1、湖南理工學院畢業(yè)設計(論文) IV學號14112101*畢業(yè)設計(b y sh j)(論文(lnwn)題目(tm): 基于單片機的無線溫濕度檢測系統(tǒng)的設計作 者 * * * 屆 別 2015屆 院 別 信息與通信工程學院 專 業(yè) 自動化 指導教師 職 稱 完成時間 2015年5月18日 摘 要溫濕度測量在工業(yè)生產中有著廣泛的應用，是人們日常生活中常見的物理量，工業(yè)生產、機械制造、制藥、煙草、檔案的保管、糧食的儲存等領域對溫度和溫度有非常嚴格的要求。傳統(tǒng)的溫濕度傳感器需通過較復雜的電路才能將溫度信號轉化為數字信號，且遠距離傳輸會引起(ynq)很大誤差。監(jiān)控室與現場之間必須敷設大量的電纜，非常麻煩

2、。所以為了適應工農業(yè)生產需要、為了滿足大型場所的測量、為了能進行方便快捷的維護操作，文中設計的系統(tǒng)采用(ciyng)無線溫濕度檢測的方案，不必敷設電纜，可以節(jié)省費用和時間。該采集系統(tǒng)分為(fn wi)采集模塊和數據處理模塊，以AT89C52芯片為主控芯片，利用數字式溫濕度傳感器DHT11進行溫度和濕度的數據采集，采用nRF24L01無線傳輸模塊進行無線通信，顯示屏LCD1602對溫濕度進行顯示。使用Keil C51編程軟件對系統(tǒng)進行軟件設計，最后完成實物制作并對實物進行測試。測試結果顯示，系統(tǒng)能夠將采集到的數據經無線傳輸后在LCD1602上實時顯示，可實現溫濕度采集、無線傳輸和顯示功能，并能在

3、溫度或者濕度在超過報警上限時發(fā)出警報，因此具有一定的應用價值和應用前景。關鍵詞：溫濕度測量；AT89C52；溫濕度傳感器；無線傳輸AbstractTemperature and temperature requires strict very much in industrial production, machinery manufacturing, pharmaceutical, tobacco, file storage, grain storage and other fields. The traditional temperature and humidity sensors re

4、quired by the complex circuit to make temperature signal into digital signal, it will cause big error for the remote transmission. Its very troublesome to lay a number of cables between the control room and the scene. In order to adapt to the industrial and agricultural production, the needs of larg

5、e places measurement, maintain and operation convenient. This system is based on wireless transmission so it can save cost and time and without cable. The acquisition system is divided into the acquisition module and the data processing module, based on AT89C52, Temperature and humidity data acquisi

6、tion of the digital temperature and humidity sensor DHT11, Wireless communication with nRF24L01 wireless transmission module, Temperature and humidity display LCD1602. Using Keil C51 to design the software of the system, then complete the physical production and test it. Test results shows that the

7、system can display the collected data after the wireless transmission and can be displayed on LCD1602 in real time., Temperature and humidity, wireless transmission and display functions can be achieved, And it can issue an alert when temperature or humidity exceeds the limit of the alarm, So, it ha

8、s certain application value and application prospect.Key Words: Temperature and humidity measurement; AT89C52; humidity sensor; wireless transmission目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc420586791 摘 要 PAGEREF _Toc420586791 h I HYPERLINK l _Toc420586792 Abstract PAGEREF _Toc420586792 h II HYPERLINK l _

9、Toc420586794 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc420586794 h 1 HYPERLINK l _Toc420586795 1.1 溫濕度檢測(jin c)技術的簡介 PAGEREF _Toc420586795 h 1 HYPERLINK l _Toc420586796 1.2 溫濕度檢測(jin c)技術的發(fā)展歷程與意義 PAGEREF _Toc420586796 h 1 HYPERLINK l _Toc420586797 1.2.1 溫濕度檢測(jin c)技術的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc420586797 h 1 HYPERLINK l _Toc420586

10、798 1.2.2 單片機的發(fā)展 PAGEREF _Toc420586798 h 2 HYPERLINK l _Toc420586799 1.2.3 溫濕度檢測技術研究的意義 PAGEREF _Toc420586799 h 3 HYPERLINK l _Toc420586800 1.3 論文的組織結構 PAGEREF _Toc420586800 h 3 HYPERLINK l _Toc420586801 第二章 溫濕度檢測系統(tǒng)的基本原理和設計方案的選擇 PAGEREF _Toc420586801 h 4 HYPERLINK l _Toc420586802 2.1 系統(tǒng)的基本原理概述 PAGER

11、EF _Toc420586802 h 4 HYPERLINK l _Toc420586803 2.1.1 系統(tǒng)功能 PAGEREF _Toc420586803 h 4 HYPERLINK l _Toc420586804 2.1.2 系統(tǒng)總體功能設計 PAGEREF _Toc420586804 h 4 HYPERLINK l _Toc420586805 2.2 系統(tǒng)設計方案選擇 PAGEREF _Toc420586805 h 5 HYPERLINK l _Toc420586806 2.2.1 主控芯片選擇 PAGEREF _Toc420586806 h 5 HYPERLINK l _Toc420

