通信系统综合设计报告——光照强度监测系统设计

河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 1 目目 录录 第一章 概述.2 第一节 课题背景与意义 .2 第二节 课题设计要求与指标 .2 第二章 系统方案选择与确定.3 第一节 硬件系统方案选择 .3 一、 光照采集模块方案选择 .3 二、 无线传输模块方案选择 .3 三、 LCD 显示模块方案选择.4 四、 MCU 模块方案选择.4 第二节 软件系统方案选择 .4 第三章 系统硬件设计与实现.6 第一节 采集端硬件设计 .6 一、光照采集模块设计 .7 二、ATmega16L 最小系统模块设计.7 三、无线传输模块设计 .8 第二节 终端硬件设计 .9 一、LCD 显示模块设计.10 二、变压电路设计 .11 第四章 系统软件设计与实现.12 第一节 程序整体设计 .12 第二节 光照采集与 AD 转换程序设计 .12 第三节 无线传输程序设计 .13 第四节 LCD 显示程序设计.15 第五节 程序下载 .16 第四章 测试结果及讨论.17 第一节 LCD 显示测试.17 第二节 光照采集与显示测试 .18 心得体会.20 参考文献.21 附 录.22 一、 器件清单 .22 二、工具清单 .22 三、实物图 .23 四、程序代码 .23 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 2 第一章第一章 概述概述 第一节第一节 课题背景与意义课题背景与意义 在现代农业和工业领域，经常需要对一些环境参数进行监测，以做出相应 处理，确保设备和系统运行在最佳状态。随着科技的发展，对环境参数监测系 统的要求也越来越高；因此基于传感器、单片机和无线通信芯片设计出一种无 线环境参数监测系统十分的重要。 光照强度是一个重要的环境参数，在工业和农业领域有着重要的应用，本 课程设计介绍一种可以应用在许多领域的无线光照强度监测系统，实现对环境 中的光照强度进行实时采集处理、无线传输与显示的功能。 本文的主要研究工作集中在光照强度监测系统的设计上，通过 C 语言编程 对单片机进行控制，使单片机控制光照采集传感器、无线通信芯片和 LCD，实 现系统功能。在本课题的基础上可以设计完成一个高速、方便、稳定的环境数 据监测采集和传输系统，可以广泛应用于现代农业和工业领域。 第二节第二节 课题设计要求与指标课题设计要求与指标 本系统以环境光照强度为研究对象，应满足的要求与指标为： 1、监测点光照强度测量精确，精度大于 0.1lux； 2、将监测点的参数数据以无线方式发送至汇节点，并 LCD 显示，要求分 立元件实现的无线传输距离大于 20cm，无线传输模块实现的传输距离大于 1km； 3、无线传输设备具有较强的抗干扰能力； 4、设备具有较高的实时性； 5、设备功耗功耗较低。 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 3 第二章第二章 系统方案选择与确定系统方案选择与确定 第一节第一节 硬件系统方案选择硬件系统方案选择 系统硬件部分主要分为采集端和终端两个部分，采集端应包含：光照采集 模块、MCU 模块、无线传输模块；终端应包括：MCU 模块、无线传输模块、 LCD 显示模块。针对各个模块，分别有几种不同的方案，本节将各个模块的方 案进行比较并确定最终方案。 1、光照采集模块方案选择光照采集模块方案选择 系统要求采集环境内实时光照强度，并有一定的精确度，光照采集模块有 下列两种方案： 方案一：采用光敏电阻及相关的外围电路，设计成的自制光照采集模块， 用于采集环境光照信息。使用光敏电阻的电路结构简单、实时性高、成本低， 但是一般的光敏电阻精确度较低，难以达到课题的要求。 方案二：采用光照传感器 Po188 采集环境的光照信息。使用光照传感器 Po188 的电路结构简单、实时性好、成本较低，灵敏度高、电流随光照度增强 呈线性变化，采集精确度高，符合课题要求。故采用该方案。 2、无线传输模块方案选择无线传输模块方案选择 系统要求采集端通过无线的方式将采集到的光照强度信息发送到终端，终 端也是采用无线的方式接受采集端发来的数据。无线通信模块方案有下列几种 方案： 方案一：通过自制的无线通信模块，但是由于是采用分立元件设计的自制 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 4 无线通信模块，工作不稳定，抗干扰性差，不满足题目的要求，故不采用该方 案。 方案二：采用无线串口进行无线数据通信，具有接口简单，只需利用单片 机的串口就可建立无线通信，采用该模块成本较高，虽然能够满足题目要求， 但是考虑到系统的成本，不采用该方案。 方案三：采用无线收发模块 nRF24L01，该模块采用 SPI 接口可以很方便的 与 MCU 建立通信，发送与接受只需通过简单的将控制指令通过 SPI 接口写入 nRF24L01 就可以发送和接收数据。具有低的系统费用(低速微处理器也能进行 高速射频发射)，数据在空中停留时间短，抗干扰性高。故采用该方案。 3、LCD 显示模块方案选择显示模块方案选择 系统的终端需要实时地将环境光照强度信息显示出来，选择 1602 液晶模块， 该模块能够显示 32 个 ASCII 码，并且电路结构简单，能够满足系统的数据显 示要求，故采用液晶 1602 进行数据显示。 4、MCU 模块方案选择模块方案选择 方案一：采用 51 系列单片机及其最小系统作为 MCU 模块，其特点是结构 简单，使用的是 CISC 指令系统，冯诺依曼总线结构，系统功能易于实现，成 本低，但是处理速度较慢，故不采用此方案。 方案二：采用 AVR 系列单片机及其最小系统作为 MCU 模块，其特点是结 构简单，使用的是 RISC 指令系统，哈佛结构总线结构，处理速度较快，更好 的满足系统实时性的要求，同时功耗较低。