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1、图15 串口电路3.3 电源模块设计STC12C5A60S2单片机的实际工作电压为3.55.5V，nRF24L01无线射频收发芯片的实际工作电压为1.93.6V，MAX232串口电路的实际工作电压为+5V10%，SIM300实际工作电压为4V。所以本文采用的电压大约为5V，选用LM317稳压块来对电源进行调理，形成稳压电源。LM317系列集成稳压电路(国产型号为CW317)，输出电压可调范围为1.2537V，输出电流为0.051.5A，工作温度可分为-55+150、-25+125、0+125三类，电压调整率的典型值为0.01%/V，负载调整率的典型值为0.1%。其内部含有过流、过热和调整管安全
2、工作区保护电路，具有安全可靠、应用方便等优良性能。图16 电源模块电源电路中使用了FUSE-500mA。保险丝也被称为熔断器，IEC127标准将它定义为“熔断体（fuse-link)”。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。 保险丝的作用是：防止人身的伤害，防止着火或设备损坏。若电路中正确地安置了保险丝，那么，保险丝就会在电流异常升到一定的高度和一定的时间，自身熔断，切断电流，从而起到保护电路安全的作用。3.4 液晶显示模块设计本次设计我们采用LCD1602液晶显示屏。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它有若干个5X7或者5X
3、11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。相比于其他液晶显示屏，它具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。 LCD1602采用标准的16脚接口，其中: 第1脚：VSS为地电源 第2脚：VDD接5V正电源 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电
4、平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第1516脚：空脚 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。图17 LCD1602显示屏3.5 无线通信电路设计目前市场上具有代表性的无线收发芯片主要
5、有Nordic公司的nRF系列、TI公司的CC系列与RFM公司的TR系列等，这些芯片在不同的传感器网络节点中都得到了应用。其中由挪威Nordic公司推出的一款2.4GHz低成本的无线收发芯片nRF24L01近年来得到了广泛应用，其最大空中数据传输速率达到2Mbps，有125个频道。内置硬件CRC(循环冗余校验)和点对多点通信地址控制，集成了频率合成器、晶体振荡器和调制解调器，外围元件极少。嵌入的链路层控制降低了单片机程序的复杂性和成本，并且提高了数据传输的可靠性。nRF24L01没有复杂的通信协议，完全对用户透明，通过一个标准的USB-TTL接口与外围控制器连接，同种产品之间可以自由通信。所以
6、本文选择nRF24L01来设计通信模块电路。图18 无线通信模块电路的设计图 图18为无线通信模块电路的设计图。5号引脚是nRF24L01接收和发送模式的使能端，使芯片工作在接收或发送模式，与单片机的P0.0相连。 1、2号引脚和3、7、9、13、15号引脚是nRF2401的电源引脚和地引脚，分别与通信模块的电源和地相连。6引脚与单片机的P0.5口相连。DR1引脚与单片机的P0.4口相连。CLK1引号脚与单片机的P0.3口相连。DATA引脚与单片机的P0.2口相连。11引脚与单片机的P0.1口相连。3.6 GPRS模块设计本文选用的GPRS模块是由希姆通(SIMCOM)公司生产的SIM300。
7、SIM300功耗低、体积小且支持即插即用功能，采用三频GSM/GPRS解决方案，可以实现短信息、传真信息和数据的高速传输。SIM300有一个60脚的外接插座，其中包括：SIM卡插座接口、两个模拟音频接口、键盘接口、LCD接口和两个串口接口。 图25为GPRS模块接口电路图。 其中SIM_Vdd引脚为SIM卡提供工作电压，SIM_I/O是输入输出引脚，SIM_CLK引脚是时钟频率，SIM_RST是复位引脚。图19 GPRS模块接口电路图SIM300集成GPRS无线上网、GSM语音通话和短消息等多种功能于一体，支持数据、语音、短消息和传真业务，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。内嵌强大
8、的TCP/IP协议栈以提供TCP/IP协议转换，从而大大减轻了客户在使用单片机系统时，需要在GPRS上位系统中嵌入TCP/IP协议的繁琐工作，能快捷完成串行数据和IP数据包之问的格式转换。在SIM300中插入SIM卡，接上天线，就可以利用GPRS无线网络快速接入Internet。 4 系统的软件设计软件设计主要是信号采集与处理软件设计、无线传感器控制软件设计、总结点单片机程序设计、GPRS通信软件设计和PC上位机软件设计。4.1 信号采集与处理软件设计通过给激振模块两个信号in1,in2，激振模块就能反馈一个方波信号。只要测得其频率，就能通过公式，转换为压力。分节点单片机的主要任务是定时从激振
