《無線智能報警器的設(shè)計與實現(xiàn)》8700字（論文）

第3章系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計3.1框架設(shè)計輸入、處理和輸出模塊這三個主要模塊是本次設(shè)計無線報警器系統(tǒng)最主要組成部分。從上一章的分析可知，基于對系統(tǒng)設(shè)計難度、費用成本、實際應(yīng)用和性價比等應(yīng)用條件及其它影響因素的考慮，本次設(shè)計的最終確定選用單片機芯片作為無線報警器系統(tǒng)控制中樞芯片。因此，系統(tǒng)硬件平臺以單片機為核心，與外圍電路共同組成無線報警器嵌入式系統(tǒng)。單片機在無線報警器嵌入式系統(tǒng)中的作用猶如人類的大腦，其主要作用為：輸入、處理以及輸出；也可稱其為輸入、輸出模塊之間的一座橋梁，成為輸入、輸出模塊間的信息傳遞路徑。在一個系統(tǒng)的正常工作條件下，缺少任何一個組件都將可能會導(dǎo)致該系統(tǒng)無法正常工作，這就要求我們的設(shè)計要任何構(gòu)件之間都能良好的協(xié)調(diào)工作，組件的設(shè)計雖然要主次分別，但不可缺失任何環(huán)節(jié)。本嵌入式無線報警器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3-1所示。圖3-1：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3.2信號采集與處理電路設(shè)計3.2.1電路設(shè)計———煙霧檢測本次無線報警器設(shè)計選擇MQ135型煙霧傳感器。MQ135型煙霧傳感器工作原理為，當(dāng)該檢測其檢測到空氣中存在異常氣體時，其導(dǎo)電率就會隨異常氣體含量的上升而出現(xiàn)明顯增高。因此，對于本次設(shè)計而言，只要采用簡易電路將MQ135型煙霧傳感器的導(dǎo)電率改變?yōu)榕c異常氣體名濃度變化相對應(yīng)的信號值即可。高靈敏度、高精度、強抗干擾能力與運行速度快是MQ135型煙霧傳感器的主要特點。其工作性能穩(wěn)定、使用壽命長，在市場上面的得到了廣泛的應(yīng)用。此外，以下2項在MQ135型煙霧傳感器使用時要特別注意：①MQ135型煙霧傳感器在進入正常工作之前需要預(yù)熱一段時間后，才能正常工作檢測信號；②當(dāng)檢測到異常氣體時，其核心部位的導(dǎo)電率會信號采集電路的設(shè)計如圖3-2所示。圖3-2：煙霧傳感器接線圖上圖為煙霧傳感器接線圖。該煙霧傳感器共有6個引腳，1號引腳、2號引腳和3號引腳號連接電源VCC；2與5之間有一個電阻絲，該電阻絲阻值隨著氣體濃度變化而改變；此外，5號引腳串聯(lián)一個大電阻接GND，形成分壓電路；6號引腳（yanwu）與單片機相連接；4號引腳串聯(lián)一個電阻接GND。3.2.2電路設(shè)計——LCD1602液晶屏顯示研究工作者在HD44780液晶屏的基礎(chǔ)上開發(fā)出了LCD1602液晶屏，其二者之間最大的區(qū)別就是：LCD1602液晶屏由數(shù)字量控制，而HD44780液晶屏的由物理信號控制；因此，LCD1602液晶屏控制準(zhǔn)確度比HD44780液晶屏更高LCD1602液晶屏的主要組成部分為：顯示晶元、處理單元和存儲器。其中LCD1602液晶屏的顯示晶元是對外設(shè)備；LCD1602液晶屏的存儲器由DDRAM（存儲控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)）、CGRAM（存儲處理單元輸出數(shù)據(jù)）與CDROM（存儲液晶屏底層顯示程序）三類存儲組成，DDRAM、CGRAM、CDROM分別應(yīng)用于不同的內(nèi)容的存儲。LCD1602液晶屏的管腳功能如下表所示：表3-1：LCD1602液晶屏的管腳功能本系統(tǒng)所采用的輸入電壓為5V，完全滿足LCD1602液晶屏所要求的供電電壓（范圍5V±0.5V，額定電壓是5V）。此外，LCD1602液晶屏在顯示模塊部分采用雙電源模式，一路是由電位器控制的背光電源，其工作原理為通過電位器阻值的調(diào)整控制背光亮度，從而達到控制液晶屏清晰度的目的；另一路則是系統(tǒng)硬件單元供電。