基于无线传感器网络的温湿度监控系统的设计方案

1 基于无线传感器网络的温湿度监控系统的设计方案 题背景 温度、湿度是非常重要的物理参数，与人们的生产生活密切相关。温湿度测量及控制技术广泛应用于气象监测、食品仓储、工农业生产、工业控制、科学研究以及日常生活当中。目前市场上的温湿度监测系统多采传统的有线方式，必须在采集现场铺设大量的线缆用于传感器供电、信号传输以及数据采集。近年来，无线通信、微电子技术、传感器技术以及嵌入式计算等技术的不断进步，推动了低成本、低功耗无线传感器网络的发展，促使无线传感器网络成为当今活跃的研究领域 1。无线传感器网络由具有感知能 力、计算能力和通信能力的大量微型传感器节点组成，强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛。 基于需要监控的参数为温度、湿度两个物理量，因而设计低成本、低功耗、高可靠性、高安全性的无线传感器网络技术的检测系统是有必要的。无线传感器网络可监控室内不同点位的数据，通过传感器节点将环境监测所需的信息方便快捷的传到计算机。比如在档案室、图书馆等场所布置大量的传感器节点，并通过计算机监控和现实相关参数，同时实现上下限报警，控制空调等功能。这种监测系统有效地解决了传统有线方式的信号线，控制线，电源线混杂在一起，系统 运行时，容易受到传输距离、电磁干扰等因素的影响而变的不稳定，尤其是在测量点数较多或通信距离较远时，系统的不稳定因素会变得更加严重等问题。 题研究的意义 温、湿度是人们日常生活中接触最多的两个物理量，人们的日常生活、动植物的生存繁衍和周围环境的温湿度息息相关，石油、化工、冶金、纺织、机械制造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存储等领域对温、湿度也有着较高的要求 2。例如：烟叶和纸张是吸湿性极高的材料，卷烟生产的每一个阶段对温、湿度都有非常特别的要求，以确保所使 2 用材料的水分，保证生产的效率和产品质量；印 刷车间的温、湿度控制水平对印刷质量有很大的影响；为防止库存武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保持环境温度不能过高和干燥；而水果、种子、肉类等的保存又需要保证一定的湿度；在矿山、棉麻、塑料、粉末金属、食品生产加工等企业的生产车间（环境）中往往会产生大量的可燃或易燃粉尘，如果空气湿度过低，在一定的能量下，极易发生粉尘爆炸。随着科学技术的发展，许多新兴产业对环境提出了更高的要求：制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温湿度控制。因此，对温、湿度的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技 术要求。温、湿度检测与控制技术被广泛应用于人们的日常生产和生活当中，传感器无疑是测量与控制系统中重要的组成部分。但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆。众多的线缆不仅带来布线复杂的不便，而且存在着短路、断线隐患，成本高、易老化，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度。同时对于一些临时使用的传感器，搭接线缆十分不便。因此，寻找一种便捷的、能够满足数据通信要求的无线通信技术，以解除线缆搭接复杂的困扰，成为一个亟需解决的问题。无线通信技术与有线通信技术相比，有成本低、携带方便、不必穿墙钻孔布线、搭建网络简单快 捷等优点。特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输显得更加实用、高效、快捷。随着微处理器以及微电子技术的发展，数字设备以其抗干扰、功耗低、便于微处理器控制的特点，逐渐成为测控系统中的主流。 本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术结合，力图以现场设备的无线化来解决由线缆带来的诸多问题。 湿度传感器技术的现状及发展趋势 在后工业化时代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用，传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。传感器技 术是 2l 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键 3。从 20 世纪 80 年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从 20 世纪 80 年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。 21 世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展 4。 传统的温度测量是从金属 (物质 )的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它 的缺点是只能近距离观测，而且有毒。代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低。在电气时代主要发展了金属热敏电阻。如铜电阻、镍电阻、铂电 3 阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七百度。但它们的缺点是灵敏度低，当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。近年发展起来的有 测温器件。这类器件的优点是在 +150 范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且 易受外界幅射的影响，稳定性难以保证。石英晶体温度检测器的测 量精度较高，一般可检测到 ，可作标准检测之用。光纤传感器技术是本世纪 70 年代末发展起来的一门崭新的技术，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种 5。