智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

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1、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) Design on the intelligent system of monitoring environment 摘 要 系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和移動(dòng)監(jiān)控終端兩部分組成。采用 16 位單片機(jī) SPCE061A 為處 理核心，在數(shù)據(jù)采集端，利用兩片 CD4067BE 分別掛接 16 只 DHT11 溫濕度傳感器和 16 只 光照強(qiáng)度傳感器；采用 10 位 ADC 實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境聲音的實(shí)時(shí)錄制，加入 OV7670 攝像頭進(jìn)行 實(shí)時(shí)拍照監(jiān)控，最后把所采集到的數(shù)據(jù)幀通過 NRF905 無線傳輸模塊傳送到移動(dòng)監(jiān)控終端。 在移動(dòng)監(jiān)控終端，通過 NRF905 接收數(shù)據(jù)，將處理后的環(huán)境參

2、數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，接收到的 語(yǔ)音壓縮編碼通過 10 位 DAC 進(jìn)行解碼播放，通過按鍵切換進(jìn)入全屏環(huán)境參數(shù)顯示模式或 全屏監(jiān)控照片顯示模式，并將接受到的環(huán)境參數(shù)、聲音、照片存儲(chǔ)到 SD 卡中。本文以 SPCE061A 超低功耗單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了通用智能終端和智能溫濕度傳感器，重點(diǎn)介紹 了該終端和傳感器的任務(wù)、硬件、軟件以及控制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。硬件方面，介紹了 系統(tǒng)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)思想、原理電路以及，并給出了系統(tǒng)總硬件原理圖；另外，為了實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的低成本和低功耗，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能選用了價(jià)格低廉和低功耗 的元器件。軟件方面，采用了時(shí)間觸發(fā)的混合調(diào)度器模式設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行了 設(shè)

3、計(jì)，并給出了系統(tǒng)軟件低功耗設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：SPCE061A；多節(jié)點(diǎn)；無線傳輸；HMI Abstract The system is designed for two parts of data acquisition terminal and mobile monitoring terminal. Its processing core is SPCE061A which is a 16 bits mcu. In the data acquisition terminal, 16 DHT11 of single bus temperature, humidity sensor and

4、 16 light intensity sensor are hung on two CD4067BE. The environmental sound is recorded to coding and compression with 10 bits ADC which is built in the mcu at any time. Add OV7670 which is a camera module to monitor at anytime. ALL collected data is transmitted to the mobile monitoring terminal th

5、rough NRF905 of wireless transmission module. In the mobile monitoring terminal, the data is received through NRF905.The environmental parameter data is displayed after dealing with and the compression coding of speech is decoded to play with 10 bits DAC.We can switch to full-screen environment para

6、meter display mode or full-screen picture display mode with the keys. At last, the environmental parameter, sound and photos are stored to the SD card.Based on the SPCE061A ultra low power microcontroller as the core, a general intelligent terminal and intelligent temperature and humidity sensor des

7、ign, focuses on the terminal and sensor task, hardware, software and the design of control algorithm and realization. In terms of hardware, introduces the various parts of the system design thought, the principle circuit and system, and the total hardware principle diagram is given; in addition, in

8、order to realize the system of low cost and low power consumption, in satisfies the design request under the premise, the low price and low power consumption components as possible. In terms of software, using mixed scheduler mode design time triggered, the various tasks for the design, and gives th

9、e low power design method of system software. Key words: SPCE061A; Multi node; Wireless transmission; HMI 目錄 第 1 章 緒論.1 1.1 課題提出的背景.1 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.3 目前監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問題.2 1.4 課題研究任務(wù).3 第 2 章 智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).4 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).4 2.2 工作原理 .5 第 3 章 系統(tǒng)硬件選擇.6 3.1 處理器的選擇 .6 3.1.1 基礎(chǔ)單片機(jī)概述 6 3.1.2 SPCE061A 單片機(jī).7 3.1.3 方案

10、選擇 7 3.2 溫度傳感器的選擇 .7 3.2.1 熱敏電阻簡(jiǎn)介 7 3.2.2 DS18B20 溫度傳感器簡(jiǎn)介8 3.2.3 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器.8 3.3 濕度傳感器的選擇 .9 3.3.1 濕敏電阻簡(jiǎn)介 9 3.3.2 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器.9 3.4 光照強(qiáng)度傳感器的選擇 .10 3.4.1 光感芯片 10 3.4.2 光敏電阻比較電路 10 3.5 傳感器數(shù)據(jù)輸入方式選擇 .10 3.5.1 單片機(jī) IO 口并行輸入方式10 3.5.2 CMOS 模擬開關(guān)10 3.6 圖像采集方式的選擇 .11 3.6.1 實(shí)時(shí)采集 11 3.6.2 存儲(chǔ)芯片 11 3.7 數(shù)據(jù)

11、存儲(chǔ)方式的選擇 .12 3.7.1 片外 ROM 芯片 .12 3.7.2 SD 卡讀寫模塊 12 3.8 顯示方式的選擇 .12 3.8.1 TFT 彩色液晶屏 12 3.8.2 HMI 串口液晶屏12 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).13 4.1 SPCE061A 單片機(jī)最小系統(tǒng)13 4.2 光照強(qiáng)度采集電路 .15 4.3 傳感器數(shù)據(jù)選擇輸入電路 .15 4.4 語(yǔ)音輸入處理電路.16 4.5 語(yǔ)音播放電路 .17 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).18 第 6 章 結(jié)論.20 謝 辭.21 參考文獻(xiàn)：.22 附錄.23 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 緒論 0 第 1 章 緒論 1.

