無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、哈 爾 濱 理 工 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目： 院 、 系： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 年 月 日- I -哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要現(xiàn)代各種檢測(cè)都離不開環(huán)境監(jiān)控，溫濕度測(cè)量及控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)、食品倉儲(chǔ)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)控制、科學(xué)研究以及日常生活當(dāng)中，本課題在對(duì)國內(nèi)外各種溫度濕度傳感器檢測(cè)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度傳感檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)主要應(yīng)用于檔案室、博物館，通過不同節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境的溫濕度。本課題設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，以DS18B20溫度傳感器，HS1101濕度傳感器作為測(cè)量元件，

2、通過單片機(jī)進(jìn)行控制，利用無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、儲(chǔ)存、顯示、傳輸以及報(bào)警等功能，供工作人員瀏覽、記錄和進(jìn)行相關(guān)處理。本設(shè)計(jì)主要做了如下幾個(gè)方面的工作：一是確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案；二是進(jìn)行傳感器和其它模塊硬件電路設(shè)計(jì)；三是軟件流程圖的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)檔案室環(huán)境不同采集點(diǎn)的溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，在有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場環(huán)境因素的限制不便架設(shè)線路的檔案室內(nèi)，利用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸顯得更加高效，且具有抗干擾、低功耗、便于微處理器控制的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化。關(guān)鍵詞:STC89C52；DS18B20溫度傳感器；HS1101濕度傳感器Design of

3、temperature and humidity monitoringsystem based on Wireless Sensor NetworkAbstractKeywords 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印- II -哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文目錄摘要IAbstractII第1章 緒 論11.1 課題背景11.2 課題研究的意義11.3 溫濕度傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀31.5 本課題研究的主要內(nèi)容4第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)52.1 總體方案設(shè)計(jì)52.2 元器件的選擇62.2.1 單片機(jī)的選擇62.2.2 溫度傳感器的選擇72.2.3 濕度傳感器

4、的選擇82.2.4 NRF24L01無線收發(fā)模塊92.3 本章小結(jié)10第3章 硬件電路的設(shè)計(jì)113.1 微處理器113.1.1 STC89C52的引腳具體介紹113.1.2 晶振電路123.1.3 復(fù)位電路123.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)133.3 濕度采集電路設(shè)計(jì)163.4 液晶顯示及報(bào)警電路183.4.1 LCD1602液晶顯示183.4.2 報(bào)警電路193.5 電源模塊203.6 無線模塊203.7 本章小結(jié)21第4章 軟件設(shè)計(jì)224.1 主程序流程圖224.2 溫度模塊程序設(shè)計(jì)224.3 濕度模塊程序設(shè)計(jì)234.4 顯示子程序設(shè)計(jì)244.5 按鍵模塊程序設(shè)計(jì)254.6 無線收發(fā)模塊程序設(shè)計(jì)

5、264.7 報(bào)警子程序274.8 本章小結(jié)28結(jié)論29致謝30參考文獻(xiàn)31附錄A 程序33附錄B 原理圖和仿真圖41附錄C 英文原文43附錄D 中文翻譯49千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- 58 -第1章 緒 論1.1 課題背景溫度、濕度是非常重要的物理參數(shù)，與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。溫濕度測(cè)量及控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)、食品倉儲(chǔ)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)控制、科學(xué)研究以及日常生活當(dāng)中。目前市場上的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采傳統(tǒng)的有線方式，必須在采集現(xiàn)場鋪設(shè)大量的線纜用于傳感器供電、信號(hào)傳輸

6、以及數(shù)據(jù)采集。近年來，無線通信、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式計(jì)算等技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了低成本、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，促使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今活躍的研究領(lǐng)域1。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取和處理能力使得其應(yīng)用范圍十分廣泛?；谛枰O(jiān)控的參數(shù)為溫度、濕度兩個(gè)物理量，因而設(shè)計(jì)低成本、低功耗、高可靠性、高安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)是有必要的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可監(jiān)控室內(nèi)不同點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，通過傳感器節(jié)點(diǎn)將環(huán)境監(jiān)測(cè)所需的信息方便快捷的傳到計(jì)算機(jī)。比如在檔案室、圖書館等場所布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控和現(xiàn)實(shí)相關(guān)參數(shù)，同時(shí)

