宁夏银川市建立环境空气质量考核和生态补偿机

作者：齐鲁工业大学 郭真真 段皖

指导教师：汪宁

　　作品简介

　　平台选型说明

　　为完整实现本设计综合的多种功能，本设计采用IAP15F2K61S2芯片，具有大容量2048字节片内RAM数据存储器;1个时钟/机器周期，增强型8051内核，与STC89C52相比速度快7～12倍。IAP15F2K61S2芯片操作简单，价格便宜，并且可以完整的兼容控制本系统功能。

　　设计说明

　　一、需求分析与方案论证

　　根据老人生活中遇到的种种问题，及儿女们所担心的主要问题本设计实现以下功能：

　　1、方便了解信息，显示当前时间、温度，由液晶显示模块来完成。

　　2、随着年龄的增长，记忆力减弱。生病的老人需要按时服药，为了防止忘记服药而耽误治疗，本系统设定了三个闹钟，并且可以通过按键根据需要自己设定提醒时间点。

　　3、当环境变化不适宜老人生活时的报警功能。老人的感觉不如年轻人敏感，当处在不适宜生活的环境时不易察觉。考虑到温度过高时会影响老人身体健康，本系统运用温度检测模块设定当温度达到33度时系统发出警报声。CO中毒经常发生，老人独自生活偶尔做完饭会忘记关液化气罐，容易导致CO中毒，所以系统运用CO检测模块当检测到一定浓度CO气体时发出警报，告知老人，防止意外发生。

　　温度检测方案论证与选择

　　方案一：热电偶测温。将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路，当两导体的执着点之间存在温差时，两者之间产生电动势形成电流让热电偶工作。

　　方案二：热电阻测温。当温度变化时，电阻体的电阻值也会变化，通过此种特性，测量出电阻阻值的变化来测量温度。

　　综上所述，方案一直接与被测对象接触，测量不方便，不适宜测量空气温度。方案二操作简单，测量精确。故选择方案二。

　　4、独自生活的老人，当遇到危急情况或身体不适需要呼救的时候，为帮助老人及时呼救，联系家人，本系统设置了一键呼救功能。完成此功能需要全球定位系统(GPS)，全球移动通信系统(GSM)。

　　呼救方案论证与选择

　　方案一：直接拨打电话给家人。当老人迷路时，老人直接拨打电话给家人，向家人求救。但老人不能准确的描述自己所处的地理位置，不能给家人提供准确的信息。

　　方案二：将GPS定位的地理位置数据以短信的形式发送给家人，这样家人可以准确的了解到家人的地理位置，及时赶到目的地。但只有一条短信容易被人忽视，耽误救助时间。

　　方案三：将GPS定位的地理位置数据以短信的形式发送给家人，并且自动拨号一段时间挂断，提醒家人收到呼救短信。

　　综上所述，方案三可以充分保障老人成功呼救，故选择方案三。

　　5、老人出门家人没空时时跟随，又担心老人会走丢，或长时间不在不知去哪找，这是需要知道老人所处位置信息。本系统设置了远程控制功能，家人可通过发送代码信息向系统查询老人当前所处地理位置，方便寻找老人。

　　二、硬件系统的设计

　　根据方案论证，如图1所示本设计由CPU、按键部分、OLED显示模块、温度检测模块、CO检测模块、全球定位系统(GPS)，全球移动通信系统(GSM)组成。

　　图1 系统的结构组成

　　1、CPU

　　为完整实现本设计综合的多种功能，本设计采用IAP15F2K61S2芯片，具有大容量2048字节片内RAM数据存储器;1个时钟/机器周期，增强型8051内核，与STC89C52相比速度快7～12倍。IAP15F2K61S2芯片操作简单，价格便宜，并且可以完整的兼容控制本系统功能。如图

　　2为芯片原理图，该芯片具有40个引脚，图中P2.3连接蜂鸣器，为警报使用。

　　图2 IAP15F2K61S2芯片

　　2、GPS模块

　　为能给家人提供老人所处位置的准确信息，系统采用全球定位系统(GPS)。采用的GPS模块用瑞士u-blox 公司的 NEO-5Q主芯片，此芯片为多功能独立型GPS模组，以ROM为基础架构成，成本低，体积小，并能确保系统在任何可接收到信号的位置都能够有最佳的初始定位性能并进行快速定位，为紧急情况的呼救节省时间。如图3所示为GSM主芯片原理图，IAP15F2K61S2芯片的P3.0 RXD引脚、P3.1 TXD引脚分别与GPS的TXD、RXD引脚连接，接好信号线放在信号良好的地方，GPS就会通过串口不断发送数据给主板。

