酒窖无线温湿度测控系统之无线数传系统设计

合肥师范学院2015届本科毕业论文（设计）学号：1108441120本科毕业论文（设计）(2015届)酒窖无线温湿度测控系统之无线数传系统设计院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 陈浩 指导教师 刘栋材 讲师 2014年5月33摘 要现代生活中，温湿度与人们的生产、生活愈来愈紧密相连，同时也是现代信息化工农业生产中主要的环境条件。无论是发酵酿酒、存储粮食、蔬菜大棚、家禽孵化、蔬果保鲜等都需适宜的温湿度。随着现代化、智能化、信息化和人民生活水平的提高，传统的有线温湿度测控系统由于效率低，传输慢，成本高，劳动强度大等缺点，已逐渐无法满足大众的需要。把无线传输技术引入到酒窖、粮仓、大棚等中，工农业将逐渐地从依赖于人力为中心的生产模式转变为以信息和软件为中心的生产模式。实现粮仓、锅炉、温室等的自动信息采集、自动传输和智能控制,极大地提高劳动生产率和资源的出产率、改善了其设施内的工作环境和工作条件、提高了工作效率、保障了劳动人民的身体健康和人们的生活质量，对实现环保节约保护的可持续发展也具有重要意义1。温湿度控制系统的应用场合一般是元器件易老化、损坏生产系统，这就对环境的密封性、温湿度的稳定和系统的耐温、耐腐蚀性提出了较高的要求。现代大型酒窖中，所有的环境因子如酒窖中温、湿、气体浓度都由无线测控系统进行检测和自动控制，实现了高效率的自动化生产。本课题的研究目标是开发一款基于nRF24L01通讯的温湿度控制系统。本系统能够把酒窖内的温湿度和工作状态等数据实时远程无线传输和显示，具有一定的实际应用价值。关键词：酒窖；温湿度；无线传输；nRF24L01；AbstractIn modern life, not only the temperature and humidity and the production and life of people more and more closely, but also the modern information industry and agriculture production in the main environmental conditions. Both fermented wine, storage of grain, vegetable greenhouses and poultry hatching, fresh fruits and vegetables have to be appropriate temperature and humidity. With the modernization, intelligent, informatization and the improvement of peoples living standard, because the traditional cable temperature and humidity control system of transmission efficiency is low, slow, high cost, high labor intensity and other shortcomings, therefore is unable to meet the needs of the public.The wireless transmission technology is introduced into the cellar, barn, shed, etc. industry and agriculture will gradually shift from relying on human centric mode of production to the information and software centric mode of production. To realize the granary, boiler, such as greenhouse automatic information collection, automatic transmission and intelligent control, greatly improve the labor productivity and resource productivity, improved its facilities within the working environment and conditions, improve work efficiency, guarantee the peoples health and quality of life of people, but also has the important meaning to the realization of sustainable development of