畢業(yè)論文-水下運動監(jiān)測器設(shè)計與實現(xiàn)

1、大連東軟信息學院高職畢業(yè)設(shè)計（論文）論文題目論文題目：水下運動監(jiān)測器設(shè)計與實現(xiàn)系 所： 電子工程系 專 業(yè)： 嵌入式系統(tǒng)工程 學生姓名： 學生學號： 指導(dǎo)教師： 導(dǎo)師職稱： 講師 完成日期： 2014 年 4 月 25 日 大連東軟信息學院Dalian Neusoft University of Information大連東軟信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 WiFi通訊模塊，將水下系統(tǒng)收集的信息傳輸?shù)绞謾C上。本設(shè)利用溫度和超聲波兩個傳感器對水下環(huán)境信息進行采集，然后傳輸給單片機進行數(shù)據(jù)處理，然后單片機將處理好可顯示的信息通過WiFi模塊傳輸給安卓設(shè)備，由安卓設(shè)備端進行直觀的信息顯示。經(jīng)過這一過

2、程，水下的實時環(huán)境信息便呈現(xiàn)在我們眼前了。如圖2.6所示為硬件系統(tǒng)運作的功能框架。 圖2.5 水下運動監(jiān)測系統(tǒng)基本硬件系統(tǒng)的功能構(gòu)架2.4.2硬件電路設(shè)計單片機最小系統(tǒng)此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計算機的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。單片機在啟動時都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。所以具有復(fù)位功能的單片機最小系統(tǒng)在本系統(tǒng)中必不可少的。STC89C52單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，

3、則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位電路如圖2.6所示，從圖中STC89C52單片機RESET引腳接出，串聯(lián)了電容和電阻的電路即為復(fù)位電路。 如圖2.6中所示，與STC89C52單片機18和19引腳連接，由一個晶振和兩個22pF電容連接的電路，構(gòu)成了單片機的時鐘電路，通過晶振輸出穩(wěn)定的震蕩周期，從而讓單片機最小系統(tǒng)有了時間概念。圖2.6 單片機最小系統(tǒng)原理圖當PC在工作中出現(xiàn)卡死，按下機箱上的重新啟動按鈕PC中的工作程序?qū)⑼Ｖ?，并且重新開始運作。單片機復(fù)位與之同理，當單片機系統(tǒng)在工作過程中，由于其他因素干擾出現(xiàn)停頓USB供電和通訊電路設(shè)計圖2.7 usb供電和通訊模塊原理圖USB供電和通訊模塊

4、主要是是為了供電和開發(fā)階段的程序燒寫和調(diào)試，而選擇USB接口供電則是為了開發(fā)階段結(jié)束后脫離PC供電獨立運行做準備，由于USB接口適配性強，在實用過程中，充電寶，移動電源等電源設(shè)備都可以成為適配電源。在系統(tǒng)開發(fā)階段的燒寫過程中，為了方便與PC機的適配，USB通訊模塊是必不可少的。本系統(tǒng)開發(fā)使用USB通訊模塊配合USB轉(zhuǎn)接線的方法，來實現(xiàn)與PC端的通訊適配。USB轉(zhuǎn)接線如圖2.8所示。圖2.8 USB轉(zhuǎn)接線（3）LCD1602顯示電路設(shè)計 根據(jù)需求，需要顯示水下溫度和距離兩種信息，而LCD1602液晶顯示屏可以顯示兩行信息并且與設(shè)計核心89C52單片機適配性強，穩(wěn)定性好，易與調(diào)試。所以選用1602

5、液晶顯示屏來作為水下實時信息顯示屏。超聲波測距模塊和溫度傳感模塊將檢測到的數(shù)據(jù)通過處理顯示到1602液晶顯示屏上，在水下進行運動的人即可以直接觀看1602液晶顯示屏上的讀數(shù)來掌握實時的水下溫度，障礙物距離信息。如圖2.9中所示，1602液晶顯示屏P0-P7讀取輸入數(shù)據(jù)，VSS引腳接地，第二引腳VCC接輸入電源，VEE讀取液晶顯示偏壓信號,RS為數(shù)據(jù)命令選擇端口，R/W為數(shù)據(jù)讀寫選擇端。第15引腳連接背光源電源VCC正極，第16引腳連接背光源電源負極。圖2.9 1602顯示電路溫度采集電路設(shè)計 從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于