3.2.3電路設(shè)計——無線WIFI模塊通訊本設(shè)計采用2.4GHZ通訊頻率為本次設(shè)計的WIFI模塊使用頻段，頻率選擇會因WIFI模塊型號的不同而不同，一般情況下，其選擇范圍約在2.4.0～2.4.9之間；此外，2.4GHZ是國際通訊聯(lián)合組公認(rèn)的免費頻率。本設(shè)計采用WIFI-ESP8266模塊，其通訊頻率為2.4.6GHZ；WIFI-ESP8266有綁定模式和指令模式兩種不同的通訊方式。所謂綁定模式，是指WIFI-ESP8266一旦確定主從機設(shè)備就無法與其它設(shè)備匹配連接，只能這兩個設(shè)備之間通訊且不能更改；所謂指令模式，就是指采用搜索與配對方式確定主從機，借助于AT指令輸入、輸出數(shù)據(jù)。相比之下，使用指令模式這一通訊方式更為簡單、方便，且其靈活性更強，因此，本機選擇指令模式為通訊方式，數(shù)據(jù)傳輸模式如下圖3-3所示：圖3-3：WIFI模塊數(shù)據(jù)傳輸模式圖本設(shè)計計劃的WIFI模塊數(shù)據(jù)傳輸模式圖如圖3-3所示。工作模式一：首先，APP將用戶指令下發(fā)到上位機，上位機轉(zhuǎn)換其為AT指令發(fā)送到設(shè)備；然后，設(shè)備WIFI模塊將指令通過串口送入控制中樞；最后，系統(tǒng)執(zhí)行用戶指令。工作模式二：首先，控制系統(tǒng)用串口模式把處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備WIFI模塊；然后，設(shè)備WIFI模塊將經(jīng)控制系統(tǒng)處理后的回應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為AT指令送入上位機；最后，上位機WIFI把AT指令轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)處理結(jié)果的數(shù)據(jù)透傳給客戶端APP軟件。本文設(shè)計的WIFI電路如圖3-4所示。圖3-4：WIFI模塊硬件接線圖3.2.4電路設(shè)計——蜂鳴器驅(qū)動與控制本設(shè)計的報警裝置系統(tǒng)采用蜂鳴器報警。目前，在市場上常用的有無源蜂鳴器和有源蜂鳴器兩種。一般情況下，有源蜂鳴器必須要有較強的外部電源供電，其報警明顯，聲音大、力度強，其輸出動態(tài)音量可通過PWM波進行控制；對于無源蜂鳴器，雖然其功耗相對較低、電路控制及其連接操作較為簡單，但是其報警工作時聲音較小，因此并不滿足本次設(shè)計的使用條件?；谏鲜鰡栴}的分析與考慮，本設(shè)計選用有源蜂鳴器作為報警裝置。為避免增加額外的電源轉(zhuǎn)換電路，本設(shè)計選取電壓范圍為5V±0.5V，額定電壓為5V的蜂鳴器，其供電與系統(tǒng)輸入電壓相同，無需增加額外電源。另外，設(shè)計過程發(fā)現(xiàn)單片機GPIO最大功耗只有0.2W，但是蜂鳴器的啟動功耗就達到0.3W，因此，將8050型號的三極管設(shè)計在放大區(qū)，選放大倍數(shù)默認(rèn)是100（其目的是為了提高單片機GPIO管腳帶載能力），滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求。蜂鳴器驅(qū)動與控制電路圖如圖3-5所示。圖3-5：蜂鳴器驅(qū)動與控制電路由上圖可以看出，三極管8050斷開時，系統(tǒng)的供電電源被切斷，其為關(guān)斷狀態(tài)；三極管8050導(dǎo)通時，系統(tǒng)正常供電，其為連接狀態(tài)，啟動運行。此外，圖中的R1代表限流電阻，其作用為保護單片機GPIO口，防止因為三極管突然短路造成電流過大燒毀單片機GPIO口。3.3本章總結(jié)本章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)組成，首先，介紹了控制中心中最小系統(tǒng)電路與子模塊電路設(shè)計思路與硬件電路組成；其次，從介紹了外圍電路組成與硬件電路的設(shè)計，包括煙霧檢測電路設(shè)計、LCD1602液晶屏顯示電路設(shè)計、無線WIFI模塊通訊電路設(shè)計、蜂鳴器驅(qū)動與控制電路設(shè)計；最后，對原理圖設(shè)計進行了解釋說明，并對操作需注意的事項進行相應(yīng)說明。