李呈斌-1106050209-多路无线数据采集系统硬件设计.doc

学 位 论 文 诚 信 声 明 书本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及取得的研究（设计）成果。除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文（设计）与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学位论文（设计）作者签名： 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论文（设计）工作的知识产权属西安科技大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文（设计）作者签名： 指导教师签名： 年 月 日论文题目： 专 业： 自动化本 科 生： 李呈斌 （签名） 指导教师： 赵燕云 （签名） 摘 要随着科技的发展以及计算机技术的进步，数据采集的重要性日益显著。数据采集是计算机连接外部物理世界的桥梁。因此在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用，尤其是身处这样一个“大数据”时代，数据的分析、整理、融合等显得格外重要，而数据采集是这一切的基础，只有采集到足够多的数据，才能进行更加精准的分析，准确的指导生产实践。鉴于此，研究一种基于STC12C5A60S2的多路无线数据采集系统，并对此系统的硬件和软件进行模块化设计，从而设计出一款人机界面友好，测量精准，便于功能扩展升级的多路无线数据采集系统。无疑能给人们的生活和生产活动带来极大的便利。本课题以STC12C5A60S2作为主控制器，主要功能模块有：多路传感器模块、报警模块、电源模块、按键模块、无线数传模块、显示模块、上位机模块等。实现对温度、湿度、电压、电流、PM2.5等数据的实时采集功能。将采集的数据在12864液晶显示屏上进行显示，并通过无线将数据传输到上位机，实现数据的实时监控。同时，系统具有报警功能，方便用户进行操作管理。本次设计的多路无线数据采集系统功能完善，控制准确，成本低廉，达到了预期目标，符合市场需求，适合广泛推广。关键词：数据采集，无线，STC12C5A60S2，温湿度，电压电流，PM2.5ISubject：The designofhardware of multichannelwirelessdataacquisitionsystem Specialty：Automation Name：LiChengbin （Signature） Instructor：ZhaoYanyun （Signature） ABSTRACTWith the development of science in technology and the progress of technology of computer, the importance of data collection becomes increasingly significant. Data collection is a bridge that computer connectes to the external physical world. Therefore, data collection has been widely used at the age that the Internet industry develops fast,especially living in a big data age, data analysis, sorting, fusion are particularly important, and the data collection is the basis of all this, only when collecting enough data can we carry out a more precise analysis and guides production practices accurately . In view of this, we study a system of multi-channel wireless data acquisition,which is based on the STC12C5A60S2, and modularly design the hardware and software of this system ,so that we design a a system of multi-channel wireless data acquisition which has friendly interface, measurement accuracy