1、圖15 串口電路3.3 電源模塊設計stc12c5a60s2單片機的實際工作電壓為3.55.5v，nrf24l01無線射頻收發芯片的實際工作電壓為1.93.6v，max232串口電路的實際工作電壓為+5v10%，sim300實際工作電壓為4v。所以本文采用的電壓大約為5v，選用lm317穩壓塊來對電源進行調理，形成穩壓電源。lm317系列集成穩壓電路(國產型號為cw317)，輸出電壓可調范圍為1.2537v，輸出電流為0.051.5a，工作溫度可分為-55+150、-25+125、0+125三類，電壓調整率的典型值為0.01%/v，負載調整率的典型值為0.1%。其內部含有過流、過熱和調整管安全

2、工作區保護電路，具有安全可靠、應用方便等優良性能。圖16 電源模塊電源電路中使用了fuse-500ma。保險絲也被稱為熔斷器，iec127標準將它定義為“熔斷體（fuse-link)”。它是一種安裝在電路中，保證電路安全運行的電器元件。 保險絲的作用是：防止人身的傷害，防止著火或設備損壞。若電路中正確地安置了保險絲，那么，保險絲就會在電流異常升到一定的高度和一定的時間，自身熔斷，切斷電流，從而起到保護電路安全的作用。3.4 液晶顯示模塊設計本次設計我們采用lcd1602液晶顯示屏。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它有若干個5x7或者5x

3、11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。相比于其他液晶顯示屏，它具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧等優點。 lcd1602采用標準的16腳接口，其中: 第1腳：vss為地電源 第2腳：vdd接5v正電源 第3腳：v0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10k的電位器調整對比度 第4腳：rs為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：rw為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當rs和rw共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當rs為低電平rw為高電

4、平時可以讀忙信號，當rs為高電平rw為低電平時可以寫入數據。第6腳：e端為使能端，當e端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第714腳：d0d7為8位雙向數據線。 第1516腳：空腳 1602液晶模塊內部的字符發生存儲器（cgrom)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時模塊把地址41h中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。圖17 lcd1602顯示屏3.5 無線通信電路設計目前市場上具有代表性的無線收發芯片主要

5、有nordic公司的nrf系列、ti公司的cc系列與rfm公司的tr系列等，這些芯片在不同的傳感器網絡節點中都得到了應用。其中由挪威nordic公司推出的一款2.4ghz低成本的無線收發芯片nrf24l01近年來得到了廣泛應用，其最大空中數據傳輸速率達到2mbps，有125個頻道。內置硬件crc(循環冗余校驗)和點對多點通信地址控制，集成了頻率合成器、晶體振蕩器和調制解調器，外圍元件極少。嵌入的鏈路層控制降低了單片機程序的復雜性和成本，并且提高了數據傳輸的可靠性。nrf24l01沒有復雜的通信協議，完全對用戶透明，通過一個標準的usb-ttl接口與外圍控制器連接，同種產品之間可以自由通信。所以

6、本文選擇nrf24l01來設計通信模塊電路。圖18 無線通信模塊電路的設計圖 圖18為無線通信模塊電路的設計圖。5號引腳是nrf24l01接收和發送模式的使能端，使芯片工作在接收或發送模式，與單片機的p0.0相連。 1、2號引腳和3、7、9、13、15號引腳是nrf2401的電源引腳和地引腳，分別與通信模塊的電源和地相連。6引腳與單片機的p0.5口相連。dr1引腳與單片機的p0.4口相連。clk1引號腳與單片機的p0.3口相連。data引腳與單片機的p0.2口相連。11引腳與單片機的p0.1口相連。3.6 gprs模塊設計本文選用的gprs模塊是由希姆通(simcom)公司生產的sim300。

7、sim300功耗低、體積小且支持即插即用功能，采用三頻gsm/gprs解決方案，可以實現短信息、傳真信息和數據的高速傳輸。sim300有一個60腳的外接插座，其中包括：sim卡插座接口、兩個模擬音頻接口、鍵盤接口、lcd接口和兩個串口接口。 圖25為gprs模塊接口電路圖。 其中sim_vdd引腳為sim卡提供工作電壓，sim_i/o是輸入輸出引腳，sim_clk引腳是時鐘頻率，sim_rst是復位引腳。圖19 gprs模塊接口電路圖sim300集成gprs無線上網、gsm語音通話和短消息等多種功能于一體，支持數據、語音、短消息和傳真業務，主要為語音傳輸、短消息和數據業務提供無線接口。內嵌強大