·圖3-6：報警器原理圖第4章系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計4.1控制系統(tǒng)工作流程當(dāng)系統(tǒng)軟件啟動后，第一步必須使系統(tǒng)自動復(fù)位一次，其目的為對變量進行清零；第二部，進入初始化模塊程序，傳感器采集到的數(shù)據(jù)將會被送入控制單元，控制中心對其進行處理后送入存儲器；另外，控制中心下發(fā)輸出指令將需要的數(shù)據(jù)由輸出模塊輸出；最后，數(shù)據(jù)模塊依舊可以調(diào)用剛才存儲器里面的采集數(shù)據(jù)。嵌入式軟件工作流程圖4-1所示。圖4-1：嵌入式軟件工作流程圖4.2系統(tǒng)信號采集與處理程序設(shè)計4.2.1煙霧傳感器程序設(shè)計MQ-135傳感器為本設(shè)計采用的控制系統(tǒng)模塊煙霧濃度信息采集裝置。MQ-135傳感器程序設(shè)計的工作原理為：MQ-135傳感器將所采集到實際環(huán)境中的煙霧濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘杺鬟f到A/D轉(zhuǎn)換器；緊接著，A/D處理器將接受到的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷σ虻臄?shù)據(jù)信息傳遞到單片機；然后，控制中心對收到的數(shù)據(jù)信息進行處理分析，并輸出相應(yīng)的煙霧濃度信號。煙霧傳感器程序運行流程如圖4-3所示。圖4-2：煙霧傳感器程序運行流程圖4.2.2WIFI模塊驅(qū)動軟件設(shè)計一般來講，在串口透明傳輸模式下，WIFI模塊能夠支持串口即插即用，因此極大可能降低用戶復(fù)雜程。此模式下，任何數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送都是透明傳輸在WIFI接口與串口之間，這是一個不需要任何請求的過程。與此同時，在透明傳輸工作模式下，能夠兼容任何軟件用戶。透明傳輸模式是本次設(shè)計系統(tǒng)所采用的傳輸模式，WIFI模塊起到了串口作用。當(dāng)有指令下達后，指令通過WIFI模塊傳輸?shù)娇刂破鳎痪o接著，控制器系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析和處理，并促使系統(tǒng)對其作出相應(yīng)的動作回應(yīng)。此外，當(dāng)系統(tǒng)要反饋數(shù)據(jù)給用戶時，可通過WIFI模塊把相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機軟件。WIFI模塊啟動后，透明模式驅(qū)動軟件流程如圖4-4所示。圖4-4：透明模式驅(qū)動軟件流程圖4.2.3LCD1602程序設(shè)計本設(shè)計顯示模塊采用LCD1602液晶屏，一般情況下，系統(tǒng)在向LCD1602模塊輸信號或指令前，首先會對其運行狀態(tài)進行查詢，只有當(dāng)系統(tǒng)查詢到LCD1602模塊處于休閑狀態(tài)而并非共狀態(tài)時，才會發(fā)送相關(guān)的信號或指令；若查詢到LCD1602模塊處于工作狀態(tài)而并非休閑狀態(tài)，傳輸?shù)男盘柣蛘咧噶畈粫粓?zhí)行。LCD1602顯示程序運行流程如圖4-5所示。圖4-5：LCD1602顯示流程圖4.3本章小結(jié)本章主要對入式軟件開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)框架及其工作流程進行了詳細(xì)的闡述，并對軟件結(jié)構(gòu)的組成部分進行了詳細(xì)的說明；然后對各個軟件運行流程圖進行了較為詳細(xì)的描述；最后從功能上介紹了各個子控模塊（信號采集、信號處理與信號輸出等）軟件運行流程圖，主要包括煙霧傳感器程序設(shè)計、WIFI模塊驅(qū)動軟件設(shè)計和LCD1602程序設(shè)計。