6、數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進。如圖2.11中所示DS18B20的第二個引腳為數(shù)據(jù)總線通過開發(fā)板電路與單片機P3.4接口相連來與單片機通訊。第一引腳則是VCC供電，第三引腳接地。 圖2.10 溫度采集電路原理圖 如圖2.11所示，為本設(shè)計采用的HC-SR04超聲波傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。單片機通過Trig輸入端引腳提供一個10US以上的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)射出8個40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信

7、號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到回響信號時間間隔可以計算得到距離，然后通過Echo引腳將測得的信息給單片機。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2;本模塊使用方法簡單,一個控制口發(fā)一個10US以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出.一有輸出就可以開定時器計時,當此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值,此時就為此次測距的時間,方可算出距離.如此不斷的周期測,即可以達到所需求的移動測量的值。 圖2.11 HC-SR04超聲波傳感器原理圖 2.5軟件設(shè)計2.5.1軟件主流程圖根據(jù)需求分析本系統(tǒng)主流程主要包括以下功能流程，主流程圖如圖2.13所示。圖2.12

8、主流程圖2.5.2溫度模塊子流程圖選用DS18B20作為溫度傳感器，考慮到其成本低，精度高，穩(wěn)定性好，與STC89C52單片機及開發(fā)板兼容限好并且在開發(fā)板上有傳感器預(yù)留端口及電路組。傳感器工作開始首先初始化，然后再采集溫度信息。圖2.13 溫度模塊子流程圖2.5.3超聲波模塊子流程圖 超聲波傳感器的主要檢測模式是直接反射。傳感器上電先進行初始化，之后發(fā)射超聲波并且啟用T0開終端，遇到障礙物后反射回來接收到回射波同時中斷停止，傳感器通過聲波公式計算出距離。這樣被測物到傳感器的距離就被檢查出來了。再將結(jié)果傳輸給單片機進行處理。圖2.14 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)第3章項目實施過程3.1硬件實現(xiàn)過程3.1.1

9、過程簡介硬件部分主要應(yīng)用到六個模塊，單片機最小系統(tǒng)模塊，USB供電傳輸模塊，超聲波測距模塊，液晶顯示模塊，溫度測量模塊，WiFi傳輸模塊。其中，本系統(tǒng)開發(fā)所使用的開發(fā)板已劇具備單片機最小系統(tǒng)模塊和USB供電傳輸模塊，超聲波測距模塊，液晶顯示模塊，溫度測量模塊，WiFi傳輸模塊則由手動裝配硬件配合軟件調(diào)試分模塊實現(xiàn)，總體設(shè)計方案確定后要先明確硬件需求情況，進行所需元器件的選擇，然后分模塊調(diào)試，最后進行統(tǒng)一的上電調(diào)試。硬件開發(fā)過程：配置單片機開發(fā)板與PC設(shè)備通訊連接。原件連接。傳感器電路配置安裝調(diào)試。軟件代碼燒寫。安卓終端配置調(diào)試。搭建WiFi網(wǎng)絡(luò)與安卓端連接。使用移動電源進行單片機供電。將開發(fā)板

10、及相關(guān)組件進行防水處理。將開發(fā)板及相關(guān)組件接通電源放入水中。硬件成果物測試。3.1.2 配置開發(fā)板與PC設(shè)備通訊連接51單片機開發(fā)板想要進行硬件開發(fā)調(diào)試首先要做的準備工作時配置好開發(fā)板與PC設(shè)備的通訊連接。連接開發(fā)板與PC設(shè)備將用到USB轉(zhuǎn)接線，通過USB轉(zhuǎn)接線連接開發(fā)板與PC端，在PC端安裝好開發(fā)板配套驅(qū)動。此時在PC端右鍵點擊“我的電腦”打開設(shè)備管理器，點擊“端口”選項，在下拉選項中找到USB-SERIAL CH340D 端口，如圖3.1中所示。鼠標右鍵單擊該端口，點擊“屬性”選項，在彈出窗口中選擇端口設(shè)置欄，點擊“高級”選項，在“COM端口號”下拉選項中選取靠前的，空閑的COM端口，并且

11、記錄該端口號。如圖3.2所示。此時開發(fā)板與PC通訊連接完成。圖3.1 設(shè)備管理器主界面圖3.2 COM端口配置操作圖例3.1.3 元器件安裝1.元器件安裝要注意事項：元器件與開發(fā)板或單片機的正確連接很重要，首先認真觀看開發(fā)板電路圖以及元器件資料，了解元器件各引腳，在根據(jù)需求把相對應(yīng)的引腳接入開發(fā)板電路。元器件安裝要注意事項：（1）在接入電源前，要先對照元器件參數(shù)判斷電壓是否適配，避免電壓不匹配上電后損壞元器件。（2）杜邦線使用前先進行導(dǎo)電測試避免杜邦線斷路引發(fā)的不必要問題。（3）單片機安裝到開發(fā)板前要注意方向，STC89C52單片機有半圓形小缺口的一端應(yīng)朝上。2.傳感器安裝遇到的問題：安裝16

