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作者：齐鲁工业大学 石永帅 陈敬远

指导教师：汪宁

　　作品简介

　　5、给小车GSM上的手机号分别发送Room1、Room2、Room3指令，小车分别执行对房间一、房间二、房间三监测，实现定点式、无人式监测。采集到房间温、湿度和气体状况后回到原点通过GSM发送到设定手机号上。小车恢复液晶显示状态。

　　作品特色：

　　1、定时和手机短信指令的方式启动小车监测房间，监测数据完毕后能及时发送到指定手机上，操作方便、灵活，适合大众家庭使用。

　　2、各项功能集于一体，取代了分布式环境监测系统，降低了成本，增强了稳定性。

　　3、系统本身也可作为万年历(具有断电保护功能)和温、湿度监测装置。在现实生活中，非常经济使用。

　　图1 小车整体结构和液晶显示

　　平台选型说明

　　作品采用STC公司的IAP15F2K61S2单片机。该单片机相对其他同类产品而言：无需编程器，无需仿真器，运算速度快，性能强大，价格便宜。有40管脚，双串口传输功能，一个芯片就是一个仿真器，是一款不需外部晶振，不需外部复位的单片机。

　　设计说明

　　一 方案论证和选择

　　1、核心单片机方案论证与选择

　　方案一：使用超核K60为智能监测小车核心控制板，超核K60具有高达32位的DMA，同时尽可能减少CPU干预。超核K60可以提供50MHz、72MHz和100MHz几种CPU频率，并且接口丰富，板子提供多种标准接口，可以方便进行各种外设的实验和开发。

　　方案二：系统采用增强版51单片机IAP15F2K61S单片机为核心控制板。该芯片采用STC第八代加密技术，不需要外部晶振，双串口，两个独立串口，高速，高可靠，超低功耗，超低价。另外还具有3路可选择配置PWM输出I/O口。

　　综上所述：从运算速度和功能上比较方案一和方案二都可以满足现在系统设计的要求，但从市场需求上来说，方案一中K60单片机要比IAP15F2K61S单片机价格昂贵，会大大加大制作成本。所以选择方案二更合理。

　　2、采集空气环境数据的方案论证与选择

　　长期无人打扫的房间，室内环境质量会明显下降，针对家中气体环境的检测，通过分析数据，我们可以对室内环境状况做出合理的分析和处理。接口丰富，板子提供多种标准接口，可以方便进行各种外设的试验和开发接口丰富，板子提供多种标准接口，可以方便进行各种外设的试验和开发接口丰富，板子提供多种标准接口，可以方便进行各种外设的试验和开发

　　方案一：使用3块无线传输模块放入三个房间内进行数据的采集处理。无线传输模块包含DS18B20温度传感器和气体数据采集模块，时刻供电进行房间监测，房间主人通过手机向小车上的GSM模块发送小车启动指令，接收到传输模块发出的数据后启动小车。完成各个房间监测回到原点将数据处理，最后利用GSM模块将数据发送到指定手机上。

　　方案二：将温、湿度监测模块DHT11，气体监测模块MQ-2，集中到监测的小车上，小车在接收启动指令后走进房间监测各房间温度、湿度，有害气体浓度。采集完成后语音播报并将各房间采集到的环境数据发送到指定的手机上。采集完回到原点，将数据通过短信的形式发送到设定的手机上。

　　综上所述：方案一采用3块无线传输模块，采样点分散多个单片机采集环境数据，实际应用中显得复杂分散。在进行房间的数据传输时各个房间无线模块的干扰也会照成采集房间信息不准确。方案二将各个模块完美结合在一起，实现各个房间的流动监测，在采集数据时方便、灵活。在成本方面和性能实现方面都有很好效果。方案二是我们合理的选择。

　　二 硬件系统的设计

　　根据方案论证的结果，我们可以把IAP15F2k61S2单片机与各个模块之间的连接构图用如下图所示：

　　图2 系统硬件组成

　　1、核心单片机

　　为了实现本系统能综合多种功能的要求，我们采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。该单片机相对其他同类产品而言：无需编程器，无需仿真器，运算速度快，性能强大，价格便宜。芯片含有40管脚，将各个模块相连。下图是按键、液晶与单片机连接原理图，按键分别连接单片机P2.3、P2.4、P2.5管脚用来控制。液晶口连接P0口，使能端E——P1.2，RS——P1.3，RW——P1.7。原理图如下：

　　图3 核心单片机、按键、液晶

　　2、GSM模块

　　GSM模块是利用手机卡来实现的无线传输接收模块，因为手机几乎已成为每人具备的工具，为了实现能远距离控制小车的启动和数据采集的反馈，通过GSM模块发送短信指令来控制小车，能方便、快捷的接收到小车采集到的数据信息。GSM模块通过TXD与单片机RXDP3.0相连，RXD与TXDP3.1相连实现单片机与GSM模块之间数据的传输。原理图如下：

