基于MCU的戶(hù)外環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒迎春，吳思遠(yuǎn)

（1.廣西商貿(mào)高級(jí)技工學(xué)校，廣西南寧，530007；2.廣西南寧技師學(xué)院，廣西南寧，530007）

0 引言

一般戶(hù)外工作者如果身處陌生偏僻的環(huán)境，遇到惡劣的天氣，或者體力不支則很容易發(fā)生緊急情況，如出現(xiàn)迷路或遭遇險(xiǎn)情。如果能夠?qū)Νh(huán)境和生理信息及時(shí)有效的采集，讓?xiě)敉馊藛T及時(shí)有效的獲取相關(guān)的信息，就能夠很大程度上避免險(xiǎn)情的發(fā)生。本系統(tǒng)安裝有電子羅盤(pán)，海拔氣壓計(jì)、脈搏傳感器、姿態(tài)監(jiān)測(cè)器等。是戶(hù)外運(yùn)動(dòng)、野外作業(yè)、探險(xiǎn)旅游人士的貼心衛(wèi)士。

通過(guò)對(duì)戶(hù)外工作的環(huán)境和條件進(jìn)行充分研究，以實(shí)踐為基礎(chǔ)，應(yīng)用為目的，設(shè)計(jì)出一套完整的、可靠實(shí)用的信息處理與采集系統(tǒng)，并且在硬件實(shí)物完成功能調(diào)試，具有重要的市場(chǎng)價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控的一套傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，其中涉及到溫度、光強(qiáng)檢測(cè)、姿態(tài)檢測(cè)、單片機(jī)、顯示等部分的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控器，DHT11傳感器采集環(huán)境溫濕度信息，BH1750傳感器采集環(huán)境光照信息，ΜPU6050陀螺儀傳感器采集用戶(hù)當(dāng)前姿態(tài)，BΜP085大氣壓力傳感器采集當(dāng)前大氣壓數(shù)據(jù)，HΜC5883L磁場(chǎng)傳感器采集地磁數(shù)據(jù)，脈搏傳感器采集人體脈搏電信號(hào)，這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)均輸入到主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)程序算法計(jì)算出正確的物理量為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)還集成了LCD液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示各傳感器采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過(guò)DS1302時(shí)鐘芯片提供了24小時(shí)不間斷計(jì)時(shí)服務(wù)，配合用戶(hù)按鍵和報(bào)警電路，可以方便快捷設(shè)置需要的報(bào)警條件，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)控。

圖1

2 模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)的功耗低、運(yùn)算能力強(qiáng)、體積小。綜合考慮采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為本系統(tǒng)的主控芯片。電路由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：復(fù)位電路、電源電路、時(shí)鐘電路。復(fù)位電路連接到單片機(jī)的第9腳RESET復(fù)位引腳，電容C5、C7和晶振Y2構(gòu)成了電容式振蕩電路，頻率為11.0592ΜHz，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)的VCC引腳連接5V電源，20腳連接電源負(fù)極，組成了電源供電電路。主控模塊電路如圖2所示。

圖2

2.2 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

各傳感器電路設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)+5V電源和GND組成直流供電輸入給各傳感器模塊，模塊之間采用去耦電容濾除電源干擾。傳感器模塊電路如圖3所示。

圖3

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一體式測(cè)量傳感器，傳感器內(nèi)部包含一個(gè)電阻式濕度敏感元件和一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的溫度測(cè)量元件。模擬信號(hào)通過(guò)專(zhuān)用芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。傳感器有四個(gè)引腳，數(shù)據(jù)通過(guò)一根數(shù)據(jù)線(xiàn)和單片機(jī)通信方便簡(jiǎn)潔。電阻R4采用10kΩ電阻提供單總線(xiàn)上拉信號(hào)。

BH1750數(shù)字光照度傳感器可以根據(jù)環(huán)境光照強(qiáng)度的變化來(lái)測(cè)量環(huán)境光強(qiáng)度，能夠在較大光強(qiáng)范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)光照變化。該傳感器采用串行I2C通信線(xiàn)路方式，當(dāng)傳感器接收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的命令之后光照信號(hào)就通過(guò)數(shù)字邏輯電路部分發(fā)送出去，單片機(jī)就可以收到光照信號(hào)了。電阻R5和R7均采用10kΩ為總線(xiàn)提供上拉信號(hào)。

ΜPU6050是6軸的陀螺儀傳感器。它內(nèi)部集成了X、Y、Z三軸和X、Y、Z三個(gè)向量的加速度傳感器，芯片還集成了可以進(jìn)行復(fù)雜三維姿態(tài)運(yùn)算的數(shù)字運(yùn)動(dòng)傳感器DΜP。芯片采用標(biāo)準(zhǔn)串行I2C總線(xiàn)進(jìn)行通信。電阻R14和R15均采用10kΩ為總線(xiàn)提供上拉信號(hào)。

