蔬菜大棚智能数据采集系统的设计

学学 号号 1109111055 毕毕 业业 论论 文 设计 文 设计 课课 题题 蔬菜大棚智能数据采集系统的设计蔬菜大棚智能数据采集系统的设计 学生姓名学生姓名 徐徐 飞飞 院院 部部 电气工程学院电气工程学院 专业班级专业班级 自动化一班自动化一班 指导教师指导教师 杨杨 路路 二二 一一 五五 年年 五五 月月 铜陵学院毕业论文 设计 摘摘 要要 随着经济的快速发展 人们对蔬菜的需求大幅度提高 大棚蔬菜种植技术在我国迅 速发展起来 目前虽然生产规模巨大 但蔬菜大棚设备陈旧 数据采集方式落后 自动 化 智能化水平低 不利于蔬菜大棚的推广和蔬菜产量的提高 也不利于我国农业的长 远发展 温度 空气湿度 光照强度 二氧化碳浓度等控制因子是蔬菜大棚种植环境的主要 参数 蔬菜的生长速度 品质与这些参数有着密切的关系 有效的控制这此因子可提高 蔬菜产量与质量 达到省时省力与增产增收的目标 本系统以 STC89C52 单片机为主控芯片 采用了无线通信模块 nRF24L01 模块 利 用 DHT11 传感器检测温度 湿度 BH1750fvi 传感器检测光照强度 红外二氧化碳传感 器检测 CO2 浓度 通过 nRF24L01 模块进行无线传输采集数据 从而实现了对环境因素 的精确采集 关键字 关键字 单片机 STC89C52 无线传输 nRF24L01 DHT11 BH1750fvi 铜陵学院毕业论文 设计 I Abstract With the rapid development of economy people of vegetable of the substantial increase in demand greenhouse vegetable planting technology develops rapidly in our country at present although the production scale is huge but vegetable greenhouses obsolete equipment backward and the way of data collection automation intelligent level low adverse in greenhouse vegetable promotion and vegetable yield increase is not conducive to the long term development of China s agriculture Temperature air humidity light Zhao intensity and carbon dioxide concentration control factor is the main parameters of greenhouse cultivation environment vegetable growth speed quality and these parameters have close relationship and effectively control the factor can improve the yield and quality of vegetables achieve the goal of saving time and increase production The system to STC89C52 microcontroller as the main control chip the wireless communication module nRF24L01 module using DHT11 sensor detects the temperature humidity illumination intensity infrared carbon dioxide sensor for the detection of CO2 concentration BH1750fvi sensor detection and by module nRF24L01 wireless transmission data acquisition so as to realize the accurate acquisition of environmental factors Key word MCU STC89C52 wireless transmission nRF24L01 DHT11 铜陵学院毕业论文 设计 II 目录目录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题的来源 1 1 2 国外研究概况 1 1 3 中国蔬菜大棚潜在的问题及其需求分析 2 1 4 本文主要研究工作 2 第 2 章 系统方案分析与选择论证 3 2 1 系统方案设计 3 2 1 1 主芯片选择方案 3 2 1 2 无线通信模块方案 3 2 1 3 湿度 温度传感器方案 4 2 1 4 光照传感器选择方案 4 2 1 5 气体传感器的选择方案 4 2 1 6 显示模块选择方案 5 2 2 系统最终方案 5 第 3 章 系统硬件模块设计 6 3 1 单片机控制模块 6 3 1 1 主控芯片概述 6 3 1 2 单片机控制模块电路 7 3 2 单片 2 4GHz