无线温控系统的概述与设计毕业论文.doc

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）无线温控系统的概述与设计毕业论文目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 本课题的研究背景及意义11.2 国内外在该领域的研究现状11.2.1 国外在该领域的研究现状11.2.2 国内在该领域的研究现状21.3 主要研究内容2第2章 无线温控系统的概述32.1 系统概述32.2 确定研究方案4第3章 nRF905无线数传模块53.1 nRF905 原理图53.2 模块介绍53.3 nRF905芯片介绍63.3.1 nRF905芯片简介63.3.2 nRF905的配置73.4 nRF905发送和接收流程93.4.1 nRF905发送流程93.4.2 nRF905接收流程103.5本章小结10第4章 系统总体设计114.1 液晶显示模块114.1.1 LCD1602液晶显示器介绍114.1.2 LCD1602引脚功能114.1.3 LCD1602指令集124.1.4 LCD的应用编程134.1.5 1602液晶电路原理图144.2 湿度设计模块144.2.1 NE555简介144.2.2 HS1101湿度传感器164.3 湿度模块软件设计174.4 火焰传感器模块174.4.1 火焰传感器编程指南184.5 温度传感器184.5.1 温度传感器概述184.5.2 DS18B20的控制命令204.6 Lm1117简介214.7 7805简介214.8 电磁继电器224.9 本章小结23第5章 Protel DXP 2004简介245.1 Protel DXP 2004简介245.2 原理图的绘制255.2.1 原理图元件库的绘制275.2.2 原理图的绘制285.3 本章小结25第6章 程序的编写与调试266.1 程序流程图266.1.1 接收控制板流程图266.1.2 发送控制板流程图276.2 调试环境276.2.1 Keil软件仿真的串口调试技巧276.2.2 KEIL的使用流程296.2.3 STC-ISP的使用306.3 本章小结30结论31致谢32参考文献33附录134附录237附录341-67-第1章 绪论1.1 本课题的研究背景及意义温度和湿度历来是室内最主要的两个参数，是众多领域中需要检测的重要环境参数。不仅在工业、现代农业，还是在气象卫星、仓库保管等领域，对温度和湿度的测量都是随处可见的，尤其是人类赖以生存的环境。特别是在粮食、温室大棚的问题上，粮食的储存和保管工作国家和各级政府都十分重视。随着时代的发展科技的进步，人们对环境中的温度、湿度的认识越来越深，要求越来越高。一旦温度过高，稍微疏忽就会引发不同程度上的伤害甚至火灾，就会给国家和人民造成巨大的经济损失。因此对温度、湿度和火焰的测量与监控也是十分有意义的。过去在复杂坏境中，对温度的检测非常困难，近几年虽有很大发展，但由于外界环境的变化很难正常工作，因此研究一套合理的温度控制系统是首要任务，基于这样的前提，在这里设计的控制系统，利用单片机作为处理器，采用无线传输，应用温度、湿度和火焰传感器，不仅能达到操作简单的效果，也能提高控制精度。使用无线传输模块通讯快捷、方便、计算简单、易于做到实时控制，随时监控，而且可以快速及时的检测到温度，由nRF905收发机芯片通过SPI接口和微控制器进行数据发送和接收，可以在第一时间掌握温度和湿度。温度传感器在所应用的环境中进行24小时检测，当温度升高到某一设定值时，启动通风设备，这样就能实现自动化管理，可以随时把温度传送给外界以便进行远程监控并且在测量精度方面能够达到使用要求。因此应用单片机判断感应环境的温度、湿度和火焰，并对其进行合理有效的调控不仅可以节约能源更有利于各行业的健康且长远的发展，同时更能造福人类。1.2 国内外在该领域的研究现状1.1.1 国外在该领域的研究现状 温度是人类理想生存环境的重要指标之一，只有及时准确的测得所在环境的温度数据，并且根据检测的温度对其进行分析，才能最大限度的满足我们的舒适要求。国外的对于温度、湿度和火焰检测的高科技数字式传感器的监测系统，已经发展到成熟的程度，在一个芯片上能够集成多个功能的模块。尤其是在粮仓的温湿度检测方面，以美国、加拿大为代表的产粮大国的粮食温度监控技术已经发展到了成熟的地步，高科技数字式温度产感器广泛应用于粮食温度监测系统。由美国Dallas Semiconductor公司推出的单线数字化测温集成电路数字温度传感器DS1820，采用单线接口式，可通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式，测温范围-55125摄氏度，温度转换值以九位数字方式串行输出。1.1.2 国内在该领域的研究现状与外国同类产品相比较，国内的温度、湿度、火焰检测系统还有相当大的差距。系统采用的传感器的测量精度和灵敏度以及在模拟量信号转换成数字量信号时都会产生误差，信号在长距离传输过程中因干扰和信号衰减导致精度降低。不可否认的是，国内电子元器件的制造技术水平和国外电子元器件的过高价格制约了检测系统向更高精度的发展。