and easily to expand functions.Undoubtedly it can give peoples life and production activities so much convenience.The issue selects STC12C5A60S2 as the main controller, the main function modules include multi-sensor module, alarm module, power module, button module, wireless module, display module, PC module and so on. Those can achieve the function of real-time collection of temperature, humidity, voltage, current, PM2.5 and so on.The collected Data will be displayed on the 12864 LCD ,and transfer data to the host computer by wireless module to achieve the purpose of real-time monitoring data. At the same time, the system has an alarm function, it is convenient for people to operate and manage.The design of the multi-channel wireless data acquisition system can control accurately,and its price is low, can achieve the desired objectives, which meets the need of market and can spread extensively.Key words: data acquisition, wireless, STC12C5A60S2, temperature, humidity, voltage and current, PM2.5III目 录第1章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状和发展趋势11.3课题的主要研究内容31.4本章小结3第2章 总体方案设计42.1系统总体方案设计思路42.2 系统设计方案论证与比较42.2.1微控制器的选择42.2.2 温湿度芯片的选择62.2.3 PM2.5模块的选择62.2.4 液晶显示模块的选择72.2.5 按键模块选择82.2.6 电源模块82.2.7 电压电流互感器的选择92.2.8 无线数传模块的选择92.3 本章小结9第3章 系统硬件设计113.1 系统总体硬件框图113.2 下位机控制模块设计113.2.1 微控制器STC12C5A60S2113.2.2 温湿度采集模块设计143.2.3 PM2.5采集模块设计163.2.4 电压电流采集模块设计173.2.5 按键模块设计203.2.6 电源模块设计213.2.7 报警模块设计213.2.8 液晶显示模块设计223.2.9无线数传模块设计233.3 上位机控制模块设计243.4本章小结24第4章 系统软件设计254.1 软件整体设计254.2 上位机软件设计274.3 本章小结27第5章 系统的调试、运行285.1硬件调试285.1.1硬件调试的步骤285.1.2 硬件调试问题及解决方法285.2 软件调试295.2.1 软件调试步骤295.2.2 软件调试问题及解决方法295.3系统调试运行结果305.4 本章小结33第6章 结论与展望346.1 结论346.2 展望34致 谢35参考文献36附录I 系统实物图37附录II 系统硬件电路图38第1章 绪论多路无线数据采集系统属于环境监测的一种，其主要特征是无线化。随着人们探索认知能力的加强，部分环境系统对无线传输的要求逐渐增大。研究数据采集系统的无线传输化程度，使其更经济实用，成为人们迫切的需求。本章从数据采集系统的设计与应用的角度出发，简要介绍了数据采集系统的国内外研究现状、生产需求现状及研究意义，并对本文的内容进行了简要的说明。1.1课题研究背景及意义21世纪的今天，随着现代化工业生产的飞速发展和科学技术的空前进步，带动了数据采集技术的发展，现代控制设备开始不同于以前，它们在性能和结构方面发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了信息高速发展的时代，数据采集技术已成为当今社会的主流，广泛地应用到应用工程的各个领域。