nRF24L01 无线模块 8 3 2 1 nRF24L01 芯片概述 8 3 2 2 引脚功能及描述 9 3 2 3 工作模式 9 3 2 4 增强型 ShockBurstTM 工作原理 10 3 2 5 nRF24L01 模块原理图 11 3 3 数字湿温度传感器 DHT11 电路 12 3 3 1 DHT11 概述 12 3 3 2 DHT11 电路 13 3 4 光强度传感器 BH1750fvi 电路 13 3 4 1BH1750fvi 概述 14 3 5 红外传感器 C20 电路 14 3 6 LCD12864 电路 15 3 7 Max232 串口转换电路 15 3 8 报警电路 16 第 4 章 系统软件设计 16 4 1 nRF24L01 无线射频模块 17 4 2 DHT11 温湿度数据采集模块 22 4 2 1 DHT11 通讯过程 22 4 2 2 DHT11 数据采集流程图 22 4 2 3 DHT11 部分代码 23 4 3 BH1750fvi 光照强度数据采集模块 24 铜陵学院毕业论文 设计 III 4 3 1 BH1750fvi 流程图见图 24 4 3 2 BH1750fvi 部分代码 25 4 4 AMPIRE12864 液晶显示器 26 4 4 1 LCD12864 程序流程图 26 4 4 2 LCD12864 部分代码 27 4 5 蜂鸣器程序代码 28 总结与展望 28 参考文献 29 致谢 30 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 IV 插图清单插图清单 图 1 1 日常生活中蔬菜大棚 1 图 2 1 系统硬件结构框图 5 图 3 1 主控芯片管脚分布图 7 图 3 2 主控芯片的最小系统 8 图 3 4 AMS117 降压电路 8 图 3 5 nRF24L01 引脚封装 9 图 3 6 SPI 读操作 11 图 3 7 SPI 写操作 11 图 3 8 单端 50 射频输出电路图 12 图 3 9 nRF24L01 射频模块与主控芯片管脚连接图 12 图 3 10 DHT11 管脚封装分布图 13 图 3 11 DHT11 与主控芯片连接电路图 13 图 3 12 BH1750fvi 与 MCU 连接电路图 14 图 3 13 CO2 浓度传感器管脚分布图 15 图 3 14 AmpireLCD12864 电路连接图 15 图 3 15 Max232 串口转换电路 16 图 3 16 蜂鸣器连接电路图 16 图 4 1 nRF24L01 的 PTX 和 PRX 流程图 17 图 4 2 总体框架流程图 18 图 4 3 nRF24L01 的时序图 19 图 4 4 DHT11 通讯过程 22 图 4 5 DHT11 程序流程图 23 图 4 6 BH1750fvi 程序流程图 25 图 4 7 LCD12864 程序流程图 27 铜陵学院毕业论文 设计 V 表格清单表格清单 表 3 1 主要功能特性 6 表 3 2 nRF24L01 主要特性 9 表 3 3 nRF24L01 引脚功能 9 表 3 4 nRF24L01 工作模式 10 表 3 5 常用配置寄存器 11 表 3 6 性能指标和特性 13 表 3 7 数据包 13 表 3 8 产品特点 14 铜陵学院毕业论文 设计 0 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题的来源课题的来源 我国大棚种植约始于 1965 年 如今技术设备已经更新好几代 大棚面积也已经稳居 世界前列 同时伴随着科技快速发展 使得农作物栽培不受地域 季节限制 蔬菜成为 了一年四季人们的餐桌食物 中国的蔬菜大棚也渐渐走向自动化 无人化和信息化 目前 中国的温室主要是在温室和塑料大棚 温室管理主要是人工的 在很大程度 上造成了人力资源和原材料的巨大浪费 且效率不高 随着国民经济的快速发展和现代 化工业生产的迫切要求 人们在日常生活的方方面面越来越多的见到利用无线传输方式 进行数据的采集和传递 在过去 由于蔬菜大棚都是采取了分区采样的人工方法 获得 的数据十分不可靠 人工工作强度大 检测目标分散 以往的方法也渐渐落伍 很难满 足现代农业快速发展 而很多复杂系统依赖无线数据传输技术的快速发展 其采集检测 数据的能力更加精确可靠 操作上更加简便易行 图 1 1 日常生活中蔬菜大棚 1 2 国外研究概国外研究概况况 如今一些发达国家已具备了相当成熟的蔬菜大棚技术 早在 1970 年 国外开始采用 模拟式仪表 收集 保存和分析了大棚内的若干环境参数 到 1990 年左右 计算机技术 为核心的分布式控制系统开始崭露头角 如今国外的蔬菜大棚自动控制系统的研究已经 有了极大的进步和发展 一些发达国家正在朝着信息化 智能化 自动化的目标挺进 世界园艺强国荷兰的大棚控制技术一直处于世界领先水平 堪称是欧美的典型代表 由 于荷兰温差很小 其大棚内的温湿度等难题考量不多 从而侧重对于光照强度的采集和 控制 荷兰的大棚的隔热技术 调节 CO2 技术和人工补光技术一直处在世界前列 以色 列的现代温室大棚技术可通过计算机网络对自身环境参数进行自动检测及调节来完成植 铜陵学院毕业论文 设计 1 物自身对外界参数的不同要求 先进的滴管和微喷管系统进行灌溉和施肥 从而实现温 室农作物常年高效生产 此外美国 加拿大等还利用人为增加光强度 由机器手或机器 人进行移植栽培 