無線溫濕度畢業(yè)設(shè)計

1、 本科生畢業(yè)論文本科生畢業(yè)論文無線溫濕度測量系統(tǒng)的研究 The Research of Wireless Temperature and Humidity Measure System學(xué)生姓名陳*所在專業(yè)電子信息工程所在班級電子 1101申請學(xué)位工學(xué)學(xué)士指導(dǎo)教師王立臣職稱講師副指導(dǎo)教師職稱答辯時間 2014 年 06 月 07 日目 錄目目 錄錄摘 要.IABSTRACT.II1 緒 論.11.1 無線溫濕度測量系統(tǒng)的研究背景.11.2 課題研究的目的與意義.11.3 課題研究的任務(wù)和要求.22 總體方案的研究與分析.32.1 系統(tǒng)方案說明.32.2 系統(tǒng)原理及電路研究框圖.32.2.1 主機

2、電路框圖.32.2.2 從機電路框圖.43 器件選用及系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu).53.1 單片機控制系統(tǒng).53.1.1 單片機的選型.53.1.2 STC89C52 單片機的工作模式.63.1.3 STC89C52 引腳圖.63.1.4 STC89C52 復(fù)位電路.63.1.5 STC89C52 振蕩電路.73.2 溫濕度采集模塊.73.2.1 DHT11 的簡介.83.2.2 DHT11 的接線圖.83.2.3 DHT11 的工作時序.83.3 顯示模塊.103.3.1 LCD1602 簡介.103.3.2 LCD1602 的指令操作.113.4 按鍵模塊.113.4.1 主機按鍵模塊.113.4.2

3、 從機按鍵模塊.123.5 蜂鳴器警示模塊.123.6 無線收發(fā)模塊.133.6.1 nRF24L01 概述.133.6.2 nRF24L01 的引腳排列.133.6.3 nRF24L01 的工作模式.143.6.4 nRF24L01 的工作原理.143.6.5 nRF24L01 的配置字.153.7 電源模塊.154 系統(tǒng)軟件研究.164.1 主機軟件.164.1.1 主機軟件概述.164.1.2 主機軟件流程圖.16目 錄4.2 從機軟件.174.2.1 從機軟件概述.174.2.2 從機軟件流程圖.185 總結(jié)與體會.19鳴 謝.20參考文獻.21附 錄.22附錄 A 本研究完整電路圖.

4、22附錄 B 作品照片 .24附錄 C 作品 PCB.25附錄 D 元件清單.31附錄 E 程序.32摘 要摘 要本系統(tǒng)研究的是基于 51 單片機的無線溫濕度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)選擇了溫濕度傳感器 DHT11 對溫濕度數(shù)據(jù)進行采集，并且由單片機 STC89C52 對采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進行處理，然后通過無線傳輸?shù)街鳈C方，主機端同樣采用 STC89C52 單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，然后在 LCD1602 上顯示出來，主機端可以對溫濕度上下限進行相應(yīng)的設(shè)定，當(dāng)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)不在預(yù)先設(shè)定的區(qū)間時，蜂鳴器會做出警報。經(jīng)過實驗論證，本系統(tǒng)的靈敏度較高，經(jīng)濟效益好，并可及時進行報警，實用性較好。關(guān)鍵

5、詞關(guān)鍵詞：無線溫濕度；傳感器；單片機 ABSTRACTIABSTRACTThis system is a wireless humidity and temperature measuring system based on 51 single chip microcomputer. The system selects DHT11 which is a temperature and humidity sensor to collect temperature and humidity data, and the data collected will be processed by sin

6、gle-chip microcomputer and transmitted to the host through wireless. The host also adopted STC89C52 processor to process the received data, and then display the data on the LCD1602, the host can make a corresponding set of temperature and humidity upper limit. When the temperature and humidity colle

7、cted more than or less than the preset, the buzzer will make alarm.The experiment demonstrates that the system has high precision,good economic efficiency, and it can alarm timely.The system has good practicability.KEYWORDS: Wireless temperature and humidity; Sensor; Single chip microcomputer廣東海洋大學(xué)

8、2014 屆本科生畢業(yè)論文 0無線溫度濕度測量系統(tǒng)的研究無線溫度濕度測量系統(tǒng)的研究電子信息工程，201011611105，陳馬生指導(dǎo)老師：王立臣1 緒 論在人們的現(xiàn)實生活中，溫度和濕度扮演著極其重要的角色。溫濕度直接影響到了人類的生活以及工業(yè)生產(chǎn)，這些都與溫濕度密切相關(guān)，因此溫濕度是我們需要特別關(guān)注的。1.1 無線溫濕度測量系統(tǒng)的研究背景溫濕度是工業(yè)控制中非常重要的需要被重視的參數(shù)，而數(shù)據(jù)的傳輸大部分都是通過有線電纜來實現(xiàn)的?，F(xiàn)如今無線通信技術(shù)越來越高級，數(shù)據(jù)傳輸速度也就越來越快，抗干擾能力也更強。因此，該項技術(shù)被運用到了很多地方。現(xiàn)如今電子技術(shù)飛速發(fā)展，同時數(shù)字設(shè)備以其具有的抗干擾、功耗低、