12、1 課題提出的背景 從國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀來看，監(jiān)控系統(tǒng)無處不在，但總體來說都處在單一分離模式，語(yǔ)音攝像需 要一套系統(tǒng)，溫濕度等環(huán)境參數(shù)監(jiān)控也需要一套系統(tǒng)，而且價(jià)值不菲，功耗較大，移動(dòng) 性較差，需要較高的硬件與軟件支持，數(shù)據(jù)采集端與監(jiān)控端需要通過很多很長(zhǎng)的通信線 進(jìn)行連接，從而使得系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，對(duì)于多參數(shù)多點(diǎn)監(jiān)控的場(chǎng)所，傳統(tǒng)設(shè)備不能滿足 其節(jié)點(diǎn)數(shù)量的要求，可行度不高，空間占用率較大。一些傳統(tǒng)設(shè)備對(duì)于傳感器的更換極 不方便，更換完傳感器后要對(duì)所有傳感器進(jìn)行重新編號(hào)，不便于維護(hù)。鑒于以上不足之 處，我們擬采取以下措施： 1、設(shè)計(jì)一種可移動(dòng)式的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以方便和適應(yīng)現(xiàn)代化的信息管理模式。 2、該系統(tǒng)采

13、用數(shù)字化數(shù)據(jù)采集，模塊化處理，便于系統(tǒng)維護(hù)以及數(shù)據(jù)收集。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 70 年代，國(guó)外的溫室生產(chǎn)開始以較快的速度發(fā)展，特別是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，如 荷蘭、美國(guó)等國(guó)家實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。當(dāng)時(shí)由于水平的限制，對(duì)于生態(tài)環(huán)境因素采用單因子 控制，即對(duì)溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度進(jìn)行單獨(dú)分別控制的方法，主要是控制溫 度，其次是濕度(空氣濕度、土壤濕度)。例如，在控制溫度時(shí)，控制的只是溫度的改變， 而不影 在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品。 前者技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟、性能穩(wěn)定，并在實(shí)際工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，特別是在 大、中型視頻監(jiān)控工程中的應(yīng)用尤為廣

14、泛；后者是新近崛起的以計(jì)算機(jī)技術(shù)及圖像視頻 壓縮為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了模擬系統(tǒng)部分弊端而迅速崛起，但仍需 進(jìn)一步完善和發(fā)展。目前，第三代基于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)正興起，以它特 有的優(yōu)勢(shì)會(huì)逐步成為監(jiān)控系統(tǒng)新的潮流。 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化是視 頻監(jiān)控系統(tǒng)公認(rèn)的發(fā)展方向，而數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化的前提，網(wǎng)絡(luò)化又是系統(tǒng)集成化的基礎(chǔ)， 所以，視頻監(jiān)控發(fā)展的最大兩個(gè)特點(diǎn)就是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。 數(shù)字化，數(shù)字化是 21 世紀(jì)的特征，是以信息技術(shù)為核心的電子技術(shù)發(fā)展的必然，數(shù) 字化是邁向成長(zhǎng)的通行證，隨著時(shí)代的發(fā)展，我們的生存環(huán)境將變得越來越數(shù)字化

15、。視 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 緒論 1 頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化首先應(yīng)該是系統(tǒng)中信息流（包括視頻、音頻、控制等）從模擬狀態(tài) 轉(zhuǎn)為數(shù)字狀態(tài)，這將徹底打破“經(jīng)典閉路電視系統(tǒng)是以攝像機(jī)成像技術(shù)為中心”的結(jié)構(gòu)， 根本上改變視頻監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集、數(shù)據(jù)處理、傳輸、系統(tǒng)控制等的方式和結(jié)構(gòu)形式。 信息流的數(shù)字化、編碼壓縮、開放式的協(xié)議，使視頻監(jiān)控系統(tǒng)與安防系統(tǒng)中其它各子系 統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)無縫連接，并在統(tǒng)一的操作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)管理和控制，這也是系統(tǒng)集成化的含義。 網(wǎng)絡(luò)化，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化將意味著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將由集總式向集散式系統(tǒng)過渡。 集散式系統(tǒng)采用多層分級(jí)的結(jié)構(gòu)形式，具有微內(nèi)核技術(shù)的實(shí)時(shí)多任務(wù)、多

16、用戶、分布式 操作系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)搶先任務(wù)調(diào)度算法的快速響應(yīng)。組成集散式監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件采用 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)備的配置具有通用性強(qiáng)、開放性好、系統(tǒng)組態(tài) 靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、人機(jī)界面友好以及系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修簡(jiǎn)單化， 系統(tǒng)運(yùn)行互為熱備份，容錯(cuò)可靠等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化在某種程度上打破了布控區(qū)域和 設(shè)備擴(kuò)展的地域和數(shù)量界限。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件和軟件資源共享以及任 務(wù)和負(fù)載共享，這也是系統(tǒng)集成的一個(gè)重要概念12。 縱觀以上觀點(diǎn)，就不難理解為什么網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)正成為視頻監(jiān)控領(lǐng)域研究的 熱點(diǎn)和發(fā)展方向。 1.3 目前監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問題 隨著基于 PC

17、機(jī)的視頻監(jiān)控錄像系統(tǒng)的發(fā)展，在實(shí)際工程使用過程中，也暴露出一些 不足，主要是系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定性。硬件設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)：PC 機(jī)，兼容 PC 機(jī)用于 24 小時(shí)不 間斷工作時(shí)，其性能是不很穩(wěn)定的，工控 PC 機(jī)相對(duì)于兼容 PC 機(jī)的穩(wěn)定性有一個(gè)檔次上 的提高，適用于較復(fù)雜的工作環(huán)境；視頻監(jiān)控錄像系統(tǒng)通常均為多路輸入系統(tǒng)，視頻采 集卡可采用多卡方式，也可采用單卡方式。一般說，單卡方式集成度高，穩(wěn)定性會(huì)優(yōu)于 多卡方式，很多采用一路一卡的方式容易形成硬件沖突，對(duì)其穩(wěn)定性會(huì)有很大的影響。 目前市場(chǎng)上也有部分為追求高幀數(shù)而設(shè)計(jì)采用多卡進(jìn)行迭加的多路單卡設(shè)備，但其仍在 計(jì)算機(jī)的總線上進(jìn)行傳輸、處理，不可能會(huì)有質(zhì)的

