大棚温室环境监测系统设计.docx

大棚温室环境监测系统设计大棚温室环境监测系统设计专业名称：通信工程摘要随着改革开放的的发展，中国的现代化程度不断提高，中国的农业的发展必然走现代化农业这条道路，随着国民经济的飞速发展，我国是农业大国，农业研究和应用越来越受到重视特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。如何提高大棚温室作物的产量成为急需解决的问题，科学监控大棚内各项环境参数已成为现代农业发展的趋势。本设计运用c8051f340单片机、dht11温湿度传感器、tgs4160二氧化碳传感器、nrf24l01无线通信模块，设计了温度、湿度、二氧化碳浓度信息采集显示系统运用无线通信模块实现数据远距离传输，终端通过pc机显示。实现了温室大棚中温度、湿度、二氧化碳浓度的监测系统，解决了温室大棚人工经验评判的误差大、反应周期长等问题。该系统运行可靠，成本低。系统通过对温室内的温度与湿度参量的采集，并将获得参数即时显示到pc机屏幕上，达到了温室大棚环境参数的监测目的。为科学及时获取大棚内各项环境参数提供了精确有效的依据，借此及时改善大棚内环境条件，从而提高温室大棚的产量，带来很好的经济效益和社会效益。关键词:c8051f340单片机 nrf24l01无线通信模块 环境监测监测 - 48 -abstractwith the development of reform, opening up, and modernization of chinas increasingly, agriculture and modernization of chinas agricultural development must go this road, along with the rapid development of the national economy, china is a agricultural country, agricultural research and the application of more and more attention, particularly greenhouse has become an important component of efficient agriculture. how to increase greenhouse greenhouse crop production become pressing problems, scientific monitoring and control in greenhouse environmental parameters has become the trend of the development of modern agriculture. this design uses c8051f340 mcu, dht11, tgs4160, carbon dioxide sensor, temperature and humidity sensors nrf24l01 module wireless communication, design information capture and display of temperature, humidity and carbon dioxide concentration data long-distance transmission system using wireless communication modules, terminal through the pc display. in achieving greenhouse monitoring system of temperature, humidity, carbon dioxide concentration, solve greenhouse human experience issues such as error, long reaction period of evaluation. the system reliable, low cost. systems through the collection of parameters of temperature and humidity in the greenhouse, and will receive the parameters displayed on the pc screen, reaches the greenhouse environment parameters for monitoring purposes. timely access for science greenhouse environmental parameters within an accurate basis for effective, take this time to improve environmental conditions in the greenhouse, so as to improve the yield of greenhouse, bring a good economic benefit and social benefit.keywords:c8051f340microcontroller,nrf24l01radiocommunication ,environmental monitoring前言1.1课题的背景及主要内容随着改革开放的的发展，中国的现代化程度不断提高，中国的农业的发展必然走现代化农业这条道路，随着国民经济的飞速发展，我国是农业大国，农业研究和应用越来越受到重视特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中最重要的一环是对农业生产环境的重要参数进行检测和控制。在农业种植中，适当的室内环境与绿色植物的生长、发育、能量交换密切相关。合理的控制室内环境，绿色植物的光合作用将发挥很大的潜力，使农作物达到优质、高产、高效的栽培目的。大棚室内环境的监控在以温室大棚为代表的现代农业设施中发挥着巨大的作用。国外的温室设施已经达到了比较完备的程度，并且形成了一些标准，但是价格非常昂贵。在我国，当今对大多数温室环境因素的检测和控制都采用人工管理，这样不可避免测控精度低、劳动强度大，还存在测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，还没有达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展设施农业。对大棚中环境参数的科学管理是多种环境因素中极为重要的一部分，是高效农业必不可少的环节。目前，在我国蔬菜大棚的数量极多，并且还在迅速增长，人们对齐性能的要求也越来越高，对大棚的自动化程度也越来越高。由于单片机及其电子器件的性价比不断提高，我国这方面的技术也逐步成熟，这些要求都将可以实现。