1、職業技術師大學Tianjin University of Technology and Education畢 業 設 計專 業：班級學號：學生：指導教師：二一 年 月35 / 43職業技術師大學本科生畢業設計多傳感器數據采集與傳輸電路設計Design of A Circuit for Multiple Sensors Data Acquisiton and Transmission專業班級： 學生： 指導教師： 學 院： 自動化與電氣工程學院201 年 0 月摘 要在工業、農業和生活中，對溫度和濕度數據的監測具有非常重要的實際應用。人們生活水平的改善和科技的不斷進步，無論是農業還是工業或日常生

2、活中對溫度和濕度數據監測都有越來越高的要求。本課題的設計基礎是基于nRF24L01通信模塊的無線多路溫濕度數據采集與傳輸電路系統的設計，主要應用于特殊環境或工農業現場的溫濕度采集與監測。系統采用無線通信技術和無線溫濕度傳感器采集技術，利用無線數據的通信技術能夠在很大程度上降低空間布線所帶來的施工難度和施工成本。本系統選用STM32單片機作為主控芯片，系統包括無線數據通信模塊，DHT11溫濕度傳感器，LCD液晶顯示模塊，蜂鳴語音報警模塊，以與模擬繼電器LED指示等外圍電路。系統由主機-從機-從機的結構體系組成，主機系統可同時對多個傳感采樣節點進行數據的匯集。傳感器節點通過從機將實時溫濕度數據采集

3、到單片機，經過數據運算再通過nRF24L01模塊發送給主機，主機接收到從機的數據之后需要對數據進行測量和處理，與程序設定的上限值進行比對，判斷監測傳感節點的參數是否達到預警值，并對報警電路和模擬繼電器模組進行相應的控制。最后經過實際的軟硬件測試之后，本作品實現了STM32單片機采集多節點溫濕度傳感器數據，通過nRF24L01模塊與特殊通訊協議進行一定距離的傳輸，最后在主機的LCD12864液晶上顯示出來的模型。關鍵詞：單片機；nRF24L01；傳感器；主機；LCD液晶屏ABSTRACTIn the industry, agriculture and life, the monitoring o

4、f the temperature and humidity has a very important practical application.The improvement of peoples living standards and the continuous improvement of technology, whether it is the agricultural or industrial or daily life of the temperature and humidity data monitoring are increasingly high require

5、ments.The basis for the design of the subject is based on nRF24L01 communication module of multi-channel wireless temperature and humidity data acquisition and transmission circuit system design, mainly used in special environment or agriculture and industry field of temperature and humidity data ac

6、quisition and monitoring.System uses wireless communication technology and wireless temperature and humidity sensor technology, the wireless data communication technology can reduce the wiring space brought about by the construction difficulty and the construction cost in a great extent.The system u

7、se STM32 microcontroller as the main control chip. The system comprises a wireless data communication module, temperature and humidity sensor DHT11, LCD liquid crystal display module, buzzer voice alarm module, and LED indicator relay simulation and other peripheral circuits.The system consists of a

8、 host computer architecture, and the host system can collect data from multiple sensing nodes simultaneously.Sensor nodes through from the machine will be real-time temperature and humidity data acquisition to the microcontroller, after data processing by nRF24L01 module to send to the host host rec

9、eives the need to deal with the data measured from the data on the machine, and procedures set upper limit value for comparison, judgment parameters monitoring sensor node whether it reaches the warning value and the alarm circuit and analog relay module were corresponding control.Finally after the

10、actual hardware and software testing, this work realized STM32 MCU acquisition multi node temperature and humidity sensor data, transmits a certain distance through the nRF24L01 module and special communication protocol, finally in the host LCD12864 liquid crystal display model.Key Words：CPU；nRF24L0

11、1；Sensor；Host；LCD screen目 錄第1章緒論11.1 引言11.2 課題的研究背景與意義11.3 國外研究狀況與發展趨勢2第2章系統總體設計32.1 系統總體方案設計32.1.1 系統功能32.1.2 系統方案32.2 系統各模塊設計與選擇42.2.1 溫濕度傳感器模塊設計與選擇42.2.2 無線數據傳輸模塊的設計與選擇52.2.3 電源的設計與選擇52.2.4 單片機最小系統設計與選擇62.2.5 顯示電路設計與選擇6第3章硬件電路設計73.1 系統硬件組成73.2 CPU主控模塊73.3 溫濕度傳感檢測模塊83.4 無線數據收發通訊模塊93.5 LCD液晶顯示模塊113