18、飛躍。系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)，以 Windows 98 為操作平臺(tái)的系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)人士都知道，Win98 的穩(wěn)定性是有一定問題的，如 果應(yīng)用軟件又不是很規(guī)范，這樣就容易在使用過程中出現(xiàn)工作不穩(wěn)定、死機(jī)等問題，而 基于 PC 機(jī)的視頻監(jiān)控錄像系統(tǒng)其軟件的實(shí)現(xiàn)是在 Windows 95/98/NT、Unix、Linux 等通 用操作系統(tǒng)上，同時(shí)系統(tǒng)文件、應(yīng)用軟件和圖像文件都存儲(chǔ)在硬盤上，視頻處理必須高 密度輸入大量數(shù)據(jù)，同時(shí)硬盤要進(jìn)行多工工作，普通的硬盤邏輯（如 Windows 的 FAT32） 已無法適應(yīng)，以致極易產(chǎn)生系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，造成死機(jī)現(xiàn)象；應(yīng)用軟件，采用簡(jiǎn)易應(yīng)用 軟件的系統(tǒng)是不能夠用于安防領(lǐng)域的

19、，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件能力上應(yīng)支持多任務(wù)并 發(fā)處理，如監(jiān)視、錄像、回放、備份、報(bào)警、控制、遠(yuǎn)程連接等的多工處理能力。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 緒論 2 1.4 課題研究任務(wù) 本課題研究對(duì)象是可移動(dòng)式數(shù)字化智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)存在不 穩(wěn)定不便攜等特點(diǎn)，對(duì)該系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)及制作提出了特殊要求，因此，本課題的研究 任務(wù)可歸納為以下幾點(diǎn)： 1.準(zhǔn)確可靠的主控電路及其軟件設(shè)計(jì)； 2.便于移動(dòng)，以及能較好的采集溫度濕度等數(shù)據(jù)； 3.清晰易懂的數(shù)據(jù)顯示功能； 4.其它輔助電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)總體設(shè) 計(jì) 3 第 2 章

20、 智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 該智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端和移動(dòng)監(jiān)控終端兩大部分，數(shù)據(jù)采集端包括 SPCE061A 核心板、16 路溫濕度采集模塊、16 路光照強(qiáng)度采集模塊、CD4067 數(shù)據(jù)切換 輸入模塊、語(yǔ)音輸入處理電路、OV7670 帶 FIFO 攝像頭模塊、SD 卡讀寫模塊、NRF905 無線發(fā)射模塊，移動(dòng)監(jiān)控終端包括 SPCE061A 核心板、SD 卡讀寫模塊、NRF905 無線接 收模塊、語(yǔ)音播放電路、3.2 寸 HMI 串口人機(jī)界面液晶屏，結(jié)構(gòu)框圖如圖 1-1 所示。 圖 1-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 數(shù)據(jù)采集端 SPCE061A核心板 移動(dòng)監(jiān)控終端 SPCE

21、061A核心板 16路溫濕度采 集模塊 16路光照強(qiáng)度 采集模塊 CD4067數(shù)據(jù)切換 輸入模塊 語(yǔ)音輸入處理電 路 OV7670帶FIFO攝 像頭模塊 SD卡讀寫模塊 NRF905無線發(fā)射模塊NRF905無線接收模塊 SD卡讀寫模塊 語(yǔ)音播放電路 3.2寸HMI串口人 機(jī)界面液晶屏 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)總體設(shè) 計(jì) 4 2.2 工作原理 在數(shù)據(jù)采集端： 16 路溫濕度采集模塊、16 路光照強(qiáng)度采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給 CD4067 數(shù)據(jù) 切換輸入模塊，該模塊進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換后，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。語(yǔ)音輸入處理 電路、OV7670 帶 FIFO 攝像頭模塊

22、將采集到的數(shù)據(jù)連同 CD4067 數(shù)據(jù)切換輸入模塊的信 號(hào)一并傳輸給 SPCE061A 核心板。該核心單片機(jī)一方面將信息存入 SD 卡備用，一方面把 信息通過 NRF905 無線發(fā)射模塊發(fā)射出去。 在移動(dòng)監(jiān)控終端： 首先，NRF905 無線接收模塊接受 NRF905 無線發(fā)射模塊發(fā)射的信息，并傳輸給移動(dòng) 監(jiān)控終端的 SPCE061A 核心板。通過特定的軟件設(shè)計(jì)控制，使核心板接受的信息分成三部 分展現(xiàn)：一，存入 SD 卡作為備用資料；二，通過語(yǔ)音數(shù)模轉(zhuǎn)換得到人能夠識(shí)別的語(yǔ)音信 號(hào)，并播放；三，視頻信息則是通過 3.2 寸 HMI 串口人機(jī)界面液晶屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù)

23、 （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件選 擇 5 第 3 章 系統(tǒng)硬件選擇 3.1 處理器的選擇 3.1.1 基礎(chǔ)單片機(jī)概述 51 單片機(jī)是對(duì)所有兼容 Intel 8031 指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖 是 Intel 的 8031 單片機(jī)，后來隨著 Flash rom 技術(shù)的發(fā)展，8031 單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn) 展，成為應(yīng)用最廣泛的 8 位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是 ATMEL 公司的 AT89 系列，它廣泛 應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。很多公司都有 51 系列的兼容機(jī)型推出，今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間 內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51 單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。若采 用普通型的的 5

24、1 單片機(jī)（例如AT89S51、STC89C51） ，數(shù)據(jù)采集與處理速度、片內(nèi)RAM 大小、片內(nèi)ROM大小以及對(duì)語(yǔ)音、視頻、圖片等數(shù)字信號(hào)的處理能力，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足 本系統(tǒng)的要求，即使采用增強(qiáng)型的 51 單片機(jī)（例如 STC12C5A60S2） ，也是不夠的。 AVR 單片機(jī)是1997年由 ATMEL 公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置 Flash 的 RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR 的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī) 外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。1997年，由 Atmel 公司挪威設(shè)計(jì)中心的 A 先生和

25、V 先生，利用 Atmel 公司的 Flash 新技術(shù)，共同研發(fā) 出 RISC 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱 AVR。相對(duì)51單片機(jī)而言，數(shù)據(jù)處理速度有一定 的提升，如采用 ATMEGA128等高檔型的單片機(jī)還是可以的，但對(duì)語(yǔ)音、視頻、圖片等 數(shù)字信號(hào)的處理還是較麻煩的，需要較復(fù)雜的軟件編程支持，開發(fā)周期較長(zhǎng)，不便于維 護(hù)。 DSP（Digital Signal Processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來處理大 量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為 0 或 1 的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào) 進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格 式。

