); } DHT11_Reset(); dht11_write_byte(0xCC); dht11_write_byte(0xBE); （4） for(i=0;i<9;i++){... data_do(temp_value);（5）for(j=0;j<200;j++){ Display_DHT11(A1,A2,A3);}}L2.1.3程序说明：L2.1.3（1）：延时500usL2.1.3（2）：延时80msL2.1.3（3）：启动dht111转换L2.1.3（4）：得到温度L2.1.3（5）：处理数据，得到要显示的值2.3摄像头模块程序摄像头模块是利用摄像头检测风电机组内部从而判断机组内是否发生火灾，该部分程序L2.2如下：L2.2.1程序说明：#include"sys.h"#include"delay.h"…#include"dma.h"（1）#defineOV2640_JPEG_WIDTH 1024 （2） #defineOV2640_JPEG_HEIGHT 768 （3）u8*ov2640_framebuf; externu8ov_frame; （4）L2.2.1程序说明：L2.2.1（1）：设置头文件L2.2.1（2）：设置拍照的宽度L2.2.1（3）：设置拍照的高度L2.2.1（4）：帧缓存L2.2.1程序说明：voidcamera_new_pathname(u8*pname,u8mode){ u8res; u16index=0; … if(res==FR_NO_FILE)break; （1） index++; }}voidov2640_speed_ctrl(void){ u8clkdiv,pclkdiv; （2） if(lcddev.width==240) { clkdiv=1; pclkdiv=28; … }（3） SCCB_WR_Reg(0XFF,0X00); SCCB_WR_Reg(0XD3,pclkdiv); (4) SCCB_WR_Reg(0XFF,0X01); SCCB_WR_Reg(0X11,clkdiv); (5)}L2.2.1程序说明：L2.2.2（1）：OV2640速度控制L2.2.2（2）：设置时钟分频系数和PCLK分频系数L2.2.2（3）：2.8寸LEDL2.2.2（4）：设置PCLK分频L2.2.2（5）：设置CLK分频L2.2.3程序说明：u8ov2640_jpg_photo(u8*pname){ … u8*pbuf;（1） f_jpg=(FIL*)mymalloc(SRAMIN,sizeof(FIL)); （2） if(f_jpg==NULL)return0XFF; OV2640_JPEG_Mode(); （3） OV2640_OutSize_Set(OV2640_JPEG_WIDTH,OV2640_JPEG_HEIGHT); SCCB_WR_Reg(0XFF,0X00); SCCB_WR_Reg(0XD3,30); SCCB_WR_Reg(0XFF,0X01); SCCB_WR_Reg(0X11,0X1); for(i=0;i<10;i++) （4） { while(OV2640_VSYNC==1); while(OV2640_VSYNC==0); } while(OV2640_VSYNC==1) （5） { … { printf("jpegdatasize:%d\r\n",jpeglen);（6） pbuf=(u8*)ov2640_framebuf; for(i=0;i<jpeglen;i++)(7) { if((pbuf[i]==0XFF)&&(pbuf[i+1]==0XD8))break; } if(i==jpeglen)res=0XFD;（8） else （9） { pbuf+=i;（10） res=f_write(f_jpg,pbuf,jpeglen-i,&bwr); if(bwr!=(jpeglen-i))res=0XFE; } }L2.2.3程序说明：L2.2.3（1）：设置要保存的jpg照片路径+名字L2.2.3（2）：开辟FIL字节的内存区域L2.2.3（3）：内存申请失败后切换为JPEG模式L2.2.3（4）：丢弃10帧，等待OV2640自动调节L2.2.3（5）：开始采集jpeg数据L2.2.3（6）：串口打印JPEG文件大小L2.2.3（7）：查找0XFF,0XD8L2.2.3（8）：找到了0XFF,0XD8L2.2.3（9）：没找到0XFF,0XD8L2.2.3（10）：偏移到0XFF,0XD8处L2.2.3程序说明：intmain(void){ … delay_init(); （1）NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);（2） uart_init(115200); （3） usmart_dev.init(72); （4） LED_Init(); （5） KEY_Init(); （6） LCD_Init(); （7） BEEP_Init(); （8） W25QXX_Init(); （9） my_mem_init(SRAMIN); （10） exfuns_init(); （11） f_mount(fs[0],"0:",1); （12） f_mount(fs[1],"1:",1); （13） POINT_COLOR=RED; while(font_init()) { … LCD_Fill(30,150,240,146,WHITE);（14） delay_ms(200); } L2.2.3程序说明：L2.2.3（1）：延时函数初始化L2.2.3（2）：设置中断优先级分组L2.2.3（3）：串口初始化为115200L2.2.3（4）：初始化USMART L2.2.3（5）：初始化与LED连接的硬件接口L2.2.3（6）：初始化按键L2.2.3（7）：初始化LCDL2.2.3（8）：蜂鸣器初始化L2.2.3（9）：初始化W25Q128L2.2.3（10）：初始化内部内存池L2.2.3（11）：为fatfs相关变量申请内存L2.2.3（12）：挂载SD卡L2.2.3（13）：挂载FLASHL2.2.3（14）：清除显示 2.4烟雾传感器模块程序烟雾传感器模块是利用烟雾传感器检测风电机组内部烟雾浓度从而判断机组内部是否发生火灾，该部分程序L2.3如下：#include<reg52.h> （1）#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitLED=P1^0; （2）sbitDOUT=P2^0; （3）voiddelay(){ucharm,n,s;for(m=20;m>0;m--)for(n=20;n>0;n--)for(s=248;s>0;s--);（4）}voidmain(){ while(1) { delay(); if(DOUT==0) { LED=0; （5） } } }} L2.3程序说明：L2.3（1）：定义库文件L2.3（2）：定义单片机P1口的第1位（即P1.0）为指示端L2.3（3）：定义单片机P2口的第1位（即P2.0）为传感器的输入端L2.3（3）：延时程序L2.3（5）：当浓度高于设定值时，执行条件函数，点亮p1.0口2.5显示屏模块程序对于主程序的显示屏模块，在其中调用了显示字符串函数，接下来对该程序进行描述，程序如L2.5L2.5.1程序清单：#include<stdio.h>#include<math.h>#include<avr/io.h>#include<avr/iom128.h>#define F_CPU 7372800 （1）#include<util/delay.h>#include<avr/pgmspace.h> （2）程序L2.5.1说明：L2.5.1（1）：单片机主频为7.3728MHz,用于延时子程序L2.5.1（2）：须增加的头文件，用来将数据存放在flashL2.5.2程序清单：#include"Config.h"#include"Ascii_8x16.h"（1）#include"Chinese.h"（2）#include"GB2422.h"（3）#include"TFT28.h"（4）#include"TFT28.c"（5）程序L2.5.2说明：L2.5.2（1）：设置字符大小为8x16L2.5.2（2）：16x16像素大小的汉字，这是提取到的点阵L2.5.2（3）：24x24像素大小的汉字，这是提取到的点阵L2.5.2（4）：设置TFT头文件L2.5.2（5）：TFT操作初始化及函数L2.5.3程序清单：unsignedintDevice_code;externvoiddelayms(unsignedintcount); （1）voidGPIO_Init(){ TFT28_PORT=0xFF; （2） TFT28_DDR=0xFF; （3） … TFT28_RST_PORT|=(1<<TFT28_RST); （4） TFT28_RST_DDR|=(1<<TFT28_RST); （5）}程序L2.5.3说明：L2.5.3（1）：初始化TFT触摸屏IO口子程序L2.5.3（2）：LCD口全部拉高L2.5.3（3）：设置LCD数据口为输出模式L2.5.3（4）：LCD控制口初始化为高电平L2.5.3（5）：LCD控制口初始化为输出模式本段程序是使LED闪烁一次，类似断点L2.5.4程序清单：voidLED_Light(){LED8=0x00; （1）delay_ms(500);LED8=0xFF; （2）delay_ms(500);}程序L2.5.4说明：L2.5.4（1）：点亮LEDL2.5.4（2）：熄灭LEDL2.5.5程序清单：intmain(void){uinti,y;Close_LED8(); （1）Close_iRe