毕业论文-水下运动监测器设计与实现

1、大连东软信息学院高职毕业设计（论文）论文题目论文题目：水下运动监测器设计与实现系 所： 电子工程系 专 业： 嵌入式系统工程 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 导师职称： 讲师 完成日期： 2014 年 4 月 25 日 大连东软信息学院Dalian Neusoft University of Information大连东软信息学院毕业设计（论文） 摘要 WiFi通讯模块，将水下系统收集的信息传输到手机上。本设利用温度和超声波两个传感器对水下环境信息进行采集，然后传输给单片机进行数据处理，然后单片机将处理好可显示的信息通过WiFi模块传输给安卓设备，由安卓设备端进行直观的信息显示。经过这一过

2、程，水下的实时环境信息便呈现在我们眼前了。如图2.6所示为硬件系统运作的功能框架。 图2.5 水下运动监测系统基本硬件系统的功能构架2.4.2硬件电路设计单片机最小系统此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。所以具有复位功能的单片机最小系统在本系统中必不可少的。STC89C52单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，

3、则CPU就可以响应并将系统复位。复位电路如图2.6所示，从图中STC89C52单片机RESET引脚接出，串联了电容和电阻的电路即为复位电路。 如图2.6中所示，与STC89C52单片机18和19引脚连接，由一个晶振和两个22pF电容连接的电路，构成了单片机的时钟电路，通过晶振输出稳定的震荡周期，从而让单片机最小系统有了时间概念。图2.6 单片机最小系统原理图当PC在工作中出现卡死，按下机箱上的重新启动按钮PC中的工作程序将停止，并且重新开始运作。单片机复位与之同理，当单片机系统在工作过程中，由于其他因素干扰出现停顿USB供电和通讯电路设计图2.7 usb供电和通讯模块原理图USB供电和通讯模块

4、主要是是为了供电和开发阶段的程序烧写和调试，而选择USB接口供电则是为了开发阶段结束后脱离PC供电独立运行做准备，由于USB接口适配性强，在实用过程中，充电宝，移动电源等电源设备都可以成为适配电源。在系统开发阶段的烧写过程中，为了方便与PC机的适配，USB通讯模块是必不可少的。本系统开发使用USB通讯模块配合USB转接线的方法，来实现与PC端的通讯适配。USB转接线如图2.8所示。图2.8 USB转接线（3）LCD1602显示电路设计 根据需求，需要显示水下温度和距离两种信息，而LCD1602液晶显示屏可以显示两行信息并且与设计核心89C52单片机适配性强，稳定性好，易与调试。所以选用1602

5、液晶显示屏来作为水下实时信息显示屏。超声波测距模块和温度传感模块将检测到的数据通过处理显示到1602液晶显示屏上，在水下进行运动的人即可以直接观看1602液晶显示屏上的读数来掌握实时的水下温度，障碍物距离信息。如图2.9中所示，1602液晶显示屏P0-P7读取输入数据，VSS引脚接地，第二引脚VCC接输入电源，VEE读取液晶显示偏压信号,RS为数据命令选择端口，R/W为数据读写选择端。第15引脚连接背光源电源VCC正极，第16引脚连接背光源电源负极。图2.9 1602显示电路温度采集电路设计 从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于

6、数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进。如图2.11中所示DS18B20的第二个引脚为数据总线通过开发板电路与单片机P3.4接口相连来与单片机通讯。第一引脚则是VCC供电，第三引脚接地。 图2.10 温度采集电路原理图 如图2.11所示，为本设计采用的HC-SR04超声波传感器结构原理图。单片机通过Trig输入端引脚提供一个10US以上的脉冲触发信号，该模块内部将发射出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信

7、号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到回响信号时间间隔可以计算得到距离，然后通过Echo引脚将测得的信息给单片机。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2;本模块使用方法简单,一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,即可以达到所需求的移动测量的值。 图2.11 HC-SR04超声波传感器原理图 2.5软件设计2.5.1软件主流程图根据需求分析本系统主流程主要包括以下功能流程，主流程图如图2.13所示。图2.12