environmental conservation.1Application of temperature and humidity control system is easy to aging, damaged components production system, this system is stable and the sealing, the temperature and humidity of the environment temperature, corrosion resistance, higher requirements are put forward. Modern large wine cellar, all the environmental factors such as temperature, humidity, in the cellar of gas concentration by the wireless measurement and control system for detection and automatic control, realize the automation of production efficiency.The goal of this study is to develop a temperature and humidity control system based on nRF24L01 communication. This system can make the wine cellar temperature and humidity and the working state data real-time remote wireless transmission and display, has certain practical application value.Keywords: wine cellar; temperature and humidity; wireless transmission; nRF24L01;目 录摘 要IAbstractII目 录IV1 绪论11.1研究背景11.2 国内外研究现状11.2.1 温度测控研究现状11.2.2 湿度监测研究现状22 系统总体设计22.1 方案论证与比较32.1.1 控制模块32.1.2数据传输模块32.1.3 显示模块32.1.4 按键模块42.1.5 报警电路42.2 总体方案选择43 系统的硬件设计63.1 硬件电路总体设计思路63.2 硬件电路各单元的介绍73.2.1 单片机芯片STC89C5273.2.2 无线数据传输模块nRF24L0183.2.3 电压转换器LM1117113.2.4 LCD显示电路123.2.5 键盘电路123.2.6 报警电路134 软件部分的设计144.1 主程序144.2 LCD显示模块子程序154.3 nRF24L01发送模块子程序164.4 nRF24L01接收模块子程序175 联机与调试185.1 硬件仿真185.2 硬件调试19结论与展望22致 谢24参考文献25附录A：系统原理图26附录B：系统PCB图27附录C：系统源程序281 绪论1.1 研究背景随着自动化和信息化的发展，温湿度监控在工农业中的重要性越来越突出，近些年来，呈现出智能化、全自动化、分布式远程控制化等特点。在日常生产和生活中的各个领域，凡有自动控制需要的场合都会出现单片机；从简到繁，从地表到地底，从陆地到海洋，从地面到太空，只要涉及到现代化的地方几乎都有使用单片机的需求。单片机的应用有利于产品的微型化、功能化和智能化，能够提高生产效率，提高产品质量，改善生产环境，提高能源和材料的利用率等。单片机应用的意义并非局限与其带来的经济效益，而是其应用从根本上改变设计控制系统的传统的思想和方法。一般情况下，单片机应用的环境比较恶劣，电磁干扰、高低温、高湿度、高酸碱度等因素都会影响系统的可靠运行。另一方面，在没有工作人员监守的情形下的运行对单片机自动控制系统的稳定性和可靠性提出了更为苛刻的要求。因此，稳定性和可靠性在单片机的应用中尤为重要。在工农业生产中，温湿度、氧气浓度、光照强度等都是常用的被控参数。例如，在酿酒、冶金、机械制造、水力发电粮食存储和蔬果大棚等场合中，人们都需要对各类发酵炉、锅炉、仓库等的温度进行实时地监测和及时地控制。由于在工业生产中系统的运行环境日趋繁杂，现场环境，而以往传统的监测和控制已不能满足人们对现场环境参数的要求，基于这种形势，采取单片机实现现场实时的参数实施检测和调控的方式得到了较好的推进2。采用单片机控制系统不仅高效、适用性强等优势，还能大幅提高被控对象的参数的性能指标，进而达到显著地增强产品性能的目的。因此，利用单片机对现场环境的参数采集问题是一个工业生产中常遇到的。