长久以来，国内外的知名领域均对数据采集的研究花费了巨大的精力，同时也研究开发了众多合宜自己领域的数据采集仪或数据采集系统。IT技术的全面进步不仅为数据采集创造了便利，提供了良好的条件，同时也为其赋予了全新的意义。通过将被测量的物理对象经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，然后传输到主控制器进行数据的处理或存储，主控制器由计算机组成，计算机作为数据采集系统的总核心，主要实现对整个系统的控制功能，并加工和处理被采集的数据。因此可进行数据采集的配套设备被称作数据采集系统DAS (Data Acquisition system)。与此同时，由于中国工业迅猛的发展，对工业设备的运行状况的监控要求更高。精密的监控系统要求运行在工作情况良好的环境之下，其还必须实现对距离远，工作环境恶劣，数据采集点分布广以及无人坚守的设备进行监控的功能，如对风电，水利等特殊领域设备实行监控。如果使用以往的监控方式对这些特殊情况下的设备运行状况进行监控，会极大的消耗我们的物力及人力资源，并且取得的成果不佳。 面对以上情况，目前国内以及国外的主要解决方法是通过数据采集系统结合无线通信的办法来搭建无线远程数据釆集系统。通过无线网络实现检测点的全面覆盖，数据采集及传输就会变得非常简单及便利。以往在无线数据采集方面使用的主要通信方式主要包括广域网、无线电台、无线集群和GSM短信等，这些通信技术市场广，技术成熟，却都存在着不小的局限性。而目前釆用的一些新的无线通信方式包括蓝牙、ZigBee、RFID、UWB超宽带、NFC以及wifi等，这些通信方式的数据传输速率高，并且价位适中，适合广泛推广。鉴于此，研究一种多路无线数据采集系统，并对此系统硬件和软件进行模块化设计，从而研究出一种人机界面友好，测量准确，便于功能扩展升级的多路数据采集系统。成本低，可靠性高，能满足极大多数的工厂生产、煤矿井下监测、地质勘测、气象水文检测等需求，具有极大地市场发展前景。1.2 国内外研究现状和发展趋势数据采集系统是经过将数据采集器采集到的模拟信号转换成数字信号，并进行分析、处理、传输、显示、存储和显示等步骤。它起源于20世纪中期，在以往的几十年里，伴随着计算机领域各种技术的飞速发展，导致了数据采集领域技术的革新。目前社会发展的主流方向是实现采集数据的高度信息化。无论在我们的工作还是生活领域均用到了数据采集，在勘探石油、大棚种植、交通运输、地震数据等各种采集领域已经得到广泛运用。大棚数据采集系统及小区智能数据采集系统如图1.1和图1.2所示。图1.1 大棚数据采集系统图1.2 小区智能数据采集系统由于计算机技术、微电子技术、测控技术和数字通信技术的高速发展，如今国外数据采集的技术对比早期已经取得了极大的增长。通过国外有关公司展示的新产品与国内产品进行对比可以看出，如今国外数据采集技术发生的主要变化可概括为功能多、体积小和使用方便这三个方面。自上世纪80年代末至90年代初，中国的某些仪表公司已经研究开发出多种各具特色的数据采集器，其中SP201、SC247型属于单通道型，EG3300、YE5938属于双通道型，911、902和921型则属于超小型，同时还有一些具有特殊功能的型号，如SMC一9012型，它具有采集静态信号(温度、压力、流量)的功能。大型多通道类型的有eM3000系统等。这些数据采集系统所配套的软件包主要囊括了设备维修管理和基本频谱分析这两项，能够实现机器设备的状态监测及故障诊断的功能。通过近几年来广大工矿企业用户的现场使用及测试，证明设备质量卓越，工作安全可靠，性能稳定可靠，从各方面开始全面赶超国外数据采集器的发展水平。1.3课题的主要研究内容数据采集系统的核心技术就是精准且实时的采集监测点范围内的温度、湿度、电压、电流、PM2.5值。本论文结合国内数据采集系统的现状和市场需求，以温度、湿度、电压、电流、PM2.5值为研究对象，将目前市场上技术比较成熟的STC12C5A60S2作为控制器，通过12864实现数据的实时显示，利用相关外围电路进行控制，并运用C语言编程软件Keil进行控制软件的编写，通过C Sharp实现上位机功能。根据功能需求，本次毕业设计主要进行了如下几个方面的工作：1. 了解国内外数据采集系统的发展状况，分析国内外市场的需求情况，精准定位本次数据采集系统的设计方向；2. 对目前数据采集的控制方法进行研究，并分析和对比各种控制方案的优缺点，选定较为理想的控制方案；3. 控制系统的硬件设计。根据温度、湿度、电压、电流以及PM2.5值的变化范围和控制精度的要求，选择适合本次毕业设计的控制器、电子元器件、芯片以及小型电器装置，设计出控制系统的信号采集、显示、键盘、报警、传输、控制等电路；4. 控制系统的软件设计。根据系统的功能以及操作过程，采用模块化程序设计方法，用C语言编写程序；5. 焊制电路板，进行控制系统的硬件和软件结合调试，最终达到设计的预期目标；6. 