9、便于微處理器控制等特點，漸漸變成了測量和控制等應(yīng)用中最常使用的方式。溫度與濕度測量，采用的比較多的還是熱敏電阻和濕敏電阻等傳感器，這些器件收集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換才可以送給數(shù)字設(shè)備使用，這樣就導(dǎo)致難以適合那些對精度要求比較高或者系統(tǒng)的外圍電路要求相對簡單的領(lǐng)域。溫、濕度檢測和控制技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用在了人們的日常生產(chǎn)生活當(dāng)中，傳感器無疑就是測量與控制系統(tǒng)中非常重要的組成部分。但是伴隨著傳感器而來的是大量的數(shù)據(jù)線纜。這些眾多的線纜不僅使得布線變得復(fù)雜，而且容易存在短路以及斷線隱患，使對系統(tǒng)的調(diào)試和維護變得困難。正因為如此，我們需要去尋求一種簡單高效的無線通信技術(shù)，用以解除線纜搭接困擾，成為

10、一個亟需解決的問題1。與有線通信技術(shù)相比，無線通信技術(shù)有很多的有點，成本比較低以及搭建網(wǎng)絡(luò)比較簡單等。當(dāng)處于有線通信方式不適合的情況下，使用無線通信技術(shù)對數(shù)據(jù)進行采集以及傳輸就顯得更加的實用和快捷。1.2 課題研究的目的與意義溫濕度的準(zhǔn)確測量可以提供給我們很多非常有用的信息,這些信息可以幫助我們及時關(guān)注容易被溫濕度變化帶來影響的東西,避免不必要的損失,生活生產(chǎn)的方方面面都與溫濕度相關(guān)。在眾多的行業(yè)，可以說大部分的工業(yè)部門都不得不考慮著溫濕度的因素2。本系統(tǒng)以單片機為控制中心，溫濕度傳感器作為溫濕度測量元件，其數(shù)據(jù)通過無線進行傳輸，并且可以讓我們通過一些后續(xù)的措施進行溫濕度調(diào)整；無論應(yīng)用于生活還

11、是生產(chǎn)，都可以提供很強大的便利。廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 11.3 課題研究的任務(wù)和要求本次課題的主要研究內(nèi)容是：使用合適的單片機，研究一個無線溫濕度測量系統(tǒng)，選擇合適的溫濕度采集傳感元件，能夠?qū)崟r監(jiān)測到溫濕度，并通過無線傳輸，最后用LCD1602 顯示出來；該系統(tǒng)可手動調(diào)節(jié)溫濕度上下限，并跟據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫濕度上下限系統(tǒng)做出警報，為日常生活提供便利。任務(wù)要求：（1）合適的溫度濕度測量范圍；（2）選擇合適的芯片作為溫度和濕度傳感器；（3）推薦使用單片機實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，當(dāng)然也鼓勵用更好的方案實現(xiàn)；（4）要求選擇該課題的學(xué)生，單片機知識基礎(chǔ)扎實，實踐能力強。廣東海洋大學(xué) 2014

12、 屆本科生畢業(yè)論文 22 總體方案的研究與分析本系統(tǒng)的目的旨在使用戶可以方便地及時的知曉某些不容易直接到達的地方，從而防止可能因為溫濕度的巨變帶來的隱患等。2.1 系統(tǒng)方案說明對溫濕度傳感器的選擇以及合理的使用是本系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的方法是溫濕度檢測使用模擬傳感器，這樣一來溫濕度數(shù)據(jù)是要通過模擬元件、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之后才能夠得到，需要注意的細節(jié)也就較多，電路的干擾量也就相應(yīng)的增多。因此，如果能夠?qū)⒈粶y的溫濕度這一非電模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將其處理的過程都集成在一個單片的 IC 器件里面，這將是解決傳統(tǒng)的溫濕度測量方式弊端的理想途徑。對于系統(tǒng)處理核心的問題，最初考慮選用性能更優(yōu)的 A

13、VR 單片機，但是該單片機價格較 51 單片機要貴，并且配套的開發(fā)工具完善程度不夠好，本系統(tǒng)需要用到的單片機資源不是很多，會造成資源的浪費。最終決定選用 51 單片機來完成。不僅使得整個成本降低，而且開發(fā)更加簡便，也方便后期的調(diào)試和維護。還有一個重要的模塊就是無限傳輸模塊，在決定方案的初期查閱了很多的資料，考慮過使用紅外等方式，但是為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，還有成本的控制，決定選用 NRF24L01這款無限傳輸模塊。其可傳輸?shù)木嚯x比較理想，且處理速度較好?；谝陨涎芯?，本系統(tǒng)整體方案為：系統(tǒng)分為兩個主要部分，分別是主機和從機，實物制作時各為一塊電路板。主機負責(zé)對遠程溫濕度數(shù)據(jù)的接收，然后顯示，同時

