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智能环境监测系统的设计 Design on the intelligent system of monitoring environment 摘 要 系统主要由数据采集端和移动监控终端两部分组成。采用 16 位单片机 SPCE061A 为处 理核心，在数据采集端，利用两片 CD4067BE 分别挂接 16 只 DHT11 温湿度传感器和 16 只 光照强度传感器；采用 10 位 ADC 实现对环境声音的实时录制，加入 OV7670 摄像头进行 实时拍照监控，最后把所采集到的数据帧通过 NRF905 无线传输模块传送到移动监控终端。 在移动监控终端，通过 NRF905 接收数据，将处理后的环境参数数据进行显示，接收到的 语音压缩编码通过 10 位 DAC 进行解码播放，通过按键切换进入全屏环境参数显示模式或 全屏监控照片显示模式，并将接受到的环境参数、声音、照片存储到 SD 卡中。本文以 SPCE061A 超低功耗单片机为核心，设计了通用智能终端和智能温湿度传感器，重点介绍 了该终端和传感器的任务、硬件、软件以及控制算法的设计与实现。硬件方面，介绍了 系统各个部分的设计思想、原理电路以及，并给出了系统总硬件原理图；另外，为了实 现系统的低成本和低功耗，在满足设计要求的前提下，尽可能选用了价格低廉和低功耗 的元器件。软件方面，采用了时间触发的混合调度器模式设计，对系统各个任务进行了 设计，并给出了系统软件低功耗设计方法。 关键词关键词：SPCE061A；多节点；无线传输；HMI Abstract The system is designed for two parts of data acquisition terminal and mobile monitoring terminal. Its processing core is SPCE061A which is a 16 bits mcu. In the data acquisition terminal, 16 DHT11 of single bus temperature, humidity sensor and 16 light intensity sensor are hung on two CD4067BE. The environmental sound is recorded to coding and compression with 10 bits ADC which is built in the mcu at any time. Add OV7670 which is a camera module to monitor at anytime. ALL collected data is transmitted to the mobile monitoring terminal through NRF905 of wireless transmission module. In the mobile monitoring terminal, the data is received through NRF905.The environmental parameter data is displayed after dealing with and the compression coding of speech is decoded to play with 10 bits DAC.We can switch to full-screen environment parameter display mode or full-screen picture display mode with the keys. At last, the environmental parameter, sound and photos are stored to the SD card.Based on the SPCE061A ultra low power microcontroller as the core, a general intelligent terminal and intelligent temperature and humidity sensor design, focuses on the terminal and sensor task, hardware, software and the design of control algorithm and realization. In terms of hardware, introduces the various parts of the system design thought, the principle circuit and system, and the total hardware principle diagram is given; in addition, in order to realize the system of low cost and low power consumption, in satisfies the design request under the premise, the low price and low power consumption components as possible. In terms of software, using mixed scheduler mode design time triggered, the various tasks for the design, and gives the low power design method of system software. Key words: SPCE061A; Multi node; Wireless transmission; HMI 目录 第 1 章 绪论.1 1.1 课题提出的背景.1 1.2 国内外发展现状.1 1.3 目前监控系统中存在的问题.2 1.4 课题研究任务.3 第 2 章 智能环境监控系统总体设计.4 2.1 系统总体设计.4 2.2 工作原理 .5 第 3 章 系统硬件选择.6 3.1 处理器的选择 .6 3.1.1 基础单片机概述 6 3.1.2 SPCE061A 单片机.7 3.1.3 方案选择 7 3.2 