传感器信息检测数据处理与软件设计毕业论文.doc

四川理工学院毕业论文四川理工学院毕业论文 传感器信息检测数据处理与软件设计学 生： 学 号：10021050113专 业：电子信息科学与技术班 级：2010.1指导教师： 四川理工学院自动化与电子信息系二O一四年四月3摘要本文主要研究利用传感器对目标信息进行检测，处理，分析以及利用Visual Basic（v b）进行界面软件设计和密码设置，以及设置报警状态下的情况以及正常情况下的状态，等等。文中首先介绍了传感器的发展以及未来在各个领域的应用，然后介绍了v b语言程序的应用历史和发展，以及利用v b进行程序和软件设计。本研究讲述了对信息的检测后对数据进行处理的过程，v b进行界面软件设计的过程和结果，因为传感器在未来的发展中可能会在更广的领域中运用，所以研究传感器对今后传感器的发展有重要意义。关键词：传感器；v b；界面软件；数据处理。ABSTRACT: This paper mainly studies the use of sensors to detect target confidence, handle . Analysis and the use of Visual Basic (VB below instead) interface software design, And use VB password settings, Also set up alarm state and normal state, etc. This paper firstly introduces the development and application of sensor in various fields, and then introduces the application of the history and development of VB program language, and the use of VB programming and software design. This study describes the process of information detection after processing the data, process and result of software design for v b ! Because the sensor may be used in more wide fields in the future development,so it has important significance for the future development of the sensor sensor.Key words: Sensor; Visual Basic; Interface software ;Data processing.目录第1章 概述11.1引言11.2传感器11.2.1传感器的历史11.2.2 新型传感器31.2.3 智能传感器41.2.4 新材料51.2.5 新工艺51.2.6 智能材料61.3 Visual Basic71.3.1 VB概要71.3.2 vb的发展81.4 本章小结8第2章 设计方案和步骤92.1引言92.2系统设计92.2.1 系统结构设计92.2.2 系统硬件设计102.2.3 传感器模块102.2.4 数据处理模块和无线通信模块112.2.5 电源模块122.3系统软件设计132.3.1系统软件结构图132.4.单片机报警电路设计152.4.1 理论分析152.4.2 系统硬件152.5本章小结21第3章 程序设计223.1 引言223.2报警电路设计223.2.1 声光报警电路223.2.2 总电路设计223.3软件实现243.3.1 .编程KEIL环境介绍243.3.2程序流程253.3.3 程序253.3.4 调试及测试方法263.4 VB软件设计283.4.1 简介283.4.2界面设计初步规划283.4.3控件设计283.4.4 程序303.5本章小结32第4章 设计心得33参考文献3433第1章 概述1.1引言本文主要研究传感器信息检测数据的处理和界面软件的设计，根据以下的几大要求来完成本课题，一，windows环境中完成本系统的界面程序设计；二，九位密码的设置；三，界面全部采用窗口画面；四，报警的界面上出现声光报警，其对象的背景颜色改变；五，巡回工作状态下正常数据的接收与显示以及报警状态下异常数据的接收与显示，数据的日存入程序；六，查询工作状态下数据的存取功能。本文要求需要利用单片机来对传感器的结果进行控制，本文围绕以上几大要求来展开研究，经过数月的潜心专研，最终得到令人满意的结果，由于传感器在将来的应用领域会越来越大，所以此次研究对于传感器的发展有重大意义.1.2传感器1.2.1传感器的历史今天，信息技术对社会发展信、科学进步起到了决定性的作用。现在信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理，而信息的采集离不开传感器技术。所以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋。 近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造，而且可导致建立新型工业，是21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上形成硅压力传感器(如上述EJX变送器)。 微电子机械加工技术，包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术(X光深层光刻、微电铸和微复制技术)、激光微加工技术和微型封装技术等。 MEMS的发展，把传感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度1。传感器的检测仪表，在微电子技术基础上，内置微处理器，或把微传感器和微处理器及相关集成电路(运算放大器、A/D或D/A、存贮器、网络通讯接口电路)等封装在一起完成了数字化、智能化、网络化、系统化。