1.2 国内外研究现状1.2.1 温度测控研究现状 传统的温度测量是将温度计放置在测量点，然后根据需要读取温度，但是当监测点过多时，就会需要更多的人去记录数据，这种监测方法浪费了大量的人力，而且由于温度计的精度，人工读数等人为的因素，导致温度检测具有以下不足速度慢；精度低；实时性差3。随着科技的发展，由采样器、电阻式温度传感器以及用于数据转换的数模转换器等组成的监测系统与原有的监测方法相比，该测控系统具有检测速度快；可以针对每处测温点实施循环监测；精度高；降低了劳动强度等特点。但是该检测系统仍然存在着不之处，电阻式传感器的灵敏度不高，电阻的阻值易受温度、湿度的影响，导致该监测系统的精度、可靠性达不到相应的精度。21世纪初期，测控系统的软、硬件得到了改善和提高，集中体现为4：热电偶传感器和半导体传感器的出现；单片机的应用使数据传输及检测速度得到了提高；使用串行数据传输的方式；使用矩阵式的布线技术；运用软硬件的急速组合的方法。国际上新型温度传感器的变化趋势由模拟时代向数字时代，集成化到智能化以及网络化的方向发展。此时，我国也生产出很多与数字传感器相结合的产品，有远程控制模块、中继器等产品，产品的质量和技术都达到国际水平1。1.2.2 湿度监测研究现状最简单的湿度传感器是湿敏元件。主要有两种湿敏元件，分别为：电阻式，具有高灵敏度的优势；劣势是线性劣，产品交互性不好；电容式，具有制造方便、迅速响应、灵敏度好、湿度的低滞后、微型化和高度集成化便于实现等好处；缺点是灵敏度低5。近几年来，湿度传感器的发展在国内外都得到了很大进步，其中最主要体现在以下两个方面：湿度传感器渐渐地由分散式的元件组合到系统化、缩微化、友好化的趋势快步发展，对开发创造更高端湿度监控系统创造了前提条件；湿度智能补给、湿度智能调整等多项领先技术应用于湿度测量系统。本设计介绍STC89C52单片机为核心的酒窖温湿度测控无线数传系统，重点对关于酒窖温湿度测控的检控器件的硬件和软件设计进行讲述。通过nRF24L01进行通信实现无线传输，控制器能够对各个酒窖子模块进行控制的同时也可以和上位机进行通信，接受上位机的指令对各个子模块进行控制，并把采集的数据传给上位机。系统利用nRF24L01实现的无线控制通信方案，数据传输速率可达250Kbps1Mbps，实现对酒窖温湿度测控系统的可执行性、可靠性和稳定性的大幅提高。2 系统总体设计本次设计的内容是酒窖无线温湿度测控系统之无线数传系统设计，在设计过程中需要实现现场参数的测量和控制、数据传输以及数据管理，要求该系统可以自动测量温度并显示，根据温湿度设定值，能够有声音报警，并能自动启动或关闭加热器、加湿器以及降温器、除湿器等设备，能通过无线的方式传输采集的现场数据12。以下将对本次设计所选方案进行介绍。2.1 方案论证与比较2.1.1 控制模块本次设计的重点在于对现场温湿度的处理控制以及将从现场采集来的数据实现无线传输。方案一：应用PLC技术进行温湿度的测控PLC技术在当今科技领域的应用虽然非常广泛，但由于本次设计要求对采集的温湿度数据实现无线传输，并且由于无线通信的信道环境比较恶劣，可以实现的最高数据传输率往往会受到很大的限制，这样对所选元器件的要求就会很高，并且PLC的价格偏高，多适用于有线传输领域。方案二：采用STC89C52芯片实现温湿度的测控STC89C52是由STC公司出品的较低能量消耗但却具有较好的性能的CMOS8bit的单片机，其含有8K允许编写闪速存储单元。该芯片采用成熟的51内核，并进行较大的改善，使其具备一些特殊的功能，而这些又是传统的51单片机所不能直接实现的。在独个芯片中，含有8bit 中央处理器和允许编写的闪存单元，从而实现STC89C52能为大多数的缩微集成测控系统实施柔性好、效率高的解决方案。只需为其提供2.0伏特到5.5伏特的电源即可正常工作。2.1.2数据传输模块方案一：基于nRF401的无线数据传输模块nRF401由北欧公司研发出品的集无线收发于一体的微型芯片，运用蓝牙科技为中枢，该芯片中囊括多频道切换、PLL合成、高频发射与接收、FSK调制与解调等而仅有20个针脚。是一款为433MHZ ISM频段设计的单片无线收发芯片，它采用调制解调技术，最高的数据传输速率可达20Kbit/s。方案二：基于nRF24L01的无线数据传输模块nRF24L01是由Nordic公司出品的单芯无线收发芯片，工作于1.93.6伏特的电压下，24引脚,小体积，采用QFN24（55mm）封装，工作频率为全球免申请（ISM）的2.42.5G赫兹。nRF24L01内部电路主要有地址解码器、GFSK调制器、功率放大器、晶体振荡器、频率合成器等功能模块。可以使用三线的串行外设接口较便捷的设置工作参数。nRF24L01模块能耗非常低，在-6dBm发射数据时，运行的电流仅仅达9毫安；工作于接收模式时，电流仅12.3毫安；可通过两种低功耗状态(掉电、待机)较简便地实行节能设计8。2.1.3 显示模块方案一：LED串行接法采用数码管LED，用74LS164(带锁存)驱动实现四位数字显示，串行接法便于降低I/O口使用率，但需采用SIO，以便控制发送的数据。