还剩104页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
本科毕业设计(论文)家庭环境噪声检测系统设计与实现韩欢燕山大学里仁学院2014年6月本科毕业设计(论文)家庭环境噪声检测系统设计与实现学院里仁学院专业电子信息工程学生姓名韩欢学号101308061137指导教师胡正平答辩日期
2014.
6.21燕山大学毕业设计(论文)任务书学院里仁学院系级教学单位电子工程系学号101308061137学生姓名韩欢专业班级电子信息工程10-3班题目题目名称家庭环境噪声检测系统设计与实现题目性质
1.理工类工程设计(√);工程技术实验研究型();理论研究型();计算机软件型();综合型()
2.文管理类();
3.外语类();
4.艺术类()题目类型
1.毕业设计(√)
2.论文()题目来源科研课题()生产实际()自选题目(√)主要内容设计一个家庭噪声检测系统,要求应用射频技术,结合传感器技术,对家庭环境中噪声强度进行数据采集,由移动终端进行数据处理后通过无线通信技术传输给控制中心,控制中心将接收的噪声强度显示在液晶屏上,并实现是否超限报警功能基本要求
[1]熟悉单片机电路设计的基本原理
[2]熟悉单片机设计方法,实现硬件软件设计
[3]给出硬件、软件设计结果参考资料
[1]杨欣电子设计从零开始,清华大学出版社,2005
[2]吴飞清单片机原理与应用实践指导,机械工业出版社,2008年
[3]网上资料中国期刊网;学位论文数据库;google、百度网上搜索工具
[4]凌阳大学计划网上资料,包括单片机教程以及相关论坛周次第1~4周第5~8周第9~13周第14~15周第16~17周应完成的内容收集资料熟悉课题内容设计思路电路设计与调试电路设计、分析、调整、以及优化实验结果整理及其总结论文书写课题总结答辩指导教师胡正平职称教授2014年2月28日系级教学单位审批2014年3月10日摘要随着社会经济的发展,家庭生活水平不断提高,人们对家庭生活环境休息舒适度的要求变得越来越高,但城市快速发展所带来的家庭噪声污染日益严重,影响人们的生活和休息对于这种现状,我们需要了解家庭噪声的基本情况,而科学检测是最行之有效的方法因此,如何检测家庭环境中噪声强度成为亟待解决的重要问题课题设计基于单片机的无线噪声检测系统系统采用单片机检测家庭环境中的噪声信息,并通过无线通信与控制中心进行数据传输该系统包括硬件电路、软件编程两部分硬件电路以STC12C5A60S2单片机与无线传输模块NRF24L01为核心,应用声音传感器,液晶显示屏LCD1602,实现对家庭噪声值数据采集、无线发送和显示,控制中心判断是否超限报警采用ProtelDXP软件绘制电路图,KeilC软件编写控制程序,编译生成目标文件,通过STC-ISP下载到单片机运行调试实验结果表明,系统硬件设计正确,符合预定任务要求,可以实现家庭环境中噪声强度的测量功能关键词 噪声检测;噪声传感器;无线传输;单片机AbstractAlongwiththedevelopmentofsocialeconomyfamilylifelevelunceasingenhancementpeoplescomfortoffamilylifeenvironmentisbecomingmoreandmoredemandingbutcityfamilynoisepollutionbroughtbytherapiddevelopmentofcityincreasinglysevereaffectingpeopleslivesandrest.Sothatweneedtoknowthebasicconditionofthefamilynoiseandscientificdetectionisthemosteffectiveway.Thereforehowtodetectnoiseintensityinafamilyenvironmenthasbecomeanimportantproblemtobesolved.Thispaperdesignsanoisedetectionsystembasedonsinglechipmicrocomputerthroughwirelesscommunication.Systemadoptssingle-chipmicrocomputerdetectingthenoiseinformationinthehomeenvironmentandcommunicateswithcontrolcenterbywirelessway.Thesystemincludestwopartsofthehardwarecircuitandsoftwareprogramming.HardwarecircuitwithSTC12C5A60S2microcontrollerandwirelesstransmissionmoduleNRF24L01asthecoreusethesoundsensorandLCDdisplayLCD1602torealizethefamilynoisevaluedataacquisitionwirelesstransmissionanddisplayandthecontrolcenterdetermineswhetheralarmformorethanthelimit.DrawcircuitdiagramusingProtelDXPsoftwarewhilewritecontrolprogramusingKeilCsoftwaretocompilethegeneratedobjectfileswhichwasdownloadtothesinglechipmicrocomputerthroughSTC–ISPforrunninganddebugging.Theexperimentalresultsshowthatthesystemhardwaredesigniscorrectconformtotherequirementsofthescheduledtaskcanachievethefunctionoffamilyenvironmentnoiseintensitymeasurement.KeywordsNoisetestingSensornoiseWirelesstransmissionSinglechipmicrocomputer目录TOC\o1-3\h\z\u摘要IAbstractII第1章绪论
11.1课题背景
11.
1.1选题意义
11.
1.2国内外研究动态
21.2研究内容及方案
31.
2.1研究内容
31.
2.2研究方案
41.3论文结构5第2章家庭噪声检测硬件电路系统设计
72.1硬件系统整体设计
72.2噪声数据采集模块
82.
2.1驻极体话筒
82.
2.2音频功率放大器
112.
2.3噪声数据采集系统
132.3单片机控制模块
142.
3.1STC12C5A60S2单片机
142.
3.2噪声信号A/D转换
162.4无线数据传输模块
182.
4.1NRF24L01功能与结构
182.
4.2NRF24L01工作模式
192.5液晶显示模块
212.6报警模块
242.7复位模块
242.8电源供电模块
252.9本章小节25第3章家庭噪声检测系统软件设计
273.1系统软件组成
273.
1.1发送端程序
273.
1.2接收端程序
293.2本章小结31第4章家庭噪声检测系统调试与分析
334.1硬件系统调试
334.
1.1硬件系统调试过程
334.
1.2硬件系统问题及解决
334.2软件系统调试
344.3测试结果分析
344.4本章小结35结论36参考文献37致谢39附录141附录249附录351附录459第1章绪论
1.1课题背景
1.
1.1选题意义声音使这个世界变得更加美妙,悦耳的声响总是能够带给人美的享受但是,当声音在人们不需要时出现,就变得不再美妙,而是成为让人厌烦的噪声在这个生活节奏越来越快的现代化社会中,噪声已几乎充斥于世界的每个角落即使是躲在家里,也存在噪声,临街卧室中车来车往的声音;隔壁家的悄悄话;卫生间下水管的水声等通常情况下,影响人们正常生活,包括学习,休息和工作的声音,即某一区域内不被人类所需要的声音都可以称为噪声当噪声强度超过人们所能承受的程度,严重干扰了人类正常的生活和生产活动,就形成噪声污染
[1]环境噪声污染严重时甚至影响人们的身体健康噪声对人体最直接的危害就是造成听力损害,它可能使人短时间失聪,长期处于噪声污染严重的环境中的人还可能永久性失聪,这种病症称为噪声性耳聋;另一方面,噪声还会影响人的睡眠质量,强烈的噪声会导致人无法安然入睡,让人心情烦躁许多证据表明,噪声会引起人体心理和生理上的许多不良反应,还会影响胎儿的生长发育和儿童的智力发展正是由于这种种危害,目前噪声已经成为世界性四大环境公害之一家庭是人们活动的最主要场所,据统计,人的一生中至少有一半时间是在家庭中渡过的从每个人所处不同位置的时间长短来考虑,居室内噪声强度对人的影响起着举足轻重的作用而且从人的心理需求方面看,工作劳累一天之后,人们总希望有一个安静舒适的家庭环境以便充分地休息和消除疲劳,因此研究如何检测和控制家庭环境中噪声强度对人们的身心健康无疑具有重要意义控制家庭环境噪声的前提是研究家庭环境中噪声强度,而研究家庭环境中噪声强度最科学的手段就是对家庭环境噪声进行检测环境检测是环境科学的一个重要分支广义上,是在一定时期内对环境因子进行重复测定,追踪其变化;狭义上,是对环境进行定期测定,作为判断环境是否达到标准以及评价环境管理和环境控制系统效果的依据家庭环境噪声检测是人们认识家庭环境噪声、评价家庭环境噪声,制定和执行家庭环境噪声标准,进行家庭环境决策的主要依据,是实现家庭环境管理科学化的基础,是家庭环境保护工作的重要组成部分只有实现对噪声强度的准确测量,才能够完成对噪声强度的控制和防止噪声污染
1.
1.2国内外研究动态目前发达国家生产的噪声检测系统,可以不间断的对噪声实施检测,不仅能够检测白天的噪声强度,而且可以检测夜间的噪声强度,甚至,能够实现对任意时段任意位置的噪声进行检测,其所得到的监测数据是连续的,因而更加准确如今,国外一些发达国家对噪声检测的研究主要汇聚在两个方面一是在不特意建立噪声自动检测系统的前提下,如何实现对噪声的准确测定;二是在已经测得的噪声数据中如何获取更多的有用信息最近,发达国家在噪声检测系统的研究中取得一些重大进展通过使用ACF和IACF分析方法,KenjiFujii等人对各种类型的噪声源(如汽车的鸣笛声、人的呐喊声等)建立了相应的模型,在此模型的基础上,利用噪声自动检测系统测得的数据就能判断出产生这些噪声的声源类型,这对防治噪声污染有重要意义通过进行实地调查和实验,JinYongJeon等人使用多重回归分析方法,建立了把多种不同类型的单个声源结合在一起综合评定噪声强弱的模型,这对准确地从人类主观感受评价噪声强度有重要意义另一研究方向是如何降低噪声自动检测的成本,SilviaSantini等人正在研究是否可以使用普通手机的听筒来对环境噪声进行自动检测整合目前的研究成果,他们得出的结论是,通过编写一些在手机上可以应用的噪声处理软件,便可以把手机听筒作为噪声检测的终端,且效果并不比专业声级计差这项研究成果如能投产,将大大促进噪声自动检测事业的发展
[2]至今为止,我国在噪声自动检测方面的研究主要集中在以下几个方面1研究城市噪声的组成;2如何优化噪声自动检测系统的结构;3如何合理安排噪声自动检测系统各检测点的设定;4如何用最少的时间有效测定噪声值;5如何整合处理噪声检测系统所测得的数据在许多前辈学者辛勤劳作下,我国终于初步建立了一套完整的环境噪声检测系统,具备了对环境噪声进行常规监测的能力但仍有很多不完善的地方,技术的不成熟和仪器的不稳定,完全不能够满足日益强化的对环境噪声进行管理的需求,与发达国家相比存在一定差距我国监测频次低,数据代表性差人们的生产活动严重影响噪声污染水平,而且噪声污染程度在一年四季中存在很大的差异,一年一次的测量完全不能够反映某一地区噪声水平但由于测量设备和测量人员等多种因素的影响,目前还是不能够大幅度提高测量的频率另一方面监测点位多,浪费人力物力噪声信号的空间分布是不连续的,只有采用多点抽样法测量,才能较为真实地反映一个区域的噪声平均污染水平然而,目前使用的监测仪器都是便携式,需要监测人员到现场测量如此繁琐而简单的工作耗费了监测技术人员大量的精力,致使噪声检测只停留在简单的数据测量阶段,而无法进行更深层次的分析和评价,导致我国环境噪声检测水平的滞后
1.2研究内容及方案
1.