7、實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警，控制空調(diào)等功能。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)有線方式的信號(hào)線，控制線，電源線混雜在一起，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，容易受到傳輸距離、電磁干擾等因素的影響而變的不穩(wěn)定，尤其是在測(cè)量點(diǎn)數(shù)較多或通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素會(huì)變得更加嚴(yán)重等問題。1.2 課題研究的意義溫、濕度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|最多的兩個(gè)物理量，人們的日常生活、動(dòng)植物的生存繁衍和周圍環(huán)境的溫濕度息息相關(guān)，石油、化工、冶金、紡織、機(jī)械制造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲(chǔ)等領(lǐng)域?qū)亍穸纫灿兄^高的要求2。例如：煙葉和紙張是吸濕性極高的材料，卷煙生產(chǎn)的每一個(gè)階段對(duì)溫、濕度都有非常特別的要求，以確保所使用材料的水分，保證生產(chǎn)

8、的效率和產(chǎn)品質(zhì)量；印刷車間的溫、濕度控制水平對(duì)印刷質(zhì)量有很大的影響；為防止庫存武器彈藥、金屬材料等物品霉?fàn)€、生銹，必須保持環(huán)境溫度不能過高和干燥；而水果、種子、肉類等的保存又需要保證一定的濕度；在礦山、棉麻、塑料、粉末金屬、食品生產(chǎn)加工等企業(yè)的生產(chǎn)車間（環(huán)境）中往往會(huì)產(chǎn)生大量的可燃或易燃粉塵，如果空氣濕度過低，在一定的能量下，極易發(fā)生粉塵爆炸。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對(duì)環(huán)境提出了更高的要求：制造大規(guī)模集成電路需要極高的空氣潔凈度，生物化學(xué)制藥需要精確的溫濕度控制。因此，對(duì)溫、濕度的監(jiān)測(cè)和控制已成為生產(chǎn)過程中非常重要的技術(shù)要求。溫、濕度檢測(cè)與控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們的日常生產(chǎn)和生活當(dāng)中，

9、傳感器無疑是測(cè)量與控制系統(tǒng)中重要的組成部分。但是伴隨傳感器而來的是大量的數(shù)據(jù)線纜。眾多的線纜不僅帶來布線復(fù)雜的不便，而且存在著短路、斷線隱患，成本高、易老化，錯(cuò)綜復(fù)雜的線路還給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增加了難度。同時(shí)對(duì)于一些臨時(shí)使用的傳感器，搭接線纜十分不便。因此，尋找一種便捷的、能夠滿足數(shù)據(jù)通信要求的無線通信技術(shù)，以解除線纜搭接復(fù)雜的困擾，成為一個(gè)亟需解決的問題。無線通信技術(shù)與有線通信技術(shù)相比，有成本低、攜帶方便、不必穿墻鉆孔布線、搭建網(wǎng)絡(luò)簡單快捷等優(yōu)點(diǎn)。特別是在有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場環(huán)境因素的限制不便架設(shè)線路的情況下，使用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸顯得更加實(shí)用、高效、快捷。隨著微處理器以及微

10、電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字設(shè)備以其抗干擾、功耗低、便于微處理器控制的特點(diǎn)，逐漸成為測(cè)控系統(tǒng)中的主流。本課題將傳感器技術(shù)和新興的無線通信技術(shù)結(jié)合，力圖以現(xiàn)場設(shè)備的無線化來解決由線纜帶來的諸多問題。1.3 溫濕度傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)在后工業(yè)化時(shí)代，信息技術(shù)對(duì)社會(huì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步起了決定性作用，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。傳感器技術(shù)是2l世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭奪的一個(gè)制高點(diǎn)，各發(fā)達(dá)國家都將傳感器技術(shù)視為現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵3。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國等西方國家也將此技術(shù)列為國家科技和國防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。我國從

11、20世紀(jì)80年代以來也已將傳感器技術(shù)列入國家高新技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。21世紀(jì)是人類全面進(jìn)入信息電子化的時(shí)代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一的傳感器技術(shù)必將得到較大的發(fā)展4。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量是從金屬(物質(zhì))的熱脹冷縮開始。水銀溫度計(jì)至今仍是各種溫度測(cè)量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)?？墒撬娜秉c(diǎn)是只能近距離觀測(cè)，而且有毒。代替它的有酒精溫度計(jì)和金屬簧片溫度計(jì)，它們雖然沒有毒性，但測(cè)量精度很低。在電氣時(shí)代主要發(fā)展了金屬熱敏電阻。如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達(dá)六、七百度。但它們的缺點(diǎn)是靈敏度低，當(dāng)傳輸線路長短不等時(shí)，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。近年發(fā)展起來的有PN結(jié)測(cè)溫器件。這類器件的優(yōu)點(diǎn)是在

