環(huán)境信息探測與控制系統(tǒng)(畢業(yè)答辯)

1、 第一章 環(huán)境信息探測與控制系統(tǒng)概述 系統(tǒng)以 STC12C5A60S2單片機為主控制器，通過DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感器、DS1302時鐘芯片、人體紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯葘h(huán)境光照強度、溫度 、濕度、時間和安全狀況等信息采集到單片機中，單片機進行處理(chl)后再將相應數(shù)據(jù)分別送到LCD12864液晶屏進行顯示和SYN6288語音模塊進行播報并存儲，同時對智能報警系統(tǒng)和風扇進行相應控制。共二十一頁畢業(yè)設計過程(guchng)簡介（1）畢業(yè)設計選題；（2）元器件的選購，包括：STC12C5A60S2單片機，DHT11溫濕度傳感器，BH1750光照強度傳感器，DS1302時

2、鐘芯片，LCD12864液晶屏，人體紅外傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?，語音播報模塊，8片存儲芯片AT24C04，220V轉(zhuǎn)9V變壓器，5V小風扇，7805穩(wěn)壓芯片，繼電器，若干小按鍵和發(fā)光二極管等等。（3）學習Altium Designer 09軟件，進行原理圖設計，畫出PCB后交付工廠印制（需等待15天）；（4）學習Matlab軟件，通過模擬得到系統(tǒng)所需的相關函數(shù)；（5）從工廠取回電路板后，進行元器件的焊接，完成后再進行硬件電路實驗；（6）進行程序的編寫(binxi)與調(diào)試。共二十一頁 第二章 環(huán)境信息探測(tnc)與控制系統(tǒng)硬件介紹 本章對系統(tǒng)的硬件設計分成11個模塊進行了詳細介紹，包括單片機選型、

3、5V穩(wěn)壓電源、按鍵、智能報警、液晶顯示、風扇調(diào)速、存儲模塊、語音播報模塊、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊、時鐘模塊。共二十一頁第一節(jié) 單片機選型論文中給出了三個控制器選擇方案，即STC12C5A60S2單片機、ATmega16單片機、MSP430F149作為控制器，比較后選擇了方案一：采用STC12C5A60S2單片機做為系統(tǒng)的主控芯片，該單片機不僅能完全勝任系統(tǒng)的控制工作，其性價比更高，且指令代碼和傳統(tǒng)的8051完全兼容，軟件開發(fā)更容易。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(zhuq)（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全

4、兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。該單片機內(nèi)部還集成了2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S,即25萬次/秒），4個16位定時器，外部中斷I/O口7路，通用全雙工異步串行口(UART)，看門狗，60K字節(jié)的ROM，1280字節(jié)的RAM，EEPROM等。另外每個通用I/O口（共36個），復位后為：準雙向口/弱來擴展I/O口, 還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口。共二十一頁 第二節(jié) 5V穩(wěn)壓電源設計 以前，做一些小的設計，由于需要的驅(qū)動能力比較小，直接用USB供電就足夠了，但對于這個系統(tǒng)，需要很強的驅(qū)動能力，USB供電已遠遠不能達到要求，所以在此做一個5V穩(wěn)壓電源就顯得(xin

5、de)十分必要了。5V電源設計采用的是LM7805穩(wěn)壓芯片，由于公司找不到2000UF的大電容，所以并聯(lián)了五個電容。共二十一頁 在本設計中，并沒有將電源設計在系統(tǒng)的PCB上，而是在PCB上預留了電源的輸入接口，這樣可在一定程度上降低(jingd)系統(tǒng)的電磁干擾。此外，系統(tǒng)調(diào)試時要經(jīng)常使用USB燒錄程序，為了保護電腦的USB接口，必須將USB電源和5V穩(wěn)壓電源分割開，不然電源的大電流反灌，很可能會燒壞電腦的USB接口，這里的解決方案是設計了一個模擬的單刀雙擲開關來解決的，使得燒錄程序時，電源斷開，而電源供電時，USB斷開。 共二十一頁 第三節(jié) 按鍵模塊 調(diào)控該系統(tǒng)的唯一方式就是通過按鍵，或者說，

