第3章系統的硬件平臺設計3.1框架設計輸入、處理和輸出模塊這三個主要模塊是本次設計無線報警器系統最主要組成部分。從上一章的分析可知，基于對系統設計難度、費用成本、實際應用和性價比等應用條件及其它影響因素的考慮，本次設計的最終確定選用單片機芯片作為無線報警器系統控制中樞芯片。因此，系統硬件平臺以單片機為核心，與外圍電路共同組成無線報警器嵌入式系統。單片機在無線報警器嵌入式系統中的作用猶如人類的大腦，其主要作用為：輸入、處理以及輸出；也可稱其為輸入、輸出模塊之間的一座橋梁，成為輸入、輸出模塊間的信息傳遞路徑。在一個系統的正常工作條件下，缺少任何一個組件都將可能會導致該系統無法正常工作，這就要求我們的設計要任何構件之間都能良好的協調工作，組件的設計雖然要主次分別，但不可缺失任何環節。本嵌入式無線報警器系統的結構設計如圖3-1所示。圖3-1：系統總體結構圖3.2信號采集與處理電路設計3.2.1電路設計———煙霧檢測本次無線報警器設計選擇MQ135型煙霧傳感器。MQ135型煙霧傳感器工作原理為，當該檢測其檢測到空氣中存在異常氣體時，其導電率就會隨異常氣體含量的上升而出現明顯增高。因此，對于本次設計而言，只要采用簡易電路將MQ135型煙霧傳感器的導電率改變為與異常氣體名濃度變化相對應的信號值即可。高靈敏度、高精度、強抗干擾能力與運行速度快是MQ135型煙霧傳感器的主要特點。其工作性能穩定、使用壽命長，在市場上面的得到了廣泛的應用。此外，以下2項在MQ135型煙霧傳感器使用時要特別注意：①MQ135型煙霧傳感器在進入正常工作之前需要預熱一段時間后，才能正常工作檢測信號；②當檢測到異常氣體時，其核心部位的導電率會信號采集電路的設計如圖3-2所示。圖3-2：煙霧傳感器接線圖上圖為煙霧傳感器接線圖。該煙霧傳感器共有6個引腳，1號引腳、2號引腳和3號引腳號連接電源VCC；2與5之間有一個電阻絲，該電阻絲阻值隨著氣體濃度變化而改變；此外，5號引腳串聯一個大電阻接GND，形成分壓電路；6號引腳（yanwu）與單片機相連接；4號引腳串聯一個電阻接GND。3.2.2電路設計——LCD1602液晶屏顯示研究工作者在HD44780液晶屏的基礎上開發出了LCD1602液晶屏，其二者之間最大的區別就是：LCD1602液晶屏由數字量控制，而HD44780液晶屏的由物理信號控制；因此，LCD1602液晶屏控制準確度比HD44780液晶屏更高LCD1602液晶屏的主要組成部分為：顯示晶元、處理單元和存儲器。其中LCD1602液晶屏的顯示晶元是對外設備；LCD1602液晶屏的存儲器由DDRAM（存儲控制中心發送的數據）、CGRAM（存儲處理單元輸出數據）與CDROM（存儲液晶屏底層顯示程序）三類存儲組成，DDRAM、CGRAM、CDROM分別應用于不同的內容的存儲。LCD1602液晶屏的管腳功能如下表所示：表3-1：LCD1602液晶屏的管腳功能本系統所采用的輸入電壓為5V，完全滿足LCD1602液晶屏所要求的供電電壓（范圍5V±0.5V，額定電壓是5V）。此外，LCD1602液晶屏在顯示模塊部分采用雙電源模式，一路是由電位器控制的背光電源，其工作原理為通過電位器阻值的調整控制背光亮度，從而達到控制液晶屏清晰度的目的；另一路則是系統硬件單元供電。3.2.3電路設計——無線WIFI模塊通訊本設計采用2.4GHZ通訊頻率為本次設計的WIFI模塊使用頻段，頻率選擇會因WIFI模塊型號的不同而不同，一般情況下，其選擇范圍約在2.4.0～2.4.9之間；此外，2.4GHZ是國際通訊聯合組公認的免費頻率。本設計采用WIFI-ESP8266模塊，其通訊頻率為2.4.6GHZ；WIFI-ESP8266有綁定模式和指令模式兩種不同的通訊方式。