温度传感器的选择 .7 3.2.1 热敏电阻简介 7 3.2.2 DS18B20 温度传感器简介8 3.2.3 DHT11 数字温湿度传感器.8 3.3 湿度传感器的选择 .9 3.3.1 湿敏电阻简介 9 3.3.2 DHT11 数字温湿度传感器.9 3.4 光照强度传感器的选择 .10 3.4.1 光感芯片 10 3.4.2 光敏电阻比较电路 10 3.5 传感器数据输入方式选择 .10 3.5.1 单片机 IO 口并行输入方式10 3.5.2 CMOS 模拟开关10 3.6 图像采集方式的选择 .11 3.6.1 实时采集 11 3.6.2 存储芯片 11 3.7 数据存储方式的选择 .12 3.7.1 片外 ROM 芯片 .12 3.7.2 SD 卡读写模块 12 3.8 显示方式的选择 .12 3.8.1 TFT 彩色液晶屏 12 3.8.2 HMI 串口液晶屏12 第 4 章 系统硬件设计.13 4.1 SPCE061A 单片机最小系统13 4.2 光照强度采集电路 .15 4.3 传感器数据选择输入电路 .15 4.4 语音输入处理电路.16 4.5 语音播放电路 .17 第 5 章 系统软件设计.18 第 6 章 结论.20 谢 辞.21 参考文献：.22 附录.23 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 绪论 0 第 1 章 绪论 1.1 课题提出的背景 从国内现状来看，监控系统无处不在，但总体来说都处在单一分离模式，语音摄像需 要一套系统，温湿度等环境参数监控也需要一套系统，而且价值不菲，功耗较大，移动 性较差，需要较高的硬件与软件支持，数据采集端与监控端需要通过很多很长的通信线 进行连接，从而使得系统稳定性不高，对于多参数多点监控的场所，传统设备不能满足 其节点数量的要求，可行度不高，空间占用率较大。一些传统设备对于传感器的更换极 不方便，更换完传感器后要对所有传感器进行重新编号，不便于维护。鉴于以上不足之 处，我们拟采取以下措施： 1、设计一种可移动式的智能环境监控系统，以方便和适应现代化的信息管理模式。 2、该系统采用数字化数据采集，模块化处理，便于系统维护以及数据收集。 1.2 国内外发展现状 20 世纪 70 年代，国外的温室生产开始以较快的速度发展，特别是欧美发达国家，如 荷兰、美国等国家实现了机械化。当时由于水平的限制，对于生态环境因素采用单因子 控制，即对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度进行单独分别控制的方法，主要是控制温 度，其次是湿度(空气湿度、土壤湿度)。例如，在控制温度时，控制的只是温度的改变， 而不影 在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。 前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在 大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频 压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需 进一步完善和发展。目前，第三代基于网络摄像机的网络视频监控系统正兴起，以它特 有的优势会逐步成为监控系统新的潮流。 视频监控系统的发展方向。前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视 频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础， 所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 数字化，数字化是 21 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数 字化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。视 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 绪论 1 频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流（包括视频、音频、控制等）从模拟状态 转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构， 根本上改变视频监控系统的信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。 信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系 统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。 网络化，视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。 集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式 操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件采用 标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态 灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化， 系统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和 设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源共享以及任 务和负载共享，这也是系统集成的一个重要概念12。 纵观以上观点，就不难理解为什么网络数字视频监控系统正成为视频监控领域研究的 热点和发展方向。 1.3 目前监控系统中存在的问题 随着基于 PC 机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些 不足，主要是系统工作的不稳定性。