《信息工程学院毕业设计论文智能无线火灾监控系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信息工程学院毕业设计论文智能无线火灾监控系统.docx（23页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、皖西学院本科毕业论文（设计）皖 西 学 院本科毕业论文（设计）论 文 题 目智能无线火灾监控系统 姓名（学号）吴丽林（2008011670） 系 别信息工程学院 专 业计算机科学与技术 导 师 姓 名王本有 二 一 二年 六 月智能无线火灾监控系统设计作 者吴丽林指导老师王本有 摘要： 本文介绍了基于nRF2401的智能无线火灾监控系统的详细设计，使用AT89C51单片机作为控制中心，包括温度传感器的硬件设计电路及软件模块、nRF2401的特性和串行通信等。本系统将温度传感器采集节点使用单片机采集数据通过串口和nRF2401模块传送到PC机上显示，监控区域直接与报警器与灭火器相连，当温度超过警
2、戒值时，报警器自动报警并启动灭火设备灭火。每个监控区域的都有一个自身的地址，地址与温度一起传输到PC机，监控中心的电脑对各个监控区域实时监测并显示地址和温度。可以通过监控中心的地址得出发生火灾的地点。实验证实了该系统具有很高的性能及实用性。关键字：nRF2401；温度传感器；数据采集；串行通信The Design of Intelligent Wireless Fire Monitoring System作 者吴丽林指导老师王本有AuthorWu LilinInstructorWang BenyouAbstract：This article introduced based on the nR
3、F2401intelligent wireless fire monitoring system for the detailed design, the use of AT89C51 microcontroller as the control center, including the temperature sensor hardware circuit design and software module, the characteristics of nRF2401and serial communication. The system will be a temperature s
4、ensor to collect node data collected through the MCU and nRF2401through the serial port to send to the PC machine and display, monitor area directly with the alarm is connected with a fire extinguisher, when the temperature exceeds the warning value, the alarm automatic alarm and start the fire exti
5、nguishing equipment fire. Each control area has a its own address, address along with temperature is transmitted to the PC machine, monitoring center computer to each monitor real-time monitoring and display the address and temperature. Through the monitoring center address that know fire place. The
6、 experiment proved that the system has high performance and practicality.Key words:nRF2401;Temperature sensor; Data acquisition;Serial communication目 录1 绪 论11.1 论文背景11.2 论文目的12 硬件设计12.1 系统整体设计12.2 监控区域模块22.2.1 单片机系统22.2.2 温度传感器DS18b2032.2.3 报警系统52.2.4 灭火处理系统62.3 监控中心模块72.4 无线数据传输模块nRF240183 系统软件设计10
7、3.1 软件任务分析103.2 温度采集子程序133.3 串行通信程序164 仿真测试175 设计小结19致 谢19参考文献201 绪 论1.1 论文背景随着人们生活水平的不断提高，人们对自身安全及财产安全也愈加重视。现代高科技技术的日益发展，城市化建设的不断加快，摩天大厦越来越多，大厦内部的火灾发生的频率越来越高。大厦火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。目前计算机网络与通信技术已经处于比较发达的地位，因而智能无线火灾监控系统在人们的日常生活中所扮演的角色越来越重要。它对于火灾的预防和减少火灾发生后的损失具有不可替代的