(注：MEMS技术还完成了微电动机或执行器等产品，将另作文介绍)网络化方面，目前主要是指采用多种现场总线和以太网(互联网)，这要按各行业的特点，选择其中的一种或多种，近年内最流行的有FF、Pro fibus、CAN、Lonworks、AS-Inter bus、TCP/IP等。 除MEMS外，新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳米技术，如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型量子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、多功能传感器等2。 多传感器数据融合技术正在形成热点，它形成于20世纪80年代，它不同于一般信号处理，也不同于单个或多个传感器的监测和测量，而是对基于多个传感器测量结果基础上的更高层次的综合决策过程。有鉴于传感器技术的微型化、智能化程度提高，在信息获取基础上，多种功能进一步集成以致于融合，这是必然的趋势，多传感器数据融合技术也促进了传感器技术的发展。 多传感器数据融合的定义概括：把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息3。其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层(像素层)融合、特征层融合、决策层(证据层)融合。由于它比单一传感器信息有如下优点，即容错性、互补性、实时性、经济性，所以逐步得到推广应用。应用领域除军事外，已适用于自动化技术、机器人、海洋监视、地震观测、建筑、空中交通管制、医学诊断、遥感技术等方面。 我国传感器产业要适应技术潮流，向国内外两个市场相结合的国际化方向发展，让传感器和检测仪表抓住信息化的发展机遇。 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。1.2.2 新型传感器新型传感器，大致应包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等诸方面7。它们之间是互相联系的。传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。其中利用量子力学诸效应研制的低灵敏阈传感器，用来检测微弱的信号，是发展新动向之一。新型传感器的开发这是发展高性能、高功能、低成本和小型化传感器的重要途径。制作此类传感器是利用各种物理、化学效应和定律。新型传感器层出不穷，如利用量子力学诸效应研制的高灵敏阀传感器，响应速度极快的红外传感器，光纤传感器等。高灵敏阀传感器可用来检测极微弱的信号，红外传感器是利用光子滞后效应制作的，有响应速度极快的优点1.2.3 智能传感器传感器集成化包括两种定义，一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图象传感器就属于这种情况6。集成化的另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。 随着集成化技术的发展，各类混合集成和单片集成式压力传感器相继出现，有的已经成为商品。集成化压力传感器有压阻式、电容式、等类型，其中压阻式集成化传感器发展快、应用广。 传感器的多功能化也是其发展方向之一。所谓多功能化的典型实例，美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅多维力传感器可以同时测量3个线速度、3个离心加速度(角速度)和3个角加速度。主要元件是由4个正确设计安装在一个基板上的悬臂梁组成的单片硅结构，9个正确布置在各个悬臂梁上的压阻敏感元件。多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。 把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。由上还可以看出，集成化对固态传感器带来了许多新的机会，同时它也是多功能化的基础。 传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，就称之为传感器的智能化。借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成智能传感器。可以说智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现将取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，可以肯定地说，是传感器重要的方向之一。1.2.4 新材料传感器材料是传感器技术的重要基础,是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步,传感器技术日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的开发,为传感器的发展提供了物质基础。例如,根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点,发展红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有机材料发展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密调配化学成分的基础上,经过高精度成型烧结,得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料,用于制成新型气体传感器。此外,高分子有机敏感材料,是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料,可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。传感器技术的不断发展,也促进了更新型材料的开发,如纳米材料等。美国NRC公司已开发出纳米ZrO2气体传感器,控制机动车辆尾气的排放,对净化环境效果很好,应用前景比较广阔。