12、.6 蜂鳴語音報警模塊與模擬繼電器LED指示模塊113.7 電源驅動模塊12第4章系統軟件設計144.1 軟件的總體設計144.1.1 發送部分144.1.2 接收部分144.2 部分軟件設計154.2.1 傳感節點溫濕度檢測的軟件設計154.2.2 無線發射模塊軟件設計154.2.3 無線接收模塊軟件設計164.2.4 LCD12864顯示模塊軟件設計16第5章系統的調試與實驗結果185.1 調試步驟185.2 測試數據分析18結論20參考文獻21附錄A：作品實物圖22附錄 B：STM32F103C8T6最小系統原理圖23附錄 C：無線收發模塊電路圖與LCD12864電路圖24附錄 D：主函

13、數與無線收發部分程序25致34第1章 緒論1.1引言在現代測量控制系統中，均需要采集被測點傳感器的數據，而且在數據的采集與處理過程中，往往都需要上位機對采集到的數據進行處理或加以統計。在檢測點相對集中的地方，可以采用有線連接的通信方式進行數據的檢測與收集。但是在一些特殊的環境下有線連接卻不能滿足實際需求。在測量點相對分散且分布不均勻的情況下，如果采用個有線數據采集的方式往往需要高昂的工程。例如具有腐蝕性的環境、無法在現場實施明線安裝或者為了避免危險等許多特殊條件下，通過有線傳輸方式進行數據的采集，如通過 CAN 總線、MAX485等方式等已經遠遠不能滿足數據采集和傳輸的要求，如果采用無線數據通

14、信的方式就體現出巨大的優勢，因為無線數據傳輸不會受到地理環境、時間、季節、氣候等外部條件的限制，具有相當廣闊的應用和發展前景。1.2課題的研究背景與意義由于社會的不斷進步和工業生產的需求，采用無線數據通訊的方式進行傳感監測節點數據的采集與傳輸已經廣泛應用到我們的生活的各個方面。在一些工業現場的生產環境非常惡劣，工作人員無法長時間在現場觀察生產設備的運行是否正常，此時就需要通過采集現場的某些運行數據并傳輸到一個相對較好的操控室，那么就會出現數據傳輸方式的問題。由于車間大、設備分布不均勻、需要傳輸數據較多，若使用有線數據傳輸的方式需要鋪設大量的通訊線，不僅浪費資源，占用空間，而且可操作性差，若出現

15、問題或設備位置變動，就會需要重新布線，操作非常繁瑣，不僅費時費力，更加大了生產成本。而且，如果數據采集點是處于運動狀態、所處的環境比較特殊不允許或根本無法鋪設電纜時，甚至數據無法傳輸，此時就需要通過無線傳輸技術進行數據采集與傳輸。在農業生產上，無論是對溫室大棚不同位置點的溫濕度監測，還是糧倉的大圍監測管理，傳統方法都是通過人工進行分區取樣的方法，不僅工作量非常大，可靠性差，而且溫室大棚或糧倉的占地面積大，檢測位置比較分散，檢測點較多，使用傳統的方法已經無法滿足當前農業發展的需要。在當前的先進科技水平下，無線通訊技術的快速發展，使得遠程無線溫濕度采集測量的方法，不僅測量精確，而且簡便易行。在日常

16、生活中，隨著社會的進步和人們生活水平的逐步提高，居住環境也逐漸變得更加智能化。現在很多的家庭都已經安裝了室溫濕度采集控制系統，其主要原理就是通過無線通信技術采集室環境的溫濕度數據，并根據室溫濕度的情況進行遙控通風等安全操作，不僅可以自動調節室溫濕度，而且能夠更好地改善人們的居住環境。以上簡單列舉了幾個在實際應用場合的例子，在我們的日常生活中，無線溫濕度采集與傳輸系統已經被逐漸應用于工農業的環境監測、軍事國防和機器人控制等許多領域。目前在一些布線繁瑣或不允許有明線的特殊場合都能夠通過無線通信技術方案解決。因此，就需要設計相應的通信接口系統，來控制無線射頻模塊的工作，一邊完成可靠并且穩定的無線數據

17、通信系統。1.3 國外研究狀況與發展趨勢近年來，伴隨著計算機技術的發展，無線射頻通信技術在近幾年也得到了迅猛的發展，目前國的無線射頻技術也逐漸成熟，很多公司開研發出種類齊全的射頻無線數據傳輸模塊和芯片。并且這些無線射頻芯片不僅傳輸速率很快而且靈敏度也很高。如今此類的射頻芯片正向著集成化和微型化的方向發展，很大程度降低了使用成本，因此無線射頻芯片在嵌入式產品的研發中具有非常大的應用前景。目前，國外很多知名廠商都很重視無線射頻芯片技術研究，以與更好的應用到射頻芯片的嵌入式系統中。隨著射頻技術的快速發展，無線傳輸芯片的體積和尺寸也越來越微型化，功能也越來越豐富，加上輔助電路在性能上更加的優越，傳輸距