将各电路模块合理地组装，并进行一定的装饰，按时完成作品；7. 最后，按照学校要求，撰写并提交符合规范的毕业论文。1.4本章小结本章主要描述了本次课题研究背景及意义，并对目前国内外研究现状和发展趋势作了详细的论述，由此得出本次课题研究的方向和目标。同时，对本次课题的主要研究内容作了详细的介绍。第2章 总体方案设计整个系统主要通过数据采集模块，在液晶显示模块上循环显示各路传感器信号，然后通过无线模块将传感器信号传输到上位机，在上位机上显示曲线，并设定上下限实现报警功能。2.1系统总体方案设计思路根据系统总的设计要求，本系统的整体设计分为两大模块：下位机控制模块、上位机控制模块。下位机控制模块分为如下几个部分：数据采集模块，报警模块，液晶显示模块，电源模块，按键模块，无线数传模块。其中数据采集模块包含了温湿度采集模块，电压采集模块，电流采集模块，PM2.5值采集模块。下位机控制模块整体设计框图如图2.1所示。图2.1 下位机控制模块整体设计框图 上位机控制模块分为如下几个部分：无线数传模块，上位机主控制器，上位机模块。上位机控制模块整体设计框图如图2.2所示。图2.2 上位机控制模块整体设计框图2.2 系统设计方案论证与比较2.2.1微控制器的选择根据本课题的要求，整个系统中需有一个主控芯片来进行数据处理和控制等操作，所以选择一个合适的主控芯片对一个系统的设计来说是至关重要的，一个好的主控芯片可以使系统具有良好的工作能力。结合系统的设计需要与处理器的性能，提出以下两种方案进行比较分析：方案一：STC89C51微控制器89C51是一种本身自带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能的CMOS8位微处理器。 方案二：STC12C5A60S2微控制器STC12C5A60S2/AD/PWM系列的单片机是由宏晶科技研发生产的一款单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有高运行速度、超低功耗、超强抗干扰等功能的新型的8051单片机，12系列单片机的定时器0/定时器1与以往的8051系列完全兼容，但速度比之快了8-12倍。芯片内部包括了MAX810专用的复位电路，两路PWM ，自带8路高速10位模拟/数字转换(250K/S)，使用于控制电机，强干扰等精度需求高的场合。相比较以往8051的系列，12系列的单片机具备以下优点：1、比8051系列单片机多了两个定时器，带PWM功能。2、拥有SPI接口。3、拥有EEPROM。4、拥有1K内部扩展RAM。5、比8051系列单片机多一个串口。6、I/O口可以定义，有四种状态。普通I/O口既可作为输入又可作为输出。7、中断优先级有四种状态可定义。8、STC12C5A60S2有看门狗。最新的STC12系列的单片机看门狗寄存器WDT_CONTR的地址位于C1H，并且增加了看门狗复位标志位。STC12系列单片机看门狗寄存器如表2.1所示。表2.1 STC12系列单片机看门狗寄存器MnemonicAddName76543210Reset valueWDT_CONTRC1hWatch-Dog-TimerControl registerWDT_FLAG-EN_WDTCLR_WDTIDLE_WDTPS2PS1PS0xx00，0000而以往的STC89系列增强型单片机看门狗寄存器WDT_CONTR的地址位于E1H，且没有看门狗复位标志位。其寄存器如表2.2所示表2.2 STC89系列单片机看门狗寄存器MnemonicAddName76543210Reset valueWDT_CONTRE1hWatch-Dog-TimerControl register-EN_WDTCLR_WDTIDLE_WDTPS2PS1PS0xx00，0000最新12 系列的单片机看门狗在ISP烧录程序可以在设置上电复位后直接启动看门狗，而以往的STC89系列单片机并没有这个功能。因此12系列单片机的看门狗更加安全可靠。9、I/O口驱动能力不一样。目前STC12系列单片机I/O口的灌电流是20mA，因此具有驱动能力强，驱动大电流时，不容易烧坏等特点。 而传统STC89Cxx系列单片机I/O口的灌电流是6mA，驱动能力弱，无法驱动大电流，所以推荐采用STC12系列。综合考虑，STC12C5A60S2微控制器无论从运行速度、稳定性、功耗还是功能等方面较之STC89C51微处理器更加全面可靠。同时STC12C5A60S2自带8路10位的AD转换，而本系统采集的部分信号为模拟信号，需要经过AD转换才能进入主控制器。所以方案二更符合本次系统的设计要求，选择STC12C5A60S2作为本次系统的主控芯片。2.2.2 温湿度芯片的选择本系统需要采集多点的温湿度，以便对检测点范围内的环境做到有效的掌控。因此温湿度芯片的选取就是重中之重，合理的选取，能让系统的成本及效率达到一个有效的平衡。可选取的类型如下方案： 方案一：DS18b20+集成温湿度传感器。