选用计算机网络技术和无线通信技术进行温室的的远距离监测与控制 从而很大程度上提高了生产效率以及植物的产量 极大的提高了农业信息化水平 1 3 中国蔬菜大棚潜在的问题及其需求分析中国蔬菜大棚潜在的问题及其需求分析 存在的问题 1 蔬菜大棚系统依然使用过去有线通信方式 蔬菜大棚传统上采用 RS485 等总线方 式 此类有线通信方式使得系统的可靠性降低 线路错综复杂安装维护繁杂 不利于大 规模无人化生产 在实际应用空间上具有局限性 随着计算机技术的快速发展 无线通 信数据采集与处理在工农业生产中迅速得到了广泛的应用 蔬菜大棚系统也需要更新 2 我国蔬菜大棚生产管理主要依赖经验和单因子定性控制 调节控制能力差 总体 机械化程度低 主要仍是依托人工体力作业 需求分析 中国经过 30 多年的改革开放 伴随着社会经济快速发展 工业化和城市 化不断提高 用于农业生产的土地面积不断减少 这也迫切要求发展和提高中国的农业 现代化水平 其中重点就是蔬菜大棚技术 本设计通过采集大棚内光照强度 湿度 温 度 CO2 浓度的相关数据 及时了解和调节蔬菜大棚内农作物的生长环境的 4 种重要参 数 使其在最适宜的环境下生长 我们致力于在有限的土地占有面积上进行高效的农业 生产 提高农业生产效率 使得中国农业朝着高效化 信息化以及智能化的方向发展 1 1 4 本文主要研究工作本文主要研究工作 本文设计了由 STC89C52 控制 nRF24L01 和 DHT11 BH1750fvi C20 三种传感器构 成了无线数据通信的系统 整个系统可分为两大部分 其中发送部分以 STC89C52 为主 控芯片 使用 DHT11 采集温湿度 BH1750fvi 采集光照强度 C20 采集 CO2 浓度并由 nRF24L01 无线射频模块将采集到的各种数据传送给接收部分 接收部分以 STC89C52 为 主控芯片 通过 nRF24L01 接收温湿度 光照强度 CO2 浓度数据然后在 LCD12864 上显 示 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 2 第第 2 章章 系统方案分析与选择论证系统方案分析与选择论证 2 1 系统方案设计系统方案设计 2 1 1 主芯片选择方案 方案一 选用 STC89C52 作为主控芯片 此芯片有以下长处 效率高 功能强 应 用简便 低功耗 低成本 高稳定性 高速度 体积小 集成度高且易于扩展 方案二 选用 TI 德州仪器 公司研发的具有 16 位总线的外设和内存统一编码的 内置高速 12 位 ADC 的超低功耗 集成度高的单片机 MSP430F149 作为主控芯片 寻址 范围可达 64K 支持 ISP 便于系统的开发和设计 具有非常强大的功能 但其价格比较 贵 又由于它的封装形式连接不便于电路的焊接 因此大大增加了开发成本和时间周期 方案三 选用 ATMEL 公司生产的 目前主流的高性能 性价比高 低功耗的 8 单 片机 8 位 AVR 的 ATmega16 具有先进的 RISC 结构 非易失性程序和数据存储器 JTAG 接口 与 IEEE 1149 1 标准兼容 具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器 由于 其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间 ATmega16 的数据吞吐率高达 1MIPS MHz 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾 但由于本系统对运算要 求不高 且 AVR 单片机价格较高 不适宜本设计的要求 由于蔬菜大棚内的环境常年湿度较高 容易使得电子产品的腐蚀 所以从成本上要 求主控芯片必须价格低廉且性能可靠 同时 为了便于系统的安装和维护 我们希望单 片机的性能优良 集成度高 本系统选择方案一 2 1 2 无线通信模块方案 方案一 选用高速 低功耗 抗干扰能力强的 nRF24L01 无线射频模块进行通信 它 是是一款最高工作速率为 2Mbps 高效 GFSK 调制 内置硬件 CRC 检错和点对多点通信 地址控制的无线通信模块 由于模块采用 SPI 总线通信模式 所以操作比较方便 价格低 廉 特别适合工业控制场合 方案二 选用美国 TI 德州仪器 公司开发的使用 ZigBee 总线方式的 CC2430 无线 通信模块 它具有非常显著的耗电少 接收灵敏度高 传输距离远 成本低和强大的抗 干扰性等优势 而 ZigBee 通信协议对于初学者来说较为复杂 一时难以掌握 另外 CC2430 模块价格较贵 方案三 选用 GSM 模块进行通讯 抗干扰能力强 状态稳定 在覆盖地域通信质量 铜陵学院毕业论文 设计 3 高 能够支撑多种业务 有效地保护用户权利和加密传输讯息 但它需要需要内置 SIM 卡 编码质量不够高 编码速度只有 13kb s 且通信过程中需要收费 后期成本较高 综上所述 我们采用方案一中的 nRF24L01 作为本系统的数据通信模块 2 2 1 3 湿度 温度传感器方案 方案一 选用 HS1101 检测蔬菜大棚内湿度 DS18B20 检测大棚内温度 DS18B20 由于其电路接线简单 易编程 体积小 持久耐用 封装种类丰富 因而广泛应用于设 备要求的狭小空间 HS1101 由于具有高可靠性与长时间稳定性 可应用在需要湿度补偿的 各类场所 方案二 模拟输出型温湿度传感器 它输出的信号信号是微弱的模拟电信号 