18、離也越來越遠，信號更加的穩定性，擁有更快點的傳輸速率和更強的抗干擾能力，特別適用于復雜的工業控制場合。目前Nordic公司已經成功推出一款nRF24L01芯片，同時國很多公司也相繼推出基于nRF24L01的無線傳輸模塊。nRF24L01無線通信模塊是目前市場上應用較為普遍的無線收發器件，其工作頻段在2.4 GHz至2.5 GHz 之間。nRF24L01無線通信模塊可以通過軟件程序對通訊的通道與輸出功率進行配置，不僅部融合了ShockBurst技術，而且部繼承了多種功能模塊，包括頻率合成電路、功率放大器與振蕩器和解調器等。nRF24L01模塊功率損耗特別低，在以-6dBm的功率發射時，模塊的測試

19、工作電流在9mA左右；模塊工作在接收模式時，也只有12.3mA的工作電流，該模塊的掉電模式和空閑模式等多種低功率工作模式使節能設計更加方便。目前這種基于此頻段的通信方式已日漸趨向成熟。目前無線射頻通信技術已經在很多工業和農業系統中得到了廣泛的推廣和實際應用，對施工成本和系統穩定性都的到了很大的提高：例如無線數據遠程監測系統，糧倉溫濕度檢測系統，遠程抄表系統，工業現場的無線數據檢測系統，機器人控制等多種應用場合。這些先進技術的進步與發展以與實際應用給我們的日常生活帶來了很大的便利。第2章 系統總體設計2.1系統總體方案設計2.1.1系統功能溫濕度的檢測技術在日常生活和工程現場都會經常用到，由于科

20、技的不斷進步和生活水平的提高，對溫濕度檢測系統的檢測精度有了越來越高的要求，傳統的溫濕度測量裝置已經很難滿足檢測精度的要求，本設計采用DHT11作為溫濕度傳感器，使用低功耗STM32單片機。而且本課題采用nRF24L01無線模塊對單片機采集到的溫濕度數據進行近距離的無線傳輸，避免了傳統的通訊線傳輸所帶來的布線困難，成本高等問題。本設計采用STM32F103C8T6單片機作為主控CPU，外加DHT11溫濕度采集模塊、nRF24L01無線收發模塊和數碼顯示模塊組成整個系統，系統結構示意圖如圖2-1所示。圖2-1 系統結構示意圖2.1.2系統方案本系統包括：一個主機、兩個從機、無線通訊模塊、溫度采集

21、、濕度采集、繼電器模組、報警電路、定時中斷等子程序。開機時系統顯示系統時間并復位，從機采集一組環境的實時溫濕度數據，通過無線通訊模塊將傳感檢測節點周圍的溫濕度數據發送給主機并在液晶上顯示出來，主機通過程序判斷是否達到預警值，并控制報警電路等相關模組工作的程序流程。本設計是以STM32F103C8T6單片機為CPU，以nRF24L01無線數據模塊為通信方式的一套多傳感器數據采集與傳輸系統，其中涉與到單片機與nRF24L01無線數據模塊、溫度與濕度檢測、蜂鳴器語音報警、模擬繼電器驅動LED指示、LCD顯示等部分電路的設計。整個系統的結構框圖如圖2-2所示。圖2-2 系統結構框圖2.2系統中功能模塊

22、的選型2.2.1 溫濕度檢測模塊的選型方案一：數字式溫度傳感器的選擇在目前很多工農業場合很多采用DS18B20作為系統的測溫元器件，由于該測溫元件的輸出信號為數字信號，能很好的與微控制器進行命令和數據的傳輸，并且該測溫元件的外圍電路要求簡單，穩定性也相對不錯，能夠很大程度上簡化硬件電路的設計，但其檢測圍僅限于溫度測量，檢測功能單一，需要搭配濕度檢測器件才能滿足本設計要求，因此，該器件不適用于本系統的設計。方案二：DHT11傳感器是一款能夠輸出溫度和濕度的數字式溫濕度一體傳感器，并且該傳感器的輸出信號已經經過校準后輸出給控制器。為了確保該傳感器的可靠性和穩定性，傳感器部采用了專用的溫濕度傳感技術

23、和數字模塊采集技術。該傳感器采用單總線的數據傳輸方式，并且其體積小，功耗低，傳輸距離能達到20米以上，能夠很好的與單片機進行連接并嵌入到系統中。DS18B20與DHT11相比，在功能和檢測精度上都低于DHT11溫濕度傳感器，因此本設計選用方案二作為環境數據的檢測器件。2.2.2 無線數據傳輸模塊的選型方案一：NRF24L01的工作頻率在2.42.5GHz圍，是目前通用的一種基于ISM頻段的無線數據收發器芯片。nRF24L01無線通信模塊可以通過軟件程序對通訊的通道與輸出功率進行配置，不僅部融合了ShockBurst技術，而且部繼承了多種功能模塊，包括頻率合成電路、功率放大器與振蕩器和解調器等。