2.1研究内容本课题研究的基本内容是设计一个适用于家庭的噪声检测系统,完成对家庭环境中噪声强度的测量,为家庭环境噪声测量提供一个价格低廉,方便实用的系统本系统能够实现的基本功能包括噪声测量,无线传输,显示噪声值,超限报警等要实现对噪声强度的测量和传输,本系统至少应包括发送端和接收端两个部分,以下将分别介绍这两个子系统应该完成的任务和所能够实现的功能发送端使用噪声传感器对家庭中的某个房间噪声强度进行不间断测量,将噪声强度转化为一个能够代表其大小的电量值,经放大器电路放大以便进行后期处理,再使用AD转化器对噪声传感器所采集的模拟量转换成数字量,以实现与单片机系统的兼容,单片机将该数字量同时传送给液晶显示器和无线传输模块,液晶显示器将代表噪声强度的数值显示出来以实现与人的交互,无线传输模块将单片机送来的一组一组代表噪声强度的数据通过无线的方式发送出去接收端不间断的检测和接收来自发送端的信号,经过处理后将代表噪声强度的数值传送给接收端的单片机,单片机首先判断其大小是否超过预定值,若超过便启动报警器,并将其值在液晶显示器上显示,若没有超过,便只显示而不报警通过分析,本次设计需要解决的问题包括1采用何种噪声传感器测量噪声强度,系统使用带有迷你麦克和专业放大芯片LM386的噪声传感器模块完成对噪声值的测量,该模块输出范围为0~5V的模拟电压值,代表噪声强度;2如何完成对测量值的模数转换,本次设计所采用的单片机为STC12C5A60S2单片机,该单片机内部集成了一个具有8路输入的AD转换器,使用单片机自带的AD转换器即可完成对测量值的模数转换如此,便可减少系统所用芯片的数量,简化系统结构;3如何完成测量数据的无线传输,本系统采用NRF24L01无线传输模块,该模块与单片机具有很好的兼容性,且通信距离远,传输效率高
1.
2.2设计方案实现对家庭环境噪声的检测有两种设计方案,基于Zigbee技术的家庭无线噪声检测系统和基于单片机的家庭无线噪声检测系统,下面分别介绍这两种方案基于Zigbee技术的家庭无线噪声检测系统主要由噪声传感器节点、网关节点和监控终端3个部分构成
[3]在房间中部署多个无线噪声传感器节点,噪声传感器节点负责采集监测环境噪声强度数据通过星形的网络架构组织本系统中各个节点与网关节点,各传感器节点将采集到的信息直接传输给网关节点网关节点是网络内数据的汇聚节点,具有一定的数据融合能力,同时用它来连接无线传感器网络与监控终端监控终端将接收到的来自网关节点的数据进行汇总和分析,并记录该房间噪声强度,当房间噪声强度超出预定值时,启动报警器基于单片机的家庭无线噪声检测系统主要以STC12C5A60S2单片机和NRF24L01无线传输模块为核心,分为发送端与接收端两部分发送端应用噪声传感器采集噪声强度信息,在单片机内部进行AD转换,通过无线发送模块将噪声强度信息传输到接收端,接收端主要负责显示接收到的噪声强度并判断是否超限报警
[4]此系统工作过程中比较稳定,易于实现为减少成本和缩小系统体积,本次设计采用基于单片机的噪声测量系统要实现对噪声强度的测量和传输,本系统至少应包括发送端和接收端两部分,为了便于实现,应用生产实习制作的单片机板,外接噪声传感器模块便可以完成基于单片机的无线噪声检测系统
1.3论文结构第1章为绪论,阐述课题研究背景和意义,讨论课题研究的主要内容以及课题研究方法和设计方案第2章为系统硬件电路设计方案,阐述系统硬件电路的总体设计方案,各模块的设计方案以及所用电子器件的内部结构和工作原理第3章为系统软件程序设计方案,阐述系统软件总体设计方案,软件编写思路以及各函数之间的协调关系第4章为系统调试和结果分析,阐述系统硬件和软件调试过程中采用的方法和遇到的问题及其解决方案,系统的结果分析等第2章家庭噪声检测硬件电路系统设计
2.1硬件系统整体设计本课题目标是对家庭环境噪声强度进行检测,该系统完成要求包括能够测量家庭环境中噪声强度,并显示噪声强度值;通过无线方式将测得的数据传输给控制中心;噪声超过预定值,系统能够报警提示为了完成任务要求,本次设计方案整体系统包括发送端子系统和接收端子系统发送端子系统主要包括数据采集模块,发送端控制模块,显示模块和无线传输发送模块;接收端子系统主要包括无线传输接收模块,接收端控制模块,显示模块和报警模块数据采集模块采用集成噪声传感器和放大电路的噪声传感器模块完成对噪声值的测量,该模块中包含采集噪声的迷你麦克,它能够用一个电压的大小反应出周围环境中噪声的大小,由于该电量值一般在mV级,太小而不适合进一步处理,故在该模块内部集成了一个专业的音频放大电路,其输出范围在0~5V,适合进一步处理由噪声传感器模块所测得的噪声值是在时间和幅值上均连续的模拟量,不适于单片机系统,故需要对其进行模数转换,数字量才能够在单片机系统中传输、处理本次设计采用STC12C5A60S2单片机作为控制模块的主控芯片,由于该单片机内部已经集成了一个具有8路输入的高速模数转换器,为简化系统和降低成本,将使用单片机完成对所测量值的模数转换,并将转换后的数字量同时传送给显示模块和无线传输模块显示模块采用LCD1602液晶显示器完成对噪声强度值的显示,将来自单片机的数据在液晶屏上显示出来无线传输模块采用NRF24L01无线传输模块完成数据的传输,无线传输发送模块将数据采集模块的数据以无线的方式不停的发送出去,无线传输接收端不间断接收来自发送端的数据,并传送给接收端控制模块,控制模块的主控芯片STC12C5A60S2单片机判定噪声强度是否超过预定值,若超过便启动报警模块进行报警,报警模块采用最简单的蜂鸣器完成报警任务本次设计的系统整体框图如图2-1所示,由此图可见本系统分为发送端子系统和接收端子系统发送端子系统包括噪声数据采集模块、单片机控制模块、无线数据发送模块、液晶显示模块、复位模块和电源供电模块;接收端子系统包括单片机控制模块、液晶显示模块、报警模块、无线数据接收模块、复位模块和电源供电模块发送端子系统接收端子系统图2-1系统整体框图
2.2噪声数据采集模块本模块采用噪声传感器完成对家庭环境中噪声强度的测量,该噪声传感器模块主要包含驻极体电容式话筒和LM386音频放大电路驻极体话筒作为噪声传感器,主要完成非电量到电量的转换,输出一个能够代表噪声强度的电压值LM386音频放大电路主要负责对驻极体话筒的输出电压值进行放大等初步处理,以下将分别介绍驻极体话筒和LM386音频放大电路的特点和工作原理等
2.
2.1驻极体话筒驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点,广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中,属于最常用的电容话筒,它不仅能够用来测量声音强度,也可以作为声音输入端,完成录音的功能,其外观如图2-2所示图2-2驻极体话筒
1.驻极体话筒内部结构和工作原理驻极体话筒主要由声电转换和阻抗转换两部分组成,其内部结构如图2-3所示,前半部分为声电转换部分,后半部分为阻抗转换部分图2-3驻极体话筒内部结构声电转换的关键元件是驻极体振动膜,其基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极(称为背电极)构成驻极体面与背电极相对,中间有一个极小的空气隙,形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质,以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极的平板电容器背电极和驻极体薄膜上分布有等量且总数不变的自由电荷声波会引起驻极体薄膜振动而改变电容两极之间的距离,从而引起电容的容量发生变化声音的强度越大,声波的振动幅度越大,引起电容两极间距离的变化越大,电容的容量变化越大由于驻极体上的电荷数始终保持恒定,根据公式Q =CU可知,当C变化时必然引起电容器两端电压U改变,从而输出电压信号随着声音强度的变化而改变,实现声电的转换驻极体膜片与金属极板构成的电容器的电容量很小,一般为几十pF,输出的电信号极为微弱,而它的输出阻抗值很高,约几十兆欧以上,这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的,所以必须连接一个阻抗变换器通常使用在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管作为阻抗变换器,内部电气原理如图2-4所示,这里接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用电容器的两个电极接在栅源极之间,电容两端电压既为栅源极偏置电压,变化时,引起场效应管的源漏极之间的电流变化,实现了阻抗变换,一般经阻抗变换后话筒输出电阻小于2千欧图2-4驻极体话筒电气原理
2.驻极体话筒的输出电路驻极体话筒输出电路如图2-5所示,话筒引出端分二端式和三端式两种二端输出方式是将场效应管接成漏极输出电路,类似晶体三极管的共发射极放大电路,只需两根引出线,漏极D与电源正极间接一个漏极电阻R,信号由漏极D经电容C输出,源极S与编织线一起接地漏极输出有电压增益,因而话筒灵敏度比源极输出时要高,但电路动态范围略小 目前市售的驻极体话筒大多是这种连接方式,本设计采用的话筒正是这种输出方式三端输出方式是将场效应管接成源极输出方式,类似晶体三极管的射极输出电路,需要用三根引线漏极D接电源正极,源极S与地之间接一个电阻R来提供源极电压,信号由源极经电容C输出编织线接地起屏蔽作用源极输出的输出阻抗小于2K,电路比较稳定,动态范围大,但输出信号比漏极输出小三端输出式话筒目前市场上比较少见,实际共有4种接线方式,如图2-5所示,若电源为正极接地时,只须将D、S对换一下,仍可成为两端输出或者三端输出,R的大小要根据电源电压大小来决定图2-5驻极体话筒输出电路
2.
2.2音频功率放大器LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,具有自身功耗低、增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机,收音机和声控电路之中
1.LM386的引脚说明LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式,本设计采用双列直插式封装的芯片,其各引脚及功能简介如图2-6所示图2-6LM386引脚功能图
2.LM386的内部电路及放大原理图2-7LM386内部电路图LM386的内部电路如图2-7所示,第一级为差分放大电路,VT1和VT
3、VT4和VT2分别构成复合管,作为差分放大电路的放大管;VT5和VT6组成镜像电流源作为VT3和VT4的有源负载;VT1和VT2信号从管的基极输入,从VT4管的集电极输出,为双端输入单端输出差分电路使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载,可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益第二级为共射放大电路,VT7为放大管,恒流源作有源负载,以增大放大倍数 第三级中的VT8和VT9管复合成PNP型管,与NPN型管VT10构成准互补输出级二极管VD1和VD2为输出级提供合适的偏置电压,可以消除交越失真电阻R7从输出端连接到VT4的发射极,形成反馈通路,并与R5和R6构成反馈网络,从而引入了深度电压串联负反馈,使整个电路具有稳定的电压增益引脚2为反相输入端,引脚3为同相输入端,电路由单电源供电,故为OTL(OutputTransformerLess)电路输出端(引脚5)应外接输出电容后再接负载
2.
