基于MCU的戶外環境監測系統設計

鄒迎春，吳思遠

（1.廣西商貿高級技工學校，廣西南寧，530007；2.廣西南寧技師學院，廣西南寧，530007）

0 引言

一般戶外工作者如果身處陌生偏僻的環境，遇到惡劣的天氣，或者體力不支則很容易發生緊急情況，如出現迷路或遭遇險情。如果能夠對環境和生理信息及時有效的采集，讓戶外人員及時有效的獲取相關的信息，就能夠很大程度上避免險情的發生。本系統安裝有電子羅盤，海拔氣壓計、脈搏傳感器、姿態監測器等。是戶外運動、野外作業、探險旅游人士的貼心衛士。

通過對戶外工作的環境和條件進行充分研究，以實踐為基礎，應用為目的，設計出一套完整的、可靠實用的信息處理與采集系統，并且在硬件實物完成功能調試，具有重要的市場價值。

1 系統總體方案設計

本設計是以STC12C5A60S2單片機為主控的一套傳感器檢測系統，其中涉及到溫度、光強檢測、姿態檢測、單片機、顯示等部分的設計。系統設計框圖如圖1所示。系統采用STC12C5A60S2單片機作為主控器，DHT11傳感器采集環境溫濕度信息，BH1750傳感器采集環境光照信息，ΜPU6050陀螺儀傳感器采集用戶當前姿態，BΜP085大氣壓力傳感器采集當前大氣壓數據，HΜC5883L磁場傳感器采集地磁數據，脈搏傳感器采集人體脈搏電信號，這些傳感器采集到的數據均輸入到主控芯片進行數據處理，通過程序算法計算出正確的物理量為用戶提供數據支持。同時還集成了LCD液晶顯示屏實時顯示各傳感器采集的數據內容，通過DS1302時鐘芯片提供了24小時不間斷計時服務，配合用戶按鍵和報警電路，可以方便快捷設置需要的報警條件，實現全自動監控。

圖1

2 模塊電路設計

2.1 主控模塊電路設計

本設計要求系統的功耗低、運算能力強、體積小。綜合考慮采用STC12C5A60S2單片機作為本系統的主控芯片。電路由以下幾個部分構成：復位電路、電源電路、時鐘電路。復位電路連接到單片機的第9腳RESET復位引腳，電容C5、C7和晶振Y2構成了電容式振蕩電路，頻率為11.0592ΜHz，為單片機提供穩定的時鐘信號。單片機的VCC引腳連接5V電源，20腳連接電源負極，組成了電源供電電路。主控模塊電路如圖2所示。

圖2

2.2 傳感器模塊電路設計

各傳感器電路設計采用模塊化的設計思想，通過+5V電源和GND組成直流供電輸入給各傳感器模塊，模塊之間采用去耦電容濾除電源干擾。傳感器模塊電路如圖3所示。

圖3

DHT11數字溫濕度傳感器是一體式測量傳感器，傳感器內部包含一個電阻式濕度敏感元件和一個負溫度系數的溫度測量元件。模擬信號通過專用芯片轉換成數字信號。傳感器有四個引腳，數據通過一根數據線和單片機通信方便簡潔。電阻R4采用10kΩ電阻提供單總線上拉信號。

BH1750數字光照度傳感器可以根據環境光照強度的變化來測量環境光強度，能夠在較大光強范圍內監測光照變化。該傳感器采用串行I2C通信線路方式，當傳感器接收到單片機發來的命令之后光照信號就通過數字邏輯電路部分發送出去，單片機就可以收到光照信號了。電阻R5和R7均采用10kΩ為總線提供上拉信號。

ΜPU6050是6軸的陀螺儀傳感器。它內部集成了X、Y、Z三軸和X、Y、Z三個向量的加速度傳感器，芯片還集成了可以進行復雜三維姿態運算的數字運動傳感器DΜP。芯片采用標準串行I2C總線進行通信。電阻R14和R15均采用10kΩ為總線提供上拉信號。

BΜP085是數字壓力傳感器，它具有功耗低、精度高等優點，十分適合在移動設備中使用。該傳感器測量大氣壓力的精度可以達到0.03hPa。該數字傳感器使用標準串行I2C總線和單片機進行通信，電阻R1和R2均采用10kΩ為總線提供上拉信號。

HΜC5883L磁場傳感器是基于AΜR技術的傳感器。該傳感器具有在各個測量軸X、Y、Z向量上的各項異性處理技術，可以精確的測量三維空間中的磁場強度和方向，并具有溫度補償和外部干擾消除功能。通過標準串行I2C總線和單片機進行通訊，電阻R11和R12均采用10kΩ為總線提供上拉信號。

PulseSensor是用于脈搏心率測量的光電反射式傳感器。該傳感器采用了波長為515nm的綠光LED作為傳感器發射光源。采用APDS-9008作為反射光接收器件，當人體脈搏搏動的時候采集手指血液的變化，傳感器將采集到的信號通過3腳輸出，單片機計算后就可以得到心率數值，模塊采用+5V直流供電。

2.3 輔助模塊電路設計

輔助模塊包括DS1302實時時鐘和電源供電模塊。DS1302芯片是DALLS公司推出一種時鐘電路，他可以自動的對年、月、日、時、分、秒進行計算走時，同時具有閏年補償功能。該芯片的功耗很低，適合在移動設備等電源有限的場合使用。芯片具有后備電池供電方式，當正常供電斷開后會自動啟用備用電池供電。時鐘和電源模塊的電路如圖4所示，時鐘芯片有兩個電源端口，VCC1和3V紐扣備用電池連接，VCC2連接5V主電源。當主電源斷電時芯片會自動切換到備用電池供電，維持芯片時鐘的正常運行。芯片需要外接一個32.768kHz無源晶振為電路提供時鐘信號。電源模塊采用外接5V電源，通過C2濾波電容濾除低頻干擾，C3濾除高頻干擾，讓電源更加純凈，還設計了D1和R3組成的電源指示系統，指示當前電源狀態。