24、并且可以通過SPI通訊協議進行模塊的驅動，編程方法簡單，穩定性高。方案二：藍牙模塊是一種目前近距離數據傳輸比較常用的一種方式，藍牙模塊的數據傳輸距離在10cm10m左右，如果外加相關功率放大電路或某些外設，藍牙的傳輸距離可以達到幾十米。目前藍牙技術雖然被描述的前景非常廣闊，但是藍牙技術現在還不是非常的成熟，其穩定性能不是很好，并且抗干擾能力也比較差，因此該技術還需要實際應用的嚴格考驗。雖然藍牙的通訊速率不是很高，但是在這個發展迅速的信息化和智能化時代，也有可能會對它的發展有一定的影響。經過對比nRF24L01無線收發模塊有較強的抗干擾能力，并且其穩定性和可靠性都優于藍牙模塊。為了實現系統的功能

25、要求，本設計的無線傳輸模塊最終選用nRF24L01芯片。2.2.3 系統供電電源的選型方案一：通過單相變壓器將AC220V的交流電降壓到AC12V之后，再經過由單向不可控二極管搭建的橋式整流電路對其進行進一步的電壓整流處理，然后再將整流后的電壓通過三端穩壓電源芯片和相關濾波電路對其電壓進行進一步的處理。例如可以LM7805穩壓芯片實現穩壓功能，該芯片的3腳可以將整流后的12V電壓通過穩壓芯片部的穩壓整流電路轉換為DC5V的電壓傳輸給系統供電，這個穩壓電路的搭建相對簡單，但是其穩定性和轉換精度不高。方案二：采用電源適配器，電源適配器能夠很好的輸出較為平穩的直流電壓，其輸出電流也相對穩定，并且電源

26、適配器有塑料外殼能夠起到電源芯片的防塵和防爆作用，其部電路的功耗較低，穩定性也相對比較好，攜帶也比較方便。電源適配器一般都具有多種自我保護功能，使用更加安全可靠。經過對以上兩種方案的對比，最終選擇方案二作為本系統的供電方式，因為方案一在整個電路搭建過程比較復雜，成本較高，而且穩定性和安全性都低于電源適配器。2.2.4 單片機系統的選型方案一： STM32F103C8T6單片機，工作電壓為3.3V，且含有32位的高速處理芯片。其運算和運行速度都非常快，編程環境是Keil uVision4，編程界面較為簡單并且改控制器的強大之處在于其代碼的移植非常方便，能夠很好的進行編程。Cortex-M3系列的

27、單片機的部資源和接口非常強大，擁有多路串口、A/D接口、SPI接口與外部中斷，能夠很好的應用到系統中，并且該單片機的價格便宜，工作也穩定。方案二： AT89C51單片機，該單片機的外部IO資源和部寄存器的資源相對較少，是目前市場上功能較為落后的一款控制芯片，但是該芯片是上市比較早的一款高性能的8位微處理器芯片，并且該芯片的市場價位相對較低，比較適合用于對系統穩定性和精度要求不是很苛刻的場合，而且該芯片的編程方法比較簡單，非常適合剛開始接觸微控制器的初學者。該該芯片的運算速度相對于STM32單片機來說有一定的差距，而且其外部IO資源和寄存器較少，與STM32單片機相比較顯得有些不足。經過對本系統

28、的功能分析，因為本系統在整個工作過程中需要不斷地對數據通過SPI接口發送和接收，對系統的運算速度有很高的要求，并且還用到了很多部定時器與中斷資源，因此選用STM32F103C8T6單片機作為系統的控制器芯片。2.2.5 人機顯示模塊的選型方案一：人機交互界面在每個系統中都有很重要的作用，LCD12864液晶顯示就是一種常見的人機界面顯示方式，LCD12864的顯示功能比較強大，不僅僅能顯示中文和英文，而且一些較為復雜的圖形符號都可以通過編程的方式在液晶屏上顯示出來，LCD12864液晶屏與單片機的連接方式有串行連接和并行連接，可以根據不同場合和顯示數據量的大小進行選擇。并行連接的數據顯示和傳輸

29、速度快，適合對顯示速度要求高的場合，但是IO資源占用的較多；串行連接的數據顯示和傳輸速度相對較慢，但是其IO資源占用較少，對顯示速度要求不高的場合可以選用串行方式連接。并且LCD12864液晶屏的顯示程序比較簡單，與外部控制器的電路設計連接非常方便，能夠很好的嵌入到系統中。方案二：選用數碼管對數據顯示。數碼管一般都是七段數碼管，分為共陰極數碼管和共陽極數碼管，其編程方式采用循環掃描將不同的數據和變量在數碼管上顯示出來，數碼管的市場價格相對便宜，而且編程簡單，但是該模塊只能顯示簡單的英文字母和阿拉伯數字，其顯示效果相對較差，并且外圍電路的搭建較為復雜，需要配合595等類型的鎖存器使用，較為復雜。

