《温度传感器》word版.docx

第1章 绪论 随着社会生产的不断发展进步,许多工农业生产过程以及民用场合都需要对环境的湿度进行检测并控制，比如粮仓、温室蔬菜大棚、通信基站、电力变电房、药厂、图书馆、博物馆等。 在当今的工业、电力行业中，为了保证社会的正常运作以及人民的正常生活，保证电气设备的正常运行至关重要。很多企业提倡对设备进行预防性的维护，而湿度是预防性维护中最重要的监控参数，湿度的过高或过低都可能潜藏着安全隐患。所以实现湿度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段。在传统的温湿度测量中分别采用温度传感器和湿度传感器采集温度和湿度信号并通过布置大量的电缆或导线进行有线传输。在多测点的情况下，这种方法无疑大大增加了成本和系统设计的复杂性同时安装拆卸繁琐不灵活，信号容易受到干扰。如今，对农业环境实施技术的认识已经增加到行业当中。无线独特的传感器节点可以减少用于监控环境所需要的时间和精力。数据日志允许数据减少、遗失或错放，并且，这些数据也允许安置在关键位置而不需要在危险情况下放置专门人员。 目前，无线数据通信的应用领域越来越广，遥控遥测、无线抄表、门禁系统、身份识别、非接触RF智能卡、无线标签、安全防火系统、生物信号采集、机器人控制等。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。所以在种种因素下，采用无线监测系统的优越性就体现出来了。 第2章 系统总体设计2.1 系统总体模块介绍本系统采用模块化处理，系统分为数据采集发送部分与数据接收显示部分。数据采集发送部分分为：数据采集模块DHT11、数据处理模块STC89C 51单片机、无线模块NRF24L01；数据接收显示部分分为：无线模块NRF24l01、显示模块LCD1602。2.2 各模块功能的简要介绍2.1.1 数据采集模块数据采集模块DHT11：为整个系统运行提供数据来源，在本系统中提供的是外界环境得到的湿度。DHT11是一种含有已校准的数字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。 DHT11引脚接口说明如下表所示：表2.1.1 DHT11引脚接口说明引脚编号引脚名称引脚说明1VDD供电接口35.5v2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4GND接电源负极2.2.2 数据处理模块数据处理模块STC89C51单片机：控制系统，具有驱动数据采集模块DHT11，使湿度数据能够顺利的读出来，并处理数据使之可以在LCD里面正确的显示，同时它通过串口连接了无线模块NRF24L01，使之将数据发送出去。本系统采用的控制芯片是由STC公司生产的51单片机STC89C51，单片机最小系统如图所示：图2.1.1 单片机最小系统 单片机最小系统，是指用最少的原件组成的单片机可以工作的系统。对于本系统来说，单片机最小系统由单片机、复位电路、时钟电路组成。 单片机是一种集成的电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能，可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路，集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 STC89C51单片机各功能部件介绍： 1、电源：（1）VCC - 芯片电源，接+5V；（2）VSS - 接地端。 2、时钟：XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3、控制线：控制线共有4根。（1）ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 （2）PSEN：外ROM读选通信号。 （3）RST/VPD：复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下,接备用电源。 （4）EA/Vpp：内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,施加编程电源Vpp。 4、I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。其中P3口具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号。2.2.3 时钟模块时钟模块DS12C887：时钟模块选用时钟芯片DS12C887。它将晶体振荡器电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块，其原理图如图所示。图2.1.2 时钟模块原理图 复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种方式，按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。而本次设计选择按键电平复位，按复位键后复位端通过电阻与VCC电源接通。复位电路电路图：图2.1.3 复位电路2.2.4 发送接收模块发送模块NRF24L01：具有通过转换将数据发送出去的功能。 接收模块NRF24L01：正确接收发送模块发送过来的数据，并将数据传送给上位机。nRF24L01是一款工业级内置链路层逻辑的2.4Hz超低成本的无线收发芯片，nRF24L01支持多点间通信,最高传输速率达2Mbit/s，比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SOC方法设计只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是nRF24L01没有复杂的通信协议，它完全对用户透明通过一个标准的SPI接口与外围控制器连接，同种产品之间可以自由通信，并且比蓝牙产品更便宜。所以nRF24L01是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。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Shock Burst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的封装及引脚排列如图所示：图2.1.4 nRF24L01封装图各引脚功能如下：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。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。 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。 表2.1.2nRF24L01四种工作模式模式PWR-UPPRIM-RXCEFIFO寄存器状态接收模式111发射模式1101数据在TX FIFO寄存器中发射模式21010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式1101TX FIFO为空待机模式210无数据传输掉电02.2.5 显示模块显示模块LCD：实时的将接收来的数据显示在上位机的界面里，从而达到监测的目的。显示模块采用的是液晶LCD1602。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。 液晶显示屏以点阵块组成，一个点阵块为一个字符位，内含主控制驱动电路、字符发生器ROM、具有64个字节的自定义字符RAM、具有80个字符的RAM、标准的接口特性。1602有4位数据总线和8位数据总线两种接口。4位数据总线使用DB4-DB7接口，8位数据先处理高4位后处理低4位，分两次写入和读出。微处理单元对1602进行读写时，数据寄存器和指令寄存器暂时存储数据，数据寄存器存储写入或读出的数据，指令寄存器存储未处理单元传来的指令。地址计数器用来存储地址，进行读写操作后，地址计数器计数用读操作读出。显示数据存储器可以存储80个字符码，字符发生器有5X8和5X11点阵字符，用户可以通过用户字符发生器制作5X8点阵字符。编写显示函数程序时要先初始化1602，液晶屏具体位置写入指令显示具体内容。表2.1.3 1602液晶显示引脚属性2.3 系统的总体实现思路 本系统通过数据采集模块温湿度传感器DHT11开始采集数据，经过单片机处理后，无线传输模块的发送端NRF24L01发送出去，之后，无线传输模块的接收端接收到信号并在LCD上将其显示出来，从而达到对外部环境的监测目的。晶振复位电路DHT11湿度采集模块nRF24L01射频模块LCD液晶显示模块单片机图2.1.5 各模块原理框图第3章 系统硬件设计无线湿度采集系统由发射端和接收端两部分组成，包括湿度采集模块、无线通信模块和处理器模块。温湿度传感器DHT11进行湿度信息采集，nRF24L01将采集到的湿度信息进行无线数据发送和接收，STC89C51单片机对数据进行处理。3.1 数据采集模块 由于传统的模拟湿度传感器需要将电信号转化成数字信号，这一过程不仅会导致检测到的信息发生轻微偏差，还需要增加A/D转换提高成本，为了保持数据的准确性和降低成本，本设计选择DHT11标准数字温湿度传感器进行湿度检测，直接采集湿度信息。图3.1.1 湿度采集模块电路原理图3.2 湿度采集系统的无线发射模块设计图3.1.2 无线湿度采集发射端原理图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下表所示。 表3.1.1 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07STATUS状态寄存器，用来判定工作状态0A0FRX_ADDR_P0-P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置接收接点地址1116RX_PW_P0-P5设置接收通道的有效数据宽度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。 图3.1.3 nRF24L01与51单片机连接图3.3 湿度采集系统的无线接收模块设计图3.1.4 无线湿度采集接收端原理图图3.1.5 无线湿度采集接收端电路原理图接收数据时将无线数传模块的状态由发射状态转换成接收状态,并通过天线将接收进来的射频信号经射频放大,与锁相环中的振荡信号一起送到混频器,下变频后的中频信号通过中频滤波器,中频放大器后送到调制解调器,以GFSK解调后的数