检测精度在 1 以内，测温范围可以从绝对 0 +2000 。 国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到 2%几年，国外湿度传感器有了较大的发展，特别是电阻式湿度传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传 感器上做出可喜的研究成果，这种传感器稳定性好、精度高、响应特性优，这是应当引以重视的技术动向 6。根据工业自动化控制的需要，国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发。 随着大规模集成电路技术和光通信技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展，发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。因此，今后一个时期传感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。传感器技术未来将向以下几个方面发展： 高精确度。为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能地高；小型化。很多测试场合要求传感器具有尽可能小 的尺寸；多功能集成化。研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向。有两种类型。一种是将传感器、放大器及温度补偿电路等集成在同一芯片上，减小体积，增强了抗干扰能力。另一种是在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件。例如温湿度一体化传感器，一个芯片可同时检测温度和湿度；数字化。为了使传感器与计算机直接接口，致力于数字式传感器研究是很重要的；智能化。这种传感器一般是计算机与传感器相结合的复杂系统。它兼有检测、信息处理、推理、联想和控制等各种功能，重点是具有逻辑功能，是传统传感器无法比拟的。智能 传感器的出现将是传感技术中的一次飞跃。 线传感器网络的国内外发展现状 基于 准的无线网路产品之间的互通性的无线网路通信技术，其特点为网络布置比较容易，数据传输速率高，应用范围非常广，功耗高，可靠性及安全性的相对较低，移动性差。蓝牙技术特点为传输距离较短，系统成本高，集成度大，节点少。超宽带技术的耗较低以及发射机和接收机的复杂度不高。红外线数据通信充分体现了移动终端所 4 要求的小体积、低功耗、低成本等优势，其最大的缺点就是只能两台设备同时进行通信，限制了它的应用范围。 术的低功耗，低传输速率，高连接设备数十分适合无线传感器网络的大规模组网，蓝牙技术虽然在传输速率上远高于 功耗和连接设备数的缺陷使得其并不适合应用于大规模的无线传感器网络中，而适合于个人设备的互联。 术实现了低功耗条件下的高速率传输，但目前只能点对点传输，欠缺组网能力，而且其产品化还处于起步阶段，并没有得到大规模的实际应用。 在 授权频段上 ,目前已经云集了蓝牙、 多个标准无线协议。具有带宽高（ 2双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线 技术范围），耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合 7。司等公司已成功推出 片， 球开发 段免许可证使用。同时许多公司也相继推出基于 无线传输模块。块是一款新型单片射频收发器件 ， 工作于 段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块 ,并融合了增强型 术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 耗低 ， 在以 功率发射时，工作电流也只有9收时，工作电流只有 种低功率工作模式 (掉电模式和空闲模式 )使节能设计更方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。 无线传感器网络可用于气象和地理研究，土壤空气变更监视、珍稀濒临野生动植物种群追踪研究、地质结构变化测量研究等。这些被密集布置在丛林中的传感器节点，能够在不破坏生态环境的同时，实时监测动植物生长复杂的微观环境因素，为科研人员研究生物行为提供科学准确的数据信息。无线传感器网络在军事科技及民防国防、自然生态环境观测、古建筑及文物保护、灾害预警及灾难救援、健康监测及医疗护理 、工业自动控制与检测、空间探索、智能家居、智能交通流量监控、智能电力系统、精准农业及水利等诸多领域存在广泛的应用前景和潜在的市场研发价值。在现阶段成熟技术的基础上，以下系统已成功地得到应用 8。其理论研究一直是国际信息领域的关注热点，其应用研究更是成为各大无线传感器产品生产厂商的竞争焦点。 课题研究的主要内容 由于一般博物馆，档案室的空间相对比较大，布置大量的数据线监控环境数据影响美观的同时又会带来安全隐患，针对这样的特殊环境，综合整理的相关资料，提出设计一种无线温湿度监控系统，有效解决布线困难等问题， 并可以实时监控数据。本设计中采用 片机，利用温度传感器 度传感器 行温湿度测量，并通过 5 示，如若温湿度超过设定上下限利用蜂鸣器进行报警，并将数据通过无线模块发送到上位机进行监控。实现了以下功能： (1) 档案室的温度、湿度实时测量功能。 (2) 将测量到的温、湿度通过液晶屏显示。 (3) 利用开关键设置温度、湿度的报警值。 (4) 实现温度、湿度超限报警功能。 系统方案设计 体方案设计 (1) 系统功能 实现对环境温度参数的实时采集；由单片机对各路数据进行循环检测，数据处理，储存并 显示；实现超限的及时报警；检测系统应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。通过无线传输模块，实现在档案室不同地点的温度、湿度检测并将数据通过无线收发模块上传到上位机。 (2) 技术指标 测温范围： 100 ； 测湿范围： 0 100% 测温精度： ； 测湿精度： H (3) 系统组成框图 系统主要有温度测量模块、湿度测量模块、显示模块、报警模块、无线收发模块 ，系统组成框图如图 2示。 