无线环境参数采集系统

福福 建建 师师 范范 大大 学学 应应 用用 科科 技技 学学 院院 学学 生生 论论 文文 论文题目： 无线环境参数采集系统 指导教师： 施文灶 学 号： 120352010011 姓 名： 陈玉兰 年 级： 2010 级 专 业： 电子信息工程 二 0 一四 年 五 月 十五 日 0 无线环境参数采集系统无线环境参数采集系统 应用科技学院应用科技学院 电子信息工程专业电子信息工程专业 120352010011120352010011 陈玉兰陈玉兰 指导老师指导老师 施文灶施文灶 【摘要摘要】本设计运用本设计运用 STC89C52STC89C52 单片机、单片机、DHT11DHT11 温湿度传感器、光敏电阻、温湿度传感器、光敏电阻、nRF24L01nRF24L01 无线通信模块设无线通信模块设 计了温度、湿度、光照信息采集显示系统。我们先输入一个数值，当实际测量的温湿度不符合预设的数值计了温度、湿度、光照信息采集显示系统。我们先输入一个数值，当实际测量的温湿度不符合预设的数值 时，超出限定的范围时蜂鸣器会发出报警信号实现报警功能。同时运用无线通信模块实现数据远距离传输。时，超出限定的范围时蜂鸣器会发出报警信号实现报警功能。同时运用无线通信模块实现数据远距离传输。 实现了温室大棚中温度、湿度、光照强度的监测。解决了温室大棚人工经验评判的误差大、反应周期长等实现了温室大棚中温度、湿度、光照强度的监测。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。问题。 关键词：关键词：单片机单片机 STC89C52，nRF24L01，ADC0832，DHT11 1 目录目录 【摘要】1 1、绪论.3 1.1 课题研究背景3 1.2 课题研究的意义3 1.3 国内外研究状况 3 1.4 课题设计的目的与内容 4 1.5 论文内容整体结构设计 4 2、系统总体方案设计.4 2.1 总体的设计方案4 2.2 总体流程图5 3、系统硬件设计.5 3.1 单片机 STC89C52 处理系统.5 3.2 温湿度模块设计 8 3.3 显示器 9 3.4 无线数据传输模块 9 3.5 光照度传感器电路设计 .10 3.6 报警系统设计 .11 3.7 键盘设计.11 3.8 复位电路设计.11 3.9 晶振电路设计 .11 4、系统软件设计12 4.1 参数采集系统.12 4.2 无线收发模块.13 4.3 按键扫描子程序 .13 5、总结14 参考文献.15 附录一 整个系统原理图.17 2 1 1、绪论、绪论 1.11.1 课题研究背景课题研究背景 在当今社会中，各个行业都在迅速的发展。特别是在进入 21 世纪之后，整个中国的经 济都发生了巨大的变化，人们的生活发生巨大改变。物质领域和精神领域在生活、医疗、 教育、服务等广泛领域都发生了极大的变化。其中对于环境温度和湿度的检测已经成为了 必不可少的一件事。不同的温湿度差异对人们所造成的影响也都各不相同，炎热的夏天容 易中暑，寒冷的冬天容易感冒等等也都不一样。为了使人们能够更清楚地了解温湿度变化， 国家采取了天气预报的方法。但这只是一种大范围性的估计，我们需要研究一种简单的、 方便家庭人们根据所显示的数据调整自己的环境温度，为了实现数据显示最好的生活环境， 这是一个社会发展中不可或缺的一步。 1.21.2 课题研究的意义课题研究的意义 由于时代的进步，人民生活水平大大提高，人们对生活环境的需求日益提高，而由于 温湿度差异所造成的影响对人们生活造成了很大的不便。为了检测温度和湿度对于生活环 境的的变化，这已经成为一个重要的研究方向。当人们可以对温湿度进行控制的情况下， 人们可以根据需要调整室内环境。 有必要研究温湿度的检测，它可以使人们正确认识自己的环境，同时也可以根据预测 环境的变化等等。具有重要的意义。 现在单片机和无线技术发展的越来越快，他们也在温室大棚环境监测中发挥着越来越 大的作用。但是，传统的应用于温室大棚的环境监测系统整体太过庞大，安装和拆卸很不 方便，同时易受干扰和损耗，测量误差也比较大。另外目前的监测设施的人机界面都设在 温室大棚附近，从而造成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1。 本系统能够对温室大棚内的温度、湿度、光照强度进行采集。利用温湿度传感器、光 敏电阻采集温室大棚内温度、湿度、光照强度信息，再使用无线收发模块将信息发送出去 并且进行显示。这种温室环境监测系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对室内环境参 数的实时监测，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广。 