肖 令 祿

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

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【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

飲水機(jī)狀態(tài)桌面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 令 祿

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

為方便大型辦公場(chǎng)所或?qū)嶒?yàn)室人員及時(shí)了解飲水機(jī)的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一種飲水機(jī)狀態(tài)桌面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)TCS230顏色傳感器采集飲水機(jī)指示燈的狀態(tài)，并將采集結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送到服務(wù)端主機(jī)，服務(wù)端主機(jī)利用TCP/IP協(xié)議，將飲水機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)發(fā)送到局域網(wǎng)內(nèi)所有的客戶端主機(jī)，及時(shí)提醒工作人員飲水機(jī)中的水是否已燒開。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性好，具有一定的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

TCS230；AT89S52單片機(jī)；串口通信；TCP/IP

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品對(duì)人們生活的影響越來(lái)越廣泛，它使人們的工作、生活、學(xué)習(xí)變得越來(lái)越方便、快捷[1-2]。在政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位的辦公室或?qū)嶒?yàn)室通常安裝有飲水機(jī)，為工作和學(xué)習(xí)群體提供飲用水，而飲水機(jī)中的水是斷斷續(xù)續(xù)加熱的，由于室內(nèi)人員不能及時(shí)了解飲水機(jī)中的水是否已燒開，往往會(huì)出現(xiàn)等待而浪費(fèi)時(shí)間的情況[3]。本文提出了一種飲水機(jī)狀態(tài)桌面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，利用TCS230顏色傳感器對(duì)飲水機(jī)狀態(tài)進(jìn)行采集，采用Qt Creator開發(fā)上位機(jī)軟件，配合串口通信和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，將飲水機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在電腦桌面的任務(wù)欄上，使用戶可以及時(shí)了解飲水機(jī)中的水是否已燒開。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和功能框圖

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成：上位機(jī)軟件模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和服務(wù)器客戶端軟件模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

(1)單片機(jī)將采集的RGB顏色數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)；

(2)計(jì)算機(jī)通過(guò)RGB數(shù)據(jù)判斷飲水機(jī)中的水是否燒開，同時(shí)發(fā)送給局域網(wǎng)客戶端；

(3)客戶端獲取鼠標(biāo)單擊事件，然后顯示飲水機(jī)的工作狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)框圖和功能

系統(tǒng)的硬件部分包括AT89S52單片機(jī)控制核心、TCS230顏色傳感器模塊、飲水機(jī)指示燈模擬電路和1602液晶顯示模塊。液晶顯示模塊僅用于前期系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試完成后即可移除[4-5]。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 TCS230顏色傳感器

TCS230是美國(guó)TAOS公司推出的一款數(shù)字式可編程彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器[6-7]。它在一個(gè)CMOS電路上集成了可配置的硅光電二極管、紅綠藍(lán)(RGB)3種濾光器和電流頻率轉(zhuǎn)換器，采用數(shù)字化輸出，不需要額外的A/D轉(zhuǎn)換電路，典型輸出頻率范圍0.002 Hz～500 kHz；顏色獲取精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度；電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以和微處理器直接相連。TCS230引腳和功能框圖如圖2所示，其中，光電二極管陣列控制引腳S2、S3用于選擇紅、綠、藍(lán)濾波器，經(jīng)過(guò)電流—頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波信號(hào)；定標(biāo)控制引腳S0、S1用于選擇不同的比例因子，從而對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整以與不同頻率計(jì)數(shù)器相匹配。

(a)TCS230引腳 (b)TCS230功能圖

根據(jù)德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲(Helmholtz)的三原色理論，任何顏色均是由不同比例的紅、綠、藍(lán)(RGB)三原色混合而成的，若能獲取某種顏色中R、G、B分量值，就能確定其顏色。使用TCS230顏色傳感器檢測(cè)時(shí)，在配置其S2、S3引腳電平選定某一原色(紅、綠、藍(lán))濾波器后，它將只允許某種特定的原色通過(guò)，當(dāng)TCS230分別檢測(cè)出某種顏色中R、G、B分量后，通過(guò)電流—頻率轉(zhuǎn)換器即可把光強(qiáng)線性轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，根據(jù)量化得到的R、G、B值就可以計(jì)算出投射到TCS230上光的顏色。S0、S1和S2、S3功能配置組合如表1所示。