26、它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn) 遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能 力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。 ARM 處理器是 Acorn 計(jì)算機(jī)有限公司面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的第一款 RISC 微處理器。 更早稱作 Acorn RISC Machine。ARM 處理器本身是 32 位設(shè)計(jì)，但也配備 16 位指令集。 一般來講比等價(jià) 32 位代碼節(jié)省達(dá) 35%，卻能保留 32 位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。ARM 處理器的三 大特點(diǎn)是：耗電少功能強(qiáng)、16 位/32 位雙指令集和合作伙伴眾多。 1、體積小、低功耗、低成本、高性能

27、； 2、支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）雙指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件； 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件選 擇 6 3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； 4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； 5、尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高； 6、指令長(zhǎng)度固定16,18。 這兩種處理器完全可以滿足系統(tǒng)的需要，但是性能過剩，價(jià)格過高，軟件編程較復(fù)雜， 在 PCB 生產(chǎn)方面需要較高的工藝，不經(jīng)濟(jì)。 3.1.2 SPCE061A 單片機(jī) SPCE061A 是繼nSP（Microcontroller and Signal Processor）系列產(chǎn)品SPCE5

28、00A ， 等之后凌陽(yáng)科技推出的又一款 16 位結(jié)構(gòu)的微控制器。 C51 是 nVIDIA 公司推出的首款 K8 平臺(tái)整合芯片組的產(chǎn)品系列代號(hào)，現(xiàn)在使用 C51 系 列芯片組的北橋芯片分為兩個(gè)版本：GeForce6150 和 GeForce6100，它們與 Nforce 400 系列的南橋芯片搭配組成新一代平臺(tái)。16 位處理器 NVidia C51 芯片組是 nVidia 的 K8 IGP 芯片組，于 2005 年推出。它是 nVidia 第一款為 K8 平臺(tái)而設(shè)的整合型芯片組。它建 了 Geforce 6100 顯示核心，完整支援 DirectX 9.0 和 HDR，是當(dāng)時(shí)繒圖效能最佳的整合

29、 型芯片組。南橋的硬盤支援部分有小 BUG（有時(shí)不能啟動(dòng) NCQ）。nVidia 眼見 ATi 在 Intel 和 AMD 平臺(tái)芯片組市場(chǎng)漸有成績(jī)，逐在 AMD 平臺(tái)芯片組下工夫，推出支援 AMD 64- bit 處理器的整合形芯片組。本來計(jì)劃推出 Intel 平臺(tái)整合形芯片組（代號(hào) C60），但 Intel 推出內(nèi)建 ATI 整合形芯片組的主板，NVIDIA 為免尷尬，決定終止 C60 計(jì)劃。 C51 是 MCS-51 系列單片機(jī), 是一種低端的 8 位單片機(jī)。 在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A 里內(nèi) 嵌 32k 字的閃存（FLASH）和 2k 字

30、 SRAM。較高的處理速度（最高可達(dá) 49.152MHz）， 配合庫(kù)文件操作，使 EMBED Equation.3 nSP能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的 ， 數(shù)字信號(hào)1。在低功耗方面，用戶可在 0.32MHz-49.152MHz 范圍內(nèi)自由設(shè)定處理器運(yùn)行 速度，因此SPCE061A單片機(jī)是適用于數(shù)字信號(hào)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇。 3.1.3 方案選擇 綜上所述，我們采用方案三。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件選 擇 7 3.2 溫度傳感器的選擇 3.2.1 熱敏電阻17簡(jiǎn)介 熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材 料組成，用半

31、導(dǎo)體材料的大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會(huì)造 成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生 產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標(biāo)準(zhǔn)化的熱敏電阻曲線。熱敏電阻體積非常小，對(duì)溫 度變化的響應(yīng)也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對(duì)自熱誤差極為敏感。 熱敏電阻的電阻溫度特性可近似地用下式表示： 00 11expTTBRR ：溫度時(shí)的電阻值；：溫度時(shí)的電阻值。R KT 0 R KT0 實(shí)際上，熱敏電阻的值并非是恒定的，其變化大小因材料構(gòu)成而異，最大甚至可B 達(dá) 5。因此在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用式 1 時(shí)，將與實(shí)測(cè)值之間存在一定誤差。熱敏CK o 電阻

32、的電阻值會(huì)隨相應(yīng)環(huán)境的變化而變化，加上電阻分壓電路，再用單片機(jī)內(nèi)自帶的 AD 轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓采集，從而間接得出環(huán)境溫度和環(huán)境濕度。該方案中傳感器電路的輸出數(shù) 據(jù)都是模擬量，在多路數(shù)據(jù)采集下，單片機(jī) AD 需要占用過多的 IO 口采集數(shù)據(jù)，而且受 電阻線性度和電阻制造誤差的約束，很難得到穩(wěn)定而又相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 3.2.2 DS18B20 溫度傳感器簡(jiǎn)介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式， 磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有 LTM8877，LTM8874 等等。主要根據(jù)應(yīng)用 場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測(cè)

33、溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋 爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。 耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控 制領(lǐng)域。具有抗干擾能力強(qiáng)、溫度采集精度高、不需要復(fù)雜的調(diào)理電路和 AD 轉(zhuǎn)換電路等 特點(diǎn) DS18B20 是一種精度較高的單總線溫度傳感器，片內(nèi)自帶唯一序列號(hào)，但是價(jià)格也 比較高。濕度測(cè)量的方案同上述方案一。溫度、濕度的采集需要過多的傳感器，外圍電 路復(fù)雜，占用單片機(jī)較多的 IO 口。 3.2.3 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器3 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng) 用專用

34、的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng) 期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件選 擇 8 單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu) 點(diǎn)。每個(gè) DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式 存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)型號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串 行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為給類應(yīng)用甚至 最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。產(chǎn)品為 4 針單