12、02液晶顯示器，超聲波傳感器，溫度傳感器等原件到開發(fā)板并配置電路。 由于單片機VCC接口不足，無法供應(yīng)眾多元器件電源輸出，將開發(fā)板上本系統(tǒng)沒有使用的電路中的VCC電源通過杜邦線接出，對元器件供電。3. 安卓移動終端選擇選擇Android4.2版本系統(tǒng)終端，該終端具有軟件兼容性高，WiFi功能穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)速度高等特點。這樣本系統(tǒng)將可以適配于絕大部分安卓平臺手機，平板電腦。4. 安卓客戶端功能客戶端功能見表3.1中所示。表3.1 客戶端功能功能編號功能名稱功能描述1數(shù)據(jù)接收接收水下環(huán)境信息2WiFi對接和指定的WiFi網(wǎng)絡(luò)對接3數(shù)據(jù)顯示將接收到的信息經(jīng)過換行顯示到軟件顯示窗3.2軟件實現(xiàn)過程3.

13、2.1 Keil軟件開發(fā)環(huán)境KeiluVision4是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng) HYPERLINK /view/1219.htm t _blank c語言的語法來開發(fā)。該開發(fā)環(huán)境同時也是PK51及其它開發(fā)套件的一個重要組件。除增加了源代碼、功能導(dǎo)航器、模板編輯以及改進的搜索功能。與匯編相比，C語言易學易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,他還能嵌入 HYPERLINK /view/33704.htm t _blank 匯編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入，使程序達到接近于匯編的工作效率。KeilC51標準C編譯器為8051微控制

14、器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。uVision4可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。在Keil程序主界面單擊工程按鈕可以看到新建工程如圖3.3所示。圖3.3 新建工程文件輸入新工程名并保存后選擇芯片，從左側(cè)目錄中找到Atmel，點擊選擇下拉菜單中的AT89S52（在Keil中，選擇芯片的時候，是不能選STC系列的。不過，對于STC的任何一個系列，都可以選擇AT89S52系列。）如圖3.4所示。然后在新建工程中添加.C和.H文件，在這些文件中編寫代碼。代碼編譯完成后生成hex文件保存待用。圖3.4 工程芯片選擇3.2.2 使用STC-ISP燒寫hex文件STC-I

15、SP HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 單片機平臺涌來燒錄編程以及下載的 HYPERLINK /view/37.htm t _blank 軟件，是用于 HYPERLINK /view/238367.htm t _blank STC系列單片機來設(shè)計的，可下載STC89系列等多種系列STC單片機，使用方便，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。STC-ISP軟件配置:首先連接開發(fā)板與PC端，在PC端安裝好STC-ISP軟件，打開STC-ISP軟件，在軟件窗口步驟1中選擇STC89C52RC型芯片。在軟件窗口步驟2中打開之前準備的.hex文件。在軟件窗口步驟三中選擇之前記錄的COM口，波

16、特率選擇默認的最高115200。然后給開發(fā)板上電，點擊軟件窗口中步驟5的按鈕“Download下載”。STC-ISP軟件窗口如圖3.5所示。圖3.8 STC-ISP下載器主界面 下載完畢后進行上電測試實際運行結(jié)果。3.2.3 程序主函數(shù)void main(void)lcd_init(); Timer0Init(); SerialInit();LCD1602DisplayString(0 x00,D:);/初始化第一行顯示 LCD1602DisplayString(0 x08,CM);/初始化第一行顯示LCD1602DisplayString(0 x40,T:);/初始化第二行顯示while(1

17、) D = GetSr04Data(); T = GetTemp(); SystemDelay_ms(200); distance0 = (unsigned char)(D/10000%10 + 0); distance1 = (unsigned char)(D/1000%10 + 0); distance2 = (unsigned char)(D/100%10 + 0); distance3 = (unsigned char)(D/10%10 + 0); distance4 = (unsigned char)(D%10 + 0); distance5 = 0; TE0 = (unsigned