所謂綁定模式，是指WIFI-ESP8266一旦確定主從機設備就無法與其它設備匹配連接，只能這兩個設備之間通訊且不能更改；所謂指令模式，就是指采用搜索與配對方式確定主從機，借助于AT指令輸入、輸出數據。相比之下，使用指令模式這一通訊方式更為簡單、方便，且其靈活性更強，因此，本機選擇指令模式為通訊方式，數據傳輸模式如下圖3-3所示：圖3-3：WIFI模塊數據傳輸模式圖本設計計劃的WIFI模塊數據傳輸模式圖如圖3-3所示。工作模式一：首先，APP將用戶指令下發到上位機，上位機轉換其為AT指令發送到設備；然后，設備WIFI模塊將指令通過串口送入控制中樞；最后，系統執行用戶指令。工作模式二：首先，控制系統用串口模式把處理的數據發送到設備WIFI模塊；然后，設備WIFI模塊將經控制系統處理后的回應數據轉為AT指令送入上位機；最后，上位機WIFI把AT指令轉化為系統輸出數據，并將系統處理結果的數據透傳給客戶端APP軟件。本文設計的WIFI電路如圖3-4所示。圖3-4：WIFI模塊硬件接線圖3.2.4電路設計——蜂鳴器驅動與控制本設計的報警裝置系統采用蜂鳴器報警。目前，在市場上常用的有無源蜂鳴器和有源蜂鳴器兩種。一般情況下，有源蜂鳴器必須要有較強的外部電源供電，其報警明顯，聲音大、力度強，其輸出動態音量可通過PWM波進行控制；對于無源蜂鳴器，雖然其功耗相對較低、電路控制及其連接操作較為簡單，但是其報警工作時聲音較小，因此并不滿足本次設計的使用條件。基于上述問題的分析與考慮，本設計選用有源蜂鳴器作為報警裝置。為避免增加額外的電源轉換電路，本設計選取電壓范圍為5V±0.5V，額定電壓為5V的蜂鳴器，其供電與系統輸入電壓相同，無需增加額外電源。另外，設計過程發現單片機GPIO最大功耗只有0.2W，但是蜂鳴器的啟動功耗就達到0.3W，因此，將8050型號的三極管設計在放大區，選放大倍數默認是100（其目的是為了提高單片機GPIO管腳帶載能力），滿足本系統設計要求。蜂鳴器驅動與控制電路圖如圖3-5所示。圖3-5：蜂鳴器驅動與控制電路由上圖可以看出，三極管8050斷開時，系統的供電電源被切斷，其為關斷狀態；三極管8050導通時，系統正常供電，其為連接狀態，啟動運行。此外，圖中的R1代表限流電阻，其作用為保護單片機GPIO口，防止因為三極管突然短路造成電流過大燒毀單片機GPIO口。3.3本章總結本章詳細闡述了系統的硬件架構組成，首先，介紹了控制中心中最小系統電路與子模塊電路設計思路與硬件電路組成；其次，從介紹了外圍電路組成與硬件電路的設計，包括煙霧檢測電路設計、LCD1602液晶屏顯示電路設計、無線WIFI模塊通訊電路設計、蜂鳴器驅動與控制電路設計；最后，對原理圖設計進行了解釋說明，并對操作需注意的事項進行相應說明。·圖3-6：報警器原理圖第4章系統軟件平臺設計4.1控制系統工作流程當系統軟件啟動后，第一步必須使系統自動復位一次，其目的為對變量進行清零；第二部，進入初始化模塊程序，傳感器采集到的數據將會被送入控制單元，控制中心對其進行處理后送入存儲器；另外，控制中心下發輸出指令將需要的數據由輸出模塊輸出；最后，數據模塊依舊可以調用剛才存儲器里面的采集數據。嵌入式軟件工作流程圖4-1所示。圖4-1：嵌入式軟件工作流程圖4.2系統信號采集與處理程序設計4.2.1煙霧傳感器程序設計MQ-135傳感器為本設計采用的控制系統模塊煙霧濃度信息采集裝置。MQ-135傳感器程序設計的工作原理為：MQ-135傳感器將所采集到實際環境中的煙霧濃度轉變為電壓信號傳遞到A/D轉換器；緊接著，A/D處理器將接受到的電壓信號轉變為對因的數據信息傳遞到單片機；然后，控制中心對收到的數據信息進行處理分析，并輸出相應的煙霧濃度信號。煙霧傳感器程序運行流程如圖4-3所示。