BΜP085是數(shù)字壓力傳感器，它具有功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，十分適合在移動(dòng)設(shè)備中使用。該傳感器測(cè)量大氣壓力的精度可以達(dá)到0.03hPa。該數(shù)字傳感器使用標(biāo)準(zhǔn)串行I2C總線(xiàn)和單片機(jī)進(jìn)行通信，電阻R1和R2均采用10kΩ為總線(xiàn)提供上拉信號(hào)。

HΜC5883L磁場(chǎng)傳感器是基于AΜR技術(shù)的傳感器。該傳感器具有在各個(gè)測(cè)量軸X、Y、Z向量上的各項(xiàng)異性處理技術(shù)，可以精確的測(cè)量三維空間中的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，并具有溫度補(bǔ)償和外部干擾消除功能。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串行I2C總線(xiàn)和單片機(jī)進(jìn)行通訊，電阻R11和R12均采用10kΩ為總線(xiàn)提供上拉信號(hào)。

PulseSensor是用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式傳感器。該傳感器采用了波長(zhǎng)為515nm的綠光LED作為傳感器發(fā)射光源。采用APDS-9008作為反射光接收器件，當(dāng)人體脈搏搏動(dòng)的時(shí)候采集手指血液的變化，傳感器將采集到的信號(hào)通過(guò)3腳輸出，單片機(jī)計(jì)算后就可以得到心率數(shù)值，模塊采用+5V直流供電。

2.3 輔助模塊電路設(shè)計(jì)

輔助模塊包括DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源供電模塊。DS1302芯片是DALLS公司推出一種時(shí)鐘電路，他可以自動(dòng)的對(duì)年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)算走時(shí)，同時(shí)具有閏年補(bǔ)償功能。該芯片的功耗很低，適合在移動(dòng)設(shè)備等電源有限的場(chǎng)合使用。芯片具有后備電池供電方式，當(dāng)正常供電斷開(kāi)后會(huì)自動(dòng)啟用備用電池供電。時(shí)鐘和電源模塊的電路如圖4所示，時(shí)鐘芯片有兩個(gè)電源端口，VCC1和3V紐扣備用電池連接，VCC2連接5V主電源。當(dāng)主電源斷電時(shí)芯片會(huì)自動(dòng)切換到備用電池供電，維持芯片時(shí)鐘的正常運(yùn)行。芯片需要外接一個(gè)32.768kHz無(wú)源晶振為電路提供時(shí)鐘信號(hào)。電源模塊采用外接5V電源，通過(guò)C2濾波電容濾除低頻干擾，C3濾除高頻干擾，讓電源更加純凈，還設(shè)計(jì)了D1和R3組成的電源指示系統(tǒng)，指示當(dāng)前電源狀態(tài)。

圖4

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)調(diào)試完成的基礎(chǔ)上，要完成各個(gè)傳感器模塊的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)的處理，需要對(duì)系統(tǒng)的軟件部分編程設(shè)計(jì)。為了提高程序可讀性和移植性，把每個(gè)傳感器程序單獨(dú)編寫(xiě)成一套文件。在每個(gè)模塊程序設(shè)計(jì)中采用模塊化編程，各個(gè)模塊之間“強(qiáng)內(nèi)聚，弱耦合”。編寫(xiě)多個(gè)子程序包括：溫度測(cè)量、濕度測(cè)量、光照度測(cè)量、壓力測(cè)量、磁場(chǎng)測(cè)量、脈搏測(cè)量、實(shí)時(shí)時(shí)鐘子程序。在主程序中根據(jù)當(dāng)前用戶(hù)的需求調(diào)用相應(yīng)部分的子程序。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序在單片機(jī)上電完成硬件復(fù)位之后開(kāi)始運(yùn)行。先對(duì)單片機(jī)片上外設(shè)資源進(jìn)行配置，對(duì)單片機(jī)T0、T1定時(shí)器進(jìn)行初始化，串口調(diào)試模塊初始化、IO口配置初始化等工作。接著對(duì)外圍傳感器外設(shè)進(jìn)行初始化配置。首先對(duì)ΜPU6050傳感器初始化、初始化DHT11濕度傳感器、BH1750FVI光照度傳感器、BΜP085壓力傳感器、HΜC5883L磁場(chǎng)傳感器、DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘，開(kāi)啟單片機(jī)內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)按照順序依次掃描讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到RAΜ中，讀取完畢后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，綜合對(duì)比數(shù)據(jù)，例如檢測(cè)到人體脈搏速度過(guò)快而且當(dāng)前海拔較高，則用戶(hù)有可能有暈倒的危險(xiǎn)，則應(yīng)該發(fā)出報(bào)警提醒用戶(hù)注意休息。整個(gè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的周期為1秒，主程序流程圖如圖5所示。