14、主機方設(shè)有對溫濕度上下限的控制，一旦所測得的溫濕度不在這個區(qū)間內(nèi)，主機這邊就會產(chǎn)生警報，給人提示。從機主要負責(zé)通過溫濕度傳感器對溫濕度進行監(jiān)控，并通過無線模塊將其所測得的數(shù)據(jù)量發(fā)送給主機方。從機可以置于無線模塊通信規(guī)定的范圍內(nèi)，人類不容易或者說是不方便經(jīng)常到達的地方，但又需要隨時對該地方的溫濕度進行監(jiān)控等。2.2 系統(tǒng)原理及電路研究框圖 系統(tǒng)主機主要負責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)的接收、顯示以及警報的相關(guān)控制，從機則負責(zé)對溫濕度數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。2.2.1 主機電路框圖主機端的無線收發(fā)模塊接收從機方無線模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后主機端的單片機芯片對該溫濕度數(shù)據(jù)進行簡單處理，顯示模塊可以按照溫濕度數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)定好的顯示

15、模式加以顯示，同時把該結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定好的溫濕度上下限進行比較，若處理結(jié)果不在該范圍之內(nèi)，則單片機需要發(fā)出指令，蜂鳴器警示模塊開始工作。溫濕度上下限可以通過按鍵模塊進行設(shè)定。圖 2-1 為主機系統(tǒng)框圖：廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 3 STC89C52 微控制器 無線收發(fā)模塊 蜂鳴器警示模塊 按鍵控制模塊 LCD 顯示模塊 電源模塊 圖 2-1 系統(tǒng)主機示意圖2.2.2 從機電路框圖從機端的溫濕度傳感器把采集到的溫濕度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過單片機處理該數(shù)字信號，最后控制無線模塊將處理結(jié)果發(fā)往主機方。從機端是否對數(shù)據(jù)進行發(fā)送以及發(fā)送的快慢是可以通過按鍵加以控制的，數(shù)據(jù)的發(fā)送還可

16、以通過從機端的 led 指示燈的亮暗來指示。圖 2-2 為從機系統(tǒng)框圖： STC89C52 微控制器 無線收發(fā)模塊 按鍵控制模塊 溫濕度采集模塊 電源模塊 圖 2-2 系統(tǒng)從機示意圖廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 43 器件選用及系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)3.1 單片機控制系統(tǒng) 單片機控制電路是整個研究的中心處理電路，對本研究的方案選型起到了決定性的作用。3.1.1 單片機的選型現(xiàn)如今單片機在電子產(chǎn)品等領(lǐng)域被越來越廣泛的應(yīng)用，是因為單片機的功能比較完善，并且配套的開發(fā)工具也很多，擁有比較多的可共享的資源3。而且單片機功耗較低、體積較小、重量輕、抗干擾能力比較強、對環(huán)境要求不高、價格較為低廉、可靠

17、性高、靈活性好，非常適合便攜式等產(chǎn)品的研究。本研究決定選用深圳宏晶科技的 STC89C52RC 作為主控單片機芯片。STC 單片機使用了高密度非易失性儲存器技術(shù)制造，并且它的指令以及引腳等與工業(yè)上的 80C51 系列單片機相兼容，這樣一來，很多的嵌入式控制類應(yīng)用就選擇該單片機作為首選的方案。對于STC89C52，主要特性如下：（摘錄自 STC 單片機官方數(shù)據(jù)手冊） （1）STC 單片機性能與 8051 單片機的性能比較：速度快：在一個時鐘/機器周期內(nèi)，其平均速度可以達到 1MIPS/MHz 寬電壓：3.3V5.5V。 寬溫限：-4085。 高抗靜電：ESD 保護，可輕松過 4KV 快速脈沖干擾

18、（EFT 測試） 。低功耗：有空閑模式（工作電流小于 1.3mA） 、掉電模式（可以由外部中斷喚醒，工作電流小于 0.1uA） 、正常模式（工作電流 2.77mA） 。 工作頻率： 0 到 48MHz，相當(dāng)于傳統(tǒng)的 8051 主頻 0576MHz。時鐘：可以選擇外部晶體或內(nèi)部 RC 振蕩器。（2）STC89C52 單片機的內(nèi)部資源：擁有 8K 字節(jié)的片內(nèi) Flash 程序存儲器4，可進行至少 10 萬次的擦寫； 擁有 512 個字節(jié)的片內(nèi) RAM 數(shù)據(jù)存儲器； 擁有 2K+字節(jié)的片內(nèi) E2PROM； ISP/IAP，不需要使用專用的編程器； 總共有 3 個 16 位的定時器/計數(shù)器； 擁有 4

19、 路外部中斷； 硬件看門狗（WDT） ； 通用異步串行口（UART） ；通用 I/O 口（共 32 個）：P0/P1/P2/P3。廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 53.1.2 STC89C52 單片機的工作模式三種工作模式分別為：正常工作模式?？梢杂赏獠恐袛鄦拘训牡綦娔Ｊ?。以及空閑模式。3.1.3 STC89C52 引腳圖 圖 3-1 STC89C52 引腳圖3.1.4 STC89C52 復(fù)位電路單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有兩種：手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。本研究采用的復(fù)位電路可以實現(xiàn)上電復(fù)位以及手動按鈕復(fù)位，如圖 3-2 所示。12D11N414812B2BUT12C5CAP-10UF12R

