單片機控制的糧倉安全系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u28443單片機控制的糧倉安全系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例 1243631系統(tǒng)硬件設(shè)計 1148521.1STC89C52單片機及其最小系統(tǒng)設(shè)計 1232421.1.1功能特性概述 133771.1.2主要性能參數(shù) 2321951.1.3單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 3256671.2防火檢測電路設(shè)計 4198271.3溫度檢測電路設(shè)計 628721.4液晶顯示電路設(shè)計 10171781.5防盜檢測電路設(shè)計 11287581.6閾值設(shè)置及設(shè)防電路設(shè)計 14124611.7報警電路設(shè)計 148881.8整機電路圖 15194102系統(tǒng)軟件設(shè)計 17317442.1編程軟件介紹 17116352.2系統(tǒng)主程序設(shè)計 17312512.3煙霧采集程序設(shè)計 19154802.4溫度采集程序設(shè)計 20232762.5紅外檢測程序設(shè)計 20295302.6液晶顯示程序設(shè)計 2283492.7蜂鳴器報警程序設(shè)計 221系統(tǒng)硬件設(shè)計1.1STC89C52單片機及其最小系統(tǒng)設(shè)計1.1.1功能特性概述STC89C52RC單片機是臺灣宏晶公司進行設(shè)計和生產(chǎn)的單片機產(chǎn)品。它的內(nèi)部是采用通用的CMOS工藝技術(shù)生產(chǎn)的8位單片機處理器。該處理器性能強大，功耗不高，價格低，開發(fā)難度小，所以在市場上的應(yīng)用較為廣泛。其內(nèi)部集成了40個常用的高速IO，內(nèi)部集成了3個定時器，1個UART串口，同時有8K的Flash和2K的掉電存儲模塊，所以其內(nèi)部資源豐富，有助于用戶進行系統(tǒng)的開發(fā)。STC89C52RC是一款功能強大的51單片機，它延續(xù)的MCS-51系列的內(nèi)核，能夠?qū)崿F(xiàn)匯編語言和C語言兩種方式的編程。作為一款中低端的單片機，為大量的嵌入式系統(tǒng)提供了核心控制器。他使用靈活，因此得到了眾多工程師的使用。對于初學者而言，只需要掌握C語言的基礎(chǔ)知識和單片機模塊開發(fā)的基礎(chǔ)知識即可，就能夠?qū)崿F(xiàn)對STC89C52RC單片機的系統(tǒng)開發(fā)。利用專業(yè)的單片機開發(fā)工具，實現(xiàn)hex文件的生成并下載，就能夠?qū)崿F(xiàn)對單片機程序的開發(fā)。單片機的實物圖如圖1.1所示。圖圖1.1STC89C52實物圖1.1.2主要性能參數(shù)STC89C52一共有40個管腳，他們都有著不同的功能：VCC和GND引腳，他們共同構(gòu)成單片機的供電引腳，其中VCC接電源的正極，GND接電源的負極，供電電壓5V。RESET引腳是單片機的復(fù)位引腳，高電平有效。當該引腳從低電平變?yōu)楦唠娖降臅r候，系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)位。XTAL1和XTAL2兩個引腳是單片機的晶振引腳，可以接12M的晶振或者是11.05926M的晶振。P0.0-P0.7引腳是單片機的P0IO口，能夠?qū)崿F(xiàn)高速輸入和輸出。P1.0-P1.7引腳是單片機的P1IO口，能夠?qū)崿F(xiàn)高速輸入和輸出。P2.0-P2.7引腳是單片機的P2IO口，能夠?qū)崿F(xiàn)高速輸入和輸出。P1.0-P1.7引腳是單片機的P3IO口，能夠?qū)崿F(xiàn)高速輸入和輸出。同時P3IO還具有其他復(fù)用功能。單片機引腳圖如圖3-2所示。圖3-2STC89C52引腳圖1.1.3單片機最小系統(tǒng)設(shè)計對于STC89C52RC單片機的使用需要設(shè)計一個單片機最小系統(tǒng)，通過外圍輔助電路之后，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機的功能。通過對STC89C52RC單片機IO的了解，可以看到，RST引腳是復(fù)位引腳，并且高電平有效，所以設(shè)計了一個復(fù)位電路，如圖3-1所示。包含一個電容，一個電阻和一個按鍵，當按下按鍵的時候，系統(tǒng)進行復(fù)位。