12、-50+150范圍內(nèi)有良好的特性，體積小、響應(yīng)時(shí)間快、價(jià)格低。但它的缺點(diǎn)是一致性差、不易做到互換，而且PN結(jié)易受外界幅射的影響，穩(wěn)定性難以保證。石英晶體溫度檢測(cè)器的測(cè)量精度較高，一般可檢測(cè)到0.001，可作標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)之用。光纖傳感器技術(shù)是本世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一門嶄新的技術(shù)，已開發(fā)了開關(guān)式溫度檢測(cè)器、輻射式溫度檢測(cè)器等多種實(shí)用型的品種5。檢測(cè)精度在1以內(nèi)，測(cè)溫范圍可以從絕對(duì)0+2000。國外在濕度傳感器研制方面起步較早，目前日本、德國、美國處于國際領(lǐng)先地位，測(cè)量范圍可實(shí)現(xiàn)全濕范圍測(cè)量，且精度可達(dá)到2%RH。近幾年，國外濕度傳感器有了較大的發(fā)展，特別是電阻式濕度傳感器發(fā)展更快，人們不僅在電阻式

13、陶瓷濕度傳感器特性方面做了大量工作，而且在高分子電阻式濕度傳感器上做出可喜的研究成果，這種傳感器穩(wěn)定性好、精度高、響應(yīng)特性優(yōu)，這是應(yīng)當(dāng)引以重視的技術(shù)動(dòng)向6。根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化控制的需要，國內(nèi)外正在開展新一代濕度傳感器的研制與開發(fā)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展，信息的傳輸、處理技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，發(fā)展相對(duì)滯后的傳感器技術(shù)業(yè)已得到全世界的普遍重視。因此，今后一個(gè)時(shí)期傳感技術(shù)將成為人們研究的新熱點(diǎn)，并有可能形成較大產(chǎn)業(yè)。傳感器技術(shù)未來將向以下幾個(gè)方面發(fā)展：高精確度。為了提高測(cè)控精度，必須使傳感器的精度盡可能地高；小型化。很多測(cè)試場合要求傳感器具有盡可能小的尺寸；多功能集成化。研究多功能集成

14、傳感器是傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。有兩種類型。一種是將傳感器、放大器及溫度補(bǔ)償電路等集成在同一芯片上，減小體積，增強(qiáng)了抗干擾能力。另一種是在一個(gè)芯片上集成多種功能敏感元件或同一功能的多個(gè)敏感元件。例如溫濕度一體化傳感器，一個(gè)芯片可同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度；數(shù)字化。為了使傳感器與計(jì)算機(jī)直接接口，致力于數(shù)字式傳感器研究是很重要的；智能化。這種傳感器一般是計(jì)算機(jī)與傳感器相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。它兼有檢測(cè)、信息處理、推理、聯(lián)想和控制等各種功能，重點(diǎn)是具有邏輯功能，是傳統(tǒng)傳感器無法比擬的。智能傳感器的出現(xiàn)將是傳感技術(shù)中的一次飛躍。1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀Wi-Fi是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線

15、網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性的無線網(wǎng)路通信技術(shù)，其特點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)布置比較容易，數(shù)據(jù)傳輸速率高，應(yīng)用范圍非常廣，功耗高，可靠性及安全性的相對(duì)較低，移動(dòng)性差。藍(lán)牙技術(shù)特點(diǎn)為傳輸距離較短，系統(tǒng)成本高，集成度大，節(jié)點(diǎn)少。超寬帶技術(shù)的耗較低以及發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度不高。紅外線數(shù)據(jù)通信充分體現(xiàn)了移動(dòng)終端所要求的小體積、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，其最大的缺點(diǎn)就是只能兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通信，限制了它的應(yīng)用范圍。Zigbee技術(shù)的低功耗，低傳輸速率，高連接設(shè)備數(shù)十分適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模組網(wǎng)，藍(lán)牙技術(shù)雖然在傳輸速率上遠(yuǎn)高于Zigbee，但功耗和連接設(shè)備數(shù)的缺陷使得其并不適合應(yīng)用于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，而適合于個(gè)人設(shè)備的