8、作用。1.2 论文目的 传统的火灾监控系统由于在监控区域布置大量的数据线路，在如今变得越来越不方便，无法实时报警和灭火。问题主要体现在两个方面：首先，传统的火灾监控系统一旦在火灾发生时，在监控区域的大量线路可能由于大火造成报警系统无法报警，灭火设备无法启动，导致火势变大，加重火灾的后果。其次，传统的监控系统需要布线，每增加一个监控区域所需要的成本大大增加，而且分布式是有限制的，造成监控不全面，可靠性下降。本文设计了嵌入式的智能无线火灾监控系统，无需布线，监控全面，可靠性高，安装方便，成本低廉。2 硬件设计2.1 系统整体设计本系统由两部分组成，监控中心和监控区域。监控区域采用模块化的设计，本模
9、块包括无线通信芯片nRF2401、温度传感器、微处理机、报警器和灭火器等设备，将各模块安装到大厦内的各个地方。该区域采用星型拓扑结构，以后可以很好的拓展，增加系统的监控模块。每个监控区域都有一个地址，监控区域的单片机将温度传感器采集到的数据和本身的地址通过nRF2401无线模块传送到监控中心，监控区域的单片机可以处理数据、报警和自动启动灭火设备。为了防止干扰，将输出端与单片机用光电隔离器隔离。监控中心由无线芯片nRF2401、微处理机和计算机组成，监控中心接受监控区域传输过来的温度数据和地址并在计算机中实时显示。若有火灾发生，则监控区域发出报警并通过单片机启动灭火设备。系统结构框图如图2-1所
10、示。nRF2401MCUDS18b20报警器nRF2401MCUPCnRF2401MCU报警器DS18b20灭火器灭火器 RS232RS232图2-1 系统框架图2.2 监控区域模块2.2.1 单片机系统本系统采用的微处理机是Atmel公司生产的AT89C51系列，其价格便宜、质量稳定、开发工具齐全。标准的8051结构如图2-2所示。从图2-2可以看出8x51为8位微控制器。程序存储器ROM内部有4KB，外部最多可扩展到64KB。数据存储器RAM内部有128B，外部最多可以扩展到64KB。8x51单片机有四组可位寻址的8位输入/输出端口，即P0、P1、P2和P3。一个全双工串行口UART。包含
11、两个16位定时器/计数器。还有五个中断源即INT0、INT1、T0、T1和TXD/RXD。在本系统设计中，使用AT89C51单片的P1.0接口连接温度传感器DS18b20，P1.4接口连接灭火设备，报警器通过P1.7接口来控制，串口通信使用的是TXD与RXD两个接口即P3.0与P3.1。 T0 T1cpu时钟电路ROMRAM定时/计数器并行接口串行接口中断系统INT0 INT1TXD RXD P0 P1 P2 P3 图2-2 MCS-51内部基本结构图 AT89C51单片机采用40个引脚双并排的直插型PDIP40，引脚如图2-3所示。2.2.2 温度传感器DS18b20 本系统采用的是单总线数
12、字温度传感器DS18b20，它可以传送时钟又可以传输数据，并且是双向传输数据。这种设计电路简单，成本较低，便于扩展与维护。每一个DS18b20在出厂时已经给定了唯一的序列号，因而任意多个传感器连接在同一条单线总线上，可以在不同的地方放置。DS18b20的测量范 围从-55到+125摄氏度。 图2-3 AT89C51引脚图 DS18b20的工作过程协议如下：（1）初始化：单总线上所有数据处理均从初始化开始。（2）ROM操作指令：主机检测到18b20的存在，主机便发出ROM操作命令之一，命令包括：Read ROM 33H、Match ROM 55H、Skip ROM CCH、Search ROM
13、F0H、Alarm search ECH。（3）存储器操作命令，包括：Write Scratchpad(写暂存存储器) 4EH、Read Scratchpad(读暂存存储器)BEH、Copy Scratchpad(复制暂存存储器) 48H、Convert Temperature(温度变换) 44H、Recall EPROM(重新调出) B8H、Read Power supply(读电源) B4H。主机使用时间隙来读写DS18b20的数据位和写命令字位。初始化时序如图2-4所示15us-60us480us400us-960us60us-240ust0t1t2 t3 t4图2-4 DS18b20初
14、始化时序写时间隙如图2-5所示 60us60us15us1us45us1ust015us-60us t1 t0 15ust1DS18b20写0时序 DS18b20写1时序图2-5 DS18b20写时序读时间隙如下图2-5所示 主机起作用 DS18b20起作用 上拉电阻器作用60us1us15us t0 t1 t2 t3图2-5 DS18b20读时序图2-6 DS18b20与AT89C511的连接电路图2.2.3 报警系统 监控区域的单片机直接与报警设备相连接，单片机对温度传感器所采集的温度数据进行分析，当温度超过警戒线时便发出报警。报警系统的电路图如图2-7所示。图2-7 报警系统电路图2.2