硬件设计的缺点：PC 机，兼容 PC 机用于 24 小时不 间断工作时，其性能是不很稳定的，工控 PC 机相对于兼容 PC 机的稳定性有一个档次上 的提高，适用于较复杂的工作环境；视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采 集卡可采用多卡方式，也可采用单卡方式。一般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于 多卡方式，很多采用一路一卡的方式容易形成硬件冲突，对其稳定性会有很大的影响。 目前市场上也有部分为追求高帧数而设计采用多卡进行迭加的多路单卡设备，但其仍在 计算机的总线上进行传输、处理，不可能会有质的飞跃。系统软件：操作系统，以 Windows 98 为操作平台的系统，业内人士都知道，Win98 的稳定性是有一定问题的，如 果应用软件又不是很规范，这样就容易在使用过程中出现工作不稳定、死机等问题，而 基于 PC 机的视频监控录像系统其软件的实现是在 Windows 95/98/NT、Unix、Linux 等通 用操作系统上，同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上，视频处理必须高 密度输入大量数据，同时硬盘要进行多工工作，普通的硬盘逻辑（如 Windows 的 FAT32） 已无法适应，以致极易产生系统的不稳定性，造成死机现象；应用软件，采用简易应用 软件的系统是不能够用于安防领域的，视频监控系统的应用软件能力上应支持多任务并 发处理，如监视、录像、回放、备份、报警、控制、远程连接等的多工处理能力。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 绪论 2 1.4 课题研究任务 本课题研究对象是可移动式数字化智能环境监控系统，由于传统的监控系统存在不 稳定不便携等特点，对该系统的研究设计及制作提出了特殊要求，因此，本课题的研究 任务可归纳为以下几点： 1.准确可靠的主控电路及其软件设计； 2.便于移动，以及能较好的采集温度湿度等数据； 3.清晰易懂的数据显示功能； 4.其它辅助电路及结构设计。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统总体设 计 3 第 2 章 智能环境监控系统总体设计 2.1 系统总体设计 该智能环境监控系统分为数据采集端和移动监控终端两大部分，数据采集端包括 SPCE061A 核心板、16 路温湿度采集模块、16 路光照强度采集模块、CD4067 数据切换 输入模块、语音输入处理电路、OV7670 带 FIFO 摄像头模块、SD 卡读写模块、NRF905 无线发射模块，移动监控终端包括 SPCE061A 核心板、SD 卡读写模块、NRF905 无线接 收模块、语音播放电路、3.2 寸 HMI 串口人机界面液晶屏，结构框图如图 1-1 所示。 图 1-1 系统总体结构框图 数据采集端 SPCE061A核心板 移动监控终端 SPCE061A核心板 16路温湿度采 集模块 16路光照强度 采集模块 CD4067数据切换 输入模块 语音输入处理电 路 OV7670带FIFO摄 像头模块 SD卡读写模块 NRF905无线发射模块NRF905无线接收模块 SD卡读写模块 语音播放电路 3.2寸HMI串口人 机界面液晶屏 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统总体设 计 4 2.2 工作原理 在数据采集端： 16 路温湿度采集模块、16 路光照强度采集模块将采集到的数据传输给 CD4067 数据 切换输入模块，该模块进行模数信号转换后，将模拟信号转换成电信号。语音输入处理 电路、OV7670 带 FIFO 摄像头模块将采集到的数据连同 CD4067 数据切换输入模块的信 号一并传输给 SPCE061A 核心板。该核心单片机一方面将信息存入 SD 卡备用，一方面把 信息通过 NRF905 无线发射模块发射出去。 在移动监控终端： 首先，NRF905 无线接收模块接受 NRF905 无线发射模块发射的信息，并传输给移动 监控终端的 SPCE061A 核心板。通过特定的软件设计控制，使核心板接受的信息分成三部 分展现：一，存入 SD 卡作为备用资料；二，通过语音数模转换得到人能够识别的语音信 号，并播放；三，视频信息则是通过 3.2 寸 HMI 串口人机界面液晶屏实现人机信息交互。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件选 择 5 第 3 章 系统硬件选择 3.1 处理器的选择 3.1.1 基础单片机概述 51 单片机是对所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖 是 Intel 的 8031 单片机，后来随着 Flash rom 技术的发展，8031 单片机取得了长足的进 展，成为应用最广泛的 8 位单片机之一，其代表型号是 ATMEL 公司的 AT89 系列，它广泛 应用于工业测控系统之中。很多公司都有 51 系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间 内将占有大量市场。51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。若采 用普通型的的 51 单片机（例如AT89S51、STC89C51） ，数据采集与处理速度、片内RAM 大小、片内ROM大小以及对语音、视频、图片等数字信号的处理能力，是远远不能满足 本系统的要求，即使采用增强型的 51 单片机（例如 STC12C5A60S2） ，也是不够的。 AVR 单片机是1997年由 ATMEL 公司研发出的增强型内置 Flash 的 RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR 的单片机可以广泛应用于计算机 外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。1997年，由 Atmel 公司挪威设计中心的 A 先生和 V 先生，利用 Atmel 公司的 Flash 新技术，共同研发 出 RISC 精简指令集高速8位单片机，简称 AVR。相对51单片机而言，数据处理速度有一定 的提升，如采用 ATMEGA128等高档型的单片机还是可以的，但对语音、视频、图片等 数字信号的处理还是较麻烦的，需要较复杂的软件编程支持，开发周期较长，不便于维 护。 