35、排引腳封裝，連接方便。濕度傳感器單 片集成，而且片內(nèi)集成 8 位單片機(jī)，不需要額外的外圍電路；單總線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出，轉(zhuǎn) 換時(shí)間和單次通訊時(shí)間較短。若對(duì)溫濕度精度要求不高，可采用 DHT11;若對(duì)溫濕度精度 要求較高，可采用 DHT21 。該溫度檢測(cè)系統(tǒng)是以 AT89S52 單片機(jī)為核心，采用新型可編 程溫度傳感器 DHT11 或 DHT21 進(jìn)行溫度檢測(cè)，具有抗干擾能力強(qiáng)、溫度采集精度高、不 需要復(fù)雜的調(diào)理電路和 AD 轉(zhuǎn)換電路等特點(diǎn)。 綜上所述，我們選擇 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器。 3.3 濕度傳感器的選擇 3.3.1 濕敏電阻2簡(jiǎn)介 濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值

36、發(fā)生變化這一原理而 制成的。工業(yè)上流行的濕敏電阻主要有:氯化鋰濕敏電阻,有機(jī)高分子膜濕敏電阻。多片 電阻組合式氯化鋰濕敏傳感器是利用濕敏元件的電氣特性（如電阻值） ，隨濕度的變化而 變化的原理進(jìn)行濕度測(cè)量的傳感器，濕敏元件一般是在絕緣物上浸漬吸濕性物質(zhì)，或者 通過蒸發(fā)、涂覆等工藝制各一層金屬、半導(dǎo)體、高分子薄膜和粉末狀顆粒而制作的，在 濕敏元件的吸濕和脫濕過程中，水分子分解出的離子 H+的傳導(dǎo)狀態(tài)發(fā)生變化，從而使元 件的電阻值隨濕度而變化。氯化鋰濕度傳感器具有穩(wěn)定性、耐溫性和使用壽命長(zhǎng)多項(xiàng)重 要的優(yōu)點(diǎn)，氯化鋰濕敏傳感器已有了五十年以上的生產(chǎn)和研究的歷史，有著多種多樣的 產(chǎn)品型式和制作方法。濕敏

37、電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空 氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即 可測(cè)量濕度。 濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、 酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量 也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。電子式濕敏傳感器的準(zhǔn)確度可達(dá) 2- 3%RH，這比干濕球測(cè)濕精度高。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)， 濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這 方面沒有干濕球測(cè)濕方法好。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （

38、考查）自選課題 系統(tǒng)硬件選 擇 9 總體來說，濕敏電阻的電阻值會(huì)隨相應(yīng)環(huán)境的變化而變化，加上電阻分壓電路，再 用單片機(jī)內(nèi)自帶的 AD 轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓采集，從而間接得出環(huán)境濕度，因而很難得到穩(wěn)定而 又相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 3.3.2 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器 在 3.2 方案三中已經(jīng)做出綜合論述，在此不在介紹。 3.4 光照強(qiáng)度傳感器的選擇 3.4.1 光感芯片 光感芯片是組成數(shù)碼攝像頭的重要組成部分，根據(jù)元件不同分為 CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件。 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semicond

39、uctor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）應(yīng)用于 較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中。目前 CCD 元件的尺寸多為 1/3 英寸或者 1/4 英寸，在相同的分 辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。CCD 的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是 生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、功耗高。CMOS 的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、功耗低(不到 CCD 的 1/3)、 成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對(duì)光源要求高。在相同像素下 CCD 的成像往往 通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而 CMOS 的產(chǎn)品往往通透性 一般，對(duì)實(shí)物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。采用專門的光感芯片，能夠精確 的得到光照強(qiáng)度數(shù)值的大小，但是價(jià)格

40、很高，單是芯片價(jià)格就幾十元，芯片外圍電路復(fù) 雜，PCB 生產(chǎn)工藝較高。 3.4.2 光敏電阻比較電路 采用光敏電阻，外加比較器以及分壓調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)電位器至光照強(qiáng)度所需位置， 大于設(shè)定光照強(qiáng)度，比較器輸出低電平；小于設(shè)定光照強(qiáng)度，比較器輸出高電平。在實(shí) 際應(yīng)用中，我們沒必要實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境光照強(qiáng)度的準(zhǔn)確數(shù)值大小，只是需要一個(gè)臨界值， 確保待監(jiān)控環(huán)境光照強(qiáng)度不超過安全值即可。 綜上所述，我們選擇光敏電阻比較電路。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件選 擇 10 3.5 傳感器數(shù)據(jù)輸入方式選擇 3.5.1 單片機(jī) IO 口并行輸入方式 SPCE061A 單片機(jī)只有 32 個(gè) I

41、O 口，如采用并行輸入方式，僅 16 路溫濕度傳感器和 16 路光照強(qiáng)度傳感器 就全部占滿了，其他模塊就沒法連接單片機(jī)了，因此該方案不可取。 3.5.2 CMOS 模擬開關(guān)4 開關(guān)在電路中起接通信號(hào)或斷開信號(hào)的作用。最常見的可控開關(guān)是繼電器，當(dāng)給驅(qū) 動(dòng)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路加高電平或低電平時(shí)，繼電器就吸合或釋放，其觸點(diǎn)接通或斷開電 路。CMOS 模擬開關(guān)是一種可控開關(guān)，它不象繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場(chǎng)合， 只適于處理幅度不超過其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號(hào)。其典型應(yīng)用：?jiǎn)伟粹o 音量控制器、四路視頻信號(hào)切換器、數(shù)控電阻網(wǎng)絡(luò)、音量調(diào)節(jié)電路。模擬開關(guān)是通過數(shù) 字量來控制傳輸門（ TG ）的接

42、通和斷開以傳輸數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)的開關(guān)。它具有功 耗低、速度快、體積小、無機(jī)械觸點(diǎn)及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在一定程度上可以用來 代替繼電器。它的缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻不夠?。◣资翈装贇W） ，斷開時(shí)仍有泄露電流（約 0.1A） ，且通過的電流一般為毫安級(jí)。 此智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用 2 片 CD4067BE 16 選 1 數(shù)字控制 CMOS 模擬開關(guān)，共用 4 條數(shù)據(jù)編碼選擇線和 1 條數(shù)據(jù)輸出線，再外加一個(gè)非門控制 2 片 CD4067BE 的分時(shí)選通。 采用查詢的方式，定時(shí)巡檢 32 路傳感器數(shù)據(jù)。采用此方案，僅占用單片機(jī) 6 個(gè) IO 口。 綜上所述，我們采用數(shù)字控制 CMOS 模擬開關(guān)。 3.6