30、但是數碼管的顯示對單片機的初學者能起到很好的編程思路學習，但是本系統設計要求較高，不適應用數碼管進行顯示。經過對系統分析，最終選擇方案一作為本系統的人機交互顯示方式的模塊。第3章 系統硬件電路設計3.1硬件系統的組成本課題的硬件系統由一個主機和兩個從機硬件電路組成，主機系統的電路由七部分組成，分別包括：CPU主控模塊、DHT11溫濕度一體傳感器、nRF24L01通訊模塊、LCD12864液晶顯示模塊、蜂鳴語音報警模塊、模擬繼電器LED指示模塊以與電源驅動模塊。兩個從機電路與主機電路有一定的差異，從機電路設計由五個電路模塊組成，分別包括：單片機主控模塊、溫濕度傳感檢測模塊、無線數據收發通訊模塊、

31、模擬繼電器LED指示模塊以與電源驅動模塊。主機與從機的主要區別在于主機系統有人機顯示界面，能夠通過主機上的LCD12864液晶模塊監控從機一和從機二所檢測的傳感節點位置的當前環境參數，起到整個系統的監控作用。3.2CPU主控模塊此次設計的芯片采用的是STM32F103C8T6單片機，由于STM32系列基于ARMCortex-M3核的高性能單片機，其工作頻率高達72MHz，芯片部集成有高速存儲器，豐富的I/O接口。部包括多路ADC接口、串口、中斷定時器、硬件SPI、CAN通信以與外部中斷等多種資源接口。STM32F103C8T6單片機的溫度工作圍很寬，能夠在零下40攝氏度到零上105攝氏度的圍里

32、面正常工作。并且該單片機的工作電壓一般在3.3V左右就能正常工作，其功耗非常低，因此能夠很好的嵌入到大部分系統中。STM32單片機的系統原理圖如圖3-1所示。在單片機系統的設計過程中，設計者都非常注重復位電路的設計，因為復位系統是保證單片機系統在啟動之后能否正常工作的一個重要過程，如果復位電路設計的不合理，甚至不正確，那么系統就無常啟動，更無法運行后續的程序設計，導致整個系統程序停止，因此在系統復位電路的設計非常重要的一部分。復位電路設計如圖3-1右下圖所示。STM32單片機晶振電路是CPU工作的心臟，所以在設計系統的晶振電路時一定要對單片機的部機構性能有非常詳細的了解，才能保證單片機能夠正常

33、的在系統中起到核心控制的作用，STM32單片機有兩個晶振時鐘源，一個是系統時鐘源工作電路，該電路采用8M頻率的晶振作為起振電路，外接兩個22pF的電容輔助晶振電路的正常工作；另一個時鐘源是STM32單片機特有的RTC時鐘源，該單片機部集成有RTC時鐘電路，能夠較容易的使用程序驅動部RTC時鐘的工作，使系統在對實時時間的程序編寫與硬件電路的設計簡化了很多問題。圖3-1 STM32F103C8T6最小系統原理圖3.3 溫濕度傳感檢測模塊DHT11傳感器是一款能夠輸出溫度和濕度的數字式溫濕度一體傳感器，并且該傳感器的輸出信號已經經過校準后輸出給控制器。為了確保該傳感器的可靠性和穩定性，器部采用了專用

34、的溫濕度傳感技術和數字模塊采集技術。該傳感器采用單總線的數據傳輸方式，并且其體積小，功耗低，傳輸距離能達到20米以上，能夠很好的與單片機進行連接嵌入到系統中。DHT11溫濕度傳感器的濕度檢測圍是2090RH；5RH的測量精度；溫度檢測的圍是050，2的測量精度，其額定供電電壓在3.0至5.5V均可，供電圍較寬，響應時間短，最長不超過5秒，DHT11溫度傳感器有4個外接引腳，給傳感器上電后，需要經過一秒鐘左右的預熱時間，因為剛上電會有一個不穩定過程，所以在這段時間控制器不需要發送任何指令個傳感器。 DHT11實物如圖3-2所示。圖3-2的三個引腳中有兩個是電源引腳，有一個是輸出數據的引腳，只需要

35、給模塊供上正常的電壓，然后就可以通過單片機的某個IO口從DHT11的輸出引腳采集到所需要的溫濕度數據。DHT11是數字式的溫濕度傳感器，所以其DATA端可直接以數字方式傳輸所采集的當前環境溫濕度數據，由于DHT11是通過單總線的通信方式進行檢測數據的輸出，所以僅需將MCU的一個IO接口與DHT11的DATA端連接在一起就能夠進行實時溫濕度數據的采集了，為了保證接收數據的穩定性和正確性一般都會在DHT11的輸出端與單片機的連接處焊接一個5K的上拉電阻，該電路的設計相對于其他電路來說比較簡單。DHT11傳感器典型應用電路如圖3-3所示：圖3-2DHT11實物圖 圖3-3 DHT11傳感器典型應用電