DSP（Digital Signal Processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大 量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为 0 或 1 的数字信号。再对数字信号 进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格 式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远 远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能 力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 ARM 处理器是 Acorn 计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款 RISC 微处理器。 更早称作 Acorn RISC Machine。ARM 处理器本身是 32 位设计，但也配备 16 位指令集。 一般来讲比等价 32 位代码节省达 35%，却能保留 32 位系统的所有优势。ARM 处理器的三 大特点是：耗电少功能强、16 位/32 位双指令集和合作伙伴众多。 1、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2、支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件； 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件选 择 6 3、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6、指令长度固定16,18。 这两种处理器完全可以满足系统的需要，但是性能过剩，价格过高，软件编程较复杂， 在 PCB 生产方面需要较高的工艺，不经济。 3.1.2 SPCE061A 单片机 SPCE061A 是继nSP（Microcontroller and Signal Processor）系列产品SPCE500A ， 等之后凌阳科技推出的又一款 16 位结构的微控制器。 C51 是 nVIDIA 公司推出的首款 K8 平台整合芯片组的产品系列代号，现在使用 C51 系 列芯片组的北桥芯片分为两个版本：GeForce6150 和 GeForce6100，它们与 Nforce 400 系列的南桥芯片搭配组成新一代平台。16 位处理器 NVidia C51 芯片组是 nVidia 的 K8 IGP 芯片组，于 2005 年推出。它是 nVidia 第一款为 K8 平台而设的整合型芯片组。它建 了 Geforce 6100 显示核心，完整支援 DirectX 9.0 和 HDR，是当时缯图效能最佳的整合 型芯片组。南桥的硬盘支援部分有小 BUG（有时不能启动 NCQ）。nVidia 眼见 ATi 在 Intel 和 AMD 平台芯片组市场渐有成绩，逐在 AMD 平台芯片组下工夫，推出支援 AMD 64- bit 处理器的整合形芯片组。本来计划推出 Intel 平台整合形芯片组（代号 C60），但 Intel 推出内建 ATI 整合形芯片组的主板，NVIDIA 为免尴尬，决定终止 C60 计划。 C51 是 MCS-51 系列单片机, 是一种低端的 8 位单片机。 在存储器资源方面考虑到用户资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A 里内 嵌 32k 字的闪存（FLASH）和 2k 字 SRAM。较高的处理速度（最高可达 49.152MHz）， 配合库文件操作，使 EMBED Equation.3 nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的 ， 数字信号1。在低功耗方面，用户可在 0.32MHz-49.152MHz 范围内自由设定处理器运行 速度，因此SPCE061A单片机是适用于数字信号应用领域产品的一种最经济的选择。 3.1.3 方案选择 综上所述，我们采用方案三。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件选 择 7 3.2 温度传感器的选择 3.2.1 热敏电阻17简介 热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材 料组成，用半导体材料的大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造 成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生 产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。热敏电阻体积非常小，对温 度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。 热敏电阻的电阻温度特性可近似地用下式表示： 00 11expTTBRR ：温度时的电阻值；：温度时的电阻值。R KT 0 R KT0 实际上，热敏电阻的值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可B 达 5。因此在较大的温度范围内应用式 1 时，将与实测值之间存在一定误差。热敏CK o 电阻的电阻值会随相应环境的变化而变化，加上电阻分压电路，再用单片机内自带的 AD 转换器对电压采集，从而间接得出环境温度和环境湿度。该方案中传感器电路的输出数 据都是模拟量，在多路数据采集下，单片机 AD 需要占用过多的 IO 口采集数据，而且受 电阻线性度和电阻制造误差的约束，很难得到稳定而又相对准确的数据。 3.2.2 DS18B20 温度传感器简介 DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式， 磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877，LTM8874 等等。主要根据应用 场合的不同而改变其外观。