多传感器数据采集与传输电路设计毕业论文VIP

天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二一 年 月天津职业技术师范大学本科生毕业设计多传感器数据采集与传输电路设计Design of A Circuit for Multiple Sensors Data Acquisiton and Transmission专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学 院： 自动化与电气工程学院201 年 0 月摘 要在工业、农业和生活中，对温度和湿度数据的监测具有非常重要的实际应用。人们生活水平的改善和科技的不断进步，无论是农业还是工业或日常生活中对温度和湿度数据监测都有越来越高的要求。本课题的设计基础是基于 nRF24L01 通信模块的无线多路温湿度数据采集与传输电路系统的设计，主要应用于特殊环境或工农业现场的温湿度采集与监测。系统采用无线通信技术和无线温湿度传感器采集技术，利用无线数据的通信技术能够在很大程度上降低空间布线所带来的施工难度和施工成本。本系统选用 STM32 单片机作为主控芯片，系统包括无线数据通信模块，DHT11 温湿度传感器，LCD 液晶显示模块，蜂鸣语音报警模块，以及模拟继电器 LED 指示等外围电路。系统由主机-从机-从机的结构体系组成，主机系统可同时对多个传感采样节点进行数据的汇集。传感器节点通过从机将实时温湿度数据采集到单片机，经过数据运算再通过 nRF24L01 模块发送给主机，主机接收到从机的数据之后需要对数据进行测量和处理，与程序设定的上限值进行比对，判断监测传感节点的参数是否达到预警值，并对报警电路和模拟继电器模组进行相应的控制。最后经过实际的软硬件测试之后，本作品实现了 STM32 单片机采集多节点温湿度传感器数据，通过 nRF24L01 模块及特殊通讯协议进行一定距离的传输，最后在主机的LCD12864 液晶上显示出来的模型。关键词：单片机；nRF24L01；传感器；主机；LCD 液晶屏ABSTRACTIn the industry, agriculture and life, the monitoring of 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 requirements. 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 acquisition 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 use 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 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 receives 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 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；nRF24L01；Sensor；Host；LCD screenI目 录第 1 章 绪论 .11.1 引言 .11.2 课题的研究背景及意义 .11.3 国内外研究状况及发展趋势 .2第 2 章 系统总体设计 .32.1 系统总体方案设计 .32.1.1 系统功能 .32.1.2 系统方案 .32.2 系统各模块设计与选择 .42.2.1 温湿度传感器模块设计与选择 .42.2.2 无线数据传输模块的设计与选择 .52.2.3 电源的设计与选择 .52.2.4 单片机最小系统设计与选择 .62.2.5 显示电路设计与选择 .6第 3 章 硬件电路设计 .73.1 系统硬件组成 .73.2 CPU 主控模块 .73.3 温湿度传感检测模块 .83.4 无线数据收发通讯模块 .93.5 LCD 液晶显示模块 .113.6 蜂鸣语音报警模块及模拟继电器 LED 指示模块 .113.7 电源驱动模块 .12第 4 章 系统软件设计 .144.1 软件的总体设计 .144.1.1 发送部分 .144.1.2 接收部分 .144.2 部分软件设计 .154.2.1 传感节点温湿度检测的软件设计 .15II4.2.2 无线发射模块软件设计 .154.2.3 无线接收模块软件设计 .164.2.4 LCD12864 显示模块软件设计 .16第 5 章 系统的调试及实验结果 .185.1 调试步骤 .185.2 测试数据分析 .18结 论 .20参考文献 .21附录 A：作品实物图 .22附录 B：STM32F103C8T6 最小系统原理图 .23附录 C：无线收发模块电路图及 LCD12864 电路图 .24附录 D：主函数及无线收发部分程序 .25致 谢 .34天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计1第 1 章 绪论1.1 引言在现代测量控制系统中，均需要采集被测点传感器的数据，而且在数据的采集与处理过程中，往往都需要上位机对采集到的数据进行处理或加以统计。