12、586807 2.2.2 溫濕度傳感器的選擇 PAGEREF _Toc420586807 h 5 HYPERLINK l _Toc420586808 2.2.3 無線模塊選擇 PAGEREF _Toc420586808 h 5 HYPERLINK l _Toc420586809 2.2.4 顯示模塊選擇 PAGEREF _Toc420586809 h 6 HYPERLINK l _Toc420586810 2.3 設計要求 PAGEREF _Toc420586810 h 6 HYPERLINK l _Toc420586811 2.4 本章小結 PAGEREF _Toc420586811 h 6

13、 HYPERLINK l _Toc420586812 第三章 系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc420586812 h 7 HYPERLINK l _Toc420586813 3.1 總體結構設計 PAGEREF _Toc420586813 h 7 HYPERLINK l _Toc420586814 3.2 數據采集模塊設計 PAGEREF _Toc420586814 h 7 HYPERLINK l _Toc420586815 3.2.1 單片機控制模塊 PAGEREF _Toc420586815 h 7 HYPERLINK l _Toc420586816 3.2.2 溫濕度采集模塊 PA

14、GEREF _Toc420586816 h 10 HYPERLINK l _Toc420586817 3.2.3 無線傳輸模塊 PAGEREF _Toc420586817 h 12 HYPERLINK l _Toc420586818 3.3 數據處理模塊 PAGEREF _Toc420586818 h 15 HYPERLINK l _Toc420586819 3.3.1 單片機控制模塊 PAGEREF _Toc420586819 h 15 HYPERLINK l _Toc420586820 3.3.2 數據處理模塊中的無線傳輸模塊 PAGEREF _Toc420586820 h 16 HYPE

15、RLINK l _Toc420586821 3.3.3 LCD1602液晶顯示模塊 PAGEREF _Toc420586821 h 16 HYPERLINK l _Toc420586822 3.6 本章小結 PAGEREF _Toc420586822 h 18 HYPERLINK l _Toc420586823 第四章 系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設計 PAGEREF _Toc420586823 h 19 HYPERLINK l _Toc420586824 4.1 編程環(huán)境(hunjng) PAGEREF _Toc420586824 h 19 HYPERLINK l _Toc42058

16、6825 4.1.1 編程環(huán)境(hunjng)介紹 PAGEREF _Toc420586825 h 19 HYPERLINK l _Toc420586826 4.1.2 編程語言 PAGEREF _Toc420586826 h 19 HYPERLINK l _Toc420586827 4.2 系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc420586827 h 19 HYPERLINK l _Toc420586828 4.2.1 數據采集模塊軟件設計 PAGEREF _Toc420586828 h 19 HYPERLINK l _Toc420586829 4.2.2 數據處理模塊軟件總體設計 PAGE

17、REF _Toc420586829 h 21 HYPERLINK l _Toc420586830 4.3 無線收發(fā)模塊軟件設計 PAGEREF _Toc420586830 h 22 HYPERLINK l _Toc420586831 4.3.1 無線發(fā)射模塊軟件設計 PAGEREF _Toc420586831 h 22 HYPERLINK l _Toc420586832 4.3.2 無線接收模塊軟件設計 PAGEREF _Toc420586832 h 22 HYPERLINK l _Toc420586833 4.4 本章小結 PAGEREF _Toc420586833 h 23 HYPERLI

18、NK l _Toc420586834 第五章 系統(tǒng)性能測試 PAGEREF _Toc420586834 h 24 HYPERLINK l _Toc420586835 5.1 軟件調試 PAGEREF _Toc420586835 h 24 HYPERLINK l _Toc420586836 5.1.1 件調試工具 PAGEREF _Toc420586836 h 24 HYPERLINK l _Toc420586837 5.1.2 軟件調試原理及結果 PAGEREF _Toc420586837 h 25 HYPERLINK l _Toc420586838 5.2 硬件調試 PAGEREF _Toc

19、420586838 h 26 HYPERLINK l _Toc420586839 5.2.1 所設計出來的硬件 PAGEREF _Toc420586839 h 26 HYPERLINK l _Toc420586840 5.2.2 硬件調試方案 PAGEREF _Toc420586840 h 27 HYPERLINK l _Toc420586841 5.2.3 測試結果 PAGEREF _Toc420586841 h 27 HYPERLINK l _Toc420586842 5.3 本章小結 PAGEREF _Toc420586842 h 29 HYPERLINK l _Toc420586843

20、 第六章 總 結 PAGEREF _Toc420586843 h 30 HYPERLINK l _Toc420586844 參考文獻 PAGEREF _Toc420586844 h 31 HYPERLINK l _Toc420586845 致 謝 PAGEREF _Toc420586845 h 32 HYPERLINK l _Toc420586846 附錄一 檢測發(fā)送模塊原理圖 PAGEREF _Toc420586846 h 33 HYPERLINK l _Toc420586847 附錄二 接收顯示模塊原理圖 PAGEREF _Toc420586847 h 34湖南理工學院畢業(yè)設計(論文) 第