且响 应时间慢 热惯性大 线性差 需要各种补偿 适用于温湿度良好的环境中 如办公室 医院等 方案三 数字型温湿度复合传感器 其中以 DHT11 SHT11 系列为代表 其特征就 是输出为数字信号 不需要 A D 变换 外围电路接线简单 外部抗干扰能力很强 无需 外部放大电路 方案四 逻辑输出型温湿度传感器 这类传感器以 LM56 等为代表 主要是判断温 度 湿度是否超过了设定范围 一旦超过原设定范围 就会发出警告 综合以上四种方案 本系统选用方案三数字型传感器 DHT11 2 1 4 光照传感器选择方案 方案一 光照传感器 它可以根据光照强度调整亮度 其测量范围广 分辨率高 无需设计外围复杂电路 其中的代表就是一种以两线式串行总线进行通信的数字光照强 度传感器 BH1750FVI 它工作时对光源依赖较弱并且支持 IIC 总线接口通信 方案二 光敏传感器 它是一种敏感波长在红外线波长和紫外线波长之间的利用光 敏元器件将光照强度信号经过 A D 变换成为电平信号的设备 它广泛应用在对光的探测 和组成其他传感器的探测元器件 但它受温度影响较大 响应速度慢且延迟时间又受到 入射光的光照度影响 综合以上两个方案 采用以 BH1750fvi 为代表的方案一 2 1 5 气体传感器的选择方案 方案一 红外式传感器 它是运用了不同波长光线可以被不同种类的元素吸收的光 学原理作为检测气体浓度的依据 优点是线性转换度好 响应速率快 可以适应恶劣环 境 稳定性好等特点 方案二 电解质气体传感器 它是在通电情况下利用不同浓度的被测气体与某种固 体电解质电极间发生化学反应 进而引起其电极正负电位的变化 根据被测气体与电极 电位的变化量成正比例的关系 可以得出电位和气体浓度的变化 方案三 金属氧化物半导体式传感器 它对湿度 温度 光照强度等各种因素都很 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 4 敏感 外界因素的一点变化都会引起半导体材料的载流子的变化 通过采集其材料的物 理变化 可以推出它所处的 CO2 的的浓度 综合以上气体传感器的特点 由于方案二 三中的传感器存在温度漂移 零点漂移 等缺点 本系统采用方案一中的灵敏度高 线性好 响应时间短 测量时受外界环境影 响小的红外 CO2 传感器 C20 2 1 6 显示模块选择方案 方案一 选用可以显示较多汉字和 ASCII 码的 LCD12864 由于它低电压低功耗 连 接方式灵活简便 操作指令简单等显著特点 可设计出全中文人机交互图形界面 最大 限度的完成图形的显示 方案二 选用点阵型液晶模块 LCD1602 它价格便宜易控制 且可显示字母 数字 符号 但只可显示固定的每行 16 个字符的 2 行字符 因而不能显示位图图形 方案三 选用 LED 数码显示管 它的成本虽然少 但是只可以显示数字和少数的字 符和符号 本系统选择了 LCD12864 显示屏 点阵图形液晶模块 点阵字符液晶模块以及数显 液晶模块是 3 种最为常见的液晶显示模块 本系统选用主控芯片为 KS0108 的不带字库的 AMPIRE12864 液晶显示屏 是由于汉字不能像英文那样用字符模块就可以显示 显示汉 字必须用图形模块 这也是图形液晶模块在中国应用范围最为广泛的重要原因 2 2 系统最终方案系统最终方案 本系统以 89C52 作为主控芯片 外接光照采集模块 温湿度采集模块 CO2 浓度采 集模块以及无线射频模块 4 种数据通过 I O 接口保存到存储单元中 接着将 nRF24L01 模块初始化 89C52 经过接口将采集到的数据传送到 nRF24L01 中的 TX FIFO 缓冲区内 在发送模式下 CE 拉低 直至数据成功发送完毕 从而启动待机模式 紧接着接收端等待 接收数据 如果收到超出预先设定的数据范围 则蜂鸣器报警 延迟一段时间后 传感 器重新采集数据 主控芯片 STC89C52 光照强度传感器BH1750fvi CO2浓度传感器C20温湿度传感器DHT11 nRF24L01传输 发送 nRF24L01传输 接收 主控芯片 STC89C52 LCD12864显示屏 蜂 鸣 器 图 2 1 系统硬件结构框图 铜陵学院毕业论文 设计 5 第第 3 章章 系统硬件模块设计系统硬件模块设计 3 1 单片机控制模块单片机控制模块 3 1 1 主控芯片概述 STC89C52 是宏晶科技公司推出的利用高密度非易失性存储器技术制造的低功耗 高 速 超强干扰的 MPU 指令编码完全与过去的 MCS 51 单片机相兼容 STC89C52 具有 片上在系统可编程 Flash 便使得它广泛应用在很多工业过程控制和嵌入式控制中 SC89C52 为满足不同产品的需求 开发了 3 种封装形式 PDIP TQFP 和 PLCC 它的工 作电压在 5 5V 3 3V 工作频率范围 0 40MHHz 本设计采用比较常见的 PDIP 封装形 式 STC89C52 主要功能特性如表 3 1 所示 管脚分布如图 3 1 所示 表 3 1 主要功能特性 兼容 MCS 51 指令系统8K 可反复擦写 Flash ROM 32 个双向 I O 口256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断全双工 UART 串行中断口线 2 个外部中断源共 6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 看门狗 WDT 