6、按鍵是該系統(tǒng)能實現(xiàn)人機交互的唯一橋梁，這就使得該部分(b fen)的設計十分關鍵。 該節(jié)提出了4種設計方案，經(jīng)分析比較發(fā)現(xiàn)，方案一比方案二僅多用兩個I/O口，而且更方便實現(xiàn)按鍵單擊、雙擊、多連擊、長按、短按、組合按鍵等；方案三因ADC轉(zhuǎn)換需一定時間，不利于系統(tǒng)的的實時性，且選擇恰當?shù)碾娮韬芾щy；方案四對該系統(tǒng)有些大材小用了。最終，該系統(tǒng)選擇方案一，且這種方案更有利于去抖。共二十一頁 第四節(jié) 智能報警模塊 系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境溫度、濕度、光照強度、是否出現(xiàn)火焰、有無紅外波等參數(shù)，自動進行相應的報警。其中，防盜報警設計用的是人體紅外傳感模塊，可通過按鍵進行有人模式和無人模式的切換：（1） 無人模式下，當

7、有人或動物進入其感應范圍則模塊輸出高電平，單片機檢測到高電平后進行聲光報警，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平；（2） 有人模式下，關閉防盜報警功能。由于該單片機只有兩路PWM信號輸出，所以(suy)控制蜂鳴器長滴、短滴等聲音的PWM信號只有用定時器模擬。共二十一頁 第五節(jié) 液晶顯示模塊 LCD12864液晶模塊主要用來顯示環(huán)境溫度、濕度和光照強度的曲線和時間等信息。該模塊有兩種亮度調(diào)節(jié)模式，可通過按鍵切換：（1）自動模式 單片機根據(jù)光敏電阻傳送回來的光照強度信息輸出相應的PWM控制信號調(diào)節(jié)液晶顯示亮度；（2）手動模式 通過鍵盤(jinpn)加減鍵調(diào)節(jié)液晶顯示亮度。共二十一頁 第六

8、節(jié) 風扇調(diào)速模塊 該系統(tǒng)用的小風扇是從筆記本的散熱架上拆下來的一個5V小風扇，它的內(nèi)部結構就是一個直流電機，所以該模塊的設計問題其實就是直流電機的調(diào)速問題。在此，該系統(tǒng)采用PWM調(diào)速，因為風扇的轉(zhuǎn)速肉眼不易觀察，所以在小風扇的兩端并聯(lián)一個發(fā)光二極管，風扇轉(zhuǎn)速越快，發(fā)光二極管就越亮，轉(zhuǎn)速越慢，發(fā)光二極管就越暗。另外，該模塊還加了一個繼電器，這就使得系統(tǒng)直接可以用來控制我們生活中的交流電風扇。 系統(tǒng)設置了兩種調(diào)速模式，可通過按鍵進行手動切換：（1）模式一 自動模式，根據(jù)(gnj)環(huán)境的溫濕度、光照強度自動改變風扇吹風強度。假設風扇的吹風強度為因變量，環(huán)境的溫度、濕度、光照強度為自變量，為了更好地控

9、制環(huán)境參數(shù)，在此，用Matlab進行仿真，求出該函數(shù)。得到函數(shù)后，將風扇吹風強度設為十個等級，然后做出一個風扇吹風強度和環(huán)境因素對應的表格，將表格信息寫入到單片機中，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境因素改變PWM輸出的占空比即可自動改變風扇吹風強度了。（2）模式二 手動模式，通過按鍵將其切換到手動模式后，再通過加減按鍵即可調(diào)節(jié)風扇吹風強度。共二十一頁 第七節(jié) 數(shù)據(jù)存取模塊 該模塊共用的8片AT24C04芯片，是從公司廢棄的儀表上拆下來的，用來(yn li)存儲環(huán)境的光照強度、溫度和濕度等數(shù)據(jù)。共二十一頁第八節(jié) 語音播報(b bo)模塊 共二十一頁第九節(jié) 溫濕度檢測(jin c)模塊共二十一頁第十節(jié) 光照強度檢測(

10、jin c)模塊 共二十一頁第十一節(jié) 時鐘(shzhng)模塊 共二十一頁 第三章 環(huán)境信息(xnx)探測與控制系統(tǒng)軟件介紹 由于該系統(tǒng)比較龐大，所以在軟件設計時采用了論文中第2章所述的模塊化編程方法。本章首先重點介紹了系統(tǒng)的按鍵掃描方法，而由于各個模塊在論文的第3章已詳細介紹，并且每個模塊的驅(qū)動程序會放到附錄中去，所以在本章一概而過，主要包括：按鍵掃描模塊、智能報警模塊、液晶顯示模塊、風扇調(diào)速模塊、存儲模塊、語音播報模塊、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊、時鐘模塊。最后，介紹下系統(tǒng)軟件設計的思想，或者說系統(tǒng)中各個任務是如何切換的。 共二十一頁第一節(jié) 模塊化編程方法(fngf)簡介 記得那時候