D S 1 8 B 2 0 温 度 传 感 器H S 1 0 1 1 湿 度 传 感器N E 5 5 5晶 振 电 路复 位 电 路A T 8 9 C 5 2R n f 2 4 L 0 1 无 线 发 送模 块L C D 1 6 0 2 显 示蜂 鸣 器 报 警图 2统组 成框图 6 将数字温度传感器 集得到的数据和湿度传感器 集到的数据传输到单片机 信号输入端口。单片机将数据传递到上进行显示，并判断是否超过设置上下限（温度范围 14，相对湿度范围 45H）如超过则蜂鸣器报警，同时将温、湿度数据通过无线发射模块传到上位机进行监控。 器件的选择 片机的选择 一种低功耗、高性能 微控制器，具有 8K 在系统可编程 储器。使用 司高密度非易失性存储器技术制造，与 工业 80品指令和引脚完全兼容。片上 许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 有以下标准功能： 8k 字节 256 字节32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， 降至 0态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式 9。空闲模 式下， 止工作，允许 时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， 容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机实物图如图 2示。单片机的主要特性如表 2示。 图 2片机实物图 表 2要特性 主要功能特性 兼容 令系统 8K 可反复擦写 2 个双向 I/O 口 256部 个 16 位可编程定时 /计数器中断 时钟频率 07 2 个串行中断 可编程 行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 度传感器的选择 本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件 在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因： 测温范围为 +125 ，测温精度为士 ；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。由于 单总线器件，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。使测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化。由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。同时因为 全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维 护工作。 对于其他温度传感器有以下几方面特征。 独特的单引线接口仅需一个端口引脚进行通讯，每个期间有唯一的 64位的序列号存储在内部存储器中，简单的多点分布式测温应用，无需外部器件，可通过数据线供电。供电范围 温范围为 125 ，在 85 内精度为 5 ，温度计分辨率可以被使用者选择为 912 位，最多在 750将温度转化为 12 位数字，用户可定义的非易失性温度报警设置，报警命令识别并标志超过程序限定温度的器件。片封装结构如图 2示。 8 图 2芯片封装结构 度传感器的选择 容传感器，其工作原理是空气中的水分子透过多孔金电极被感湿膜吸附，使得两电极间的介电常数发生变化，环境湿度越大，感湿膜吸附的水分子就越多，使湿度传感器的电容量增加得越多，根据电容量的变化可测得空气的相对湿度。涉及如何将电容的变化量准确地转变为单片机易于接受的信号，采用将 于 555 振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被单片机所采集。 容传感器有以下几个显著特点 10。 (1) 全互换性在标准 环境下不需校正 (2) 长时间饱和下快速脱湿 (3) 可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸 (4) 高可靠性与长时间稳定性 (5) 专利的固态聚合物结构 (6) 可用于线性电压或频率输出回路 (7) 快速反应时间 相对湿度在 0% 100%围内；电容量由 162到 200误差不大于 2%应时间小于 5s；温度系统为 。可见其精度是较高的。其湿度电容响应曲线如图 2示 ， 湿度传感器的产品图片如图2示， 度传感器常用参数如表 2示。 9 20 40 60 80 相对湿度 % 2度 电容响应曲线 图 2品实物图 表 2用参数 参数 符号 参数值 单位 工作温度 40 100 储存 温度 40 125 供电电压 0 度范围 100 %10 焊接时间 =260 T 10 S 线收发模块 一款新型单片射频收发器件 ,工作于 段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块 ,并融合了增强型 术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。 耗低 ， 在以 -6 功率发射时，工作电流也只有 9 接收时，工作电流只有 12.3 种低功率工作模式 (掉电模式和空闲模式 )使节能设计更方便。 实物图如图 2示。 要特性如下 11： (1) 制 (2) 硬件集成 路层 (3) 具有自动应答和自动再发射功能 (4) 片内自动生成报头和 验码 (5) 数据传输率为 l Mb/s 或 2Mb/s (6) 率为 0 Mb/s 10 Mb/s (7) 125 个频道 (8) 与其他 列射频器件相兼容 (9) 脚 4 装 (10) 供电电压为 通过配置寄存器可将 置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式 ，如表 2示。 