20、9R10KRESETVCCGND圖 3-2 復(fù)位電路本復(fù)位電路中，電阻兩端的電壓是一個時間的函數(shù)：u(t)=VCC+exp(-t/RC),其中VCC 是電源電壓， RC 為 RC 電路的時間常數(shù)。上電瞬間， 5V 的電壓經(jīng)過電容C5（此時電容的作用是隔直通交，瞬時的電壓變化使得C3 可視為理想的短路狀態(tài)），過 R9 然后到地，RST 引腳瞬間為高電平， CPU 開始進入復(fù)位狀態(tài)，根據(jù)上述公式可知當(dāng)電容 C5 沖飽和后，C5 兩端壓降為 5V，此時 RST 引腳變?yōu)榈碗娖剑?C5 的充電廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 6時間大于單片機所需的復(fù)位時間，單片機復(fù)位成功。單片機在短暫的掉電然

21、后又上電的時候，二極管D1 可以使電容 C5 迅速放電，然后可以使單片機成功復(fù)位。如果沒有這個二極管，電容就不會迅速放電，從而有可能導(dǎo)致再次上電是單片機復(fù)位失敗。3.1.5 STC89C52 振蕩電路XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用5。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶體或者陶瓷諧振器就構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖會直接送入內(nèi)部時鐘電

22、路。當(dāng)振蕩電路連接晶振時，C6 和 C7 值可選 1545pf。在制作印制板的時候，晶體或者陶瓷諧振器和電容應(yīng)該盡可能的安裝在單片機芯片的附近，以減少寄生電容，保證振蕩器的穩(wěn)定和可靠地工作，C6、C7 對頻率有微調(diào)的作用，振蕩頻率范圍是 1.212MHz6。本研究晶振頻率為 11.0592MHz，選用的電容為 30pF，連接如圖 3-3 所示：12U6CRYSTAL12C6CAP-30PF12C7CAP-30PFXTAL1XTAL2GND圖 3-3 振蕩電路3.2 溫濕度采集模塊溫濕度采集模塊由溫濕度傳感器 DHT11 組成，該模塊的原理圖如圖 3-4 所示：VDD1DATA2NC3GND4U

23、5DHT11VCCGND12R11R150P2.7圖 3-4 溫濕度采集模塊廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 73.2.1 DHT11 的簡介數(shù)字溫濕度傳感器 DHT11 是一款應(yīng)用了專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)以及溫濕度傳感技術(shù)的，并且含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，以確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性7。該傳感器與一個高性能的 8 位單片機相連，并且內(nèi)部包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件。該產(chǎn)品就具有超快響應(yīng)、品質(zhì)卓越、性價比極高、抗干擾能力強等優(yōu)點，使它成為了給類應(yīng)用甚至是最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。DHT11 溫度測量范圍是 050，濕度測量范圍是 2

24、0-90%RH，工作電壓范圍是3.35.5V DC。3.2.2 DHT11 的接線圖圖 3-5 DHT11 接線圖電源引腳：DHT11 的供電電壓為 35.5V。串行接口：DATA 采用了單總線的數(shù)據(jù)格式，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分,當(dāng)前的小數(shù)部分讀出為零。完整的一次數(shù)據(jù)傳輸為 40bit, 前 16 位是測得的濕度數(shù)據(jù)，其中前 8位是整數(shù)數(shù)據(jù)，后 8 位是小數(shù)數(shù)據(jù)，緊接著的 16 位是測得的溫度數(shù)據(jù)，與濕度數(shù)據(jù)相同，分為整數(shù)部分和小數(shù)部分，最后的 8 位是前面數(shù)據(jù)的校驗和。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于前面濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的和的末 8 位。3.2.3 DHT11 的工作時序用戶通過M

25、CU發(fā)送DHT11的開始信號之后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號之前，MCU需要在合適的時間段停止DHT11的開始信號。DHT11響應(yīng)之后，會送出40位的數(shù)據(jù),同時觸發(fā)一次信號采集。此處需要強調(diào)的是，DHT11只有接收到其開始信號之后才會進行溫濕度數(shù)據(jù)的采集工作。否則DHT11是不會主動進行溫濕度采集的。通訊過程如圖3-6所示。廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 8圖3-6 主機與DHT11通訊過程圖示1具體步驟大致如下，總線空閑時應(yīng)為高，然后主機將總線拉低，時間大約是18ms以上，這樣做是為了保證DHT11可以檢測到該信號，然后將該信號置高以結(jié)束開始信號，緊接著延時大約20-40us,讀取DH

26、T11的響應(yīng)信號。DHT11檢測到主機的開始信號也即主機拉低的電平之后，一旦該信號變?yōu)楦?會發(fā)送響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號是80us的低電平。圖3-7 主機與DHT11通訊過程圖示2如圖3-7，主機發(fā)送開始信號之后DHT11做出了響應(yīng)，然后DHT11再把總線拉高大約80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為先是大約50us的低電平，然后是根據(jù)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)從而長度不一樣的高電平。所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成，總線會變?yōu)楦唠娖竭M入空閑狀態(tài)，這之前需要DHT11把總線拉低大約50us。 圖3-8表示發(fā)送的數(shù)據(jù)為0： 圖3-8 DHT11發(fā)送數(shù)據(jù)0廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 9圖3-9表示發(fā)送的數(shù)據(jù)為1： 圖3