36、路3.4 無線數據收發通訊模塊該模塊由Nordic公司生產的nRF24L01單片收發芯片與相關外圍電路搭建而成。nRF24L01無線通信模塊是目前市場上應用較為普遍的無線收發器件，其工作頻段在2.4 GHz至2.5 GHz 之間。nRF24L01無線通信模塊可以通過軟件程序對通訊的通道與輸出功率進行配置，不僅部融合了ShockBurst技術，而且部繼承了多種功能模塊，包括頻率合成電路、功率放大器與振蕩器和解調器等。nRF24L01芯片的功耗低，當該模塊的發射功率在-6dBm時，實際的測試的模塊電流僅在9mA左右；模塊工作在接收模式時，也只有12.3mA的工作電流，該模塊的掉電模式和空閑模式等多

37、種低功率工作模式使節能設計更加方便。圖3-4 nRF24L01無線通訊模塊結構圖與實物（1）nRF24L01芯片的引腳排列與各引腳功能描述如下圖所示。圖3-5 nRF24L01芯片引腳引腳功能說明引腳功能CE使能發射或接收CSN，SCK，MOSI，MISOSPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01IRQ中斷標志位VDD電源輸入端VSS電源地XC2，XC1晶體振蕩器引腳VDD_PA為功率放大器供電，輸出為1.8 VANT1,ANT2天線接口IREF參考電流輸入（2）nRF24L01模塊有四種工作模式，包括發射模式、接收模式、空閑模式與掉電模式，這四種工作模式可以通過配置其部寄存器進行

38、設置，配置原則如表3.1所示。從表3.1可以看出，當nRF24L01模塊工作在待機模式1狀態時，沒有任何數據的傳輸，因此其工作的電流損耗將會在最低狀態；如果使模塊處于待機模式2狀態時，需要CE=1且寄存器FIFO部為空；當模塊在掉電模式時，模塊將會進入待機模式，雖然此時模塊在待機模式，但是仍然會保留寄存器所有的配置的數據，此時模塊的電流損耗最小。表3.1 nRF24L01模塊的工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態接收模式111-發射模式101數據在TXFIFO寄存器中發射模式1010停留在發送模式，直至數據發送完待機模式2101TX_FIFO為空待機模式11-0無數據傳

39、輸掉電0-3.5 LCD液晶顯示模塊在本系統中LCD12864液晶顯示用于顯示當前的日期時間、主機周圍的溫濕度數據以與從機一和從機二周圍的溫濕度數據。LCD12864的顯示功能比較強大，不僅僅能顯示中文和英文，而且一些較為復雜的圖形符號都可以通過編程的方式在液晶屏上顯示出來，LCD12864液晶屏與單片機的連接方式有串行連接和并行連接，可以根據不同場合和顯示數據量的大小進行選擇。并行連接的數據顯示和傳輸速度快，適合對顯示速度要求高的場合，但是IO資源占用的較多；串行連接的數據顯示和傳輸速度相對較慢，但是其IO資源占用較少，對顯示速度要求不高的場合可以選用串行方式連接。并且LCD12864液晶屏

40、的顯示程序比較簡單，與外部控制器的電路設計連接非常方便，能夠很好的嵌入到系統中。雖然本系統中單片機接口資源豐富，但是考慮減輕電路焊接的工作量，所以采用串行傳輸的方式與LCD12864液晶顯示屏連接通訊。LCD12864液晶顯示屏實物如圖3-6所示。3.6 蜂鳴語音報警模塊與模擬繼電器LED指示模塊由于蜂鳴器是直流電壓驅動期間，只需給蜂鳴器供上額定的電壓就能驅動蜂鳴器發出響聲。單片機驅動蜂鳴器有兩種方式：一種是通過單片機輸出PWM直接對蜂鳴器進行驅動，另一種是通過單片機的IO電平翻轉產生不同的驅動波形對蜂鳴器進行驅動。因為蜂鳴器的工作電流比較大，所以無法直接通過單片機的IO口進行驅動，一般需要通

41、過放大電路才能驅動蜂鳴器發出聲響。驅動電路如圖3-7所示。圖3-6 LCD12864液晶顯示屏圖3-7報警驅動電路3.7 電源驅動模塊電源適配器能夠很好的輸出較為平穩的直流電壓，其輸出電流也相對穩定，并且電源適配器有塑料外殼能夠起到電源芯片的防塵和防爆作用，其部電路的功耗較低，穩定性也相對比較好，攜帶也比較方便。電源適配器一般都具有多種自我保護功能，使用更加安全可靠。此處我們選用5V-1A的直流輸出型電源適配器作為電源驅動模塊。這種電源驅動模塊安全可靠、運行穩定、工作效率高，并且適配器部還設計了過流保護，這樣就使得整個系統更加穩定。在該系統中還需要提供3.3V的電壓作為單片機系統的供電電壓，因

