秸秆禁烧无线监测系统的设计及实现毕业论文(编辑修改稿)

秸秆禁烧无线监测系统的设计及实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

件设计方面主要对单片机芯片 、烟雾传感器和温度传感器的功能和使用方法进行研究并掌握，并且选择合适的型号应用在本设计中。 以单片机作为中央处理器，对硬件电路进行设计和驱动。 软件部分主要是报警系统控制程序，按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、键盘处理子程序、报警子程序。 本文的第一章主要介绍课题的研究意义，介绍了秸秆禁烧无线监测系统的发展状况。 此外，还介绍了论文的主要内容及章节安排；第二章介绍了秸秆焚烧探测的实现方法，给出秸秆禁烧无线监测系统的总体设计构架，并且介绍了设计应用到的基本技术；第三章介绍了秸秆禁烧无线监测系统硬件设 计，详细介绍了传感器信号采集电路、单片机处理电路及报警电路，并给出相应模块的设计原理图；第四章介绍了秸秆禁烧无线监测系统程序设计，介绍数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等；第五章主要介绍本设计方案的具体实现及调试，其中包括故障监测和检测和功能分析。 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 42 页 2 方案论证 设计要求 秸秆禁烧无线监测系统是能够检测环境中的温度和烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。 设计要求 通过基于 ZigBee 技术的无线传感网络实现农田监测区域的温度 /烟度等参数的数据采集 ，利用现有通信网络进行远程数据传输；编写一套上位机监测中心管理软件，通过系统对温度 /烟度等环境参数采集并传输，利用管理软件对采集数据进行分析，以实现农田监测区域多个监测点数据实时获取、数据共享及安全预警功能。 设计完成的秸秆禁烧无线监测系统应该具有以下功能： (1)环境数据实时显示功能，显示环境当前的温度和烟雾浓度。 (2)报警上限值调节功能，设置温度和烟度的报警上限值。 (3)异常报警功能，当环境出现异常 (如烟雾浓度过大或是温度较高 )时，能发出异常报警信号，引起人们注意，尽可能避免事故的发生。 (4)远 程无线传输功能，将温度和烟度数据利用无线收发模块传送给 PC 端实现上位机监控，实现数据的查询和存储。 方案设计 (1)方案一：基于单片机的系统设计 本设计方案主要由单片机最小系统、显示电路、按键电路、传感器电路、报警电路、无线数据传输电路和上位机系统等模块组成，其中采用 STC89C52 单片机为主控制系统来控制各模块并且将各模块功能组合在一起形成秸秆禁烧无线监测系统，设计思路如图 所示。 S TC 89 C 52晶振电路复位电路模数转换器温度传感器烟雾传感器报警电路显示电路键盘电路无线传输上位机系统电源 图 基于单片机的系 统框图 单片机是整个监测系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器 (包括温度传感器和烟度传感器 )将田地温度、烟雾等非电信号转化为电信号，经由模数转换器将传感器输出的模拟信号转换为单片机可以直接处理的数字信号 ,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换 [5]，单片机处理采集到的信号控制显示电路显示温度和烟度参数并判断现场是否发生秸秆焚烧，如果发生秸秆焚烧，系统将控制报警电路报警，在整个过程中利用无线收发模块将采集到的数据发送给 PC 端上位机系统。 (2)方案二：基于 FPGA 的秸秆禁烧图像监测系 统设计 本设计方案主要是采用 FPGA 来实现秸秆焚烧图像的检测方法，首先采用从秸秆焚烧现场所传回的视频中按每隔几帧抽取出一幅图像，然后通过 Matlab 软件读取出相应的图像数据，再将读出的图像数据通过 FPGA 存储在 ROM 中。 然后通过读取 ROM 中存储的图像数据，根据秸秆焚烧火焰图像的特征进行火灾的监测，最后将检测的结果显示出来。 通过采用图像的边缘检测的方法对秸秆焚烧的火焰图像进行边缘检测，根据边缘检测的结果来判断是否发生秸秆焚烧。 当上述的检测取得较好的结果后，可以模拟秸秆焚烧的场景进行检测，系统的整体设计通过硬陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 42 页 件实现。 其硬件电路设计的整体框图如图 所示。 图像传感器S D RA M 控制初始化设置火灾检测S D RA M数据获取 输出控制颜色空间转换结果显示 图 基于 FPGA 的系统框图 此方案应用 CMOS 图像传感器实现图像数据的采集，通过初始化设置这一模块来实现图像传感器的初始配置。 将图像数据采集到之后，经过颜色空间相应的转换，然后将转换完成的图像数据传送给 SDROM 并进行存储，通过图像数据获得相应信息而实现秸秆焚烧的检测，最后将检测到的数据信息传给输出控制模块而显示出监测数据。 通过 FPGA 实现的硬件系统处理速度快而且实 时性比较高。 方案选择 方案一采用 STC89C52 单片机作为主控芯片，利用温度和烟度传感器采集环境参数并送给单片机做数据处理实现显示和报警功能，整个系统是以单片机为核心，控制各单元模块协调工作，使用的单片机和外围器件都不是特别复杂，并且成本也不会太高，基本能控制在农田应用的可接受范围以内。 方案二采用图像传感器采集环境信息并应用基于 FPGA 的硬件电路进行图像处理获得环境信息并实现显示和报警功能。 系统通过 COMS 图像传感器来采集环境信息，并且对图像进行处理获得有效信息，通过基于 FPGA 的硬件电路识别图 像信息并控制外围电路实现相关功能，通过 CMOS 传感器获得数据信息会更加准确，并且稳定性很高。 相比方案一来讲，方案二采用的 COMS 图像传感器虽然获取数据更准确稳定一些，但比起温度烟度传感器来说成本要高很多，而且考虑到传感器要布置在无人看守的田地里，采用更廉价的传感器更现实一些，加上基于 FPGA 的图像采集技术比较复杂，因此选用方案一更贴切实际，而且容易实现。 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 42 页 3 硬件设计 本系统选用基于单片机的系统设计方案来实现系统功能，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。 另一方面， 单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。 这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 下面对系统的各模块电路分别做具体设计。 