基于无线环境监测系统的设计.doc
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1、 编号 淮安信息职业技术学院毕业论文题目基于ATmega16无线环境监测系统的设计学生姓名胡海洋学 号系 部电子工程学院专 业电子信息工程技术班 级指导教师杜锋 顾问教师二一二年六月摘 要设计一个无线环境监测系统,以ATmega16单片机为控制核心,制作一个终端和2个节点,整个系统采用无线监测系统调制方式,终端能从节点获取节点的环境温度和光照信息,并且节点能够实现中继转发的功能。实践结果表明,该系统能够通过无线的方式对环境温度进行监测。环境监测是指通过对影响环境质量因素的代表值的测定,确定环境质量(或污染程度)及其变化趋势。随着科技的不断进步,特别是计算机技术和网络技术的不断发展,环境检测由经
2、典的化学分析向仪器与计算机和网络相结合的方式,实现了无线环境的检测。本文中设计了一个无线环境检测系统.以ATmega16单片机为控制核心实际制作一个终端和2个节点,终端能从节点获取节点的环境温度和光照信息,并且节点能够实现中继转发的功能。整个系统采用无线调制方式,收发都使用一个天线,终端发射信号时.将欲传输的信息通过串口输出的电平控制本振的开断从而实现无线调制,后级使用丙类功放发射,接收端节点将天线上的信号进行放大,然后倍压检波,通过自适应比较器解调出数据,最后再向终端回传环境信息。系统以ATmega16单片机作为终端和节点的主控芯片,光照探测山光敏电阻来实现,温度可由单片机内部自带的温度传感
3、器得到,数据的调制、接收采用串口通信,使用VU口来控制天线的收发模式。关键词:ATmega16单片机 1602液晶显示 无线温度传感目 录摘 要I第一章 绪论1第二章 总体设计方案32.1无线环境监测方案论证32.2无线环境监测系统框图3第三章 系统硬件设计53.1单片机最小系统电路设计53.1.1单片机的选型53.1.2 ATmega16 性能指标53.1.3 ATmega16的引脚53.1.4 ATmega16最小系统电路设计63.2显示电路设计73.2.1显示器件的选择73.2.2 1602管脚功能73.2.3 ATmega16与1602的接口电路83.3无线监测电路设计93.3.1 D
4、S18B20无线温度传感器93.3.2 DS18B20结构框图93.3.3 DS18B20无线温度传感器与单片机的接口电路103.4稳压电源电路设计113.4.1稳压电源电路框图113.4.2稳压电源工作原理12第四章 系统软件设计134.1系统软件设计分析134.2 ADC转换程序设计134.3 显示程序流程图14第五章 总结与展望15致 谢17参考文献19附录1 原理图21附录2 源程序23第一章 绪论近年来,随着无线传感器网络技术的迅猛发展,以及人们对于环境保护和环境监督提出的更高要求,越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感网络技术的研究。环境监测是指通过对影响环境质量
5、因素的代表值的测定,确定环境质量(或污染程度)及其变化趋势。随着科技的不断进步,特别是计算机技术和网络技术的不断发展,环境检测由经典的化学分析向仪器与计算机和网络相结合的方式,实现了无线环境的检测。本文中设计了一个无线环境检测系统.以ATmega16单片机为控制核心实际制作一个终端和2个节点,终端能从节点获取节点的环境温度和光照信息,并且节点能够实现中继转发的功能。无线传感器网络是由大量分布的不同规格和功能的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点,通过自组织的方式构成的一个以数据为中心的无线网络。大量传感器节点通过相互之间的分工协作,可实时感知、监测和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息
6、。在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有着重要的科研价值和实用价值,具有十分广阔的应用前景。在工农业生产中,对环境的温度和光照等参数常常会提出一些特殊的要求,甚至要求实现对温度和光照的实时监视和控制。该无线环境监测系统智能化程度高,可实现对周边环境温度和光照信息的探测,并实时显示数据,将采集到的数据进行保存和分析处理,每个探测节点可与监测终端进行无线传输。第二章 总体设计方案2.1无线环境监测方案论证方案一:由于本设计是环境监测电路,可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来,进行A
7、/D转换后,就可以用单片机进行数据的处理,在显示电路上,就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦。方案二:考虑到用无线温度传感器,在单片机电路设计中,大多都是使用无线传感器,所以这是非常容易想到的,所以可以采用一只温度传感器DS18B20,此传感器,可以很容易直接读取被测温度值,进行转换,就可以满足设计要求。从以上两种方案,很容易看出,采用方案二,电路比较简单,软件设计也比较简单,故采用了方案二。2.2无线环境监测系统框图无线环境监测总体设计方框图如图21所示,控制器采用单片机ATmega16,温度传感器采用DS18B20,用1602来实现温度显示。在整个系统
8、的设计过程中,终点和节点都需要一个主控芯片进行处理。主芯片选用ATmega16系列单片机。在信号调制方面采用了无线传感器调制方案。初始化调用显示子程序1S到?初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新ADC转换开始命令NYNY图2-1 主程序流程图第三章 系统硬件设计3.1单片机最小系统电路设计3.1.1单片机的选型ATmega16作为温度测试系统设计的核心器件。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。3.1.2 A
9、Tmega16 性能指标(1)高性能、低功耗的8位AVR微处理器(2)先进的RISC结构:32个8位通用工作寄存器(3)非易失性程序和数据存储器:可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密(4) JTAG 接口:支持扩展的片内调试功能(5)外设特点:两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器;两个可编程的串行USART(6)特殊的处理器特点:片内/片外中断源;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(7)I/0和封装:32个可编程的I/0口(8)工作电压:ATmega16L:2.7-5.5V;ATmega16:4.5
10、-5.5V(9)速度等级8MHz ATmega16L;0-16MHz ATmega16(10) ATmega16L在1MHz,3V,25时的功耗正常模式:1.1mA;空闲模式:0.35mA3.1.3 ATmega16的引脚ATmega16 的引脚图,如图3-1所示。图3-1 ATmega16 的引脚图3.1.4 ATmega16最小系统电路设计ATmega16单片机的最小硬件系统,包括:复位电路、晶振电路、AD转换滤波电路、串口电平转换电路、JTAG仿真接口,电源。ATmega16最小系统电路图,如图3-2所示。图3-2 ATmega16最小系统电路图ATmega16内置了上电复位设计,并且在