表1 TCS230功能配置

2.2 顏色檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

AT89S52單片機(jī)和TCS230構(gòu)成的顏色檢測(cè)電路如圖3所示。由單片機(jī)的P1口控制TCS230的各控制引腳，用于選擇不同的濾波類型和輸出比例因子。TCS230的輸出端與單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的輸入端P3.5口相連，設(shè)置T1為定時(shí)工作模式并初始化定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為10 ms。上電工作時(shí)，由單片機(jī)在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)接收TCS230的OUT引腳輸出的R、G、B脈沖，通過(guò)對(duì)顏色傳感器輸入的三原色因子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過(guò)計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)來(lái)確定RGB數(shù)值，以此來(lái)判斷飲水機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)[8]。此外，采用MAX232芯片設(shè)計(jì)了串口通信電路，以實(shí)現(xiàn)顏色檢測(cè)電路與上位機(jī)之間的通訊。調(diào)試時(shí)，采用液晶顯示器顯示RGB數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)單片機(jī)的串口代碼是否有誤。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，可采用紅色、藍(lán)色和綠色LED代替熱水器指示燈。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括顏色檢測(cè)程序、服務(wù)端程序和客戶端程序3部分。顏色檢測(cè)程序主要對(duì)AT89S52單片機(jī)編程，在Keil uVision5環(huán)境中用C語(yǔ)言開發(fā)。服務(wù)端和客戶端程序采用Qt Creator開發(fā)，Qt Creator提供了豐富的開發(fā)工具和組件，具有開發(fā)效率高、免費(fèi)開源等特點(diǎn)[9]。

3.1 顏色檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

按三原色理論，白色是由等量的紅、綠、藍(lán)三原色混合而成的，但實(shí)際上，白色中的R、G、B分量并不完全相等。因此，系統(tǒng)上電初始化后，首先需利用標(biāo)準(zhǔn)白色光源完成白平衡調(diào)整，即告訴顏色傳感器什么是白色。通過(guò)白平衡調(diào)整，可計(jì)算得到一個(gè)三原色比例因子。然后由單片機(jī)的P1.0和P1.1口向顏色傳感器的S2和S3引腳發(fā)出控制信號(hào)，從OUT端分別采集紅、藍(lán)、綠在10 ms內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，把測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)與三原色比例因子相乘即可得到對(duì)應(yīng)的R、G、B值[10]。單片機(jī)通過(guò)“顏色檢測(cè)—串口發(fā)送—顯示”等3個(gè)過(guò)程并進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，若R、G、B其中有一個(gè)發(fā)生變化，RGB數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送給上位機(jī)，工作流程如圖4所示。

3.2 服務(wù)端程序設(shè)計(jì)

服務(wù)端程序運(yùn)行在上位機(jī)上，獲取單片機(jī)硬件系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送來(lái)的RGB數(shù)據(jù)，并判斷是綠色還是紅色，將提示信息發(fā)給局域網(wǎng)內(nèi)所有運(yùn)行客戶端軟件的電腦[11-12]。

Qt軟件庫(kù)中并沒(méi)有提供串口控制類，設(shè)計(jì)中使用第三方編寫的qextserialportf類[13]。對(duì)串口的初始化和窗口構(gòu)造函數(shù)添加如下代碼：

structPortSettings SerComset={BAUD 9600,DATA_8,PAR_NONE,STOP_1,FLOW_OFF,500};//定義結(jié)構(gòu)體，用來(lái)存放串口設(shè)置的各個(gè)參數(shù)

SerCom=newWin_QextSerialPort("com1",SerComset,QextSerialBase::EventDriven);//定義服務(wù)端串口對(duì)象，并傳遞參數(shù)

SerCom->open(QIODevice::ReadWrite);//串口打開方式，可讀可寫

connect(SerCom,SIGNAL(readyRead()), this,SLOT(SerComread()));//關(guān)聯(lián)信號(hào)和槽函數(shù)，若串口緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，執(zhí)行槽函數(shù)

串口初始化完成后，就設(shè)置了波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位，指定了程序讀取哪個(gè)COM口[14]。