本文提出一种以c8051f340单片机为控制核心的环境见测系统，主要对温室大棚中温湿度、co2浓度进行有效、可靠的检测。该系统具有检测精度高、使用简单、成本低和工作稳定的特点。1.2国内外的应用现状及趋势1.2.1国外的研究现状 西方发达国家在现代化温室测控技术起步较早，借助其发达的科技力量，已实现了温室测控的自动化、智能化，并且应用到多个领域。1949年，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抵抗能力的基础及应用的研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用与西方农业生产，70年代以后荷兰、日本、美国、以色列等国家的温室技术迅猛发展，温室设计应用到农业生产、畜牧业和水产养殖多个领域。随着计算机和电子技术的飞速发展，近年来，温室大棚的自动监控和管理技术不断提高，在世界各地都得到了长足的发展。目前，国外的温室的内部设计已经达到了比较完备的程度，并且形成了一些标准。温室的各种环境因子大多有计算机集中控制，各种传感器都比较齐全和成熟，不仅对温度、湿度、co2浓度和光强进行检测，还可以对作物的营养液浓度等多种条件进行检测，各种控制技术也非常成熟，传感器和执行机构的结合程度非常高。一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化和无人化的方向发展。1.2.2国内的发展现状我国的温室技术起步较晚，20世纪70年代以前我国基本还停留的农业完全人工作业，70年代以后，国家大力发展以温室大棚为主的设施农业，促进农村经济发展和环节蔬菜季节性短缺的矛盾。经过20多年的发展，我国的温室大棚已经具有规模化、专业化、管理水平高的特点，但是我国设施农业的自动化程度不高，走科学种植的道路却要人工实现，全国大多数大棚不具有自动控制设备，这与我国的经济条件所决定。近年来我国大力发展农业现代化，一批生产自动化农业设施的厂家应运而生，但是现在这些设备还没有普及，原因又很多，农民自身知识水平不高不相信科学是一方面，经济水平也决定了我国的温室大棚自动化的道路任重而道远。总体上说，我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与西方发达国家相比还有一定的差距。而我国的综合环境控制技术的研究刚刚起步，目前仍停留在研究单个或者几个环境因素调控技术的阶段，而实际上温室环境中的温度、湿度、co2浓度、光强等环境因子，都是在互相影响、互相制约的状态下影响植物的生长的，环境因素的时间变化、空间变化都很复杂。因此，我国的现代化设施农业任重而道远。1.3选题背景 在人类的生活环境中，温湿度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度和湿度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温湿度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温湿度的因素。温湿度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。我国人多地少，人均占有耕地面积更少。因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。温室大棚技术就是其中一个好的方法。温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长不再产生过度影响，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的环境监测便成为一个十分重要的课题。传统的温湿度监测是在温室大棚内部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值了解实际温湿度，这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。另外俗称气肥的二氧化碳对农作物影响是双面的过高过低都会使作物生长受到影响，传统大棚种植经验缺乏对二氧化碳的关注。现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度监测措施就显现出很大的局限性。为温室大棚的建设对环境监测技术也提出了越来越高的要求。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。采用单片机来对温度、湿度二氧化碳浓度进行监测，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以及时科学、精确的监测到温室大棚内各项环境因素变化的技术指标，从而能够为及时调整、控制室内环境提供科学依据，大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。因此，单片机对温湿度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。因此，本课题围绕基于单片机的温室大棚环境监测系统展开了应用研究设计工作。1.4选题的现实意义随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温湿度控制措施.但是，目前应用于温室大棚的温湿度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、a/d转换器及单片机等组成的传输系统。这种温湿度度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。另外目前的监测设施的终端都设在棚附近查看数据不方便不便于集中管理。为了克服这些缺点，本设计采用数字传感模块采集数据、通过单片机处理后经无线收发模块实现数据远距离传输达到“遥感”的目的解决了上述问题。本系统能够对大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度进行采集，利用温湿度传感器、二氧化碳传感器将温室大棚内温度、湿度、二氧化碳浓度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，再由单片机去驱动无线收发模块，最后通过usb与pc机连接来显示温室大棚内的实际温度、湿度和二氧化碳浓度。这种设计方案实现了温湿度实时测量、显示。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对室内环境数据的实时监测，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。2 系统整体方案与硬件选择2.1本案系统概述本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性；温湿度传感器、二氧化碳传感器可以产生数字信号；无线收发模块可以实现数据无线传输的性能。