故采用该方案，我们选用的是 ATmega16L 单片机。 第二节第二节 软件系统方案选择软件系统方案选择 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 5 软件系统采用模块化设计思想，分别使用 C 语言对对采集端和终端的 MCU 进行编程。 软件系统的编译环境采用的是采用 AVR 单片机 C 语言集成开发环境 code vision1.25.3，是 HP Info Tech 专为 AVR 系列单片机设计的一款低成本 C 语言 编译器。它产生的代码非常严密，效率很高，不仅包括了 AVR 的 C 编译器， 同时也是一个集成 IDE 的 AVR 开发平台，简称 CVAVR。基于高级语言开发单 片机系统具有语言简洁，可读性强，可移植性好，可进行结构化和模块化程序 设计等优点。图 2-1 为 code vision1.25.3 的开发环境。 图 2-1 code vision1.25.3 的开发环境 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 6 第三章第三章 系统硬件设计与实现系统硬件设计与实现 系统硬件部分主要分为采集端和终端两个部分，采集端应包含：光照采集 模块、MCU 模块、无线传输模块；终端应包括：MCU 模块、无线传输模块、 LCD 显示模块。图 3-1 为系统硬件设计框图。 图 3-1 系统硬件设计框图 第一节第一节 采集端硬件设计采集端硬件设计 采集端主要由光照采集模块、MCU 模块，即 ATmega16L 最小系统、以及 无线传输模块构成，采集端电路图如图 3-2 所示。 终端 LCD 显示模块 （1602） MCU 模块 （ATmega16L） 无线传输模块 （nRF24L01） 采集端 光照采集模块 （Po188） MCU 模块 （ATmega16L） 无线传输模块 （nRF24L01） 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 7 图 3-2 采集端硬件电路图 一、光照采集模块设计一、光照采集模块设计 采集端的光照采集模块的主要器件是光照传感器 Po188。 Po188 是一个 光电集成传感器，典型入射波长为 p=520nm，内置双敏感元接收器，可见 光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。 Po188 的主要特性有：暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度 增强呈线性变化；内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数 曲线；内置微信号 CMOS 放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大， 工作电压范围宽，温度稳定性好；可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫 外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果；符合欧盟 RoHS 指令, 无 铅、无镉等。 光照采集模块 Po188 连接电路图如图 3-3 所示，Po188 输出特性曲线如图 3-4 所示。 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 8 图 3-3 Po188 电路图 图 3-4 Po188 输出特性曲线 二、二、ATmega16LATmega16L 最小系统模块设计最小系统模块设计 采集端和终端的 MCU 模块都由 ATmega16L 单片机及其最小系统。ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。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。 ATmega16L 最小系统主要由 ATmega16L 芯片、晶振电路、复位电路组成。 ATmega16L 芯片的工作电压 2.7v-5.5v，我们采用的是 3.3v 供电，由电源电路 提供。在 ATmega16L 芯片的 XTAL1 和 XTAL2 之间加上 8M 的晶振，通过 30pf 电容接地为单片机提供工作时钟。在 RESET 引脚加上低电平复位的复位电路， 一开始上电的时候是自动上电复位，后来工作过程中通过复位开关实现手动复 位。 ATmega16L 最小系统如图 3-5 所示。 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 9 图 3-5 Atmega16L 最小系统 三、无线传输模块设计三、无线传输模块设计 无线传输模块使用的主要芯片是nRF24L01，nRF24L01是一款工作在 2.42.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括:频率发 生器、增强型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器解调 器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。芯片电流消 耗极低，当工作在发射模式下发射功率为-6dBm 时电流消耗为9.0mA，接收模 式时为12.3mA掉电模式和待机模式下电流消耗更低。支持六路通道的数据接收， 工作电压为1.9v3.6v。 无线传输模块示意图如图3-6所示。在实际电路中我们使用的是集成的 nRF24L01模块，如图3-7所示。 