槽函數(shù)void SerComread()被定義在mainwindow.cpp中，定義一個(gè)QByteArray的temp變量用來(lái)存放從串口讀取的數(shù)據(jù)，三原色的因子存放在primary_divisor[3]這個(gè)數(shù)組中,分別為R、G、B，每次數(shù)據(jù)接收完成后，判斷顏色因子的分量值。根據(jù)條件得出結(jié)果，將結(jié)果發(fā)送給客戶端。

服務(wù)端還要完成向客戶端發(fā)送信息的任務(wù)，由于使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，因此，在工程文件.pro中加入代碼QT += network，在mainwindow.h中添加private對(duì)象和Private slot函數(shù)：

QtcpComServer*tcpComServer;

QTcpSocket*clientConnection[3];

void sendtcpMsg();//發(fā)送信息函數(shù)

void sendSocketMsg(qunit flag);//發(fā)送結(jié)果函數(shù)

tcpComServer和私有槽函數(shù)的初始化在mainwindow的構(gòu)造函數(shù)中完成：

tcpComServer = new QTcpServer(this);

tcpComServer->listen(QHostAddress::Any,5942))//初始化tcpComServer套接字，并讓其監(jiān)聽整個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址的6060端口

由于所實(shí)現(xiàn)的功能均為數(shù)據(jù)發(fā)送，因此兩個(gè)Private slot函數(shù)的定義基本是一樣的。但是sendSocketMsg(quint16)函數(shù)有參數(shù)傳入，這個(gè)參數(shù)即是飲水機(jī)狀態(tài)。sendtcpMsg()函數(shù)里的clientConnection[3]在每次有新的客戶端連接時(shí)賦值，即表示產(chǎn)生新的TCP連接[15]。

連接信號(hào)和槽函數(shù)定義如下：

connect(SerCom,SIGNAL(readyRead()), this,SLOT(SerComread()));

connect(tcpComServer,SIGNAL(newCon-nection()),this,SLOT(sendtcpMsg()));

到此，服務(wù)端的功能設(shè)計(jì)完成。

3.3 客戶端程序設(shè)計(jì)

客戶端程序運(yùn)行在局域網(wǎng)內(nèi)需要顯示飲水機(jī)狀態(tài)的電腦上，它的任務(wù)就是接收服務(wù)器發(fā)送來(lái)的信息，用戶通過(guò)單擊操作，獲取飲水機(jī)狀態(tài)。為了完成客戶端的功能，在widget.h中添加如下兩個(gè)對(duì)象：

QPushButton *connectButton;

QTcpSocket *clientSocket;

定義QString message，存放服務(wù)器接收到的字符串；

定義char *status，存放飲水機(jī)狀態(tài)；

添加私有槽函數(shù)：

void newTcpConnect();

void readTcpMsg();

這些對(duì)象都在widget的構(gòu)造函數(shù)中完成初始化。

clientSocket = new QTcpSocket(this);

voidnewTcpConnect()函數(shù)用于獲取用戶填寫的主機(jī)IP地址和端口號(hào)，并連接到主機(jī)。

void readTcpMsg()函數(shù)用于讀取主機(jī)發(fā)來(lái)的信息，將信息存到message變量里，以便顯示到桌面。

將connectButton和槽函數(shù)newConnect()關(guān)聯(lián)在一起，即當(dāng)按鈕被按下時(shí)，客戶端就會(huì)自動(dòng)連接服務(wù)器。

connect(clientSocket,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT(readTcpMsg()))關(guān)聯(lián)了接收緩沖區(qū)與讀緩沖區(qū)的readTcpMsg()函數(shù)，一旦服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)就會(huì)被讀取并存放到message中，通過(guò)判斷message里面的字符串是“yes”或“no”來(lái)判斷水是否燒開。

為了實(shí)現(xiàn)窗口的托盤運(yùn)行，需聲明QSystemTrayIcon *trayIcon對(duì)象。通過(guò)在構(gòu)造函數(shù)里初始化trayIcon = new QSystem TrayIcon (this)，并調(diào)用trayIcon->show()即可實(shí)現(xiàn)托盤運(yùn)行。

void iconActivated(QSystemTrayIcon::ActivationReason reason)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)托盤左擊，彈出氣泡的功能,避免了在不需要了解飲水機(jī)狀態(tài)的情況下彈出窗口的麻煩。客戶端巧妙利用改變托盤的titlec來(lái)通知用戶飲水機(jī)的狀態(tài)。[16]