因此，在这种情况下，在这里设计的是短距离采集温度，通过无线传输提高了温度的精度，对改善我国温度、湿度和火焰检测系统的落后面貌具有相当重要的意义。1.3 主要研究内容按系统功能实现要求,确定整个监控系统的工作过程。了解温度对所在环境的影响。决定控制系统用STC89C52单片机，利用温度传感器，湿度传感器和火焰传感器检测所处环境的事实情况，通过NRF905无线发送模块发送，采用一个接收点，多个发送点。1利用温度传感器检测检测的温度，并进行程序设计。2利用湿度传感器检测检测的湿度，并进行程序设计。3利用火焰传感器检测检测的火焰，并进行程序设计。4利用NRF905做无线通讯，设计无线通讯模块，并进行程序设计。第2章 无线温控系统的概述2.1 系统概述温湿度是影响环境质量好坏的主要因素。尤其是在粮食储存和温室大棚方面，目前我国许多粮食仓储单位仍采用测温仪器与人工抄录、管理的传统方法，不仅效率低而且往往由于判断失误和管理不力造成局部或大范围粮食霉变。本设计中采用nRF905射频模块、DS18B20构成的测温网络、湿度传感器HS1101组成一种无线全数字温湿度监控系统，彻底摆脱了传统的人工抄录方法，能实时检测所在环境的温湿度，并根据所测的数据控制通风设备、除湿机等外部设备的运行，确保所在场所的合适的温湿度环境。利用STC89C52单片机作为控制器芯片，利用程序控制自动的接收和发送，检测温度、湿度火焰的同时，当温度超过所限定的温度时(温度设定在31)，继电器通过单片机控制而工作，启动通风设备，经过一定的时间，当温度下降 (温度设定在26)，通风设备停止转动，同时通过nRF905无线数收发模块把实时的温度，湿度和火焰的检测传输到观测点，以便于观察。当接收端收到的温度大于某一设定值时(温度设定在32)，蜂鸣器报警。理论上，当检测到火焰时报警器报警。此设计由一点观测到多点，不需要来回观测，只需把用来接收的控制器放在检测者能观察到的地方就可，这样了提高工作效率，保证工作人员的人身安全。该系统的硬件框图如图2-1和图2-2所示：STC89C52无线接收火焰报警器1602液晶显示蜂鸣器图2-1 接收装置示意图无线发射采集温度湿度火焰STC89C52温度降到26风扇停止转动温度达到31检测到火焰报警风扇转动1602液晶显示器图2-2 发送装置示意图2.2确定研究方案针对所处环境的实际要求，温度、湿度、火焰是保证环境质量关键的因素之一。及时的掌握温度情况，能够实现自动控制，是我本次设计的主要目的。因此，适时检控温度达到理想状态的保证。采用了以下传感器和控制器：1. 温度传感器：DS18B20数字温度传感器，精度能达0.5。2. 湿度传感器：全互换性，在标准环境下不需校正长时间饱和下快速脱湿。3. 火焰传感器：专用于搜寻火源。4. 控制芯片： 采用STC89C52单片机，单片机是一种集成在电路芯片，是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。第3章 nRF905无线数传模块3.1 nRF905 原理图图3-1 nRF905原理图3.2 模块介绍 图3-2 NRF905与单片机连接的管脚图 3. 表3-1为NRF905芯片各脚与单片机连接的功能介绍表3-1 NRF905芯片各脚与单片机连接的功能介绍引脚名称引脚功能 说明1VDD电源电源正(+3.3 V DC)2TX_N数字输入1:发送模式,0:接收模式3TRCE数字输入芯片的收发使能4P_UP数字输入芯片上电5uPCLK时钟输入晶振分频的时钟信号输出6CD数字输入载波检测7AM数字输入地址匹配8DR数字输入收发数据准备好9MISOSPI接口SPI输出10MOSISPI接口SPI输入11SCKSPI时钟SPI时钟12CSNSPI使能SPI使能13GND地接地14GND地接地3.3 nRF905芯片介绍3.3.1 nRF905芯片简介nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。 nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以- 10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便nRF905通过SPI接口和微控制器进行数据传送，通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。采用32引脚的QFN 5mm5mm小封装，体积小，节省印制板面积，这样它使用于很多狭小的地方。表3-1已经列出了nRF905的引脚功能，下图3-3为nRF905的封装和引脚分布：图3-4 QFN式905封装及管脚分配nRF905有两种工作模式和两种节电模式。两种工作模式分别是ShockBurst接收模式和ShockBurst发送模式,两种节电模式分别是掉电模式和待机模式。 nRF905采用Nordic Semiconductor ASA ShockBurst 技术使其能够提供高速的数据传输而无需昂贵的高速MCU。与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送。