27、-9 DHT11發(fā)送數(shù)據(jù)13.3 顯示模塊期初考慮選用數(shù)碼管作為系統(tǒng)的顯示模塊，因為數(shù)碼管的顯示更加直觀，容易被人的眼睛輕松接收。但是考慮主機方按鍵模塊需要對溫濕度做上下限的調(diào)整，調(diào)整的同時需要給用戶以顯示當(dāng)前溫濕度上下限的具體數(shù)值，如果此時采用的是數(shù)碼管，那么就需要額外的數(shù)碼管用以達到要求，這樣一來，數(shù)碼管的數(shù)量翻倍，一方面增加了系統(tǒng)的成本，另一方面對 PCB 板的布局產(chǎn)生了影響。而當(dāng)采用液晶顯示則避免了上述的問題，而且容易通過更改代碼以改善顯示。本系統(tǒng)選用 LCD1602 作為系統(tǒng)的顯示模塊。液晶屏具有使用方便、精度高、低功耗、顯示直觀、壽命長等優(yōu)點，另外其顯示字符數(shù)量以及靈活性都要比七段

28、數(shù)碼管 LED（Light Emitting Diode）強，因此系統(tǒng)的顯示模塊選擇由 LCD1602 來組成。第一行顯示當(dāng)前溫度以及設(shè)定的最高溫和最低溫，第二行顯示當(dāng)前濕度以及設(shè)定的最大濕度好最小濕度。本研究采用 LCD1602 液晶。其電路圖如圖 3-10 所示：VSS1VDD2VO3RS4RW5E6D07D18D29D310D411D512D613D714A15K16U3LCD1602123RP1RPP2.5P2.6P2.7VCCGNDGNDP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7GNDVCC圖 3-10 顯示模塊3.3.1 LCD1602 簡介1602 液晶（如

29、圖 3-11 所示）有若干個 5X7 或 5X11 等點陣字符位組成，是一種用來廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 10顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型的液晶模塊。圖 3-11 LCD1602 實物圖LCD1602 可以顯示兩行，每行為 16 個字符液晶模塊。本研究采用的是 16 個引腳的 LCD。其中 D0-D7 為數(shù)據(jù)引腳，操作過程中的數(shù)據(jù)和指令都通過數(shù)據(jù)引腳進行傳送。E 是使能信號引腳。RS 為 0 表示傳送的是指令碼，為 1 表示傳送的數(shù)據(jù)。R/W 為 0 表示寫，為 0 表示讀。3.3.2 LCD1602 的指令操作液晶進行讀操作時的各引腳狀態(tài)：讀狀態(tài)：RS=0，R/W=1，E=

30、1。 讀數(shù)據(jù)：RS=1，R/W=1，E=1。 液晶進行寫操作時的各引腳狀態(tài)：寫指令：RS=0，R/W=0，E=下降沿脈沖，DB0DB7=指令碼 。寫數(shù)據(jù)：RS=1，R/W=0，E=下降沿脈沖，DB0DB7=數(shù)據(jù) 。3.4 按鍵模塊主機以及從機按鍵模塊均采用獨立式的按鍵，即一個按鍵占用一個 IO 口。按鍵一端接地，一端接單片機 IO 口8。程序中采用鍵盤掃描的方式查詢哪一個按鍵被按下，當(dāng)某個按鍵所接的單片機 IO 口電平為低時表示此按鍵被按下，為防止按鍵抖動帶來的影響，可適當(dāng)?shù)剡M行一個延時然后再查詢 IO 口是否是低電平，若為低，則表示按鍵確實被按下。此時可處理該按鍵所對應(yīng)的響應(yīng)程序段。3.4.

31、1 主機按鍵模塊按鍵模塊相對較為簡單，如圖 3-12 所示，用戶可通過 B3 按鍵進行選擇所需調(diào)節(jié)的項，分別為溫度下限、溫度上限、濕度下限、濕度上限，四項通過循環(huán)模式進行選擇，即每按一次 B3 按鍵可以定位到下一個項。選擇好需要調(diào)節(jié)的項之后，用戶可通過按鍵 B1 對其進行加操作，長按該鍵將導(dǎo)致改變項不斷加一，若按下時間較短，則每按一次該值加一，依舊采用循環(huán)方式，到達系統(tǒng)設(shè)定的上限后會自動變?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)定的下限。同理，用戶可通過廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 11按鍵 B4 對其進行減操作，長按該鍵將導(dǎo)致改變項不斷減一，若按下時間較短，則每按一次該值減一，采用循環(huán)方式，到達系統(tǒng)設(shè)定的下限后

32、會自動變?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)定的上限。所以，用戶可以很方便地設(shè)定所想要的溫濕度區(qū)間。12B1BUT12B4BUTGNDP2.1P2.4P2.212B3BUT圖 3-12 主機按鍵模塊3.4.2 從機按鍵模塊12B1BUT12B3BUTGNDP2.0P2.4圖 3-13 從機按鍵模塊從機按鍵模塊如上圖 3-13 所示，B1 是為了調(diào)試或者排障方便，按下可停止對溫濕度數(shù)據(jù)的發(fā)送，轉(zhuǎn)而發(fā)送一組固定的數(shù)據(jù)。B3 則可以使系統(tǒng)對溫濕度的監(jiān)測以及發(fā)送頻率變慢，視具體場合可以進行選擇。3.5 蜂鳴器警示模塊12B3BEEP123T1S8550GND12R8R1KP2.0VCC圖 3-14 警示模塊如上圖 3-14 所示