11、熔丝位里可以设置复位时的额外时间,故AVR外部的复位线路在上电路时,可以设计的很简单:直接拉一只10K的电阻到VCC即可(Rrst)。为了可靠复位,再加上一只0.1uF的电容(Crst)以消除干扰、杂波。IN4148(Drst)的作用有两个:(1)将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V左右;(2)系统断电时,将Rrst(10K)电阻短路,让Crst快速放电,从而当下一次通电时,能产生有效的复位。在AVR单片机工作期间,按下S-RST(复位按钮)开关再松开时,将在复位脚产生一个低电位的复位脉冲信号,触发AVR单片机复位。ATmega16还内置了RC振荡线路,可以产生1M、2M、4M、8M的振荡
12、频率。不过,内置的毕竟是RC振荡,在一些对时间参数要求较高的场合,比如有要使用AVR单片机的UART与其它的单片机系统或PC机通信时,为了实现高速可靠的通信,就需要比较精确时钟来产生精确的通信波特率,这时就要使用精度高的片外晶体振荡电路作为AVR单片机系统的工作时钟。3.2显示电路设计3.2.1显示器件的选择显示电路使用1602液晶显示模块,它有以下几个优点:(1)显示质量高:由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度,恒定发光,而不像阴极射线显示器那样需要不断刷新新亮点。因此,液晶显示器画质高且不会闪烁。(2)数字式接口:液晶显示器是数字式的,和单片机系统的接口更加简单可靠,
13、操作更加方便。(3)体积小、重量轻:通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来得到显示的目的,在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。(4)功耗低:液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上,因而耗电量比其它显示器要少得多。3.2.2 1602管脚功能1602的管脚图,如图3-3所示。图3-3 1602的管脚图1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线 。VCC(15脚)和地线GND(16脚),其控制原理与14脚的LCD完全一样,其中由表3.1可见。表3.1 引脚与功能引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源(+5V)3V0液晶显示器对
14、比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。4RSRS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线,高电平(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端,下降沿使能。7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位(最低位)8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位1
15、3DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位(最高位)(也是busy flag)15BLA背光电源正极16BLK背光 电源负极寄存器选择控制表,由表3.2可见 表3.2 寄存器选择控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器(清除屏等)01读busy flag(DB7),以及读取位址计数器(DB0DB6)值10写入数据寄存器(显示各字型等)11从数据寄存器读取数据注:关于E=H脉冲开始时初始化E为0,然后置E为1,再清0。busy flag(DB7):在此位为被清除为0时,LCD将无法再处理其他的指令要求。 3.2.3 ATmega16与1602的接口电路A
16、Tmega16与液晶模块1602的接口电路,如图3-4所示图3-4 液晶显示1602与ATmega16的接口电路3.3无线监测电路设计3.3.1 DS18B20无线温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下:(1)多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;(2)无须外部器件;(3)可通过数据线供电,电压范围为3.05.5;(4)零待机功耗;(5)温度以9或12位数字;(6)用户可
17、定义报警设置;(7)负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。3.3.2 DS18B20结构框图DS18B20采用3脚PR35封装,其框图如图3-5所示。DS18B201 2 3GND I/O VDD图3-5 PR35封装DS18B20有三个主要数字部件:1)64位激光ROM,2)温度无线传感器,3)非易失性温度报警触发器TH和TL。R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750 表3.3 DS18B20温度转换时间表由表3.3可见,DS18B20温度转换的时间比较长,而且分辨率越高,所需要的温度数据转换时间越长
18、。因此,在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。当符号位S=0时,表示测得的温度值为正值,可以直接将二进制位转换为十进制;当符号位S=1时,表示测得的温度值为负值,要先将补码变成原码,再计算十进制数值。DS18B20的测温原理是这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将55所对应的一个
19、基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中,计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念,因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为:初使化DS18B20(发复位脉冲)发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。3.3.3 DS18B20无线温度传感器与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式,如图3-6 所示单片机端口接单线总线,为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的
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