1.31.3 国内外研究状况国内外研究状况 在现代温室测控技术应用于实际方面，仍有许多国内外存在差距的，总体上的来说是 国外起步早，所以相对于其他国家发展较快，技术成熟、领先。国内由于较晚起步，所以 在技术方面还有很多值得改善的地方。 目前，国内温室自动控制在我国有两个研究方向，一是智能环境监控系统，它采用计 算机作为温室控制系统为核心，该系统为多变量输入/输出控制系统，温室中各环境参数检 测通过传感器模拟输出，并得到模拟输出量，经相应传感器转变成数字信号；二是温室自 动控制系统，基于单片机为主对温室环境进行自动监控与控制，单片机和计算机通过友好 的人机界面观测与远程控制温室内环境参数情况，系统可以实现采集温室内、外温度、湿 度、光照、土壤温度等环境参数值，并进行显示与存储2。 总的来说，在温室监测技术这方面，国内的水平跟国外的水平还是存在很大的距离的， 国内的技术还只是停留在对单个环境因素的监测和控制阶段，但是实际上呢，温室中各种 环境因素都是互相影响的。各种因素的变化也相当的复杂。所以当当监测单个因素是远远 不够的，所以在这方面，我们国家还是任重道远的。 3 1.41.4 课题设计的目的与内容课题设计的目的与内容 设计的目的是为了满足人们对于家居环境温湿度的不同需求，让人们可以清楚的了解 自身所处环境的不同状况并作出适当调整。 设计的内容主要是温湿度、光照度的检测。设计中采取了数字化的温度检测，当环境温 度发生改变时，湿度传感器和温度传感器也将同时发生变化、主要是其中的感应电阻会发 生阻值的变化，并通过电路将之转化为电压型号，再由 A/D 转换器变为数字信号送入单片 机中，通过无线模块的接收和发射端，在将信号送入单片机进行数据的过滤处理，再由单 片机将信号传出通过外部显示设备显示该温湿度。 1.51.5 论文内容整体结构设计论文内容整体结构设计 第一，简要介绍本课题研究的背景及意义、国内的现状和要实现的目标。 第二，介绍了系统各部分的软硬件的设计方案。 第三，介绍了组成系统的硬件各部分电路的设计 第四，介绍了组成系统的各部分软件的工作流程。 第五，着重介绍了整个设计所得出的结论与总结。 我本次的课题设计是采用 STC89C52 单片机作为核心控制器，温湿度 DHT11 模块构成的 温湿度检测控制系统。硬件电路主要包括 STC89C52 单片机、温湿度光强传感器、LCD1602 显示模块、nRF24L01 无线通信模块、报警器电路以及控制设备等 6 个部分构成。DHT11 和 光敏电阻作为数据采集部分的元器件，因为光敏电阻采集到的是模拟信号，所以还需要进 行信号转化，本设计采用 ADC0832 作为信号转化器，数据采集之后在利用无线传输模块 NRF24L01 将采集到的数据发送至上位机进行液晶显示，同时采用无线通信模块来实现远距 离的数据传输，达到无线传收的功能3。从而实现了对温室大棚里的温度、湿度、光照强 度的实时监测。 2 2、系统总体方案设计、系统总体方案设计 2.12.1 总体的设计方案总体的设计方案 MCU 单片 89C52 报警模块 A/D 转化 光照强度 采集 显 示 模 块 无线收发模块 显示模块 无线收发模块 键盘模块 温湿度采集 4 图 2-1 无线环境参数采集系统总体设计方案框图 2.22.2 总体流程图总体流程图 开始 温湿度采集 系统初始化 光照强度采集 液晶显示 无线发送无线接收 液晶显示 结束 图 2-2 总体流程方框图 单片机开始工作后，初始化定时器，初始化液晶显示器，然后进入定时中断，每隔 1S 定时扫描中断程序；温湿度传感器和光敏电阻采集当前环境的信息，读取报警数值，中断 返回，并且通过无线传输模块传输到上位机上进行液晶显示，液晶屏马上显示当前的温湿 度及光照强度，若按下复位按键，则调用复位子程序，否则液晶屏就一直显示当前的温湿 度及光照强度的数值，直到电源断开。 3 3、系统硬件设计、系统硬件设计 3.13.1 单片机单片机 STC89C52STC89C52 处理系统处理系统 将温湿度传感器 DHT11 连接到单片机的 P22 口以及将信号转化器 ADC8032 连接到单片 机的 P34，P35，P36 口，将刚刚采集到的温湿度信息输入到单片机内，单片机采用中断方 式对信息进行处理，并且进行显示以及来驱动无线发送模块。一个基本的 MCS-52 单片机通 常包括中央处理器、ROM、RAM、定时器、计数器和 I/O 口等各功能部件。单片机最小系统 主要有电源、复位、振荡电路以及扩展部分组成4。 5 图 3-1 STC89C52 单片机最小系统 STC 微处理器的性能特点微处理器的性能特点 1) STC89C52 是深圳宏晶公司生产的基于 51 单片机内核的第六代加密单片机。