2.3噪声数据采集系统图2-8数据采集模块该模块的硬件实物如图2-8所示,数据采集模块电路图如图2-9所示,分析电路图可知,置于电路前端的MIC完成对环境中噪声的测量,输出代表噪声强度的一个电信号,作为音频输入连接到LM386音频放大电路中信号经C02输出,C01起到平滑电信号的作用改变滑动变阻器的大小可以改变输入音量的大小PYPASS端外接的电解电容C03,起滤除噪声的作用,工作稳定后,该管脚电压值约等于电源电压的一半在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致,这个电容可以减缓直流基准电压的上升、下降速度,有效抑制噪声接在1脚、8脚间的电容C04(1脚接电容+极)将系统的增益设定为200dB,断开时增益为20dB输出耦合电容C06的作用是隔断直流电压和耦合音频的交流信号,直流电压过大有可能会损坏负载图2-9数据采集模块电路图
2.3单片机控制模块控制模块主要负责连接和协调各模块,对数据采集模块传来的模拟数据进行AD转换本模块主要有STC12C5A60S2单片机组成,该单片机内部集成了一个具有8路输入的高速AD转换器,可以将模拟噪声值转换为数据噪声值以下将详细介绍STC12C5A60S2单片机及其内部模数转换器的工作原理
2.
3.1STC12C5A60S2单片机单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期1T的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍;内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换250K/S
1.STC12C5A60S2单片机控制原理单片机的控制作用主要体现在对数据流向的控制,在发送端子系统中主要用到了该单片机的P1口,P0口和P
3.2引脚等,其对数据流向的控制如图2-10所示图2-10发送端数据流向单片机由P
1.7引脚接收来自数据采集模块传来的噪声模拟信号,并把该模拟信号送给其内部的模数转换器,接着启动模数转换器将模拟信号转换为数字信号,存入数据存储器然后,单片机采用8位并行传输方式通过P0口将噪声强度数据传输给显示模块,采用SPI串行传输方式通过P
1.
0、P
1.2和P
1.4引脚将噪声值数据传输给无线传输模块发送端发送端将数据成功发送之后通过P
3.2引脚给单片机一个下降沿,以启动其内部的中断系统,单片机接收到中断信号后做出相应的反应在接收端子系统中主要用到了该单片机的P1口,P0口以及P
2.4,P
3.2引脚等,其对数据流向的控制如图2-11所示无线传输模块接收端成功接收数据之后,通过单片机P
3.2引脚启动其中断系统,单片机得知信号收到之后采用SPI串行传输方式通过P
1.
0、P
1.2和P
1.4引脚将噪声值数据存入数据存储器中然后,单片机采用8位并行传输方式通过P0口将噪声值数据传输给显示模块当噪声值超系统的预定值时,单片机会通过P
2.4引脚启动报警器图2-11接收端数据流向
2.STC12C5A60S2单片机的程序下载电路通过使用STC-ISP软件,该单片机可实现串口在线编程,无需编程器,无需仿真器,其程序下载电路如图2-12所示图2-12STC12C5A60S2程序下载电路
2.
3.2噪声信号A/D转换STC12C560S2系列单片机的A/D转换口在P1口P
1.7-P
1.0,有8路8位高速A/D转换器,速度可达到300KHz30万次/秒,8路电压输入型A/D,可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等上电复位后P1口为弱上拉型I/O口,用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换输入口,不需作为A/D使用的接口可继续作为I/O口使用在本系统中,该单片机内部的A/D转换器负责将数据采集模块输出的噪声模拟电信号转换为数字信号图2-13模数转换内部结构图STC12C560S2单片机中A/D转换器的内部结构如图2-13所示,其主要包括ADC控制寄存器,10-bitDAC,比较器,逐次比较寄存器等通过向单片机内部A/D转换控制特殊功能寄存器写入数值,可实现对A/D转换器的控制其各标志位的作用如下CHS2/CHS1/CHS0为模拟输入通道选择控制位;ADC_START为转换启动控制位,设置为“1”时,开始转换,转换结束后为“0”;ADC_FLAG为转换结束标志位,当A/D转换完成后,ADC_FLAG=1,要由软件清0;SPEED1,SPEED0为转换速度控制位;ADC_POWER为电源控制位0表示关闭ADC电源;1表示打开A/D转换器电源当ADC_START位被置“1”之后,模数转换启动,其工作工程为,逐次比较寄存器输出8位或者10位的二进制数值到D/A转换器,DAC将该数字值转换为模拟量,比较器比较该模拟量与模拟输入值大小,若模拟值大,则增大逐次寄存器的值,重复上述操作,直到确定模拟输入值是位于两个相邻数字值之间然后,将这两个相邻的数字值中的一个作为最终结果存入AD转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL中在模数转换器内部存在一个10-bitDAC,其内部结构如图2-14所示,其工作原理为数字值作为DAC的输入,各位分别控制~的开关状态由于各开关支路中权阻值不同,在同一基准电压下,各开关支路中的电流处于不同数量级,支路电流通过加法器输出的电压值作为数模转换结果图2-14数模转换内部结构图
2.4无线数据传输模块数据传输模块主要负责实现噪声值数据从一端到另一端的无线传输,本模块主要由nRF24L01无线通信芯片及其外围电路组成nRF24L01是NORDIC公司的一款无线通信芯片,采用FSK调制,内部集成NORDIC的EnhancedShockBurst协议,可以实现点对点或是1对6的无线通信,无线通信速度最高可达2Mbps只需为单片机系统预留5个GPIO,1个中断输入引脚,就可以很容易实现无线通信的功能,非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能以下将详细介绍nRF24L01无线通信芯片的工作原理
2.
4.1NRF24L01功能与结构nRF24L01是单片射频收发芯片,工作于
2.4~
2.5GHzISM频段,工作电压为
1.9~
3.6V,有多达125个频道可供选择可通过SPI写入数据,最高可达10Mb/s,数据传输率最快可达2Mb/s,并且有自动应答和自动再发射功能芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,如图2-15所示,并融进了增强式ShockBurst技术,其输出功率和通信频道可通过程序进行配置图2-15nRF24L01内部结构nRF24L01的内存区一共有24个寄存器,nRF24L01所有的配置字都由配置寄存器来定义,这些配置寄存器可通过SPI口访问SPI接口由SCK,MOSI,MISO及CSN组成,在配置模式下单片机通过SPI接口配置nRF24L01的工作参数,在发射或接收模式下单片机从SPI接口发送或接收数据单片机的控制指令从nRF24L01的MOSI引脚输入,而nRF24L01的状态信息和数据信息是从其MISO引脚输出并送给单片机的
2.
4.2NRF24L01工作模式无线传输模块发送端和接收端硬件上是一样的,其电路图如图2-16所示,NRF24L01具有收发模式接收模式和发射模式、待机模式和掉电模式四种工作模式,并由CE、寄存器内部PWR_UP和PRIM_RX共同控制RF24L01收发模式有EnhancedShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种,收发模式由器件配置字决定在EnhancedShockBurstTM收发模式下,NRF24L01自动处理字头和CRC校验码在接收数据时,自动把字头和CRC校验码移去;在发送数据时,自动加上字头和CRC校验码图2-16无线传输模块电路图EnhancedShockBurstTM发射流程如下1把接收机的地址和需要发送的数据按时序送入nRF24L01;2配置CONFIG寄存器,使之进入发送模式;3微控制器把CE置高至少10us,激发nRF24L01进行EnhancedShockBurstTM发射;4nRF24L01的EnhancedShockBurstTM发射过程是给射频前端供电;射频数据打包加字头、CRC校验码;高速发射数据包;发射完成,nRF24L01进入空闲状态EnhancedShockBurstTM接收流程如下1配置本机地址和需要接收的数据包大小;2配置CONFIG寄存器,使之进入接收模式,把CE置高;3130us后,nRF24L01进入监视状态,等待数据包的到来;4当接收到正确的数据包正确的地址和CRC校验码,nRF24L01自动把字头、地址和CRC校验位移去;5nRF24L01通过把STATUS寄存器的RX_DR置位STATUS一般引起微控制器中断通知微控制器;6微控制器把数据读出;7所有数据读取完毕后,可以清除STATUS寄存器
2.5液晶显示模块显示模块负责显示噪声的大小,本系统采用的显示器件是LCD1602字符型液晶显示器LCDl602可分为2行共显示32个字符,每行显示16个字符;其可与8位或4位微处理器连接;内藏式字符发生器ROM,可提供160种工业标准字符,包括全部大小写字母、阿拉伯数字及日文片假名,以及32个特殊字符或符号的显示;内藏RAM可根据用户的需要,由用户自定义字符或符号;+5V单电源供电;低功耗10mW1.LCD1602介绍表2-1LCD1602各管脚功能表管脚名称功能1VSS电源地2VDD接+5V电源3VEE接+5V电源4RS寄存器选择5R/W读写信号线6E使能端7~14D0~D78位双向数据线LCD1602引脚功能如表2-1所示,其中RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器;R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时,可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据;E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令液晶显示模块连接电路如图2-17所示,LCD1602液晶显示器实物如图2-18图2-17液晶显示模块电路图aLCD1602正面实物图bLCD1602反面实物图图2-18LCD1602液晶显示器实物图2.LCD1602的内部结构和显示原理LCD1602内部结构由DDRAM、CGROM、IR、DR、BF、AC等大规模集成电路组成,其各部分的功能如下1DDRAM为数据显示用的RAM,用以存放要显示的数据;2CGRAM为字符产生RAM,可供使用者存储特殊造型的造型码;3IR为指令寄存器,负责存储MCU要写给LCD的指令码;4DR为数据寄存器,它们负责存储单片机要写到CGRAM或DDRAM的数据;5BF为忙碌信号,当BF为l时,不接收单片机送来的数据或指令;当BF为0时,接收外部数据或指令所以在写数据或指令到LCD之前,必须查看BF是否为0;6AC为地址计数器,负责计数写入/读出CGRAM或DDRAM的数据地址LCD1602的显示原理,LCD1602通过指令寄存器IR接收来自MCU的指令,设置其工作模式和数据地址,通过数据寄存器DR接收来自MCU的ASCII码,并将其写入相应地址的DDRAM,显示器便会在屏幕的相应位置显示该ASCII码所对应的字符1602的内部显示地址如图2-19所示,假如需要在第一行第五列写入字符,并不是直接写入05H就可以将光标定位在第一行第五个字符的位置,因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平,所以实际写入的数据应该是00000101B05H+10000000B80H=10000101B85H图2-19LCD1602的内部显示地址
2.6报警模块报警模块主要负责在噪声值超过预定值时发出报警,主要由蜂鸣器组成,单片机通过P
2.4口对蜂鸣器模块进行控制,硬件电路如图2-20所示图2-20报警模块
2.7复位模块复位电路,就是利用它把电路恢复到起始状态,就像计算器的清零按钮的作用一样,为确保系统中电路稳定可靠工作,复位电路是必不可少的,单片机通过RESET接口对复位模块进行控制,硬件电路如图2-21所示图2-21复位模块
2.8电源供电模块电源供电模块通过USB电源线与电源适配器连接,输出+5V的直流电压,驱动系统正常运行,硬件电路如图2-22所示图2-22电源供电模块
2.9本章小节本章主要从硬件电路设计的角度对系统的设计方案进行了论述,首先简要阐述系统电路的整体设计方案,然后详细介绍数据采集模块,控制模块,数据传输模块,液晶显示模块,报警模块,单片机复位模块与电源供电模块7个模块详细,阐述各模块对整个系统的作用在数据采集模块中,详细介绍了该模块主要器件驻极体话筒和LM386音频放大电路的内部结构和工作原理等;在控制模块中,详细介绍了STC12C5A60S2单片机的控制作用及其内部模数转换器的工作原理;在数据传输模块中,详细介绍了该模块主要器件nRF24L01无线通信芯片的工作原理;在显示模块,详细介绍了本系统显示器件LCD1602的内部结构和显示原理;然后简要介绍了一下报警模块、单片机复位模块与电源供电模块第3章家庭噪声检测系统软件设计本系统软件程序在编写时,采用先分模块编写,再整合为一个整体的方法,本章将详细阐述本系统软件设计方案
3.1系统软件组成整个软件系统分为发送端子系统和接收端子系统两部分,下面将分别对这两个子系统的软件结构和编写思路进行阐述
3.