33、，該蜂鳴器警示模塊是通過單片機 I/O 口的電平來控制蜂鳴器工作的。S8550 為 PNP 型三極管，用來驅(qū)動蜂鳴器。本系統(tǒng)蜂鳴器采用 5V 的電磁式蜂鳴器。廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 12該模塊作為警示模塊，是當(dāng)所測得的溫濕度數(shù)據(jù)不在系統(tǒng)所設(shè)定的區(qū)間內(nèi)時，蜂鳴器發(fā)出警報聲9，此時給單片機 P2.0 口寫 0，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器就會發(fā)出聲音；而當(dāng)所測得的溫濕度數(shù)據(jù)在系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的溫濕度區(qū)間時，給單片機 P2.0 口寫 1，三極管截止，蜂鳴器停止工作。3.6 無線收發(fā)模塊12R2R1K12R3R1K12R4R1K12R5R1K12R6R1K12R7R1KIRQ8MOSI6CSN4

34、VCC2GND1CE3SCK5MISO7U5NRF24L01P1.3P1.1P1.2P1.4P1.5P1.6+3.3VGND圖 3-15 無線模塊無線模塊電路如圖 3-15 所示，該模塊是由挪威(Nordic)公司生產(chǎn)的 nRF24L01 然后再給以具體的外圍電路所組成的。nRF24L01 的工作電壓為 1.93.6V。可以以最高可以達到10Mbits 的速度通過 SPI 寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率最快可以達到 2Mbits，同時該模塊還具有自動應(yīng)答以及自動再發(fā)射功能。3.6.1 NRF24L01 概述 nRF24L01 工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM 頻段，是一款新型的單片射頻收發(fā)

35、器件10。融合了增強型的 ShockBurst 技術(shù)，并且還內(nèi)置頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器、調(diào)制器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道可以通過程序進行配置。3.6.2 NRF24L01 的引腳排列 nRF24L01 的封裝以及引腳排列11如圖 3-16 所示。 圖 3-16 nRF24L01 封裝圖CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5VSS20DVDD19VDD18VSS17IREF16IRQ6VDD7VSS8XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS14VDD15nRF24L01廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 133.6.3 NRF24L01 的工作

36、模式 通過配置寄存器可以將 nRF24L01 配置為發(fā)射、接收、空閑以及掉電四種工作模式，如表 3.1 所示。 表表 3.1 nRF24L01 工作模式工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO 寄存器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中發(fā)射模式1010停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機模式 2101TX_FIFO 為空待機模式 11-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦?-待機模式 1 下晶體振蕩器仍然是工作著的，該模式主要是用于降低電流損耗；待機模式 2 是在當(dāng) FIFO 寄存器為空且 CE=1 時進入此模式。掉電模式下 nRF24L01 停止工作，但其所有的配置寄存器的

37、值仍然保留。3.6.4 NRF24L01 的工作原理 要發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先需將 nRF24L01 配置為發(fā)射模式，接著把有效數(shù)據(jù) TX_PLD 和接收節(jié)點的地址 TX_ADDR 寫入 nRF24L01 的緩存區(qū)，TX_ADDR 在發(fā)射的時候?qū)懭胍淮渭纯桑琓X_PLD 必須在當(dāng) CSN 為低時連續(xù)寫入。然后將 CE 置高電平并保持至少 10s，延遲130s 之后發(fā)射數(shù)據(jù)；如果此時自動應(yīng)答開啟，那么 nRF24L01 在發(fā)射數(shù)據(jù)后會立即進入接收模式，接收應(yīng)答信號。如果收到了應(yīng)答，則認為此次通信成功，TX_PLD 從 TX FIFO中清除，TX_DS 被置高；若沒有收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動

38、重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達到上限，MAX_RT 被置高，TX FIFO 中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā)；TX_DS或 MAX_RT 置高時，使得 IRQ 變低，產(chǎn)生中斷。最后發(fā)射成功時，nRF24L01 在 CE 為低時會進入空閑模式 1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)并且 CE 為高，則進入下一次發(fā)射；若 CE 為高且發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)，則進入空閑模式 2。 接收數(shù)據(jù)時，需要首先將 nRF24L01 配置為接收模式，接著延遲 130s 進入接收狀態(tài)。當(dāng)接收方檢測到了有效的 CRC 和地址時，就將數(shù)據(jù)包存儲在 RX FIFO 中，同時中斷標(biāo)志位 RX_DR 被置高，IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，使 MCU 知道

39、數(shù)據(jù)已經(jīng)接收成功。若此時自動應(yīng)答開啟，會使接收方進入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號12。最后接收成功時，nRF24L01 在 CE為低時會進入空閑模式 1。在寫寄存器之前一定要進入待機模式或掉電模式。廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 143.6.5 NRF24L01 的配置字 SPI 口最大傳輸速率為 10 Mb/s，為同步的串行通信接口，先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。針對單個的字節(jié)而言，是要先傳送高位再傳送低位的。與 SPI 相關(guān)的 8 條指令是由 nRF24L01 的 MOSI 輸入的。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息則是從 MISO 輸出給 MCU 的。 3.7 電源模塊本研究電路采用 USB 進行