封装后的 DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅 炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。 耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控 制领域。具有抗干扰能力强、温度采集精度高、不需要复杂的调理电路和 AD 转换电路等 特点 DS18B20 是一种精度较高的单总线温度传感器，片内自带唯一序列号，但是价格也 比较高。湿度测量的方案同上述方案一。温度、湿度的采集需要过多的传感器，外围电 路复杂，占用单片机较多的 IO 口。 3.2.3 DHT11 数字温湿度传感器3 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应 用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长 期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件选 择 8 单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优 点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式 存在 OTP 内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串 行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为给类应用甚至 最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为 4 针单排引脚封装，连接方便。湿度传感器单 片集成，而且片内集成 8 位单片机，不需要额外的外围电路；单总线数字数据输出，转 换时间和单次通讯时间较短。若对温湿度精度要求不高，可采用 DHT11;若对温湿度精度 要求较高，可采用 DHT21 。该温度检测系统是以 AT89S52 单片机为核心，采用新型可编 程温度传感器 DHT11 或 DHT21 进行温度检测，具有抗干扰能力强、温度采集精度高、不 需要复杂的调理电路和 AD 转换电路等特点。 综上所述，我们选择 DHT11 数字温湿度传感器。 3.3 湿度传感器的选择 3.3.1 湿敏电阻2简介 湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而 制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有:氯化锂湿敏电阻,有机高分子膜湿敏电阻。多片 电阻组合式氯化锂湿敏传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值） ，随湿度的变化而 变化的原理进行湿度测量的传感器，湿敏元件一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者 通过蒸发、涂覆等工艺制各一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在 湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子 H+的传导状态发生变化，从而使元 件的电阻值随湿度而变化。氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重 要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的 产品型式和制作方法。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空 气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即 可测量湿度。 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、 酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量 也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。电子式湿敏传感器的准确度可达 2- 3%RH，这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时， 湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。这 方面没有干湿球测湿方法好。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件选 择 9 总体来说，湿敏电阻的电阻值会随相应环境的变化而变化，加上电阻分压电路，再 用单片机内自带的 AD 转换器对电压采集，从而间接得出环境湿度，因而很难得到稳定而 又相对准确的数据。 3.3.2 DHT11 数字温湿度传感器 在 3.2 方案三中已经做出综合论述，在此不在介绍。 3.4 光照强度传感器的选择 3.4.1 光感芯片 光感芯片是组成数码摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）应用在摄影摄像方面的高端技术元件。 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）应用于 较低影像品质的产品中。目前 CCD 元件的尺寸多为 1/3 英寸或者 1/4 英寸，在相同的分 辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。CCD 的优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大。但是 生产工艺复杂、成本高、功耗高。CMOS 的优点是集成度高、功耗低(不到 CCD 的 1/3)、 成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。在相同像素下 CCD 的成像往往 通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而 CMOS 的产品往往通透性 一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好。