18、 char)(T/100%10 + 0); TE1 = (unsigned char)(T/10%10 + 0); TE2 = 46; TE3 = (unsigned char)(T%10 + 0); TE4 = 0; LCD1602DisplayString(0 x02,distance); LCD1602DisplayString(0 x42,TE); SerialSendString(溫度：); SystemDelay_ms(300); SerialSendString(TE); SystemDelay_ms(300); SerialSendString(距離：); SystemDela

19、y_ms(300); SerialSendString(distance); SystemDelay_ms(300); SerialSendOneByte(10); 3.3調(diào)試過程3.3.1 硬件調(diào)試（1）排除邏輯故障邏輯故障一般由于設(shè)計和加工制做過程里出現(xiàn)的工藝性失誤所造成的。主要包括錯線、短路、開路。解決的辦法是將加工的印制板自習對照原理圖，看是否完全一致。應(yīng)該尤為注意的是對電源系統(tǒng)進行檢查，從而防止電源短以及極性錯誤，并且著重檢查系統(tǒng)總線（控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線）中是否有相互之間電路短路或者與其它的信號線路有短路。必要的時侯使用數(shù)字萬用表進行短路測試，可以有效減少排錯時間。（2）排

20、除元器件失效造成這種錯誤的原因一般有兩個：一是元器本身就已壞了；另一個是因為安裝錯誤，元器件被燒壞。此時檢查該元器件與選用的型號、規(guī)格參數(shù)和安裝方法是否一致。保證以上無誤的話，只能使用替換元器件的方法排除錯誤。（3）排除電源故障在通電前，先要檢查電源的電壓的極性，否則將會造成元器件損壞。上電后認真很檢查各個插件上的引腳的電位，先檢查VCC和GND兩個引腳電位，如果在5V4.8V范圍內(nèi)屬正常。如果有高壓，那么調(diào)試時，將會損壞元器件，所以硬件調(diào)試過程中一定要注意電壓不要超過這個范圍。（4）實際運行調(diào)試在開發(fā)板首次與PC設(shè)備進行連接時，燒寫簡單小程序測試單片機是否正常工作。系統(tǒng)上電后在不同溫度環(huán)境下

21、測試18B20溫度傳感器靈敏度，誤差范圍是否達到使用要求。通過旋鈕調(diào)節(jié)1602液晶顯示屏的亮度，來達到合適的顯示效果。找一個參照物，將超聲波探頭對準參照物拉近拉遠并用游標卡尺測量距離，與顯示的距離信息對比測試超聲波傳感器讀數(shù)精確度。使用安卓設(shè)備接入WiFi模塊搭建的無限網(wǎng)絡(luò)，查看安卓終端信息顯示情況。3.3.2 軟件調(diào)試觀察硬件測試所反映出來的問題，使用Keil找到對應(yīng)代碼進行修改，再次生成.hex文件通過STC-ISP軟件燒寫后在運行硬件系統(tǒng)，觀察問題解決情況。3.3.3 測試過程問題及解決方法安卓設(shè)備顯示信息刷新頻率過快，導(dǎo)致安卓設(shè)備軟件崩潰。通過在代碼中加入延時函數(shù)降低數(shù)據(jù)傳輸頻率。單片

22、機VCC供電口不足，將開發(fā)板閑置電路中VCC電源接出給傳感器供電。安卓設(shè)備端接收信息為亂碼，通過修改傳輸波特率解決，之后顯示信息正常。WiFi模塊輸入輸出端引腳接反，導(dǎo)致無法正常傳輸數(shù)據(jù)。通過重新連接單片機與WiFi模塊之后解決問題。大連東軟信息學院畢業(yè)設(shè)計（論文）第4章項目成果4.1硬件成果物4.1.1 水下運動監(jiān)測器整體本次設(shè)計硬件最終成果如圖4.1中所示，以開發(fā)板為平臺，STC89C52單片機為核心控制器，搭載18B20溫度傳感器，HC-SR04超聲波傳感器，搭配WiFi模塊無線傳輸數(shù)據(jù)，通過1602液晶顯示屏和安卓設(shè)備顯示信息。這些硬件通過所編寫的軟件程序整合到一起，配合運作。如果4.