21、一章 緒 論1.1 溫濕度檢測(jin c)技術的簡介(jin ji)無線溫濕度檢測器是一種用于倉庫(cngk)和蔬菜大棚等具有溫濕度檢測、無線傳輸、溫濕度顯示和超限報警功能的儀器。系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端兩部分組成。發(fā)送端將溫度傳感器檢測到的溫度值經單片機進行數據處理后，通過無線收發(fā)模塊無線發(fā)送，接收端將接收到的數據信息顯示在液晶屏上，并附加溫度限設置和超限報警功能。無線檢測系統(tǒng)需實現參數信息實時且快速有效的檢測，其服務模式是向人們提供一個更高效，更快捷、更全面服務。由于當前的檢測技術比較滯后，檢測過程中會遇到很多困難和難題，本論文便著手研究更好的檢測方案，利用現有的無線檢測技術，在傳統(tǒng)的檢測方

22、法里尋找突破，努力讓檢測水平達到一個新的高度，提供科學可靠的檢測數據，使用無線檢測網絡，可以大大降低布線和管理的難度，也可以大幅減少物力、人力、資金的投入，從而降低成本。無線檢測系統(tǒng)具有不借助外部網絡、快速安裝、抗毀性強等特點，可以使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下獲取大量的、可靠的數據信息。1.2 溫濕度檢測技術的發(fā)展歷程與意義1.2.1 溫濕度檢測技術的發(fā)展歷程溫度測量是現代檢測技術非常重要的組成部分，在保證產品的質量、節(jié)約能源和生產安全等方面起著尤其關鍵的作用。在溫度測量方面1，各個國家都有著自己的研究成果，前蘇聯研究出了分辨能力達到了0.0001的壓電石英頻率溫度計，具有溫度與頻率

23、線性特性溫度范圍而在-40230之間，理論上可達0.00001。美國的25歐標準鉑電阻溫度計，分辨率甚至有0.00002，我國生產的石英溫度檢測器誤差在0.05以內，分辨率高達0.0001。我國航天工業(yè)總公司研制的5901(STP-1000)型粘貼式測溫片，靜態(tài)測溫精度為0.5%，快速響應時間小于0.013s。人類在18世紀就發(fā)明了干濕球濕度計，這種濕度計的準確度取決于干球、濕球兩支溫度計本身的精度，這種濕度計必須處于通風狀態(tài)，在紗布水套、水質、風速都滿足一定要求的時候，才能達到規(guī)定準確度。這種濕度計的準確度一般只有57RH，只能算是勉強可以用來測量濕度，不適用于要求比較高的場所。隨著科技的發(fā)

24、展，近幾十年來特別是近20年電子式濕度傳感器發(fā)展起迅速，濕度傳感器的準確度越來越高，電子式濕度傳感器2準確度可以達23RH。濕度(shd)傳感器研究方面國外比國內起步(qb)的要早，目前處于國際領先地位的是德國和美國(mi u)，測量精度可達2%RH。近幾年，電阻式濕度傳感器發(fā)展非常快，電阻式陶瓷濕度傳感器在特性方面做了非常大的工作投入，并且在高分子電阻式濕度傳感器上做了進一步的研究，這種傳感器有出色的穩(wěn)定性、精度和響應特性，應當引起足夠的重視。根據工業(yè)自動化的控制要求，為了滿足更高精度領域的需要，國內外正在進行新型濕度傳感器的研制與開發(fā)。大規(guī)模集成電路技術以及光通信技術的迅速發(fā)展，信息的傳輸

25、和處理技術有著劃時代的進展，發(fā)展相對比較滯后的傳感器技術業(yè)得到了世界的普遍重視。所以，今后一個時期傳感器技術會成為研究的新方向，有可能會形成較大產業(yè)。1.2.2 單片機的發(fā)展單片機的發(fā)展3歷史如果以8位單片機的推出作為起點的話大致可分為以下幾個階段：（1）第一階段（1976-1978）：單片機的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。它的推出是在工控領域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola 、Zilog等，他們都取得了比較滿意的效果。這就是SCM誕生的年代，“單機片”一詞也從此為人們所熟知。（2）第二階段（1978-1982）單片機的完善階段。Intel公司在MCS-48的基

26、礎上，推出了MCS-51系列單片機，這一系列的單片機功能更加完善、性能更加穩(wěn)定。它為通用總線型單片機體系奠定了以下四個方面的結構。具有非常完善的外部總線結構。MCS-51系列設置了8位的總線結構，包括8位數據總線結構和16位地址總線結構以及控制總線和可以拓展的具有更多通信功能的串行通信的接口。CPU外圍的一些功能單元使用集中管理的模式。位地址空間和位操作方式具有工控特性。指令系逐漸統(tǒng)趨于完善，并且還額外增加了許多控制功能的指令。（3）第三階段（1982-1990）：單片機向微控制器發(fā)展階段，也就是8位單片機的鞏固發(fā)展及16位單片機的推出的階段。MCS-51系列的應用越來越廣泛，許多電氣廠商都選

27、擇使用80C51為MCU，逐漸單片機當中用到了許多測控系統(tǒng)中使用的接口技術、電路技術、多通道A/D轉換模塊、可靠性技術等，所以智能控制的特征得到了強化，也能拓展出更多外圍電路功能。1.2.3 溫濕度檢測技術研究的意義溫度和濕度是工業(yè)、農業(yè)生產中常見的和最基本的參數。伴隨著工業(yè)農業(yè)中應用的科技飛速發(fā)展，對產品在生產過程中溫度的測量需求也越來越多，也顯得越來越重要。尤其是對溫度要求比較嚴格，但是布線又不方便的情況下，這時就采用無線溫度測量。我國進入21世紀后，特別是在加入世貿組織后4，國內的溫濕度檢測系統(tǒng)的產品面臨著巨大的挑戰(zhàn)。尤其是傳統(tǒng)產業(yè)，急需運用自動控制技術、電子技術對產品進行改造和提升。例