在检测点相对集中的地方，可以采用有线连接的通信方式进行数据的检测与收集。但是在一些特殊的环境下有线连接却不能满足实际需求。在测量点相对分散且分布不均匀的情况下，如果采用个有线数据采集的方式往往需要高昂的工程。例如具有腐蚀性的环境、无法在现场实施明线安装或者为了避免危险等许多特殊条件下，通过有线传输方式进行数据的采集，如通过 CAN 总线、MAX485 等方式等已经远远不能满足数据采集和传输的要求，如果采用无线数据通信的方式就体现出巨大的优势，因为无线数据传输不会受到地理环境、时间、季节、气候等外部条件的限制，具有相当广阔的应用和发展前景。1.2 课题的研究背景及意义由于社会的不断进步和工业生产的需求，采用无线数据通讯的方式进行传感监测节点数据的采集与传输已经广泛应用到我们的生活的各个方面。在一些工业现场的生产环境非常恶劣，工作人员无法长时间在现场观察生产设备的运行是否正常，此时就需要通过采集现场的某些运行数据并传输到一个相对较好的操控室，那么就会出现数据传输方式的问题。由于车间大、设备分布不均匀、需要传输数据较多，若使用有线数据传输的方式需要铺设大量的通讯线，不仅浪费资源，占用空间，而且可操作性差，若出现问题或设备位置变动，就会需要重新布线，操作非常繁琐，不仅费时费力，更加大了生产成本。而且，如果数据采集点是处于运动状态、所处的环境比较特殊不允许或根本无法铺设电缆时，甚至数据无法传输，此时就需要通过无线传输技术进行数据采集与传输。在农业生产上，无论是对温室大棚内不同位置点的温湿度监测，还是粮仓的大范围监测管理，传统方法都是通过人工进行分区取样的方法，不仅工作量非常大，可靠性差，而且温室大棚或粮仓的占地面积大，检测位置比较分散，检测点较多，使用传统的方法已经无法满足当前农业发展的需要。在当前的先进科技水平下，无线通讯技术的快速发展，使得远程无线温湿度采集测量的方法，不仅测量精确，而且简便易行。在日常生活中，随着社会的进步和人们生活水平的逐步提高，居住环境也逐渐天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计2变得更加智能化。现在很多的家庭都已经安装了室内温湿度采集控制系统，其主要原理就是通过无线通信技术采集室内环境的温湿度数据，并根据室内温湿度的情况进行遥控通风等安全操作，不仅可以自动调节室内温湿度，而且能够更好地改善人们的居住环境。以上简单列举了几个在实际应用场合的例子，在我们的日常生活中，无线温湿度采集与传输系统已经被逐渐应用于工农业的环境监测、军事国防和机器人控制等许多领域。目前在一些布线繁琐或不允许有明线的特殊场合都能够通过无线通信技术方案解决。因此，就需要设计相应的通信接口系统，来控制无线射频模块的工作，一边完成可靠并且稳定的无线数据通信系统。1.3 国内外研究状况及发展趋势近年来，伴随着计算机技术的发展，无线射频通信技术在近几年也得到了迅猛的发展，目前国内的无线射频技术也逐渐成熟，很多公司开研发出种类齐全的射频无线数据传输模块和芯片。并且这些无线射频芯片不仅传输速率很快而且灵敏度也很高。如今此类的射频芯片正向着集成化和微型化的方向发展，很大程度降低了使用成本，因此无线射频芯片在嵌入式产品的研发中具有非常大的应用前景。目前，国内外很多知名厂商都很重视无线射频芯片技术研究，以及更好的应用到射频芯片的嵌入式系统中。随着射频技术的快速发展，无线传输芯片的体积和尺寸也越来越微型化，功能也越来越丰富，加上辅助电路在性能上更加的优越，传输距离也越来越远，信号更加的稳定性，拥有更快点的传输速率和更强的抗干扰能力，特别适用于复杂的工业控制场合。目前 Nordic 公司已经成功推出一款 nRF24L01 芯片，同时国内很多公司也相继推出基于 nRF24L01 的无线传输模块。nRF24L01 无线通信模块是目前市场上应用较为普遍的无线收发器件，其工作频段在 2.4 GHz 至 2.5 GHz 之间。nRF24L01无线通信模块可以通过软件程序对通讯的通道及输出功率进行配置，不仅内部融合了 ShockBurst 技术，而且内部继承了多种功能模块，包括频率合成电路、功率放大器及振荡器和解调器等。nRF24L01 模块功率损耗特别低，在以-6dBm 的功率发射时，模块的测试工作电流在 9mA 左右；模块工作在接收模式时，也只有 12.3mA 的工作电流，该模块的掉电模式和空闲模式等多种低功率工作模式使节能设计更加方便。目前这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。目前无线射频通信技术已经在很多工业和农业系统中得到了广泛的推广和实际应用，对施工成本和系统稳定性都的到了很大的提高：例如无线数据远程监测