【《金工车间环境监测系统的硬件和软件设计案例》4000字】

金工车间环境监测系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u25708第1章系统的主要器件及硬件设计 125451.1传感器模块 1124081.1.1DHT11传感器 136661.1.2GP2Y1010AU0F粉尘传感器 4318481.2输入控制模块 5264681.3主控制器 5251201.4输出模块 6277901.2.11602LCD液晶显示屏 652031.2.2蜂鸣报警器 7253571.5蓝牙通讯模块 849151.6系统硬件电路图 108816第2章程序设计及软件应用 12306182.1系统流程图 1224732.2按键流程图 1341652.3温湿度传感器程序设计 13127472.4液晶显示模块程序设计 14107782.5报警模块程序设计 15296272.6手机APP设计 16255012.7设计软件的使用 18第1章系统的主要器件及硬件设计本章对此次金工车间环境监测系统的整体结构设计和功能进行简要说明，然后对各部分硬件进行了详细的说明，并给出电路图，包括传感器模块、输入输出模块、主控制器、蓝牙模块等。1.1传感器模块1.1.1DHT11传感器在模块生产之前，DHT11传感器将在校准环境中进行测试，以严格测量校准系数。DHT11传感器采用单线串行口方式，降低了对I/O的要求，简化了连接。如图3-1所示，最终产品形态采用4针单排针封装，方便用户连接系统。图3-1DHT11温湿度传感器元件图在C52单片机与DHT11模块的通信过程中，采用数据线作为单总线和数据传输线。在4ms数据传输中，通信数据的总比特数为40比特，从高维传输到位置。从高到低的前32位数据是从温度和湿度中读取的数据，可占16位。前8位是整数数据，后8位是十进制数据，用于检查数据。本文采用数据校验的方法对温湿度数据进行校验，提高了数据读取的准确性。DHT11模块将采集的温湿度数据发送到C52控制模块，C52控制模块在C52程序中完成对40位数据的分析。在这种模式下，DHT11被动接收命令，完成初始数据采样，并采集温室内的湿度和温度数据。数据采集和传输后，DHT11模块再次转换为低功耗模式，等待下一个启动信号后运行。下面的图3-2显示了通信过程序列图。图3-2DHT11模块通讯过程启动信号：主机拉低总线超过18ms后将总线释放；响应信号：DHT11模块拉低80us总线，再拉高总线。80us周期结束后即可将数据位发送。数据“1”：70us高电平+50us低电平；数据“0”：高电平26us至28us+50us低电平；终端信号：50us低电平后将主线上拉；图3-3DHT11模块通信开始示意图上图3-3为初始通信示意图，由主机将启动信号发送至DHT11模块，该模块接收到启动信号后返回响应信号，表示已经做好发送数据的前期准备。主机成功发送启动信号20到40微秒后读取模块上的响应信号，确认后切换I/O端口为输入数据状态。根据上述格式，发送数据“0”和“1”，总数据位为40位。主机监控数据行上的级别变化，判断和保存数据。DHT11模块完成发送所有数据后，发送终端信号，以实现终止数据请求、重新调整到空闲状态的目的，主机继续等待下一个数据请求。DHT11温湿度传感器有四个引脚，引脚1是供电引脚VCC，电压在3~5.5V；引脚2是一个单总线DATA引脚，用来串行发送数据，连接任意I/O口，再上拉一个10k的电阻与VCC相连；引脚3是NC，直接悬空就行；引脚4是GND接地引脚。其电路图如图3-4所示。