40、供電，USB 輸出 5V 的電壓，為去除電源端的干擾信號，電路中加入了合適的電容，用以去耦或者濾波。本研究中的無線模塊工作電壓為 3.3V，為得到 3.3V 的電壓，所以采用 AZ1117-3.3 芯片輸出 3.3V 的電壓，如圖 3-17 所示：VBUS1GND4D-2D+3U2USB12C3 10UFELEC-CAP12C4 22UFELEC-CAP12LED1LED12R1R150+3.3VVCCVIN3VOUT2GND1U1AZ1117-3.312C110412C2ELEC-CAPGND圖 3-17 電源模塊廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 154 系統(tǒng)軟件研究作為一個完整的系

41、統(tǒng)，除了必要的硬件部分外，配合系統(tǒng)的軟件也顯得尤為重要。甚至有一些硬件的功能，為了節(jié)省系統(tǒng)本身的成本，完全可以通過編寫軟件來實現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件部分采用 C 語言編寫9，主機和從機軟件中無線模塊的代碼是相同的，將在附錄中給出。主機軟件除主函數(shù)外，主要包含無線模塊代碼、LCD1602 顯示模塊代碼、鍵盤掃描模塊代碼等，其余功能大部分在主函數(shù)中實現(xiàn)。從機軟件同樣包含無線模塊代碼，同時還有DHT11 測量溫濕度模塊代碼以及鍵盤掃描模塊代碼等，主函數(shù)中代碼主要實現(xiàn)對測得的溫濕度數(shù)據(jù)的發(fā)送。4.1 主機軟件 主機方軟件包括主程序、延時程序、LCD1602 顯示程序、獨立鍵盤掃描程序、定時中斷處理程序、無線模

42、塊子程序等。4.1.1 主機軟件概述主程序包括的功能有：按鍵設(shè)置溫濕度上下限，因為硬件的局限性，即 DHT11 的溫濕度測量范圍，系統(tǒng)程序默認最大溫度可設(shè)定為 50 度，最低溫度可設(shè)定為 0 度，最大濕度可設(shè)定為 90%，最小濕度可設(shè)定為 20%；啟動 LCD1602 顯示，初始化完成后 LCD1602會顯示固定不變的字符，變化的字符如當(dāng)前溫度和濕度以及通過按鍵改變的溫濕度上下限在主程序的無線循環(huán)程序段進行顯示，包括通過按鍵指示當(dāng)前將要改變量的圖標(biāo)，若沒有接收到有效的溫濕度數(shù)據(jù)，會顯示特定的字符；啟動無線模塊接收，即設(shè)定無線模塊為接收模式，以接收從機端發(fā)來的數(shù)據(jù)；將接收到的溫濕度值與設(shè)定值進行

43、比較，若測得溫濕度值不在所設(shè)定的溫濕度范圍內(nèi)，置蜂鳴器工作標(biāo)志為 1，此時定時器檢測到該標(biāo)志為1，則間斷性的置位和復(fù)位 P2.0，以使蜂鳴器發(fā)出警報聲，若溫濕度在所設(shè)定的溫濕度范圍內(nèi)，則置蜂鳴器工作標(biāo)志為 0，定時器檢測到該標(biāo)志為 0，置位 P2.0 口，使蜂鳴器停止發(fā)聲。鍵盤掃描程序中按鍵消抖采用延時方式，即檢測到按鍵按下時進行一個合適的延時，然后再次檢測，若按鍵還是處于按下狀態(tài)，則執(zhí)行相應(yīng)的程序段。4.1.2 主機軟件流程圖主機軟件的流程圖如圖 4-1 所示：廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 16圖4-開始初始化 LCD1602初始化 NRF24L01設(shè)定 NRF24L01 為接收

44、模式啟動定時器，開啟中斷當(dāng)前溫濕度值是否正常置位蜂鳴器警報標(biāo)志 顯示溫濕度上下限NRF24L01 是否接收到溫濕度數(shù)據(jù)N Y N 1 主機流程圖4.2 從機軟件 從機方軟件包括主程序、延時程序、獨立鍵盤掃描程序、無線模塊子程序、定時中斷處理程序等。4.2.1 從機軟件概述主程序包括的功能有：啟動 DHT11 工作，按照 DHT11 的工作時序圖，啟動 DHT11對溫濕度數(shù)據(jù)的采集并傳送；設(shè)置 NRF24L01 為發(fā)送模式，以發(fā)送從機方測得的溫濕度數(shù)據(jù)；按鍵掃描采用定時器中斷方式，其中一個按鍵用于對溫濕度數(shù)據(jù)是否發(fā)送的控制，另一個按鍵主要是可以改變溫濕度監(jiān)測和發(fā)送的頻率。 N 廣東海洋大學(xué) 20