第5章系統(tǒng)調(diào)試與性能驗證5.1測試結(jié)果分析5.1.1數(shù)據(jù)分析首先，在實際的工作環(huán)境下，由于環(huán)境溫濕度、噪音干擾、系統(tǒng)本身的一些特性和操作誤差的影響，會對無線報警器系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響；其次，測試設(shè)備與方法的也可能會對最終的輸出結(jié)果產(chǎn)生一定程度上（或多或少）的影響，易造成系統(tǒng)所采集的實際輸入信息數(shù)據(jù)與輸出信息差距較大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果不滿足要求。此外，在實際環(huán)境中運行,無線報警系統(tǒng)輸入信號通過采集終端數(shù)據(jù)處理中心時會有一定的時間延遲,導(dǎo)致存在一定的誤差。由于誤差的存在，系統(tǒng)的輸出結(jié)果不是真值，這就要求我們消除誤差。在現(xiàn)代系統(tǒng)控制中，主要用于彌補現(xiàn)實環(huán)境中的誤差的當(dāng)方法就是誤差修正。因此，這就要求我們必須要找到適合本系統(tǒng)的修正值。修正值的確定有以下幾種方案：查閱相關(guān)資料，尋找以前有關(guān)研究的研究案例，參考其數(shù)據(jù)修正及其處理方法；在查閱前人研究與分析相關(guān)案列的基礎(chǔ)上，進行大數(shù)據(jù)的模擬分析，找出適合于本設(shè)計系統(tǒng)的修正系數(shù)，看原始值與系統(tǒng)輸入信號值是否吻合或達到相近的要求，反復(fù)進行迭代力求找到修正系數(shù)；選取多個試驗樣本，在不同的試驗條件與試驗環(huán)境下進行多次試驗，查看其最終結(jié)果的統(tǒng)一性，確定其為離散系統(tǒng)還是線性系統(tǒng)。進而選擇適應(yīng)的修正方法進行測試結(jié)果的修正，確保其試驗數(shù)據(jù)的可靠性?？傮w來看，本次設(shè)計所采用的系統(tǒng)為簡單的控制系統(tǒng)，其對控制精度的要求不高，因此，方案一得出的修正值完全可以滿足系統(tǒng)要求，故借助于方案一就能得求取修正值，從而確定系統(tǒng)的輸出結(jié)果滿足要求。5.1.2問題解決電源異常：在試驗過程發(fā)現(xiàn)，首次通電后系統(tǒng)并沒有正常運行，這就要求對整個供電系統(tǒng)進行詳細(xì)的檢查。首先，拆除電源線，然后用萬用檢查是否存在短路，測試發(fā)現(xiàn)是正常的后排出短路問題；其次，單獨給電源線供電，測試同樣正常，排除外部供電電源問題；接下來，把電源線接入到系統(tǒng)并且去掉單片機芯片和液晶模塊，同樣測得5V電源正常、液晶屏正常顯示；最后，當(dāng)將單片機芯片接入到系統(tǒng)中時，整個系統(tǒng)電路無法正常工作運行，仔細(xì)檢查過后發(fā)現(xiàn)焊接連錫的原因造成了單片機芯片管腳電源正負(fù)極短路，用電烙鐵把連錫去掉后系統(tǒng)正常工作。復(fù)位按鍵失靈：系統(tǒng)啟動后發(fā)現(xiàn)按壓復(fù)位鍵無效，經(jīng)仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)其原因為，鍵2腳與鍵1腳連錫，一直處于聯(lián)通狀態(tài)，導(dǎo)致軟件判斷為無效輸入（3）液晶屏顯示不清楚：在一切準(zhǔn)備工作完成后，系統(tǒng)進入正常的運行階段，但是液晶顯示屏無法顯示。調(diào)節(jié)軟件參數(shù)后液晶顯示屏清晰度得到了很大的提高，但是一段時間后亮度又明顯降低，然而當(dāng)在此通過調(diào)節(jié)軟件參數(shù)，液晶顯示屏亮度并未發(fā)生明顯的改變，仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)其原因為系統(tǒng)功耗太大了，增加電源功耗后整個電路系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行。