42、此還需要設計5V轉3.3V的穩壓整流電路，系統選擇AMS1117-3.3V穩壓芯片，通過該穩壓芯片的部整流和穩壓電路對輸出電壓進行精確的降壓，保證控制系統電壓的穩定性。5V轉3.3V的穩壓電路圖如圖3-8所示。圖3-8電源5V轉3.3V驅動電路第4章 系統軟件設計4.1 軟件的總體設計4.1.1 發送部分對于發送部分的總體循環思路，首先對DHT11溫濕度傳感器進行初始化操作，然后從DHT11讀出溫度和濕度數據，將得到的溫濕度數據的轉化成十進制，分別取溫濕度數據的高兩位（即整數部分）寫入TX_buffer發送數據數組，然后初始化nRF24L01，將數據通過無線發送出去，其工作流程圖如圖4-5所示

43、。4.1.2 接收部分對于接收部分總體思路的設計，首先對nRF24L01模塊進行初始化操作，然后程序進入while(1)大循環函數進行掃描是否有接收中斷信號的到來。如果檢測到中斷信號的到來就從RX_buffer讀取數據，并將讀取到的數據進行數據計算和處理后在LCD12864液晶顯示屏上面顯示出來，其工作流程圖如圖4-6所示。圖4-5 發射部分總體流程圖圖4-6 接收部分總體流程圖4.2 部分軟件設計4.2.1 傳感節點溫濕度檢測的軟件設計為了確保通信數據接收的穩定性和準確性，對于DHT11溫濕度檢測傳感器軟件設計的測溫原理必須遵循標準的單總線通信協議，單片機通過標準的時序寫入和讀出DHT11寄

44、存器中的數據，包括初始化命令、等待應答脈沖、發送指令與數據合并計算等操作。傳感器復位完成后，需要等待接收應答信號，然后發送掃描命令并啟動溫度轉換，最后等待溫度轉換完畢后，保存數據。如此反復，完成所有操作，其流程圖如圖4-1所示。圖4-1 DHT11 數據采集程序流程圖4.2.2 無線發射模塊軟件設計首先需要對nRF24L01進行初始化，為了保證nRF24L01模塊的正常通信，需要從兩個部分進行初始化的操作，一部分是對單片機的IO的設置，另一部分是對單片機硬件SPI部寄存器的初始化配置。從機的nRF24L01模塊需要通過配置SPI的總線將使其進入準確的發送工作模式。在系統進入數據發送階段時，還需

45、要將數據的目標地址與本機地址寫入模塊的緩沖區，待延時一段時間后，將數據發送出去。其軟件的工作流程圖如圖4-2所示。圖4-2 無線發射軟件流程圖4.2.3 無線接收模塊軟件設計主機在接收數據時，需要將nRF24L01模塊配置為接收狀態的工作模式。然后等待從機所發送數據的到來。當主機檢測到有數據發來時，主機需要檢測發送端的地址是否為有效地址，若通過有效地址和CRC校驗時，模塊會將發送端的數據存放到接收堆棧中，然后寄存器發送信號通知單片機進行數據的接收，單片機進入接收中斷，對數據進行完整的數據讀取。其工作流程圖如圖4-3所示。4.2.4 LCD12864顯示模塊軟件設計LCD12864顯示電路采用串

46、行接口連接方式，串行接口的電路連接方式能夠有效節省單片機的IO資源，數據顯示采用定時中斷循環掃描的方式。PB7、PB8、PB9分別為LCD12864液晶顯示的CS、SID、CLK，通過串行時鐘與數據指令發送相應函數，依次在LCD上顯示當前時間、主機房間的實時溫濕度、從機一與從機二的實時溫濕度，其流程圖如圖4-4所示。圖4-3 無線接收軟件流程圖圖4-4 LCD12864顯示部分軟件流程圖第5章 系統的調試與實驗結果5.1 調試步驟第一步：設計硬件電路原理圖，并完成系統硬件電路的焊接。第二步：將主機系統與LCD12864液晶屏連接顯示，確保液晶顯示與STM32單片機能夠正常進行數據顯示。第三步：

47、 將主機STM32單片機與溫濕度傳感器DHT11相連，燒寫讀取DHT11溫濕度的C程序，并在LCD12864液晶顯示屏上顯示出來，保證溫濕度檢測的硬件與軟件部分的正確。第四步： 將nRF24L01模塊與STM32單片機相連，給單片機寫入一個發送任意數據的檢測程序，保證主從機能夠正常的進行數據傳輸。第五步： 將LCD12864液晶顯示程序、nRF24L01無線收發程序、DHT11檢測程序等所有功能程序合并，調整函數調用順序，觀察從機數據能否正常發送給主機并在液晶上顯示出來。第六步： 人為的改變傳感節點端的環境參數，將環境參數達到設定的預警值，測試報警系統是否能正常啟動。第七步：將兩個從機和主機的

