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灾害示警钟
灾害示警钟
赵飞卢孝文邓齐
摘要
本制作是以单片温度采集集成电路DS18B20和震动传感器(SW-556)为核心,采用高速MCS-51单片机AT89S52做为主控MCU,结合外部无线遥控模块(PT2262,PT2272),LCD液晶显示以及各辅助电路,实现了实时监控模拟地震与环境温度,并进行实时报警,同时还实现了记录报警时间的功能。
平时可以作为普通电子挂钟使用,并且可以实现无线调时。
本灾害示警钟具有性能优良,稳定可靠,操作界面友好的优点。
适合家庭、学校、工厂等方面使用。
关键词:
AT89S52;PT2262;PT2272;DB18B20;SW-556
目录
1设计背景1
2系统设计1
2.1总体设计1
2.2各部分方案比较与选择1
2.3方案整体论证4
3、硬件电路设计4
3.1单片机最小系统设计4
3.2电源模块设计5
3.3数据采集模块设计5
3.4无线传输及键盘模块6
3.5LCD显示模块设计8
3.6其它电路9
3.7总体电路10
4软件设计10
4.1主程序流程图11
4.2中断程序流程图11
4.3LCD液晶程序流程图12
4.4DS18B20流程图12
5应用前景13
6需改进的地方13
附录A使用说明14
附录B材料清单16
1设计背景
地震,火灾等自然灾害是人类不可避免的,它可以在瞬间将眼前的一切摧毁。
5.12特大地震使四川受到了难以预料的损失,如果可以人们提前有所准备,灾难所带来的损失必将大大减少。
针对此现象,我们依据现有的资源,开发出了一款低成本性能稳定的具有监测地震与火灾功能的电子示警钟,以确保人们的生命财产安全。
平时,此产品可以作为电子钟与温度计使用,为人们的日常工作,学习,出行带来方便。
2系统设计
2.1总体设计
本灾害示警钟可分解为四大部分,第一部分为传感器数据采集电路模块,实时监测周围环境温度以及震动情况。
一旦环境突变,感应信号发生变化,马上送入CPU进行处理;第二部分为显示模块,负责将外界得来的数据实时直观的显示出来,方便人们获取外来的信息;第三部分为人机交互(及无线控制模块),负责实现人对系统的控制作用;第四部分为单片机控制单元,负责对整个系统进行数据处理以及实现控制作用。
其系统结构框图如图1所示:
图1系统结构图
2.2各部分方案比较与选择
2.2.1传感器数据采集模块
根据系统结构框图的设计,传感器数据采集模块包含对温度和地震震动两种信号的采集。
由于设计基础环境条件的限制,在这里提出以下方案:
(1)两路信号分别采用模拟信号采集,其原理为:
通过采集来的模拟信号实行AD转换后送入CPU进行数据的处理后并显示,但考虑到震动数据采集的是模拟量,这方面的传感器价格大致都在2000~3000元左右,成本太高。
(2)两路信号直接读取单片集成传感芯片的数字信号进行处理。
此种方案的原理为:
单片集成数字传感芯片是一种比较先进的集成电路,基于单片集成数字芯片传感技术。
此芯片在采集数据方面相当准确,速度快,能直接与单片机进行通讯等一系列独特的优点。
在温度传感这方面的集成芯片相当成熟如DS18B20等,但在振动集成数字芯片传感技术显得还不够成熟基本上都要是采集的模拟数据,还需要经过AD转换才能送入单片机进行数据处理。
(3)方案的选择及论证
在现有的设计环境下,第一种方案和第二种方案,成本都太高,有些元器件不普遍且不易购买,而且需要外接辅助电路,增加了电路复杂程度。
由此,结合实际情况,提出第三种设计方案,温度信号采用单片集成传感芯片的数字信号进行处理,震动信号采用自制的振动传感器采集。
主要原理为:
利用单片集成数字芯片DS18B20与单片机进行信息交换。