单片机最小系统 单片机的全称为单片微型计算机，是嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit）中最典型的一种，英文中通常会用 MCU 来表示单片机，单片微控制器也表示单片机 [5]。 单片机是秸秆禁烧无线监测系统的心脏，用来接收 秸秆焚烧信号并启动报警装置显示和执行相应的保护和预防动作。 在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的温度值和烟雾浓度等级，并进行相应处理。 同时，在能够满足系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了系统的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。 单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。 由于其微小的体积和极低的成本，开发环境要求较低，软件资源十分 丰富，开发工具和编程语言也大大简化，因此被广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具 [6]。 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中， Atmel 公司单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。 根据多方面的比较，本设计采用 STC89C52 单片机。 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 按照功能， STC89C52 的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能 I/O 口、控制和复位等 [7]。 STC89C52 单片机的管脚排列如图 所示。 X T A L 1X T A L 2A L EP 0 . 0 / A D 0P 0 . 1 / A D 1P 0 . 2 / A D 2P 0 . 3 / A D 3P 0 . 4 / A D 4P 0 . 5 / A D 5P 0 . 6 / A D 6P 0 . 7 / A D 7P 2 . 0 / A 8P 2 . 1 / A 9P 2 . 2 / A 1 0P 2 . 3 / A 1 1P 2 . 4 / A 1 2P 2 . 5 / A 1 3P 2 . 6 / A 1 4P 2 . 7 / A 1 5E AR S TP 1 . 0 / T 2P 1 . 1 / T 2 E XP 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 0 / R X DP 3 . 1 / T X D P 2 . 2 / I N T 0P 3 . 3 / I N T 1P 3 . 4 / T 0P 3 . 5 / T 1P 3 . 6 / W RP 3 . 7 / R DP S E N3 93 83 73 63 53 43 33 22 12 22 32 42 52 72 81 01 11 21 31 41 51 61 71 91 892 93 03 112345678 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 42 页 图 STC89C52 单片机管脚图 STC89C52 单片机主要特性如下： (1)增强型 8051 单片机， 6 时钟 /机器周期和 12 时钟 /机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统 8051. (2)工作电压： ～ （ 5V 单片机） /～ （ 3V 单片机） (3)工作频率范围： 0～ 40MHz，相当于普通 8051 的 0～ 80MHz，实际工作频率可 48MHz (4)用户应用程序空间为 8K 字节 (5)片上集成 512 字节 RAM (6)通用 I/O 口（ 32 个），复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口 /弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 (7)ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（ RxD/,TxD/）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 (8)具有 EEPROM 功能 (9)具有看门狗功能 (10)共 3 个 16 位定时器 /计数器。 即定时器 T0、 T T2 (11)外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路， Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 (12)通用异步串行口（ UART），还可用定时器软件实现多个 UART (13)工作温度范围： 40～ +85℃（工业级） /0～ 75℃（商业级） (14)PDIP 封装 电源供电模块 对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础，如图 所示，图中 1K 电阻为 LED 的限流电阻，电源电路中接入了电源指示 LED， S1 为电源开关。 1 K+1 0 u FL E DU S B+V c cS 1 图 电源供电模块电路图 此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的 USB 口供给，也可使用外部稳定的 5V电源供电模块供给。 51 单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机， 51 单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。 晶振电路 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部 电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率，其电路图如图 所示。 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 42 页 3 0 p F3 0 p F晶 振C 2C 1X 1X 2 图 晶振电路图 STC89C52 使用 的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两。