电路灵活的 ISP 字节和分页编程 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 6 图 3 1 主控芯片管脚分布图 3 1 2 单片机控制模块电路 STC89C52 最小系统构成单片机控制模块 其中最小系统包括 STC89C52 芯片 时钟 电路 复位电路和电源电路 3 1 时钟电路 89C52 的管脚 19 X1 与 18 X2 外接一个晶体与内部一个高增益的反相放大器构 成了 1 个振荡器 单片机的时钟连接方式可以分为内部时钟方式和外部时钟方式时钟 本系统采用内部时钟方式 在单片机的管脚 18 与 19 接一只 12MHz 或 6MHz 晶振振荡器 和两只 30pF 47pF 即可 电容就构成了单片机的外部时钟电路 其中两个电容在电路 中起到了对振荡频率的微调作用 单片机工作的时间基准就是由时钟电路决定的 4 2 复位电路 本系统采用上电 按键复位方式 其中复位端等于 0 时有效 复位信号是高电平有效 高电平有效的持续时间为 2 个机器周期以上 倘若本设计采用 12MHz 晶振 那么复位脉 冲宽度最少是 2us 单片机最小系统如图 3 2 所示 铜陵学院毕业论文 设计 7 图 3 2 主控芯片的最小系统 3 电源电路 通常 我们使单片机时 为了减少直流供电电源对上位复电的影响 单片机的复位 必须以稳定的电源作为前提 市电 220V 电源先经过变压器降压后 再通过二极管全波整 流 接着电容滤波 最后再通过三端稳压器 LM7805 进行稳压 输出为稳定的 5V 电压 具体电路图如图 3 3 所示 这样就可以减少单片机供电电源 复位电路结构 按键按键导 线的干扰影响 AMS1117 是一个正向低压降稳压器 在 1A 电流下压降为 1 2V 它分为固定输出版 本和可调版本 内部集成了过热保护和限流电阻 是电池供电和便携式计算机的最佳选 择 本设计采用固定输出版本 如图 3 4 它输入为 5V 为 nRF24L01 提供输出为 3 3V 电压 5 图 3 3 供电电源电路图 图 3 4 AMS117 降压电路 3 2 单片单片 2 4GHz nRF24L01 无线模块无线模块 3 2 1 nRF24L01 芯片概述 nRF24L01 是一款由 Nordic 公司研发的在 2 4 GHz 2 5 GHz 工作的世界通用 ISM 频 段的低功耗无线射频收发器芯片 其中由增强型晶体振荡器 ShockBurstTM 模式控制器 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 8 解调器 调制器 频率发生器 功率放大器等共同构成了无线收发器 通信协议 频道选 择以及输出功率可通过 SPI 命令进行配置 nRF24L01B PCB 板载天线 和 RF24L01SE 外置天线 是 nRF24L01 的无线模块的两个型号 本系统选用 RF24L01B 它拥有 ShockBurstTM 收发模式 ShockBurstTM 收发模式和直接收发模式三种收发模式 其中器件配置字决定收发模式 本系统通过选用 Enhanced ShockBurstTM 收发模式 表 3 2 nRF24L01 主要特性 GFSK 调制硬件集成了 OSI 链路层 具有自动应答和自动在发射功能片内自动生成报头和 CRC 校验码 数据传输速率为 1Mb s 或 2Mb sSPI 速率为 0Mb s 10Mb s 125 个频道与其他 NRF24 系列射频器件相兼容 3 2 2 引脚功能及描述 nRF24L01 的引脚封装如图 3 5 所示 各引脚功能如表 3 3 所示 图 3 5 nRF24L01 引脚封装 表 3 3 nRF24L01 引脚功能 CE使能发射或接受 CSN SCK MOSI MISOSPI 引脚 为处理器通过此引脚配置 nRF24L01 IRQ中断标志位 XC2 XC1晶体振荡引脚 VDD PA为功率放大器供电输出为 1 8V ANT1 ANT2天线接口 IREF参考电流输入 3 2 3 工作模式 我们可以通过设置寄存器可将 nRF24L01 设置为发射 接收 待机和掉电 4 种工作模 式 见表 3 4 所示 铜陵学院毕业论文 设计 9 表 3 4 nRF24L01 工作模式 模式PWR UPPRIM RXCEFIFO 寄存器状态 接收模式111 发射模式101数据在 TX FIFO 寄存器中 发射模式10 1 0 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 21 0无数据传输 掉电模式0 当系统在待机模式 1 和 2 时 寄存器中的配置字内容仍然保留 在待机模式 1 下 晶体正常工作 此模式下能够保证快速启动且减少 nRF24L01 模块的平均消耗电流 当 C E 1 且 TX FIFO 寄存器为空时 系统进入待机模式 2 在待机模式 2 中 其中的一部分 时钟缓冲器还在工作模式 寄存器中 PWR UP 位就是来控制掉电模式的 当 PWR UP 位 为 0 时 进入掉电模式 此时 nRF24L01 的各个功能关闭 电流消耗最低 nRF24L01 停 止工作 但所有配置寄存器的内容保持不变 3 2 4 增强型 ShockBurstTM 工作原理 1 增强型 ShockBurstTM 发送过程 1 配置寄存器 PRIM RX 位设置为 0 进入发送模式 2 当采集到的数据要发送时 先通过 SPI 接口向接受节点地址 