8、主流程图2.5.2温度模块子流程图选用DS18B20作为温度传感器，考虑到其成本低，精度高，稳定性好，与STC89C52单片机及开发板兼容限好并且在开发板上有传感器预留端口及电路组。传感器工作开始首先初始化，然后再采集温度信息。图2.13 温度模块子流程图2.5.3超声波模块子流程图 超声波传感器的主要检测模式是直接反射。传感器上电先进行初始化，之后发射超声波并且启用T0开终端，遇到障碍物后反射回来接收到回射波同时中断停止，传感器通过声波公式计算出距离。这样被测物到传感器的距离就被检查出来了。再将结果传输给单片机进行处理。图2.14 系统体系结构第3章项目实施过程3.1硬件实现过程3.1.1

9、过程简介硬件部分主要应用到六个模块，单片机最小系统模块，USB供电传输模块，超声波测距模块，液晶显示模块，温度测量模块，WiFi传输模块。其中，本系统开发所使用的开发板已剧具备单片机最小系统模块和USB供电传输模块，超声波测距模块，液晶显示模块，温度测量模块，WiFi传输模块则由手动装配硬件配合软件调试分模块实现，总体设计方案确定后要先明确硬件需求情况，进行所需元器件的选择，然后分模块调试，最后进行统一的上电调试。硬件开发过程：配置单片机开发板与PC设备通讯连接。原件连接。传感器电路配置安装调试。软件代码烧写。安卓终端配置调试。搭建WiFi网络与安卓端连接。使用移动电源进行单片机供电。将开发板

10、及相关组件进行防水处理。将开发板及相关组件接通电源放入水中。硬件成果物测试。3.1.2 配置开发板与PC设备通讯连接51单片机开发板想要进行硬件开发调试首先要做的准备工作时配置好开发板与PC设备的通讯连接。连接开发板与PC设备将用到USB转接线，通过USB转接线连接开发板与PC端，在PC端安装好开发板配套驱动。此时在PC端右键点击“我的电脑”打开设备管理器，点击“端口”选项，在下拉选项中找到USB-SERIAL CH340D 端口，如图3.1中所示。鼠标右键单击该端口，点击“属性”选项，在弹出窗口中选择端口设置栏，点击“高级”选项，在“COM端口号”下拉选项中选取靠前的，空闲的COM端口，并且

11、记录该端口号。如图3.2所示。此时开发板与PC通讯连接完成。图3.1 设备管理器主界面图3.2 COM端口配置操作图例3.1.3 元器件安装1.元器件安装要注意事项：元器件与开发板或单片机的正确连接很重要，首先认真观看开发板电路图以及元器件资料，了解元器件各引脚，在根据需求把相对应的引脚接入开发板电路。元器件安装要注意事项：（1）在接入电源前，要先对照元器件参数判断电压是否适配，避免电压不匹配上电后损坏元器件。（2）杜邦线使用前先进行导电测试避免杜邦线断路引发的不必要问题。（3）单片机安装到开发板前要注意方向，STC89C52单片机有半圆形小缺口的一端应朝上。2.传感器安装遇到的问题：安装16

12、02液晶显示器，超声波传感器，温度传感器等原件到开发板并配置电路。 由于单片机VCC接口不足，无法供应众多元器件电源输出，将开发板上本系统没有使用的电路中的VCC电源通过杜邦线接出，对元器件供电。3. 安卓移动终端选择选择Android4.2版本系统终端，该终端具有软件兼容性高，WiFi功能稳定，系统响应速度高等特点。这样本系统将可以适配于绝大部分安卓平台手机，平板电脑。4. 安卓客户端功能客户端功能见表3.1中所示。表3.1 客户端功能功能编号功能名称功能描述1数据接收接收水下环境信息2WiFi对接和指定的WiFi网络对接3数据显示将接收到的信息经过换行显示到软件显示窗3.2软件实现过程3.

13、2.1 Keil软件开发环境KeiluVision4是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统 HYPERLINK /view/1219.htm t _blank c语言的语法来开发。该开发环境同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能。与汇编相比，C语言易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入 HYPERLINK /view/33704.htm t _blank 汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。KeilC51标准C编译器为8051微控制

14、器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。uVision4可为它们提供单一而灵活的开发环境。在Keil程序主界面单击工程按钮可以看到新建工程如图3.3所示。图3.3 新建工程文件输入新工程名并保存后选择芯片，从左侧目录中找到Atmel，点击选择下拉菜单中的AT89S52（在Keil中，选择芯片的时候，是不能选STC系列的。不过，对于STC的任何一个系列，都可以选择AT89S52系列。）如图3.4所示。然后在新建工程中添加.C和.H文件，在这些文件中编写代码。代码编译完成后生成hex文件保存待用。图3.4 工程芯片选择3.2.2 使用STC-ISP烧写hex文件STC-I