XTAL1引腳和XTAL1引腳，通過手冊可以得出，接晶振。由于STC8952RC單片機的P0IO內(nèi)部是沒有上拉電阻的，所以設(shè)計了一個上拉電阻。最終設(shè)計的單片機最小系統(tǒng)如圖3-2所示。圖3-2STC89C52單片機最小系統(tǒng)（1）復(fù)位電路復(fù)位電路是當系統(tǒng)運行異常的時候，通過按下按鍵，控制器返回主程序的開頭。（2）晶振和時鐘電路 單片機根據(jù)晶振的脈沖信號來執(zhí)行一次指令周期。單片機使用的晶振越大，單片機的指令周期就越短，需要根據(jù)實際的應(yīng)用場景來保證單片機的運行穩(wěn)定。單片機晶振電路連接單片機的XTAL1與XTAL2兩個引腳，兩個30PF的電容一端接到晶振的引腳，另一端接入地，這樣就可以得到晶振標稱的諧振頻率。1.2防火檢測電路設(shè)計本系統(tǒng)中，需要對糧倉中的煙霧濃度進行檢測，以此來判斷糧倉內(nèi)煙霧是否超標，進而判斷出是否有火災(zāi)，在本設(shè)計中，使用的是MQ-2氣敏型煙霧傳感器，在該系統(tǒng)中，用戶在使用的時候，不需要做其他的動作，只需要將該傳感器放置到室內(nèi)即可，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)煙霧的檢測。由于（SnO2）對氣體敏感程度較高，煙霧傳感器使用二氧化錫作為煙霧傳感器的原材料，由于二氧化錫的特殊屬性在空氣中的導(dǎo)電率幾乎為零。MQ-2傳感器只針對煙霧進行檢測，進而能夠在復(fù)雜的環(huán)境中靈敏的識別出室內(nèi)是否有煙霧泄露，這樣就大大的降低了其他氣體對檢測的干擾性。MQ-2煙霧傳感器具有較高的測試分辨率和測試的靈敏度，進而能夠有效的準確的檢測出煙霧濃度[9]。本傳感器使用的壽命非常的長，具有非常強的可靠性和穩(wěn)定性。在MQ-2煙霧傳感器的內(nèi)部，是由A12O3微型器件，陶瓷管，半導(dǎo)體元件SnO2敏感層以及測試電極和加熱器件共同構(gòu)成的。在封裝方面，MQ-2傳感器是通過塑料形式和不銹鋼的腔體共同組成的。封裝的氣體傳感器具有6個針形針，其中4個用于信號提取，另外2個用于提供加熱電流[8]，其實物圖如圖3-3所示。圖3-3MQ-2煙霧傳感器特點：適用氣體：易燃性氣體、煙霧等。探測范圍：400—1200ppm。響應(yīng)、恢復(fù)時間分別為：小于等于10S、小于等于30S。測量電壓：小于等于24V。適用環(huán)境見表3-1：表3-1適用環(huán)境表符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度-10℃-50℃最小值大于２％Tas儲存溫度-20℃-70℃RH相對濕度小于95%RHO2氧氣濃度21%(標準條件)氧氣濃度會影響靈敏度特性在本設(shè)計中，對于煙霧參數(shù)的采集是采用煙霧傳感器的。煙霧傳感器在輸出方面是采用模擬信號進行輸出的，其輸出的范圍是0-5V。而對于STC89C52單片機而言，由于其內(nèi)部是不具有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的。所以，在進行電路設(shè)計的時候，需要額外添加一個ADC轉(zhuǎn)換模塊，以此來實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。進而單片機能夠?qū)ζ溥M行處理。在本設(shè)計中，選擇的是ADC0832模式轉(zhuǎn)換芯片。ADC0832一職中8位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠?qū)崿F(xiàn)最高256級的電壓識別，也就是將測試的電壓分為256分，然后可以識別到的最小電壓為1/256。對于**傳感器輸出的0-5V而言，其能夠識別最小分辨率0.0195V的電壓，所以其分辨率是非常高的，能夠識別傳感器輸出的微弱信號，這對于整個系統(tǒng)測試過程中的精度還是非常重要的。同時，該信號的轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，轉(zhuǎn)換速度非?？?。單片機[11]在對其進行采用的時候，需要四個個IO，一個是時鐘信號，一個是片選信號，另外兩個是數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳，如圖3-4所示為設(shè)計的ADC0832與單片機進行通信的電路圖，本設(shè)計中，使用P2.4與ADC0832的CS進行連接，P2.3與CLK進行連接，P2.2與DO進行連接，P2.2與DI進行連接。