15、.4 灭火处理系统 为了能及时对发生的火灾进行灭火处理，将灭火设备直接与监控区域的单片机直接连接，单片机处理温度传感器采集的温度数据，当温度查过警戒值时，认为发生火灾，便启动灭火设备进行立即灭火，以免造成不可挽回的损失以及不可预料的后果。为了防止输出端对监控区域的干扰，将输出端与单片机之间使用光电耦合器，以光媒介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离。因而能有效地抑制系统的噪声，消除接地回路的干扰，具有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，在微机系统的前向和后向通道中使用比较广泛。灭火设备电路图如图2-8所示。图2-8 灭火设备电路图2.3 监控中心模块 监控中心由nRF2401无线通信芯
16、片、单片机、电平转换电路、计算机组合而成。对监控区域发送过来的数据经过nRF2401的解码调制成单片机能识别的电信号，单片机完成数据的处理。由于单片机与计算机采用的是串行通信，RS-232通信协议采用的是负逻辑，而单片机使用的是TTL电平，所以两者之间须使用电平转换电路使外界接口进行电平匹配。本系统使用的是MAX232进行电平转换。在计算机上显示各个监控区域的温度情况。监控中心电路图图2-7所示。图2-8 监控中心模块电路2.4 无线数据传输模块nRF2401本系统无线传输模块使用的是nRF2401与监控中心通信，它是单片射频收发通信芯片，工作于2.4-2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合
17、成器，功率放大器和晶振等功能模块。内部嵌有与8051兼容的微控制器和9通道10位ADC，可在1.93.6 V电压下稳定工作，而不需要外接SAW滤波器。nRF2401内部具有电压调整器和VDD电压监视。输出和通信频道都可以通过程序进行配置。nRF2401可以支持多点间通信，传输速率要比蓝牙更快，它没有复杂的通信协议，对用户完全透明，而且只需要少量外围的元件便可以组成射频收发电路模块。这种芯片的功耗非常低，多种低功率的工作模式，节能而且设计方便。nRF2401的工作模式有4种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。它的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚所决定的。工作模式PWR
18、_UPCECS收发模式110配置模式101空闲模式100关机模式0xxnRF2401 的收发模式有ShockBurstTM 收发模式和直接收发模式两种形式，收发模式由器件本身的配置字决定。在ShockBurstTM 收发模式下，使用片内的堆栈区域，数据可以低速从微控制器输入，但可以高速发射，这样尽量节能，因而即便使用低速的微控制器也可以得到较高的数据发射速率。并且nRF2401自动处理字头及循环冗余校验码（CRC）。在接收数据的时候，自动把字头和CRC校验码去除。在发送数据时，自动加上字头和循环冗余校验码，当数据发送过程完毕以后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射已经完成。ShockBurst
19、TM 发射模式由接口引脚为CE，CLK1和DATA三个控制。当微控制器有数据需要发送时，就把CE引脚置高，使nRF2401开始工作，把接收机的地址及要发送的数据按时序传输给nRF2401，接着微控制器把CE引脚置低，启动nRF2401开始进入ShockBurstTM发射状态。ShockBurstTM接收模式是由接口引脚CE、DR1、CLK1 和DATA(接收通道1)四个引脚所控制。首先需要配置本机的地址和要接收的数据包大小，然后进入接收状态，把CE引脚置高，经过200us以后，nRF2401便进入监视状态，等待需要接受的数据包的到来。当接收到的是正确的数据包即正确的地址和循环冗余校验码时，nR
20、F2401自动把字头、地址和循环冗余校验位去除。接着nRF2401通过把DR1拉高高通知微控制器有数据包到来，微控制器把数据从nRF2401中取出。等所有的数据都取完后，nRF2401把DR1引脚置低，此时，如果CE引脚为高电平，则继续等待下一个数据包的到来，如果CE引脚为低电平，便开始其它的工作流程。nRF2401的所有配置模式都是通过CS、CLK1 及DATA 三个引脚来完成，把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15 个字节的配置字，而如果把其配置为直接收发模式只需要2 个字节的配置字。由于需要，一般情况都是配置成ShockBurstTM工作模式，这样做的好处是系统的程序会更加容
21、易编写，而且系统得稳定性也会更高。ShockBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频通信协议，在配置完成后，在nRF2401的工作的过程中，只需要改变其最低一个字节中的内容，便可以实现接收模式和发送模式之间的切换。在配置模式下，须保证PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。配置字是从最高位开始，依次送入nRF2401。在CS 引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。图2-7 nRF2401应用电路3 系统软件设计3.1 软件任务分析软件设计和硬件电路设计需要整体进行，哪些需要硬件电路完成，哪些需要软件完成，为此做一个基本的软件任务分析。软件任务分析是为软件模块做一个全面整体的规划，