28、如在商業(yè)中紡織行業(yè)中，紡織品的質量很大程度上受溫濕度的影響，但目前一些紡織企業(yè)對車間溫濕度的測控手段仍然十分落后，甚至有些還在使用測溫貼片，采用人工調節(jié)風機、閥門的方法，其控制效果可想而知。在醫(yī)學制藥行業(yè)中，由于微生物對溫度的要求很高，就需要高精度的溫度監(jiān)測，如果采用無線溫度測量的話可以完全保證測溫的無菌化。在農業(yè)中，隨著農業(yè)向產業(yè)化發(fā)展，必需擺脫那些落后的傳統(tǒng)的養(yǎng)殖、耕作方式，應該采用現代更加科學的技術來迎接進口農產品所帶來的挑戰(zhàn)，同時打進國外市場。近年來，全國各地出現了越來越多的新型溫室大棚，可以種植反季節(jié)花卉、蔬菜甚至水果。隨著調溫冷庫的大量興建，溫濕度測控技術的研究有了更加廣闊的市場。

29、1.3 論文的組織(zzh)結構論文(lnwn)分為六章，各章的內容安排如下：第1章為緒論(xln)，主要介紹了溫濕度檢測技術的發(fā)展歷程和意義；第2章主要介紹了溫濕度檢測技術的基本原理和設計方案并根據設計要求選取系統(tǒng)的主要功能模塊器件。第3章主要介紹了系統(tǒng)的硬件設計，包括無線檢測系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端的電路設計，根據系統(tǒng)設計要求完成傳感器數據采集模塊、無線數據通信模塊、報警電路、鍵盤電路、時鐘振蕩電路和復位電路設計。第4章主要介紹了系統(tǒng)軟件方面的介紹，包括軟件的編程語言和編程環(huán)境。第5章主要介紹了系統(tǒng)性能方面的測試，從軟件測試和硬件實物測試兩方面具體的進行了驗證，通過對無線檢測系統(tǒng)的實物進行調試

30、，對系統(tǒng)的數據可靠性、抗干擾能力、通信距離等方面進行測試。證明了系統(tǒng)的理論和實際應用的可行性。第6章對本論文進行工作總結。第二章 溫濕度檢測系統(tǒng)的基本原理和設計方案的選擇2.1 系統(tǒng)(xtng)的基本原理概述(i sh)2.1.1 系統(tǒng)(xtng)功能根據設計要求，系統(tǒng)的主要內容（功能）如下：實現溫濕度自動檢測，能滿足常用工農業(yè)環(huán)境中的溫濕度檢測需求；實現無線傳輸功能，用LCD1602顯示溫濕度，溫度單位；（4） 高溫、高濕度自動報警，溫濕度報警上限可調；2.1.2 系統(tǒng)總體功能設計溫濕度的檢測的方法多種多樣，可以運用的技術和可供選擇的器件也是種類繁多。所以，系統(tǒng)的總體設計方案可以在滿足系統(tǒng)整

31、體性能指標的前提下，結合系統(tǒng)使用的環(huán)境，盡量選擇簡單實用、容易實現的結構，器件的選用盡量滿足參數合適、性能穩(wěn)定、功耗較低、成本低廉以及較好的互換性能等性能指標。系統(tǒng)盡量采用近幾年來比較成熟的溫濕度傳感技術、無線通信技術、數據處理技術和功能化模塊來構造基本的系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為主控制器，無線溫濕度檢測系統(tǒng)是一種基于射頻技術的無線濕溫度檢測裝置。此系統(tǒng)由傳感器、接收機以及顯示芯片組成。傳感器由數字溫濕度傳感器芯片DHT11，單片機AT89C52，低功耗射頻傳輸單元nRF24L01等組成。如圖2.1所示，溫濕度傳感器采集數據，將數據處理后經nRF24L01發(fā)送出去，接收模塊經

32、nRF24L01接收來自傳感器的數據，經處理、保存后在LCD1602上顯示，若檢測出溫度超過所設定的上限值，則發(fā)出警報，監(jiān)測人員也可根據實際需要，設定符合特定場所需要的溫濕度上限值。單片機對nRF24L01的對外接口進行SPI讀寫操作，以此來控制nRF24l01的工作模式，將其設置成接收或者發(fā)送數據的模式，從而完成無線數據傳輸。 溫濕度 M nRF24L01 設置 M 液晶顯示 傳感器 C 無線發(fā)射 無線接收 C 電源 U 電源 U 報警 采集模塊 接收模塊圖2.1 系統(tǒng)總體架構圖2.2 系統(tǒng)設計方案選擇根據硬件連接方式以及各項功能的實現方法，將整個系統(tǒng)劃分為信號采集與放大模塊、模數轉換模塊、