通過這四個IO的共同協(xié)作，進而實現(xiàn)了單片機對ADC0832的操作。讀取電壓轉(zhuǎn)換值。圖1.4煙霧采集電路設(shè)計單片機通過讀取ADC0832的數(shù)值，就能夠測試出是否有煙霧，進而判斷出是否有火災(zāi)發(fā)生。1.3溫度檢測電路設(shè)計在本設(shè)計中，需要對溫度進行采集。目前對于溫度的采集常用的有兩種方式。方式一是采用熱敏電阻的方式來進行溫度的采集，此種方式采集精度低，相應(yīng)速度反，需要配合AD轉(zhuǎn)換一起使用才能完成溫度采集，但是通過熱敏電阻能夠?qū)崿F(xiàn)高溫的采集，而且成本較低。另一種方式是采用集成的溫度傳感器，以DS18B20為代表。通過集成的溫度傳感器能夠快捷高效準確的實現(xiàn)對溫度的采集，缺點是溫度采集范圍低，通常為-55度到125度。而在本系統(tǒng)中，主要是對環(huán)境中的溫度進行采集，所以，采用DS18B20更加合適。DS18B20實物圖如圖1.5所示。圖1.5DS18B20實物圖DS18B20性能：1.電壓范圍為：2.0?5.5V左右，數(shù)據(jù)線供電方式被采用；2.測溫范圍為：-40?+110℃；1.三條線上并聯(lián)連接可用在多個DS18B20，用來達到所需要的功能和期待的目的；2.無待機功耗；5.報警設(shè)置值可以被自定義設(shè)置；6.對超過自定義的溫度進行標識并進行警報響應(yīng)以回復(fù)；在寄生電源模式下，DS18B20獲得信號能量的方式會變?yōu)閱尉€獲取：當信號線的DQ較高時，DS18B20內(nèi)部轉(zhuǎn)化為存儲能量。電容器在運行期間在信號周期內(nèi)的功耗低，其次對寄生電源（電容器）進行充電，直到信號值為高電平停止。特別的寄生電源方法優(yōu)點如下：（1）距離如果太遠的話，它不需要考慮電源所產(chǎn)生的問題（2）ROM值不需要電源就能讀出（3）電路使用一個端口就能測量，所以電路更為簡單便捷。DS18B20的體積相比較其他的傳感器要小一些，而且是直插的封裝，這樣在進行安裝的時候就方便很多。而且其供電的電壓范圍較大，能夠?qū)崿F(xiàn)多點同時測溫。因此在實際的使用中得到了很大的推廣。無論是消費類電子，工業(yè)控制中，都有廣泛的使用。通過DS18B20的內(nèi)部如可以看到，DS18B20集成了溫度傳感器，高低溫以及緩沖模塊和ROM模塊，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得單片機在操作DS18B20的時候特別簡單，只需要發(fā)送指令，啟動轉(zhuǎn)換，就能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的獲取。DS18B20內(nèi)部邏輯圖如圖1.6所示。圖1.6DS18B20內(nèi)部邏輯通過DS18B20的數(shù)據(jù)手冊可以得出，在電路設(shè)計中，對于DS18B20溫度采集電路的設(shè)計，只需要外加一個上拉電阻即可，在這個課題中，我們所用的是10K的上拉電阻，然后與單片機的P0.0接口進行連接，再對DS18B20供電即可，其電路設(shè)計如圖1.7所示。圖1.7DS18B20溫度檢測電路設(shè)計同時特別的指出，用戶在使用DS18B20溫度傳感器的時候，一共要主要三個引腳的方向，一旦使用錯誤，就會造成傳感器的損壞。1.4液晶顯示電路設(shè)計在本設(shè)計中，對于采集到的溫度數(shù)據(jù)和煙霧數(shù)據(jù)以及操作過程中的設(shè)置，都需要進行顯示，以此來提高整個系統(tǒng)的交互能力。通過查閱相關(guān)的資料發(fā)現(xiàn)，在單片機系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的就是液晶顯示和數(shù)碼管顯示。采用液晶作為系統(tǒng)的顯示器件，目前常用的液晶顯示方式有LCD1602，LCD12864，OLED顯示屏等。他們按照尺寸的不同可以分為多種，但是其核心也是一種集成形式的點陣電路，不同尺寸的顯示屏內(nèi)部集成了不同數(shù)量的顯示器件，然后由單片機進行控制。在操作上，有的液晶跟單片機之間采用并行通信方式，有的是串行或者是IIC形式通信，價格上相對于數(shù)碼管而言也是偏貴一點，但是可以顯示的數(shù)據(jù)量較多，可以顯示數(shù)字，字母，字符以及漢字或者是特定圖形。本設(shè)計中，由于需要顯示的數(shù)據(jù)較多，采用數(shù)碼管不能夠完全顯示出來，所以采用液晶來進行顯示，具體型號為液晶LCD1602。