图3-4温湿度模块电路图1.1.2GP2Y1010AU0F粉尘传感器GP2Y1010AU0F具有很高的灵敏度，并且可以测量超过8微米的颗粒，也可以测量粉尘、烟雾或花粉。该传感器易于安装，使用寿命长，清晰度越来越高且恒定。借助红外线光电管，可以检测出反射的反射物，甚至是空气过滤器系统中常用的很小的颗粒（例如烟草烟雾）。该转换器的功耗非常低（最大20毫安正常情况下为11毫安）最高可使用7伏直流电它释放与粉尘层压缩成比例的张力。原理如图3-5所示。在传感器的中心有一个圆形孔，可以让空气通过，并且可以定向发射LED光，通过光线折射来确定粉尘浓度。图3-5粉尘传感器图3-6粉尘传感器模块电路图1.2输入控制模块在常见的元器件里面，按键可以分为两脚按键和四脚按键，但是四脚按键在平时用的更多，所以在本次设计中也是使用了四脚按键。四脚按键两个相邻的脚是连通的，按下的时候，对角的脚连通。本次设计选用三个按键，用来设置报警器的报警范围，三个按键的功能分别为切换设置选项、调高报警范围、调低报警范围。按键电路如图3-7所示：图3-7按键电路1.3主控制器Stc89c52rc是宏晶科技公司开发制造的STC系列主控微控制器。该控制器继承了STC系列单片机可靠性高、功耗低、稳定性强、成本低、抗干扰等优点。遥控器根据补丁升级。它是一款具有金属氧化物和半导体互补特性的高性能微控制器，C52是一款8位CPU。MCS-51单片机内部指令与C52产品兼容，具有看门狗功能。该功能可以避免程序失控，提高稳定性。如图3-1所示，C52有40个引脚，I/O端口有各种各样的功能。本次设计选择两个I/O端口作为外部中断，三个I/O端口作为16位可编程定时器/计数器，连接两个全双工串行端口，四个I/O端口作为外部双向输入输出端口，2A读写端口线。本设计采用的单片机一共有40引脚，具体引脚图如图3-8所示：图3-8STC89C52引脚图如图所示，单片机共有40个端口，其中P1、P2、P3、P0可以直接连接外部端口，有32个。单片机加上外部的一些设置，可以让单片机运行起来的最小的单元叫做单片机最小系统：图3-9单片机最小系统1.4输出模块1.2.11602LCD液晶显示屏温室环境下需要向用户直接展示室内湿度、温度数据，本次设计采用LCD液晶显示屏，通过该屏幕可以将湿度与温度数据全部直观显示，选取的本显示器型号为1602，可将两行字符显示，限制字符长度最长为16个，该长度已经达到实际显示要求，可以直观的将室内的湿度与温度数据显示，让用户一目了然。LCD模块在运行时的电压为5V，1602液晶显示屏有16个外接的端口，其接口端如下所示：图3-10LCD1602电路图下列为LCD1602引脚的主要功能：（1）VSS：共同点；（2）VDD：与正极电压为5V的电源连接；（3）VL：改变电压的数值来调节屏幕的对比度，此处还有一个电位器；（4）RS：向内部寄存器写入数据，选取发送的数据为显示数据或者命令；（5）R/W：对读取与写入数据控制，本文在此设置该模式为写入；（6）E：使能端口，处于高电平下可读取数据，下降时顺着控制模块运行主控制模块输入功能；（7）D0〜D7：全双工数据传输端口；（8）BLA：表示屏幕背光电源上的正极，可依据实际环境选取；（9）BLK：表示屏幕背光电源上的负极。1.2.2蜂鸣报警器蜂鸣器是一个由直流电压直接驱动的电子信号模块。当测量数据不在设定范围内时，会发出报警。当蜂鸣器内部的电流流过电磁铁时，蜂鸣器会发出声音，因此需要强大的驱动力才能发出声音。单片机IO直接驱动能力很小，所以需要添加三极管来放大电流的电路，本设计的三极管是8550来实现驱动。图3-11蜂鸣报警电路1.5蓝牙通讯模块HC-05有两种工作模式：1、命令响应工作模式；2、自动连接工作模式。