15、SP HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 单片机平台涌来烧录编程以及下载的 HYPERLINK /view/37.htm t _blank 软件，是用于 HYPERLINK /view/238367.htm t _blank STC系列单片机来设计的，可下载STC89系列等多种系列STC单片机，使用方便，现已被广泛应用。STC-ISP软件配置:首先连接开发板与PC端，在PC端安装好STC-ISP软件，打开STC-ISP软件，在软件窗口步骤1中选择STC89C52RC型芯片。在软件窗口步骤2中打开之前准备的.hex文件。在软件窗口步骤三中选择之前记录的COM口，波

16、特率选择默认的最高115200。然后给开发板上电，点击软件窗口中步骤5的按钮“Download下载”。STC-ISP软件窗口如图3.5所示。图3.8 STC-ISP下载器主界面 下载完毕后进行上电测试实际运行结果。3.2.3 程序主函数void main(void)lcd_init(); Timer0Init(); SerialInit();LCD1602DisplayString(0 x00,D:);/初始化第一行显示 LCD1602DisplayString(0 x08,CM);/初始化第一行显示LCD1602DisplayString(0 x40,T:);/初始化第二行显示while(1

17、) D = GetSr04Data(); T = GetTemp(); SystemDelay_ms(200); distance0 = (unsigned char)(D/10000%10 + 0); distance1 = (unsigned char)(D/1000%10 + 0); distance2 = (unsigned char)(D/100%10 + 0); distance3 = (unsigned char)(D/10%10 + 0); distance4 = (unsigned char)(D%10 + 0); distance5 = 0; TE0 = (unsigned

18、 char)(T/100%10 + 0); TE1 = (unsigned char)(T/10%10 + 0); TE2 = 46; TE3 = (unsigned char)(T%10 + 0); TE4 = 0; LCD1602DisplayString(0 x02,distance); LCD1602DisplayString(0 x42,TE); SerialSendString(温度：); SystemDelay_ms(300); SerialSendString(TE); SystemDelay_ms(300); SerialSendString(距离：); SystemDela

19、y_ms(300); SerialSendString(distance); SystemDelay_ms(300); SerialSendOneByte(10); 3.3调试过程3.3.1 硬件调试（1）排除逻辑故障逻辑故障一般由于设计和加工制做过程里出现的工艺性失误所造成的。主要包括错线、短路、开路。解决的办法是将加工的印制板自习对照原理图，看是否完全一致。应该尤为注意的是对电源系统进行检查，从而防止电源短以及极性错误，并且着重检查系统总线（控制总线、地址总线和数据总线）中是否有相互之间电路短路或者与其它的信号线路有短路。必要的时侯使用数字万用表进行短路测试，可以有效减少排错时间。（2）排

20、除元器件失效造成这种错误的原因一般有两个：一是元器本身就已坏了；另一个是因为安装错误，元器件被烧坏。此时检查该元器件与选用的型号、规格参数和安装方法是否一致。保证以上无误的话，只能使用替换元器件的方法排除错误。（3）排除电源故障在通电前，先要检查电源的电压的极性，否则将会造成元器件损坏。上电后认真很检查各个插件上的引脚的电位，先检查VCC和GND两个引脚电位，如果在5V4.8V范围内属正常。如果有高压，那么调试时，将会损坏元器件，所以硬件调试过程中一定要注意电压不要超过这个范围。（4）实际运行调试在开发板首次与PC设备进行连接时，烧写简单小程序测试单片机是否正常工作。系统上电后在不同温度环境下

21、测试18B20温度传感器灵敏度，误差范围是否达到使用要求。通过旋钮调节1602液晶显示屏的亮度，来达到合适的显示效果。找一个参照物，将超声波探头对准参照物拉近拉远并用游标卡尺测量距离，与显示的距离信息对比测试超声波传感器读数精确度。使用安卓设备接入WiFi模块搭建的无限网络，查看安卓终端信息显示情况。3.3.2 软件调试观察硬件测试所反映出来的问题，使用Keil找到对应代码进行修改，再次生成.hex文件通过STC-ISP软件烧写后在运行硬件系统，观察问题解决情况。3.3.3 测试过程问题及解决方法安卓设备显示信息刷新频率过快，导致安卓设备软件崩溃。通过在代码中加入延时函数降低数据传输频率。单片