TX ADDR 和有 效数据 TX PLD 按照时序写入 FIFO 其中在 CSN 0 时 TX PLD 持续写入 TX ADD R 只需一次写入即可 3 设置 CE 为高 至少 10 s 激发 nrf24L01 进行 Enhanced shockBurstTM 发射 无线系统上电 装配含有字头和 CRC 校验码的数据包 130 s 后发送数据 4 如果 ACK 应答允许 则 nRF24L01 在发射数据后立即使得 PRIM RX 由 0 变为 1 从而进入接收模式 接收应答信号 收到应答后 TX DS 1 且在 TX FIFO 中清除 TX PLD 2 增强型 ShockBurstTM 接受过程 1 配置要接受数据包的长度大小和本地地址 2 将 nRF24L01 设置 CE 等于高电平 启动接收模式 3 145 s 后进入接收状态 开始检测空气中的数据信息 4 当接收到含有有效信息的数据包 地址匹配 CRC 检测正确 时 就将数据包存 储在 RX FIFO 缓冲区中 字头 地址和 CRC 校验位已移去 且 RX DR 中断标志位 1 IRQ 0 产生中断信号 通知微处理器去取数据 如果此时开启的是自动应答 接 收方则同时进入发送模式发送应答确认信号 最后接收完成时 可以清除 STATUS 寄存 器 nRF24L01 可以进入任意模式 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 10 进入待机模式或掉电模式才能够写寄存器 nRF24L0l 所有的设置都在配置寄存器中 我们可以通过配置寄存器的状态来决定配置字 所有的配置寄存器均是通过 SPI 口进行 设置的 SPI 相关的指令在使用时由 MOSI 输入 相应的状态和数据信息是从 MISO 输出 给 MCU 如图 3 6 和 3 7 给出 SPI 操作读写时序图 图 3 6 SPI 读操作 图 3 7 SPI 写操作 表 3 5 列出了 nRF24L01 的常用的配置寄存器 它总的有 25 个配置寄存器 表 3 5 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 03SEUP 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 0A 0FRX ADDR P0 P5设置接收通道地址 10TX ADDR设置发送地址 11 16RX PW P0 P5设置接收通道的有效数据宽度 3 2 5 nRF24L01 模块原理图 图 3 8 显示的是 nRF24L01 单端匹配网络 主控芯片与 nRF24L01 射频模块之间由 4 个 I O 连接后通信 经由 SPI 同步串行外设 所有的寄存器完成数据的传递和交流 具体 的引脚接线如图 3 9 所示 铜陵学院毕业论文 设计 11 图 3 8 单端 50 射频输出电路图 图 3 9 nRF24L01 射频模块与主控芯片管脚连接图 3 3 数字湿温度传感器数字湿温度传感器 DHT11 电路电路 3 3 1 DHT11 概述 DHT11 是广州奥松公司应用数字采集技术和传感技术生产的一种含有一个电阻式感 湿元件和一个 NTC 测温元件的的数字复合传感器 它只用一个 I O 口就可以通过单总线 数据格式实现与一个高性能 8 位 MCU 间的通信 采集到的湿度和温度数据一次性以每 5Byte 传输给微处理器 在检测信号的过程当中需要调用保存在程序中的校准系数 数据 的校验是经由校验和方式进行的 从而有效地确保了数据采集和传递的可靠性和准确性 由于它封装只有 4 个管脚 采用了单总线通信 使得接线简单 系统集成更为便捷可靠 另外它还有低功耗 响应超快 体积超小 抗干扰能力强 性价比极高等优点 性能指 标和特性见表 3 6 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 12 表 3 6 性能指标和特性 工作电压范围 3 5V 5 5V工作电流 平均 0 5mA 湿度测量范围 20 90 RH温度测量范围 0 50 湿度分辨率 1 RH 8 位 温度分辨率 1 8 位 采样周期 1s单总线结构 与 TTL 兼容 5V DHT11 数字湿温度传感器数据包由 5 字节组成 其中一次完整的数据传输共有 40bit 数据分小数部分和整数部分 高位先出 数据格式中校验和为前四个字节数据相 加之和 具体格式见表 3 7 注意 由于传感器输出的是没有被编码的二进制数据 我们 需要分开处理采集到的各个数据的整数和小数 管脚封装分布如图 3 10 表 3 7 数据包 Byte4Byte3Byte2Byte1Byte0 整数小数整数小数校验和 湿度温度校验和 图 3 10 DHT11 管脚封装分布图 3 3 2 DHT11 电路 DHT11 电路连接方式很简单 如图 3 11 所示 管脚 1 接电源正极 管脚 4 接地 管脚 2 接 P1 0 管脚 3 悬空不用 通常在数据端和电源正之间接一只 5K 的上拉电阻是 为了提高其稳定性 注意当连接线长度短于 20m 时用 5K 上拉电阻 大于 20m 时可以根 据实际情况选择适当的上拉电阻 6 图 3 11 DHT11 与主控芯片连接电路图 铜陵学院毕业论文 设计 13 3 4 光强度传感器光强度传感器 BH1750fvi 电路电路 3 4 1BH1750fvi 概述 BH1750fvi 芯片是飞利浦公司研发的具有 16 