此函數(shù)可以獲取左鍵單擊雙擊，和單擊滾輪等動(dòng)作，此設(shè)計(jì)只采用鼠標(biāo)左鍵單擊動(dòng)作。

void Widget::createActions()函數(shù)獲取鼠標(biāo)右鍵對(duì)托盤的動(dòng)作，右鍵單擊后彈出菜單：最小化、最大化、關(guān)閉和還原。此設(shè)計(jì)只選擇了“托盤運(yùn)行”和“關(guān)閉程序”。

4 軟件運(yùn)行結(jié)果

客戶端軟件打開界面如圖5所示。輸入主機(jī)IP和端口號(hào)，點(diǎn)擊“連接”按鈕，當(dāng)“歡迎使用飲水機(jī)桌面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”變?yōu)椤耙堰B接到飲水機(jī)”后，系統(tǒng)就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飲水機(jī)的狀態(tài)。

圖5 客戶端界面

托盤運(yùn)行狀態(tài)如圖6所示，任務(wù)欄黑色的圖標(biāo)就是服務(wù)端托盤運(yùn)行的圖標(biāo)。當(dāng)客戶端獲取到飲水機(jī)狀態(tài)時(shí)，對(duì)話氣泡中的“……”就會(huì)變?yōu)椤罢跓被颉八褵谩薄?/p>

圖6 任務(wù)欄狀態(tài)指示

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，只需將系統(tǒng)接入辦公室或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)的局域網(wǎng)，就可以將飲水機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)反映給用戶計(jì)算機(jī)，方便用戶隨時(shí)獲知飲水機(jī)中的水是否已燒開。

[1] 潘之濤.新時(shí)期電子技術(shù)應(yīng)用探討[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014,(5):124.

[2] 王瑞鳳,劉思驛,張錦繡,等.電子產(chǎn)品對(duì)大眾生活的影響研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2016,15(19):104-105.

[3] 郭毅飛,董峰.基于AT89C51單片機(jī)的智能飲水機(jī)控制系統(tǒng)[J].湖南農(nóng)機(jī),2012,39(11):90-93.

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[9] 盧華偉,秦品健,鄭銳.基于Qt/Qwt的操作監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(1):72-74.

[10] 張松燦,肖本賢.高分辨率顏色傳感器TCS230的原理和應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2005,(3):44-46.

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[13] [加]Jasmin Blanchette,[英]Mark Summerfield.C++ GUI Programming with Qt4[M].第2版.閆鋒欣，曾泉人，張志強(qiáng)，譯.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[14] 霍亞飛.Qt Creator快速入門[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[15] 霍亞飛.Qt及Qt Qquick開發(fā)實(shí)戰(zhàn)精解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[16] [美]Molkentin,Daniel.The Book of Qt4: The Art of Building Qt Applications[M].San Francisco:No Starch Press,1990.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】

Design of the Desktop Monitoring System for Water Dispenser

XIAO Ling-lu
(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

For the convenience of a large lab or office staff time to know working status of the water dispenser, a desktop monitoring system for water dispenser is designed. The system takes single chip microcomputer as the control core. The status of the indicator light of the water dispenser is collected by the TSC230 color sensor, and sent to the server host through the serial port. The server host sends the current working status of the water dispenser to all the clients in the local area network through TCP/IP protocol, and then a timely reminder of drinking water is boiled. Experimental results show that the system is stable, reliable, real-time, and has a certain application and promotion value.

TCS230; AT89S52; serial communications; TCP/IP

2017-03-19

渭南師范學(xué)院自然科學(xué)一般項(xiàng)目：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究(16YKS013)；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：電氣工程與秦東工業(yè)(14TSXK07)

肖令祿(1981—),男,甘肅臨洮人,渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院講師,工學(xué)碩士,主要從事嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。

TP212.9

A

1009-5128(2017)12-0032-06