此设计是以c8051f340单片机基本系统为核心，以无线数据传输为亮点的一套监测系统。其中包括温湿度监测、二氧化碳浓度监测、单片机、无线传输电路、usb传输电路、pc显示窗口设计、电源电路设计等。系统总体方框图如图2.1。图2.1 系统总体框图本设计由数据采集、数据处理、数据传输、数据显示死部分构成的。（1） 数据采集 由dht11、tgs4160组成；（2） 数据处理 由单片机c8051f340基本系统组成；（3） 数据传输 由单片机c8051f340和nrf24l01组成；（4） 数据显示 由usb、pc显示窗口组成。本系统中dht11是温湿度传感器采集大棚室内温度、湿度信息。输出数字信号。tgs4160是二氧化碳传感器采集大棚室内二氧化碳信息输出数字信号。c8051f340（i）单片机驱动dht11、tgs4160两个传感器进行信息采集并对采集到的信息进行处理，驱动无线发送模块nrf24l01将处理后的信息发送出去。nrf24l01（a）是无线发送模块对c8051f340（i）所给的信号进行发送前处理并在c8051f340（i）的驱动下将适合在信道传输的信号发送出去。nrf24l01（b）为无线接收模块其作用是在单片机c8051f340（ii）的驱动下接收、处理nrf24l01（a）所发送的信号。单片机c8051f340（ii）驱动usb线缆传输最后所得信息并驱动pc显示窗口显示实时监测数据。本系统电源模块为传感器、单片机供电，无线收发模块供电由单片机3.3v输出端提供。下面将一一介绍简单硬件基本资料和选择该硬件具体原因。（由于成本原因二氧化碳传感器用电位器代替）2.2单片机的选择2.2.1单片机概述单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器叶数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器(mcu)代替单片微型计算机(scm)这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。1、单片机的主要特点有:(1) 具有优异的性能价格比。(2) 集成度高、体积小、可靠性高。(3) 控制功能强。(4) 低电压，低功耗。2、单片机的主要应用领域:(1) 工业控制(2) 仪器仪表(3) 电信技术(4) 办公自动化和计算机外部设备(5) 汽车和节能(6) 制导和导航(7) 商用产品(8) 家用电器因此，在本设计的环境监测系统中，采用单片机来实现。在单片机选用方面，由于c8051f340系列单片机与mcs-51系列单片机兼容，所以，本系统中选用c8051f340单片机。2.2.2、c8051f340介绍c8051f340 器件是完全集成的混合信号片上系统型 mcu，下面列出了一些主要特性： 高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达48mips） 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） 通用串行总线（usb）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和 1k fifo ram 电源稳压器 真正10位200ksps的单端/差分adc，带模拟多路器 片内电压基准和和温度传感器片内电压比较器（两个） 精确校准的12mhz内部振荡器和 4 倍时钟乘法器 多达64kb的片内flash存储器 多达4352字节片内ram（256+4kb） 硬件实现的smbus/ ic、增强型uart（最多两个）和增强型spi串行接口4个通用16位定时器 具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（pca） 片内上电复位、vdd监视器和时钟丢失检测器 多达40个端口i/o（容许5v输入） 具有片内上电复位、vdd 监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的c8051f340/1/2/3/4/5/6/7 器件是真正能独立工作的片上系统。 flash 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。 片内 silicon labs二线（c2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品 mcu进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用 c2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个 c2 接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可在工业温度范围（-45到+85）内用 2.7v-5.25v 的电压工作。电源电压大于 3.6v时，必须使用内部稳压器。对于 usb 通信，电源电压最小值为 3.0v。端口 i/o和/rst引脚都容许 5v的输入信号电压。 c8051f340/1 /2/3/4/5/6/7 采用 48 脚 tqfp 封装或 32 脚 lqfp封装。2.2.3cip-51tm 微控制器核 1 与8051完全兼容c8051f340/1/2/3/4/5/6/7系列器件使用silicon labs的专利cip-51微控制器内核。cip-51与mcs-51tm指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。cip-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工uart、一个增强型spi端口、多达4352字节的内部ram、128字节特殊功能寄存器（sfr）地址空间及多达40个i/o引脚。 2 速度提高cip-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除mul和div以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24mhz。而对于cip-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。cip-51共有111条指令。下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系执行周期122/333/444/558指令数265051673121表2.2-13 增加的功能c8051f340/1/2/3/4/5/6/7 soc系列mcu在cip-51内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向cip-51提供16个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的mcu干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 c8051f340/1/2/3/4/5/6/7有多达9个复位源：上电复位电路（por）、片内vdd监视器（当电源电压低于vrst时强制复位）、usb控制器（usb总线复位或vbus状态变化）、看门狗定时器、时钟丢失检测器、由比较器0提供的电压检测器、软件强制复位、外部复位输入引脚和flash读/写错误保护电路复位。