8、的tcp/ip協議棧以提供tcp/ip協議轉換，從而大大減輕了客戶在使用單片機系統時，需要在gprs上位系統中嵌入tcp/ip協議的繁瑣工作，能快捷完成串行數據和ip數據包之問的格式轉換。在sim300中插入sim卡，接上天線，就可以利用gprs無線網絡快速接入internet。 4 系統的軟件設計軟件設計主要是信號采集與處理軟件設計、無線傳感器控制軟件設計、總結點單片機程序設計、gprs通信軟件設計和pc上位機軟件設計。4.1 信號采集與處理軟件設計通過給激振模塊兩個信號in1,in2，激振模塊就能反饋一個方波信號。只要測得其頻率，就能通過公式，轉換為壓力。分節點單片機的主要任務是定時從激振

9、模塊讀取采集到的壓力數據，并將數據通過nrf24l01無線傳感器芯片發送到總結點。在采集數據時，單片機每隔一分鐘讀取一次采集數據。圖20 信號采集利用單片機的t0、t1的定時計數器功能，完成對輸入的信號進行頻率計數。頻率的測量方法：通過檢測一定時間內（1s內）輸入方波的個數計算頻率。 t0主要功能時進行計數，t1是進行計時。t0是工作在計數狀態下對輸入的方波信號進行計數，但對工作在計數狀態下的t0，最大計數值為fosc/24，由于fosc12mhz，因此，t0的最大計數頻率為250khz，滿足設計要求。對于頻率的概念就是在一秒時間內輸入脈沖的個數，即為頻率值。設定t1工作在定時狀態下，每定時1

10、秒到，就停止t0的計數，并從t0的計數單元中讀取計數的數值即為琴弦的頻率。t1工作在定時狀態下，最大定時時間為65ms，達不到1秒的定時，所以采用定時50ms，共定時20次，即可完成1秒的定時功能。圖21 頻率測量與處理流程圖4.2 無線傳感器控制軟件設計nrf24l01無線傳輸模塊程序主要實現無線數據的發送和接收，通過中斷服務程序來實現。nrf24l01中斷入口模塊流程圖如圖22所示。圖22 nrf24l01中斷入口模塊流程圖nrf24l01通過usb-ttl接口和外部進行數據交換。nrf24l01的數據傳輸模式有shockbursttm和enhanced shockbursttm兩種數據包

11、。后者比前者多了一個確認數據傳輸的信號，保證數據傳輸的可靠性。在shockbursttm模式下，器件內部完成需要高速處理的rf協議，發送數據時只需將數據放入發送數據緩沖區，器件會自動產生前導字符preamble和crc數據，并將這些數據地址和地址信息、發送數據緩沖區的數據等組成一個數據包發出去，配置為接收數據的nrf24l01接收到數據包后由硬件解析地址數據和數據信息，當接收到有效的數據信息后在irq引腳產生中斷通知外部處理器讀取數據。在enhanced shockbursttm模式時，nrf24l01發送數據后會自動切換到接收模式以接收返回的握手信號，當收到確認信號后irq引腳產生數據發送完

12、成中斷，如果沒有握手信號返回則表示發送失敗，將會自動重新發送，如果重新發送的次數超過在arc_cnt寄存器里面設定的值則會在irq引腳產生中斷。本文采用enhanced shockbursttm模式。數據由usb-ttl接口寫入nrf24l01緩存區，然后ce置為高電平，并延時一段時間后發送數據。在應答模式下，nrf24l01在發送數據后立即進入接收模式，收到應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功，tx_ds置高，同時tx_pld從發送堆棧中清除；若未收到應答，說明發送失敗，并記錄下發送失敗的次數，自動重新發送該數據。4.3 總結點單片機程序設計總結點通過nrf24l01接收數據，由單片機

13、控制nrf24l01和gsm模塊的數據收發。為了提高系統的運行效率和控制的實時性，單片機采用中斷控制處理方式。通過不斷查詢串口數據，當監測到“sm”字符時，進行數據接收，然后進行數據分析，完成后進入下一次查詢。總結點單片機程序流程圖如圖23所示。圖23 總結點程序流程圖4.4 gsm通信軟件設計圖24 gsm串口接收數據分析流程圖主控制器通過串口與gsm模塊通信，將壓力參數通過短信發給監測人的手機。本設計通過循環分析串口接收到的數據，當檢測到數據中包含“sm”時，則認為是檢測人員進行查詢。當數據傳輸結束后，進行數據信息的分析。5 調試通過前面的內容，論文詳細地論述了系統的總體方案、軟硬件的具體

14、設計及實現。為了驗證系統是否能夠達到設計要求，需要對系統整體性能進行測試。系統開機順序：（1）接通電源，單片機控制激振電路產生高壓脈沖將傳感器振弦激振，振弦的振動信號經激振模塊放大整形送給單片機。stc89c52單片機對振動信號進行頻率計算并將頻率數據存入數據存儲器，同時在顯示屏上顯示出來，完成了測量功能。（2）nrf24l01發送模塊與分節點單片機連接，nrf24l01發送模塊發送數據，完成了發送功能。（3）nrf24l01接收模塊與總結點單片機連接，nrf24l01接收模塊接收數據，完成了接收功能。（4）單片機將當前接收到的傳感器的頻率測量值和固化在其內部的參數帶入相應的計算公式計算出壓力