22、再将各个模块独立出来进行软件设计，通过某些接口使这些模块连接到一个整体，完成系统所要达到的预定任务。本系统的软件主要有系统初始化、监控区域的温度传感器数据采集、nRF2401无线通信芯片的驱动程序和串行通信程序等组成。各个监控区域主机的接受采集温度的命令后，开始采集温度，当温度高于警戒值时，报警并启动灭火设备。并将采集到的温度数据和自身地址通过串口发送给监控中心。系统整体流程图如图3-1所示。开始发送完毕发送地址发送温度值无线模块串口发送数据火灾报警启动灭火设备温度高于60度采集温度系统初始化YYNY图3-1 系统流程图温度传感器进过复位初始化后，经过写字节和读字节函数后，便可启动温度转换，然
23、后即可读出温度值并发送出去。温度采集流程图如图3-2所示。开始系统初始化DS18b20初始化检测DS18b20跳过ROM命令开始温度转换读取温度串口发送温度值发送完毕YN图3-1 温度采集流程开始nRF2401、串口初始化建立无线物理链路2401连接成功等待数据收发命令是否收发数据数据接受处理收发判断数据发送处理处理完毕图3-2 无线数据传输流程图如上所示3.2 温度采集子程序/* * 18B20复位函数*/void DS18b20_reset(void)bit flag=1;while (flag)while (flag) DQ = 1;delay(1); DQ = 0; delay(50)
24、; / 550us DQ = 1; delay(6); / 66us flag = DQ; delay(45); /延时500usflag = DQ; DQ=1;/* * 18B20写1个字节函数 * 向1-WIRE总线上写一个字节*/void write_byte(uchar val)uchar i;for (i=0; i= 1; /右移一位DQ = 1;delay(1); /* * 18B20读1个字节函数 * 从1-WIRE总线上读取一个字节*/uchar read_byte(void)uchar i, value=0;for (i=0; i= 1;DQ = 0;nops(); /4us
25、DQ = 1; /总线拉高(释放总线，18b20控制)nops(); /4us if (DQ) /判断数据总线是0还是1 是1value|=0x80; /如果传过来的数据是1处理后就是1 如果是0处理后就是0delay(6); /66usDQ=1; /数据总线拉高(释放总线)，准备读取下一位数据return(value); /* * 启动温度转换*/void start_temp_sensor(void)DS18b20_reset();write_byte(0xCC); / 发Skip ROM命令write_byte(0x44); / 发转换命令/* * 读出温度*/uint read_tem
26、p(void)uchar temp_data2; / 读出温度暂放uint temp;DS18b20_reset(); / 复位write_byte(0xCC); / 发Skip ROM命令write_byte(0xBE); / 发读命令temp_data0=read_byte(); /温度低8位temp_data1=read_byte(); /温度高8位temp = temp_data1;temp = 4;return temp;3.3 串行通信程序/* * UART初始化 * 波特率：9600*/void UART_init(void) TMOD = 0x21; / 定时器1工作在方式2（
27、自动重装）(定时器1作为波特率的发生器) SCON = 0x50; / 10位uart，允许串行接受 TH1 = 0xFD; TL1 = 0xFD; TR1 = 1;/打开定时器/* * UART发送一字节*/void UART_Send_Byte(uchar dat)SBUF = dat;while (!TI);TI = 0;/* * 将数据转换成ASC码并通过UART发送出去*/void UART_Send_Dat(uchar dat)UART_Send_Byte(dat/100%10 + 0);UART_Send_Byte(dat/10%10 + 0);UART_Send_Byte(da
28、t%10 + 0);4 仿真测试为了验证本系统设计的完善性，可以通过仿真系统进行仿真演示，观察是否达到预想的目的。此次仿真测试使用的软件是英国Labcenter electronics公司的EDA工具Proteus。它不仅能够有其他EDA软件的仿真功能，更重要的是还能仿真单片机及其外围器件。目前它是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟的仿真软件三合一的设计平台，可以支持多更常见的处理器模型。由于Proteus里面没有nRF2401无线传输模块，但是nRF2401使用的是透明传输，在仿真的时候可以直接用导线代替即可。为了仿真灭火设备的工作，在Proteus里面使用Led灯作为模拟演示，