因此两次发送中间有很长时间的空闲。使低速的MCU也能得到很高的射频数据发射速率。在ShockBurst接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配和数据准备好两个引脚通知微控制器。在ShockBurst 发射模式下，nRF905自动产生前导码和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚DR通知微控制器数据发送完毕。因此，nRF905的ShockBurst收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也缩短了软件开发时间。 3.3.2 nRF905的配置nRF905内部有若干个寄存器，这些寄存器必须经过适当的配置，才能使nRF905正常工作。这些寄存器的配置都是通过nRF905内部的SPI接口传送的。SPI接口的工作可通过SPI指令执行。只有当nRF905处于掉电或待机模式时，nRF905的SPI接口才可以进入工作状态。nRF905内部SPI接口连接5个寄存器，分别是状态寄存器、频射配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器。功能如下：1状态寄存器:只是包含数据准备好DR和地址匹配AM两位，共1字节。2射频配置寄存器:简称配置寄存器,包含收发配置信息，如频率和输出功率，共10字节，表内字节定义中所用的参数符号的意义如表3。接收地址保存在射频配置寄存器的字节5至字节8的四个字节内，它不是一个独立的寄存器，但有时也会使用“接收地址寄存器”这个名称，实际上其值就是接收器件识别码。3) 发送地址寄存器:用与寄存接收机的地址，其字节数由射频配置寄存器设定，最多4字节。4) 发送数据寄存器:用于寄存发送的数据包，其字节数由射频配置寄存器设定，最多可达32字节。 5) 接收数据寄存器:用于寄存收到的数据包，其字节数由射频配置寄存器设定，最多可达32字节，当接收数据寄存器中的数据有效时，状态寄存器中的DR位变高。表3-3参数符号参数位数说明CH_NO9频率值为FRF=(422.4+CH_NO/10)(1+HFREQ_PLL)MHzHFREQ_PLL1设置PLL工作于433MHz或868MHz/915MHz。0：器件工作于433MHz，默认值 ;1: 器件工作于868MHz或915MHzPA_PWR2设置输出功率。00：10dBm,默认 01：2 dBm；10：+6 dBm； 11：+10 dBm；RX_RED_PWR1设置接收省点模式。0：默认值1：接收为省电模式，工作电流为1.6mA，但灵敏度低AUTO_RETRAN1设置自动从发数据包。当引脚TRX_CE和TX_EN为高时，自动从发发送数据寄存器中的数据包0：不从发 ； 1：从发RX_AFW3设置接收地址宽度。001：1字节RX地址宽度；100：4字节RX地址宽度，默认值；TX_AFW3设置发送地址宽度。001：1字节TX地址宽度；100：4字节TX地址宽度，默认值；RX_PW6设置接收有效地址宽度。000001：1字节RX有效数据宽度000010：2字节RX有效数据宽度100000：32字节RX有效数据宽度，默认值TX_PW6设置发送有效数据宽度。000001：1字节TX有效数据宽度000010：2字节TX有效数据宽度100000：32字节RX有效数据宽度，默认值RX_ADDRESS32设置接收地址。所用字节数取决于参数RX_AFW的值UP_CLK_FREQ2设置输出时钟频率。00：4MHz 01:2 MHz10:1 MHz 11:500 MHz,默认值UP_CLK_EN1设置输出时钟使能。0：不用外部时钟 1：使用外部时钟，默认值XOF3设置晶振频率。注意，必须按外接晶振的频率设置。000：4 MHz 001：8MHz010：12 MHz 011：16 MHz100：20 MHz，默认值CRC_EN1设置CRC校验允许。0：不允许 1：允许，默认值CRC_MODE1设置CRC校验位数。0：8位CRC校验位1：16位CRC校验位，默认值3.4 nRF905发送和接收流程3.4.1 nRF905发送流程 1当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据给nRF905。SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定。 2微控制器将TRX_CE和TX_EN置高，激发nRF905的ShockBurst发送模式。 1）nRF905在ShockBurst发送模式中，射频配置寄存器自动开启并完成以下动作：数据打包发送数据包当数据发送完成，数据准备好引脚DR被置高。 2）初始化时若射频配置寄存器中的自动从发参数AUTO_RETRAN已被置高，则nRF905会不断重发，直至引脚TRX_CE被置低。 3）当引脚TRX_CE被置低时，nRF905发送过程完成，自动进入待机模式。