这种方式不需要中间级电路,单片机能直接与其进行信息交换。
另一方面,利用自我的改良振动开关(SW-556)使其具备一旦周围有振动情况就产生报警信号的功能(输出低电平)。
与第一、二种方案比较,该方案最大的优点可以省掉外部AD转变换电路,降低电路复杂程度,成本较低。
因此,从实现的难易程度以及可行性分析,方案三可以实现外部数据的采集。
2.2.2显示模块
(1)数码管动态显示:
采用数码管显示具有显示清晰、亮度高、成本低廉等优点。
但也存在很多的缺点,例如耗电高、显示字符有限、还需外接驱动电路等。
(2)LCD液晶显示:
采用LCD液晶显示具有显示字符清晰、省电、显示内容多且齐全等优点。
但也存在一些缺点,如成本相对较高等。
(3)方案的选择
根据各自的优缺点以及自身作品的需要,采用第二种LCD(1602)液晶显示方案。
这样可以实现长时间的工作而节约电能,一方面显示内容更丰富,实现了温度、月、日、星期、以及时间的实时显示。
另一方面也实现了电路的简单化。
2.2.3人机交互
本设计利用无线控制模块实现人机交互,具体方案有:
(1)采用专用发射与接收模块:
利用配对的发送和接收芯片模块,如PT2262,P2272等,它们能同时传送四路数字信号。
但在传送距离上有一定的局限性。
(2)采用高频信号进行调制与发送:
待发送的数字信号通过2ASK或2PSK调制后转成高频载波信号,利用高频发射机进行发送;此信号被接收后,接收端进行对应的解调产生相应的数字信号送入单片机进行处理。
此电路由于工作在相当高的频率下,不易实现信号的同步;此电路非常复杂,且成本较高。
(3)方案的选择
在这里,选择方案1,即采用出厂时以做好配对的集成专用芯片PT2262与PT2272,其工作在415MHZ高频载波中的,此方案的电路及控制方式相对比较简单、技术容易实现。
2.2.4MCU主控模块
(1)采用MCS-51系列8位单片机控制系统
AT89S52、它是一款低功耗、高性能CM0S8位微控制器,具有8K字节在系统可编程Flash存储器。
它采用Atmel公司的高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52单片机能为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
另外,AT89S52单片机可降至0HZ静态逻辑操作,支持两种软件可选择节电模式。
(2)采用CPLD/FPGA控制系统
CPLD/FPGA具有高性能、高密度、电可擦除CMOS;集成度1250至5,000个PLD门,32至128个宏单元;具有可编程低功耗操作模式,可节省功耗;可提供确定的、与设计无关的高速度;宏单元可配置:
可编程极性、每个触发器可选择时钟;同步和异步器件;带有SP的器件支持JTAG,能够在系统可编程等特点。
(3)方案的选择
两种方案都可以实现系统要求,由于CPLD/FPGA的成本高,且电路复杂,也不太适合处理信息量较少的场合。
在这里则采用51单片机AT89S52控制系统,其电路简单可靠,成本相对较低。
2.3方案整体论证
根据对各部分电路的选择,可以得到以下系统框图:
图2系统框图
电子示警钟是以DS18B20温度专用芯片作为温度数据采集,DS18B20是一款性能优良的温度传感芯片通过单片机向其发送温度转换指令能和单片机直接进行数据交换;以自制的震动传感器作为震动动情况的监测。
一旦有振动情况的产生及产生报警信号,此两种传感器能对周围环境进行实时的监测,例如火灾报警,地震报警等多种功能。
在没有报警信号产生时LCD上显示的是当前时间与当前环境温度,此时可以通过遥控模块对其进行调时以及对各种报警信号的复位故取名为灾害示警钟。
无线传输模块是由PT2262与PT2272构成无线数据的发送。