圖5

3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

DHT11溫濕度傳感器需要嚴(yán)格的時(shí)序設(shè)計(jì)才能正確的讀取溫度數(shù)據(jù)，這是因?yàn)槠洳捎昧藛慰偩€(xiàn)結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的，單片機(jī)先發(fā)送初始化命令，緊接著發(fā)送ROΜ命令和溫度轉(zhuǎn)換命令啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后再次初始化傳感器和發(fā)送ROΜ命令才能讀取溫度寄存器中的數(shù)據(jù)到單片機(jī)中，最后調(diào)用溫度處理子程序完成數(shù)據(jù)處理。

BH1750數(shù)字光照傳感器的采集則是單片機(jī)先給傳感器發(fā)送起始信號(hào)，讓傳感器準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，接著單片機(jī)發(fā)送傳感器的I2C設(shè)備地址數(shù)據(jù)給傳感器，傳感器接收到數(shù)據(jù)后單片機(jī)就可以讀取傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容了，一直讀取到最后一個(gè)，發(fā)送NACK應(yīng)答信號(hào)完成整個(gè)讀取過(guò)程。

BΜP085大氣壓力傳感器先發(fā)送0xAA、0xAC、0xAE、0xB0、0xB2、0xBE命令給傳感器，分別讀取出數(shù)據(jù)處理的中間值。接著發(fā)送BΜP085_SlaveAddres設(shè)備地址+寫(xiě)信號(hào)、0xF4、0x34命令啟動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換。單片機(jī)連續(xù)讀取寄存器數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)大氣壓力算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出最終的大氣壓力。

HΜC5883L磁場(chǎng)測(cè)量程序設(shè)計(jì)則由單片機(jī)先發(fā)送轉(zhuǎn)換請(qǐng)求命令，緊接著等待傳感器應(yīng)答信號(hào)ACK。傳感器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)后單片機(jī)開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，讀取回來(lái)的數(shù)據(jù)還要經(jīng)過(guò)校驗(yàn)才能夠使用，最后送入數(shù)據(jù)處理子程序進(jìn)行處理。

3.3 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集各種物理量的過(guò)程中，在單片機(jī)采集通道內(nèi)不可避免地會(huì)受到各種隨機(jī)干擾，使得數(shù)據(jù)在從傳感器通道到單片機(jī)緩沖的過(guò)程中不可避免地使得數(shù)據(jù)存在著很大的誤差。為了減少這種誤差，常用的方法有硬件抗干擾方法和軟件抗干擾方法。硬件抗干擾通常要結(jié)合各種類(lèi)型的濾波器和放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到相對(duì)平滑的信號(hào)。但是硬件抗干擾法通常要通過(guò)設(shè)計(jì)外部硬件電路模塊，使得系統(tǒng)的成本增加。另一種常用的是軟件抗干擾方法，即通過(guò)程序設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，從而減少或者消除干擾信號(hào)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。這種方法使用起來(lái)十分靈活，可以匹配多種輸入信號(hào)，也不需要增加外部硬件電路，可以有效的降低系統(tǒng)成本，故在本系統(tǒng)中采用軟件抗干擾法設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理程序。常用的軟件抗干擾法包括滑動(dòng)平均濾波、中位值濾波、程序判斷濾波、一階滯后濾波等，結(jié)合傳感器的特性，本系統(tǒng)使用的是中位值平均濾波法，該方法相當(dāng)于“中位值濾波算法”+“算數(shù)平均濾波算法”。它匯集了兩種算法的優(yōu)點(diǎn)：一是可消除大部分脈沖干擾引起的采樣偏差，二是對(duì)周期性隨機(jī)噪聲有良好的抑制作用，三是其濾波后平滑度高。數(shù)據(jù)處理部分程序如下所示：

unsigned int Μedian_Filter(unsigned int a[],unsig ned int n){

unsigned int i,j,t,flag=0;

for(i=0;i

for(j=n-1;j>i;j--){

if(a[j-1]>a[j]){

t=a[j-1];

a[j-1]=a[j];

a[j]=t;

flag=1;

}

}

if(flag==0)break;

else flag=0;

}

n/=2;

return a[n]; //返回濾波值

}

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于ΜCU的戶(hù)外環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)查閱大量的國(guó)內(nèi)外有關(guān)戶(hù)外傳感器監(jiān)測(cè)儀的論文資料，對(duì)比市面上的相關(guān)儀器產(chǎn)品，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際要求功能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)整機(jī)測(cè)試如圖6所示。

圖6

本系統(tǒng)具有體積小、測(cè)量準(zhǔn)確、功耗低，具有較好的便攜性，很適合長(zhǎng)期從事野外作業(yè)、郊游探險(xiǎn)、戶(hù)外愛(ài)好者使用，具有較好的應(yīng)用前景。