方案二：LCD1602数显接法采用LCD1602数显接法，可以直接与控制与转换数据的单个微处理芯片相连接，使用简便，显示可靠，且具有占用资源低的优势。由于该设计仅用一块单片机进行控制，资源有限，故选择方案二。2.1.4 按键模块传统概念上操作人员用于向工作系统中发出指令的多个按键的特定的组合实现特定功能的人机接口设备就是键盘。常用的键盘按工作方式的不同主要有两种（编码键盘、非编码键盘）。能够自动判断按下的按键并生成特定的代码的编码键盘，以串行抑或是并行的方式将代码发送给CPU。其作用过程主要是通过专用的硬件电路产生被按按键的键码和选通脉冲（中央为处理器的中断请求信号），用以通知CPU以中断方式接收被按按键的键码。这类键盘应用接口比较简单、使用较为方便、响应速度较快，但其中不足的是需要有专用的硬件电路，故一般不被微型计算机所使用。由软件完成键盘识别的非编码键盘，利用较为简单的硬件以及与之相适用的专用的一套键盘编码程序来判断按下的按键的位置信息，再通过中央处理器将位置代码转换为与之相对应的键值。虽然非编码键盘的键值识别运行速度低，但是其具有结构简单，按键自定义方便等优势。2.1.5 报警电路该设计采用的单频报警电路是单片机系统中相对而言的最为简单报警方案。此电路采用压电蜂鸣器作为发音元件，比电子电路式蜂鸣器耗电更少、结构更简单，仅仅需要在其端口加上3到15伏特的直流电压，即可产生3k赫兹左右的振荡音响，更加适用于单片机系统。2.2 总体方案选择综上所述，本次设计中将采用STC89C52芯片实现温湿度控制，采用nRF24L01实现无线通信，采用LCD1602液晶屏实现显示，采用非编码式键盘和压电式蜂鸣器实现人机交互及报警。具体设计方案如下。温度控制系统通电后，在温度检测电路没有工作状态下，主控制器未接收到任何数据，系统显示将自动清零。当任何一路温度检测电路工作（或几路同时工作）时，各温度检测电路会把该路温度显示出来，同时把所测得的温度发送给主控制器，主控制器将接受到的数据通过数码管显示出来。利用按键切换，主控制器可以分时显示各温度检测电路的温度12。另外，主控制器还可以设置任何合理的温度值，并把所设值发送到任一路温度检测电路上，或者同时发送到多路温度检测电路上，并且可根据需要对每一路温度检测电路设定不同的值。温度检测电路收到主控制器发出的指令后，当该路温度检测电路所监测的温度达到或超过该值时，温度检测电路就可以按照指令的要求来实现对各种电路的控制，从而实现远程温湿度测控，系统框图如图2-12-3所示（在此以两路检测电路为例）。在电参数仪的设计中，数据采集由DH11温湿度传感器和STC89C52单片机实现（由另外一名同学设计），对温湿度数据的发送与接收由nRF24L01无线模块实现。上位PC机主要执行数据处理与通信（包括单独的集成电路芯片之间的数据的串行传输以及多个单片机之间的的远程的数据传输），以及数据处理等工作11。集成电路芯片在运行过程中会以一定的时间为周期不断地向上位机传送采集转换所得的数字信息。一般情况下，作为主控制器的上位机距离检测数据的现场设备系统比较长，实现数据传输的通道现场环境较为繁杂，常伴有大容量的电器（如电动机，加热装置等）的启动或关断。为保证现场设备检测到的数据能够安全、及时地发送给主控制器，单片机和PC机之间采用nRF24L01实现无线数据传输方式较为合理10。无线数据传输系统总框图如图2-1图2-3所示。图2-1 无线数据传输系统总框图(1)图2-2 无线数据传输系统总框图(2)图2-3 无线数据传输系统总框图(3)3 系统的硬件设计对于该设计的硬件部分，在实现系统要求的基础上，力求简便、可操作性强。对于酒窖无线温湿度测控系统之无线数传系统，在设计中应尽量精简所需的单片机I/O口，如MAX1483与单片机的接法，LED串联接法等，这些接法不仅减少了I/O口的使用数量，而且增加了系统的稳定性，使系统更加安全可靠。本次设计的酒窖无线温湿度测控系统之无线数传系统是运用nRF24L01无线模块得以实现无线数据传输，利用STC89C52控制温湿度，采用X5045作为看门狗对其进行保护等等，以下是对系统硬件电路的各部分作详细介绍。3.1 硬件电路总体设计思路硬件设计总体框图如图3-1所示。图3-1硬件设计总体框图由图3-1可以看出硬件电路的设计主要分下面几个部分：单片机STC89C52对温湿度的控制部分，nRF24L01控制的无线数据传输系统，X5045实现的看门狗和存储重要参数，LM1117实现的5V转3.3V的电压转换功能，模拟输入和数据采集部分（此部分由另一同学负责设计，不再赘述），系统另外还设计了显示、键盘、报警等部分电路6。下面几节将详细介绍各个部分电路的设计。3.2 硬件电路各单元的介绍3.2.1 单片机芯片STC89C52STC89C52是由STC公司出品的较低能量消耗但却具有较好的性能的CMOS8bit的单片机，其含有8K允许编写闪速存储单元。与STC80C51系列芯片兼容。在独个芯片中，含有8bit 中央处理器和允许编写的闪存单元，从而实现STC89C52能为大多数的缩微集成测控系统实施柔性好、效率高的解决方案。