芯片内部集成了温度及湿度传感器，设计时可以略去信号调理，模数转换等环节，集成传感器在出厂前已经进行了标定校准，使其准确度及精度较高，使用方便，但缺点是成本较高。方案二：集成数字式温湿度传感器。选用成本较低的国产DHT11等，其优点在于，相比方案一，本方案可专用更少的IO口，使系统工作稳定，设计工作量减少。根据设计要求可知，本系统不需要较快的响应时间，但对线性度和稳定性等要求高，故选择线性度较好的数字式湿度传感器DHT11作为本次设计的传感器。2.2.3 PM2.5模块的选择现代社会，随着生产生活水平的提高，环境污染的趋势恶化，由此产生的废弃物也越来越多。由于环境不断被污染，一些与之相关的检测指标也被提出。如PM2.5。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5m的颗粒物，也被称为可入肺颗粒物。这种颗粒物对人体有极大的危害。对于PM2.5值的测量和预警，对我们的生产生活都有重大的意义。因此对于这个模块提供如下两种方案进行选择：方案一：GP2Y1050AU0FGP2Y1050AU0F是日本夏普公司开发的一种光学灰尘浓度检测传感器。此传感器内部有成对脚分布的红外发光管和光电晶体管，它们通过光敏原理来进行工作。用于检测特别细微的颗粒，如香烟颗粒、细微灰尘。可通过检测输出脉冲的高度来判断颗粒浓度。方案二：SDS011SDS011是诺方激光开发生产的一种激光灰尘浓度检测传感器，其实物图如图2.3所示。SDS011通过激光检测原理来进行工作：由特定的激光模块产生一束特定的激光，当颗粒物或灰尘经过时，其信号会被灵敏度高的数字电路模块检测到，然后对数据信号进行智能识别分析从而得到颗粒计数和颗粒大小，最后通过专业的标定技术得到粒径分布与质量浓度转换公式，最终得到跟官方统一的质量浓度。从而得出准确的PM2.5值。该传感器数据稳定可靠，内置风扇，数字化输出，集成度高。它具有如下四个优点：1.数据准确：通过激光进行检测，稳定和一致性比较好；2.响应快速：场景变换的响应时间小于10秒钟；3.便于集成：串口输出（或I/O口输出可进行定制），自带风扇；4.分辨率高：分辨颗粒最小直径可达0.3m。图2.3 SDS011实物图通过对两个方案进行对比选择，发现第二个方案SDS011芯片的测试准确度更高，便于集成，但器件费用过于昂贵，由于本次设计的经费问题，在能够满足设计要求的前提下，我们选择性价比更高的GP2Y1050AU0F芯片。2.2.4 液晶显示模块的选择为了实现对采集到数据在下位机上实现实时显示，本系统需要有以下两种方案可供选择：方案一：使用1602液晶显示屏显示信息LCD1602能显示2行共32个字符，是一种专门用来显示数字、字母和符号等的点阵型液晶模块。其体积较小、功耗较低，可用于袖珍式的仪表或者低功耗的应用系统中。但是，LCD1602不能用来显示汉字和一些图像等。方案二：使用LED数码管进行显示LED数码管分为共阴极数码管和共阳极数码管，显示较清晰，成本低，使用简单。但显示较单一，只能显示数字和一些简单的字符，功耗大，实际电路较复杂。 方案三：使用12864液晶显示屏显示12864液晶为中文汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字，128个字符及64256点阵显示RAM，功耗低、字迹清晰、美观、显示信息量大、显示质量高、画面效果好。由于本系统需要显示四路温湿度，电压电流及PM2.5值以及一些基本信息，显示量大。所以我们采取方案三作为下位机液晶显示模块。2.2.5 按键模块选择按键也是人机交互中的重要组成部分，我们可以通过按键来键入控制指令。目前的常用按键方案如下：方案一：采用独立式键盘各个按键相互独立，且每一个按键需占用一根I/O口线，通过检测该线的高低电平状态可以轻易判断哪个按键被按下，该方法操作速度高，且软件结构简单。但在按键数量过多时，易造成I/O口的浪费。方案二：采用矩阵式键盘矩阵式键盘的结构决定了它只需m根行线和n根列线就可以组成mn个按键的键盘，非常适用于按键数量较多的场合。但是矩阵键盘多键共用的特性导致必须将行、列线信号配合起来并作适当处理才能确定闭合键的状态，因此软件编程方面计较复杂，导致工作量大。考虑到本次毕业设计中所用按键较少，因此选择方案一，即采用独立式按键，这样既节约了单片机的I/O口，同时提高了操作速度且软件编写较简单。2.2.6 电源模块方案一：采用4节1.5V电池供电采用4节1.5V电池供电，耗用资源少，但是6V的电压同时给单片机和12864液晶供电，显示屏亮度较低，有时甚至出现乱屏不动作，效果不好。方案二：采用电源箱供电实验室的电源箱可提供双电源，分别给显示模块和主控制器模块供电，其优点是可提供稳定的5V电源，电流也可自行设定，但是占用资源过大，并且长导线不便于移动测量。