16、互聯(lián)。UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗條件下的高速率傳輸，但目前只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，欠缺組網(wǎng)能力，而且其產(chǎn)品化還處于起步階段，并沒有得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。在2.4GHz非授權(quán)頻段上,目前已經(jīng)云集了藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)無線協(xié)議。具有帶寬高（2Mbps），雙向傳輸，抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)（短距離無線技術(shù)范圍），耗電少的優(yōu)點(diǎn)，用于無線鍵鼠等室內(nèi)場合7。Nordic公司等公司已成功推出nRF24L01芯片，2.4G全球開發(fā)ISM頻段免許可證使用。同時(shí)許多公司也相繼推出基于nRF24L01的無線傳輸模塊。nRF24.L01模塊是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4GHz2.5GHz ISM頻段。

17、內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。至此這種基于此頻段的通信方式已日漸趨向成熟。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于氣象和地理研究，土壤空氣變更監(jiān)視、珍稀瀕臨野生動(dòng)植物種群追蹤研究、地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化測(cè)量研究等。這些被密集布置在叢林中的傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠在不破壞生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)植物生長復(fù)雜的微觀環(huán)境因素，為科研人員研究生物行為提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)

18、據(jù)信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事科技及民防國防、自然生態(tài)環(huán)境觀測(cè)、古建筑及文物保護(hù)、災(zāi)害預(yù)警及災(zāi)難救援、健康監(jiān)測(cè)及醫(yī)療護(hù)理、工業(yè)自動(dòng)控制與檢測(cè)、空間探索、智能家居、智能交通流量監(jiān)控、智能電力系統(tǒng)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及水利等諸多領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用前景和潛在的市場研發(fā)價(jià)值。在現(xiàn)階段成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，以下系統(tǒng)已成功地得到應(yīng)用8。其理論研究一直是國際信息領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)，其應(yīng)用研究更是成為各大無線傳感器產(chǎn)品生產(chǎn)廠商的競爭焦點(diǎn)。1.5 本課題研究的主要內(nèi)容由于一般博物館，檔案室的空間相對(duì)比較大，布置大量的數(shù)據(jù)線監(jiān)控環(huán)境數(shù)據(jù)影響美觀的同時(shí)又會(huì)帶來安全隱患，針對(duì)這樣的特殊環(huán)境，綜合整理的相關(guān)資料，提出設(shè)計(jì)一種無線溫濕度監(jiān)控

19、系統(tǒng)，有效解決布線困難等問題，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中采用STC89C52單片機(jī)，利用溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HS1101進(jìn)行溫濕度測(cè)量，并通過LCD1602顯示，如若溫濕度超過設(shè)定上下限利用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)了以下功能：(1) 檔案室的溫度、濕度實(shí)時(shí)測(cè)量功能。(2) 將測(cè)量到的溫、濕度通過液晶屏顯示。(3) 利用開關(guān)鍵設(shè)置溫度、濕度的報(bào)警值。(4) 實(shí)現(xiàn)溫度、濕度超限報(bào)警功能。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)(1) 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集；由單片機(jī)對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理，儲(chǔ)存并顯示；實(shí)現(xiàn)超限的及時(shí)報(bào)警

20、；檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力。通過無線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)在檔案室不同地點(diǎn)的溫度、濕度檢測(cè)并將數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊上傳到上位機(jī)。(2) 技術(shù)指標(biāo)測(cè)溫范圍：-20 100；測(cè)濕范圍：0100%RH；測(cè)溫精度：0.5；測(cè)濕精度：5.0%RH(3) 系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)主要有溫度測(cè)量模塊、濕度測(cè)量模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、無線收發(fā)模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)組成框圖將數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集得到的數(shù)據(jù)和濕度傳感器HS1101采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)AT89S52的信號(hào)輸入端口。單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳遞到LCD1602屏上進(jìn)行顯示，并判斷是否超過設(shè)置上下限（溫度范圍14-

21、28，相對(duì)濕度范圍45-60%RH）如超過則蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)將溫、濕度數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊傳到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。2.2 元器件的選擇2.2.1 單片機(jī)的選擇STC89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RA

22、M，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式9。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。單片機(jī)實(shí)物圖如圖2-1所示。單片機(jī)的主要特性如表2-2所示。圖2-2 單片機(jī)實(shí)物圖表2-1 STC89C52主要特性主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個(gè)雙向I/O口256x8bi

23、t內(nèi)部RAM3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷時(shí)鐘頻率0-24MHz2個(gè)串行中斷可編程UART串行通道2個(gè)外部中斷源共6個(gè)中斷源2個(gè)讀寫中斷口線3級(jí)加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能2.2.2 溫度傳感器的選擇本設(shè)計(jì)中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件DS18B20，是在經(jīng)過多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因：測(cè)溫范圍為-55+125，測(cè)溫精度為士0.5；可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來越強(qiáng)大，體積越來越小，而價(jià)格也越來越低。由于DS18B20是單總線器件，測(cè)溫時(shí)無需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相