它兼 容 AT89C51 单片机的管脚，在此基础上具有性能稳定、驱动能力更强、功耗更 低、价格更低、烧录程序更方便的特点； 2) 使用 keilC 编程软件编写代码，使用方便，并且支持汇编； 3) 使用 stc-isp-v4.80 软件烧录程序可实现下载，不需要额外的编程器。 4) STC89C52 是一种低功耗、高性能微控制器，具有 8K 可编程 Flash 存储器4。 STC89C52 主要特性主要特性 8K 字节程序存储空间； 512 字节数据存储空间； 内带 4K 字节 EEPROM 存储空间; 32 位 I/O 口线； 看门狗定时器； MAX810 复位电路； 3 个 16 位定时器/计数器；即定时器 T0、T1、T2 4 个外部中断； 全双工串行口； 具有 EEPROM 功能； 可直接使用串口下载。 引脚功能说明引脚功能说明 VCC（40 引脚）：电源电压 VSS（20 引脚）：接地 STC89C52 单片机有 4 组 8 位的可编程 I/O 口，分别位 P0、P1、P2、P3 口，每个口有 8 位（8 根引脚） ，共 32 根。PO 口：是一个漏极开路的 8 位双向 I/O 口线，名称为 P0.0P0.7 作为输出端口；P1 口：是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口线，名称 为 P1.0P1.7， 此外 P1.0 和 P1.1 还可以作为定时器/计数器 2 的外部计数输入和定时器 /计数器 2 的触发输入； P2、P3 口：都是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口线，名 称分别为 P2.0P2.7，P3.0P3.7。 6 下面是各个口的引脚功能：下面是各个口的引脚功能： 表 3-1 P1 口引脚的功能5 表 3-2 P3 口引脚功能5 端口引脚第二功能 P3.0 RXD(串行输入口 ) P3.1 TXD(串行输出口 ) P3.2 INTO(外中断 0) P3.3 INT1(外中断 1) P3.4 TO(定时/计数器 0) P3.5 T1(定时/计数器 1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通 ) P3.7 RD(外部数据存储器读选通 ) RST（9 引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成 的复位初始化操作。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。 ALE/（30 引脚）：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位 地址的输出脉冲。 /VPP（31 引脚）：访问外部程序存储器控制信号。 XTAL1（19 引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2（18 引脚）：振荡器反相放大器的输入端。 TXD RXD ERROR TXD 3 RXD 2 CTS 8 RTS 7 DSR 6 DTR 4 DCD 1 RI 9 P1 COMPIM_PCB T1IN 11 R1OUT 12 T2IN 10 R2OUT 9 T1OUT 14 R1IN 13 T2OUT 7 R2IN 8 C2+ 4 C2- 5 C1+ 1 C1- 3 VS+ 2 VS- 6 U4 MAX232 C5 1uF C6 1uF C7 1uF C8 1uF VCC 图 3-2 单片机与 PC 机串口电路设计 3.23.2 温湿度模块设计温湿度模块设计 引脚号第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的重载/捕捉触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） 7 在温湿度采集部分，本设计采用的是 DHT11 温湿度传感器，该传感器有性价比高，测 量准确，稳定性高等特点。传感器包括一个 NTC 测温元件和一个电阻式感湿元件，并与一 个性能高的 8 位单片机相连接。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6。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。 