3、硬件电路设计
3.1单片机最小系统设计
AT89S52单片机要实现正常工作,要求有+5V电源供电,振荡电路、复位电路。
本设计采用9V电池降压、稳压后得到5V电压对其供电。
振荡电路则采用12MHZ的晶振和外部电路加以实现。
复位电路则采用高低电平的转化来实现。
本设计,单片机晶振采用经典的12MHZ晶振,复位电路采用的是手动复位。
其电路图如下:
图3单片机最小系统
3.2电源模块设计
整个系统只需要+5V输出,因此我们采用9V电池进行供电,采用集成稳压芯片7805,其输出电压直接供给单片机,性能稳定不受外界干扰。
电路图如下:
图4电源电路
3.3数据采集模块设计
在本设计中,单片机AT89S52通过P2端口P2^0、P2^1分别与温度传感器、震动传感开关SW-556的信号输出管脚相连。
DS18B20温度传感、SW-556震动传感模块与单片机接口电路如下:
图5DS18B20温度传感、SW-556震动传感模块电路图
DS18B20有两种供电方式:
寄身电源和外部电源。
由于寄身电源简单说起来就是从单数据线中“窃取”电源,在信号线外高电平时,把能量存储在内部的电容器中,在信号线为低电平时断开此电源,直到信号线上变为高电平重新接上寄身(电容)电源为止。
但为了数据采集精确并且使温度采集系统可靠,这里我们直接将其电源脚与电源相连,实行实时供电原则。
根据以上特点以及注意事项,将DS18B20电源线直接与电源相连,数据线则直接和单片机的P2.0引脚相连实现通信。
图6自制震动传感器实物图
上图为自制震动传感器,震动传输模块以SW-556震动开关为基础,进行修改,使其性能更加灵敏。
我们把该震动开关固定在一弹性较强的金属丝上,若周围发生震动,此装置这可以传出信号送往单片机进行处理。
当外部出现震动情况时立刻将输出引脚拉低至低电平,此时当单片机检测到低电平时即产生报警信号。
3.4无线传输及键盘模块
无线传输及键盘模块电路如下:
图7无线传输以及键盘模块电路图
图8无线接收模块实物图(PT2272)
图9无线发送模块实物图(PT2262)
无线传输以及键盘模块主要是用来对单片机产生报警信号的复位以及单片机工作在非报警情况下的时钟调时。
无线遥控模块是为方便用户在无需接近墙上的多功能电子钟时就能对其进行调时,以及无线的报警复位的功能,无线传输模块是由PT2262与PT2272构成无线数据的发送与接收,其工作原理为:
只要将两种芯片的地址编码相对应(此处出厂时地址编码就已经设置好了),其输出模块输出的数据就会与输入模块输入的数据相对应,PT2272输出的是TTL电平也能与单片机进行直接通讯,由于考虑到驱动能力与单片机对低电平比较敏感,故在接入单片机之前利用74LS04进行反向驱动。
3.5LCD显示模块设计
根据设计要求对温度、时间均以字母或数字的形式来显示,故选用LCD1602。
LCD1602具有操作简单,操作时序容易实现,能显示数字以及字母等特殊字(能同时显示16*2字符)。
LCD1602的数据脚与单片机的P1口线连接,P3.0-P3.1与液晶显示器的信号控制端相连。
图10LCD液晶显示电路图
图11LCD液晶显示实物图
3.6其它电路
其它电路主要包括报警电路、限流以及驱动等。
以下为报警电路图。
图12报警电路
3.7总体电路
图13单片机控制系统图
4软件设计
软件的主要实现的功能包括:
人机交互,控制DS18B20芯片温度转换,LCD液晶显示及数据处理,采集外部震动输出脉冲以及定时器的控制。
其中,最核心的功能是控制DS18B20芯片进行温度转换与扫描震动输出脉冲,为实现方便,这里采用单总线方式对DS18B20进行控制,为了达到较为精确的输出温度显示,对其精确到小数点第二位,并运用定时器中断对DS18B20芯片进行定时的信息提取,人机交互采用简洁的界面,可以直接对震动,温度等产生的报警信号进行复位以及对时钟进行调时。