24、比，可以大大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。使測(cè)溫系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件開銷大為簡化。由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來方便。同時(shí)因?yàn)镈S18B20是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。DS18B20相對(duì)于其他溫度傳感器有以下幾方面特征。獨(dú)特的單引線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊，每個(gè)期間有唯一的64位的序列號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，簡單的多點(diǎn)分布式測(cè)溫應(yīng)用，無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電。供電范圍3.0V到5.5V，測(cè)溫范圍為-55+125，在-10+85內(nèi)精度為5，溫度計(jì)分辨率可以被使用者選擇為912位，最多在750ms

25、內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)化為12位數(shù)字，用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置，報(bào)警命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度的器件。DS18B20芯片封裝結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖 2-3 DS18B20的芯片封裝結(jié)構(gòu)2.2.3 濕度傳感器的選擇HS1101電容傳感器，其工作原理是空氣中的水分子透過多孔金電極被感濕膜吸附，使得兩電極間的介電常數(shù)發(fā)生變化，環(huán)境濕度越大，感濕膜吸附的水分子就越多，使?jié)穸葌鞲衅鞯碾娙萘吭黾拥迷蕉?，根?jù)電容量的變化可測(cè)得空氣的相對(duì)濕度。涉及如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)易于接受的信號(hào)，采用將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被單片機(jī)所采集。 HS

26、1101電容傳感器有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)10。(1) 全互換性在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正(2) 長時(shí)間飽和下快速脫濕 (3) 可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸(4) 高可靠性與長時(shí)間穩(wěn)定性(5) 專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)(6) 可用于線性電壓或頻率輸出回路(7) 快速反應(yīng)時(shí)間相對(duì)濕度在0%100%RH范圍內(nèi)；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5s；溫度系統(tǒng)為0.04pF/?？梢娖渚仁禽^高的。其濕度電容響應(yīng)曲線如圖2-4所示，濕度傳感器的產(chǎn)品圖片如圖2-5所示，HS1101濕度傳感器常用參數(shù)如表2-2所示。 20 40 60 80相對(duì)濕度%RH 圖2-4 HS1101 濕度

27、電容響應(yīng)曲線圖2-5 HS1101產(chǎn)品實(shí)物圖表2-2 HS1101常用參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)值單位工作溫度Ta-40100儲(chǔ)存溫度Tstg-40125供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0100%RH焊接時(shí)間=260T10S2.2.4 NRF24L01無線收發(fā)模塊NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。NRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA；接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA

28、，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。實(shí)物圖如圖2-6所示。NRF24L01主要特性如下11：(1) GFSK調(diào)制 (2) 硬件集成OSI鏈路層(3) 具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能(4) 片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼(5) 數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb/s(6) SPI速率為0 Mb/s10 Mb/s(7) 125個(gè)頻道(8) 與其他nRF24系列射頻器件相兼容(9) QFN20引腳4 mm4 mm封裝(10) 供電電壓為1.9 V3.6 V通過配置寄存器可將NRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表2-3所示。表2-3 NRF24L01四種工

29、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停在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式2101TX FIFO 為空待機(jī)模式11-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦?-2.3 本章小結(jié)本章首先是介紹了總體方案的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)的組成框圖，系統(tǒng)的組成框圖中明確的注明了系統(tǒng)各部分使用的傳感器和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的模塊。針對(duì)系統(tǒng)方案的整體構(gòu)思選擇51單片機(jī)作為微處理器，DS18B20溫度傳感器為溫度采集的感溫元件，濕度采集則使用HS1101濕度傳感器，并對(duì)傳感器進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，也對(duì)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

30、的NRF24L01芯片進(jìn)行了介紹和說明。第3章 硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 微處理器單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。目前，可用于51系列單片機(jī)開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以AT89S52單片機(jī)為基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便地運(yùn)用于測(cè)試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。3.1.1 STC89C52的引腳具體介紹STC89C52系列單片機(jī)

31、是新一代高速低功耗超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)的外形結(jié)構(gòu)為40引腳雙列直插式封裝，其外部管腳如圖3-1所示，STC89C52外部管腳如圖3-1所示。圖3-1 STC89C51外部引腳圖STC89C52的引腳含義具體介紹如下：1. 主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線2. 外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端3. 控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/