除了por、复位输入引脚及flash操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。在一次上电复位之后的mcu初始化期间，wdt可以被永久性使能。 高速内部振荡器在出厂时已经被校准为12mhz 1.5%。时钟恢复电路允许内部振荡器与4倍时钟乘法器配合，提供全速方式usb时钟源。内部振荡器还被用作低速方式下的usb时钟源。外部振荡器也可以与4倍时钟乘法器配合使用。器件内集成了一个低频振荡器，可以在功耗关键的应用中使用。器件内还集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、rc或外部cmos时钟源产生系统时钟。系统时钟可以被配置为使用内部振荡器、外部振荡器或时钟乘法器输出二分频。如果需要，可以在cpu运行时切换系统时钟振荡源。低频内部振荡器或外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许mcu从一个低频率（节电）的时钟源运行，当需要时再周期性地切换到高速时钟源。2.2.4 c8051f340结构1. 结构框图和系统框图 图2.2-2 c8051f340系统框图2、c8051f340的最小系统图 图2.2-3 c8051f340最小系统图c8051f340内部含有数字和模拟资源可以通过 40 个 i/o 引脚使用，每个端口引脚都可以被定义为通用i/o（gpio）或模拟输入。p0.0p3.7可以被分配给内部数字资源。设计者完全控制数字功能的引脚分配，只受 i/o引脚数的限制。这种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。不论交叉开关的设置如何，端口i/o引脚的状态总是可以被读到相应的端口锁存器。本设计采用的是单片机c8051f340，该芯片内部有12m的内部高频振荡器，在出厂时已经校准，所以不需外接晶振，本系统只有单片机的p4口有外接上拉电阻，其他的都不外接上拉电阻，p0.0p3.7可以通过跳过交叉端口来实现上拉。 2.3无线收发模块选择nrf24l01是由nordic出品的工作在2.4ghz2.5ghz的ism 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“schockburst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过spi 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。 极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dbm 时电流消耗为11.3ma ，接收模式时为12.3ma，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。2.3.1性能参数小体积，qfn20 4x4mm封装 宽电压工作范围，1.9v3.6v，输入引脚可承受5v电压输入 工作温度范围：-40+80 工作频率范围：2.400ghz2.525ghz 发射功率可选择为0dbm、-6dbm、-12dbm和-18dbm。 数据传输速率支持1mbps、2mbps。 低功耗设计，接收时工作电流12.3ma，0dbm功率发射时11.3ma，掉电模式时仅为900na。 126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要 增强型“shockburst”工作模式，硬件的crc校验和点对多点的地址控制 。数据包每次可传输132byte的数据。 4线spi通讯端口，通讯速率最高可达8mbps，适合与各种mcu连接，编程简单。 可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度 mcu可通过irq引脚快判断是否完成数据接收和数据发送。2.3.2兼容性nrf24l01 可以兼容nrf2401a、nrf24l01+、nrf24le1、nrf24lu1等无线模块。 nrf24l01+nrf24l01+（或称nrf24l01p）是nrf24l01的低功耗优化版，同时增加了250kbps通讯速率的支持。nrf24l01与nrf24l01+之间可互用代码（除极少部分需要修改外）和互相通讯 nrf2401anrf2401a与nrf24l01和nrf24l01+之间可完成相互通讯，前提是它们之间必须工作在相同的工作模式下。比如工作频率、传输速率、地址、数据包长度和crc校验方式。 nrf24le1nrf24le1、nrf24lu1也可以同nrf24l01之间完成通讯。通讯建立条件同nrf2401a。结合本系统实际情况本案选用nrf24l01无线收发模块。2.4温湿度某块选择dht11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个ntc测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个dht11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在otp内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。2.4.1 dht11性能供电电压：3.35.5v dc 输 出：单总线数字信号 测量范围： 湿度20-90%rh， 温度050 测量精度： 湿度+-5%rh， 温度+-2 分 辨 率： 湿度1%rh， 温度1 互 换 性： 可完全互换 ， 长期稳定性： 1%rh/年相对湿度和温度测量 全部校准，数字输出 卓越的长期稳定性 无需额外部件 超长的信号传输距离 超低能耗 4引脚安装 完全互换dht11温湿度传感器集成了温度传感器、湿度传感器，集成度更高，使用方便成本较低。很大程度上简化了系统设计流程。因此本案选用dth11温湿度传感模块。2.5二氧化碳传感器模块选择二氧化碳传感器是（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性可广泛用于自动通风换气系统或是气体的长期监测等应用场合。但是，由于的预热时间较长（一般为小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。此外，为了方便客户使用，-公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块。