33、單片機模塊、無線發(fā)射模塊、液晶顯示模塊、電源模塊。2.2.1 主控芯片(xn pin)選擇方案一：采用(ciyng)傳統(tǒng)的AT89C525單片機作為主控芯片。此芯片價格便宜、操作簡便，低功耗，比較經濟(jngj)實惠。方案二：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增強型51單片機作為主控芯片。此芯片內置ADC和SPI總線接口，且內部時鐘不分頻，可達到1MPS。價格適中。從性能和價格上綜合考慮我們選擇方案一，即用AT89C52作為本系統(tǒng)的主控芯片。2.2.2 溫濕度傳感器的選擇方案一：由于傳感器DS18B20價格便宜，硬件簡單，傳感器直接輸出數字信號，便于控制，并且DS18B20可以采用

34、單總線傳輸，一根總線能掛載多個傳感器，易于擴展。但是DS18B20的溫度精度為0.5C，對于溫度要求很嚴格的應用領域不大適合，而且需要自行拓展需要的濕度測量模塊，過程相對比較復雜，所以DS18B20無法滿足要求。方案二：采用了高精度溫度傳感器DHT11，DHT1167不但實現了溫濕度的測量，而且靈敏度高、反應時間短，因此可作為此系統(tǒng)電路的信號檢測器。與目前大多數傳感器相比，它具有控精度高、體積小、無污染、使用方便等優(yōu)點。從上述兩個方案的對比看出DS18B20無法滿足系統(tǒng)指標，我們采用DHT11作為溫溫濕度度傳感器。2.2.3 無線模塊選擇方案一：采用GSM模塊進行通信，GSM模塊功能的實現，需

35、要借助手機卡或者移動衛(wèi)星，雖然能夠進行遠距離傳輸，但是這種方案的成本比較大，而且需要內置SIM卡，通信過程需要收取費，后期的成本也比較高。方案二：采用TI公司CC2430無線通信模塊，此模塊內部集成了高性能的8051內核，并且采用Zigbee總線模式，它的傳輸速率可以達到250kbps。但是此模塊價格高昂，不適用于此系統(tǒng)的設計，且Zigbee協(xié)議相對比較復雜。方案三：采用NORDIC公司生產的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 頻段的無線射頻收發(fā)器芯片NRF24L0189模塊進行通信，NRF24L01是一款高性能、低功耗的無線通信模塊。如果加PA能傳輸上千米的距離，NRF24L01模塊采用

36、SPI總線通信的模式，所以電路簡單、操作方便，而且價格也比較便宜。綜合各方面因素考慮，最終選擇方案三，即以NRF24L01模塊作為本系統(tǒng)的無線通信模塊。2.2.4 顯示模塊選擇方案一：選擇LCD1286410做顯示模塊。這款液晶顯示屏主控為ST7920且?guī)ё謳欤且豢畋容^通用的顯示屏，能夠顯示出大多數常用的漢字以及ASCII碼，且能夠顯示圖片以及描點畫線，可設計成比較理想的結果。方案二：采用LCD1602字符液晶做顯示模塊，LCD1602是一款通用的字符液晶顯示模塊，它能夠顯示數字和字符等信息，且容易控制，價格還比較便宜，性價比很高。綜合以上方案，我們(w men)選擇了經濟實惠的字符液晶LC

37、D1602作為接收端的顯示模塊(m kui)。2.3 設計(shj)要求采用AT89C52作為系統(tǒng)的MCU，采用字符液晶LCD1602作為顯示模塊，采用DHT11作為系統(tǒng)的溫濕度傳感器，采用nRF24L01作為系統(tǒng)的無線傳輸模塊，以無線傳輸方式傳輸數據，要求系統(tǒng)有溫度顯示部分和濕度顯示部分，要求完成硬件電路的設計、制作和調試。2.4 本章小結本章主要是根據系統(tǒng)設計要求進行各個模塊硬件的選擇。首先列出了系統(tǒng)所要實現的功能，介紹了系統(tǒng)總體功能的設計。然后根據功能要求對溫濕度傳感器、主控芯片、無線模塊和顯示模塊的選擇進行了闡述，分別列舉了多種方案并從中選擇最適合此次系統(tǒng)設計需求的方案。第三章 系統(tǒng)硬

38、件設計3.1 總體(zngt)結構設計整個無線溫濕度檢測系統(tǒng)(xtng)分成溫濕度采集及發(fā)送和溫濕度數據(shj)接收及顯示兩個大的模塊，兩者之間溫濕度數據的傳輸采用無線通信方式。數據采集及發(fā)送模塊負責溫濕度數據的采集和發(fā)送，數據接收及顯示負責溫濕度數據的接收處理并顯示。系統(tǒng)整體的結構流程圖如圖3.1和圖3.2所示。溫濕度傳感器圖3.1 溫濕度采集端溫濕度顯示圖3.2 溫濕度接收端3.2 數據采集模塊設計3.2.1 單片機控制模塊本次選用傳統(tǒng)的AT89C52單片機作為主控芯片，AT89C5211是性能比較高的8位CMOS單片機。內含8Kb可以反復擦寫的只讀程序存儲器，還有256 B隨機存取的數

39、據存儲器，采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，內置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，擦寫周期多達1000次，內部RAM有256字節(jié)，可編程I/0口32個，16位定時計數器3個，中斷源8個，還有可編程串行UART通道。所以足夠滿足大多數控制系統(tǒng)對資源的需要。AT89C52管腳說明12VCC：電源GND：接地AT89C52單片機的外部引腳圖如圖3.3所示。圖3.3 AT89C52外部(wib)引腳圖P0口：P0口是一個(y )8位漏級開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0口端口寫“1”時，引腳作高阻抗(zkng)輸入。當AT89C52訪問外部程序和