32、PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。4. 可編程輸入/輸出引腳（32根）STC89C51單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7 P3口（Pin

33、10Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.73.1.2 晶振電路MCS-51單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器， 引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。3.1.3 復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，例如復(fù)位后PC=0000H，使單片機(jī)從第一個(gè)單元取指令。MCS-51系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上只要出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)復(fù)位。硬件電路如圖3-2所示。圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

34、3.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)DS18B20的測(cè)溫原理如圖3-4所示。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將-55所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減

35、到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度12。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，提高測(cè)量準(zhǔn)確制度。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：斜率累加器預(yù)置減法計(jì)數(shù)器減至0減法計(jì)數(shù)器高溫度系數(shù)振蕩器低溫度系數(shù)振蕩器溫度寄存器減至0預(yù)置計(jì)數(shù)比較器圖3-3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-4溫度測(cè)量原理電路DS18B20主要

36、由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以

37、0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。表3-1為不同溫度對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)。表3-1 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表溫度DIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000F

38、FF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FF6Eh-551111 1100 1001 0000FC90hDS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器：DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。配置寄存器：該字節(jié)各位的意義如表3-2所示。表3-2 配置寄存器結(jié)構(gòu)TMR1R011111低五位一直都是1，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。

39、R1和R0用來設(shè)置分辨率，如表3-3所示（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）： 表3-3 分辨率設(shè)置R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750msDS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機(jī)端口接單線總線。采用寄生電源供電方式是VDD和GND端接地。DS18B20與單片機(jī)接口電路如圖3-6所示，圖中，DS18B20的I/O端口DQ通過一個(gè)4.7k的外部上拉電阻與單片機(jī)連接。本設(shè)計(jì)中DS18B20采用外部電源方式供電，故

40、GND接地。圖3-6 DS18B20與單片機(jī)接口電路3.3 濕度采集電路設(shè)計(jì)HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。NE555是一個(gè)能產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動(dòng)電路可達(dá)200mA。在多諧振蕩器工作方式時(shí)，其輸出的脈沖占空比由兩

41、個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時(shí)，其延時(shí)時(shí)間由一個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容確定，它可以延時(shí)數(shù)微妙到數(shù)小時(shí)。其工作電壓范圍為：4.516。硬件電路如圖3-7所示。圖3-7 HS1101和NE555連接電路把HS1101和NE555同時(shí)接入電路中的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3-6所示。NE555電路功能的簡單概括為：當(dāng)6端和2端同時(shí)輸入為“1”時(shí)，3端輸出為“0”；當(dāng)6端和2端同時(shí)輸入為0時(shí)，3端輸出為“1”時(shí)；在此電路中，555定時(shí)器正是根據(jù)這一功能用作多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率信號(hào)的13。當(dāng)電源接通時(shí)，由于6和2端的輸入為“0”，則定時(shí)器3腳輸出為“1”；又由于兩端電壓為0，故通過R4和R5對(duì)

42、充電，當(dāng)兩端電壓達(dá)到時(shí)，定時(shí)電路翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)椤?”.此時(shí)555定時(shí)器內(nèi)部的放電BJT的基極電壓為“1”，放電BJT導(dǎo)通，從而使電容通過R3和內(nèi)部放電BJT進(jìn)行放電，當(dāng)兩端電壓降低到時(shí)，定時(shí)器又翻轉(zhuǎn)，使輸出變?yōu)椤?”，內(nèi)部放電BJT截止，又開始通過R4和R5對(duì)充電，如此周而復(fù)始，形成振蕩14。其工作循環(huán)中的充電時(shí)間為：放電時(shí)間為：輸出脈沖占空比為：式中： 表示一次循環(huán)輸出高電平時(shí)間，單位（s） 表示一次循環(huán)輸出低電平時(shí)間，單位（s）表示相對(duì)濕度下HS1101的容值，單位（F）為了使輸出脈沖占空比接近50%，R4應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R5。當(dāng)外界濕度變化時(shí)，HS1101兩端電容值發(fā)生改變，從而改變定時(shí)電路的

43、輸出頻率。因此只要測(cè)出555的輸出頻率，并根據(jù)濕度與輸出頻率的關(guān)系，即可求得環(huán)境的濕度?？諝鉂穸韧ㄟ^555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，典型頻率濕度關(guān)系如表3-3所示（參考點(diǎn)：25，相對(duì)濕度：55%，輸出頻率：6660Hz）15。由此可以看出，空氣相對(duì)濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關(guān)系?？梢酝ㄟ^微處理器采集555芯片的頻率，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以直接以相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。相對(duì)濕度與頻率的關(guān)系如表3-4所示表3-4 相對(duì)濕度與頻率的關(guān)系相對(duì)濕度值/%輸出頻率值/Hz相對(duì)濕度值/%輸出頻率值/Hz073516066001072247064682071008063303069769061