11、大二參加在創(chuàng)新實驗室里搞電子制作，所有程序加起來大概將近1000行，長長的一個文件，從上瀏覽下來都要好半天。出了錯誤簡單的語法錯誤還好定位，其它一些錯誤，往往找半天才找的到。那個時候開始知道了模塊化編程這個東西，也嘗試著開始把程序分模塊編寫。最開始是把相同功能的一些函數(shù)(譬如1602液晶的驅(qū)動)全部寫在一個頭文件(.h)文件里面，然后需要調(diào)用的地方包含進去，但是很快發(fā)現(xiàn)這種方法有其局限性，很容易犯重復包含的錯誤。而且調(diào)用起來也很不方便。很快暑假的電子設計大賽來臨了，學校對我們的單片機軟件編程進行了一些培訓。由于學校 歷年來參加國賽和省賽，因此積累了一定數(shù)量(shling)的驅(qū)動模塊，那些日子，

12、老師每天都會布置一定量的任務，讓我們用這些模塊組合起來，完成一定功能。而正是那些日子模塊化編程的培訓，使我對于模塊化編程有了更進一步的認識。并且程序規(guī)范也開始慢慢注意起來。此后的日子，無論程序的大小，均采用模塊化編程的方式去編寫。很長一段時間以來，一直有單片機愛好者在QQ上和我一起交流。有時候，他們會發(fā)過來一些有問題的程序源文件，讓我?guī)兔π薷囊幌?。同樣是長長的一個文件，而且命名極不規(guī)范，從頭看下來，著實是痛苦，說實話，還真不如我重新給他們寫一個更快一些，此話到不假，因為手頭積累了一定量的模塊，在完成一個新的系統(tǒng)時候，只需要根據(jù)上層功能需求，在底層模塊的支持下，可以很快方便的完成。而不需要從頭到

13、尾再一磚一瓦的重新編寫。藉此，也可以看出模塊化編程的一個好處，就是可重復利用率高。下面讓我們揭開模塊化神秘面紗，一窺其真面目。 C語言源文件 *.c介紹：提到C語言源文件，大家都不會陌生。因為我們平常寫的程序代碼幾乎都在這個XX.C文件里面。編譯器也是以此文件來進行編譯并生成相應的目標文件。作為模塊化編程的組成基礎，我們所要實現(xiàn)的所有功能的源代碼均在這個文件里。理想的模塊化應該可以看成是一個黑盒子。即我們只關心模塊提供的功能，而不管模塊內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)。好比我們買了一部手機，我們只需要會用手機提供的功能即可，不需要知曉它是如何把短信發(fā)出去的，如何響應我們按鍵的輸入，這些過程對我們用戶而言，就是是

14、一個黑盒子。在大規(guī)模程序開發(fā)中，一個程序由很多個模塊組成，很可能，這些模塊的編寫任務被分配到不同的人。而你在編寫這個模塊的時候很可能就需要利用到別人寫好的模塊的借口，這個時候我們關心的是，它的模塊實現(xiàn)了什么樣的接口，我該如何去調(diào)用，至于模塊內(nèi)部是如何組織的，對于我而言，無需過多關注。而追求接口的單一性，把不需要的細節(jié)盡可能對外部屏蔽起來，正是我們所需要注意的地方。 C語言頭文件 *.h介紹：可以稱其為一份接口描述文件。其文件內(nèi)部不應該包含任何實質(zhì)性的函數(shù)代碼。我們可以把這個頭文件理解成為一份說明書，說明的內(nèi)容就是我們的模塊對外提供的接口函數(shù)或者是接口變量。同時該文件也包含了一些很重要的宏定義以

15、及一些結構體的信息，離開了這些信息，很可能就無法正常使用接口函數(shù)或者是接口變量。但是總的原則是：不該讓外界知道的信息就不應該出現(xiàn)在頭文件里，而外界調(diào)用模塊內(nèi)接口函數(shù)或者是接口變量所必須的信息就一定要出現(xiàn)在頭文件里，否則，外界就無法正確的調(diào)用我們提供的接口功能。因而為了讓外部函數(shù)或者文件調(diào)用我們提供的接口功能，就必須包含我們提供的這個接口描述文件-即頭文件。同時，我們自身模塊也需要包含這份模塊頭文件(因為其包含了模塊源文件中所需要的宏定義或者是結構體)，好比我們平常所用的文件都是一式三份一樣，模塊本身也需要包含這個頭文件。 共二十一頁第二節(jié) 系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設計 在論文的第3