29、初始时Led灯是灭状态，当温度查过警戒值时(仿真是设定为60摄氏度)，便启动灭火设备，仿真为Led灯亮。灭火设备的仿真如图4-1所示。图4-1 灭火设备的仿真当温度传感器将采集到的数据和自身地址通过无线传输模块nRF2401送入监控中心的PC机，在仿真时使用串行口来完成，Proteus里面使用虚拟终端来查看传输的温度数据，SCMS显示的是温度传感器采集到温度后将要传输的数据和监控区域的地址，PCR是接受到的数据显示终端（即在PC中显示的地址和温度值）。图中显示的数据的前三位表示监控区域的地址，后三位表示该地址处的温度值。串口传输的数据仿真如图4-2所示。图4-2 串口传输数据显示仿真5 设计小
30、结本文研究与设计了智能无线火灾监控系统，采用了模块化的方法，使得系统具有很好的扩展性和抗干扰性。它使用方便、成本低廉、无需布线等等优点。本系统利用AT89C51单片机、温度传感器DS18b20、无线通信芯片nRF2401及其他外围电子器件设计而成。利用单片机的原理将硬件和软件有机的结合起来，使得系统能够正确运行。设计时，将系统分解成各个模块，进行硬件电路设计、软件编程，然后使用仿真软件仿真，完全实现规划的功能。整个设计通过了Proteus仿真平台的仿真测试，对于我以后的学习和工作会有很大的帮助。在本次设计中，运用自己学习的知识去解决在此过程遇到的各种问题，使自己的动手能力得到一定的提高，并且复
31、习了以前学过的很多知识，巩固了专业方面的技能，而且在网上查阅了相当丰富的素材，对计算机专业有了更深层次的了解。毕业设计不仅是对自己几年所学知识的整体运用，也是提高自己能力的一种教的途径。通过这次设计发现很多东西在实际应用时和书本上的纯理论有一定的差距，所以很多东西需要深入的去思考，想出解决方案。单片机系统是硬件和软件程序的完美结合，对各个子模块的软件程序的设计可以提高一点逻辑思维。在设计的过程中，发现了自己的大量不足之处，以前学的知识由于学的不仔细，掌握的不够全面，很多重要点基本上已经遗忘，而且在考虑问题的过程中思维不够严密，考虑不全。通过这次设计暴露出来的缺点，我希望在以后的工作中能够得到改
32、善。其中，学习的重要性不言而喻，以后我会坚持和继续努力，为将来自己能在工作中游刃有余。致 谢感谢王本有老师对我的指导，他的严谨细致、一丝不苟的工作作风一直是我在工作、学习中的榜样。他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予了我无尽的启迪。无论是在课题的选题还是定稿、研究的方法、系统思路以及本文的撰写都得到了王老师的严格要求和精心指导，王老师花费了大量的精力，在各个环节中给了我许多宝贵的意见。在这次论文制作中王老师严谨的学术作风、治学态度、求实的工作作风和孜孜不倦的探索创新精神，以及平易近人的师长风范给我创造了良好的学习设计环境，并且给了我这个学习提高的机会和在生活上给我的无微不至的关怀。这些都是我不
33、断前进的动力，相信必将对我今后的学习和生活受益匪浅，我将终生学习和铭记。在此，谨向王老师的培育之恩表示最深的谢意！感谢其他多位老师对我学习和设计所给予的支持和帮助；感谢在我论文完成过程中同学们给我提供的支持、无私帮助和各种建议。在这里也衷心地感谢他们！在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意 ！参考文献：1 胡汉才编著，单片机原理及其接口技术M，北京，清华大学出版社，1996年2 李朝青编著，单片机原理与接口技术M，北京，北京航空航天大学出版社，2008年3 张义和、王敏男等编著，例说51单片机
34、C语言版M，北京，人民邮电出版社2008年4 张靖武、周灵彬编著，单片机原理、应用与PROTEUS仿真M，北京，电子工业大学出版社，2007年5 李鸿，嵌入式系统设计M ，深圳，科技电子出版社，2008年6 严天峰，单片机开发M ，成都，科学出版社，2007年7 谢维成，单片机原理与应用M,北京，清华大学，2003年 8郑君刚、吴成东，基于nRF2401智能无线火灾监控系统设计J，电子厂品世界，2009年9 廖惜春，基于nRF2401的无线数据采集系统J,五邑大学学报，2006年10 何立民，电子设计自动化J ，电子技术, 2008年11 钱显毅，电子电路设计J ，科技时报，2009年12陈丽娟、常丹华，基于nRF2401芯片的无线数据通信J，电子器件，2006年13王捷田、红芳、周振渝，分布式智能火灾报警系统综合设计J，微计算机技术，2006年14王博、李迅、马宏绪，基于nRF2401的无线数据传输系统J,电子工程师，2005年15郑君刚、吴成东、张平等，智能家居无线报警系统设计J，电子产品世界，2007年16黄友军，基于nRF401芯片的温度无线数据采集系统设计J，2009年17 程柱、任宝立，火灾自动报警监控通讯及联网技术的应用与发展J，Heilongjiang Science and Technology Information，2010年第20页