表 2种工作模式 模式 E 存器状态 接收模式 1 1 1 - 发射模式 1 0 1 数据在 存器中 发射模式 1 0 10 停在发送模式，直至数据发送完 待机模式 2 1 0 1 空 待机模式 1 1 - 0 无数据传输 掉电 0 - - - 章小结 本章首先是介绍了总体方案的设计，包括系统要实现的功能，系统要达到的技术指标和系统的组成框图，系统的组成框图中明确的注明了系统各部分使用的传感器和实现系统功能所需的模块。针对系统方案的整体构思选择 51 单片机作为微处理器， 度传感器为温度采集的感温元 11 件，湿度采集则使用 度传感器，并对传感器进行了相应的介绍，也对实现无线传感器网络的 片进行了介绍和说明。 12 第 2章 硬件电路的设计 处理器 单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。目前，可用于 51 系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资 源，开发出用于不同目的的各类应用系统。单片机最小系统是在以 片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测试的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。 引脚具体介绍 列单片机是新一代高速 低功耗 超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机。 片机的外形结构为 40 引脚双列直插式封装，其外部管脚如图 3示 ， 部管脚如图 3 图 3部引脚图 引脚含义具体介绍如下： 13 1. 主电源引脚（ 2 根） 电源输入，接 5V 电源 接地线 2. 外接晶振引脚（ 2 根） 片内振荡 电路的输入端 片内振荡电路的输出端 3. 控制引脚（ 4 根） 复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。 地址锁存允许信号 外部存储器读选通信号 程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 4. 可编程输入 /输出引脚（ 32 根） 片机有 4 组 8 位的可编程 I/O 口，分别位 3 口， 每个口有 8 位（ 8 根引脚），共 32 根。 （ 8 位双向 I/O 口线，名称为 1 口（ 8 位准双向 I/O 口线，名称为 （ 8 位准双向 I/O 口线，名称为 （ 8 位准双向 I/O 口线，名称为 晶振电路 片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器， 引脚 别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反 馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 位电路 单片机复位是使 系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后 000H，使单片机从第一个单元取指令。 列单片机的复位引脚 只要出现 10上的高电平，单片机就实现复位。硬件电路如图 3示。 14 图 3片机最小系统 度采集电路设计 测温原理如图 3示。低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减 法计数器 1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时， 对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 所对应的一个基数值。减法计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置 将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度 12。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，提高测量准确制度。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。 内部结构如图3示： 15 图 3部结构图 图 3度测量原理电路 要由 4 部分组成： 64 位 度传感器、非易失性温度报警触发器 置寄存器。 4 个主要的数据部件： 光刻 的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该地址序列码。 64 位光刻 排列是：开始 8 位（ 28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（ 8+4+1）。光刻 作用是使每一个 各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个目的。 的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例：用16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 ，其中 S 为符号位。 表 3不同温度对应的二进制和十六进制数。 斜率累加器 预置 减法计数器 减至 0 减法计数器 高温度系数 振荡器 低温度系数振荡器 温度寄 存器 减至 0 预置 计数比较器 16 表 3温度 +125 0000 0111 1101 0000 0785 0000 0101 0101 0000 0550h + 0000 0001 1001 0001 0191h +000 0000 1010 0010 00 0000 0000 0000 1000 0008h 0 0000 0000 0000 0000 0000h 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 55 1111 1100 1001 0000 者存放高温度和低温度触发器 配置寄存器：该字节各位的意义如表 3 表 3置寄存器结构 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1， 于设置 ，用户不要去改动。 