图3-6 nRF24L01与单片机连接示意图 图3-7 nRF24L01集成模块实物 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 10 nRF24L01 集成模块有 8 个引脚，各个引脚的功能及与单片机的连接如表 3-1 所示。 引脚名称引脚功能描述 与 Atmega16L 连 接 1VSS电源接地（0V） 2VDD电源电源（+3V） 3CE数字输入 RX 或 TX 模式选 择 PB2 4CSN数字输入SPI 片选信号PB1 5MOSI数字输入从 SPI 数据输入脚PB6 6MISO数字输出从 SPI 数据输出脚PB5 7SCK数字输入SPI 时钟PB7 8IRQ数字输出可屏蔽中断脚PD2 表 3-1 nRF24L01 集成模块引脚功能 在系统工作时，采集端单片机将光照传感器采集到的光照强度信息处理后 传给采集端的无线传输模块，采集端的无线模块将 32 字节信息打包，通过无线 传输协议发送，终端的无线传输模块接收，传给单片机，通过相关处理，显示 结果。 第第 2 节节 终端硬件设计终端硬件设计 终端主要由 LCD 显示模块、MCU 模块，即 ATmega16L 最小系统、以及 无线传输模块构成，终端电路图如图 3-8 所示。 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 11 图 3-8 终端硬件电路图 终端中的 MCU 模块，ATmega16L 最小系统、无线传输模块的设计与采集 端类似，故不再赘述，下面介绍一下终端中的 LCD 显示模块和变压电路。 一、一、LCD 显示模块设计显示模块设计 终端中选用的是字符液晶显示器 1602，工作电压为 5V，两行显示，每行 显示 16 个字符，一共有 16 个引脚，1602 引脚功能如表 3-2 所示。 引脚符号功能说明 1 VSS一般接地 2 VDD接电源（+5V） 3 V0 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电 源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以 通过一个 10K 的电位器调整对比度） 。 4 RS RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 5 R/W R/W 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时 进行写操作。 6 EE(或 EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。 7 DB0底 4 位三态、 双向数据总线 0 位（最低位） 8 DB1底 4 位三态、 双向数据总线 1 位 9 DB2底 4 位三态、 双向数据总线 2 位 10 DB3底 4 位三态、 双向数据总线 3 位 11 DB4高 4 位三态、 双向数据总线 4 位 12 DB5高 4 位三态、 双向数据总线 5 位 13 DB6高 4 位三态、 双向数据总线 6 位 14 DB7 高 4 位三态、 双向数据总线 7 位（最高位） （也是 busy fla g） 15 BLA背光电源正极 16 BLK背光 电源负极 表 3-2 1602 引脚功能 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 12 在 1602 的引脚中，714 DB0-DB7 八位数据总线，三态双向。实际使用 时，用的是 DB4-DB7 这四位数据线，这样节省了 ATmega16L 的 I/O 资源。因为 液晶引脚是与单片机 PA 口相连的，PA 口只有八位，液晶 4、5、6 引脚分别接 的 PA0、PA1、PA2，剩下的只有五个口，所以用四位数据线分两次传送来缓解 接口的紧张。1602 引脚示意图如图 3-9 所示， 1602 与 ATmega16L 引脚连接示意图如图 3- 10 所示。 图 3-9 1602 引脚示意图 图 3-10 1602 与 ATmega16L 引脚连接 二、变压电路设计二、变压电路设计 变压电路部分的主要功能是给无线传输模块提供稳定的 3.3V 的电压，使其 正常工作，在采集端的电路中也有变压电路，在这里一同介绍。 系统使用的是 AMS1117 系列稳压器。AMS1117 系列稳压器有可调版与多种 固定电压版，设计用于提供 1A 输出电流且工作压差可低至 1V。在最大输出电 流时，AMS1117 器件的压差保证最大不超过 1.3V，并随负载电流的减小而逐渐 降低。AMS1117 的片上微调把基准电压调整到 1.5%的误差以内，而且电流限制 也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。AMS1117 电路图如图 3-11 所示。 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 13 图 3-11 AMS1117 电路图 第第 4 章章 系统软件设计与实现系统软件设计与实现 第第 1 节节 程序整体设计程序整体设计 系统软件部分主要是使用 C 语言对 ATmega6L 进行编程，使采集端的 MCU 能够处理光照传感器 Po188 传递来的模拟电流信号，将其转换为数字信号；同 时 MCU 传递给无线传输传输模块，将光照信息发送出去。在终端，无线传输模 块可以接收到采集端传来的光照信息，传递给 MCU 进行处理，最终显示在 LCD 上面。系统程序的整体流程就是这样，下面分别给出采集端和终端的程序流程 图，采集端程序流程图如图 4-1 所示，终端程序流程图如图 4-2 所示。 