STC89C52芯片首要特征性能参数:1）基于MCS51经典体系；2）32个可编程I/O接口；3）3个16bit的可编写定时单元/计数单元；4）全双工工作方式的可编写串行通道；5）8个中断源；6）低功耗空闲以及失电模式；7）8k字节可重复擦写(注：一般多于一千次)的闪速只读存储空间；8）2.0到5.5伏特的工作电压区间；9）全静态模式,钟表频率0-40MHz；10）2568bit内部RAM；11）串行数据通道可自定义编写；12）3级可编程加密位；STC89C52在温湿度控制系统中的接口如图3-2所示。其中，接入Vcc接口的电感、电容E1和C起平波滤波的作用，L为发光二极管，此外，由XTAL1、XTAL2组成的晶振电路等等。图3-2 STC89C52在控制系统中的接口电路功能特性概述：STC89C52供给如下的基本功能：8k byte的闪存空间，三个16 bit的定时/计数器，1个全双工串行通信口， 256 byte的内部随机存取存储器，1个6向量两级中断结构，32个I/O接口线，片内振荡器及时钟电路。并且，工作于静态逻辑操作状态时STC89C52低达0Hz，而且具有两种节能的工作模式可供选择。处于空闲运行方式时中央处理器将停止工作，然而串行数据通信接口、随机存取存储器，定时/计数器以及中断系统则不受影响，可正常进行工作。处于掉电运行方式下会保存随机存取存储器中的数据，然而会停止所有的其它的部件的工作，直到下一个硬件复位。STC89C52的引脚图如图3-3所示。图3-3 STC89C52引脚图因STC89C52的引脚及功能较多，不便赘述。而本设计并未全部涉及，故这里仅就本次设计所涉及到底引脚及功能加以概述如下：1）VCC:电源高电势端2）GND:电源地端3）P0口：P0口是一组8 bit 漏极开路型双向输入/输出端口（注：地址/数据总线复用端口）。作输出口为“1”时，作为高阻抗输入端，每位可驱动8个TTL逻辑门电路。在访问外部RAM或ROM时激活内部上拉电阻，分为不同的时时间段来转换地址和数据总线的重复使用。在对闪存进行编写时，P0端口接收指令字节。而在程序校验时，输出指令字节，并需要有外接的上拉电阻。4）P1口：P1接口是一个可驱动四个TTL逻辑门电路并且其内部含有上拉电阻的8位双向输入/输出接口。当将其用于数据输入口使，会输出一个电流（IIL）。5）P2口：P2接口可实现的功能与P1口相同，并且其使用方法和运行方式也与P1口相同。6）P3口：P3接口其基础功能与运作方式均与P1、P2相同。8）RST：复位输入。9）XTAL1：反相振荡放大器及时钟信号的输入端口。10）XTAL2：反相振荡放大器的输出端口。3.2.2 无线数据传输模块nRF24L011. nRF24L01的工作模式及设置无线数据传输相比与传统的有线数据传输具有一定的特殊的优势。首先，无线通信的数据传输速率较快；其次，无线通信设备在使用过程中无需连接通信线缆，简化了工作流程，降低了设备成本。该系统设计的核心是基于nRF24L01实现酒窖温湿度信息的无线数传。用nRF24L01模块实现数据的无线传输较为简便，主要工作模式有发送模式、接收模式、待机模式和掉电模式。主要通过外部中央为处理器控制其PWR_UP、CE和PRIM_RX三个引脚的组合状态来确定其工作模式，如表3-3所示。表3-3 nRF24L01的工作状态工作模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发送模式101数据在TX FIFO寄存器中发送模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式I1-0无数据传输待机模式II101TX FIFO为空掉电模式0-外界配置nRF24L01的内部寄存器，读写数据时必须把其置为掉电或待机模式。当系统对电流的消耗要求较为严格时可使待机模式为第一种状态待机模式。如果设置使FIFO寄存器为空及CE=1则该无线模块将进入第二种待机模式。无论nRF24L01处于何种待机模式工作，其都会将所有的配置字保留。nRF24L01处于掉电模式时是不工作的但并不会将配置寄存器中断数据清除。此时它的电流损耗也是下电流损耗最低的。nRF24L01应用电路的接法如图3-4所示。图3-4 nRF24L01应用电路2. nRF24L01模块的引脚nRF24L01模块的引脚分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。其中每一个引脚都有着其各自特有的功能，用以实现无线模块的正常运行和数据传输。功能说明如表3-4所示。表3-4 nRF24L01模块的引脚及功能引脚功能CSN芯片片选线，CSN为低电平芯片工作。SCK芯片控制时钟线（SPI时钟）。MISO芯片控制数据线（主入从出）。MOSI芯片控制数据线（主出从入）。IRQ中断信号。无线通信时MCU主要通过IRQ与nRF24L01进行通信。CE芯片模式控制线。