43、 圖像采集方式的選擇 3.6.1 實(shí)時(shí)采集 單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)有力，運(yùn)算速度快，IO 接口功能完善，抗干擾能力強(qiáng)，可靠 性高，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理時(shí)，它仍然是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集器的核心元件之一。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè) 試點(diǎn)較為分散時(shí)，通常以串行通信方式將數(shù)據(jù)采集連接成網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)采用主從訪問方式， 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。這種方案在數(shù)據(jù)傳輸量較小且頻率較高、采樣周期較長(zhǎng)時(shí)，可以 較好地完成多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集處理任務(wù)。但是，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)頻率較高時(shí)，根據(jù)香農(nóng)定理可知， 采樣頻率也應(yīng)提高，這樣在單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量也相應(yīng)增大，若采用這種主從式網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行多點(diǎn)采集，實(shí)時(shí)性難以滿足，甚至?xí)斐上到y(tǒng)崩潰。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （

44、考查）自選課題 系統(tǒng)硬件選 擇 11 具體到此系統(tǒng)，OV7670 的數(shù)據(jù)輸出速度較高，數(shù)據(jù)流很大，單片機(jī)與 OV7670 直連， 需要單片機(jī)騰出較多的資源來配合 OV7670，采集圖像數(shù)據(jù)，從而使得單片機(jī)與 OV7670 很難匹配，增大了單片機(jī)的功耗，增加了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率，穩(wěn)定性下降。 3.6.2 存儲(chǔ)芯片 AL422B 先入先出存儲(chǔ)芯片5內(nèi)部可存儲(chǔ) 3M 位（384k 字節(jié)）的數(shù)據(jù)，OV7670 輸出 的數(shù)據(jù)暫存入AL422B中，起到緩沖作用，單片機(jī)僅需要定時(shí)讀取一次 AL422B 中的圖像 數(shù)據(jù)即可，而且讀取速度由用戶自由設(shè)定，大大降低了單片機(jī)的資源消耗。 綜上所述，我們選用存儲(chǔ)芯片式。 3

45、.7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的選擇 3.7.1 片外 ROM 芯片 存儲(chǔ)空間小，價(jià)格昂貴，一般都是并行操作，占用 IO 口多，而且不方便取放，不方 便與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。 3.7.2 SD 卡讀寫模塊 SD 卡容量大，方便取下，采用 SPI 通信方式，單片機(jī) IO 口占用少，讀寫速度快，再 配合 FAT 文件系統(tǒng)，可以很方便的對(duì) SD 卡進(jìn)行讀寫操作，最大可支持 2G SD 卡。 綜上所述，我們選擇 SD 卡。 3.8 顯示方式的選擇 3.8.1 TFT 彩色液晶屏 其核心電路均采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷O(shè)計(jì)，全硬件實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品 一致性好。采用簡(jiǎn)單的并行總線方式與 51 單片機(jī)、AVR、D

46、SP、PIC、ARM 等 CPU 直接連接， 信號(hào)包括數(shù)據(jù) D7：0、地址 A1：0、片選/CS、寫/WR、讀/RD。也可進(jìn)行單片機(jī)串口 驅(qū)動(dòng) TFT 液晶顯示屏，開發(fā)人員需要熟悉產(chǎn)品的通訊協(xié)議，進(jìn)行二次開發(fā)，需要編寫底 層的驅(qū)動(dòng)程序。 因此基于此系統(tǒng)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，并行操作占用單片機(jī) IO 口較多，屏幕刷新速度 慢，很難滿足圖像的瞬間顯示，單片機(jī)資源占用率大，可視化人機(jī)交互能力較差。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件選 擇 12 3.8.2 HMI 串口液晶屏 HMI 是 Human Machine Interface 的縮寫， “人機(jī)接口” ，也叫人機(jī)界面。人機(jī)界

47、面 （又稱用戶界面或使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介， 它實(shí)現(xiàn) 信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在 著 人機(jī)界面。HMI 的接口種類很多,有 RS232,RS485,RJ45 網(wǎng)線接口。 串口通訊，TTL 電平，操作簡(jiǎn)單，僅需要 2 個(gè) IO 口，波特率最高可達(dá) 961200bps。 內(nèi)部集成專用 TFT 驅(qū)動(dòng)芯片以及圖形操作 SPI 函數(shù)接口，可存儲(chǔ) 255 張圖片，圖像刷新 速率快，大大降低了單片機(jī)的資源占有率，具有較高的人機(jī)交互能力。 綜上所述，我們選擇 HMI 串口液晶屏。 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)

48、硬件設(shè) 計(jì) 13 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 SPCE061A 單片機(jī)最小系統(tǒng) SPY0029 低壓穩(wěn)壓芯片，帶有低電壓保護(hù)功能，最高輸入電壓 7V，輸出電流最大 50ma，穩(wěn)定輸出 3.3V 電壓，用來給單片機(jī)供電；32.768kHz 晶振外加 PLL 倍頻電路， 提供給單片機(jī) 0.32MHz-49.152MHz 時(shí)鐘頻率；復(fù)位電路采用按鍵手動(dòng)復(fù)位和芯片上電 復(fù)位；芯片供電引腳以及內(nèi)核電壓引腳，需要加合適電容去耦濾波6；單片機(jī)所有 IO 口 通過跳線選擇，可以工作在 3.3V 模式下和 5V 模式下13,14,15。SPCE061A 單片機(jī)最小系 統(tǒng)電路如圖 4-1 所示。 碩士研究生

49、課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件設(shè) 計(jì) 14 圖 4-1 SPCE061A 單片機(jī)最小系統(tǒng) VDD_P V3 VDDH3 VDD VDD_A V5 IOB3IOA5 IOA0 IOB5 IOA12 IOA4 ICE_SDA IOB0 IOB15 AVSS1 ICE_SCK VCP IOA14 IOA8 VDDH IOA1 VCM IOB9 AVSS1 IOB4 OSCO VDDH IOB12 IOB13 OPI VDD_P IOB1 SLEEP OSCI IOB8 IOA11 AGC IOA10 IOB14 VRT VCP IOA3 IOB7 IOB10 IOA9 IOA6 IO