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 14 图 4-1 采集端程序流程图 图 4-2 终端程序流程图 我们将重点介绍光照采集与 AD 转换程序，无线传输程序以及 LCD 显示程序， 并简单说明一下程序下载的方法，详细的程序代码将在附录中给出。 第第 2 节节 光照采集与光照采集与 AD 转换程序设计转换程序设计 这部分程序要求将光照采集模块采集到的电压信号转换成电流信号后经过 函数转换成光照强度单位勒克斯。这里需要注意四个与数模转换 ADC 相关的 I/O 寄存器：ADC 多路复用器选择寄存器 ADMUX、ADC 控制和状态寄存器 ADCSRA、ADC 数据寄存器 ADCL 和 ADCH，这些寄存器在数模转换前都需 要根据需求进行设置。 光电函数关系即 Po188 特性曲线在第二章第一节中有所介绍，可以参考图 3-4，下面给出本部分程序代码。 unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) float adc_data; ADMUX=adc_input|(ADC_VREF_TYPE delay_us(10); ADCSRA|=0X40; while(ADCSRA ADCSRA|=0X10; adc_data=ADCL; 开始 初始化 外围设备 设置NRF24L01 进入接受模式 是否接收 到数据 提取数据并 送到LCD显示 是 否 开始 初始化 外围设备 设置NRF24L01 进入发送模式 读取温度和 光照信息 无线发 射数据 是否发 射成功 否 是 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 15 adc_data=adc_data+ADCH*256; adc_data=(adc_data*2560.0/1024.0)/1000. 0; adc_data=adc_data/330.0*1000; if(adc_data=2.0) adc_data=800.0+(adc_data-2.0)*666.7; if(adc_data=1.5 if(adc_data0.5) adc_data=adc_data*200.0; adc_data=adc_data*10.0; return adc_data; 第第 3 节节 无线传输程序设计无线传输程序设计 MCU 与 nRF24L01 是通过 SPI 接口进行通信的，SPI 的接口的读时序如图 4-3 所示，写时序如图 4-4 所示，图中 Cn-SPI 指令位，Sn-状态寄存器位，Dn- 数据位（注：由低字节到高字节，每字节中高位在前）。 图 4-3 SPI 写时序 图 4-4 SPI 读时序 在配置 nRF24L01 的寄存器之前一定要确保 nRF24L01 进入待机模式或掉 电模式。nRF24L01 在接受模式的初始化函数为： void RX_Mode(void) nRF24L01_CE = 0; delay_us(130); 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 16 write_register_onebyte(EN_AA, 0 x00); / Enable Auto.Ack:Pipe0 write_register_onebyte(EN_RXADDR, 0 x01); / Enable Pipe0 write_register_onebyte(SETUP_AW,0 x03); /ADDR WIDTH 5 BYTES write_register_onebyte(RF_CH, 40); / Select RF channel freq 2440Mhz write_register_onebyte(RX_PW_P0,T X_PLOAD_WIDTH); / Select same RX payload width as TX Payload width write_register_onebyte(RF_SETUP, 0 x07); / TX_PWR:0dBm, Datarate:2Mbps, LNA:HCURR /write_register_onebyte(CONFIG, 0 x0f); / Set PWR_UP bit, enable CRC(2 bytes) / Use the same address on the RX device as the TX device write_register_bytes(TX_ADDR,flash_ch annel0,TX_ADR_WIDTH); write_register_onebyte(CONFIG, 0 x0f); / Set PWR_UP bit, enable CRC(2 bytes) /接收模式要为高电平 nRF24L01_CE = 1; delay_us(130); / This device is now ready to receive one packet of 16 bytes payload from a TX device sending to address nRF24L01 在发射模式的初始化函数为： void TX_Mode(void) write_register_onebyte(EN_AA,0 x01); / Enable Auto.Ack:Pipe0 write_register_onebyte(EN_RXADDR, 0 x01); / Enable Pipe0 write_register_onebyte(SETUP_AW,0 x03); write_register_onebyte(SETUP_RETR ,0 x0a);/1A / 500us + 86us, 10 