方案三：使用2节3.7V电池供电采用2节3.7V电池给单片机、12864液晶显示、无线发送端nRF24L01供电，另外电脑USB口经TTL给主控制器模块供电，不仅解决了方案一的问题，而且能让系统完整工作。综合讨论后，最终选择方案三。2.2.7 电压电流互感器的选择 电压互感器，我们选择的是用电压互感器DL-PT202D。电压互感器DL-PT202D体积小，精度高，一致性好，用于电压与功率精确测量。电流互感器，我们选择的是HTTA-226B、5A/5mA电流互感器，体积小，精度高，一致性好，用于电流与功率精确测量以及电力测量及保护。2.2.8 无线数传模块的选择本系统为了模拟恶劣的环境，数据采集点比较分散或者是无人监守设备等情况进行数据采集，所以需要运用到无线数传模块对采集到的数据进行无线传输。有以下两种设计方案可供选择 ：方案一：nRF905nRF905是单片射频的收发芯片，工作在433MHz的ISM频段，芯片集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等模块，输出功率及通信频道可通过程序实现配置。芯片能耗较低，当以10dBm 的功率发射时，工作电流仅有 30mA，接收时工作电流更低，只有 12.5mA，多种低功率工作模式，待机模式下电流仅为12.5A，整个芯片符合节能环保设计。nRF905适合于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、安防系统、矿井远程遥控系统、家庭自动化、遥控检测、无线门禁系统等。方案二：nRF24L01nRF24L01是由NORDIC生产的一款工作在2.4GHz2.5GHz的国际通用ISM免申请频段GFSK调制的无线数传芯片。它的无线收发器是由频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器等组成。它的SPI 接口可以设置输出功率、频道选择和协议。nRF24L01处于工作模式时电流消耗低：当工作在发射模式下发射的功率为-6dBm ，此时电流消耗为 9mA，接收模式时电流消耗为 12.3mA。处于掉电模式及待机模式下电流的消耗更低。如果nRF2401A、nRF24L01和nRF24L01+在配置的过程中使用相同的通讯频率、空中传输速率、地址长度、地址信息、数据长度和CRC校验方式，那么它们就可以实现相互通讯。它们具有使用简单方便、性能稳定、低成本等特点。经过综合考虑，方案二更符合本系统的设计要求。2.3 本章小结经过反复论证，本设计最终确定了“多路无线数据采集系统”的设计方案，具体如下：本课题设计一个基于单片机STC12C5A60S2控制的多路无线数据采集系统。控制模块由单片机STC12C5A60S2作为控制核心，主要功能模块有：多路传感器模块，报警模块，无线数传模块，按键模块，上位机模块，显示模块等。该系统主要实现多路数据的实时采集，并在VisualStudio6.0开发环境下，采用C#编程语言，实现数据的动态显示及分析处理。主要设计内容如下： 1. 围绕STC12C5A60S2核心控制器的硬件开发平台，采用双CPU控制，一端负责处理采集的数据并发送，另一端负责控制其接收数据；2. 采用四路温湿度传感器DHT11测量温湿度、PM2.5传感器测量PM2.5值、用DL-PT202D电压互感器测量交流电压、HTTA-226B5A/5mA电流互感器测量交流电流；3. 电源部分，选用两节3.7V的锂电池，负责给12864、单片机STC12C5A60S2、发送端nRF24L01供电，接收端nRF24L01通过电脑的USB口供电；4. 下位机用12864液晶显示7路数据信息，通过上位机来显示数据历史曲线、报警模块红灯闪亮报警；5. 在VisualStudio6.0开发环境下，运用C#编程语言，编写上位机界面；6. 设计5个独立按键来进行选项设置、进入等功能；7. 报警电路采用有源蜂鸣器，当某个模块测量值不在阈值之内时，及时报警；8. 运用三端稳压集成电路7805来进行正电压的输出，运用LM1117得到电压3.3V。上位机模块则通过AMS1117来进行5V到3.3V的转换；9. 必要时，可焊接两个2个单片机STC12C5A60S2的最小系统来工作 。第3章 系统硬件设计3.1 系统总体硬件框图本系统的整体设计分为两大模块：下位机控制模块、上位机控制模块。系统总体硬件框图如图3.1所示。图3.1系统总体硬件框图3.2 下位机控制模块设计3.2.1 微控制器STC12C5A60S2本设计使用单片机STC12C5A60S2作为主控芯片。单片机的最小系统电路图如图3.2所示。