40、數據存儲器的時候時，P0端口也會被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下的時候，P0具有內部上拉電阻。 P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的雙向8位I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動4個TTL邏輯電平。由于內部上拉電阻的原因，對P1口寫“1”時，將輸出電流。 此外，與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數器2的外部計數輸入和輸出，具體如表3.1所示。表3.1 P1.0和P1.1的第二功能引腳號功能特性P1.0T2（定時/計數器2外部計數脈沖輸入），時鐘輸出P1.1T2EX定時/計數2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制 P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的雙向8位I/O口，

41、P2輸出緩沖級可驅動吸收或輸出電流4個TTL邏輯電平。作為輸入端口使用時，只需對P2口寫“1”，內部上拉電阻會把端口拉高。由于內部電阻的原因，作為輸入端口使用時，外部被拉低的引腳將會有輸出電流。 P3口：P3口是一個(y )內部(nib)具有(jyu)上拉電阻的雙向8位I/O口，P3輸出緩沖級可以驅動4個TTL邏輯電平。對P3口寫“1”時，內部的上拉電阻會把端口拉高，此時可作為輸入口使用。作為輸入端口使用時，由于內部電阻的原因，被外部拉低的引腳將會有輸出電流。P3口除了作為一般的I/O口線以外，更重要的是它有第二功能，如表3.2所示。表3.2 P3口引腳第二功能引腳號第二功能P3.0RXD（串

42、行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7RD（外部數據存儲器讀選通） RST：復位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期以高電平將使用單片機復位。 ：地址鎖存器控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳（）也使用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。 ：外部程序儲存器的選通信號。當AT89C52從外部程序存儲器執(zhí)行外

43、部存儲器的代碼時，在每個機器周期會被激活兩次，而在訪問外部數據儲存器時，將不被激活。：訪問外部程序存儲器的控制信號。為了可以從0000HFFFFH的外部存儲器讀取指令，端必須保持低電平。為了執(zhí)行內部程序指令，端應該接VCC。 XTA L1：振蕩器反相放大器及內部時鐘(shzhng)發(fā)生器的輸入端。XTA L2：振蕩器反相放大器的輸出(shch)端。AT89C52單片機在數據(shj)采集模塊中的引腳原理圖如圖3.4所示。圖3.4 數據采集模塊單片機控制芯片原理圖3.2.2 溫濕度采集模塊DHT11數字溫濕度傳感器是一款內部含有已經校準的數字信號輸出的溫濕度傳感器，包括一個電阻式濕度檢測元件和一

44、個NTC溫度檢測元件13。DHT11運用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保此傳感器具有非常高的可靠性與長期的穩(wěn)定性。此產品具有響應快速、品質優(yōu)越、抗干擾能力超強和性價比高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器在生產時都在嚴格要求的環(huán)境中進行了校準且保留了校準系數，在對檢測信號進行處理時，傳感器內部會自動調用內部校準系數。DHT11傳感器功耗極低、體積超小，采用的是單線制串行接口，這使系統(tǒng)的集成變得非常的方便快捷。圖3.5 DHT11引腳接線圖DHT11傳感器產品為在出廠時進行了4 針單排引腳的封裝。在進行系統(tǒng)(xtng)設計時連接非常方便，可根據用戶需求提供特殊(tsh)封裝形式。圖3.5位D

45、HT11引腳接線圖，其中(qzhng)的空引腳未拓展使用。引腳說明如表3.3所示。表3.3 DHT11引腳說明引腳號引腳名稱類型引腳說明1VCC電源正電源輸入，3V-5.5V DC2DOUT輸出單總線，數據輸入/輸出引腳3NC空空腳，擴展未用4GND地電源地DHT11的供電電壓為3V5.5V。傳感器接通電源后，需要在一秒內不發(fā)送任何指令，以越過不穩(wěn)定的狀態(tài)。引腳（VDD，GND）之間可以增加一個100nF 的電容，此電容可以起到去耦濾波的作用。DATA用于MCU與DHT11之間的通訊，它們之間的通信格式采用單總線數據格式，一次通訊時間為4ms左右，DHT11在發(fā)送一次開始信號后會自動進入高速模

46、式，等開始信號結束后，發(fā)送響應信號，送出40bit的數據，同時觸發(fā)一次信號采集，此時用戶便可以選擇讀取所采集的數據。如果DHT11接收到了開始信號并觸發(fā)了一次溫濕度采集，但在沒有接收到主機發(fā)送的開始信號的情況下，DHT11不會主動進行溫濕度采集。當采集完數據后，DHT11會自動轉換到低功耗模式。表3.4所示為DHT11數字溫濕度傳感器在VDD=5V，T = 25時的電氣特性如，采樣周期間隔不得低于1秒鐘。表3.4 電氣特性參數條件MinTYPMax單位供電DC355.5V供電電路測量0.52.5mA平均0.21mA待機100150uA采樣周期秒1次圖3.6所示為所制作(zhzu)傳感器模塊成品