　　图3 GPS主芯片原理图

　　3、GSM模块

　　为实现一键呼救功能及方便家人了解老人所处位置，本设计采用GSM进行无线通信，采用的GSM用SIM300模块，尺寸小、功耗低。如图4所示为GSM主要原理图，IAP15F2K61S2芯片的P1.0 RXD引脚、P1.1 TXD引脚分别与GSM的TXD、RXD引脚连接，为接收主芯片发送的指令做准备。可以利用单片机控制打电话、接电话、挂电话、发送短信息、接收短信息，来实现了一键呼救功能;还可以利用单片机对接收到的短信息进行解析，并根据短信息内容进行相关操作，让家人随时了解老人位置。

　　图4 GSM主要原理图

　　4、OLED显示屏

　　为让老人方便了解当前信息，采用OLED显示屏显示当前时间、温度。OLED显示屏可以显示字母、数字、符号、中文汉字。本设计应用OLED显示屏可以清晰地显示当前的年、月、日、时、分、秒及温度。如图5为OLED显示屏的主要原理图，OLED的五个引脚分别与IAP15F2K61S2芯片的P0.0~P0.3引脚和5V电源连接。

　　图5 OLED显示屏原理图

　　5、按键

　　为了方便调试时间、闹钟和实现一键呼救功能，本设计共设有七个按键，如图6为七个按键分别与IAP15F2K61S2芯片的P1.2~P1.7和P3.4引脚连接的原理图。按键一、二、三用来调整当前时间，及设定闹钟时间。按键四设定闹钟一，按键五设定闹钟二，按键六设定闹钟三。按键七为呼救键，实现一键呼救功能。

　　图6 按键原理图

　　6、温度检测

　　本设计采用热电阻测温法，选用DS18B20进行测温。DS18B20原理图如图7所示，DS18B20一端5V电源，一端接地，I/O口与IAP15F2K61S2芯片的P2.5引脚连接。DS18B20数字温度单总线传感器组成一个测温系统，电路连接简单，操作方便，体积小。通过DS18B20测量温度，在OLED显示屏显示当前温度，并且在温度过高时，系统会发出警报告知老人，实现温度报警功能。

　　图7 DS18B20原理图

　　7、CO检测

　　为解除身边无声无息的隐患，系统采用MQ-2检测空气中CO气体，MQ-2 是一种体电阻控制型的气敏器件，其阻值随CO气体的浓度而变化。气敏器件将CO的浓度信号转变成电信号。当检测到一定浓度的CO时，系统会发出警报告知老人。如图8所示，CO模块的DOUT引脚与IAP15F2K61S2芯片的P2.6引脚连接，输出信号。

　　图8 CO检测模块原理图

　　三、软件系统的实现

　　1、如图9为主程序流程图

　　图9 主程序流程图

　　2、远程控制、一键呼救功能的实现

　　远程控制、一键呼救功能都通过单片机控制GPS和GSM共同完成的。如图10为功能实现的流程图，GPS不断的发送地理位置、海拔高度、航向、速度等数据，从中提取出系统所需的地理位置数据通过串口一发送给单片机。单片机通过串口二向GSM发送AT指令控制执行语言、短信、数据通信。当系统检测到代码短信或按下呼救键时，会将单片机接收到的由GPS发出的地理位置数据制成短信发送到家人手机中。

　　图10 主要子程序流程图

　　四、功能测试

　　1、如图11为测试的液晶显示功能图片，能清晰准确的显示当前时间温度。

　　图11 液晶显示

　　2、一键呼救功能，按下呼救键后，系统向家人手机发送当前所处位置信息如图12信息内容为N36-33-23/E116-48-24，即北纬36度33分23秒，东经116度48分14秒。收到信息后，直接在网上查询，即可知道老人当前所处详细位置。

　　图12 家人接收的短信

　　如图13所示发送短信后自动拨号一定时间后挂断。

　　图13 家人手机来电

　　3、远程控制功能测试，如图14家人通过发送代码信息(此程序设置代码为556)向系统查询老人当前所处位置。

　　图14 家人发送代码短信

　　系统自动回复当前位置信息，如图15。

　　图15 家人接收的短信

　　经过实际测试，本设计完整准确的实现每个功能，可以达到预期效果。

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