圖4-2：煙霧傳感器程序運行流程圖4.2.2WIFI模塊驅動軟件設計一般來講，在串口透明傳輸模式下，WIFI模塊能夠支持串口即插即用，因此極大可能降低用戶復雜程。此模式下，任何數據的接受和發送都是透明傳輸在WIFI接口與串口之間，這是一個不需要任何請求的過程。與此同時，在透明傳輸工作模式下，能夠兼容任何軟件用戶。透明傳輸模式是本次設計系統所采用的傳輸模式，WIFI模塊起到了串口作用。當有指令下達后，指令通過WIFI模塊傳輸到控制器；緊接著，控制器系統對數據進行分析和處理，并促使系統對其作出相應的動作回應。此外，當系統要反饋數據給用戶時，可通過WIFI模塊把相應數據發送到上位機軟件。WIFI模塊啟動后，透明模式驅動軟件流程如圖4-4所示。圖4-4：透明模式驅動軟件流程圖4.2.3LCD1602程序設計本設計顯示模塊采用LCD1602液晶屏，一般情況下，系統在向LCD1602模塊輸信號或指令前，首先會對其運行狀態進行查詢，只有當系統查詢到LCD1602模塊處于休閑狀態而并非共狀態時，才會發送相關的信號或指令；若查詢到LCD1602模塊處于工作狀態而并非休閑狀態，傳輸的信號或者指令不會被執行。LCD1602顯示程序運行流程如圖4-5所示。圖4-5：LCD1602顯示流程圖4.3本章小結本章主要對入式軟件開發環境、系統框架及其工作流程進行了詳細的闡述，并對軟件結構的組成部分進行了詳細的說明；然后對各個軟件運行流程圖進行了較為詳細的描述；最后從功能上介紹了各個子控模塊（信號采集、信號處理與信號輸出等）軟件運行流程圖，主要包括煙霧傳感器程序設計、WIFI模塊驅動軟件設計和LCD1602程序設計。

第5章系統調試與性能驗證5.1測試結果分析5.1.1數據分析首先，在實際的工作環境下，由于環境溫濕度、噪音干擾、系統本身的一些特性和操作誤差的影響，會對無線報警器系統產生一定的影響；其次，測試設備與方法的也可能會對最終的輸出結果產生一定程度上（或多或少）的影響，易造成系統所采集的實際輸入信息數據與輸出信息差距較大，最終導致系統的設計結果不滿足要求。此外，在實際環境中運行,無線報警系統輸入信號通過采集終端數據處理中心時會有一定的時間延遲,導致存在一定的誤差。由于誤差的存在，系統的輸出結果不是真值，這就要求我們消除誤差。在現代系統控制中，主要用于彌補現實環境中的誤差的當方法就是誤差修正。因此，這就要求我們必須要找到適合本系統的修正值。修正值的確定有以下幾種方案：查閱相關資料，尋找以前有關研究的研究案例，參考其數據修正及其處理方法；在查閱前人研究與分析相關案列的基礎上，進行大數據的模擬分析，找出適合于本設計系統的修正系數，看原始值與系統輸入信號值是否吻合或達到相近的要求，反復進行迭代力求找到修正系數；選取多個試驗樣本，在不同的試驗條件與試驗環境下進行多次試驗，查看其最終結果的統一性，確定其為離散系統還是線性系統。進而選擇適應的修正方法進行測試結果的修正，確保其試驗數據的可靠性。總體來看，本次設計所采用的系統為簡單的控制系統，其對控制精度的要求不高，因此，方案一得出的修正值完全可以滿足系統要求，故借助于方案一就能得求取修正值，從而確定系統的輸出結果滿足要求。5.1.2問題解決電源異常：在試驗過程發現，首次通電后系統并沒有正常運行，這就要求對整個供電系統進行詳細的檢查。首先，拆除電源線，然后用萬用檢查是否存在短路，測試發現是正常的后排出短路問題；其次，單獨給電源線供電，測試同樣正常，排除外部供電電源問題；接下來，把電源線接入到系統并且去掉單片機芯片和液晶模塊，同樣測得5V電源正常、液晶屏正常顯示；最后，當將單片機芯片接入到系統中時，整個系統電路無法正常工作運行，仔細檢查過后發現焊接連錫的原因造成了單片機芯片管腳電源正負極短路，用電烙鐵把連錫去掉后系統正常工作。