采用专门的光感芯片，能够精确 的得到光照强度数值的大小，但是价格很高，单是芯片价格就几十元，芯片外围电路复 杂，PCB 生产工艺较高。 3.4.2 光敏电阻比较电路 采用光敏电阻，外加比较器以及分压调节电位器，调节电位器至光照强度所需位置， 大于设定光照强度，比较器输出低电平；小于设定光照强度，比较器输出高电平。在实 际应用中，我们没必要实时测量环境光照强度的准确数值大小，只是需要一个临界值， 确保待监控环境光照强度不超过安全值即可。 综上所述，我们选择光敏电阻比较电路。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件选 择 10 3.5 传感器数据输入方式选择 3.5.1 单片机 IO 口并行输入方式 SPCE061A 单片机只有 32 个 IO 口，如采用并行输入方式，仅 16 路温湿度传感器和 16 路光照强度传感器 就全部占满了，其他模块就没法连接单片机了，因此该方案不可取。 3.5.2 CMOS 模拟开关4 开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器，当给驱 动继电器的驱动电路加高电平或低电平时，继电器就吸合或释放，其触点接通或断开电 路。CMOS 模拟开关是一种可控开关，它不象继电器那样可以用在大电流、高电压场合， 只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。其典型应用：单按钮 音量控制器、四路视频信号切换器、数控电阻网络、音量调节电路。模拟开关是通过数 字量来控制传输门（ TG ）的接通和断开以传输数字信号或模拟信号的开关。它具有功 耗低、速度快、体积小、无机械触点及使用寿命长等优点，因此在一定程度上可以用来 代替继电器。它的缺点是导通电阻不够小（几十至几百欧） ，断开时仍有泄露电流（约 0.1A） ，且通过的电流一般为毫安级。 此智能环境监控系统采用 2 片 CD4067BE 16 选 1 数字控制 CMOS 模拟开关，共用 4 条数据编码选择线和 1 条数据输出线，再外加一个非门控制 2 片 CD4067BE 的分时选通。 采用查询的方式，定时巡检 32 路传感器数据。采用此方案，仅占用单片机 6 个 IO 口。 综上所述，我们采用数字控制 CMOS 模拟开关。 3.6 图像采集方式的选择 3.6.1 实时采集 单片机的运算能力强有力，运算速度快，IO 接口功能完善，抗干扰能力强，可靠 性高，对于现场数据采集处理时，它仍然是现场数据采集器的核心元件之一。当现场测 试点较为分散时，通常以串行通信方式将数据采集连接成网络，主机采用主从访问方式， 实现多点的数据采集。这种方案在数据传输量较小且频率较高、采样周期较长时，可以 较好地完成多点数据采集处理任务。但是，当现场信号频率较高时，根据香农定理可知， 采样频率也应提高，这样在单位时间内的数据传输量也相应增大，若采用这种主从式网 络进行多点采集，实时性难以满足，甚至会造成系统崩溃。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件选 择 11 具体到此系统，OV7670 的数据输出速度较高，数据流很大，单片机与 OV7670 直连， 需要单片机腾出较多的资源来配合 OV7670，采集图像数据，从而使得单片机与 OV7670 很难匹配，增大了单片机的功耗，增加了数据的出错率，稳定性下降。 3.6.2 存储芯片 AL422B 先入先出存储芯片5内部可存储 3M 位（384k 字节）的数据，OV7670 输出 的数据暂存入AL422B中，起到缓冲作用，单片机仅需要定时读取一次 AL422B 中的图像 数据即可，而且读取速度由用户自由设定，大大降低了单片机的资源消耗。 综上所述，我们选用存储芯片式。 3.7 数据存储方式的选择 3.7.1 片外 ROM 芯片 存储空间小，价格昂贵，一般都是并行操作，占用 IO 口多，而且不方便取放，不方 便与外部设备进行数据拷贝。 3.7.2 SD 卡读写模块 SD 卡容量大，方便取下，采用 SPI 通信方式，单片机 IO 口占用少，读写速度快，再 配合 FAT 文件系统，可以很方便的对 SD 卡进行读写操作，最大可支持 2G SD 卡。 综上所述，我们选择 SD 卡。 3.8 显示方式的选择 3.8.1 TFT 彩色液晶屏 其核心电路均采用大规模可编程逻辑器件设计，全硬件实现，性能稳定可靠，产品 一致性好。采用简单的并行总线方式与 51 单片机、AVR、DSP、PIC、ARM 等 CPU 直接连接， 信号包括数据 D7：0、地址 A1：0、片选/CS、写/WR、读/RD。也可进行单片机串口 驱动 TFT 液晶显示屏，开发人员需要熟悉产品的通讯协议，进行二次开发，需要编写底 层的驱动程序。 因此基于此系统，单片机驱动复杂，并行操作占用单片机 IO 口较多，屏幕刷新速度 慢，很难满足图像的瞬间显示，单片机资源占用率大，可视化人机交互能力较差。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件选 择 12 3.8.2 HMI 串口液晶屏 HMI 是 Human Machine Interface 的缩写， “人机接口” ，也叫人机界面。人机界面 （又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介， 它实现 信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在 着 人机界面。HMI 的接口种类很多,有 RS232,RS485,RJ45 网线接口。 串口通讯，TTL 电平，操作简单，仅需要 2 个 IO 口，波特率最高可达 961200bps。 内部集成专用 TFT 驱动芯片以及图形操作 SPI 函数接口，可存储 255 张图片，图像刷新 速率快，大大降低了单片机的资源占有率，具有较高的人机交互能力。 综上所述，我们选择 HMI 串口液晶屏。