该模块采用微处理器进行控制，气体浓度的输出信号电平为，相当于的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。tgs4160传感器的主要技术参数如下：测量范围：；使用寿命：天；加热器电压：；加热器电流：；加热器功耗：；内部热敏电阻（补偿用）：；使用温度：使用湿度：；产品尺寸：最大外径，高，引脚长。tgs4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式co2敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，tgs4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的个引脚通过的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图所示。图中，阳极与传感器的第脚（）相连，阴极与传感器的第脚（）相连，加热器与传感器的第，脚相连，内部热敏电阻与传感器的第，脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。图1 tgs4160等效内部结构结合本设计实际情况本案选用tgs4160模块。2.6终端数据传输方案本案中终端数据传输是指数据接收终端（pc下位机）到显示设备之间的数据传输。方案一：采用串口传输方案二：采用usb线缆传输考虑到usb 接口设备的优点是即插即用、支持热插拔、传输速度快、可通过扩展连接多达127个 usb 设备，不用担心 usb 加密锁与打印机等外设的冲突。使用更方便。综合本案特点所以选用方案二采用usb传输数据。2.7终端显示方案本案中的终端显示是指本系统的实时监测数据显示。方案一：采用液晶屏显示方案二：利用pc机窗口显示显示pc机窗口显示具有造价低、使用方便、维护简单（比如可以多窗口显示便于系统集成等利于综合管理等）成本低廉等特点。综合考虑本案采用pc机窗口显示方案。2.8系统电源模块考虑到c8051f单片机的供电电压要求是2.7v4.2v，nrf24l01的供电电压要求是1.9 v3.6 v。为了尽量的节省成本提高电源效率和系统的低功耗。因此本方案采取以下供电方案 数据采集端采用as1117_3.3v稳压芯片为整个系统供电（包含24l01） 数据接收端采用usb_5v经as1117_3.3v稳压芯片为整个系统供电2.2.5 ad转换电路模块1、ad的原理及结构（此处dac改为adc）d/a转换器的作用是把数字量信号转换成于此数字量成正比的模拟信号，为单片机在模拟环境中的应用提供了一种数据转换接口。目前单片机使用的d/a转换电路多是以集成d/a芯片的形式出现的，其转换时间一般在几十纳秒到极为秒之间，转换精度按芯片位数分为8位，10位，12位，16位等。下文以adc0809简单介绍adc工作的原理adc0809是目前应用较为广泛的8位d/a转换芯片之一，单电源供电，从+5v+15v均可正常工作，电流建立时间为1us，cmos工艺，低功耗20mw，可双缓冲、单缓冲或直接数字输入。具有与微机接口简便，转换控制容易，使用灵活等优点。以下为adc0809与单片机之间的借口与时序操作图图5 从它的借口图与时序看到adc0809工作是需要接外部振荡器与门非门等外围器件，采用该方案会造成系统过于复杂增加系统成本降低抗干扰能力。加上其分辨率只有8位因此本设计方案中不采用该adc采用c 8051f 内部adc。2.2.6 c8051f内部adcc8051f系列内部都有一个adc子系统。除c8051f230/1/6之外由逐次逼近型adc多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成adc工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的8位10位或12位精度adc完全由cip-51通过特殊功能寄存器控制系统控制器还可以关断adc以节省功耗。其内部还有一个可编程增益放大器。可编程增益放大器增益可以用软件设置从0.5到16以2的整数次幂递增当不同adc输入电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时可编程增益放大器是非常有用的。 。 a/d转换可以有4种启动方式软件命令定时器2溢出定时器3溢出或外部信号输入允许用软件事件硬件信号触发转换或进行连续转换一次转换完成后产生一个中断或者用软件查询来判断转换结束在转换完成后数据字被锁存到特殊功能寄存器中对于10位或12位adc可以用软件控制数据字为左对齐或右对齐格式由上可知c8051f的内部adc最高分辨率为10为而adc0809只有8位而且采用内部adc无需复杂的外围电路设计加上其多种灵活的adc触发转换方式为系统的低功耗设计提供了可能，这种有点特别是对工作在复杂环境中的移动设备具有重要意义。2.3无线收发模块选择2.3.1无线通信技术介绍图2.3-53.短距离无线通信的特征低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三大重要特征和优势3。首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。其次，低功耗是相对其他无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在1毫瓦量级。短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米内，就可以称为短距离无线通信。目前几种主流的短距离无线通信技术包括：高速wpan技术；uwb高速无线通信技术，包括mb-ofdm、ds-uwb；wirelessusb是一个全新无线传输标准，可提供简单、可靠的低成本无线解决方案，帮助用户实现无线功能。因此低速wpan技术和ieee802.154zigbee，zigbee是一种低速短距离无线通信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、易建的低成本无线网络，强调低耗电、 双向传输和感应功能等特色。zigbeephy和mac层由ieee802.15.4标准定义。ieee802.15.4a是作为ieee802.15.4的一个补充，其物理层的标准可能采用低速uwb技术。蓝牙底层phy层和mac层协议的标准版本为ieee802.15.1，大多数标准的制订工作还由蓝牙开发小组sig负责4。rfid是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输性来实现对被识别物体的自动识别。rfid技术的发展得益于多项技术的综合发展，包括芯片技术、天线技术、无线技术、电磁传播技术、数据交换与编码技术等。