50、A2 MICP VREF2 OSCI IOB6 IOB11 IOA15 ICE_EN OSCO AVSS1 VSS RES_B IOB2 VSS IOA13 IOA7 M ICOUT VSS VSS VMIC VSS VDDH DAC1 DAC2DAC VSS AVSS1 AVSS2 M ICN VDD VSS VSS VDD_A VSS VSS RES_B VSS VSS VDD VSS 12 D3 DIODE + C33 220u R170 C8 104 R18 4.7K 12 D4 DIODE C3 3300p R2 3.3K C28 104 + C27 100u C18 104 + C

51、17 100u R150 VI 2 GND 1 VO 3 U3 SPY0029 + C4 100u S1 Y1 32768 C37 104 C31 104 C36 104 + C5 100u C14 20P R160 C15 20P + C35 220u C7 104 +C29 100u OSC32O 12 OSC32I 13 XTEST 14 VDD 15 XICE 16 XICECLK 17 XICESDA 18 VSS 19 PVIN 20 DAC1 21 DAC2 22 VREF2 23 VSS 24 AGC 25 OPI 26 MICOUT 27 MICN 28 PFUSE 29 M

52、ICP 33 VCM 34 VRTPAD 35 VDD 36 VMIC 37 VSS 38 IOA0 41 IOA1 42 IOA2 43 IOA3 44 IOA4 45 IOA5 46 IOA6 47 IOA7 48 VSS 49 VSS 50 VDDH 51 VDDH 52 IOA8 53 NC 39 NC 40 NC 30 NC 31 NC 32 IOA9 54 IOA10 55 IOA11 56 IOA12 57 IOA13 58 IOA14 59 IOA15 60 XROMT 61 VSS 62 XSLEEP 63 IOB15 64 IOB14 65 IOB13 66 IOB12 6

53、7 IOB11 68 PVPP 69 VDDH 75 IOB10 76 IOB9 77 NC 70 NC 71 NC 72 NC 73 NC 74 IOB8 78 IOB7 79 IOB6 80 IOB5 81 IOB4 1 IOB3 2 IOB2 3 NC 82 NC 83 NC 84 IOB1 4 IOB0 5 XRESB 6 VDD 7 VCP 8 VSS 9 NC 10 NC 11 U1 C34 104 R190 R140 C10 104 R210 1 2 J10 CON2 R220 POWER 5V SOT-89 RESET OSC PLL + - 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考

54、查）自選課題 系統(tǒng)硬件設(shè) 計(jì) 15 4.2 光照強(qiáng)度采集電路 光敏電阻在有光的時(shí)候和無光的時(shí)候，電阻值會(huì)發(fā)生變化，分別稱為亮阻和暗阻7， 本電路中采用的光敏電阻亮阻為 0.5 k，暗阻為 5-10k。電位器取合適分壓做基準(zhǔn)電 壓，通過 4 路電壓比較器芯片 LM339,與光敏電阻采集電壓進(jìn)行比較。LM339 輸出端外 加上拉電阻，當(dāng)同相輸入電壓高于反相輸入電壓時(shí)，LM339 輸出高電平；當(dāng)同向輸入電 壓低于反相輸入電壓時(shí)，LM339 輸出低電平，從而可間接得出：超過設(shè)定光照強(qiáng)度， LM339 輸出低電平，同時(shí)指示燈亮起；低于設(shè)定光照強(qiáng)度，LM339 輸出高電平，同時(shí)指 示燈熄滅。光照強(qiáng)度采集電

55、路如圖 4-2 所示。 圖 4-2 光照強(qiáng)度采集電路 4.3 傳感器數(shù)據(jù)選擇輸入電路 采用 2 片 CD4067BE 16 選 1 數(shù)字控制 CMOS 模擬開關(guān)，共用 4 條數(shù)據(jù)編碼選擇線 和 1 條數(shù)據(jù)輸出線，再外加一個(gè)非門控制 2 片 CD4067BE 的分時(shí)選通,在一定時(shí)間內(nèi)，只 允許一路數(shù)據(jù)輸入。在軟件上，配合巡檢讀取數(shù)據(jù)，從而僅需要 6 個(gè) IO 口就可以操作 32 個(gè)傳感器，完成 32 路數(shù)據(jù)的采集。傳感器數(shù)據(jù)選擇輸入電路如圖 4-3 所示。 OUT2 1 OUT1 2 VCC 3 IN1- 4 IN1+ 5 IN2- 6 IN2+ 7 IN3- 8 IN3+ 9 IN4- 10

56、IN4+ 11 GND 12 OUT4 13 OUT3 14 U3 LM339 10KR0 10KR1 10KR8 10KR9 RL1RL8RL9 20K RP0 20K RP1 20K RP9 20K RP8 91K R32 91K R33 91K R40 91K R41 LIG0 RL0 VCC GNDGND VCC GND LIG1 LIG8 LIG9 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件設(shè) 計(jì) 16 圖 4-3 傳感器數(shù)據(jù)選擇輸入電路 4.4 語(yǔ)音輸入處理電路 話筒采集語(yǔ)音信號(hào)，電路提供給話筒工作電壓，經(jīng)過濾波，將差分信號(hào)送入處理器， 經(jīng)過處理器內(nèi)部 10 位 AD

57、 將語(yǔ)音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后調(diào)用語(yǔ)音庫(kù)編碼函數(shù)函 數(shù)進(jìn)行壓縮編碼8。語(yǔ)音輸入處理電路如圖 3-4 所示。 DATA I/O 1 CH7 2 CH6 3 CH5 4 CH4 5 CH3 6 CH2 7 CH1 8 CH0 9 A 10 B 11 GND 12 D 13 C 14 INHBIT 15 CH15 16 CH14 17 CH13 18 CH12 19 CH11 20 CH10 21 CH9 22 CH8 23 VCC 24 U1 CD4067BE DATA I/O 1 CH7 2 CH6 3 CH5 4 CH4 5 CH3 6 CH2 7 CH1 8 CH0 9 A 10 B