44、8640685310060335067283.4 液晶顯示及報(bào)警電路本系統(tǒng)需要將測(cè)得的溫度值和濕度值顯示出來，并判斷其是否超出溫濕度的上下限，若超出，則需要報(bào)警。3.4.1 LCD1602液晶顯示1602液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、位數(shù)多、程序簡單的諸多優(yōu)點(diǎn)，頗受歡迎16。在本系統(tǒng)中使用的是字符型兩行16字液晶顯示器。在與單片機(jī)連接時(shí)使用接口電路（排針）相連，為并行通信。1602液晶顯示采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中引腳功能如表3-5所示。表3-5 1602引腳功能表編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2Data 1/02VDD電源正極10D3Data 1/

45、03VL液晶顯示偏壓信號(hào)11D4Data 1/04RS數(shù)據(jù)/命令選擇（H/L）12D5Data 1/05R/W讀/寫選擇端（H/L）13D6Data 1/06E使能信號(hào)14D7Data 1/07D0Data 1/015BLA背光源正極8D1Data 1/016BLK背光源負(fù)極1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有，阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，其中數(shù)字與字母同ASCII碼兼容。1602與微處理器的連接電路如圖3-8所示。圖3-8 LCD1602與單片機(jī)連接電路3.4.2 報(bào)警電路在微型計(jì)

46、算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或記過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值)則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。本設(shè)計(jì)采用蜂鳴音報(bào)警電路。蜂鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過單片機(jī)的1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)，在具體設(shè)計(jì)過程中，P2.5、P2.6口接晶體管基極輸入端。當(dāng)P2.5、P2.6輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)

47、通，壓電蜂鳴器兩端獲得約5V電壓而發(fā)聲；當(dāng)P2.5、P2.6輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。報(bào)警電路使用蜂鳴器聲音報(bào)警，電路連接圖如圖3-9所示。圖3-9 蜂鳴器報(bào)警電路3.5 電源模塊系統(tǒng)單片機(jī)，溫度采集，濕度采集，顯示及報(bào)警各部分均采用+5V USB供電，無線收發(fā)模塊采用3.3V電源供電。電源+5V到3.3V轉(zhuǎn)換電路如圖3-10所示。圖3-10 無線模塊+3.3V電源供電電路3.6 無線模塊發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫

48、入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10s，延遲130s后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動(dòng)應(yīng)答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)17。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX FIFO中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā)；MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí),若CE為低則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆

49、棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。 接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130s進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX FIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)18。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。NRF24L10的原理圖如3-11所示。圖3-11NRF24L10原理圖3.7 本章小結(jié)本章就系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中采用模塊化設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)系統(tǒng)的要求對(duì)各傳感器及單片機(jī)電路分別進(jìn)行

50、設(shè)計(jì)，最終再將其組合為一體。主控電路采用以STC89C52為核心的單片機(jī)電路，溫度傳感器采用數(shù)字型溫度傳感器DS18B20，直接與單片機(jī)的P2.7口相連；濕度傳感器為電容性傳感器，通過與555振蕩電路相結(jié)合得出頻率信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)，由軟件部分進(jìn)行處理得到濕度值。最終測(cè)量結(jié)果顯示在LCD1602顯示屏上，并判斷采集數(shù)據(jù)是否超出程序設(shè)定的上限報(bào)警值，如若超出報(bào)警上限則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，并將數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊和串口技術(shù)傳到上位機(jī)以便進(jìn)行對(duì)溫濕度的控制。第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序流程圖主程序的主要功能是負(fù)責(zé)讀出并處理DS18B20的測(cè)量溫度值，讀出測(cè)濕電路的結(jié)果，并將溫度及濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，判斷

51、是否超出上下限，如若超出則報(bào)警并向上微機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖4.2 溫度模塊程序設(shè)計(jì)溫度模塊主要包括DS18B20的初始化以及與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)處理， DS18B20的所有操作均從初始化開始，初始化過程如圖4-3所示。初始化的過程是首先由CPU發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖，復(fù)位脈沖的時(shí)間為480960us，然后由從屬器件發(fā)出應(yīng)答脈沖19。初始化是主CPU發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，將數(shù)據(jù)總線上的DS18B20復(fù)位，然后釋放總線，該總線位接收狀態(tài)。由于接有上拉電阻，在釋放總線是有1560us的時(shí)間間隙，在此之后的60240us時(shí)間內(nèi)，如果CPU檢測(cè)到總線為低電平的話，則說明DS1