经过综合考虑,分为这几个模块进行编写:
中断模块,LCD模块,DS18B20模块,主程序模块。
4.1主程序流程图如下:
图14主系统程序流程
4.2中断程序流程图如下:
图15中断程序流程
4.3LCD液晶程序流程图如下:
图16LCD显示程序流程
4.4DS18B20流程图如下:
图17DS18B20程序流程
5应用前景
经自身试用结果表明,本灾害警示钟特别适合家庭、学校、工厂等方面使用。
能为人们提供生命财产安全方面的帮助,它具有性能优良,稳定可靠,操作界面友好等优点。
使用起来也非常方便,只需遥控器一按,功能轻松实现,并在使用时不存在安全方面的问题。
是一款不错的电子产品。
6需改进的地方
在测试地震方面;通过高分辨率AD结合高灵敏度的震动传感器进行地震震级的测量。
或通过高速FPGA结合嵌入式锁相环技术,用以捕捉地震的横波与纵波,计算出时间差,从而达到提前几秒报警的目的。
在火灾方面:
增加烟雾报警功能,提高火灾报警的能力。
在报警系统方面:
外加语音芯片随时报告当前温度与时间。
与互联网相连进行网络报警。
附录A使用说明
将示警钟固定在墙上,抽出天线。
按下电源开关键,当液晶屏幕亮后按下复位键,使示警钟开始工作。
当示警钟挂到墙上出现报警时不方便对它控制,可以用无线遥控来完成,如图,遥控器A键为复位键,B键为选择切换键,CD为目标加减键。
当出现报警时示警钟挂在墙上不方便复位时,可以直接按遥控器上的复位A键直接复位;
(1)当DS18B20温度传感周围温度升高到45摄氏度以上或下降到5摄氏度以下后,经过毫秒级的分析时间,单片机对其采集的温度进行数据处理,处理完毕及发出报警信号。
这时就用无线遥控复位。
只要环境温度低于45摄氏度高于5摄氏度按下复位(A键)后则示警钟不在报警。
(2)当示警钟所挂的墙体发生轻微抖动时,则震动传感器开始工作,送单片机出来,并发出报警信号。
当所在环境不在抖动时按下复位键则不再报警。
(3)发出报警信号后,LCD显示时间则马上禁止,记录报警的时间。
当按下复位键时时间恢复当前的准确时间。
当要出现调时的时候,按下选择键B键,选择要调试的秒、分、时、日(星期)、月。
如要调整时间为5月12日14时28分29秒。
操作如下:
(1)按下选择键(B),选择秒位,按下目标加(C)或者是目标减(D)使秒位数字显示29.
(2)秒位确定后,再按下选择键(B),选择分位,按下目标加(C)或者是目标减(D)使分位的数字显示28.
按照相同的方法调整月、日(星期)、时、分。
最终达到调时的目的。
附录B材料清单
名称
型号
数量
51单片机
ATM-AT89S52
1块
晶振
12MHZ
1个
三级管
S8050
2只
稳压管
LM7805
1只
温度传感器
DS18B20
1只
震动传感器
SW-556
1只
无线传输模块
PT2262M4
1块
无线接收模块
PT2272M4
1块
反相器
74LS74
1块
瓷片电容
20pf
2片
电解电容
10uf
1个
排阻
8*10K
1块
排针
8*1针+16*1针
5块
喇叭
蜂鸣器
1只
按键
防抖按键
3只
开关
复位/电源开关
2只
天线
拉杆天线
1根
9V电池
1块
液晶显示块
LCD1602
1块
发光二极管
红/绿
1只+3只
万用板
1块
总计费用243.7元
参考文献
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[8]黄智伟.单片无线数据通信IC原理与应用 .北京航天航空大学出版社
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