58、11 GND 12 D 13 C 14 INHBIT 15 CH15 16 CH14 17 CH13 18 CH12 19 CH11 20 CH10 21 CH9 22 CH8 23 VCC 24 U2 CD4067BE LIG0 LIG1 LIG2 LIG3 LIG4 LIG5 LIG6 LIG7 LIG8 LIG9 LIG10 LIG11 LIG12 LIG13 LIG14 LIG15 VCC GND WT0 WT1 WT2 WT3 WT4 WT5 WT6 WT7 WT8 WT9 WT10 WT11 WT12 WT13 WT14 WT15 VCC 12 U7A CD4069UBCM GND

59、 IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)硬件設(shè) 計(jì) 17 圖 4-4 語(yǔ)音輸入處理電路 4.5 語(yǔ)音播放電路 語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)語(yǔ)音庫(kù)函數(shù)解碼后，由處理器內(nèi)部 10 位 DA 將數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音模擬 信號(hào)，最后經(jīng)過 SPY0030 將語(yǔ)音信號(hào)放大后播放。語(yǔ)音播放電路如圖 4-5 所示。 圖 4-5 語(yǔ)音播放電路 VCM M ICOUT AVSS1VM IC AVSS1 AVSS1 AVSS1 OPI AGC M ICP M ICN AVSS1 R6 10K +C6 22u R11K R4 3K R3 470K C11 224 R5 10K

60、 + C1 220u C16 502 C12 104 1 2 X1 M ICROPHONE R8 3K C9 104 R75.1K + C2 4.7u C13 224 + AVSS2 VDDH DAC VSS C23 224 R10 1KC26 104 C20 104 1 2 J3 Speaker 13 2 R9 1K C25 104 + - 5 4 6 1 2 83 7 U2 SPY0030 + C21 100u 1 2 3 J2 CON3SPH SPL 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)軟件設(shè) 計(jì) 18 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件部分采用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編

61、程，驅(qū)動(dòng)層面用匯編語(yǔ)言編寫，功能層 面用 C 語(yǔ)言編寫9,10,11,13。對(duì)于整體軟件部分，采用模塊化編程，預(yù)留出相應(yīng)的通信接口， 最后通過 API 函數(shù)進(jìn)行整合，便于系統(tǒng)整體調(diào)試、維護(hù)和軟件升級(jí)，數(shù)據(jù)采集端和移動(dòng) 監(jiān)控終端程序流程圖分別如圖 5-1、5-2 所示。 圖 5-1 數(shù)據(jù)采集端程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 32路傳感器自檢顯示故障點(diǎn) 每隔1分鐘巡檢 一次傳感器，并 記錄數(shù)值 自檢通過 是 否 錄制環(huán)境聲音 每隔1秒讀取一 次OV7670 FIFO數(shù) 據(jù) 數(shù)據(jù)通過 NRF905發(fā)射出 去 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 系統(tǒng)軟件設(shè) 計(jì) 19 圖 5-2 移動(dòng)監(jiān)控終端

62、程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 讀取NRF905 緩存數(shù)據(jù) 調(diào)用語(yǔ)音解碼庫(kù)對(duì) 語(yǔ)音解碼播放 處理數(shù)據(jù)，分離出溫度 值、濕度值、光照強(qiáng)度 值、語(yǔ)音壓縮編碼、圖 像數(shù)據(jù)幀 液晶顯示環(huán)境 參數(shù)數(shù)值 數(shù)據(jù)寫入SD卡 顯示模式 判斷 圖像數(shù)據(jù)由SD卡上 傳至HMI內(nèi)部用戶存 儲(chǔ)器 處理器向HMI發(fā)送圖 像顯示指令以顯示 圖像 讀取SD卡分離出溫 度值、濕度值、光 照強(qiáng)度值 模式一 模式二 碩士研究生課程智能傳感器技術(shù) （考查）自選課題 結(jié)論 20 第 6 章 結(jié)論 該智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案較為合理，成本控制較低，可以滿足 32 節(jié)點(diǎn)傳感 器數(shù)據(jù)的處理，能夠全面兼顧溫度、濕度、光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)采集，以及

63、環(huán)境聲音的錄制 和現(xiàn)場(chǎng)照片的拍攝，通過無線傳輸方式能夠很方便的實(shí)現(xiàn)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)外部監(jiān)控，并且具有 很好的移動(dòng)便攜性、實(shí)用性，推廣前景較為廣闊。 參考文獻(xiàn) 0 參考文獻(xiàn)： 1 雷思孝.單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004:245-250. 2 黃飛,毛鋼元.基于凌陽(yáng)16位單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)J.淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(5):63-66. 3 江東,楊嘉祥,趙宏.Z-溫度傳感器的非線性補(bǔ)償J.傳感器與微系統(tǒng),2008,27(7):121-125. 4 沙占友.集成傳感器應(yīng)用M.北京:中國(guó)電力出版社,2009:46-48. 5 康曉東,楊海英.無線音視頻處理、傳輸及其標(biāo)準(zhǔn)M

64、.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社.2005,8: 190-192. 6 凌陽(yáng)科技.凌陽(yáng)16位單片機(jī)開發(fā)實(shí)例M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006:18-24. 7 孫肖子,張企民編著.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006:10-19, 112-136,383-396,492-547. 8 蔡蓮紅,黃德智，蔡瑞.現(xiàn)代語(yǔ)音技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社.2003，11：107- 109. 9 戴佳,戴衛(wèi)恒.單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講M.北京:電子工業(yè)出版社.2006:18-19. 10 陳龍三編著.C語(yǔ)言控制與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,2002:67-75.

65、11 譚浩強(qiáng)編著.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,2007:43-60. 12段晨東，王儉張文革智能化住宅小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).電氣自動(dòng)化.2006 13虞鶴松，武自芳微機(jī)控制技術(shù)MJ西安：西安交通大學(xué)出版社，2008 14萬(wàn)福君等,，單片機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2001.8：32-34 15李朝青，PC機(jī)與單片機(jī) *P_SystemClock = 0 x00F8;/初始化，調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘 49.152MHz/1，強(qiáng)振模式 *P_IOB_Attrib = 0 xFFFF;/初始化 IOB 同相低電平輸出口 *P_IOB_Dir = 0 xFFFF; *P_IOB_Data = 0 x0000; *P_Watchdog_Clear = 0 x0