22、机VCC供电口不足，将开发板闲置电路中VCC电源接出给传感器供电。安卓设备端接收信息为乱码，通过修改传输波特率解决，之后显示信息正常。WiFi模块输入输出端引脚接反，导致无法正常传输数据。通过重新连接单片机与WiFi模块之后解决问题。大连东软信息学院毕业设计（论文）第4章项目成果4.1硬件成果物4.1.1 水下运动监测器整体本次设计硬件最终成果如图4.1中所示，以开发板为平台，STC89C52单片机为核心控制器，搭载18B20温度传感器，HC-SR04超声波传感器，搭配WiFi模块无线传输数据，通过1602液晶显示屏和安卓设备显示信息。这些硬件通过所编写的软件程序整合到一起，配合运作。如果4.

23、1中所示，水下运动监测器系统通过USB接口供电，可以适配多种移动电源LCD1602液晶显示屏显示的两行信息中，第一行显示的是与障碍物之间的直线距离，第二行显示的是温度。通过杜邦线连接的分别是WiFi模块和超声波传感器，在WiFi模块上海外接了信号增强天线来提升网络覆盖范围来增加数据传输有效范围。图4.1 水下运动监测器整体成果照片4.2软件成果物在安卓设备终端我们使用与WiFi模块配套的安卓端网络助手进行信息显示，在使用前需先让安卓设备接入USR-WiFi232-T所建立的无线网络进行端口和波特率的配置。如果4.2中所示，安卓设备软件在与WiFi模块成功对接后，在安卓终端我们成功显示了水下监测

24、器监测到的水下温度和障碍物距离的信息，并且将显示信息自动换行，信息显示刷新频率可以通过修改软件代码调试延时函数进行修改，默认信息刷新频率为每秒一次，避免了数据刷新频率太高导致安卓设备端软件崩溃的问题，也保证了显示数据的时效性。图4.2 安卓设备端信息显示截图第5章结 论当前，自然灾害频发，而我们对水下世界的探索却从未停下脚步，面对水中的不确定因素，我们在水下运动探测时有必要携带一款水下信息监测器。而如今，在自然资源日益紧张的大背景下，水下资源的探测和开发也被提上日程，在水下科研开发和探测过程中，也必须有水下环境监测设备的支持，这次的设计将水下信息监测做到水下与水上同步，为水下运动和探测提供了双

25、向保险。水下运动监测系统具有非常广阔的应用前景，应用领域已经不断扩大，如水下运动，海洋研究，海洋开发和水下工程中都可以应用到。对于人均资源匮乏的我国来说，水下世界的探测和开发具有极其重要的作用，而在这一领域，非常适合嵌入式水下监测系统的开发与应用。本次设计主要应用了我大学所学习的单片机开发与应用的技术，围绕STC89C52单片机展开，在其基础上进行开发，配合各个模块的应用，构成本次设计的水下运动监测器。由于成本制约，本次设计样例仅在单片机开发板基础上实现。实用型则可对硬件系统进行集成处理将元器件搭载到一个微小的芯片上（如NIKE运动监测器），可搭载到泳镜，泳衣等各种物品从而提高实用性和便携性。

26、毫无疑问，在水下资源探测开发和水下运动中，水下运动监测系统具有非常良好的应用前景，目前我国水下探测技术还处于研制试验阶段，很多关键技术都没有突破。而我所设计的水下运动监测系统，也仅仅涉及到了一小部分传感器的应用，而嵌入式设计为我们提供的开发平台非常广阔，我们可以在水下监测技术上应用更多的传感器来监测更丰富的水下信息。而这更需要学习更多的知识与技术。我们要瞄准目标，抓住时机，开拓创新，争取在水下环境监测技术上有所突破。在整个毕业设计过程当中，遇到了许多问题与挑战，在这个过程中，我必须不断学习来解决这些问题与挑战，可以说，毕业设计是一个不断充实自我的过程，同时也让我认识到，自己的知识储备还十分匮乏，需要更加的努力学习来丰富自我。参考文献1 肖红兵跟我学单片机M，北京航空大学出版社，2002，82 李广第单片机基础M，北京航空大学出版社，19993 徐惠民单片微型计算机原理接口与应用M，北京邮电大学出版社，19964 夏继强单片机实验与实验教程M，北京航空大学出版社，20015 李平等单片机入门与开发M，机械工业出版社，20096 赵振华单片机产业畅想J，中国计算机报，2001，4（4）：19-207 阎石数字电子技术基础M，机械工业出版社，20048 侯媛琳单片机原