图3.2 STC12C5A60S2单片机最小系统 51系列单片机型号极多，但STC公司的1T增强系列具有强大的竞争力，因为它不仅和8051的指令以及管脚完全兼容，而且其片内具有大容量的程序存储器且是FLASH工艺的，如本系统使用的STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASHROM，在此简单介绍一下STC12C5A60S2单片机的特点： 1、增强型的8051CPU，1T(1024G)，单时钟/机器周期；2、工作电压为5.5-3.5V；3、1280字节的RAM；4、通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉。其I/O口可设置成四种模式：准双向口/弱上拉模式，强推挽/强上拉模式，仅为输入/高阻模式，开漏模式。每个I/O口的驱动能力均可达20mA，但是对于整个芯片来说，不能超过120mA；5、拥有EEPROM功能；6、增加看门狗复位标志位；7、内部集成了MAX810专用复位电路；8、拥有外部掉电检测电路；9、时钟源：外部高精度的晶体/时钟，而内部是R/C振荡器；10、4个16位定时器：拥有两个定时器/计数器与传统8051兼容，16位定时器T0和T1；11、拥有3个时钟输出口，可通过T0的溢出在P3.4/T0输出时钟或者是通过T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，因为其独立的波特率发生器，能于P1.0口输出时钟；12、拥有7路外部中断I/O口，触发方式均为传统的下降沿中断或电平触发中断，其中PCA模块支持上升沿中断，Power Down模式可以由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.3；13、拥有2路PWM ；14、模数转换，拥有8路10位精度的ADC，转换速度高到250K/S；15、通用全双工异步串行口(UART)；16、双串口，RxD2/P1.2和TxD2/P1.3；17、工作温度：-4085；18、封装结构有LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC四种。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列的单片机包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可以称作一个片上系统。STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图及管脚定义如图3.3和表3.1所示。图3.3 STC12C5A60S2单片机内部结构框图表3.1 STC12C5A60S2单片机管脚定义3.2.2 温湿度采集模块设计温湿度采集模块的设计主要基于温湿度传感器DHT11。DHT11 是广州奥松有限公司研发生产的一款包含已校准数字信号输出的温湿度一体化的数字传感器。它采用专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，从而保证产品具备可靠性与稳定性等特点。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，同时它功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流 0.5mA。它成为了各类应用场合甚至是最为苛刻的应用场合的最佳选则。本次设计中我们使用了四个DHT11，采用并行的连接方式将他们放置于检测范围的四个边角，从而得到四路的温湿度信号。以此来模拟不同环境下监测点温湿度的变化情况。DHT11封装图如图3.4所示。图3.4 DHT11封装图DHT11具有以下特性： 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： 可完全进行互换 ， 长期稳定性： 1%RH/年同时DHT11还具有以下的优点：（1）可同时对温度和湿度进行测量;（2）可自行进行校准，且输出量全部是数字量；（3）低功耗且稳定性极佳；（4）可进行长距离的数据传输；（5）无需其他额外的部件；（6）应用电路简单，易于搭建。其常用电路图如图3.5所示。图3.5 DHT11应用电路图数字温湿度传感器DHT11采用的是单总线数据格式。即，单个的数据引脚端就可以实现数据输入和输出的双向传输。其发送的数据由5Byte或40Bit组成。数据分为小数部分与整数部分。具体的格式说明如下：一次完整的数据信息传输为40Bit，高位先出。数据的格式：8Bit的湿度整数部分的数据+8Bit的湿度小数部分的数据+8Bit的温度整数部分的数据+8Bit的温度小数部分的数据+8Bit的校验和(校验和的数据由前四个字节相加和所得)。传感器输出的数据是没有进行编码的二进制数据。数据(温度、湿度、小数、整数）之间必须分开来处理。