ShockBurst工作模式保证一旦发送数据的过程开始，无论TRX_ EN和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，nRF905才接收下个发送数据包。 3.4.2 nRF905接收流程1通过设置TRX_CE高，TX_EN低来选择nRF905的ShockBurst接收模式。2650s以后，nRF905检测空气中的信号。 3当nRF905发现和接收频率相同载波时，载波检测引脚CD被置高。 4当nRF905接收到有效的地址时，地址匹配的引脚AM被置高。 5当nRF905接收到有效的数据包时，nRF905自动移去前导码，地址和CRC校验位，数据准备就绪引脚DR被置高。 6MCU设置TRX_CE低，进入standby模式。 7MCU可以适合的速率通过SPI接口读出有效数据。 8当所有的有效数据被读出后，nRF905将AM和DR置低。 9nRF905将准备进入ShockBurst RX，ShockBurst TX或Powerdown模式。3.5本章小结本章主要是关于对nRF905的开发设计，nRF905是免费使用的频段许可证使用，使用的频率在433MHZ。并了解了nRF905的工作原理及使用方法，完成了NRF905的电路设计，画出了nRF905的印制电路板。第4章 系统总体设计4.1 液晶显示模块4.1.1 LCD1602液晶显示器介绍LCD1602液晶是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏LCD、控制驱动主板电路HD44780及扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻。电容原件和结构件登装配在PCB板上而组成的。LCD液晶显示模块的主要技术参数：1液晶显示屏是由若干58或511点阵组成的显示字符群。每个点阵模块为一个字符位，字符间距和行间距都为一个点的亮度。2控制驱动电路为HD44780及与其他公司全部兼容的电路。3. 具有字符发生器ROM，可显示192种字符。4具有64字节的自定义字符RAM，可自定义8个58点阵字符或4个512点阵字符。5具有80字节的RAM。 6. 标准接口特性。 7. 模块结构紧凑、轻巧、装配容易。 8. 单+5V电源供电。 9. 低功耗、长寿命、高可靠性。4.1.2 LCD1602引脚功能LCD1602的引脚按功能划分可分为三类：数据类、电源类和编程控制类。 1 . 数据类引脚引脚7-14为数据线，选择直接控制方式时8根线全用,四线制时只用DB7-DB4四根高位线。2. 电源类引脚：1) 1、2引脚为负、正电源线，不能接错。2) 引脚3VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最低，接电源地时对比度最高，对比度过高会产生“鬼影”，这时可使用一个10K的电位器调整。3) 引脚15、16为背光源，接5V电源时应串入适当的限流电阻。 3控制类引脚 1) E为使能控制端，当E端由高电平变到低电平时，液晶模块执行命令。 2) RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 3) RS为寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。 引脚功能表如表4-1所示：表4-1 1602液晶引脚功能表引脚号符号状态功能1VSS电源低2VDD+5V逻辑电源3VO液晶驱动电源4RS输入寄存器选择，1：数据0：指令5R/W输入读、写操作选择，1:读0：写6E输入使能信号7DB0三态数据总线 LSB8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线 MSB15LEDA输入背光+5V16LEDB输入背光地4.1.3 LCD1602指令集LCD液晶显示器包含一套由单字节组成的指令集，这些指令集可以控制显示器完成各种先是指令功能，单片机发送相应的指令即可使显示器正常工作。LCD1602共有11条指令。各指令如表4-2所示：表4-2 LCD1602指令集序号指令RS R/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB01清显示00000000012光标复位000000001*3设置光标和显示模式00000001I/DS4显示开关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6功能设置命令00001DLNF*7设置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址 AGG8设置数据存储器地址001显示数据存储器地址 ADD9读忙标志和光标地址01BF要写的数据10写数据到字符发生器数据发生器10要写的数据11从CGRAM或DDRAM读数据11读出数据4.1.4 LCD的应用编程从LCD1602指令集中可以看出，它在应用时的编程主要包括两个方面的内容：一个是给它送命令，指令1-9就是这些命令，这些命令包括清显示，光标复位等，当发送这些命令时要置RS=0；另一个是写入和读出数据，指令10和指令11分别完成这两项功能，这是要RS=1，指令10将要显示的数据写入内存中，然后在显示器上显示出来。