23、1中所示，水下運動監(jiān)測器系統(tǒng)通過USB接口供電，可以適配多種移動電源LCD1602液晶顯示屏顯示的兩行信息中，第一行顯示的是與障礙物之間的直線距離，第二行顯示的是溫度。通過杜邦線連接的分別是WiFi模塊和超聲波傳感器，在WiFi模塊上海外接了信號增強天線來提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍來增加數(shù)據(jù)傳輸有效范圍。圖4.1 水下運動監(jiān)測器整體成果照片4.2軟件成果物在安卓設(shè)備終端我們使用與WiFi模塊配套的安卓端網(wǎng)絡(luò)助手進行信息顯示，在使用前需先讓安卓設(shè)備接入USR-WiFi232-T所建立的無線網(wǎng)絡(luò)進行端口和波特率的配置。如果4.2中所示，安卓設(shè)備軟件在與WiFi模塊成功對接后，在安卓終端我們成功顯示了水下監(jiān)測

24、器監(jiān)測到的水下溫度和障礙物距離的信息，并且將顯示信息自動換行，信息顯示刷新頻率可以通過修改軟件代碼調(diào)試延時函數(shù)進行修改，默認信息刷新頻率為每秒一次，避免了數(shù)據(jù)刷新頻率太高導(dǎo)致安卓設(shè)備端軟件崩潰的問題，也保證了顯示數(shù)據(jù)的時效性。圖4.2 安卓設(shè)備端信息顯示截圖第5章結(jié) 論當前，自然災(zāi)害頻發(fā)，而我們對水下世界的探索卻從未停下腳步，面對水中的不確定因素，我們在水下運動探測時有必要攜帶一款水下信息監(jiān)測器。而如今，在自然資源日益緊張的大背景下，水下資源的探測和開發(fā)也被提上日程，在水下科研開發(fā)和探測過程中，也必須有水下環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的支持，這次的設(shè)計將水下信息監(jiān)測做到水下與水上同步，為水下運動和探測提供了雙

25、向保險。水下運動監(jiān)測系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不斷擴大，如水下運動，海洋研究，海洋開發(fā)和水下工程中都可以應(yīng)用到。對于人均資源匱乏的我國來說，水下世界的探測和開發(fā)具有極其重要的作用，而在這一領(lǐng)域，非常適合嵌入式水下監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。本次設(shè)計主要應(yīng)用了我大學所學習的單片機開發(fā)與應(yīng)用的技術(shù)，圍繞STC89C52單片機展開，在其基礎(chǔ)上進行開發(fā)，配合各個模塊的應(yīng)用，構(gòu)成本次設(shè)計的水下運動監(jiān)測器。由于成本制約，本次設(shè)計樣例僅在單片機開發(fā)板基礎(chǔ)上實現(xiàn)。實用型則可對硬件系統(tǒng)進行集成處理將元器件搭載到一個微小的芯片上（如NIKE運動監(jiān)測器），可搭載到泳鏡，泳衣等各種物品從而提高實用性和便攜性。

26、毫無疑問，在水下資源探測開發(fā)和水下運動中，水下運動監(jiān)測系統(tǒng)具有非常良好的應(yīng)用前景，目前我國水下探測技術(shù)還處于研制試驗階段，很多關(guān)鍵技術(shù)都沒有突破。而我所設(shè)計的水下運動監(jiān)測系統(tǒng)，也僅僅涉及到了一小部分傳感器的應(yīng)用，而嵌入式設(shè)計為我們提供的開發(fā)平臺非常廣闊，我們可以在水下監(jiān)測技術(shù)上應(yīng)用更多的傳感器來監(jiān)測更豐富的水下信息。而這更需要學習更多的知識與技術(shù)。我們要瞄準目標，抓住時機，開拓創(chuàng)新，爭取在水下環(huán)境監(jiān)測技術(shù)上有所突破。在整個畢業(yè)設(shè)計過程當中，遇到了許多問題與挑戰(zhàn)，在這個過程中，我必須不斷學習來解決這些問題與挑戰(zhàn)，可以說，畢業(yè)設(shè)計是一個不斷充實自我的過程，同時也讓我認識到，自己的知識儲備還十分匱乏，需要更加的努力學習來豐富自我。參考文獻1 肖紅兵跟我學單片機M，北京航空大學出版社，2002，82 李廣第單片機基礎(chǔ)M，北京航空大學出版社，19993 徐惠民單片微型計算機原理接口與應(yīng)用M，北京郵電大學出版社，19964 夏繼強單片機實驗與實驗教程M，北京航空大學出版社，20015 李平等單片機入門與開發(fā)M，機械工業(yè)出版社，20096 趙振華單片機產(chǎn)業(yè)暢想J，中國計算機報，2001，4（4）：19-207 閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M，機械工業(yè)出版社，20048 侯媛琳單片機原