9、模块读取采集到的压力数据，并将数据通过nRF24L01无线传感器芯片发送到总结点。在采集数据时，单片机每隔一分钟读取一次采集数据。图20 信号采集利用单片机的T0、T1的定时计数器功能，完成对输入的信号进行频率计数。频率的测量方法：通过检测一定时间内（1s内）输入方波的个数计算频率。 T0主要功能时进行计数，T1是进行计时。T0是工作在计数状态下对输入的方波信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC/24，由于fOSC12MHz，因此，T0的最大计数频率为250KHz，满足设计要求。对于频率的概念就是在一秒时间内输入脉冲的个数，即为频率值。设定T1工作在定时状态下，每定时1
10、秒到，就停止T0的计数，并从T0的计数单元中读取计数的数值即为琴弦的频率。T1工作在定时状态下，最大定时时间为65ms，达不到1秒的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1秒的定时功能。图21 频率测量与处理流程图4.2 无线传感器控制软件设计nRF24L01无线传输模块程序主要实现无线数据的发送和接收，通过中断服务程序来实现。nRF24L01中断入口模块流程图如图22所示。图22 nRF24L01中断入口模块流程图nRF24L01通过USB-TTL接口和外部进行数据交换。nRF24L01的数据传输模式有ShockBurstTM和Enhanced ShockBurstTM两种数据包
11、。后者比前者多了一个确认数据传输的信号，保证数据传输的可靠性。在ShockBurstTM模式下，器件内部完成需要高速处理的RF协议，发送数据时只需将数据放入发送数据缓冲区，器件会自动产生前导字符PREAMBLE和CRC数据，并将这些数据地址和地址信息、发送数据缓冲区的数据等组成一个数据包发出去，配置为接收数据的nRF24L01接收到数据包后由硬件解析地址数据和数据信息，当接收到有效的数据信息后在IRQ引脚产生中断通知外部处理器读取数据。在Enhanced ShockBurstTM模式时，nRF24L01发送数据后会自动切换到接收模式以接收返回的握手信号，当收到确认信号后IRQ引脚产生数据发送完
12、成中断，如果没有握手信号返回则表示发送失败，将会自动重新发送，如果重新发送的次数超过在ARC_CNT寄存器里面设定的值则会在IRQ引脚产生中断。本文采用Enhanced ShockBurstTM模式。数据由USB-TTL接口写入nRF24L01缓存区，然后CE置为高电平，并延时一段时间后发送数据。在应答模式下，nRF24L01在发送数据后立即进入接收模式，收到应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，说明发送失败，并记录下发送失败的次数，自动重新发送该数据。4.3 总结点单片机程序设计总结点通过nRF24L01接收数据，由单片机
13、控制nRF24L01和GSM模块的数据收发。为了提高系统的运行效率和控制的实时性，单片机采用中断控制处理方式。通过不断查询串口数据，当监测到“SM”字符时，进行数据接收，然后进行数据分析，完成后进入下一次查询。总结点单片机程序流程图如图23所示。图23 总结点程序流程图4.4 GSM通信软件设计图24 GSM串口接收数据分析流程图主控制器通过串口与GSM模块通信，将压力参数通过短信发给监测人的手机。本设计通过循环分析串口接收到的数据，当检测到数据中包含“SM”时，则认为是检测人员进行查询。当数据传输结束后，进行数据信息的分析。5 调试通过前面的内容，论文详细地论述了系统的总体方案、软硬件的具体
14、设计及实现。为了验证系统是否能够达到设计要求，需要对系统整体性能进行测试。系统开机顺序：（1）接通电源，单片机控制激振电路产生高压脉冲将传感器振弦激振，振弦的振动信号经激振模块放大整形送给单片机。STC89C52单片机对振动信号进行频率计算并将频率数据存入数据存储器，同时在显示屏上显示出来，完成了测量功能。（2）nRF24L01发送模块与分节点单片机连接，nRF24L01发送模块发送数据，完成了发送功能。（3）nRF24L01接收模块与总结点单片机连接，nRF24L01接收模块接收数据，完成了接收功能。（4）单片机将当前接收到的传感器的频率测量值和固化在其内部的参数带入相应的计算公式计算出压力
15、值并送显示屏显示，完成显示功能。（5）STC12C5A60S2单片机的P12引脚（RXD），P13引脚（TXD）分别与GPRS模块的GTX，GRX引脚相连接，SIM卡插入GPRS模块，GPRS模块运行。SIM300模块的电源指示灯亮了，按下KEY1开关，持续3秒钟，就会看到RST指示灯每隔12秒钟闪烁一次， 这时按下KEY2，发送短信，按下KEY3，接收短信，按下KEY4，接听电话。（6）GPRS模块与上位机相连，单片机接收到的压力信号通过运用AT指令的GPRS网络传输到上位机，并在上位机显示与自动存储，实现了基于UDP传输协议的数据传输，完成了工程的短距离监测功能。实验结果表明，研制的传感器动态性能满足了设计要求。综上所述,本系统具有设计思路正确、编程简洁巧妙、功能实用全面等特点，大大缩短了现场测量与计算时间，减轻了劳动强度，提高了测量计算准确度，同时为测量结果的后期处理与保存带来了极大的便利。结 论在大型土木工程的安全监测中，常常需要采集大量的现场数据，如温度、压力等，传统压力测量方法只适合于采集变化范围较小的情况。为解决这个问题，本文设计了基于振弦式传感器的压力测试系统，系统在运行时具有实时监测、短信接收、PC上位机显示及查询历史数据的功能。根据系统设计的结构，主要进行了单片机选择，选用了STC12C5A60S2单片机；进行了单片机外围电路设计，包括时钟电路、复位