位串行输出 光谱灵敏度高的且遵循标 准的 IIC 通询协议的数字型光强度传感器 它是通过的光线强度来调节液晶或者键盘背景 灯的亮度 采用两线式串行总线通信 广泛应用在液晶电视 移动电话 笔记本电脑 液 晶显示器 数码相机 数码摄像机 便携式游戏机 汽车定位系统 产品特点见表 3 8 表 3 8 产品特点 支持 IIC BUS 接口接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性 输出对应亮度的数字值对应广泛的输入光范围 相当于 1 65535lx 通过降低功率功能 实现低电流化通过 50Hz 60Hz 除光噪音功能实现稳定的测定 支持 1 8V 逻辑输入接口 无需其他外部件 有两种可选的 IIC slave 地址 受红外线影响很小 可计算 1 1 lx 到 100000 lx 马克斯 分钟的范围可调的测量结果影响较大的因素为光入口大小 光源依赖性弱最小误差变动在 20 3 4 2 BH1750fvi 电路 由于 BH1750fvi 精度和灵敏度很高虽然读出的结果是上一次的测量结果 但是我们可 以认为显示的数据就是实数据 具体电路连接图如图 3 12 所示 其中 SDA 接管脚 P1 1 SCL 接管脚 P1 2 图 3 12 BH1750fvi 与 MCU 连接电路图 3 5 红外传感器红外传感器 C20 电路电路 本系统选用的 CO2 传感器是英国 GSS 采用长寿命的发光体 LED 和与之相匹配的光 电二极管 工作在 4 26 m 窄带区的窄带 NDIR 红外技术生产的 C20 红外 CO2 传感器 特征是高精度 功耗低 集成式 及时感应 防水 抗震动 C20 因为其体积小且防水 在零下 25 55 的天气下芯片有一定的温度补偿 所以适合在长期湿度较大的场所使用 它的管脚从右至左为 5V 电压 串行输出 用于发送数据 串行输入 用于接受数据 接地 本系统中管脚 2 接 STC89C52 的 P3 2 管脚 3 接 P3 3 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 14 图 3 13 CO2 浓度传感器管脚分布图 3 6 LCD12864 电路电路 本系统在接收端部分采用无字库的图形点阵液晶显示器 AmpireLCD12864 它采用驱 动控制器 KS0108 组成了 128 列 64 行的全点阵液晶显示屏 LCD12864 有 5 条位控制总 线管脚 8 位并行数据总线输入输出管脚 1 个复位端管脚和 4 个电源有关的管脚共 18 个管脚 接口方式有 2 线或 3 线串行和 4 位或 8 位并行 其中本设计中引脚 9 16 顺次 接主控芯片的 P0 0 P0 7 E 引脚 8 接 P2 0 R W 引脚 7 接 P2 1 RS 引脚 6 接 P2 2 CS2 引脚 2 接 P2 3 CS2 引脚 3 接 P2 4 具体连接电路如图 3 14 所示 图 3 14 AmpireLCD12864 电路连接图 铜陵学院毕业论文 设计 15 3 7 Max232 串口转换电路串口转换电路 由于 89C52 的串口电平与计算机的串口电平不相同 故必须将程序下载到主控芯片 中 本系统主控芯片采用的是 Max232 串口下载 Max232 芯片内部具有电压倍增电路和 转换电路 转换接口电路如图 3 14 所示 管脚 11 T1 in 接 89c52 串行输入线 P3 1 管 脚 12 R1 out 接 P3 0 管脚 13 R1 in 管脚 14 T1 out 分别与 RS232 的管脚 3 2 相连接 其中图 3 15 中的 C7 C8 C9 须是 0 1uF 图 3 15 Max232 串口转换电路 3 8 报警电路报警电路 若外界环境参数中温湿度 CO2 浓度和光照强度超过了原先设定的范围时 本系统 会驱动蜂鸣器发出报警信号 从而引起管理人员注意 提醒工作人员进行相应的故障检 查和参数调整 蜂鸣器电路与 89C52 管脚 P2 6 相接 蜂鸣器电路如图 3 16 所示 图 3 16 蜂鸣器连接电路图 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 16 第第 4 章章 系统软件设计系统软件设计 4 1 nRF24L01 无线射频模块无线射频模块 系统发送端采用 3 种传感器采集 CO2 光强度 温湿度 经 STC89C52 收集存储数 据后 再发送到接收端 其中包括 DHT11 BH1750fvi 等传感器的初始化配置 数据存 储及 nRF24L01 的发射频率配置 发射地址配置等 本系统我们仅模拟单点一发一收情况 流程图如图 4 2 其中接收机由通道 1 2 3 4 接收 因为在自动 ACK 模式下接收端会在成功接收完数据后会向发送端发送 应答信号 发送端以其通道 0 1 2 3 接收该信号 所以发送端的通道 0 1 2 3 也 必须设置为与本机地址相同 无线模块接收发送端传来的光强度 温湿度 CO2 浓度数 据 通过 STC89C52 在 LCD12864 上显示 无线射频模块的 PTX 和 PRX 流程图如图 4 1 所示 时序图如图 4 3 所示 图 4 1 nRF24L01 的 PTX 和 PRX 流程图 铜陵学院毕业论文 设计 17 nRF24L01模块初始化 3种传感器的初始化及数据的采集和保存 激发nRF24L01数据发送并清除中断 进入接收模式等待接收数据 