液晶LCD1602是一種在電子技術(shù)開發(fā)中被工程師所廣泛使用的一種能夠顯示字符，數(shù)字以及字符的顯示模塊。液晶LCD1602通常由顯示屏，驅(qū)動單元以及擴展接口組成。在本系統(tǒng)中，LCD1602的數(shù)據(jù)輸入管腳與單片機的P0接口進行連接，RS，RW，EN引腳分別與單片機的P2.3，P2.4和P2.5進行連接。單片機通過RS，RW，EN引腳發(fā)送指令，通過P0接口輸入數(shù)據(jù)進行顯示。原理圖如圖1.8所示。圖1.8液晶顯示電路設(shè)計本設(shè)計中所選擇使用的顯示模塊是LCD1602顯示屏，1602通過其命名我們可以看出，是指顯示的內(nèi)容為兩行，分為上下兩行。同時對應(yīng)的每行可以進一步的顯示十六個字符。通過書寫程序，操作不同的寄存器，即可以完成對液晶LCD1602數(shù)字，字母，以及特殊字符的顯示。同時，通過調(diào)整其內(nèi)部的寄存器，可以實現(xiàn)對液晶的顯示控制，比如常見的閃爍動畫，也可以完成移位，反相顯示等動作。1.5防盜檢測電路設(shè)計在防盜檢測方面，人體檢測模塊是紅外技術(shù)的衍生的一種技術(shù)。感應(yīng)模塊是運用雙元探頭，當檢測范圍里有人提進行無規(guī)則移動時，紅外光譜就會檢測到利用和雙元的差值來觸發(fā)報警。人體檢測模塊可以廣泛應(yīng)用于各種檢測設(shè)備。本設(shè)計中使用的是熱釋紅外人體感應(yīng)模塊，該模塊可以感應(yīng)到3-8米的距離，而且其靈敏度的感應(yīng)距離是可以調(diào)節(jié)的，是一款專門用于人體檢測的模塊，系統(tǒng)采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊。當危險情況發(fā)生時，該模塊不僅能及時且快速地輸出相應(yīng)的信號，并且安裝位置較為隱蔽，不會被人輕易發(fā)現(xiàn)[15]。其實物圖如圖1.9所示。圖1.9人體紅外傳感器HC-SR501是基于紅外線感應(yīng)技術(shù)和自動控制技術(shù)設(shè)計的傳感器，其探頭部分采用德國的LHI778人體感應(yīng)探頭，其測試的靈敏度高，可靠性強，抗干擾能力強。該模塊采用5V進行供電，廣泛的應(yīng)用在各類人體自動感應(yīng)電路中，如白熾燈，自動門，防盜系統(tǒng)中，是一種高科技的傳感器。該模塊能夠感應(yīng)到3-8m的距離，用戶在使用的時候，可以通過調(diào)節(jié)背面的電位器，調(diào)節(jié)感應(yīng)靈敏度和輸出延時時間。該模塊具以下特點。1.自動感應(yīng)，當有人進入范圍內(nèi)時，輸出高電平，沒有人時，輸出低電平。2.多種感應(yīng)方式進行選擇。a、不可重復(fù)觸發(fā)方式:當傳感器感應(yīng)到人之后，輸出高電平后，延時一段時間之后，輸出的高電平，自動變?yōu)榈碗娖?，在延時時間內(nèi)，不再進行感應(yīng);b、可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)到人之后，傳感器輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果傳感器檢測到有人，在輸出一直為高電平，直到感應(yīng)不到人之后，系統(tǒng)采輸出低電平。1.工作電壓范圍非常的寬:默認傳感器的工作電壓DC2.5V-20V。適合大部分的嵌入式系統(tǒng)。2.微功耗功能，在靜態(tài)下，傳感器的電流<50微安，進而可以大大延遲系統(tǒng)的使用時間。電路設(shè)計如圖1.10所示。使用的是單片機的P1.1接口。圖1.10人體紅外檢測電路設(shè)計感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（A元B元）位于較長方向的兩端，當人體從左到右或從右到左走過時，紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏，當人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動最多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過時先后被探頭雙元所感應(yīng)。