復位按鍵失靈：系統啟動后發現按壓復位鍵無效，經仔細檢查后發現其原因為，鍵2腳與鍵1腳連錫，一直處于聯通狀態，導致軟件判斷為無效輸入（3）液晶屏顯示不清楚：在一切準備工作完成后，系統進入正常的運行階段，但是液晶顯示屏無法顯示。調節軟件參數后液晶顯示屏清晰度得到了很大的提高，但是一段時間后亮度又明顯降低，然而當在此通過調節軟件參數，液晶顯示屏亮度并未發生明顯的改變，仔細檢查后發現其原因為系統功耗太大了，增加電源功耗后整個電路系統可以長期穩定運行。5.2本章小結本章詳細闡述了系統調試環境的搭建步驟與試驗過程發現的較有意義的注意事項，對一些常見問題進行了分析，詳細列舉了解決方案及其操作步驟。第6章總結本次研究所設計的無線報警器系統經歷了選題環節、組件篩選環節、確定系統方案、軟硬件設計以及產品測試環節。經多次的實驗驗證，本次嵌入式智能系統設計滿足設計要求。本次設計所完成的智能無線報警器雖然有很大的程度上的突破與創新型，彌補了目前市場較大短板，但是該方案還是依舊存在一些瑕疵有待進一完善與提高。（1）從設計方法橫向角度分析：本次設計的系統硬件存在一些冗余設計，這就導致最終的硬件系統框架相比較為繁瑣復雜，其運行速度也就運行相對較慢；在此，應該提出，在以后的設計中要重點考慮系統功能的實用性，減少繁瑣的系統設計，另外硬件的電路設計也應該簡易而不應過度復雜。系統的運行效率與性能是一個產品的穩定運行的主要體現，嵌入式設計時應考慮采用可能簡易系統設計實現所需的系統功能，進而提高其性價比與運行效率，這將是后期需要繼續研究的主要內容；（2）從設計方法縱向角度分析：在設計時，應該考慮嵌入式產品后期的可擴展性，可采取有效的措施提高其后期的可擴展性；例如，可以考慮在硬件上多預留一些AD、I/O、PWM口，如果后期的擴展功能需要有所改進，這些AD、I/O、PWM口可以直接調用使用，這就大大提高了產品的可擴展性能。參考文獻[1] 周全.ES體系結構的研究及其應用[D].揚州大學,2018[2] 闞寶朋,章萬靜,趙隴.基于Zigbee技術的CC2530定時器的應用與實現[J].福建電腦,2018,6(10):115-116.[3] CampsDM,GarciaSA,SERRANOP.Device-to-devicecommunicationswithWi-Fidirect:overviewandexperimentation.IEEEWireless,2018,20(3):96-104.[4] 王敏.大學計算機專業英語[M].北京：中國人民大學出版社,2019.[5] 武新華,安向東,蘇雅.加密解密技術全方位學習[M].北京：中國鐵道出版社,2017.[6] XiaojingX,KunhuiL.ResearchonKeyTechnologiesofspeechrecognition.computerengineeringandApplication,2017,42(11):66-69.[7] 饒美麗,李雪巖,徐增勇.基于ZigBee煤礦監測系統的智能傳感器設計[J].信息通信,2018,5(10):53-54.[8] CinazB,KennH.HeadSLAM-SimultaneousLocalizationandMappingwithHead-mountedInertialandLaserRangeSensors//Proceedingsofthe12thIEEEInternationalSymposiumonWearableComputers.Pittsburgh,USA:IEEECSPress,2018:3-10.[9] 劉美紅.基于ARM的汽輪機監視保護系統設計與實現[D].武漢理工大學,2015.丁愛敏.基于Zigbee的電子貨