是否为指定数据 蜂鸣器报警 是 否 长延时 图 4 2 总体框架流程图 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 18 图 4 3 nRF24L01 的时序图 nRF24L01 无线模块的数据发送流程 1 CE 置 0 后模块进入待机模式 2 依次装 载接受的地址和准备要发射的数据 3 拉高 CE 使得模块进入发送模式 芯片会按照射 频协议自动添加标志序列 4 发送数据 7 其中的重要的程序代码如下 void nRF24L01 TxPacket unsigned char tx buf CE 0 待机模式 SPI Write Buf WRITE REG RX ADDR P0 TX ADDRESS TX ADR WIDTH 装载接收端地址 SPI Write Buf WR TX PLOAD tx buf TX PLOAD WIDTH 装载数据 SPI RW Reg WRITE REG CONFIG 0 x0e IRQ 收发完成实现中断响 应 16 位 CRC 发送模式 CE 1 激发采集到的数据发送 inerDelay us 10 nRF24L01 无线模块的数据接收流程 读状态寄存器 判断 RX DR 寄存器的状态以 及接受模式的设置 若触发中断 则从 RX FIFO 中读取有效数据并保存到 RX Buf 缓冲 区中 再将中断清除 程序代码如下 uchar nRF24L01 RxPacket unsigned char rx buf unsigned char revale 0 sta SPI Read STATUS if RX DR CE 0 SPI 使能 SPI Read Buf RD RX PLOAD rx buf TX PLOAD WIDTH read receive payload from RX FIFO buffer revale 1 SPI RW Reg WRITE REG STATUS sta return revale 铜陵学院毕业论文 设计 19 主控芯片 89C52 通过 SPI 接口实现了与无线射频模块的通信 以下是模拟 SPI 通信 的主要函数 1 uint SPI RW uint uchar 函数主要工作是完成 GPTO 模拟 SPI 的功能 将输出字节 MISO 从 MSB 循环输出 同时将输入字节 MISO 从 LSB 循环输入 上升沿读入 下降沿输出 8 uint SPI RW uint uchar uint bit ctr for bit ctr 0 bit ctr 8 bit ctr output 8 bit 0 MOSI uchar output uchar MSB to MOSI uchar uchar 1 shift next bit into MSB SCK 1 Set SCK high uchar MISO capture current MISO bit SCK 0 then set SCK low again return uchar return read uchar 2 uint SPI RW Reg uchar reg uchar value 寄存器访问函数是用来设置 24L01 的寄存器的 值 它可通过 WRITE REG 命令把要设置的值写入到相应的寄存器地址中 并读取返回 的 ststus 值 uint SPI RW Reg uchar reg uchar value uint status CSN 0 CSN low init SPI transaction status SPI RW reg select register SPI RW value and write value to it CSN 1 CSN high again return status return nRF24L01 status uchar 3 uint SPI Write Buff uchar reg uchar pBuf uchar uchars 发射缓冲区访问函数用来将数组 里的数据存放到 RX FIFO 缓冲区 它是经由 WRITE REG 命令将数据存放到 TX FIFO 缓冲区里 uint SPI Write Buf uchar reg uchar pBuf uchar uchars 发射缓冲区访问函数 uint status uchar ctr CSN 0 SPI 使能 status SPI RW reg for uchar ctr 0 uchar ctr uchars uchar ctr SPI RW pBuf CSN 1 关闭 SPI return status 徐飞 蔬菜大棚智能数据采集系统设计 20 4 SPI Read Buff uchar reg uchar pBuf uchar uchars 接收缓冲区访问函数是用来接受 时读取 FIFO 缓冲区中的数据 它是通过 READ REG 命令将原先存到 RX FIFO 的数据读 出并存到数组中 uint SPI Read Buf uchar reg uchar pBuf uchar uchars 接收缓冲区访问函数 uint status uchar ctr CSN 0 Set CSN low init SPI tranaction status SPI RW reg Select register to write to and read status uchar f