在CSN为低的情况下，CE协同nRF24L01的CONFIG寄存器共同决定nRF24L01的状态。nRF24L01模块PCB及引脚如图3-5所示。图3-5 nRF24L01模块PCB3. nRF24L01的寄存器配置nRF24L01的配置字的操作都必须由寄存器来实现，然而所有的寄存器的配置操作指令又均需经由SPI接口才可以得到有效的传输。故而不得不对SPI接口实施合理的设置以便达到理想的通信效果。SPI接口：标准的同步串行通信SPI接口，最大数据传输率为10Mbps，一般我们常见的一些寄存器都可读取其中的数据流。SPI指令的设置：SPI接口每次执行指令都必须在CSN处于下降沿时才可。而在CSN为低电位时SPI接口则等待指令。SPI时序：在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。其中Cn表示SPI指令位，Sn表示状态寄存器位，Dn表示数据位（注：由低字节到高字节，高位在前）。图3-6 SPI 读操作图3-7 SPI 写操作4. nRF24L01无线模块的工作过程nRF24L01无线模块需要对外发送数据时，其工作过程为先把nRF24L01无线模块配置为发射模式，然后根据nRF24L01无线模块的工作时序从SPI端口将接收端的节点的地址TX_ADDR以及可实际应用的数据TX_PLD写入nRF24L01无线模块的数据暂时存储区域。其中对TX_PLD和TX_ADDR都有其特定的工作状态指示命令。要对TX_PLD执行写入操作必须使CSN端口是低电平，要对TX_ADDR执行操作时只需在发射时一次性执行命令即可，再者将CE端口加上多于10微秒的高电位，使数据等待130微秒后再发送出去。这样即可实现数据的无线发射。同时要使系统发射数据更为可靠可打开其自动应答功能。开启此功能后无线模块在发送完数据后会迅速转为接收数据的工作状态以便于接收应答指令。当收到应答指令后，则将原来模块中的数据清除进行新的数据发送操作；反之，如果没有收到应答指令则再重新发送上次发送过的数据直到达到预设的重发此时上限才继续执行新的数据发送工作并将未成功发送的数据保存已准备以后的再次发送。成功发送数据后如果模块的芯片模式控制线端口处于低电平则开启第一种空闲模式；反之，如果模块的芯片模式控制线端口为高电平则开启第二种空闲模式。nRF24L01无线模块需要接收从机发送出来的数据时,其工作过程是先把nRF24L01无线模块配置为接收模式，并且等待130微秒的时间为接收外来数据做好准备。如果发现了预设地址中有数据时便把地址中的数据进行接收并打包存入RX_FIFO中。之后在RX_DR端口加上高电平，使IRQ端口电势相较变低，发出中断操作指令以便让MCU到RX_FIFO中收集数字信息。为保证系统的可靠性会将自动应答功能开启。如果发送方接收到应答指令实施相应操作时接收方便会开启第一种空闲工作模式（注：所有向寄存器中存储数据操作均需在系统进入待机抑或是掉电的模式下进行）。3.2.3 电压转换器LM1117本系统由于无线模块的供电电压应为3.3伏特，故采用LM1117电压转换模块将通常的5伏特的单片机供电电压转换成3.3伏特供无线模块使用。该电压转换器通过外部电容、电阻等器件间接地能够达到1.25伏特到13.8伏特的宽电压输出要求但却与LM317（注：该型号为国家工业标准）转换器有着同样的针脚。LM1117在该系统中的接口电路如图3-8所示。（L2为信号指示灯，电感L1产生谐波）。图3-8 电压转换电路在电路系统中常常因电流过大或者是运行时间过长导致过热而导致系统中的电子元器件损坏，而采用LM1117模块可一次性解决所有这些安全隐患（注：LM1117内含电热和电流保护）。并且由于LM1117的特殊结构使其输出的电压较为稳定和精确。目前LM1117转换器已经推出多种封装形式，比如通常的SOT-223、TO-220、LLP等。LM1117使用起来也很方便可靠，只需在电压输出的一端加上一个不小于10微法拉的极性电容即可保证其输出高质量的电压。3.2.4 LCD显示电路本设计的显示模块采用的是被动式的LCD1602液晶显示器。其液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能够改变光线通过方向的特性，从而达到显示的目的。液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点，且由于其操作简单以及易于实现全彩显示的特点，而被广泛应用于手机、工业仪器仪表、移动电脑地等领域。9本设计中液晶接口电路如图3-9所示：图3-9 LCD显示接口3.2.5 键盘电路传统概念上操作人员用于向工作系统中发出指令的多个按键的特定的组合实现特定功能的人机接口设备就是键盘。常见有两种不同工作原理的键盘。一种是单个执行特定功能有多个组成一个完整的系统的键盘模块。另一种是矩阵式相互协作的键盘系统。其每一种键盘根据识别按键产生键值的方式不同又可以划分成可直接识别按键并产生键值代码的编码键盘和需结合软件完成编码和防抖的只能识别按键位置信息的非编码键盘两种7。