一套典型的rfid系统有电子标签、读写器和信息处理系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识别对象的信息采集功能；信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。高速wpan，目前主要应用于连接下一代便携式消费和通信设备。它支持各种高速率的多媒体应用、高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。低速wpan，主要用于家庭、工厂与仓库的自动控制，安全监视、保健监视、环境监视，军事行动、消防队员操作指挥，货单自动更新、库存实时跟踪以及游戏和互动玩具等方面的低俗应用。2.3.2无线收发模块概述无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触rf智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。主要技术指标： 1。通讯方式：调幅am 2。工作频率：315mhz/433mhz 3。频率稳定度：75khz 4。发射功率：500mw 5。静态电流：0.1ua 6。发射电流：350ma 7。工作电压：dc 312v2.3.3nrf24l01概述 1.主要参数nrf24l01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 ghz2.5 ghz ism频段。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shockburst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nrf24l01功耗低,在以-6 dbm的功率发射时，工作电流也只有9 ma;接收时，工作电流只有12.3 ma，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。 nrf24l01主要特性如下： gfsk调制； 硬件集成osi链路层; 具有自动应答和自动再发射功能; 片内自动生成报头和crc校验码; 数据传输率为l mb/s或2mb/s; spi速率为0 mb/s10 mb/s; 125个频道： 与其他nrf24系列射频器件相兼容; qfn20引脚4 mm4 mm封装; 供电电压为1.9 v3.6 v。 2. 引脚功能及描述 nrf24l01的封装及引脚排列如图所示。各引脚功能如下： 图图2.3-6nrf24l01封装图ce：使能发射或接收; csn，sck，mosi，miso：spi引脚端，微处理器可通过此引脚配置nrf24l01： irq：中断标志位；vdd：电源输入端； vss：电源地；xc2，xc1：晶体振荡器引脚; vdd_pa：为功率放大器供电，输出为1.8 v； ant1,ant2：天线接口；iref：参考电流输入。 3.工作模式 通过配置寄存器可将nrf241l01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表所示。 表2.3-3：模式pwr_upprim_rxcefifo寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在txfifo寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101txfifo为空待机模式11-0无数据传输掉电0- 待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当fifo寄存器为空且ce=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。 在掉电模式下电流损耗最小，同时nrf24l01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。4.工作原理 发射数据时，首先将nrf24l01配置为发射模式：接着把接收节点地址tx_addr和有效数据tx_pld按照时序由spi口写入nrf24l01缓存区，tx_pld必须在csn为低时连续写入，而tx_addr在发射时写入一次即可，然后ce置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nrf24l01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址tx_addr一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，tx_ds置高，同时tx_pld从txfifo中清除;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(arc)达到上限，max_rt置高，txfifo中数据保留以便在次重发;max_rt或tx_ds置高时，使irq变低，产生中断，通知mcu。最后发射成功时,若ce为低则nrf24l01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且ce为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且ce为高，则进入空闲模式2。 接收数据时,首先将nrf24l01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和crc时，就将数据包存储在rxfifo中，同时中断标志位rx_dr置高，irq变低，产生中断，通知mcu去取数据。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ce变低，则nrf24l01进入空闲模式1。 在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。如下图，给出spi操作及时序图：图2.3-7spi读操作图图2.3-8 spi 写操作5.配置字 spi口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与spi相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nrf24l01的mosi输入。相应的状态和数据信息是从miso输出给mcu。 nrf24l0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过spi口访问。nrf24l01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表2所示。 表2.3-4：常用配置寄存器地址（h）寄存器名称功能00config设置24l01工作模式01en_aa设置接收通道及自动应答02en_rxaddr使能接收通道地址03setup_aw设置地址宽度04setup_retr设置自动重发数据时间和次数07st