47、(chngpn)，其中藍色部分為DHT11數字溫濕度傳感器。圖3.6 傳感器模塊(m kui)成品圖3.2.3 無線傳輸模塊無線發(fā)射模塊用的是nRF24L0114，這是一款由NORDIC生產的工作在2.4GHz-2.5GHz頻段的單片無線接收方芯片。無線接收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、調制解調器、增強型“SchockBurst”模式控制器。芯片的工作頻率選擇和協(xié)議可以通過SPI口進行設置，兼容大多數的單片機芯片，完成無線數據傳輸工作。應用的領域也非常廣泛，可以用于無線鼠標、鍵盤控制，無線門禁、無線智能設備等等。圖3.7 管腳分布圖圖3.7為nRF24L01管腳分布圖性能參數：

48、 小體積(tj)，QFN20 4x4mm封裝。 電壓工作(gngzu)范圍，1.9V3.6V，輸入引腳可承受高達5V電壓輸入。 工作溫度范圍(fnwi)，-40+80。 工作頻率范圍，2.400GHz2.525GHz。 發(fā)射功率可選擇為0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm。 數據傳輸速率支持1Mbps、2Mbps1。 低功耗接收時工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時11.3mA，掉電模式時僅為900nA。 126個通訊通道，6個數據通道，滿足多點通訊和調頻需要。 增強型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校驗和點對多點的地址控制 每次數據包可傳輸132Byte的數據。

49、 4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達8Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡單。 可通過軟件設置傳輸速率、通訊地址、工作頻率和數據包長度。 MCU可通過IRQ引腳快判斷是否完成數據接收和數據發(fā)送。圖3.8 nRF24L01原理圖根據此芯片的數據手15，設計如圖3.8所示外圍電路，即可通過配置nRF24L01的寄存器將其配置為發(fā)射、接收、掉電及空閑四種工作模式，各個模式下寄存器配置數據如表3.5所示。表3.5 nRF24L01工作(gngzu)模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數據在TXFIFO寄存器中發(fā)射模式1010停留在發(fā)送模式，直至數據

50、發(fā)送完待機模式2101TX_FIFO為空待機模式11-0無數據傳輸掉電0-待機(dij)模式1主要用于降低系統(tǒng)平均(pngjn)電流，晶體振蕩器在這種模式下正常工作；在當FIFO寄存器為空且CE=1時進入待機模式2；所有配置字在待機模式下仍然保留。在掉電模式下電流損耗最小，同時nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。數據采集模塊中的無線模塊nRF24L01引腳接線圖如圖3.9所示。圖3.9 數據采集端nRF24L013.3 數據處理模塊3.3.1 單片機控制模塊數據處理模塊中的單片機控制模塊設置和數據采集模塊中的單片機控制模塊采用相同單片機，其不同之處就是單片機AT89C2引

51、腳所接的外圍器件不同，從而實現不同功能。數據處理模塊所需實現的功能為溫濕度數據的無線接收、處理及顯示。單片機AT89C52在數據處理模塊中的引腳原理圖如圖3.10所示圖3.10 數據處理模塊(m kui)單片機控制(kngzh)芯片原理圖3.3.2 數據處理模塊(m kui)中的無線傳輸模塊數據處理模塊中的無線傳輸模塊所需實現的功能是對數據采集模塊發(fā)送出來的溫濕度數據進行接收，同樣采用nRF24L01，與數據采集模塊中的nRF24L01不同的是，數據處理模塊中的nRF24L01已設置成接收模式，數據處理模塊中的無線模塊nRF24L01引腳接線圖如圖3.11所示圖3.11 數據處理端nRF24L

52、01 HYPERLINK l _Toc294795307 3.3.3 LCD1602液晶顯示模塊LCD1602字符型液晶顯示模塊16是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，它是16*2的顯示的。LCD1602管腳采用標準的16腳接口，其中：1腳：VSS為電源(dinyun)地。2腳：VDD接5V電源(dinyun)正極。3腳：V0端可以調整(tiozhng)液晶顯示器對比度，此端口接正電源時，對比度最弱，此端口接地時，對比度最高，如果對比度過高，有可能會導致“鬼影”現象的出現，進行系統(tǒng)設計時可以加一個10K的電位器，用來調整液晶顯示器的對比度。4腳：RS為寄存器的選擇端口，出現高電平

53、1時，選擇數據寄存器，若出現低電平0時，則選擇指令寄存器。5腳：RW為讀寫信號端口。6腳：EN端為使能(enable)端。714腳：D0D7為8位雙向數據傳輸線。1516腳：空引腳或者背燈電源。15腳正極，16腳負極。 1602液晶模塊共有11條控制指令在其控制器內部，如表3.6所示。表3.6 控制命令表LCD1602工作狀態(tài)有讀寫指令和讀數據狀態(tài)，控制信號設置如表3.7。表3.7 LCD1602工作(gngzu)狀態(tài)命令讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L，R/W=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖輸出無讀數據輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0D7