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件设 计 13 第 4 章 系统硬件设计 4.1 SPCE061A 单片机最小系统 SPY0029 低压稳压芯片，带有低电压保护功能，最高输入电压 7V，输出电流最大 50ma，稳定输出 3.3V 电压，用来给单片机供电；32.768kHz 晶振外加 PLL 倍频电路， 提供给单片机 0.32MHz-49.152MHz 时钟频率；复位电路采用按键手动复位和芯片上电 复位；芯片供电引脚以及内核电压引脚，需要加合适电容去耦滤波6；单片机所有 IO 口 通过跳线选择，可以工作在 3.3V 模式下和 5V 模式下13,14,15。SPCE061A 单片机最小系 统电路如图 4-1 所示。 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件设 计 14 图 4-1 SPCE061A 单片机最小系统 VDD_P V3 VDDH3 VDD VDD_A V5 IOB3IOA5 IOA0 IOB5 IOA12 IOA4 ICE_SDA IOB0 IOB15 AVSS1 ICE_SCK VCP IOA14 IOA8 VDDH IOA1 VCM IOB9 AVSS1 IOB4 OSCO VDDH IOB12 IOB13 OPI VDD_P IOB1 SLEEP OSCI IOB8 IOA11 AGC IOA10 IOB14 VRT VCP IOA3 IOB7 IOB10 IOA9 IOA6 IOA2 MICP VREF2 OSCI IOB6 IOB11 IOA15 ICE_EN OSCO AVSS1 VSS RES_B IOB2 VSS IOA13 IOA7 M ICOUT VSS VSS VMIC VSS VDDH DAC1 DAC2DAC VSS AVSS1 AVSS2 M ICN VDD VSS VSS VDD_A VSS VSS RES_B VSS VSS VDD VSS 12 D3 DIODE + C33 220u R170 C8 104 R18 4.7K 12 D4 DIODE C3 3300p R2 3.3K C28 104 + C27 100u C18 104 + C17 100u R150 VI 2 GND 1 VO 3 U3 SPY0029 + C4 100u S1 Y1 32768 C37 104 C31 104 C36 104 + C5 100u C14 20P R160 C15 20P + C35 220u C7 104 +C29 100u OSC32O 12 OSC32I 13 XTEST 14 VDD 15 XICE 16 XICECLK 17 XICESDA 18 VSS 19 PVIN 20 DAC1 21 DAC2 22 VREF2 23 VSS 24 AGC 25 OPI 26 MICOUT 27 MICN 28 PFUSE 29 MICP 33 VCM 34 VRTPAD 35 VDD 36 VMIC 37 VSS 38 IOA0 41 IOA1 42 IOA2 43 IOA3 44 IOA4 45 IOA5 46 IOA6 47 IOA7 48 VSS 49 VSS 50 VDDH 51 VDDH 52 IOA8 53 NC 39 NC 40 NC 30 NC 31 NC 32 IOA9 54 IOA10 55 IOA11 56 IOA12 57 IOA13 58 IOA14 59 IOA15 60 XROMT 61 VSS 62 XSLEEP 63 IOB15 64 IOB14 65 IOB13 66 IOB12 67 IOB11 68 PVPP 69 VDDH 75 IOB10 76 IOB9 77 NC 70 NC 71 NC 72 NC 73 NC 74 IOB8 78 IOB7 79 IOB6 80 IOB5 81 IOB4 1 IOB3 2 IOB2 3 NC 82 NC 83 NC 84 IOB1 4 IOB0 5 XRESB 6 VDD 7 VCP 8 VSS 9 NC 10 NC 11 U1 C34 104 R190 R140 C10 104 R210 1 2 J10 CON2 R220 POWER 5V SOT-89 RESET OSC PLL + - 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件设 计 15 4.2 光照强度采集电路 光敏电阻在有光的时候和无光的时候，电阻值会发生变化，分别称为亮阻和暗阻7， 本电路中采用的光敏电阻亮阻为 0.5 k，暗阻为 5-10k。电位器取合适分压做基准电 压，通过 4 路电压比较器芯片 LM339,与光敏电阻采集电压进行比较。LM339 输出端外 加上拉电阻，当同相输入电压高于反相输入电压时，LM339 输出高电平；当同向输入电 压低于反相输入电压时，LM339 输出低电平，从而可间接得出：超过设定光照强度， LM339 输出低电平，同时指示灯亮起；低于设定光照强度，LM339 输出高电平，同时指 示灯熄灭。光照强度采集电路如图 4-2 所示。 图 4-2 光照强度采集电路 4.3 传感器数据选择输入电路 采用 2 片 CD4067BE 16 选 1 数字控制 CMOS 模拟开关，共用 4 条数据编码选择线 和 1 条数据输出线，再外加一个非门控制 2 片 CD4067BE 的分时选通,在一定时间内，只 允许一路数据输入。在软件上，配合巡检读取数据，从而仅需要 6 个 IO 口就可以操作 32 个传感器，完成 32 路数据的采集。传感器数据选择输入电路如图 4-3 所示。 OUT2 1 OUT1 2 VCC 3 IN1- 4 IN1+ 5 IN2- 6 IN2+ 7 IN3- 8 IN3+ 9 IN4- 10 IN4+ 11 GND 12 OUT4 13 OUT3 14 U3 LM339 10KR0 10KR1 10KR8 10KR9 RL1RL8RL9 20K RP0 20K RP1 20K RP9 20K RP8 91K R32 91K R33 91K R40 91K R41 LIG0 RL0 VCC GNDGND VCC GND LIG1 LIG8 LIG9 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件设 计 16 图 4-3 传感器数据选择输入电路 4.4 语音输入处理电路 话筒采集语音信号，电路提供给话筒工作电压，经过滤波，将差分信号送入处理器， 经过处理器内部 10 位 AD 将语音模拟信号转换为数字信号，最后调用语音库编码函数函 数进行压缩编码8。语音输入处理电路如图 3-4 所示。 