如果，某一次从传感器中读出数据如下： Byte4 Byte3 Byte2 Byte1 Byte0 00101101 00000000 00011100 00000000 01001001通过上述的数据就可以计算得到温度以及湿度的数值，具体的计算方法如下：湿度值=Byte4+Byte3=45.0（%RH）；温度值=Byte2+Byte1=28.0（）；校验值=Byte1+Byte2+Byte3+Byte4=73（温度值+湿度值），（校验正确）；在应用的时候必须要注意：DTH11传感器进行一次通讯的最大时间值是3ms，而且主机连续采样的时间间隔必须大于100ms。3.2.3 PM2.5采集模块设计本模块采用了夏普公司开发生产的GP2Y1050AU0F传感器。该传感器体积较小，重量较轻，易于安装。5V的输入电路，导致其信号便于处理。它的工作原理：由于微粒或者分子在光照下会产生光的散射现象，同时，还会吸收部分光照的能量。所以当一束平行的单色光照射到被测颗粒场时，会因为颗粒散射和吸收的影响，使得入射光的光强衰减。通过这种方法可得出入射光通过待测颗粒场的相对衰减率。而相对衰减率的大小能线性的反应待测颗粒场灰尘的相对浓度。因为光强的大小和经过光电转换的电信号强弱成正比，经过测量电信号就可以轻易得出入射光的相对衰减率。检测原理图和硬件电路图如图3.6、图3.7所示。GP2Y1050AU0F传感器的串口输出参数为：1) 波 特 率：2400 bit/s；2) 每10ms发送一个字节，共7个字节，其中校验位=Vout(H)+ Vout(L)+Vref(H)+ Vref(L)；3) 数据发送格式如表3.2所示：表3.2 数据发送格式起始位Vout(H)Vout(L)Vref（H）Vref（L）校验位结束位0xaa如：0x01如：0xe0如：0x00如：0x7a如：0x5b0xff4) 数据处理：接收的数据经过公式计算后便得到Vo的值：Vo=(Vout(H)*256+Vout(L)/1024*5 例如：Vout(H)=0x01，转换为10进制为1； Vout(L)=0xe0，转换为10进制为224； 则Vo=(1*256+224)/1024*5=2.344 V。 计算得到Vo的数值后，乘以系数K便可得到灰尘的浓度值：灰尘浓度=K*Vo。 图3.6 GP2Y1050AU0F传感器检测原理图 图3.7 硬件电路图3.2.4 电压电流采集模块设计电压互感器（Potential transformer 简称PT，Voltage transformer也简称VT）的工作原理与一般的变压器相同，仅在结构型式、所用材料、容量、误差范围等方面有所差别，它们均用来变换线路上的电压。但是变压器变换电压的主要目的是为了输送电能，它要求的容量非常大，因此它的计算单位通常是千伏安或兆伏安；而电压互感器变换电压的主要目的是为了给测量仪表或继电保护装置供电，它的主要作用用来对线路电压、功率和电能进行测量，或者用来保护当线路发生问题时线路中的贵重设备、电机或者变压器，因此电压互感器的容量普遍偏小，它的计算单位一般是伏安。本次系统中采用了DL-PT202D精密电流型电压互感器。它的结构参数和技术参数如下图3.8、表3.3所示。图3.8 电压互感器结构参数表3.3 电压互感器技术参数型号DL-PT202D额定输入电流02mA额定输出电流02mA最大输入电流10mA测量电压01000V额定点相位差15直流电阻/DCR1105%最大负载500（2mA时）线性度0.1%隔离耐压4KV短时热电流20mA外壳材料ABS阻燃材料用途测量同名端1、3脚同名密封材料环氧树脂安装方式PCB安装工作温度-40+70电压互感器实质是一种电压变换装置。它能将高电压转换为低电压，方便通过低压量值来反映高压量值的变化。它的工作原理：当输入端输入交流电压时，我们在被测电压后面串联一个限流电阻R3，将被测电压转换为小于2mA的交流电流输入到电压互感器，然后互感器以1：1的输出交流电流，最后在互感器输出端并联电阻R4从而实现电压的采集过程。这样采集的电压为交流电，再通过一个整流桥后并联一个电解电容C13和一个电阻R5来进行阻容滤波，最终就能将采集到的交流信号转化为直流信号输入到微控制器中进行数据的处理和分析。从而实现了从高电压到低电压的隔离和转换测量。它的应用电路图如图3.9所示。图3.9 电压互感器应用电路图电流互感器是一种电流的变换装置，它的工作原理是：电磁感应原理。它能将高压电流或低压大电流转换为电压较低的小电流，以供给仪表和继电器。电流互感器由两部分组成：闭合的铁心和绕组。它的一次侧线圈匝数较少，需要串联在被测量电流的线路中，因此它通常有线路的全部电流流过，二次侧线圈匝数较多，串联接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态相当于短路状态。电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来使用 ，二次侧不能开路。电流互感器结构参数、工作原理、硬件电路图及技术参数如图3.10、图3.11、图3.12和表3.4所示。图3.10 电流互感器结构参数图3.11 电流互感器