52、8B20初始化完成。DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在DS18B20的兩個(gè)8B的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1，程序中對(duì)于溫度小于0的情況進(jìn)行的適當(dāng)?shù)奶幚?，并將在顯示中顯示所得溫度為負(fù)20。整個(gè)溫度采集過程如圖4-2所示。圖4-2 溫度采集圖4-3 DS18B20初始化4.3 濕度模塊程序設(shè)計(jì)濕度模塊主要是利用定時(shí)器

53、T0和T1對(duì)555的輸出頻率進(jìn)行測(cè)量，在該塊程序設(shè)計(jì)中，我們選取T0做定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間是50ms，而選擇T1做計(jì)數(shù)器，每當(dāng)T0定時(shí)時(shí)間到就讀取T1的計(jì)數(shù)值，然后將T1的計(jì)數(shù)值乘以20就可得到555芯片的輸出頻率，可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理進(jìn)而得到相對(duì)濕度值，濕度測(cè)量程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 濕度測(cè)量4.4 顯示子程序設(shè)計(jì)顯示子程序包括1602的初始化，以及對(duì)溫度和濕度值的顯示。初始化時(shí)第一行顯示“wend”，第二行顯示“shid”，然后根據(jù)溫度的測(cè)得值及其正負(fù)將測(cè)得溫度值和設(shè)定溫度值在第一行，并將測(cè)得的頻率值轉(zhuǎn)換為相對(duì)濕度值，并將其和濕度設(shè)定值顯示在第二行，顯示子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-

54、5 顯示子程序流程圖4.5 按鍵模塊程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用了四個(gè)按鍵，將加減設(shè)置按鍵接兩個(gè)外部中斷0和1上，當(dāng)外部中斷被觸發(fā)（即存在設(shè)定值設(shè)置）時(shí)，判斷是另外兩個(gè)按鍵是否按下（即判斷是溫度值設(shè)定還是濕度值設(shè)定），然后根據(jù)判斷的條件執(zhí)行設(shè)定值的改變。分別設(shè)置溫度的加減和濕度的加減，程序流程圖如圖4-6所示。圖4-6 按鍵程序流程圖4.6 無線收發(fā)模塊程序設(shè)計(jì)首先檢測(cè)過程中判斷蜂鳴器是否響起，即P2.5口或P2.6口若輸出為高電平，則啟動(dòng)NRF24L01的發(fā)送模式，向上位機(jī)部分的接收模塊發(fā)送溫度或濕度數(shù)據(jù)。發(fā)送具體程序流程圖如圖4-7所示。圖4-7 發(fā)送模塊程序流程圖本系統(tǒng)接收端用NRF24L01無線

55、模塊接收發(fā)送端傳來的溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)STC89C52將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值和濕度值。最后單片機(jī)把數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸給PC機(jī)，在PC機(jī)上顯示溫度值和濕度值。接受模塊程序流程圖如圖4-8所示。圖4-8 接收模塊程序流程圖4.7 報(bào)警子程序首先判斷所測(cè)得的溫濕度值是否超過設(shè)定的上限，如若超過所設(shè)定的上限則輸出高電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，如若未超過設(shè)定上限則輸出低電平不報(bào)警。報(bào)警部分程序流程圖如4-9所示圖4-9 報(bào)警程序流程圖4.8 本章小結(jié)本章主要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的程序流程圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)和說明，首先是主程序部分實(shí)現(xiàn)了溫濕度的采集，液晶形式蜂鳴器報(bào)警，數(shù)據(jù)的無線收發(fā)幾個(gè)功能，溫度采集部分主要對(duì)DS18B20溫度傳感器的初始化和數(shù)據(jù)采集過程詳細(xì)設(shè)計(jì)，濕度采集部分利用555振蕩器將電容質(zhì)的改變轉(zhuǎn)化為頻率通過程序顯示濕度，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過LCD1602顯示，對(duì)蜂鳴器部分采用高電平驅(qū)動(dòng)，高電平同時(shí)為無線發(fā)送模塊數(shù)據(jù)采集的啟動(dòng)命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能。結(jié)論溫度、濕度測(cè)量廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)、食品倉儲(chǔ)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)控制、