1.1发送端程序1.发送端程序结构发送端子系统的主要任务包括测量环境中噪声强度,显示噪声强度值,通过无线方式发送噪声强度数据,所以本系统软件分别分3个程序源文件编写程序,实现对应的3个任务,用一个主函数程序源文件协调各模块程序,发送端程序结构如图3-1所示图3-1发送端程序结构图AD.c文件中的程序用于实现将数据采集模块测量所得的噪声模拟值转换为数字值,其中主要包括AD转换初始化函数以及AD转换函数;
1602.c文件中的程序用于驱动LCD1602液晶显示器,其中主要包括LCD1602的初始化函数和显示噪声值函数;fasong.c文件中的程序用于实现噪声值数据的无线发送,其中主要包括SPI读写函数,设置发送模式函数以及发送函数main.c文件中主要包括主函数,通过协调其他程序源文件中的子函数以控制发送端子系统正常工作2.发送端主函数程序设计发送端子系统的主函数流程图如图3-2所示,其主要任务是初始化LCD1602液晶显示器和NRF24L01无线通信芯片,配置并启动AD转换,显示噪声值,发送噪声值数据图3-2发送端主函数流程图Lcd_Int函数为LCD1602液晶显示器的初始化函数,其通过调用写指令函数Lcd_WriteCom设置液晶显示器的工作模式为16×2显示,5×7点阵,8位数据接口;无光标闪烁,光标右移,字符不移Read_init7函数为AD转换初始化函数,主要负责配置与AD转换相关的特殊功能寄存器ADC_CONTR的值,设置AD转换的模式为采用通道7为模拟输入口,确定转换速度为140个时钟周期转换一次,启动AD转换电源;nRF4L01_Init函数为nRF24L01通信芯片初始化函数,使之工作在掉电模式;单片机执行display函数,将在液晶屏幕的第一行上显示“NOISE”字样,然后系统进入循环采集并发送数据阶段首先,系统调用ADC_Read函数,将输入的模拟值转换为数字值,并将结果作为返回值赋值给变量noise通过zhuanhua函数,可以得到其入口参数noise值的每一位值,并将结果存入发送数据寄存器TX_Buffer中,然后分别调用displaynoise函数和fasong函数将噪声值每一位显示在液晶显示屏上并发送出去displaynoise函数将噪声值的每一位转化为对应的字符,依次显示在液晶屏的第二行指定位置fasong函数通过调用nRF24L01_Set_TX_ModeTX_Buffer[i]函数设置发送模式并将TX_Buffer中的噪声值数据发送出去,并调用Check_Ack函数检测数据是否成功发送出去,如果成功LED灯闪烁所有数据都发送出去之后,系统重新读取AD转换结果,重复上述操作
3.
1.2接收端程序1.接收端程序结构通过对接收端端硬件电路的分析可知,接收端子系统的主要任务包括接收来自发送端的噪声值数据,显示噪声强度,超过预定值报警,所以本系统软件分别分3个程序源文件编写程序,实现对应的3个任务,用一个主函数程序源文件协协调各模块的程序,其程序结构如图3-3所示图3-3发送端程序结构图
1602.c文件中的程序用于驱动LCD1602液晶显示器,其中主要包括LCD1602的初始化函数和显示噪声值函数;jieshou.c文件中的程序用于实现噪声值数据的无线接收,其中主要包括SPI读写函数,设置接收模式函数以及读取接受结果函数fengmingqi.c文件中的程序用于驱动蜂鸣器,主要包括蜂鸣器发声函数,即报警函数main.c文件中主要包括主函数,通过协调其他程序源文件中的子函数使接收端子系统正常工作2.接收端主函数程序设计图3-4接收端主函数流程图接收端子系统主函数流程图如图3-4所示,完成初始化LCD1602液晶显示器和NRF24L01无线通信芯片,设置接收模式并读取接收数据,显示噪声值,超过预定值报警的功能Lcd_Int函数和nRF4L01_Init函数的作用与发送端相同,此不再缀述单片机执行Ready_display函数,将在液晶屏幕的第一行上显示“NOISE”字样,然后系统进入循环采集并发送接收阶段nRF24L01_Set_RX_Mode函数负责配置接收模式,设定其发送与接收功率,发送与接收地址等nRF24L01_RX_Mode函数通过标志位RX_DR检测是否接收完成,如果完成将接收数据存入接收数据寄存器RX_Buffer中,并返回“1”,否则,返回“0”,系统通过判定该函数返回值,做出相应的反应
3.2本章小结本章分为发送端子系统和接收端子系统两部分对系统的程序进行详细介绍,针对发送端子系统,详细论述其程序结构,主函数的内容及程序流程图,简要介绍发送端子系统主函数是如何通过调用各子函数实现采集和发送噪声值数据的任务针对接收端子系统,详细论述其程序结构,主函数的内容及程序流程图,简要介绍接收端子系统主函数通过调用各子函数实现其接收和处理噪声值数据的具体步骤第4章系统调试与分析对系统的硬件和软件进行系统调试是系统设计的最后步骤,也是系统设计中最为重要的环节任何系统在焊接完成之后都要进行检测和调试,以确保系统硬件连接无漏洞,各元器件无故障,才能进行软件下载和调试本章详细介绍硬件系统调试的方法,硬件系统出现的问题及解决方案,软件调试的方法
4.1硬件系统调试
4.
1.1硬件系统调试过程硬件是系统功能实现的平台,系统能否正常工作直接影响到软件的编写和调试能否顺利进行其调试过程如下首先,运用直观法检查电路焊接是否正确,有无虚焊和错焊的情况,观察元器件的极性和芯片的引脚是否正确,尤其错接会损坏器件,例如,带极性的电容,NRF24L01无线传输模块等;然后测试系统电源是否为+5V直流电,确保电源正常之后便可以插上芯片,接上电源,观察电源指示灯是否正常,各元器件是否上电,显示器是否点亮,噪声传感器模块电源指示灯是否正常,无反常现象便可以下载运行程序;若程序运行结果与预想不符,在确保软件无误的情况下,全面考虑产生该问题的原因,分模块检测,逐个排除另外,正确使用万用表、示波器、信号发生器等工具,可以提高工作效率
4.
1.2硬件系统问题及解决虽然在硬件的连接和焊接过程中已经格外注意元器件的极性问题和焊接点是否接通的问题,但是在硬件系统焊接完成之后依然存在问题为了保证系统在接通电源后,电源指示灯亮起,硬件正常工作,需要在系统焊接完成,认真检查各元器件的极性问题若给系统上电后发现电源指示灯没有点亮,可使用万用表测量C1两端电压值在5V左右,而VCC端电压值很小,几乎没有,断定系统中的VCC和GND短接贴片电容C15~C19两端VCC和GND容易短接,重新焊接之后,系统电源指示灯点亮通过杜邦线将噪声传感器模块与单片机系统相连时,不慎将VCC与GND反接,接通电源后,导致噪声传感器模块中钽电容C7被烧毁,采集模块电源稳定性变差,但是不影响系统正常工作为了可以成功下载程序目标文件,通过USB串行接口将单片机系统与计算机相连若在程序下载时,一直显示不能连接,应认真检查串行接口电路,发现有虚焊的点,重新焊接之后,正常下载程序
4.2软件系统调试本次毕业设计采用KeilC软件,用C语言编写程序通过STC_ISP软件将KeilC软件生成的hex文件下载到STC12C5A60S2单片机本系统软件程序在编写时,采用先分模块编写,再整合为一个整体的方法,所以,在调试过程中也是分模块调试,再整体调试首先,编写调试报警模块程序,起初设定程序只能驱动蜂鸣器响一声,系统无法起到报警作用,而后在程序中加一个4次循环的循环语句解决了这个问题,使其能够在启动报警器后连续响四声编写调试显示模块程序过程中,显示器起初会出现部分显示和显示位置混乱的情况,在LCD1602写数据函数之后加延迟函数以给硬件一点反应时间,这个问题得到了解决然后,编写AD转换相关程序,由于直接将AD转换结果传送给显示器,导致出现乱码通过对数据进行处理得到每一位的值分别传送给相应地址的数据寄存器,准确显示出噪声值的大小,但显示屏上的噪声值变化速度很快而无法看清楚,于是在每次显示数据之后加较长一段时间的延迟,使用户能够读取噪声值最后,编写无线传输模块程序,开始时由于收发地址不一致导致数据不能成功传输,修改之后数据传输正确完成分模块程序的编写和调试之后,定义噪声值变量noise将各模块整合在一起,AD转换函数将结果赋值给noise,数据发送函数将其各位分别发送出去,接收函数将接收到的数据处理后通过赋值给noise,判断其大小以决定是否启动报警器
4.3测试结果分析本次毕业设计采用驻极体电容式话筒,随着噪声强度的改变输出相应的电压信号,成功采集到噪声强度数据单片机内部的AD转换器每140个时钟周期转换一次,速度很快,能够满足检测的实时性要求发送端NRF24L01无线通信模块成功将噪声值数据发送出去,接收端NRF24L01无线通信模块接收准确,且有效通信距离在50米以上显示器稳定显示字符“NOISE”和噪声值如果被测量的噪声的音量变大时,液晶显示器的显示值会变大,反之则变小,所以本系统能够对家庭环境中噪声强度进行测量,并通过无线的方式传输噪声值数据,符合设计要求,具有一定的实际意义,整个系统的工作效果图如图4-1所示a发送端b接收端图4-1系统工作效果图
4.4本章小结本章首先详细介绍硬件系统调试方法,硬件系统出现的问题及其解决方案,然后阐述软件调试的方法、问题及解决方案,最后,附加系统工作效果图,对系统的性能进行总结结论本次毕业设计的作品为基于STC12C5A60S2单片机的家庭环境噪声检测系统,能够对家庭噪声强度进行检测,并通过无线的方式完成数据传输,当噪声强度超过预定值时会自动报警既能够作为单独的系统完成对家庭环境中噪声强度的自动化测量,也能够作为智能家居的一个子系统为家庭环境舒适度评价提供环境噪声强度数据这个开发过程主要包括硬件电路设计和软件程序编写两部分从确定毕设题目到查阅资料确定总体设计方案,硬件电路的设计优化,软件程序的编写,购买搭建硬件电路,调试软件程序,到最后作品的成型,其中每一个过程都是精心设计,认真完成的该系统具有诸多优越的性能,系统结构简单,操作简便;系统小巧,便携性好,方便测量家庭中噪声强度;系统成本低,适合普通家庭使用;智能化水平高;数据传输速度高,距离远(50米内接收效果都很好)等总之,人们越来越关心自己生活环境的质量,而智能仪器已经被广泛应用于环境保护当中,所以研究家庭环境噪声检测系统具有重大的实际意义参考文献1曹晓欢杨建华陈立伟.基于WSN的分布式城市噪声监测系统设计[J].传感技术学报.2013268:1159-
1162.2余洋.国内外噪声自动监测系统研究新进展[J].环境研究与监测.2011324:69-
72.3徐志国.基于无线传感器网络的噪声监测系统的设计[J].皖西学院学报.2009255:69-
71.4李华邢洪林李玉文杨洁.环境噪声在线自动监测系统[J].环境科学与管理.2005304:101-