本次设计由于模块空间的限制故采用无需外接专门的应用电路的非编码键盘。图3-10为本系统中中央处理芯片STC89C52对独立式非编码键盘的接口电路。图中的每个设定参数的按键均与主控芯片STC89C52的P3口连接。若没有按键按下时，中央处理器STC89C52的P3端口均为高电平；如果其中一个按键按下则与该按键相连接的端口降为低电平，即可被处理器扫描到并产生相应的键值代码用以执行下一步的工作。图3-10 独立式非编码键盘电路在图3-10中，每个按键拥有各自独立的专用键值输入接口线，每个按键的键值输入接口线与其他的互不干扰，但只有在先按下设置主控按键后另外两个数值增减按键才可执行相应的增减操作。故而可以降低由于误触按键导致设定值改变的机率，从而保证系统的可靠性。由于独立式按键每个都需要有其独用的出具传输接口线，故其占用接口资源较为严重，一般不适用于使用按键较多的基于微型单片机的自动控制系统。但此种按键的结构相比较而言特别简单并具有用户可自行随机定义功能的优势。综合以上所述，结合此次设计的数据无线传输系统所需按键较少故而该设计系统中采用这种独立式的键盘。3.2.6 报警电路在第2章的方案比较中已经确定本次设计采用单频音报警器，它的接口电路如图3-11所示。图3-11 报警电路在图3-11中，只要有10毫安左右的电流即可保证压电式蜂鸣器正常工作。因此，使用三极管加5伏特的电压并且并联一个电阻用于驱动蜂鸣器。当P26对应端口有高电平时三极管导通蜂鸣器工作与此同时发光二极管发光警报，否则蜂鸣器以及报警信号灯都不工作。4 软件部分的设计4.1 主程序远程温度传感器的设计思路，因为硬件设计相对比较简单，操作方便，实用性强。由于本系统采用了nRF24L01无线收/发芯片的微机串口通信主要有系统的初始化、串口的无线发送、串口的无线接收、地址的校验、温湿度控制的设定、温湿度的检测以及温湿度的显示14。对于整个系统，组成其的每一个功能实现模块都是有着举足轻重的地位。微型中央数据处理芯片STC89C52只有通过合适的运行代码程序才能实现系统所需要的功能，才能更好地对外部的传感器以及按键发送来的数据或指令实施准确的分析、决策并指令外部传感器模块采集系统最需要的实时数据信息。本系统的软件设计流程如图4-1所示。图4-1 系统总流程图4.2 LCD显示模块子程序LCD1602显示模块必须要先扫描该模块的工作状态标志位，如果工作状态标志位显示该模块正处于忙碌状态则执行显示操作，显示预设显示地址中的字符，否则不执行操作。因而LCD1602液晶显示模块显示过程较为缓慢，但由于LCD1602显示稳定，使用较为便捷（可与中央微处理芯片STC89C52直接连接）且该系统对显示效率要求不高故采用之。LCD显示模块的软件流程如图4-2所示。图4-2 显示流程图4.3 nRF24L01发送模块子程序发送子模块部分实现思路如下，先初始化DHT11，从DHT11读出温湿度（DHT11默认采用8位二进制），将得到的温、湿度值的二进制代码转化为十进制的数值，选择温、湿度数据组中的整数部分送到对外发送数据的数组中。再将nRF24L01执行初始化操作，即可将实时的温湿度信息发送出去。之后再执行延时以及初始化以继续进行下一次采集发送，其流程如图4-3所示。图4-3 发送流程图4.4 nRF24L01接收模块子程序接收子模块部分设计思路与发送端相似，工作之前先初始化nRF24L01无线模块。初始化之后再判断是否有收到中断指令，若接收到中断指令则立即从FIFO_ buffer中读取二进制的数据代码，并将其转换成十进制的数字信息通过单片机在LCD屏上显示，其流程如图4-4所示。图4-4 接收流程图5 联机与调试5.1 硬件仿真因本设计中所用到的部分模块（nrf24l01无线模块），在仿真软件Proteus库中没有，故这里的仿真只针对与测试lcd1062是否可以显示，按键设置模块可否进行设定，报警电路可否运行。经仿真测试这些部分确可工作，其仿真电路如图5-1。图5-1 部分功能测试仿真5.2 硬件调试本系统由一个从机采集发射机和主机接收显示机组成。从机主要由温湿度采集模块、数据处理模块以及数据发送模块组成。从机中的黑色按键是用来复位从系统单片机从而实现从系统的数据采集复位重新采集。由于STC89C52与nRF24L01模块所需的供电电压不同，故在系统中增加了LM1117电压模块转换出3.3V电压供无线模块使用。同时使用该模块还可以起到对系统元器件的保护作用防止因电路过流从而导致元器件的损毁。该板块有两个LED指示灯，较小的是电源指示，较大的是数据发送指示。从机板块的正面及背面背面走线如图5-2所示。图5-2 从机正面及背面走线图按下从机模块中的白色按键接通电源，此时电源指示灯点亮，系统开始工作。蓝色元件为DHT11温湿度传感器，由它检测酒窖中实时的温湿度数据传送给中央微处理器，转换处理后送至无线模块将数据发送给主系统。当无线模块处于发送状态时数据指示灯会点亮，发送完毕后指示灯将自动熄灭。从机系统运行状态如图5-3所示。