应用编程时，首先要对LCD1602初始化，初始化的内容可根据显示的需要选用上述命令。初始化完成后，接着指定显示位置。要显示字符时应先输入显示字符的地址，也就是告知显示器在哪里显示字符。第一行第一列的地址是00H，但应注意，该位置的地址不能写入00H，而应写入80H，这是因为写入显示地址时要求最高位DB7恒为高电平1。所以，实际写入的数据应该是00000000B(00H)+10000000(80H)。同理，第二行第一列的地址是40H，但实际上应该写入地址是C0H，然后将要显示的数据写入，这时相应的数据就会在指定的位置显示出来。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每一条指令之前一定要读忙，当模块的标志为低电平时，表示不忙，这时输入的指令才有效，否则此指令无效。也可以不采用读忙标志的方法，而是采用写入指令后延时一段时间的方法，也能起到同样的效果。4.1.5 1602液晶电路原理图 LCD1602的硬件接线图如图4-1所示： 图4-1 液晶1602连接电路4.2 湿度设计模块4.2.1 NE555简介 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同，而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。 1. NE555的特点有： 1） 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2）它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 2. NE555引脚位配置说明如下： 1 脚GND (接地)-地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。2 脚TRIG：(触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC。3脚OUT：(输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 4脚RESET：(重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。5脚CONT： (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 6 脚THRES：(重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。7 脚DISCH：(放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗 。8脚VCC： 这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。NE555的外型如图4-2所示： 图4-2 NE555芯片的外型结构参数功能特性： 供应电压4.5-18V 供应电3-6 mA 输出电225mA (max) 上升/下时间100 ns4.2.2 HS1101湿度传感器HS1101湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律，在自动的测试系统中电容随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化（如图4-3所示）， 图4-3 湿度传感器特性曲线才能进行有效的数据采集。其特点有供电电压 Vs10V，全互换性，在标准环境下不需校正，长时间饱和下快速脱湿，可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸，高可靠性与长时间稳定性，专利的固态聚合物结构，可用于线性电压或频率输出回炉快速反应时间。HS1101湿度传感器采用侧面开放式封装，用两个引脚，有线性电压输出和线性频率输出两种电路，在这里我选用的频率输出电路，该传感器采用电容构成材料，不允许直流方式供电。所以使用555定时器电路组成单稳态电路，最大参数值用555集成电路组成震荡电路，HS1101湿度传感器充当震荡电容，从而完成湿度到频率的转换。经过改变电容值的大小，充电到NE555的高电平，是内部比较器翻转，输出端变成低电平。经过T2时间后输出端降低到抵触发电平，内部比较器再次翻转，是输出端变成高电平。 HS1101作为一个变化的电容器，连接2和6引脚。引脚作为R8的短路引脚。HS1101的等效电容通过R9和R31充电达到上限电压（近似于0.67VCC，时间记为T1），这时555的引脚3由高电平变为低电平，然后通过R58开始放电，由于R57被7引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线（近似于0.33VCC，时间记为T2），这时555芯片的引脚3变为高电平。