48、程序全部燒寫到對應的單片機中，進行整套系統的數據采集與發送接收的聯調，并將從機一和從機二的數據在主機接收端的LCD12864液晶上顯示出來。5.2測試數據分析根據系統設計的要求與目的，在系統設計完成后通過一些簡單的測量儀器，對一些動態值進行測量，得到的結果如表5.1所示：表5.1 動態數據表測試項實測值主從機收發端電壓3.3V從機端功率12.4mW主機端功率25.3mW從機端電流3.76mA主機端電流7.67mA主從機收發距離大于20m通過實際系統的測試與測試結果表明，本系統的設計能夠達到低功耗的工作，另外主從機的收發距離也達到了設計的初衷。如圖5-1就是本系統的主機接收和顯示端成品。圖5-1

49、 主機接收部分成品如圖5-2就是從機溫濕度數據采集和發送端成品（從機一和從機二），兩個從機實時的讀取傳感節點的溫濕度數據，并通過nRF24L01模塊把檢測的溫濕度數據發送給主機。圖5-2 從機發射部分成品結 論本論文介紹的是通過nRF24L01無線收發模塊的方式實現多傳感節點的遠程溫濕度數據采集系統，它可以用于多種遠程監測系統，能夠實現遠程環境、資源信息等數據的收集。STM32單片機以其高可靠性、高性價比，在工業和農業等諸多領域得到廣泛的應用。本論文主要旨在說明本設計系統中所用到的無線傳感檢測技術與無線射頻通訊技術，特別是在進行單片機與nRF24L01無線模塊進行配置與數據命令的收發這一部分是

50、本課題設計的關健之處。并且在對本課題作品進行設計與芯片選型時，就遇到了很多麻煩，最終才選定使用STM32單片機與nRF24L01無線模塊進行組合，實現無線收發系統的雛形，經過附加一些外圍電路的輔助，很好的達到了自己預期的效果。并且在本設計中選用DHT11數字溫濕度傳感器能夠很好的與單片機進行溫濕度數據的直接采集與存儲，利用無線收發模塊進行無線數據的傳輸，并在主機的LCD12864液晶顯示屏上顯示。當然在整個系統的設計和制作過程中，遇到過很多很多的技術性難題，特別是在通過單片機控制nRF24L01模塊進行數據發送和接收的過程與程序編寫都非常的復雜，并且這方面的資料相對理解起來較難，但是在對大量的

51、文獻和資料的學習以與指導老師的耐心指導下。最終熟悉并掌握了各個元器件的性能原理，與設計的總體方案，得以完成整個系統的設計。參考文獻1 朝青.單片機原理與接口技術M.航空航天大學.20102 黃智偉.無線發射與接收電路設計M. 人民郵電.20083 亮.液晶顯示模塊LCD應用J.電子制作.20114 敏,夏繼軍.傳感器應用技術M. 電子科技大學.20115 常鐵原,王欣.多路數據采集系統的設計J.電子技術應用.20086 Ghenadii Korotcenkov ,Chemical Sensors: Comprehensive SensorTechnologiesM,Volume 5, El.

52、Momentum Press 20117DavidK.S. Tse,Fundamentals of Wireless CommunicationM .20098 葉紅海,麗敏.基于單片機的多路數據采集系統的設計與實現J.20089胡學海.單片機原理與應用系統設計M.電子工業.201010繼文.傳感器與應用電路設計M.科學.201211群芳,士軍.單片微型計算機與接口技術M.電子工業.200812林土勝.單片機技術與工程實踐M.機械工業.201013福安.電子電路設計與實踐M.山東科學技術.2002.14 平等.單片機入門與開發M.機械工業.2008. 15為民.溫濕度測控系統中的智能控制器研制

53、J.西北民族大學學報.201416 小青.傳感器與其發展J. 東華理工學院學報(自然科學版).201017 王東峰.單片機C語言應用100例M.電子工業.201018 盧勝利,郝立果.單片機原理與應用技術實踐M.機械工業,200919教育科學研究院.無線電技術基礎M.人民郵電.200520 文忠,段朝玉.短距離無線數據通信M.航空航天大學.200621 Simon Haykin，Machael Moher,寶玉.現代無線通信M. 電子工業,2006.22南建輝等編著.MCS-51單片機原理與其應用實例.清華大學,2004.03.附錄A：作品實物圖附錄 B：STM32F103C8T6系統電路原理圖附錄 C：nRF24L01模塊與LCD12864串行電路設計原理圖附錄 D：單片機部分程序設計#includestm32f10x_lib.h/包含所有的頭文件#includeSYSTIC.h#includeAM2301.h#includeLCD_12864.h#include2401.h#include RTC.