16、章中已詳細介紹了各個模塊的原理和設計方案，在此不再重復，而每個模塊的驅(qū)動程序都會在附件中給出，所以在本節(jié)中只大概介紹下各個模塊的驅(qū)動程序的源文件和頭文件的封裝，實現(xiàn)方法就是上節(jié)中介紹的模塊化編程。各模塊軟件設計清單如下：（1）按鍵掃描模塊，程序封裝在my_keyboard.c和my_keyboard.h文件中；（2）智能報警模塊：聲音報警模塊程序封裝在beep.c和beep.h文件中；燈光報警模塊程序封裝在Led.c和Led.h文件中；防盜報警模塊程序封裝在guard.c和guard.h文件中；防火報警模塊程序封裝在fire.c和Fire.h文件中；（3）液晶顯示模塊程序封裝在LCD12864

17、.c和LCD12864.h文件中；（5）風扇調(diào)速模塊程序封裝在fan_control.c和fan_control.h文件中；（6）存儲模塊程序封裝在24C04.c和24C04.h文件中；（7）語音播報模塊程序封裝在SYN6288.c和SYN6288.h文件中；（8）溫濕度檢測模塊程序封裝在DHT11.c和DHT11.h文件中；（9）光照強度檢測模塊程序封裝在BH1750.c和BH1750.h文件中；（10）時鐘模塊程序封裝在DS1302.c和DS1302.h文件中；（11）把常用函數(shù)封裝在myfun.c和myfun.h文件中，便于各模塊的調(diào)用；（12）定時器模塊程序封裝在Timer.c和Tim

18、er.h文件中；（13）主程序?qū)懙皆次募ain.c中，在中函數(shù)中進行CPU資源的分配，通過定時器中斷(zhngdun)進行任務的切換；（14）另外，把常用的宏定義、全局變量和頭文件寫到一個頭文件中，即macroandconst.h中，便于各模塊的調(diào)用。共二十一頁畢業(yè)設計(b y sh j)感言 經(jīng)過這段時間的努力，非常成功的完成了該畢業(yè)設計，使系統(tǒng)完美實現(xiàn)了設計要求的所有功能。系統(tǒng)通過DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感模塊、按鍵模塊、人體紅外探測模塊和火焰?zhèn)鞲衅髂K等探測環(huán)境溫度、濕度、光照強度和安全狀況等信息，單片機采集到這些環(huán)境信息后進行處理，然后控制風扇變換轉(zhuǎn)速使環(huán)境參數(shù)

19、保持在理想范圍(fnwi)內(nèi)并對報警系統(tǒng)進行相應控制，通過液晶模塊人機界面顯示環(huán)境信息和時間并進行語音播報，可通過按鍵模塊進行人機交互，即防盜報警模式的切換、風扇控制模式的切換和環(huán)境信息的查看。我相信只需做稍許修改，定可應用到實際工程中去。 最后，略談下這次的設計感言吧！眾所周知，單片機只是一個微處理器，其只是一個可用于智能/自動控制的控制工具，而最重要的還是人的控制思想（即算法），作為一名自動化的學子，平時更是應該注重培養(yǎng)自己的控制思想。該畢業(yè)設計在算法上是下了苦功夫，軟件編程上是站在工程的角度采用了模塊化的編程方法，而且做出了實物，把以前掌握的理論與這次實踐完美結合，更加熟練的掌握了單片機的應用，使得自己的編程能力和動手能力得到了質(zhì)的提升，更是感覺到自己越來越接近一個單片機工程師的水平，在這其中更是掌握了多種工程中常用芯片用法及驅(qū)動程序的編寫，為以后更加深入的學習單片機打下了良好的基礎。單片機是一門實踐性很強的學科，唯有不斷的實踐才能真正地掌握單片機的使用， 只有多寫代碼多讀代碼，編程能力才能夠提高才能寫出更簡練、實用高效的代碼。共二十一頁致謝(zh xi) 不得不說，畢業(yè)設計給我?guī)砹藷o窮的樂趣和十足的