5.2本章小結(jié)本章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境的搭建步驟與試驗過程發(fā)現(xiàn)的較有意義的注意事項，對一些常見問題進行了分析，詳細(xì)列舉了解決方案及其操作步驟。第6章總結(jié)本次研究所設(shè)計的無線報警器系統(tǒng)經(jīng)歷了選題環(huán)節(jié)、組件篩選環(huán)節(jié)、確定系統(tǒng)方案、軟硬件設(shè)計以及產(chǎn)品測試環(huán)節(jié)。經(jīng)多次的實驗驗證，本次嵌入式智能系統(tǒng)設(shè)計滿足設(shè)計要求。本次設(shè)計所完成的智能無線報警器雖然有很大的程度上的突破與創(chuàng)新型，彌補了目前市場較大短板，但是該方案還是依舊存在一些瑕疵有待進一完善與提高。（1）從設(shè)計方法橫向角度分析：本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件存在一些冗余設(shè)計，這就導(dǎo)致最終的硬件系統(tǒng)框架相比較為繁瑣復(fù)雜，其運行速度也就運行相對較慢；在此，應(yīng)該提出，在以后的設(shè)計中要重點考慮系統(tǒng)功能的實用性，減少繁瑣的系統(tǒng)設(shè)計，另外硬件的電路設(shè)計也應(yīng)該簡易而不應(yīng)過度復(fù)雜。系統(tǒng)的運行效率與性能是一個產(chǎn)品的穩(wěn)定運行的主要體現(xiàn)，嵌入式設(shè)計時應(yīng)考慮采用可能簡易系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)所需的系統(tǒng)功能，進而提高其性價比與運行效率，這將是后期需要繼續(xù)研究的主要內(nèi)容；（2）從設(shè)計方法縱向角度分析：在設(shè)計時，應(yīng)該考慮嵌入式產(chǎn)品后期的可擴展性，可采取有效的措施提高其后期的可擴展性；例如，可以考慮在硬件上多預(yù)留一些AD、I/O、PWM口，如果后期的擴展功能需要有所改進，這些AD、I/O、PWM口可以直接調(diào)用使用，這就大大提高了產(chǎn)品的可擴展性能。參考文獻[1] 周全.ES體系結(jié)構(gòu)的研究及其應(yīng)用[D].揚州大學(xué),2018[2] 闞寶朋,章萬靜,趙隴.基于Zigbee技術(shù)的CC2530定時器的應(yīng)用與實現(xiàn)[J].福建電腦,2018,6(10):115-116.[3] CampsDM,GarciaSA,SERRANOP.Device-to-devicecommunicationswithWi-Fidirect:overviewandexperimentation.IEEEWireless,2018,20(3):96-104.[4] 王敏.大學(xué)計算機專業(yè)英語[M].北京：中國人民大學(xué)出版社,2019.[5] 武新華,安向東,蘇雅.加密解密技術(shù)全方位學(xué)習(xí)[M].北京：中國鐵道出版社,2017.[6] XiaojingX,KunhuiL.ResearchonKeyTechnologiesofspeechrecognition.computerengineeringandApplication,2017,42(11):66-69.[7] 饒美麗,李雪巖,徐增勇.基于ZigBee煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的智能傳感器設(shè)計[J].信息通信,2018,5(10):53-54.[8] CinazB,KennH.HeadSLAM-SimultaneousLocalizationandMappingwithHead-mountedInertialandLaserRangeSensors//Proceedingsofthe12thIEEEInternationalSymposiumonWearableComputers.Pittsburgh,USA:IEEECSPress,2018:3-10.[9] 劉美紅.基于ARM的汽輪機監(jiān)視保護系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué),2015.丁愛敏.基于Zigbee的電子貨