102.5陈燕华李燕欧竞.基于无线传感器网络的室内监控系统[J].重庆电力高等专科学校学报.2012185:43-
46.6叶琳琳.基于无线传感器网络的智能家居环境监测系统的设计与实现[J].福建电脑.201111:121-
122.7胡艳红姚爱琴孙运强高晶.环境噪声检测终端设计[J].电子测试.20101111:51-
55.8荣亮吴哲夫王小雪吴浩权.智能家居环境监控系统的无线传感器节点设计[J].电声技术.20132:77-
79.9牛滨孙晶华丁新心.噪声监测系统的设计与实现[J].哈尔滨理工大学学报.2009143:131-
134.10茆文艺陈可勇朱贾峰陈毅汤勇明.多功能噪声报警器设计[J].电子器件.2007304:1307-
1309.11王志伟.基于ZigBee技术的噪声监测系统的设计与研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文
2009.12赵俊栋赵炎鑫.无线传感器网络通信体系研究[J].信息通信.20141:211-
212.13刘昊.无线传感器网络中基于相关性的数据融合技术研究[D].天津:河北工业大学硕士学位论文
2013.14孙艳.无线传感器网络数据管理系统的研究和实现[D].大连:大连海事大学硕士论文
2012.15陈俊松.基于无线传感器网络的监测系统研究与设计[D].武汉:武汉理工大学学位论文
2012.16ChongYuXiongChen.Homemonitoringsystembasedonindoorservicerobotandwirelesssensornetwork.ComputersandElectricalEngineering201339:1276–
1287.17LiangHongaWeiChen.InformationtheoryandcryptographybasedsecuredcommunicationschemeforcooperativeMIMOcommunicationinwirelesssensornetworks.AdHocNetworks201414:95–
105.18YANGXIAOJINGWANGZHIQIANGCHENPING.DesignoftheMeasuringInstrumenttotheliquidlevelBasedonMSP430SCM.2008243-2:120-
122.致谢光阴似箭,时光如梭,转眼毕业在即,回想在里仁学院的四年大学时光,我心中充满无限感激和留恋之情首先,我想感谢母校,是她为我提供了良好的学习和成长环境,四年的大学时光让我学到了专业知识和做人道理,让我从一个懵懂的少女成长为一个落落大方的女青年接下来,我要向我的指导老师胡正平教授致以最诚挚的谢意!胡老师不仅在学业上言传身教,而且在生活上关心着我们的成长本次毕业设计更是直接得益于他的悉心指点,从毕业设计的选题到作品与论文的完成,无不凝聚着他的心血滴水之恩,当以涌泉相报,师恩重于山 另外,必须感谢父母的养育之恩,我无以回报作为他们的孩子,我秉承了他们朴实、坚韧的性格,也因此我有足够的信心和能力战胜前进路上的艰难险阻,也因为他们的日夜辛劳,我才有机会如愿完成自己的大学学业,进而取得进一步发展的机会 最后,我衷心感谢燕山大学信息工程学院电子信息工程专业全体老师四年来对我的精心培养和教导!在里仁学院的四年大学时光不仅让我学到了丰富的专业知识,更让我对以后的人生道理充满了信心,为以后步入社会奠定了坚实的基础附录1燕山大学里仁学院本科毕业设计(论文)开题报告课题名称家庭环境噪声检测系统设计与实现学院(系)里仁学院电子工程系年级专业电子信息工程10-3班学生姓名韩欢指导教师胡正平完成日期2014年3月20日
一、综述本课题国内外研究动态,说明选题的依据和意义随着现代家庭生活水平的不断提高,为了使家居主人感觉舒适,需要对家居的温度、湿度、光照强度、空气质量、噪声强度等进行检测,并实现自动控制控制环境的前提是掌握环境质量状况而掌握环境质量状况最科学的手段是环境监测环境监测是环境科学的一个重要分支广义上,是在一定时期内对环境因子进行重复测定,追踪其变化;狭义上,是对环境进行定期测定,作为判断环境是否达到标准以及评价环境管理和环境控制系统效果的依据家庭环境监测是人们认识家庭环境、评价家庭环境制定和执行家庭环境标准,进行家庭环境决策的主要依据,是实现家庭环境管理科学化的基础,是家庭环境保护工作的重要组成部分家庭环境保护是环境保护当中比较薄弱的一个环节,家庭环境监测也没有得到足够的重视,相关技术发展比较缓慢随着人们生活水平的不断提高,对家庭环境实现智能控制的需求变得越来越高,对家庭环境监测技术的研究工作开始起步目前,对家庭环境监测主要借鉴城市环境监测的相关技术,再结合一些先进设计理念,在此基础上构建全新的家庭环境舒适度检测系统传统的监测方法通常是在关键点安装传感器通过电缆与监控中心进行信息传输,这种通信方式投资成本高,维护复杂,限制了节点的分布密度和测量的准确度因而,基于无线传感器网络的环境监测方法逐渐受到人们的关注,相关研究人员希望在家庭环境舒适度检测发展的初期便引入这种方法另一方面,家庭环境监测属于智能家居的一部分,能够为实现智能家居提供数据基础作为智能家居的一部分,家庭环境监测系统的设计应该考虑与整个智能家居控制系统的连接智能家居控制系统的发展趋势是实现与Internet或者整个无线通信网络的连接,使人们可以通过电脑和手机随时随地掌控家中各种电器的工作家庭环境监测系统在未来作为家居的一部分,在设计时要考虑未来的这种需求,应该可以实现监测结果的查询和与整个家居控制系统的信息传输,使人们可以随时随地查询到家庭中温度,湿度,光照强度,噪声强度等信息,并可以发送指令改变环境的参数以达到自己想要的环境
二、研究的基本内容,拟解决的主要问题随着我国城市化进程的加快,城市噪声污染日益严重,家庭噪声的强弱成为衡量家庭环境质量的一个重要因素本次设计的主题便是对家庭环境的噪声进行检测家庭当中,各个房间对于噪声强弱的要求是不同的,在不同的时段同一房间对于噪声强弱的要求也是不同的,这就要求噪声检测系统能够不间断的检测房间的噪声情况,并将最近一段时间的检测结果保存下来,以便房屋主人随时查询房间内噪声的强弱以及变化情况并且,当噪声超过一个预定值之后,系统能够自动做出反应,启动噪声隔离网这个预定值可以根据房屋主人的要求做出改变到目前为止,为实现这种系统,相关研究人员提出了以下两种方案方案一基于单片机的噪声检测系统本系统只能检测单个房间的噪声情况,可以通过在每个房间构建一个系统来实现对于整个家庭环境的检测本噪声检测系统由传声器,放大器,A/D转换和单片机系统组成声音的强度经传声器转化为相应的电信号,再通过高精度低噪声的放大器,滤去电路的噪声信号,通过A/D转换部分将模拟信号转换为数字信号,再传送给单片机系统单片机系统通过一定的处理之后将检测结果显示出来优点本系统在测量的过程中比较稳定,抗干扰能力强,采用的芯片数目相对较少,电路比较简单,易于实现;缺点本系统更适用于单节点噪声系统的检测,若想对多节点进行检测,实现起来比较困难,而且安装的时候需要布很多线,容易出现故障,维修起来比较麻烦方案二基于无线传感器网络的噪声检测系统本方案的家庭环境噪声检测系统主要由噪声传感器节点、网关节点和监控终端3个部分构成在房间中部署多个无线噪声传感器节点,噪声传感器节点负责采集检测环境噪声数据通过星形的网络架构组织本系统中各个节点与网关节点,各传感器节点将采集到的信息直接传输给网关节点网关节点是网络内数据的汇聚节点具有一定的数据融合能力,同时用它来连接无线传感器网络与监控终端监控终端将接收到的来自网关节点的数据进行汇总和分析,并记录该房间噪声的强弱,当房间噪声超出预定值时,启动报警器优点本系统主要用于对多节点噪声进行检测,不用布线,用无线的方式进行数据传输,维修也比较方便;缺点系统稳定性不高,抗干扰能力差,且无线传感器供电方面不完善通过以上分析,本次课程设计拟采用以下方案本系统大致分为噪声数据采集、噪声数据处理、数据传输、控制中心四个模块,下面对各模块进行简要分析数据采集模块本模块就相当于是一个声音传感器模块,实时检测家庭环境中噪声的强弱,输出能够代表噪声强弱的模拟信号;数据处理模块本模块由A/D转换器和单片机组成,A/D转换器将接收到的模拟信号转换为数字信号,并传输给单片机;数据传输模块本模块由无线信号发送端与接收端组成,采用ZigBee技术进行信号传输;控制中心模块本模块由主微控制器、显示器、报警器组成,主微控制器将接收到的信号进行处理,并将结果在显示器上显示出来,当噪声信号超过设定值时,启动报警器
三、研究步骤、方法及措施第一步我们需要复习一下本课题用到的相关知识射频技术、传感器技术、嵌入式技术、分布式技术、无线通信技术等,并看一些单片机设计方面的课外资料单片机课程设计指导、单子设计从零开始、ARMCortex-M0原理与实践、8051单片机C语言创新教程等与此同时,查阅与课题相关的文献、期刊、硕博论文以及会议论文,还有英文文献,加深对课题的理解;第二步在理解课题的基础上,对系统整体框架进行构思,参考已完成的系统进行设计,遇到问题时,可以查阅资料,与同学讨论,或者请教导师;第三步对系统进行细致的分析,合理的分割模块,对各个模块进行进一步的设计,画出电路图,编写程序;第四步对已设计好的各模块进行整合,最后对系统进行调试,并进一步完善
四、研究工作进度设计在本学期内完成,共17周,具体工作安排如下第1~4周收集有关家庭环境检测系统方面的资料,总结各文献中的思路,熟悉本课题内容,整理思路,完成开题报告;第5~8周根据自己的思路,进行电路设计与调试;第9~13周在设计好的基础上,进行分析整理并完善电路系统,完成中期报告;第14~15周对实验结果进行整理和总结;第16~17周对课题进行总结,完成论文,最后答辩;
五、主要参考文献
[1]曹晓欢杨建华陈立伟.基于WSN的分布式城市噪声监测系统设计[J]. 传感技术学报2013268:1159-
1162.
[2]全元王翠平王豪伟苏晓丹董仁才.基于无线传感器网的噪声监测系统设计及应用[J].理论科学与技术20123512J:255-258.
[3]徐志国.基于无线传感器网络的噪声监测系统的设计[J].皖西学院学报2009255:69-
71.
[4]王志雷秦玉龙张沈兵邢晓丽.基于ZigBee技术的环境监测系统设计[J].全面感知201212:21-24..
[5]陈燕华李燕欧竞.基于无线传感器网络的室内监控系统[J].重庆电力高等专科学校学报2012185:43-
46.
[6]叶琳琳.基于无线传感器网络的智能家居环境监测系统的设计与实现[J]. 福建电脑201111:121-
122.