实物图如图3-12所示。图3-12HC-05实物图图3-13蓝牙模块电路图然后我需要对该模块进行配置，首先要准备USB转TTL模块，蓝牙模块，电脑上需要安装串口通信软件。蓝牙模块与USB转TTL模块的接线情况是VCC接VCC，GND接GND，RXD接TXD,TXD接RXD，如图3-14所示。图3-14接线情况先按住蓝牙模块上的复位键，然后通电，看见蓝牙模块上的灯以2秒一次的间隔闪烁，HC-05就进入了AT模式，然后把串口助手的波特率设置为38400,停止位1位,数据8位，发送AT+RESET命令之后,当灯以0.5秒一次的间隔闪烁时，这时表示蓝牙进入自动连接模式，蓝牙模块就配置完成了。参数配置如图3-15所示。图3-15蓝牙模块参数配置1.6系统硬件电路图将前几节的各硬件分析和电路介绍整合在一起，就是整个系统硬件电路，如图3-16所示。图3-16系统硬件电路图

第2章程序设计及软件应用本次设计最重要的部分就是软件设计部分，要想整个设计形成一个连贯的整体，该部分就不能出错。2.1系统流程图根据温湿度、PM2.5采集与监测系统设计了系统软件流程图。首先，接通电源后启动系统，这时蜂鸣器会先鸣叫，之后LCD1602显示屏开始初始化，然后显示当前环境的温度、湿度和粉尘浓度。然后系统检测判断当前车间环境数值是否超过报警器设置的范围。如果超过的话，系统就会启动报警器报警。如果正常，则不报警，系统运行正常，系统初始化详细代码见附录，流程图如图4-1所示：图4-1系统软件流程图2.2按键流程图按键检测过程中，首先按下按键，复位芯片检查按键有没有被按下，然后读取按键的值，发送给单片机。接着将发送过来的数据存储，显示器显示数据。最后判断有没有完成设置。如果没有，重新启动进程。按键部分关键代码详见附录，过程如图4-2所示：图4-2按键检测的流程图2.3温湿度传感器程序设计系统启动后，DHT11上电，主控先向传感器发送一次开始信号，DATA连接到高电平，主控再拉低DATA20毫秒，之后就可以完全将主控单元的引脚切换到输入模式或者连接到高电平，拉高40us。关键代码如下图4-3所示。图4-3DHT11开始代码DHT11读取数据部分关键代码如下图4-4所示。图4-4DHT11关键代码2.4液晶显示模块程序设计LCD1602液晶显示器显示程序主要流程是：显示初始化，写检测，显示位置设置，显示内容。流程图如图4-5所示。图4-5LCD显示流程图LCD1602初始化程序代码如图4-6所示，显示数据详细代码见附录。图4-6LCD1602初始化代码2.5报警模块程序设计本次金工车间环境监测系统的报警模块由A13脚来控制。系统启动后，先初始化蜂鸣器，主控制器处理传感器传过来的数据，根据接收到的数据是否超出设定的报警范围来调整电平。报警模块代码见附录，报警模块程序流程如图4-7所示。图4-7报警模块流程图2.6手机APP设计本次设计使用eclipse来开发手机APP，在设计主程序之前，要先添加蓝牙操作权限，在AndroidManifest.xml文件中。具体代码如图4-8所示。图4-8添加蓝牙操作权限使用BluetoothAdapter来打开蓝牙，把对象实例化，运用条件语句判断是否打开蓝牙，具体代码如图4-9所示。图4-9判断是否打开蓝牙为了完成蓝牙之间数据的传递，还需要建立一个线程，用于数据的发送与接收。发送指令时，先发送一个string值“a”，将它转换为字节流，然后再发出去，当这个指令被硬件接受并识别后，会启动所有的传感器来采集金工车间的空气数据，发送到客户端。客户端接收时，先读取发过来的数据，然后再转换数据类型。关键代码如图4-10所示。图4-10读取数据代码APP制作界面如图4-11所示，AP