图 3-3 DHT11 温湿度传感器 表 3-3 DHT11 引脚说明 pin 名称注释 1VDD 供电 35.5V 2DATA 串行数据，单总线 3NC 空脚，悬空 4GND 接地，电源负极 DHT11DHT11 性能：性能： 供电电压：3.35.5V DC； 输出：单总线数字信号； 湿度测量范围：2095%RH； 温度度测量范围：0 50； 湿度测量精度： 5%RH 温度测量精度：2 分辨率：湿度1%RH 温度17 图 3-4 温湿度传感器模块 3.33.3 显示器显示器 8 图3-5 LCD显示电路 对于本次设计，只要能直观地把温度湿度显示出来，而LCD1602 显示器不占用资 源，在设定阈值时更能简洁明了， 1602 能显示两行字符，恰好对应分配给温度和湿度， 故本次设计选择 LCD1602 为显示元件。 图 3-6 1602 显示器实物图 使用时，可将P0与LCD的数据线相连，P2口与LCD的控制线相连，其中，TC1602第4脚RS 为寄存器选择，第5脚RW为读写信号线，第6脚E为使能端。第714脚：D0D7为8位双向数 据线。 相反，因此在编写软件时需要做处理，使读取正确。 表 3-4 1602 各引脚说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1D7Data I/O9E 使能信号 2D6Data I/O10R/W 读写控制信号（H/L） 3D5Data I/O11RS 数据/命令选择（H/L） 4D4Data I/O12V0 LCD偏压输入 5D3Data I/O13VDD 电源正极 6D2Data I/O14VSS 电源地 7D1Data I/O15BLA 背光源正极 8 D0 Data I/O 16 BLK 背光源负极 3.43.4 无线数据传输模块无线数据传输模块 3.4.1 NRF24L01 的性能参数的性能参数 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 9 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 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8 3.4.2 各引脚功能各引脚功能 1) CE：使能发射或接收； 2) CSN，SCK,MOSI,MISO:SPI 引脚端，微处理器可通过此引脚配置 nRF24L01； 3) IRQ:中断标志位； 4) VDD:电源输入端； 5) VSS：电源接地端 6) XC1，XC2：晶体振荡器引脚； 7) VDD_PA:为功率放大器供电，输出为 1.8V; 8) ANT1，ANT2：天线接口； 9) IREF:参考电流输入。 图 3-7 NRF24L01 无线传输模块 图 3-8 NRF24L01 无线传输模块电路 3.53.5 光照度传感器电路设计光照度传感器电路设计 光强度是模拟信号，必须把模拟信号转换成数字信号，传送到单片机，再有单片机处 理数字信号，ADC0832 芯片在这里起到的作用就是模拟信号转换成数字信号 R6 4.7K R7 4.7K C4 1uF VCC 1.0 LDR1 LDR VCC CS 1 CH0 2 CH1 3 GND 4 VCC 8 CLK 7 DI 5 DO 6 U2 ADC0832 图 3-9 光照度采集电路 10 3.63.6 报警系统设计报警系统设计 在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的系统部位或参数，都设有 紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数 据通过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9。 本设计采用蜂鸣器电路。如果温度和湿度都没有超过或低于程序设定值时,蜂鸣器就不 会响.如温度和湿度没有在范围内,就会响。 3.73.7 键盘设计键盘设计 按键是用来设定温度、湿度上下限报警值，查看温度、湿度上下限报警值。主要有 3 个按键分别是功能选择键、上键、下键。 key_down key_set key_up S3 S1 S2 图 3-10 报警器电路 图 3-11 按键电路 3.83.8 复位电路设计复位电路设计 RST 引脚是单片机复位端，高电频有效。在引脚端输入至少连续两个单片机周期的 高电频，单片机复位。使用时，在引脚与VSS 引脚之间接一个 10K 的下拉电阻，与 VCC 引脚之间接一个约 10F 的电解电容，即可保证上电自动复位。 图 3-12 复位电路图 3.93.9 晶振电路设计晶振电路设计 单片机晶振的作用是为系统稳定提供周期性的时钟信号，一个晶振通常是一个系统共 用，以使系统各部分保持同步，有些通讯系统的射频和基频使用不同的晶振，而是通过电 子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频 11 率，可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的10。 