　　图4 全球移动通讯(GSM)模块

　　3、声波测距模块

　　HC——SRO4超声波通过发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差来测量前方的距离。为了实现小车在房间监测的过程中能稳定前行，作品应用3路超声波测试。小车右侧设置两个用于行走矫正，前方一个用来测量前方障碍，在很短时间内做出数据的反馈处理调整小车实现各种转向、行走。超声波与单片机连接，Echo1——P4.1，Trig1——P4.2，Echo2——P3.3，Trig2——P3.4，Echo3——P2.6，Trig3——P2.7，原理图如下：

　　图5 声波监测模块

　　4、时钟模块

　　为了实现小车定时启动的功能，时钟模块采用美国DALLAS公司推出的DS1302时钟芯片。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时在液晶上显示。利用后备电源可实现电源关闭时的时钟显示保护。本次设计主要利用DS1302芯片来实现时间的显示，和小车的定时启动功能。将DS1302时钟芯片的RST、DATA、SCLK管脚分别与单片机的P1.4，P1.5，P1.6管脚相连，原理图如下：

　　图6 时钟芯片DS1302

　　5、稳压模块

　　在电池供电部分，电池电压大于单片机正常工作电压，直接连接会照成单片机毁灭性的破坏。为了保证系统采用L7805稳压芯片将电池电压稳定为5V单片机工作电压，将转换电压与单片机VCC相连。原理图如下：

　　图7 7805稳压芯片

　　6、驱动模块

　　在程序操控中，为有效控制小车的转速和旋转角度。需要控制输出占空比来实现转速的控制。程序选择单片机P_SW1=0x10工作方式利用P3.5，P3.6为PWM输出口连接小车驱动配合使用P2.1，P2.2口控制两轮的前进与后退。如图为L298N驱动原理图：

　　图8 L298驱动模块

　　7、升压模块

　　小车的前进、后退的速度受电池电量有很大影响。为了保证小车有稳定的工作电压环境，在将电池放电的时候接上升压模块在连接驱动模块。这样就为电机工作保持稳定电压，小车电机也会稳定输出动力。如图所示是XL6009芯片控制的驱动原理图：

　　图9 升压模块

　　8、气体监测模块

　　针对家庭气体环境有充分的了解，对居室天然气、煤气泄露、烟雾浓度状况的了解。系统采用对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度并且具有长期的使用寿命和可靠稳定性的气体监测模块MQ-2，通过电位器设置模块预警浓度，模块DOUT输出端口与单片机P3.2相连，将采集到的数据传给单片机。MQ-2原理图如下：

　　图10 MQ-2气体监测模块

　　9、DHT11温、湿度传感器

　　房间长期处于潮湿温度适宜的环境中容易导致家庭家具霉变和真菌、细菌的滋生，特别在家中无人封闭的环境中。为了防止家具、被褥发生霉变。系统采用含有已校准数字信号输出的温湿度符合传感器——DHT11温湿度传感器，采集信号利用单引脚DATA(红色标记)输出，将采集到的数据通过P4.4管脚传给单片机处理。连接原理图如下：

　　图11 温、湿度传感器

　　三 软件程序设计流程

　　1、开始时液晶、时钟、温、湿度传感器、GSM初始化。程序执行时钟显示，温、湿度监测显示。并且每次循环要判断是否进入定时触发中断或短信指令中断。

　　2、在进入定时中断后声波测距，小车行走程序开始执行，然后执行房间监测和语音模块程序。回到原点，语音提示“监测完毕”将执行数据短信的发送程序。短信发出后，程序跳出房间监测程序，执行液晶显示程序，并时时判断下次中断的指令。

　　3、程序在液晶显示循环中接受到短信指令，判断指令(start,Room1,Room2,Room3)分别进入不同中断程序，start进入和定时中断执行体，Room1，Room2，Room3，分别只执行进入房间一，房间二和房间三的程序。每次执行完指令回到原点执行液晶显示，等待下次中断开启。

　　图12 系统程序流程图

　　四 性能测试与性能分析

　　1、液晶显示测试

　　图13 调时按键 图14 液晶显示实时数据

　　调时按键主要用于液晶上电子时钟的调值，右侧用于选择调时时间的位置，选中位置会有光标闪烁中间按键用于时间的累加，左侧的按键用于时间的减少。

　　图15 按键调时去抖部分程序

　　在经过以上去抖程序后，测试效果性能稳定，调试时间准确。

　　2、声波调试

　　结论：声波前端距离设置为1 8厘米转弯最合理，适合小车前进。

　　3、温、湿度和气体质量检测。

　　结论：由以上数据分析可知小车在各个房间进行温度、湿度测量时基本稳定，采集数据可靠。由第五组数据可知气体检测模块会对有害气体做出敏感反应。小车采集系统采集数据稳定可靠，适合家庭使用。

　　4、GSM调试

　　图16 GSM调试串口显示

　　结论：GSM通过串口发送数据指令完全正常

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