retrans. write_register_onebyte(RF_CH,40); / Select RF channel 40 write_register_onebyte(RF_SETUP,0 x07); / TX_PWR:0dBm, Datarate:2Mbps, LNA:HCURR write_register_onebyte(CONFIG,0 x0 E); / Set PWR_UP bit, enable CRC(2 bytes) / RX_Addr0 same as TX_Adr for Auto.Ack 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 17 write_register_bytes(TX_ADDR, flash_channel0,TX_ADR_WIDTH); write_register_onebyte(CONFIG,0 x0E); / Set PWR_UP bit, enable CRC(2 bytes) 第第 4 节节 LCD 显示程序设计显示程序设计 LCD 显示程序比较简单，主要是 put 和 goto 语句的应用。代码如下： write_register_onebyte(STATUS,0 xF0); read_rx_palyoad(R_RX_PAYLOAD,data,5); lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf(light); for(i=0;i=2.0) adc_data=800.0+(adc_data- 2.0)*666.7; if(adc_data=1.5 if(adc_data0.5) adc_data=adc_data*200.0; adc_data=adc_data*10.0; return adc_data; void port_init() DDRA=0XFE; /输入为 0，输出为 1 PORTA=0 xFE; PORTB=0 xFF; DDRB=0 xFF; void main(void) unsigned int adc,i,ad5; port_init(); lcd_init(16); ACSR=0X80; SFIOR=0X00; ADMUX=ADC_VREF_TYPE ADCSRA=0X86; while(1) lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf(light); adc=read_adc(0); for(i=0;i5;i+) ad4-i=adc%10; adc=adc/10; 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 21 for(i=0;i=2.0) adc_data=800.0+(adc_data- 2.0)*666.7; if(adc_data=1.5 if(adc_data0.5) adc_data=adc_data*200.0; adc_data=adc_data*10.0; return adc_data; void Device_init(void) /进入发送模式 SPI_MasterInit(); Clear_rx(); Clear_tx(); TX_Mode();/发送模式 void PORT_init(void) DDRA=0 xFE; PORTA=0 xFE; PORTB=0XFF; DDRB=0XBF; DDRD=0 xDF; PORTD=0 xFF; void main(void) unsigned int adc,i,ad6; ACSR=0 x80; SFIOR=0 x00; PORT_init(); ADMUX=ADC_VREF_TYPE ADCSRA=0X86; Init_NRF24L01(); Device_init(); TX_Mode();/发送模式 while (1) / Place your code here adc=read_adc(0); for(i=0;i5;i+) ad4-i=adc%10; adc=adc/10; 数据处理 data0= tablead0; data1=tablead1; data2=tablead2; data3=tablead3; data4=tablead4; write_tx_palyoad(data,5); delay_ms(1000); PORTD.5 = OFF; test_temp = Read_StatusByte(STATUS); if(test_temp Clear_rx(); write_register_onebyte(STATUS,0XF0); /PORTD.5 = ON; 河海大学本科课程设计报告河海大学本科课程设计报告 27 write_register_onebyte(CONFIG,0 x0E); test_temp = Read_StatusByte(CONFIG); if(test_temp = 0 x0E) PORTD.5 = ON; else PORTD.5 = OFF; ; 2.接收端：接收端： #include includes.h #include #asm .equ _lcd_port=0 x1B ;PORTA #endasm #asm .equ _w1_port=0 x12 ;PORTD .equ _w1_bit=7 #endasm #include #include #include #include #include NRF24L01.h uchar test_temp; uchar status_24L01; uchar data5; void Device_init(void) /进入接收模式 SPI_MasterInit(); Clea