由于采用纳米材料制作的传感器,具有庞大的界面,能提供大量的气体通道,而且导通电阻很小,有利于传感器向微型化发展，随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。1.2.5 新工艺在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新兴传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积(CVD)、外延、扩散、腐蚀、光刻等，迄今已有大量采用上述工艺制成的传感器的国内外报道。1.2.6 智能材料智能材料是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数，研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。有人认为，具有下述功能的材料可称之为智能材料：具备对环境的判断可自适应功能；具备自诊断功能；具备自修复功能；具备自增强功能(或称时基功能)。 生物体材料的最突出特点是具有时基功能，因此这种传感器特性是微分型的，它对变分部分比较敏感。反之，长期处于某一环境并习惯了此环境，则灵敏度下降。一般说来，它能适应环境调节其灵敏度。除了生物体材料外，最引人注目的智能材料是形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物。 智能材料的探索工作刚刚开始，相信不久的将来会有很大的发展新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平 1.3 Visual Basic开发图形用户界面 (GUI) 的方法。不需编写大量代码去描述界面元素的外观和位置，而只要把预先建立的对象add到屏幕上的一点即可。如果已使用过诸如 Paint 之类的绘图程序，则实际上已掌握了创建用户界面的必要技巧。1.3.1 VB概要“Basic”指的是 BASIC (Beginners All-Purpose Symbolit Instruction Code) 语言，一种在计算技术发展史上应用得最为广泛的语言11。Visual Basic 在原有BASIC 语言的基础上进一步发展，至今包含了数百条语句、函数及关键词，其中很多和 Windows GUI 有直接关系。专业人员可以用 Visual Basic 实现其它任何 Windows 编程语言的功能，而初学者只要掌握几个关键词就可以建立实用的应用程序。 Visual Basic 不仅是 Visual Basic 编程语言。Visual Basic 编程系统,Microsoft Excel 的Applications Edition ,Microsoft Access和Windows的许多其他应用程序都使用这一语言。Visual Basic Scripting Edition (VBScript) 是广泛使用的脚本语言，它是 Visual Basic 语言的子集。这样，在学习 Visual Basic 中得到的经验可应用到所有这些领域中。 从开发个人使用或小组使用的小工具，到大型企业应用系统，甚至通过Internet 的遍及全球分布式应用程序，都可在 Visual Basic 提供的工具中各取所需。程序员可以分为很多种，像Unix程序员、Windows程序员，或是C+程序员、Delphi程序员，等等。这些技术是一名Web程序员应该具备的；但是，如果仅懂得这些，却只能叫做Asp程序员、J sp程序员，而不是真正意义上的Web程序员。现在的世界是属于Internet的，大部分的应用基于Internet，大家可以想想，像Yahoo、Microsoft、Amazon那样的网站，其访问量之大、应用之复杂，需要什么样的技术才可以支撑，这不仅仅是硬件的功劳。 1.3.2 vb的发展随着Windows操作系统的不断成熟，Visual Basic产品由10版升级到30版，此时 Visual Basic已初具规模了，利用它可以快速地编制各种应用程序，包括非常流行的多媒体应用程序和各种图形操作界面。在面向对象技术出现后，Microsoft迅速地把这一技术加入到了Visual Basic产品中。 Visual Basic 40还提供了强大的数据库管理能力，这使得它成为管理信息系统(MIS， Management Information System)的重要开发工具。 随着Intemet的迅猛发展，Microsoft的ActiveX技术出现了，并被不失时机地加入到 Visual Basic 50版本中(1997年)。在1998年，Microsoft推出了Visual Basic 60版本，这一版本使VB得到了很大的扩充和增强。它还引入了使用部件编程的概念，实际上这是对面向对象编程思想的扩展。迄今为止，Visual Basic已经发展成为快速应用程序开发(RAD，Rapid Application Development)工具的代表。1.4 本章小结本章主要介绍本次研究所需要的工具软件，首先讲述了传感器的运用，传感器在电子方面中不可或缺的地位，然后介绍了传感器的发展，经过，以及在不久的将来，传感器会往更广的领域发展，在以后的日常生活中越发离不开传感器，如工业生产，农业生产，以及宇宙探索等等，都要以传感器的必要的基础，所以本次介绍传感器是很有必要的。其次本章还简单的介绍了Visual Basic这个语言程序，因为本次研究需要界面软件设计，需要用到Visual Basic，所以，在本章就简单的介绍了Visual Basic，在后面的篇幅里将继续介绍vb的使用方法，以及本次研究所需要的程序。第2章 设计方案和步骤2.1引言目前，精准农业已成为我国农业发展的趋势，农田信息的及时准确获取是精准农业实施的基础。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。不但要耗费大量的人力，而且不能够做到实时监控，如果采用有线测控系统，则需要铺设光纤或者电缆，这样不但增加了成本，而且降低了系统的灵活性和可扩展性。随着传感器技术、无线通信技术及嵌入式技术的发展，孕育出了一种新的信息获取、传输、处理的智能网络无线传感器网络。