通过不同的两个电阻R19，R20进行传感器的不停充放电，产生方波输出。其充电时间T1=C(R8+R9)ln2；放电时间为T2=CR7ln2；原理图4-4所示图4-4 线性频率输出式相对湿度测量电路4.3 湿度模块软件设计软件设计主要是完成HS1101在单位时间内的频率测量，软件设计采用端口扫描方式，统计单位时间内脉冲的个数，确定湿度值的范围，并将湿度经过1602液晶显示微处理器工作的晶体选用12mMHZ的晶振，程序代码用c语言编写,经过STC-ISP V394烧写到单片机中. 4.4 火焰传感器模块火焰传感器专门用来搜寻火源的传感器，当然火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是本传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对火焰非常敏感的特点，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。火焰探头的工作温度为-25摄氏度85摄氏度，在使用过程中应注意火焰探头离火焰的距离不能太近，以免造成损坏。根据火焰的光特性，火焰探头属于一个红外装置，当检测到货源的时候，便有光信号转化成点的信号。在这里我设计的火焰传感器其有以下优缺点，优点：响应速度快，价格低廉；缺点：环境适应性差，只适用于室内。火焰传感器模原理图如图4-5所示 ： 图4-5 火焰传感器原理图4.4.1 火焰传感器编程指南 火焰传感器是由光信号转换成电信号的，它的编程原理就是，一个开关量的检测，当没有检测到火焰的时候，探头处于断开状态，当检测到火焰的时候，又低电平转换成高电平。程序（部分）do_fire() if(Fire=1) F=0; delay111(1000); F=1; Fire=0; delay111(1500); Fire=1;4.5 温度传感器4.5.1 温度传感器概述传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。 同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。1. DS18B20的特性 1）适应电压范围更宽，电压范围3.05.5V，寄生电源方式下可由数据线供。2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。5）测 温范围55125，在-10+85时精度为0.5。6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。8） 测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。9）负压特性：电源极性接反时，芯片不因发热而烧毁，但不能正常工作。2.DS18B20内部结构及DS18B20的管脚排列 DS18B20的存储器包括高速暂存器RAM和可电擦除RAM，可电擦除RAM又包括温度触发器TH和TL，以及一个配置寄存器。存储器能完整的确定一线端口的通讯，数字开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读寄存器的命令来确认这些数据。当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除RAM中。当修改过寄存器中方的数时，这个过程能确保数字的完整性。DS18B20的引脚定义：(1) GND为电源地 DQ为数字信号输入/输出端(2) DQ为数字信号输入/输出端(3) VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）3.DS18B20的硬件接线图如图4-6所示：4-6 温度传感器连接电路4.5.2 DS18B20的控制命令 1.DS18B20的写操作 1）数据线先置低电平“0” 2）延时确定的时间为15微秒 3）按从低位到高位的顺序发送字节 4）延时时间45微秒 5）将数据线拉到高电平 6）重复(1)到(6)的操作直到所有的字节全部发送为止 7）最后将数据线拉高 2.DS18B20的读操作 1) 将数据线拉高“1” 2) 延时2微秒 3) 将数据线拉低“0” 4) 延时15微秒 5) 将数据线拉高“1” 6) 延时15秒 7) 读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理 8) 延时30微秒4.6 Lm1117简介LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压值在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。与国家半导体的工业标准器LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V 2.5V 2.85V 3.3V 和5V）的型号,在这里我们有的是固定电压输出3.3V。