图5-3 从机运行状态图主机部分主要由数据接收模块、数据处理模块以及显示与报警模块组成。主机部分有四个黑色按键。单独一个的用于单片机复位，下面三个依次是设定值“”、设定值“+”，设置模式及移位。该板块同样也使用了LM1117电压转换模块，还有三个LED与一个蜂鸣器。其中较小的是电源指示灯，与蜂鸣器一起的是报警指示灯，在无线模块旁的是数据接受指示灯。主机板块的正面及背面走线如图5-4所示。图5-4 主机正面及背面走线图按下主机模块中的白色按键接通电源，此时电源指示灯点亮，系统开始工作。当接收到从机发送来的温、湿度数据时接收指示灯点亮，接收结束后指示灯将自动熄灭。主机系统运行状态如图5-3所示。图5-3 主机运行状态图主机板块对温湿度的上下限进行设定时，只有当先按下设置键后才可对设定值依次进行调整。在进入设定设置界面后可分别移位设置温湿度的上下限。例如要对温度上下限设定，其操作步骤如下：按下设置键按增减键设定温度上限按下设置键按增减键设定温度下限再按三次设置键退出设置界面即可。（处于设置状态的参数前冒号下有以横线闪烁用以突出显示）设置界面如图5-5所示。图5-5 温度上下限设置当主机和从机同时处于工作状态时从机便可以把采集到的数据发送给主机并被主机接收显示。如此主机与从机同时协调工作即实现了温湿度检测无线数据传输系统。整个系统运行如图5-6、图5-7。图5-6 系统发送状态图图5-7 系统接收显示状态图为了验证系统是否可以正确对温湿度进行显示和报警，从而对系统做了下面的一些测试。刚开始我想到的直接更改设定的上下限使当前的温湿度不再范围内，这样便可以了。后来仔细想想这样做有一个不足之处，那便是无法判定检测模块是否对环境的温湿度有较好的响应能力，从而改变了测试方案。首先设定合适的温湿度上下限使系统不产生报警（温度：1425，湿度：30%rh50%rh）。在用手贴在传感器的背面，这样既可以增温又可以尽可能地减小对湿度的影响。当温度达到预设值上限蜂鸣器便产生报警并且报警指示灯闪烁。温度测试结果如图5-8所示。图5-8 温度测试图温度从测试结束后等待恢复后再开始对系统针对湿度进行测试。湿度的测试就比较简单了，只需对着温湿度传感器哈气即可。由于水蒸气是有温度的故不可避免的会影响到温度数据。好在当对着传感器哈气的距离只要不是太近，影响还是在可接受范围内的。湿度测试结果如图5-9所示。图5-9 湿度测试图结论与展望本设计实现的是利用nRF24L01无线技术完成远程温湿度测控的无线数据系统，。此次设计的是一个自动化技术与生活生产紧密结合的课题，以STC89C52 单片机为核心的嵌入式控制器，底层的温湿度传感器收集到的数据先存入数据存储器，然后由中央为处理器处理打包送至无线模块，再将数据包发送给主机。主机在接收到数据包后处理显示。并在主机上加有按键，可设置温湿度范围实现温湿度报警的功能。该系统的结构合理，经济实用，具有较高的推广价值。在设计中由于采用了STC89C52单片机，性能可靠电路简单，适于批量生产；而且，系统中还可充分利用STC89C52中未用到的软件硬件资源，系统有再开发性。在此次设计过程中，遇到过很多困难，如对STC89C52等芯片的介绍，所查的资料全是英文版，这给设计工作带来了一定的困难，而且对许多的专业术语、词汇不甚了解，翻译工作进展很慢，最后在老师以及研究生的指导下，才得以解决，比较其功能、特点，才逐步有了自己的设计内容。在这段时间的研制设计工作中，这从一定程度上说使本人获得了实际的工程应用技术研发方面既丰富而又宝贵的经验，并加深了对理论知识的认识和理论联系实际的应用能力及设计实践动手能力。致 谢此次毕业设计的完成，首先我要感谢的是老师以及帮助过我的同学，你们在我遇到困难的时候给了我设计的思路与建议，在此，向你们表示忠心的谢意！没有你们的默默支持，我难以取得预期的成果。互相学习是学习的最佳捷径，此次毕业设计我深有体会。在这次的设计制作过程中多数同学给了我很大的帮助，教给我一些实际设计的经验，在此表达我对他们衷心的感谢！自从步入大学的校门，老师们就为我们的学习和发展付出了宝贵的时间和辛劳的汗水。就是因为有您们的谆谆教诲与耐心的指导我们才可取得今天的成绩。仅借于此表达我对老师们的感谢，感谢您们的指导和帮助，您们辛苦了！参考文献1 栾瑞.无线温湿度监测系统的设计D.吉林大学,2013.2 金懿,刘彭义.基于单总线数字温度传感器的分布式测温系统J.暨南大学学报(自然科学版),2004,25(1): 51-56.3 张玉健.基于 nRF24L01 的无线温湿度检测系统设计J.物联网技术，2012,12(01)：21-23 4 G.J. McArdle, P.G . Milne. Result from evaluation of a long pulse pilot detaa acquisition system on MAST. Fusion Engineering and Design.2006,81:15-17.5 邓星灵,康赫男.基于nRF905无线温湿度采集系统设计仪表技术J.