54、=數據LCD1602字符(z f)型液晶(yjng)接線原理圖如圖3.12所示。圖3.12 LCD1602液晶顯示器接線圖LCD1602字符型液晶顯示器實物圖如圖3.13所示。圖3.13 LCD1602液晶顯示器實物圖3.6 本章小結本章首先介紹了整個系統(tǒng)運行的基本原理，分成兩大模塊，包括數據采集模塊和數據處理模塊。接著分別介紹了兩大模塊所包含的小模塊，數據采集模塊包含有單片機模塊、無線傳輸模塊、溫濕度檢測模塊。數據處理模塊包含有單片機模塊、無線傳輸模塊、液晶顯示模塊。其中具體介紹了各模塊的功能和特點，以及內部電路結構。第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1 編程環(huán)境(hunjng)4.1.1 編程環(huán)境(

55、hunjng)介紹編程軟件(run jin)使用Keil C51，是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)17，提供了包括C編譯器、宏編譯、庫管理、連接器和一個功能強大的仿真調試器等內在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)軟件（uVis10n）將這些部分組合在一起。如果使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。歷經多年，軟件版本已經從KeiluVis10n2版本更新到KeiluVis10n5版本，而我此次用的為KeiluVis10n4版本。4.1.2 編程

56、語言本次使用的編程語言為C語言18，它是一種計算機程序設計語言，它既有高級語言的特點，也具有匯編語言的特點，與匯編語言相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性有明顯的優(yōu)勢，因此易于學習和應用，深受廣大軟件愛好者的喜愛。C語言功能豐富，表達能力強、使用靈活方便、應用面廣、目標程序效率高、可移植性好。兼?zhèn)涓呒壵Z言與低級語言的優(yōu)點，屬于一種中間語言。它是一種結構化程序設計語言，非常適合結構化程序設計。有較豐富的數據類型、運算符以及函數供以選用。直接與內存打交道，使修改、編輯其他程序與文檔變得輕松、簡單。C語言是國際上廣泛流行的計算機高級語言，深受廣大軟件開發(fā)愛好者的喜愛，它是非常適合用來描述系

57、統(tǒng)的語言，即可以用來編寫系統(tǒng)軟件，也可以編寫應用軟件。早期的操作系統(tǒng)軟件主要是用匯編語言編寫的，但是匯編語言依賴于計算機硬件程序的可移植性和可讀性，而C語言兼具一般語言優(yōu)點還能克服其他語言的缺點。它的應用范圍非常廣泛，具有很強的數據處理能力，可以用于各類編程軟件使用，例如單片機以及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。4.2 系統(tǒng)軟件設計4.2.1 數據采集模塊軟件設計首先初始化DHT11模塊將采集到的溫濕度數據傳送至單片機，主機通過配置寄存器使數據采集模塊中的nRF24L01處于發(fā)送狀態(tài)，從而實現溫濕度數據的采集與發(fā)送。圖4.1為采集模塊的主程序流程圖。初始化測溫濕度 判斷(pndun)DHT11 Y是否(sh

58、 fu)出錯 N單片機處理(chl) 無線發(fā)射延時100ms圖4.1 采集模塊主程序在進行采集模塊軟件設計時，要將nRF24L01設置為發(fā)送狀態(tài)，TRX_CE=0，TX_EN=1，如圖4.2所示為溫濕度采集流程圖。開始DHT11初始化延時0.2S讀取溫濕度 讀取成功否？ N DHT11重啟AT89C52配置nRF24L01發(fā)送延時0.8S圖4.2 溫濕度采集流程圖4.2.2 數據處理模塊軟件總體設計接收部分的總體思路是先初始化LCD1602和單片機I/O口，再將nRF24L01配置成接收模式，然后就是一個無限循環(huán)，單片機不斷地讀nRF24L01的工作狀態(tài)寄存器來監(jiān)測接收模塊的工作狀態(tài)。當發(fā)現n

59、RF24L01接收到了數據后單片機存儲數據并發(fā)送應答信號，同時控制LCD1602顯示接收到的溫濕度數據。圖4.3接收端軟件設計流程圖。圖4.3 接收端軟件(run jin)總體設計4.3 無線收發(fā)(shuf)模塊(m kui)軟件設計4.3.1 無線發(fā)射模塊軟件設計在配置發(fā)送模式時必須先進入待機或掉電模式才能對nRF24L01的寄存器進行配置。寄存器的配置主要包括：寫數據到FIFO，使能接收通道0自動應答，使能接收通道0，設置自動重發(fā)延時等待時間以及最大自動重發(fā)次數，選擇射頻通道，設置數據傳輸速率，設置發(fā)射功率，使能CRC校驗等等。整個發(fā)射過程的流程圖如圖4.4：圖4.4 無線發(fā)射(fsh)模

60、塊工作流程圖4.3.2 無線接收(jishu)模塊軟件設計在配置發(fā)送模式時必須先進入待機或掉電模式才能(cinng)對nRF24L01的寄存器進行配置。寄存器的配置主要包括：寫數據到FIFO，使能接收通道0自動應答，使能接收通道0，設置自動重發(fā)延時等待時間以及最大自動重發(fā)次數，選擇射頻通道，設置數據傳輸速率，設置發(fā)射功率，使能CRC校驗等等。整個發(fā)射過程的程圖如下圖4.5： 圖4.5 無線接收模塊(m kui)工作流程圖4.4 本章(bn zhn)小結本章主要介紹了系統(tǒng)設計(shj)的軟件編程環(huán)境，然后分從數據采集模塊軟件設計、數據處理模塊軟件設計和無線收發(fā)模塊軟件設計這三個大的方面講解了系統(tǒng)