[7]姚健东姜志鹏张燕.基于DSP与无线通信技术的环境噪声监测系统的设计与应用[J].环境监控与预警201126:25-27.
[8]袁荣亮吴哲夫王小雪吴浩权.智能家居环境监控系统的无线传感器节点设计[J].电声技术20132:77-
79.
[9]牛滨孙晶华丁新心.噪声监测系统的设计与实现[J].哈尔滨理工大学学报2009143:131-
134.
[10]茆文艺陈可勇朱贾峰陈毅汤勇明.多功能噪声报警器设计[J].电子器件2007304:1307-
1309.
[11]王志伟.基于ZigBee技术的噪声监测系统的设计与研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文
2009.
[12]赵俊栋赵炎鑫.无线传感器网络通信体系研究[J].信息通信20141:211-
212.
[13]刘昊.无线传感器网络中基于相关性的数据融合技术研究[D].天津:河北工业大学硕士学位论文
2013.
[14]孙艳.无线传感器网络数据管理系统的研究和实现[D].大连:大连海事大学硕士论文
2012.
[15]陈俊松.基于无线传感器网络的监测系统研究与设计[D].武汉:武汉理工大学学位论文
2012.附录2燕山大学里仁学院本科毕业设计(论文)文献综述课题名称家庭环境噪声检测系统设计与实现学院(系)里仁学院年级专业电子信息工程学生姓名韩欢指导教师胡正平完成日期2014年3月24日
一、课题国内外现状随着人们生活水平的不断提高和安全防范意识的逐步增强,人们开始越来越关心自己的居住环境,不仅要求家居环境的人性化和舒适化,而且对智能化和安全化也提出了更高的要求在物联网的技术发展下,智能家居应运而生,家庭环境监测系统作为智能家居系统功能的一个重要组成部分和基本条件,是提供用户安全、舒适、便捷生活的手段家庭环境监测系统需要对家居的温度、湿度、光照强度、空气质量、噪声强度等进行检测,并实现自动控制相对来说,家庭环境保护是环境保护当中比较薄弱的一个环节,家庭环境监测在监测系统发展的过程中也没有得到足够的重视,相关技术发展比较缓慢目前,对家庭环境监测主要借鉴城市环境监测的相关技术,再结合一些先进设计理念,在此基础上构建全新的家庭环境舒适度检测系统当前,家庭环境噪声监测系统大多是基于单片机系统,基本上都是通过传声器或者声级计采集数据,然后进行处理并传给单片机系统,最后得出结果;另外还有一小部分是基于无线传感器网络的检测系统,但是采用的相关技术并不成熟,例如ZigBee技术、DSP技术、分布式技术等
二、研究主要成果环境噪声监测系统中,对噪声传感器的研究已经有了很大的进步,并且产品的质量、相关参数以及测量精确度也达到了一定的要求下面对噪声传感器进行讨论,目前大部分噪声传感器的声频范围都比较宽,覆盖了人耳所能听到的全部频率;操作简便且体积小,重量轻,安装灵活一般的传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒,声波使话筒内的驻极体薄膜振动,导致电容的变化,从而产生与之对应变化的微小电压,经过放大电路转换为0-5V的输出电压,再由A/D转换器转换为数字信号,由采集器接收并传给处理设备,由于该传感器输出为标准电压信号,便于与各类数据采集和测量控制系统组成精细的噪声测量系统
三、发展趋势家庭环境噪声监测属于智能家居的一部分,能够为实现智能家居提供数据基础作为智能家居的一部分,未来家庭环境噪声监测系统的设计将考虑与整个智能家居控制系统的连接智能家居控制系统的发展趋势是实现与Internet或者整个无线通信网络的连接,使人们可以通过电脑和手机随时随地掌控家中各种电器的工作家庭环境噪声监测系统在未来作为家居的一部分,在设计时也将考虑这种需求,使其可以实现监测结果的查询和与整个家居控制系统的信息传输,使人们可以随时随地查询到家庭中噪声强度的信息,并可以发送指令改变环境的参数以达到自己想要的环境
四、存在问题经过多年的努力我国家庭环境噪声监测初步形成了监测体系已具备了环境噪声常规监测的能力但与发达国家相比还存在很大差距家庭环境噪声监测技术和仪器不成熟满足不了日益强化的家庭环境噪声管理的需要传统的监测方法通常是在关键点安装传感器通过有线的形式与监控中心进行信息传输,这种方式增加了家庭当中的布线长度和复杂度针对这种情况,无线传感器网络吸引了相关技术人员的关注,但是,无线传感器网络技术目前还不成熟,还存在着很多的问题首先,没有一套几乎完美的网络拓扑架构目前星状和网状结构被广泛使用在短距离的智能家居环境中星状结构是一个直接通信系统,每一个结点在基站的通信范围之内,从源结点到终点采用广播方式直接通信的主要障碍是广播通信距离,广播信号会受到家庭电子设备、墙体尤其是金属介质的阻碍,甚至传感器结点和基站之间临时放置的有些材质也会干扰无线电通信所以星状结构虽然能量消耗小,但抗干扰能力弱,可靠性差网状结构中,各个传感器之间具有多跳路径,是整个网络的全连接每一个结点作为一个中继,仅仅把收到的每一个报文转发给各自的邻居或基站,避免了相互通信都需要通过基站的缺陷,因此网状网络比星状网络具有更大的覆盖范围但网状网络拓扑结构变化复杂,在网状网中进行多跳路由查找以及路由维护和修复是非常困难的,同时传感器结点必须一直保持“监听”状态,随时监测网络状态变化,以便有效地建立路由和传递数据,但是会消耗更多的能量其次,传感器节点的电池电量不能满足传感器节点的工作需求人们希望传感器节点在首次安装之后,可以通过太阳能或某种能量为自身的工作提供保障,无需频繁为其额外提供能量供应目前,人们通常采用干电池为各传感器节点供电,这种方式所能提供的能量有限,且大量的干电池也会对环境造成污染寻求一种绿色长效的能源成为无线传感器发展的又一问题
五、主要参考文献
[1]曹晓欢杨建华陈立伟.基于WSN的分布式城市噪声监测系统设计[J]. 传感技术学报2013268:1159-
1162.
[2]全元王翠平王豪伟苏晓丹董仁才.基于无线传感器网的噪声监测系统设计及应用[J].理论科学与技术20123512J:255-258.
[3]徐志国.基于无线传感器网络的噪声监测系统的设计[J].皖西学院学报2009255:69-
71.
[4]王志雷秦玉龙张沈兵邢晓丽.基于ZigBee技术的环境监测系统设计[J].全面感知201212:21-24..
[5]陈燕华李燕欧竞.基于无线传感器网络的室内监控系统[J].重庆电力高等专科学校学报2012185:43-
46.
[6]叶琳琳.基于无线传感器网络的智能家居环境监测系统的设计与实现[J]. 福建电脑201111:121-
122.
[7]姚健东姜志鹏张燕.基于DSP与无线通信技术的环境噪声监测系统的设计与应用[J].环境监控与预警201126:25-27.
[8]袁荣亮吴哲夫王小雪吴浩权.智能家居环境监控系统的无线传感器节点设计[J].电声技术20132:77-
79.
[9]牛滨孙晶华丁新心.噪声监测系统的设计与实现[J].哈尔滨理工大学学报2009143:131-
134.
[10]茆文艺陈可勇朱贾峰陈毅汤勇明.多功能噪声报警器设计[J].电子器件2007304:1307-
1309.
[11]王志伟.基于ZigBee技术的噪声监测系统的设计与研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文
2009.
[12]赵俊栋赵炎鑫.无线传感器网络通信体系研究[J].信息通信20141:211-
212.
[13]刘昊.无线传感器网络中基于相关性的数据融合技术研究[D].天津:河北工业大学硕士学位论文
2013.
[14]孙艳.无线传感器网络数据管理系统的研究和实现[D].大连:大连海事大学硕士论文
2012.
[15]陈俊松.基于无线传感器网络的监测系统研究与设计[D].武汉:武汉理工大学学位论文
2012.附录3燕山大学里仁学院本科毕业设计(论文)中期报告课题名称家庭环境噪声检测系统设计与实现学院(系)里仁学院电子工程系年级专业电子信息工程10-3班学生姓名韩欢指导教师胡正平完成日期2014年5月14日
一、任务书中本阶段工作目标与任务要求本阶段的工作目标与任务要求是熟悉单片机电路设计的基本原理,并设计出硬件电路图,且能够调试成功,成功后,需要再对电路进行完善,以使得对噪声测量的结果更精确设计前期,通过在网上看单片机的相关视频学习一些编写程序的基本知识,然后根据前期查询的期刊和论文等相关资料,对资料进行整理,了解噪声监测系统的基本工作原理,设计出噪声监测系统的硬件电路图,完成了硬件设计后,使用KeilC软件进行编程,运行调试,并下载到51单片机开发板上查看结果,逐步完善,以达到能够实现检测噪声强度功能的目的
二、目前已完成任务情况到目前为止,通过查看各相关资料,了解了现有的噪声监测系统设计的发展状况以及现状,结合实际情况,分别设计出了有线和无线的噪声检测系统,实现了对家庭环境噪声的测量
1.有线噪声检测设计方案1整体系统框图图1有线噪声监测系统框图本系统由显示模块、声音传感器模块、复位模块、电源供电模块、蜂鸣器模块五个模块构成,在51单片机的控制下,各模块一方面各自完成自己的工作,另一方面与单片机进行通信协调统一的进行监测的工作,共同实现了对环境噪声的实时监测2各模块电路图与功能噪声传感器模块此模块的功能是将周围环境的声音信号转换为电信号,输出模拟电压的值,以电压值来表示噪声信号的大小,并且输出的音频信号幅值可以通过电路板上的电位器进行调整图2声音传感器模块51单片机模块中的A/D转换STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口P
1.7-P
1.0,有8路8位高速A/D转换器速度可达到300KHz30万次/秒8路电压输入型A/D,可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等上电复位后P1口为弱上拉型I/O口,用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换,不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用本次设计中将P
1.7口作为A/D转换的输入口,将声音传感器模块采集输出的模拟信号转换成数字信号通过下面的公式进行A/D转换图3单片机原理图显示模块图4LCD1602显示LCDl602可分为2行总共可以显示32个字符,每行显示16个符;其可与8位或4位微处理器连接;内藏式字符发生器ROM,可提供160种工业标准字符,包括全部大小写字母、阿拉伯数字及日文片假名,以及32个特殊字符或符号的显示;内藏RAM可根据用户的需要,由用户自定义字符或符号;+5V单电源供电;低功耗10mW本次设计中也是分两行显示,第一行显示“Noise”,说明显示的是噪声值,第二行,分位将噪声值的大小按百位、十位、个位的顺序显示出来蜂鸣器模块当噪声值超过预定值150,报警器进行报警,设定蜂鸣器响四声单片机通过P
2.4口对蜂鸣器模块进行控制图5蜂鸣器2软件设计流程图图6流程图4硬件结果显示a高噪声值显示b低噪声值显示图7实验结果
2.无线噪声检测设计方案1整体系统框图发送端接收端图8无线噪声监测系统框图2设计思路在有线噪声监测系统的基础之上,使用两个单片机系统分别作为发送端与接收端对声音信号进行采集、传输与处理发送端对噪声信号进行采集并显示噪声值,然后将测得的噪声值通过无线模块进行发送,并且以指示灯作为正在发送以及发送成功的标示;接收端接收信号并显示,且当噪声值超过预定阀值时,进行报警,同样是蜂鸣器响四声