15、值并送顯示屏顯示，完成顯示功能。（5）stc12c5a60s2單片機的p12引腳（rxd），p13引腳（txd）分別與gprs模塊的gtx，grx引腳相連接，sim卡插入gprs模塊，gprs模塊運行。sim300模塊的電源指示燈亮了，按下key1開關，持續3秒鐘，就會看到rst指示燈每隔12秒鐘閃爍一次， 這時按下key2，發送短信，按下key3，接收短信，按下key4，接聽電話。（6）gprs模塊與上位機相連，單片機接收到的壓力信號通過運用at指令的gprs網絡傳輸到上位機，并在上位機顯示與自動存儲，實現了基于udp傳輸協議的數據傳輸，完成了工程的短距離監測功能。實驗結果表明，研制的傳感器

16、動態性能滿足了設計要求。綜上所述,本系統具有設計思路正確、編程簡潔巧妙、功能實用全面等特點，大大縮短了現場測量與計算時間，減輕了勞動強度，提高了測量計算準確度，同時為測量結果的后期處理與保存帶來了極大的便利。結 論在大型土木工程的安全監測中，常常需要采集大量的現場數據，如溫度、壓力等，傳統壓力測量方法只適合于采集變化范圍較小的情況。為解決這個問題，本文設計了基于振弦式傳感器的壓力測試系統，系統在運行時具有實時監測、短信接收、pc上位機顯示及查詢歷史數據的功能。根據系統設計的結構，主要進行了單片機選擇，選用了stc12c5a60s2單片機；進行了單片機外圍電路設計，包括時鐘電路、復位電路、串口電

17、路的設計；還進行了電源模塊的設計、無線收發電路的設計和gprs模塊的設計。實現了nrf24l01無線傳輸芯片將數據發送到總節點，完成了總節點的軟件設計，實現了多數據的匯總。實現數據通過sms短消息發送到監測人員的手機上，通過gprs將數據傳到pc上位機；完成了pc上位機的軟件的設計，實現了數據的顯示、圖形化記錄。由于在開發過程中，受時間限制，但是還有很多需要完善的地方。致 謝經過兩個多月的努力，本次畢業設計就要結束了。本論文的完成首先要感謝我的指導老師王士湖老師，從論文的選題，開題，到最后的撰寫，每一過程都有王老師心血的凝結。在論文的完成過程中，王老師不時的精心指導，分析問題，解決問題。王老師

18、思路開闊、勇于創新、平易近人，這給我留下了深刻的印象，并使我受益終身。他在學習和工作方面給了我大量的指導，讓我學到了很多知識，掌握了很多以前不懂的知識，也獲得了很多實踐鍛煉的機會。他對我的嚴格要求以及為人的誠懇都將使我終身受益，在本次畢業設計中我受益非淺，學到了很多東西，將書本上的理論知識和實踐結合起來。在這個過程當中，通過自己的學習和努力，不斷地翻閱相關資料，加上王老師的指導和講解，我在知識水平和解決實際問題的能力上都有了很大的提高。在此向王老師表示衷心的感謝！感謝我的同組同學，他們在我完成課題和論文期間給予了很大的幫助，提出了許多寶貴的意見。在論文的寫作過程中參考了大量的文獻資料，在此謹向

19、資料的作者表示感謝。感謝大學四年教育過我的各位老師，他們用辛勤的汗水向我傳授了各方面的知識。感謝電子與電氣學院對畢業設計的重視和認真的安排，有了這方面的幫助，我的畢業設計才能順利完成。同時，指導老師不時地詢問我們畢業設計的進展情況，不斷給予講解與督促，使設計能順利進行。在他的指導下，才使我能夠順利的完成畢業設計工作，在此也非常感謝各位評委老師百忙之中抽出寶貴的時間來評審我的論文，感謝各位老師。感謝我一路走來的朋友在學習和工作中給了我諸多的鼓勵、幫助和支持。向多年求學過程中，在物質和精神上無私支持我、關懷我的父母致最深深的敬意。參 考 文 獻1 吳卿,侯建軍. 基于c/os-的振弦式傳感器測頻系統的設計與應用j. 北京交通大學學報, 2006,(05) .2 高占鳳,杜彥良,蘇木標. 橋梁振動狀態遠程監測系統研究j. 北京交通大學學報, 2007,(04) .3 蘇亞,孫以材,李國玉. 壓力傳感器熱零點漂移補償各種計算方法的比較j