0用来设置分辨率，如 表 32位）： 表 3辨率设置 0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9位 1 10位 0 11位 375 1 12位 750以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时 1 脚接地， 2 脚作为信号线， 3 脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线。采用寄生电源供电方式是 单片机接口电路如图 3示，图中， I/O 端口 过一个 外部上拉电阻与单片 机连接。本设计中 用外部电源方式供电，故 地。 17 图 3单片机接口电路 度采集电路设计 容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再 A/D 转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于 555 振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直 接被计算机所采集。 一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电路可达 200在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微妙到数小时。其工作电压范围为： 6V 。硬件电路如图 3示。 18 图 3 接电路 把 时接入电路中的电路设计原理图如图 3示。 路功能的简单概括为：当 6 端和 2 端同时输入为 “1”时， 3 端输出为 “0”；当 6 端和 2 端同时输入为 0 时， 3 端输出为 “1”时；在此电路中， 555 定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的 13。 当电源接通时，由于 6 和 2 端的输入为 “0”，则定时器 3 脚输出为 “1”；又由于 端电压为 0，故4 和 电，当 端电压达到 3/2时电路翻转，输出变为 “0”55 定时器内部的放电基极电压为 “1”，放电 通，从而使电容 过 内部放电行放电，当 端电压降低到 3/时器又翻转，使输出变为 “1”，内部放电 止，4 和 电，如此周而复始，形成振荡 14。 其工作循环中的充电时间为： （ 放电时间为： 输出脉冲占空比为： ）（ 524/()54q 式中： 表示一次循环输出高电平时间，单位（ s） 表示一次循环输出低电平时间，单位（ s） 示相对湿度下 容值，单位（ F） 为了使输出脉冲占空比接近 50%， 远远小于 外界湿度变化时， 端电容值发生改变，从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出 555 的输出频率，并根据湿度与输出频率的关系，即可求得环境的湿度。空气湿度通过 555 测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，典 19 型频率湿度关系如表 3示（参考点： 25 ，相对湿度： 55%，输出频率： 666015。由此可以看出，空气相对湿度与 555 芯片输出频率存在一定线性关系。可以通过微处理器采集 555 芯片的频率，经过数据处理可以直接以相对湿度的数据进行显示。相对湿度与频率的关系如表 3示 表 3对湿度与频率的关系 相对湿度值 /% 输出频率值 /对湿度值 /% 输出频率值 / 7351 60 6600 10 7224 70 6468 20 7100 80 6330 30 6976 90 6186 40 6853 100 6033 50 6728 晶显示及报警电路 本系统需要将测得的温度值和湿度值显示出来，并 判断其是否超出温湿度的上下限，若超出，则需要报警。 晶显示 1602 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、位数多、程序简单的诸多优点，颇受欢迎 16。在本系统中使用的是字符型两行 16 字液晶显示器。在与单片机连接时使用接口电路（排针）相连，为并行通信。 1602 液晶显示采用标准的 16 脚接口，其中引脚功能如表 3示。 表 3602 引脚功能表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 源地 9 1/0 2 源正极 10 1/0 3 晶显示偏压信号 11 1/0 4 据 /命令选择（ H/L） 12 1/0 5 R/W 读 /写选择端（ H/L） 13 1/0 6 E 使能信号 14 1/0 7 1/0 15 光源正极 8 1/0 16 光源负极 20 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ 经存储了不同的点阵字符图形，这些字符有，阿拉伯数字、英文字母的大小 写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，其中数字与字母同兼容。 1602 与微处理器的连接电路如图 3示。 图 3单片机连接电路 警电路 在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值 )则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。 本设计采用蜂鸣音报警电路。蜂鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机的 1 根口线经驱动蜂鸣器发声。压电式蜂鸣器约需 10驱动电流，可以用一个晶体三极管驱动，在具体设计过程中， 接晶体管基极输入端。当 出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约 5V 电压而发声；当 出低电平 “0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。报警电路使用蜂鸣器声音报警，电路连接图如图 3示。 21 图 3鸣器报警电路 源模块 系统单片机，温 度采集，湿度采集，显示及报警各部分均采用 +5V 电，无线收发模块采用 源供电。