无线传感器网络可以实时监测、感知和采集监控区域的信息，并将采集到的数据经处理后发送给终端用户。本章主要介绍在研究前对传感器的准备和初步设计，介绍了传感器的系统设计，传感器模块等等，本次研究的设计方案和步骤，在方案上尽量考虑最简捷，方便的方法，尽量能使用最简单的实验步骤，得出最令人满意的结果，由于本实验没有其他的对比方案，所以只需要按照所给要求一步一步的来完成即可，根据本题目给出的要求，选取最快捷的方法来完成研究是本次实验的主要宗旨。2.2系统设计 2.2.1 系统结构设计无线传感器网络的节点部署在监控领域，对感兴趣的数据进行采集、处理、融合，并通过主节点路由到基站，用户可以通过因特网进行查看、控制。其中，网关(基站)负责对各节点传感器数据的收集、处理及与外网的通信；传感器节点负责采集周围的信息，如温度、湿度等，同时还要兼具有路由功能，通过路由协议直接或者通过“多跳”的方式将数据传给网关，再借助临时建立的sink链路把整个区域内的数据传输到监控中心；监控中心主要负责将采集的数据进行综合计算得到所需的信息，并对各传感器节点进行管理。同时开发了客户端界面，方便用户对服务器的数据进行查询和控制，并能以图形的方式直观地显示出用户所需要的信息。2.2.2 系统硬件设计无线传感器网络节点总体架构由传感器模块、数据处理器模块、无线通信模块和电源模块4个部分组成。传感器模块负责环境信息的采集和数据转换，本系统主要是负责采集土壤温湿度传感器，传感器模块上还预留了数字和模拟接口，可以方便地扩展传感器的种类；数据处理模块负责控制整个传感器节点的存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，还要负责节点组网和数据路由选择以及系统功耗的控制等。数据处理模块的核心是高性能的ATmega1281处理器；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的所有电源。2.2.3 传感器模块传感器模块是节点的数据采集部分，根据实际需求，确定合适的传感器，系统采用温湿度传感器，并留有通用传感器扩展接口，传感器模块为独立电路板，通过51PIN连接器与主控模块电路板连接。 本系统采用的温湿度传感器为瑞士Sensirion公司生产的SHT10温湿度一体传感器。该传感器的特点是体积微小、功耗极低，两线数字输出，湿度测量范围：0100RH，湿度的测量精度为±4.5RH，温度测量范围：-40-+1238，在25时，温度的测量精度为±0.5，响应时间：8 s，可完全浸没。SHT10采用两条串行线(SCK，DATA)与处理器进行数据通信。SCK用于处理器、SHT10之间的通讯同步，串行数据(DATA)用于数据的读取，在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。SHT10完整的测量时序由启动传输时序、发布命令、等待测量完成、读回数据这四个部分组成。处理器用一组“启动传输”时序来发起一个通信过程。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平。在DATA为低电平期间，SCK变为低电平，再翻转为高电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。在“启动传输”时序之后，微控制器可以向SHT10发送命令。微控制器在发布一组湿度或者温度测量命令后，需要等待测量的结束，SHT10通过将DATA线拉低表示测量的完成。重新启动时钟线SCK读取测量结果时，2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验将被传送。为节能VDD接在处理器1281的PC0口，需采集数据时传感器上电，采集完数据传感器断电。2.2.4 数据处理模块和无线通信模块数据处理模块采用Atmel公司的低功耗ATmega1281芯片，该芯片具有片内256 kB的Flash存储器、8 kB的SRAM数据存储器(可外接扩展到64 kB)和4 kB的EPROM存储器。该芯片还有816通道的10位ADC，2个8位和4个16位硬件定时计数器，4个8位PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器，24个可编程串行USART、5186个可编程IO口线。SPI、I2C总线接口；可以采用JTAG编程和ISP编程两种方式。除正常工作模式外，ATmega1281还具有6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。因此ATmega1281非常适合于低能耗的应用场合。 无线通信模块采用AT86RF231芯片，该芯片是一款低功耗、低电压，SH接口，支持2.4GHZ IEEE802.15.4标准的无线收发芯片。AT86RF231通过SPI接口与处理器ATmega1281连接，通过串行输出(MOSI)和串行输入(MISO)进行数据读写操作，由串行时钟(SCK)控制读写操作。 数据处理模块、无线通信模块及外围设备的硬件连接如图2-1所示。传感器节点上设计528kB的串行FLASH存储器AT45DB041来完成信息在本节点的辅助存储功能。处理器通过UART接口与AT45DB041连接。通过TXD1和RXD1进行数据读写操作，由时钟(XCK1)控制读写操作。处理器通过3根通用IO引脚与温湿度传感器SHT10连接。软件控制IO引脚的电平来完成对SHT10的操作。处理器还预留了ADC模拟输入通道、IO接口、I2C接口到传感器扩展接口，对系统扩展其它传感器提供硬件支持。处理器ADC的PF0与系统电池电压检测电路连接，提供对系统电池剩余能量的检测。电源检测PC无线通信模块AT45DB041MOSMOSISCKRXD1TXD1 SPI接口UART接口 PF0UART接口ATmoga1281JTAGI2 C接口 I/O口I/O口DATAVDDSCK传感器扩展接口 SHTI0图2-1 硬件连接图2.2.5 电源模块节点的能量供应是节点工作的重要前提，如果供电不足，将会导致整个系统瘫痪。