C 3 30P C 4 30P 12 Y1 12M X 1 X 2 图 3-13 晶振电路设计 4 4、系统软件设计、系统软件设计 4.14.1 参数采集系统参数采集系统 计算机在完成一项工作时，必须按顺序执行各种操作。这些操作是程序设计人员用计 算机所能够接受的语言把解决问题的步骤事先描述好的，也就是事先编制好计算机程序， 再由计算机去执行。另外，一个有效率的控制系统还需要完善的算法，由算法绘制出相应 的流程图，这样根据流程图编制软件程序。根据温湿度监控系统功能，系统软件流程图如 下： 开始 光敏电阻采集 开启 ADC0832 转化后的数值 延时 INT0=1? N Y 开始 A/D 转化 结束 图 4-1 光照强度采集流程图 12 光敏电阻所采集的数据是模拟信号，我们要先进行数据处理，通过 ADC0832 对其数据 进行 A/D 转换，转换后的信号在送入单片机进行处理，最后通过显示器显示出数值。 4.24.2 无线收发模块无线收发模块 开始 初始化处理 器 配置 L01 为 PTX 结束 向液晶传数据 产生接收中断？ N Y 写发送数据 并开启发射 图 4-2 无线发射模块流程图 开始 初始化处理器 配置 L01 为 PRX 结束 向液晶传数据 产生接收中断？ N Y 开启接收数据 图 4-3 无线接收模块流程图 无线发送模块用来将传感器采集到的数据发送到上位机的无线模块中，达到远程无线 传送的目的。 无线接收模块用来接收下位机无线模块发送而来的数据，将其显示在液晶显示屏上， 能使本系统使用者远程监控温室中的环境信息。 4.34.3 按键扫描子程序按键扫描子程序 第一个键是功能选择键，按一次进入报警温度上限设置，此时显示上一次设置温度报 警上限值，进行上限温度设置。 按第二次，进行下限温度报警设置，此时显示上一次设置温度报警下限值。 按第三次，进行上限湿度报警设置，此时显示上一次设置湿度报警上限限值。 再按一次即第四次，进行下限湿度报警设置，此时显示上一次设置湿度报警下限限值。 第二个按键是增加键，可以对上限温度或下限温度进行增大调整。 13 第三个按键是减小键，可以对下限温度或下限温度进行减小调整。 开始 是否按下功能键 温度上限设置温度下限设置湿度上限设置湿度下限设置 调整温度 上限设置 调整温度 下限设置 调整湿度 上限设置 调整湿度 下限设置 保存数据 返回 图 4-4 按键流程图 5 5、总结、总结 本文实现了一种基于单片机的无线温室环境监测系统的设计，该系统具有功耗低、操 作简便、远程通讯等特点。综合利用单片机技术、传感器技术、数字电子技术等知识，完 成了单片机控制的温度、湿度、光强度和显示装置的设计。比较系统地介绍了硬件的组成 及设计方法。利用单片机 C 语言完成了系统软件的设计。 1. 把传感器技术应用到单片机控制系统中，实现了对温湿度的数据采集和监测。 2. 利用 LCD 液晶的显示技术完成了环境温度、湿度及显示电路的设计。 3. 外接了蜂鸣器报警模块，在超过设定温湿度上下限时自动报警。 4. 本设计可以外接调温调湿电器，把功能扩展延伸为实现对环境温湿度的控制。 本文介绍的系统设计有一定的实用性，但该系统在设计过程中还有很多漏洞。还需要 在智能化方面加以改进。特别是在提高稳定度和节省功耗等方面。 在设计该系统时，首先要考虑的就是传感器这个因素，因为传感器的好坏直接关系到 数据测量结果的准确性以及系统的稳定性。所以在温湿度测量方面我选择了 DHT11 温湿度 传感器，因为该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。而 且该传感器稳定性高，信号传输距离远，很适合这个系统的设计和开发。 在光照信号的采集方面，出于对成本的考虑，所以我就选用了，光敏电阻来代替光照 传感器，由于光敏电阻采集到的是模拟信号，所以还需要对其进行信号的转化，这里选用 了 ADC0832 对其进行信号的转化，将信号转化后的信号按强度分为 5 个等级来表示光照强 14 度。 参考文献参考文献 1 赵凯, 杨淑连.温室大棚环境参数无线监控系统J. 山东理工大学学报(自然科学版), 2010,33-40. 2 刘士光,等.无线通信技术在温室测控系统中的应用研究J.农业工程学报,2006,32-44. 3 卢超, 温室大棚无线温湿度监测装置的设计J. 农机化研究,2011,28-33. 4 蒋园园，宋良图农田远程数据采集系统的设计与实现J.自动化与仪表,2007(6),18- 19. 5 戴娟.单片机技术与项目实施.南京大学出版社M,2010.12（4）,142-159. 6郭天祥.C51单片机及应用系统设计M.北京：电子工业出版社,2009