45、14 屆本科生畢業(yè)論文 174.2.2 從機軟件流程圖從機軟件的流程圖如圖 4-2 所示：開始初始化 NRF24L01設(shè)定 NRF24L01 為發(fā)送模式 延時程序段溫濕度傳送標(biāo)志是否為 1N Y N 啟動 DHT11 工作是否讀取到溫濕度數(shù)據(jù)讀取 DHT11 測得的數(shù)據(jù)發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)Y 啟動定時器，開啟中斷慢速傳送標(biāo)志為1Y N 圖4-2 從機流程圖廣東海洋大學(xué) 2014 屆本科生畢業(yè)論文 185 總結(jié)與體會本人這次所研究的課題是無線溫濕度測量系統(tǒng)。在完成畢業(yè)論文的這段時間里，從最開始選課題到開題報告，從制作、調(diào)試實物然后論文終稿的完成，這一段時間下來，本人感觸頗深。特別是在實物調(diào)試完成并且穩(wěn)

46、定地運行時，心中的那份愉悅是無法言喻的。同時也是本人受益匪淺，這次的研究真的讓我長進了很多，也學(xué)習(xí)了很多。不僅鞏固了這四年來所學(xué)的知識，并且是真真正正地將所學(xué)的理論知識運用到了實際的研究中去，同時還開闊了視野。在系統(tǒng)的構(gòu)思、方案的選擇、硬件電路的搭建、軟件的編程、動手能力等方方面面都有了長足的進步。當(dāng)然，整個研究過程中本人也遇到了不少的困難。例如對實際元件的缺乏認識、對元件選型、實物制作工具的缺乏等等。但是最后經(jīng)過自己的努力和老師同學(xué)們的幫助后，所有的困難都被一一克服了，得以使自己提升。在這次研究中，我真真切切的意識到了學(xué)習(xí)知識必須得理論聯(lián)系實際，把所學(xué)到的知識盡可能的運用到實際當(dāng)中，特別是從

47、事電子行業(yè)的人更應(yīng)該如此。以前在課堂上學(xué)習(xí)理論知識，很少會有機會著手去制作一件產(chǎn)品，雖然理論知識是增長了，但是一到真正實踐時就會出現(xiàn)這樣那樣的問題。實踐和理論確實會有很大的不同。因此，在學(xué)習(xí)中，要理論結(jié)合實踐，而實踐也必須以理論為基礎(chǔ)，這才是一種好的學(xué)習(xí)方法。鳴 謝 26鳴 謝首先，要感謝我的母校。是母校給了我這樣一個好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓我在其中不斷地學(xué)習(xí)新的知識，不斷地成長。其次要感謝每一位悉心教導(dǎo)過我的老師，以及每一位陪伴我共同成長的同學(xué)。本次的畢業(yè)論文非常感謝我的指導(dǎo)老師王立臣。在完成畢業(yè)論文的這段時間里，王老師給予了我很大的技術(shù)支持，他提供的資料對我的幫助非常的大。同時也要感謝在實物調(diào)試時

48、幫助過我的同學(xué)們，有了他們的幫助，才讓我順利的完成了實物的調(diào)試。還有許許多多在學(xué)業(yè)上給予我鼓勵與支持的朋友，無法一一列舉，在此也一并表示衷心地感謝！參考文獻 27參考文獻1 郭乃寧.近十年來溫度測量的發(fā)展概況（連載之一）J.宇航計測技術(shù),1988.2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基本教程M.北京:高等教育出版社,2007.3 范風(fēng)強等.單片機語言 C51 應(yīng)用實戰(zhàn)集錦M.北京:電子工業(yè)出版社,2005.4 周美娟.肖來勝.單片機技術(shù)及系統(tǒng)研究M.清華大學(xué)出版社,2007.5 J.Otto.Sensors for Distance Measurement and Their Applications in

49、 AutomobilesJ.Sensors Update,2002.231-255. 6 于安紅.簡明電子元器件手冊M.上海:上海交通大學(xué)出版社,2005.7 高鋒.單片機微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計及實用技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.8 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:高等教育出版社,2006.9 譚浩強.C 程序研究(第三版)M.北京:清華大學(xué)出版社,2005.10 朱玉穎,蔡占輝.基于 nRF24L01 的遠程溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計J.通信與信息處理,2010,29(5):56-58.11 吉雷,章優(yōu)仕,齊永龍. Protel99 電子電路設(shè)計M成都:電子科技大學(xué)出版社,2000.12

50、 Simon Haykin,Machael Moher,鄭寶玉.現(xiàn)代無線通信M.北京:電子工業(yè)出版社，2006.附 錄 28附 錄附錄 A 本研究完整電路圖本研究主機電路如圖 A-1 所示：P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RESET9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.0/AD821P2.1/AD922P2.2/AD1023P2.3/AD1124P2.4/AD1225P2.5/AD13

51、26P2.6/AD1427P2.7/AD1528PSEN29ALF/PROG30EA31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC40U451P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7VCCRESETRXDTXDP2.7XTAL1XTAL2VSS1VDD2VO3RS4RW5E6D07D18D29D310D411D512D613D714A15K16U3LCD1602123RP1RPP2.5P2.6P2.7VCCGNDGNDP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.6P2.5GND12BEEP1BEEP123T1S8550GND12R8R1KVBUS1GND4D-2D+3U2USB12C3 10UFELEC-CAP12C4 22UFELEC-CAP12LED1LED12R1R