基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

21世紀(jì)是科技信息的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起與應(yīng)用對(duì) 各行各業(yè)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。在社會(huì)的發(fā)展過程中，由 于環(huán)境的污染和破壞，自然災(zāi)害不斷發(fā)生，為了保證人們的生 命財(cái)產(chǎn)安全,開發(fā)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的意義顯得越來越重要?；诖? 本文主要對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1監(jiān)測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本環(huán)境監(jiān)測(cè)儀主要以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、光強(qiáng)、有毒氣體 等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)為了給用戶提供更大的方便，還采用 了 GSM直接面向用戶手機(jī)，通過無(wú)線傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

以傳感器為主要的檢測(cè)部件，按照設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行檢測(cè) 以達(dá)到控制、分析、計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)顯示等功能。借助微處理器 和計(jì)算機(jī)之間的串行通信完成人機(jī)交換控制。

環(huán)境監(jiān)測(cè)儀主要由數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、GSM模塊、 顯示模塊、電源部分、串口通信部分、晶體振蕩器部分等組成, 其系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中,主控模塊采用HOLTEK MCU作為中央微處理器, 整合外圍模塊，構(gòu)成最小系統(tǒng)，最終完成一些環(huán)境參數(shù)的監(jiān) 測(cè)功能。

GSM模塊主要作為主控模塊的報(bào)警通道，同時(shí)也是用戶遠(yuǎn)程控制的通道，負(fù)責(zé)信息的接收與傳送。

液晶顯示模塊用于顯示模塊工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)，主要用于 測(cè)試系統(tǒng)和安裝系統(tǒng)以及演示時(shí)使用。

傳感器模塊負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)采集并傳到控制器進(jìn)行處理。

2主控模塊功能介紹

HT46RU232是8位高性能精簡(jiǎn)指令集微處理器，專門為 需要A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，如傳感器信號(hào)輸入、低功耗、1/ O使用靈活、可編程分頻器、計(jì)數(shù)器、振蕩類型選擇、多通 道A/D轉(zhuǎn)換、脈寬調(diào)制功能、I2C接口、UART總線、暫停 和喚醒功能，使這款微處理器可以廣泛應(yīng)用于傳感器的A/D 轉(zhuǎn)換、馬達(dá)控制、工業(yè)控制、消費(fèi)類產(chǎn)品、子系統(tǒng)控制器等。 HT46RU232的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HT46RU232內(nèi)部結(jié)構(gòu)

HT46RU232的主要特性如下：

工 作電壓：Fsys=4 MHz : 2.2 ?5.5 V, FSYS=8 MHz : 3?5.5 V ；最多可有40個(gè)雙向輸入/輸出口 ； 1個(gè)與輸入/輸 出口共用引腳的外部中斷輸入；1個(gè)8位和2個(gè)16位可編程定 時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有溢出中斷；內(nèi)置晶體和RC振蕩電路；看門 狗定時(shí)器;4 096X16 b程序存儲(chǔ)器ROM ； 192X8 b數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器RAM ；具有PFD功能，可用于發(fā)聲；HALT和喚醒功能 可降低功耗；在VDD=5 V,系統(tǒng)頻率為8 MHz時(shí)，指令周期 為0.5卜；8層硬件堆棧；8通道12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器； 4通道8位的PWM輸出，與輸入/輸出口共用引腳；位操作 指令查表指令，表格內(nèi)容字長(zhǎng)16 b ； 63條指令；指令執(zhí)行時(shí) 間為1或2個(gè)指令周期;低電壓復(fù)位功能I2C總線(slave模式)； 通用異步接收 / 發(fā)送器(UART) ；28-pin SKDIP/SOP、48-pin SSOP封裝。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1串口通信模塊設(shè)計(jì)

串口通信模塊電路采用了異步串行通信芯片MAX232, 與HT46RU232的串行接口連接，通過串口傳輸數(shù)據(jù)，速度比 較快，距離也較遠(yuǎn)，能夠很好地滿足系統(tǒng)功能要求。電路連 接架構(gòu)如圖3所示。

3.2顯示模塊設(shè)計(jì)

本環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的顯示模塊選擇的是液晶顯示，在顯示屏 上可以顯示溫度、濕度、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)、有毒氣體等環(huán)境參數(shù)的 監(jiān)測(cè)結(jié)果。電路連接架構(gòu)如圖4所示。

3.3無(wú)線發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線發(fā)射模塊采用FSK半雙工工作方式，自動(dòng)過濾噪聲 具有自動(dòng)避讓功能，避免同頻率同時(shí)發(fā)送而干擾，類似載波 偵聽，工作穩(wěn)定可靠。模塊的傳輸距離與調(diào)制信號(hào)頻率及幅 度、發(fā)射電壓及電池容量、發(fā)射天線、接收機(jī)的靈敏度、收發(fā) 環(huán)境等有關(guān)。發(fā)射模塊設(shè)計(jì)在主板邊緣，距離周圍器件5 mm 以上，使其分布參數(shù)不受影響。

3.4電源模塊的設(shè)計(jì)

對(duì)主控板電源的分析與統(tǒng)計(jì),核心控制模塊需要電壓5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式下系統(tǒng)功耗為6.61 W。電 源部分的設(shè)計(jì)采用二級(jí)分壓模式。為避免不同功能模塊間的 相互干擾，各個(gè)模塊的二級(jí)電壓采用單獨(dú)電源模塊生成。一 級(jí)電源轉(zhuǎn)換采用DC-DC模塊實(shí)現(xiàn)，即Emerson公司提供的 ALD10F48N-L電源模塊，該模塊的輸入電源電壓為一48 V， 輸出電源電壓為3.3 V，輸出電流為10 A，輸出功率高達(dá)33 W， 典型轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%，完全能夠滿足主控板功率需求。

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于HOLTEK MCU作為中央微處理器的環(huán) 境監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)，著重闡述了主控模塊的功能與設(shè)計(jì)方 案及電源部分設(shè)計(jì)思想。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了主控模塊的基本功能 要求，并詳細(xì)考慮各種硬件需求，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，便于升級(jí)。

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