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基于物联网的环境监测仪的设计与实现

来源:一卡通世界网      作者:王建勇 王小平 杨埙      2014-6-24 16:20:43

  摘 要:本文设计的环境监测仪是基于HOLTEK MCU作为中央微处理器,实现环境温度、湿度、光强监测、有毒气体等环境参数的监测,着重阐述了主控模块的功能,串口模块、显示模块、无线发射模块的设计以及电源部分设计思想。该设计实现了主控模块的基本功能要求,能够较好地完成各项参数的测试指标。

  0 引 言

  21 世纪是科技信息的时代,物联网技术的兴起与应用对各行各业的发展带来了新的机遇。在社会的发展过程中,由于环境的污染和破坏,自然灾害不断发生,为了保证人们的生命财产安全,开发环境监测仪的意义显得越来越重要。基于此,本文主要对环境监测仪进行设计与实现。

  1 监测仪的系统结构

  本环境监测仪主要以实现温度、湿度、光强、有毒气体等环境参数的监测,同时为了给用户提供更大的方便,还采用了GSM直接面向用户手机,通过无线传输平台,实现远程监控。

  以传感器为主要的检测部件,按照设计的程序进行检测以达到控制、分析、计数和数据显示等功能。借助微处理器和计算机之间的串行通信完成人机交换控制。

  环境监测仪主要由数据采集模块、主控模块、GSM 模块、显示模块、电源部分、串口通信部分、晶体振荡器部分等组成,其系统主要结构如图1 所示。

物联网的环境监测系统结构

  图1中,主控模块采用HOLTEK MCU作为中央微处理器,整合外围模块,构成最小系统,最终完成一些环境参数的监测功能。

  GSM 模块主要作为主控模块的报警通道,同时也是用户远程控制的通道,负责信息的接收与传送。液晶显示模块用于显示模块工作状态及数据,主要用于测试系统和安装系统以及演示时使用。

  传感器模块负责环境数据采集并传到控制器进行处理。

  2 主控模块功能介绍

  HT46RU232 是8 位高性能精简指令集微处理器,专门为需要A/D 转换产品而设计,如传感器信号输入、低功耗、I/O 使用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、多通道A/D 转换、脉宽调制功能、I2C 接口、UART 总线、暂停和唤醒功能,使这款微处理器可以广泛应用于传感器的A/D转换、马达控制、工业控制、消费类产品、子系统控制器等。HT46RU232 的内部结构如图2 所示。

HT46RU232 内部结构

图2 HT46RU232 内部结构

  HT46RU232 的主要特性如下:

  工作电压:FSYS=4 MHz :2.2 ~ 5.5 V, FSYS=8 MHz :3 ~ 5.5 V ;最多可有40 个双向输入/ 输出口;1 个与输入/ 输出口共用引脚的外部中断输入 ;1 个8 位和2 个16 位可编程定时/ 计数器,具有溢出中断;内置晶体和RC 振荡电路;看门狗定时器;4 096×16 b 程序存储器 ROM ;192×8 b 数据存储器RAM ;具有PFD 功能,可用于发声;HALT 和唤醒功能可降低功耗;在VDD=5 V,系统频率为8 MHz 时,指令周期为0.5 μs ;8 层硬件堆栈;8 通道12 位分辨率的A/D 转换器;4 通道 8 位的 PWM 输出,与输入/ 输出口共用引脚;位操作指令查表指令,表格内容字长16 b ;63 条指令;指令执行时间为1 或2 个指令周期;低电压复位功能I2C 总线(slave 模式);通用异步接收/ 发送器(UART) ;28-pin SKDIP/SOP、48-pinSSOP 封装。

  3 硬件设计

  3.1 串口通信模块设计

  串口通信模块电路采用了异步串行通信芯片MAX232,与HT46RU232 的串行接口连接,通过串口传输数据,速度比较快,距离也较远,能够很好地满足系统功能要求。电路连接架构如图3 所示。

  3.2 显示模块设计

  本环境监测仪的显示模块选择的是液晶显示,在显示屏上可以显示温度、湿度、光强监测、有毒气体等环境参数的监测结果。电路连接架构如图4 所示。

物联网的环境监测系统

  3.3 无线发射模块设计

  无线发射模块采用FSK 半双工工作方式,自动过滤噪声具有自动避让功能,避免同频率同时发送而干扰,类似载波侦听,工作稳定可靠。模块的传输距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电池容量、发射天线、接收机的灵敏度、收发环境等有关。发射模块设计在主板边缘,距离周围器件5 mm以上,使其分布参数不受影响。

  3.4 电源模块的设计

  对主控板电源的分析与统计,核心控制模块需要电压5 V、3.3 V、1.8 V、1.5 V,标准运行模式下系统功耗为6.61 W。电源部分的设计采用二级分压模式。为避免不同功能模块间的相互干扰,各个模块的二级电压采用单独电源模块生成。一级电源转换采用DC-DC 模块实现,即Emerson 公司提供的ALD10F48N-L 电源模块,该模块的输入电源电压为- 48 V,输出电源电压为3.3 V,输出电流为10 A,输出功率高达33 W,典型转换效率高达90%,完全能够满足主控板功率需求。

  4 结 语

  本文介绍了基于HOLTEK MCU 作为中央微处理器的环境监测仪的硬件设计,着重阐述了主控模块的功能与设计方案及电源部分设计思想。该设计实现了主控模块的基本功能要求,并详细考虑各种硬件需求,使系统更加稳定,便于升级。《物联网技术》杂志授权发布,严禁转载。

  作者简介:王建勇,男,重庆城市管理职业学院教师,硕士研究生。主要从事通信技术和嵌入式系统方面的教学与研究工作。

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