电源 +5V 到 换电路如图 3示。 图 3线模块 +源供电电路 线模块 发射数据时，首先将 置为发射模式：接着把接收节点地址 有效数据 照时序由 写入存区， 须在 低 时 连 续 写 入 ， 而发射时写入一次即可，然后 为高电平并保持至少10s，延迟 130s 后发射数据；若自动应答开启，那么 发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号 17。如果收到应答，则认为此次通信成功， 高，同时 清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据 (自动重发已开启 )，若重发次数 22 (到上限， 高， 数据保留以便在次重发； 高时，使 低，产生中断，通知后发射成功时 ,若 低则 入空闲模式 1；若发送堆栈中有数据且 高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且 高，则进入空 闲模式 2。 接收数据时，首先将 置为接收模式，接着延迟 130接收方检测到有效的地址和 将数据包存储在 ，同时中断标志位 高，低，产生中断，通知 取数据 18。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若低，则 入空闲模式 1。 原理图如 3示。 C S S D _ P A N T 11 2A N T 21 3V S V D N R F 2 4 L 0 1V D 1 0 n 1 n 2 2 p 2 2 1 1 6 2 2 p 2 . 2 n 4 . 7 p 3 3 n 1 . 0 p 3 . 9 n 8 . 2 n 2 . 7 n 1 . 5 p o m h , R F I / C S S S 理图 章小结 本章就系统的硬件电路进行了设计，在设计过程中采用模块化设计方法，即根据系统的要求对各传感器及单片机电路分别进行设计，最终再将其组合为一体。 主控电路采用以 核心的单片机电路，温度传感器采用数字型温度传感器 接与单片机的 相连；湿度传感器为电容性传感器，通过与 555 振荡电路相结合得出频率信号输入到单片机内，由软件部分进行处理得到湿度值。最终测量结果显示在 示屏上，并判断采集数据是否超出程序设定的上限报警值，如若超出报警上限则驱动蜂鸣器报警， 并将数据通过无线收发模块和串口技术传到上位机以便进行对温湿度的控制。 23 第 3章 软件设计 程序流程图 主程序的主要功能是负责读出并处理 测量温度值，读出测湿电路的结果，并将温度及湿度进行实时显示，判断是否超出上下限，如若超出则报警并向上微机发送数据。程序流程图如图 4示。 开 始初 始 化扫 描 键 盘测 量 温 湿 度显 示 温 湿 度结 束报 警 检 测发 送 数 据是否图 4程序流程图 度模块程序设计 温度模块主要包括 初始化以及与单片机之间的数据处理， 所有操作均从初始化开始，初始化过程如图 4示。初始化的过程是首先由 出一个复位脉冲，复位脉冲的时间为 480 960后由从属器件发出应答脉冲 19。初始化是主 出一个复位信号，将数据总线上的 位，然后释放总线，该总线位接收状态。由于接有上拉电阻，在释放总线是有 1560时间间隙，在此之后的 60240果 测到总线为低电平的话，则说明 始化完成。 的温度传感器可完成对温度的测量，用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 ，其中 S 为符号位。 12位转化后得到的 12 位数据，存储在 两个 8B 的 ，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1，程序中对于温度小于 0 的情况进行的适当的处理，并将在显示中显示所得温度为负 20。整个温度采集过程如图 4示。 24 开 始初 始 化 D S 1 8 B 2 0跳 过 读 R O 温 度 转 换初 始 化 D S 1 8 B 2 0读 取 温 度返 回 主 菜 单度采集 开 始D Q 置 高 电 平延 时D Q 复 位延 时 大 于 4 8 0 m 拉 高 电 平延 时 1 5 - 6 0 m 为 低 电 平结 束始化 度模块程序设计 湿度模块主要是利用定时器 555 的输出频率进行测量，在该块程序设计中，我们选取 定时器，定时时间是 50选择 计数器，每当 时时间到就读取 计数值，然后将 计数值乘以20 就可得到 555 芯片的输出频率，可进行数据处理进而得到相对湿度值，湿度测量程序流程图如图 4示。 25 开 始关 闭 读 计 时 满 50 T 0 ， T 1计 算 频 率度测量 示子程序设计 显示子程序包括 1602 的初始化，以及对温度和湿度值的显示。初始化时 第一行显示 “第二行显示 “然后根据温度的测得值及其正负将测得温度值和设定温度值在第一行，并将测得的频率值转换为相对湿度值，并将其和湿度设定值显示在第二行，显示子程序流程图如图 4示。 26 开 始1 6 0 2 初 始 化 设 置初 始 化 显 示温 度 值 转 换 A S C 码显 示 温 度 符 号 加 数 值T 1 计 数 值 * 2 0将 频 率 值 转 化 为 湿 度 值显 示 湿 度 值结 束图 4示子程序流程图 键模块程序设计 本系统采用了四个按键，将加减设置按键接两个外部中断 0 和 1 上，当外部中断被触发（即存在设定值设置）时，判断是另外两个按键是否按下（即判断是温度值设定还是湿度值设定），然后根据判断的条件执行设定值的 改变。分别设置温度的加减和湿度的加减，程序流程图如图 4示。 开 始外 部 中 断 引 脚 复 位P 0 . 0 = 1外 部 中 断 1外 部 中 断 0T s h e d i n g + 1 . 1 = 1T s h e d i n g - 1P 0 . 0 = 1H s h e d i n g + 1 . 1 = 1H s h e d i n g - 1键程序流程图 27 线收发模块程序设计 首先检测过程中判断蜂鸣器是否响起，即 或 若输出为高电平，则启动 发送模式，向上位机部分的接收模块发送温度或湿度 数据。发送具体程序流程图如图 4示。 开 始配 置 N R F 2 4 L 0 1 为 发 送 模 式复 位 D S 1 8 B 2 0开 始 温