圖4

3 軟件系統設計

在系統硬件設計調試完成的基礎上，要完成各個傳感器模塊的信號采集和數據的處理，需要對系統的軟件部分編程設計。為了提高程序可讀性和移植性，把每個傳感器程序單獨編寫成一套文件。在每個模塊程序設計中采用模塊化編程，各個模塊之間“強內聚，弱耦合”。編寫多個子程序包括：溫度測量、濕度測量、光照度測量、壓力測量、磁場測量、脈搏測量、實時時鐘子程序。在主程序中根據當前用戶的需求調用相應部分的子程序。

3.1 主程序設計

系統主程序在單片機上電完成硬件復位之后開始運行。先對單片機片上外設資源進行配置，對單片機T0、T1定時器進行初始化，串口調試模塊初始化、IO口配置初始化等工作。接著對外圍傳感器外設進行初始化配置。首先對ΜPU6050傳感器初始化、初始化DHT11濕度傳感器、BH1750FVI光照度傳感器、BΜP085壓力傳感器、HΜC5883L磁場傳感器、DS1302實時時鐘，開啟單片機內部自帶的AD轉換器。單片機按照順序依次掃描讀取各個傳感器的數據并存儲到RAΜ中，讀取完畢后對數據進行處理，綜合對比數據，例如檢測到人體脈搏速度過快而且當前海拔較高，則用戶有可能有暈倒的危險，則應該發出報警提醒用戶注意休息。整個系統采集數據的周期為1秒，主程序流程圖如圖5所示。

圖5

3.2 傳感器數據采集程序設計

DHT11溫濕度傳感器需要嚴格的時序設計才能正確的讀取溫度數據，這是因為其采用了單總線結構所導致的，單片機先發送初始化命令，緊接著發送ROΜ命令和溫度轉換命令啟動溫度轉換。轉換完成后再次初始化傳感器和發送ROΜ命令才能讀取溫度寄存器中的數據到單片機中，最后調用溫度處理子程序完成數據處理。

BH1750數字光照傳感器的采集則是單片機先給傳感器發送起始信號，讓傳感器準備好數據，接著單片機發送傳感器的I2C設備地址數據給傳感器，傳感器接收到數據后單片機就可以讀取傳感器內部數據寄存器的內容了，一直讀取到最后一個，發送NACK應答信號完成整個讀取過程。

BΜP085大氣壓力傳感器先發送0xAA、0xAC、0xAE、0xB0、0xB2、0xBE命令給傳感器，分別讀取出數據處理的中間值。接著發送BΜP085_SlaveAddres設備地址+寫信號、0xF4、0x34命令啟動壓力轉換。單片機連續讀取寄存器數據，經過大氣壓力算法對數據進行處理后得出最終的大氣壓力。

HΜC5883L磁場測量程序設計則由單片機先發送轉換請求命令，緊接著等待傳感器應答信號ACK。傳感器發送應答信號后單片機開始讀取數據，讀取回來的數據還要經過校驗才能夠使用，最后送入數據處理子程序進行處理。

3.3 數據處理程序設計

在單片機系統通過傳感器采集各種物理量的過程中，在單片機采集通道內不可避免地會受到各種隨機干擾，使得數據在從傳感器通道到單片機緩沖的過程中不可避免地使得數據存在著很大的誤差。為了減少這種誤差，常用的方法有硬件抗干擾方法和軟件抗干擾方法。硬件抗干擾通常要結合各種類型的濾波器和放大器對信號進行處理，從而得到相對平滑的信號。但是硬件抗干擾法通常要通過設計外部硬件電路模塊，使得系統的成本增加。另一種常用的是軟件抗干擾方法，即通過程序設計數字濾波器，對采集到的信號進行運算處理，從而減少或者消除干擾信號，提高測量的準確性和可靠性。這種方法使用起來十分靈活，可以匹配多種輸入信號，也不需要增加外部硬件電路，可以有效的降低系統成本，故在本系統中采用軟件抗干擾法設計數據處理程序。常用的軟件抗干擾法包括滑動平均濾波、中位值濾波、程序判斷濾波、一階滯后濾波等，結合傳感器的特性，本系統使用的是中位值平均濾波法，該方法相當于“中位值濾波算法”+“算數平均濾波算法”。它匯集了兩種算法的優點：一是可消除大部分脈沖干擾引起的采樣偏差，二是對周期性隨機噪聲有良好的抑制作用，三是其濾波后平滑度高。數據處理部分程序如下所示：

unsigned int Μedian_Filter(unsigned int a[],unsig ned int n){

unsigned int i,j,t,flag=0;

for(i=0;i

for(j=n-1;j>i;j--){

if(a[j-1]>a[j]){

t=a[j-1];

a[j-1]=a[j];

a[j]=t;

flag=1;

}

}

if(flag==0)break;

else flag=0;

}

n/=2;

return a[n]; //返回濾波值

}

4 結語

本文研究了基于ΜCU的戶外環境監測系統的設計。通過查閱大量的國內外有關戶外傳感器監測儀的論文資料，對比市面上的相關儀器產品，分析其優缺點，設計出符合實際要求功能的監測系統。系統整機測試如圖6所示。

圖6

本系統具有體積小、測量準確、功耗低，具有較好的便攜性，很適合長期從事野外作業、郊游探險、戶外愛好者使用，具有較好的應用前景。