4.7 7805简介 7805 系列为 3 端正稳压电路，TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保 护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。7805的内部结构如图4-7所示：图4-7 7805稳压芯片内部结构主要特点 输出电流可达 1A 输出电压：5V 过热保护 短路保护 极限值（Ta=25）输入电压(VO=518V) 35V热阻（结到壳）5/W工作结温范围 01254.8 电磁继电器电磁式继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 继电器不能和单片机先连接，因为单片机管脚的额定电流时20mA，而驱大作用，还有开关作用，选用8550型三极管，它是一种低电压,大电流,小型号的PNP型硅三极管集电极电流0.5A集电极-基极电压耐压制达40V。继电器连接电路如图4-8所示： 4-8 继电器连接电路4.9 本章小结本章主要介绍了在设计时用到的各种电子元件的工作原理及芯片内部的结构介绍和作用的方法,为后面的设计提供技术基础主要的设计有： 1. 单片机的接口电路及各部的接口电路 2各传感器的设计及应用，完成其编程 3稳压芯片的应用 4三极管及继电器的应用。第5章 Protel DXP 2004简介5.1 Protel DXP 2004简介Protel DXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。 Protel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。5.2 原理图的绘制5.2.1 原理图元件库的绘制当我们进行电子电路设计时，首先要有一个设计方案，而将电路设计方案表达出来的最好方法就是画出清晰，正确的原理图。根据设计需要选择出元器件，并把所选用的元器件的联连接，电子元器件符号包含了改元器系关系表达出来，表达出设计的概念，这就是原理图的设计过程。电路原理图的基本组成是电子元件原件符号和导线量。设计电路首先我们要保证电路的正确性，其次在是整体的布局合理，美观，实用。绘制电路原理图以下及过步骤：1. 启动Protel DXP 2004在主菜单栏中打开FileNewSchematic就打开了绘制电路原理图的界面。新建电路原图文件，保存，一般默认是A4图纸，如果要画更大的原理图，双击图纸边框，弹出界面，选中你所需图纸。 2加载元器件库在图纸上加载各种原件库，当原件库没有时绘制原理图库文件，找到所需原件点击place BNC（如图5-1）点击鼠标左键确定原件使用，点击右键放弃。3编辑元器件，对元器件进行合理的布局调整，使用网络标签或导线对所有的元器件进行电气连接。连接导线则包含了电气连接的信息，所以电路原理图设计的好坏直接影响到PCB印制电路板的设计质量。 图5-1 原理图库文件表5.2.2 原理图的绘制 电路绘制的过程中，主要就是放置各种元器件的过程，如果我们需要放置的原件并在系统已加载的库文件中，那么需要我们对该元件及其所在的库文件进行查找，加载库文件的步骤是打开librarices弹出对话框,单击左上方的libraies弹出对话框,单击stll找到药添加的哭文件。度于某些比较特殊的费标准化的原件，可能在库文件中找不到，在这种情况下，需要我们自己创建库文件，为其绘制合适的原理图符号，以满足自己的设计需要。具体步骤是：启动库文件编辑器，建立一个原理图库文件，FileNewSchematic library到绘制库文件界面。将绘制库文件保存，单击菜单栏中的toolsrenam comoment单击弹出的对话框修改，启用自己所用的名。然后添加到库中。5.3 本章小结本章主要的是介绍了Protel DXP2004，强大的设计功能，每一个电子爱好者都很喜欢的一款软件，每一个环节在这里都是可以连接上的。对原件的加载，原理图的绘制，库文件的绘制等都可实现。第6章 程序的编写与调试6.1 程序流程图6.1.1 接收控制板流程图蜂鸣器、风扇启动结束程序初始化判断键值计数ID=1接收1路1602液晶显示计数满30sYID自加1ID=2NID=1火焰Y报警器启动报警停止温度过高YY蜂鸣器停止NNNN开始Y温度降到26 图6-1 接收模块流程图6.1.2 发送控制板流程图开始初始化设置中断程序开中断T0/T1湿度采集关中断T0/T1湿度采集无线发射打数据包1602显示温度达31火焰 检测风扇启动蜂鸣器启动YYNN温度降到26蜂鸣器停止风扇停转结束图6-2 发送模块流程图6.2 调试环境6.2.1 Keil软件仿真的串口调试技巧在单片机系统中，串口（UART，通用异步收发接口）是一个非常重要的组成。使用单片机串口通过RS232/RS485电平转换芯片与上位机连接，进行上位机与下位机的数据交换参数设置组成网络及各种外部设备连接等。图6-1 串口电路 RS232/RS485串行接口总线具有成本低、简单可靠、容易使用等特点，所以目前应用仍然非常广泛；特别对于数据量不是很大的场合，串口通信仍然是很好的选择。在单片机编程中，串口占了很重要的地位。传统方式串口程序的调试，是利用专用的单片机硬件仿真器。在编写好程序后