DATA I/O 1 CH7 2 CH6 3 CH5 4 CH4 5 CH3 6 CH2 7 CH1 8 CH0 9 A 10 B 11 GND 12 D 13 C 14 INHBIT 15 CH15 16 CH14 17 CH13 18 CH12 19 CH11 20 CH10 21 CH9 22 CH8 23 VCC 24 U1 CD4067BE DATA I/O 1 CH7 2 CH6 3 CH5 4 CH4 5 CH3 6 CH2 7 CH1 8 CH0 9 A 10 B 11 GND 12 D 13 C 14 INHBIT 15 CH15 16 CH14 17 CH13 18 CH12 19 CH11 20 CH10 21 CH9 22 CH8 23 VCC 24 U2 CD4067BE LIG0 LIG1 LIG2 LIG3 LIG4 LIG5 LIG6 LIG7 LIG8 LIG9 LIG10 LIG11 LIG12 LIG13 LIG14 LIG15 VCC GND WT0 WT1 WT2 WT3 WT4 WT5 WT6 WT7 WT8 WT9 WT10 WT11 WT12 WT13 WT14 WT15 VCC 12 U7A CD4069UBCM GND IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统硬件设 计 17 图 4-4 语音输入处理电路 4.5 语音播放电路 语音信号经语音库函数解码后，由处理器内部 10 位 DA 将数字编码转换为语音模拟 信号，最后经过 SPY0030 将语音信号放大后播放。语音播放电路如图 4-5 所示。 图 4-5 语音播放电路 VCM M ICOUT AVSS1VM IC AVSS1 AVSS1 AVSS1 OPI AGC M ICP M ICN AVSS1 R6 10K +C6 22u R11K R4 3K R3 470K C11 224 R5 10K + C1 220u C16 502 C12 104 1 2 X1 M ICROPHONE R8 3K C9 104 R75.1K + C2 4.7u C13 224 + AVSS2 VDDH DAC VSS C23 224 R10 1KC26 104 C20 104 1 2 J3 Speaker 13 2 R9 1K C25 104 + - 5 4 6 1 2 83 7 U2 SPY0030 + C21 100u 1 2 3 J2 CON3SPH SPL 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统软件设 计 18 第 5 章 系统软件设计 系统软件部分采用 C 语言和汇编语言混合编程，驱动层面用汇编语言编写，功能层 面用 C 语言编写9,10,11,13。对于整体软件部分，采用模块化编程，预留出相应的通信接口， 最后通过 API 函数进行整合，便于系统整体调试、维护和软件升级，数据采集端和移动 监控终端程序流程图分别如图 5-1、5-2 所示。 图 5-1 数据采集端程序流程图 开始 系统初始化 32路传感器自检显示故障点 每隔1分钟巡检 一次传感器，并 记录数值 自检通过 是 否 录制环境声音 每隔1秒读取一 次OV7670 FIFO数 据 数据通过 NRF905发射出 去 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 系统软件设 计 19 图 5-2 移动监控终端程序流程图 开始 系统初始化 读取NRF905 缓存数据 调用语音解码库对 语音解码播放 处理数据，分离出温度 值、湿度值、光照强度 值、语音压缩编码、图 像数据帧 液晶显示环境 参数数值 数据写入SD卡 显示模式 判断 图像数据由SD卡上 传至HMI内部用户存 储器 处理器向HMI发送图 像显示指令以显示 图像 读取SD卡分离出温 度值、湿度值、光 照强度值 模式一 模式二 硕士研究生课程智能传感器技术 （考查）自选课题 结论 20 第 6 章 结论 该智能环境监控系统整体设计方案较为合理，成本控制较低，可以满足 32 节点传感 器数据的处理，能够全面兼顾温度、湿度、光照强度的数据采集，以及环境声音的录制 和现场照片的拍摄，通过无线传输方式能够很方便的实现环境现场外部监控，并且具有 很好的移动便携性、实用性，推广前景较为广阔。 参考文献 0 参考文献： 1 雷思孝.单片机原理及实用技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2004:245-250. 2 黄飞,毛钢元.基于凌阳16位单片机的温度控制系统J.淮阴工学院学报,2007,(5):63-66. 3 江东,杨嘉祥,赵宏.Z-温度传感器的非线性补偿J.传感器与微系统,2008,27(7):121-125. 4 沙占友.集成传感器应用M.北京:中国电力出版社,2009:46-48. 5 康晓东,杨海英.无线音视频处理、传输及其标准M.北京:北京工业大学出版社.2005,8: 190-192. 6 凌阳科技.凌阳16位单片机开发实例M.北京:北京航空航天大学出版社,2006:18-24. 7 孙肖子,张企民编著.模拟电子技术基础M.西安:西安电子科技大学出版社,2006:10-19, 112-136,383-396,492-547. 8 蔡莲红,黄德智，蔡瑞.现代语音技术基础与应用M.北京：清华大学出版社.2003，11：107- 109. 9 戴佳,戴卫恒.单片机C语言应用程序设计实例精讲M.北京:电子工业出版社.2006:18-19. 10 陈龙三编著.C语言控制与应用M.北京:清华大学出版社,2002:67-75. 11 谭浩强编著.C语言程序设计M.北京:清华大学出版社,2007:43-60. 12段晨东，王俭张文革智能化住宅小区监控系统设计.电气自动化.2006 13虞鹤松，武自芳微机控制技术MJ西安：西安交通大学出版社，2008 14万福君等,，单片机原理系统设计与应用，中国科学技术大学出版社，2001.8：32-34 15李朝青，PC机与单片机 *P_SystemClock = 0 x00F8;/初始化，调整系统时钟 49.152MHz/1，强振模式 *P_IOB_Attrib = 0 xFFFF;/初始化 IOB 同相低电平输出口 *P_IOB_Dir = 0 xFFFF; *P_IOB_Data = 0 x0000; *P_Watchdog_Clear = 0 x0