三、存在的问题和拟解决方法目前,存在的主要问题是无线传输模块进行对信号的收发,暂时,只设计出了无线噪声监测系统发送端和接收端的电路图,也查阅了很多无线通信方面的资料,且本次设计中用到的无线传输模块是nRF24L01,对此芯片的功能与如何应用有了大概的了解,但是还没有编程,无法进行无线通信,还实现不了无线噪声监测的功能后期要做的工作主要就是对无线模块进行编程,并调试运行,以得到想要的效果附录4燕山大学里仁学院本科毕业设计(论文)外文翻译课题名称家庭环境噪声检测系统设计与实现学院(系)里仁学院电子工程系年级专业电子信息工程10-3班学生姓名韩欢指导教师胡正平完成日期2014年6月6号基于MSP430单片机的液位测量仪设计摘要本文介绍了基于MSP430系列单片机的液位测量仪的组成、原理、硬件及软件设计,并介绍了多路复用测量和控制仪器对页面测量和控制该系统由压力传感器、信号处理电路、电磁阀、输出驱动电路、汉字液晶显示器、键盘、光报警电路和MSP430MCU组成,实现了液位自动监测和自动报警功能关键词液位测量;主从通信;MSP430SCM;V/F转换器中国图书分类TP273文献标示码B1.前言测量和控制仪表的液位表属于智能仪表,是20世纪70年代开发成功的这是一个智能的可综合测量和可控制相结合的产品,可在许多工业领域用于测量各种介质的液位例如石化、冶金、电工、电力、制药、环保产业该仪器可以测量液位,并计算出它的重量,所以它可以用来测量、控制液体静态、动态地品种,还有全球报警功能2.系统设计2.1液位传感器的选择有各种各样的传感器可以用于液位测量,例如压力传感器、超声波传感器、浮动式传感器等系统设计不仅需要实现测量液位的功能,还要探测出液体的重量在实验中,检测液体的重量P是直接通过计算获得,这是为液体公分,是圆的面积,是液体密度因此,用1厘米的液体测量结构系统来提高测量液位重量的测量精度此外,我们认为,压力传感器接口电路比超声波传感器容易,所以我们决定采用压力传感器2.2MSP430系列单片机低功耗16位的MSP430单片机,具有典型特征的SOC,是大量的外围集成设备特别是微调波特率内部集成器件,它可以使任何单片机晶体振荡器工作在32768Hz以上但不超出晶体振荡器上限,其通信频率的选择没有小数限制,也就是说,它可以使用许可频带率范围内的晶体振荡器工作在任何的频率值此外,MSP430单片机内部集成有温度传感器,因此它可以很方便的实现对压力传感器测量液位的温度补偿此外,MSP430系列单片机针对不同的模块有不同的应用和微控制器,还设计了电池供电,它可以工作很长时间2.3模拟信号转换技术因为执行单位是电磁圈,很容易产生电磁干扰,从而使系统必须有足够的抗干扰能力来保证工作有两种方法来提高系统的抗干扰能力一种方法是直接使用A/D转换模块,它的特点是它不需要外围电路,具有很快的采样率,但抗干扰能力差另一种方法是用V/F转换实现A/D转换由于V/F转换利用电容电荷平衡的原则,实现电压到频率的转换,因此,该方法具有较好的稳定性,更高的分辨率,更少的信号线,易于实现光电隔离,提高系统抗干扰能力,但转换速度较慢通过比较和分析,我们认为,压力信号是一个缓慢的信号,一般不必使用快速采样,为了使系统具有较高的抗干扰能力,所以我们选择使用V/F转换器这个选择又更容易计算和处理,可以实现应用的测量精度等级要求,且易于实现实时控制3.系统总体结构及工作原理整个系统是由单片机主机系统、传感器信号处理电路、光电报警电路、键盘、液晶显示、功率模块和通信模块等组成系统数据总线接口P1的作用是把输出的V/F信号转换为中断请求信号和连接电路,单片机的P
2.4,P
2.6,P
2.7引脚分别控制执行单元的电磁阀信号、输入和输出电磁阀开关引脚P
2.5控制光报警电路的信号键盘接口电路、单片机控制和六针系统的按键,通过P
3.0,P
3.1和P
3.2引脚控制74HC245系统输出信号、数据和控制信号LCD液晶汉字界面通过P
3.0和P
3.3引脚控制P
3.4和P
3.5作为单片机串行通信的数据总线,并连接到节点之间的通信电路之间提供从网络主站点和串行通信电源模块系统可以生成
3.3V,+5V和-5V的电压值,可以为接口电路主机系统和传感器提供稳定的工作电压该系统通过压力传感器对液体压力进行数据采集,在V/F转换模块中对液面高度和液体的重量实现高精度测量,该系统在液位超越报警电路时自动进行光学报警用户可以通过输入和输出来设定上下限液位,通过使用液体体积一些参数,使液面保持在设定值该系统可在容器液位液晶显示器上显示上下限液位,液位的重量主站点可以控制任何从站点,同时完成八个从站点和主站点之间的通信主站点有该系统的整体功能,可设置上下所有从站点液位限制当它在检测电路时,主站点可以任意设置从站点数量和从站点液位的高度主站点可以进行光报警,并显示从站点的数量,当发现从站点液面超过主站点设定值时发出报警同时,主站点通过通信模块接收从站点传输的数量和液位报警信号,控制从站点的信息,并执行自动报警和解除从站点的数量可以任意设定该系统实时显示在工作环境中的时间和温度4.系统硬件电路设计4.1V/F转换电路设计见图2,输入电压从引脚7输入,通过射频追随者的LM331,电阻RD7可以抵消漂移引脚6的影响,减少频率误差RD13选择51K抗性CD1滤波电容器来减少以RD10,RD11,CD2引起的LM331的误差偏差逐步改变引脚6和引脚7的输入输入电业阶跃变化将导致输出频率变化,如果CD3大于CD1系统将立即停止电阻和电容的引脚6针会产生滞后效应,以获得疯抢的线性关系图2V/F转换电路4.2液体检测和控制电路该系统通过压力传感器采集的数据信号,用运算放大器放大信号放大后的信号传送到V/F转换进行电压频率转换,输出频率信号作为中断请求传给单片机的P
2.4引脚,并将其转化为页面位置,并根据设定液面的上下限可以控制相应的电磁阀,保持液面高度与设定值一致通过LED灯方便调试观察电路每个电磁阀的工作状态,并表明,目前的工作是输出液阀或输入液阀该控制电路见图3图3液体检测和控制电路4.3光报警电路设计在光报警电路是由三极管,发光二极管,电阻,电容和蜂鸣器组成液位测量值超过预定值时,单片机将发出报警当LED点亮后,接受报警信号,蜂鸣器会产生光声探测报警5.系统硬件设计系统硬件结构模块可划分为六大模块,即系统初始化模块,液晶显示模块,按键识别和处理模块,液位检测和控制模块,与主站点和从站点通信模块和时间环境温度检测模块设置参数以初始化系统模块,这是显示缓冲,堆栈指针,操作标志和登记工作,每一个I/O端口,系统定时器模块和通信模块的终端设置等键盘模块负责识别和处理,通过按键调用相应的处理子程序进行处理工作,实现设置输入和输出液量及上下限报警极限,可以手动通过按键控制每一电磁阀当液体超过报警限时,该系统将调用液位检测和控制模块进行相应的控制,并作出相应的电磁阀的行为通过使用通讯模块主站点,系统将自动检测和控制发送相关的数据和控制参数每个从站点的现场检测和控制会拦截主站点发动不正常数据,并会马上处理6.结束该仪器可广泛应用于测量水,油,酸,酒和饮料等液面的高低它可以自动根据输入和输出的液体设定上下限液位阀值,并具有多种在线功能它具有性能稳定的优点,具有体积小,测量和控制准确,灵敏,安装和使用安全方便,并具有低功耗的特点目前,该仪器已投入食品企业16位SCMMSP430具有较高的性能和在低功率系统中比8-15位系列单片机更好用测量的方法非常简单,而且精度高,拥有很广的范围,具有重量和主从在线模型的功能DesignoftheMeasuringInstrumenttotheliquidlevelBasedonMSP430SCMYANGXIAOJINGWANGZHIQIANGCHENPINGAbstract:ThispaperintroducedthecomponentsprincipleandthehardwareandsoftwaredesignofthemultiplexingmeasuringandcontrolinstrumenttotheliquidlevelthatisbasedonMSP430SCM.ThissystemismadeofpressuresensorsignalprocessingcircuitelectromagneticvalveoutputdrivingcircuitChinesecharacterLCDkeyboardopticalarmcircuitandMSP430MCUandrealizedLiquidlevelautomaticmonitoroutrangealarmandonlinefunction.Keywords:LiquidlevelmeasurementMaster-slavecommunicationMSP430SCMV/FconvertClassnumberbyChineseLibraryClassification:TP273Literatureidentificationcode:B1PrefaceThemeasuringandcontrolinstrumenttotheliquidlevelbelongtoIntelligentInstrumentaninstrumenthaveusedmicroprocessorhaddevelopedin1970s.Itsanintelligentproductthatintegratedmeasuringandcontrolwhichcanbeusedinmanyindustryareastomeasuringallkindsofmediasliquidlevel.Forexamplepetrolchemistrymetallurgyelec.powerindustrypharmaceuticsenvironmentalprotectionindustry.Thisinstrumentcanmeasureliquidlevelintankandcancalculateitsweightsothatitcanbeusedformeasuringandcontrollingvarietiesliquidstaticallyanddynamicallyitalsohasoutrangealarmandonlinefunction.2SystemDesign
2.1choiceofliquidlevelsensorTherearevarioussensorscanbeadoptedatliquidlevelmeasurementforinstancepressuresensorultrasonicsensorfloat-typesensorandsoon.Systemdesignrequiresrealizingnotonlymeasureliquidlevelbutalsodetectingliquidweight.InthetankdetectliquidweightPcandirectlygainthroughcalculatethatisisliquidheightCMiscircleareaisliquidproportion.Forthisreasononlytoimprovetheresolutionofliquidmeasurementcanguaranteeaccuracyofliquidweightmeasurementtheresolutionofliquidmeasurementis1cminthissystem.Inadditionweconsideredthattheinterfacecircuitofpressuresensoriseasierthanultrasonicsensorsowedeterminedadoptpressuresensor.
2.2MSP430SCMMSP430SCMislow-power16bitSCMhastypicalcharacteristicofSOCintegratedlotsofperipheraldevices.Especiallyintegrateddeviceoffine-tunebaudrateinsideitcanmakewheneverMCUworksatanyvalueofcrystaloscillatorabove32768HZbutdoesntbeyondtheupperlimitofcrystaloscillatoritschoiceofcommunicationbandratecanmakebandratefactorusedecimalwithoutrestrictionthatisitcanuseanyfrequencyvalueofcrystaloscillatorinpermittedrangeofbandrate.MoreoverMSP430MCUintegratedtemperaturesensorinsidesoitcanberealizetemperaturecompensationtopressuresensorusedbyliquidlevelmeasurementconveniently.FurtherMSP430seriesSCMweremadeupofdifferentmodulesagainstdifferentapplicationandthemicrocontrollersweredesignedpoweredbybatteryanditcanworkedlongtime.