为延长节点的使用寿命，多种降低功耗的方法已经被提出，如：数据压缩技术和低功耗路由技术等，但任何降低功耗的方法都不能彻底解决节点寿命有限的问题。可再生能源的利用，如：太阳能、振动、潮汐和风能等的利用，被认为是解决上述问题的可行方案。对于室外系统，太阳能具有技术相对成熟，能量密度较大等优势，被认为是为节点提供额外能源的可行方法。上路是电源电路框图。分压器将33 V的稳压器输出电压降至275 V。比较器比较此值于电池的电压值。当阳光充足并且电池的电压低于275 V时，比较器打开开关，对电池充电。否则，当电池的电压等于或大于275 V时，开关关闭阻止充电过程。二极管用来阻止电流由电池流入太阳能电池板。2.3系统软件设计2.3.1系统软件结构图无线传感器网络采集监测区域内的数据，通过传输网络将各种传感数据传输到后台管理软件，后台管理软件对这些数据进行分析、处理、存储，以便获得相关信息，并对无线传感器网络的运行和监测区域内的环境状况进行监控。另外，后台管理软件也可以发起任务并通过传输网络告知WSN，以便完成特定的任务。这些功能主要是在应用程序服务器上实现，其结构如图2-2所示。数据库数据处理数据解析和打包串口通信图2-2系统软件结构图SYNC BYTETOS msgPacket TypeSYNC BYTECRCDataData LengthGroup IDMessage TypeMessage AddressTemperature.HumidityVoltageSequence NumberOrigin AddressSource Address图2-3TinyOS数据包格式表2-1温湿度数据表Point IDTemperatureHumidityCollectime123.034.0229.442.9129.343.1329.343.1429.243.2329.243.3129.243.3529.243.3系统通过串口接收到的温湿度数据如表2-1所示。无线传感器网络节点运行的是TinyOS操作系统，系统传递信息数据包帧格式如图2-3所示。每一帧用同步字节SYNC_BYTE(0x7E)包装。其中的负载数据TOS_mag是传感网络数据链路层所使用的数据包格式。信息中包括了目的节点地址、信息类型、信息长度、信息组别以及数据载荷等。其中，数据载荷Data是提供给用户的有效消息载体，包含为实现多跳路由功能而设置的源地址、数据采集节点地址及电压、湿度、温度等高层应用信息。基于当前无线传感器网络在农田信息采集中的应用现状，提出了体积小、成本低、低功耗、工作持续时间长的农田信息采集无线传感器网络节点的必要性。该系统利用无线收发设备传输数据，无需专门架线，系统结构简单，节省了人力物力，通过监控中心可实现对农田温湿度的监控等功能，实现真正意义上的无人值守，与普通无线技术相比，还具有低功耗、低成本和网络容量大等特点，为实现大规模农田监控的信息化、自动化、提高工作效率具有很高的实际应用价值。2.4.单片机报警电路设计2.4.1 理论分析此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的声光报警系统。80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。当周围的环境达到我们设定的数值时，声光传感器把被测的物理量作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同4。通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定会由P2.0作为单片机的输出直接启动报警电路。此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。2.4.2 系统硬件 主控电路设计：硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较8。整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。 80C51的基本结构：（1）CPU系统 8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。（2）存储器系统 4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。（3）I/O口和其他动能单元 4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级）。 80C51单片机的的封装和引脚： 80C51系列单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（Quad Flat Pack）和LCC（Leaded Chip Caiier）形式封装。这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚，在这里不作详细介绍。80C51单片机的时钟：(1)振荡器和时钟电路80C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。80C51的时钟产生方法有以下两种。(a) 内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。 (b) 外部时钟方式此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。 表2-2为单片机外部时钟接入方法：表2-2 外部时钟接入芯片类型接线方法XTAL 1XTAL 2Hmos接地接片外时钟脉输入端（引脚需接上拉电阻）Ghmos接片外时钟脉冲输入端悬空80C51单片机的复位：在整个声光报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。上电复位利用电容器的充电实现。图2-4是80C51单片机的上电+复位电路。图中给出了复位电路参数。图2-5是80C51单片机的上电+按键复位电路。上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机