為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應(yīng)，但左右兩側(cè)仍然比上下兩個方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強，安裝時仍須盡量按以上要求。感應(yīng)范圍：1.6閾值設(shè)置及設(shè)防電路設(shè)計在本系統(tǒng)，用戶在使用之前，用戶可以設(shè)置一個溫度的上限和煙霧的上限，如果系統(tǒng)采集到的數(shù)值大于設(shè)定值，則會進行報警。而這個數(shù)值的設(shè)置較為簡單，所以采用獨立按鍵的方式進行設(shè)置。其電路圖如圖1.11所示。同時，也可以通過按鍵來進行設(shè)防。圖1.11按鍵設(shè)置電路圖其中，SW2表示設(shè)置按鍵，SW4為數(shù)據(jù)加，SW5為數(shù)據(jù)減，SW6為設(shè)防按鍵，這樣，用戶就可以根據(jù)自己的需要對閾值的上限進行設(shè)置以及進行系統(tǒng)的設(shè)防。1.7報警電路設(shè)計本系統(tǒng)是智能化的系統(tǒng)，如果感應(yīng)到溫度過高，煙霧濃度過高，熱釋紅外感應(yīng)到有人則會進行蜂鳴器的報警。本系統(tǒng)的報警電路如圖3-12所示。本設(shè)計中，使用的蜂鳴器是駐極體的蜂鳴器，其正極連接5V，負極連接到GND之后，就會發(fā)出滴滴滴的聲響，進而進行報警。但是，蜂鳴器在工作的時候，需要的電流較大，單片機的IO無法直接驅(qū)動，所以，本設(shè)計中，采用了三極管驅(qū)動的方式來進行報警處理，采用的是PNPN的三極管，型號為SS8550。該三極管的基極與單片機的P1.0IO進行連接，當單片機輸出低電平的時候，控制三極管導(dǎo)通，進行報警，當輸出高平的時候，三極管閉合，蜂鳴器停止發(fā)聲。同時，本設(shè)計中，還添加了一個LED燈來進行指示，當發(fā)聲的時候，LED燈亮起[13]。圖1.12報警電路設(shè)計1.8整機電路圖本課題的整機電路圖根據(jù)程序的運行鶴流程圖進行繪制，如圖1.13所示。.圖1.13整機電路設(shè)計2系統(tǒng)軟件設(shè)計2.1編程軟件介紹本系統(tǒng)在設(shè)計完硬件之后，如果需要對系統(tǒng)的軟件進行開發(fā)，采用的是Keil來實現(xiàn)的。Keil是一種常見的單片機編程軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)C語言程序的編寫，并具有工程管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn).c文件.h文件的引入，并進行整合使用。Keil的人機界面如圖4-1所示。圖2.1Keil編譯界面2.2系統(tǒng)主程序設(shè)計系統(tǒng)上電之后，會進行溫度傳感器，煙霧傳感器，人體紅外傳感器的初始化，然后對溫度，煙霧，人體紅外進行采集，采集完成之后，通過液晶LCD1602將數(shù)據(jù)顯示出來，并進行判斷，如果有異常，則進行聲光報警[8]。其系統(tǒng)流程圖如圖2.2所示。圖2.2系統(tǒng)主流程圖系統(tǒng)上電之后，會進行溫度傳感器，煙霧傳感器，人體紅外傳感器的初始化，然后對溫度進行采集，采集完成之后，通過液晶LCD1602將數(shù)據(jù)顯示出來。如果溫度測量過高，進行聲光報警，如果溫度正常進行下一步操作。隨后進行煙霧檢測，如果室內(nèi)煙霧濃度較高，進行聲光報警，如果煙霧濃度正常，通過液晶LCD1602將數(shù)據(jù)顯示出來并進行下一步流程。隨后進行防盜檢測，當糧倉處于封管狀態(tài)時，用紅外檢測是否有人，如果有進行聲光報警，如果沒有通過液晶LCD1602將測量數(shù)據(jù)顯示出來。最后結(jié)束流程。其系統(tǒng)主程序如圖2.3所示。圖2.3系統(tǒng)主程序2.3煙霧采集程序設(shè)計本系統(tǒng)中，使用的煙霧傳感器，在輸出的時候采用的是模擬信號，本設(shè)計中，利用ADC0832進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。單片機上電之后，先進行ADC00832的初始化，然后發(fā)送指令進行啟動，ADC0832完成轉(zhuǎn)換之后，單片機發(fā)送指令進行讀取。其程序流程圖如圖2.4所示。圖2.4煙霧采集程序設(shè)計在程序中，在設(shè)計的時候，單片機通過SCL，CS，DO，DI四個引腳的高低電平變化實現(xiàn)對ADC0832數(shù)據(jù)的讀取，讀取ADC0832寄存器中的數(shù)據(jù)。讀取完成之后，單片機進行判斷，得出對應(yīng)的煙霧