2.3ConvertTechnologyofAnalogSignalBecauseexecuteunitofsystemiselectromagneticvalveiteasilytogenerateelectromagneticinterferencesothatthesystemmusthasenoughanti-interferencecapacitytoguaranteereliablework.Therearetwowaystoimproveanti-interferencecapacityofsystem:OnewayisuseA/DconverterofMCUdirectlythatcharacteristicisitdoesntneedperipheralcircuitsandhasfastersamplingratebuthasworseanti-interferencecapacity.AnotherwayisuseV/FconvertertorealizeA/Dtransformation.BecauseofV/Fconverterutilizeelectricalchargebalanceprincipleofintegralcapacitancetorealizevoltage-to-frequencyconvertsothatthiswayhasbetterstabilityhigherresolutionfewersignalwireeasytorealizephotoelectricisolatetoimproveanti-interferencecapacityofsystembuthasslowertransformationspeed.Weconsiderthatpressuresignalisaslowlysignalusuallyneedntrapidsampling.Letsystemhashigheranti-interferencecapacitychooseuseV/Fconvertertorealizeprocesstopressuresignalthroughcomparedandanalyzed.Thischoicehaseasiercalculateandprocesscanachieveapplyrequirementinmeasurementaccuracylevelandeasiertorealizerealtimecontrol.3SystemGeneralStructuresandPrincipleThewholesystemismadeupofSCMhostsystemsensorsignalprocessingcircuitliquidcontrolcircuitopticalarmcircuitkeyboardliquidcrystaldisplaypowermoduleandcommunicationmoduleetc..P1interfaceactasdatabusofsystemoutputsignalofV/FconvertcircuitasinterruptrequestsignalandlinktoP
2.4pinofSCMP
2.6pinandP
2.7pinactascontrolsignalofexecuteunitelectromagneticvalvecontrolinputliquidandoutputliquidelectromagneticvalveseparately.ControlsignalofopticalarmcircuitisP
2.5pin.KeyboardinterfacecircuitlinkedtoSCMtocontrolsixkeystrokeofsystemthroughP
3.0pinP
3.1pinandP
3.2pin.Systemoutputsignalto74HC245fordatainterfaceofChinesecharacterLCDthroughP
3.0pinandP
3.3pinandP
3.0pinandP
3.3pinascontrolsignalofLCD.P
3.4和P
3.5actasserialcommunicationdatabusofSCMandconnectedtonodeacrosscommunicationcircuittoprovideserialcommunicationbetweenMastersiteandslavesite.Powermoduleofsystemcangenerate
3.3V+5Vand-5Vvoltagevaluecanprovidedstabileworkvoltagevalueforhostsystemandsensorinterfacecircuitseparately.ThesystemcarriesoutdatagatheringofliquidpressurethroughpressuresensortorealizehighaccuracymeasurementafterV/Fconvertmoduledemarcateliquidlevelheightandliquidweigh.Thesystemwillstartalarmcircuitcarryoutopticalarmautomaticallywhenliquidlevelinvesselbeyondsetpoint.Usercansetupperandlowerlimitofliquidlevelandsomeparametersaboutinputandoutputliquidvolumethroughusekeyboardtomakeliquidlevelinvesselkeepsetpoint.ThesystemcandisplayliquidlevelatpresentupperandlowerlimitofliquidlevelliquidweightinvesselatpresentandstateofinputandoutputliquidvalvethroughuselargescreenChinesecharacterLCD.Mastersitecancontrolanyoneofeightslavesitesandaccomplishsimultaneouslycommunicationbetweenmastersiteandslavesites.Themastersitehaswholefunctionofthissystemcansetupperandlowerlimitofliquidlevelofallslavesites.Whenitincircuitdetectingthemastersitecanarbitrarysetslavesiteamountandslavesitenumberandliquidlevelheightinslavesitevesselwhatneedquery.Themastersitecancarryoutopticalarmanddisplayslavesitenumberthatalarmedwhenliquidlevelofmastersiteandslavesitebeyondsetpoint.Atthesametimetheslavesitealsocantransferslavesitenumberandliquidlevelandalarmsignaltomastersitethroughcommunicationmoduleaccordingcommunicationprotocolandslavecanacceptcontrolinformationfrommastersiteandexecuteautomaticallyanditcanalarmedanddisarmedautomatically.Thenumberofslavesitescansetarbitrarily.Thissystemcansrealtimedisplaytimeandtemperatureinworkenvironment.4SystemHardwareCircuitDesign
4.1V/FconvertscircuitdesignSeeFigure2whichinputvoltageinputfrom7pinofLM331throughRFfollowerresistanceRD7canoffsetdriftimpactof6pintoreducefrequencyerror.RD13choose51KresistancesCD1asfilteringcapacitortoreducegainerrorofLM331anddeviationcausedbyRD10RD11CD
2.StepchangeofinputvoltagewillcausestepchangeofoutputfrequencywhenRCtimeconstantof6pinand7pinmatched.StepchangeofinputvoltagewillcauseoutputfrequencystopinstantlyifCD3islargerthanCD
1.Resistanceandcapacitorof6pinwillproducelaggingeffecttogainbetterlinearity.
4.2LiquidDetectingandControlCircuitThesystemgatherdatasignalthroughpressuresensorgatheringsignalamplifiedbyoperationamplifier.AmplifiedsignalsendintoV/Fconvertercarryoutvoltage-frequencyconvertoutputfrequencysignalworkedasinterruptrequestsignallinkedtoP
2.4pinofMCUandtransformitintoliquidlevelvalueafterprocessedandaccordingtosetpointofliquidlevelandupperandlowerlimitcancontrolcorrespondingelectromagneticvalvetokeepliquidheightwithsetpointconsistence.EveryelectromagneticvalvehassetworkstateLEDfordebugandobservescircuitconvenientlyandshowsthateitheroutputliquidvalveorinputliquidvalveisworkingatpresent.Thatcontrolcircuitseefigure
3.
4.3opticalarmcircuitdesignsTheopticalarmcircuitismadeupoftriodeLEDresistancecapacitorandbuzzer.SCMwillsoundthealarmwhenliquidlevelmeasurementvalueexceedsthesetpoint.TheLEDOUTwillbelightedafteracceptedalarmsignalandbuzzerwillsoundingtoproduceopticsoundalarm.5SystemHardwareDesignThesystemhardwaredesignbystructuremoduledivideintosixmodulesthatissysteminitializemoduleLCDdisplaymodulekeystrokerecognizeandprocessmoduleliquidleveldetectandcontrolmodulecommunicationmodulebetweenmastersiteandslavesitedetectingmoduleoftimeandenvironmenttemperature.ThesysteminitializemodulesetparametersforsystemwhicharedisplaybufferingstackpointoperationflagsandworkingregisterdirectionofeveryI/Oportsystemtimermodulecommunicationmoduleandsysteminterruptsettingandsoon.Thekeyboardmoduleisresponsibleforrecognizeandprocesskeystrokeanditwillcallcorrespondingkeystrokeprocessingsubroutinecarryoutprocessingworkwhenpresskeystroketorealizesettinginputandoutputliquidamountandupperandloweralarmlimitandcanmanuallycontroleveryelectromagneticvalvethroughpresskeystroke.Thesystemwillcallingliquidleveldetectingandcontrolmodulecarryoutcorrespondingcontrolwhenliquidexceedalarmlimitandwillmakecorrespondingelectromagneticvalveact.Whiledetectingandcontrollingautomaticallythesystemwillsendrelateddataandcontrolparametertomastersitethroughusecommunicationmodule.Whileeveryslavesitedetectingandcontrollingitwillinterceptwhethermastersitesendorderanddataornotconstantlyitwillprocessinstantlyifsendinto.6TheEndThisinstrumentcanwidelyapplytomeasureliquidlevelheightofwateroilacidliquorandbeverageetc.Itcancontrolinputandoutputliquidautomaticallyaccordingtosettingliquidlevelofupperandlowerlimitandhasthefunctionofmultipleonline.Ithassomeadvantagesofstabilityperformancehassmallersizemeasureandcontrolaccuratelyandsensitivelyinstallanduseconvenientlyandhaslowpower.Atpresentithasbeenputintouseofafoodenterprise.The16-bitSCMMSP430hashighperformanceandlowpowerusedinthesystemisabetterchoicetoreplace8-bit51seriesSCM.Thewayofmeasurementisverysimpleandhashighaccuracyhaswidelytestingrangeandhasfunctionsofweightandmaster-slaveonlinemodel.燕山大学毕业设计(论文)评审意见表指导教师评语态度(□认真、□较好、□一般、□较差);工作(□积极主动、□较主动、□不主动);设计工作量(□大、□较大、□一般、□较少);设计难度(□大、□较大、□一般、□较小);创新意识(□强、□较强、□一般);专业基础理论(□扎实、□较扎实、□一般、□较差)论文质量(□很高、□较高、□一般、□较差)(□出色的、□较好的、□基本上、□未能)完成毕业设计(论文)任务书所确定的任务(□同意、□不同意)参加答辩成绩指导教师签字年月日评阅人评语该生(□基本上、□一般地、□较好地、□很好地)完成了任务书所规定地研究(设计)任务,翻译资料、综述资料质量(□较好、□一般、□较差),论文撰写质量(□较好、□一般、□较差),设计(论文)的难度和工作量(□较大、□一般、□较小),(□同意、□不同意)该同学参加毕业论文答辩成绩评阅人签字年月日燕山大学毕业设计(论文)答辩委员会评语表答辩委员会评语该同学在毕业设计中,(□出色的、□较好的、□基本上)完成了设计任务设计方案(□合理、□较合理、□基本合理、□错误较多);创新性(□很好、□较好、□一般、□较差);完成质量(□很好、□较好、□一般、□较差);论文撰写(□规范、□较为规范、□一般、□较差);答辩过程中(□正确、□较为正确、□基本正确、□未能正确)地回答老师提出的问题综上所述,该生(□具有扎实的基础理论知识和正确运用知识解决问题的能力□具有较好的基础理论知识和正确运用知识解决问题的能力□基本掌握了本专业的基础理论知识并能运用所学知识解决问题□在基础理论知识和正确运用专业知识解决问题方面基本上达到了本科生的毕业要求□未能掌握本专业的基础理论知识、不具备运用所学知识解决问题的能力)答辩委员会一致同意该同学毕业设计成绩为(□优秀、□良好、□中等、□及格、□不及格)总成绩答辩委员会主席签字年月日51单片机LCD显示屏声音传感器复位模块电源供电模块nRF24L01发送端51单片机LCD显示屏报警模块复位模块电源供电模块nRF24L01接收端P
1.7P
1.0P
1.2P
1.4P0口单片机模数转换器数据存储器中断系统SPI驱动P
3.2无线传输发送模块数据采集模块显示模块P
2.4P
1.0P
1.2P
1.4P0口单片机数据存储器中断系统SPI驱动P
3.2无线传输接收模块报警模块显示模块否是1602初始化NRF24L01初始化A/D转换初始化启动AD转换,读取结果获取噪声值的每一位显示噪声值发送噪声值数据数据是否发送成功继续发送是是1602初始化NRF24L01初始化配置接收模式启动接收是否收到数据点亮LED,读取噪声值显示噪声值否是否超过预定值启动报警否。