机电一体化(多点温湿度检测系统设计)

1、 机电一体化课程设计说明书目录1.课程设计目的11.1.设计的意义12.内容及要求22.1.设计内容22.2.设计要求22.3.方案比较与论证32.4.系统结构框图设计43.系统各模块的功能设计43.1.电源模块43.2.温湿度测量模块53.3.单片机控制模块53.4.无线传输模块53.5.按键选择模块53.6.报警电路模块54.系统各模块的硬件设计54.1.电源模块设计54.2.温湿度测量模块设计64.3.湿度测量模块设计74.4.单片机控制模块设计84.5.无线传输模块设计105.单元电路设计原理125.1.下位机的设计思路125.2.下位机的软件总设计流程125.3.温度测量的软件设计1

2、46.调试与下载146.1.Keil软件介绍146.2.程序调试156.3.设计中的问题及解决方法167.设计总结168.参考文献17附录1:相关程序18附录2:原理图221. 课程设计目的通过机电一体化课程设计，使我们掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解超声波及检测系统的设计和应用。机电一体化系统综合设计课程设计是大学生在完成专业课学习后,一个重要的综合性、实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，

3、培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力,具体有以下几点：  1、通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。  2、通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。 3、了解元器件的基本用途和方法，学会独立设计制作控制电路，积累更多设计经验，加强实际动手能力。1.1. 设计的意义随着科技的发展，智能化水平不断提高，在很多无人区，需要采集实时的温湿度等信息，由于环境的原因，可能禁止人的进入或者不允许人的长期停留，因此

4、，我们设计了该套系统，可以检测实时的温湿度以及将信息发送到电脑进行分析，该套系统的完成为无人监测的环境提供了方便。在许多军事仓库里，兵器等设备需要严格的环境，因此需要该系统作为监测系统，对于环境要求严格的区域，当然也不可能人为的24小时监测。基于以上种种因素，该系统的意义显而易见，现实运用的价值非常高，研制该系统也正好可以将我们的课本理论知识与实际结合起来，化为实际的价值，对于锻炼我们的动手能力有特殊的意义。 2. 内容及要求2.1. 设计内容 根据本次课题的内容及课题任务的要求，基于多点温湿度的无线监测系统主要由温湿度检测电路、下位机控制电路、无线传输电路、上位机控制电路四个主要模块组成。该

5、系统设计了两个下位监测分机，其总体原理框图如下2.2. 设计要求包括以下内容： 无线收发模块NRF24L01实现远距离（100m内）数据传输两位LED数码显示(也可用LCD）发送模块的编号；GH-719微波感应位移模块检测0.310m 距离的物体移动 GH-718红外人体感应模块检测06m 距离的人体移动 通过无线收发模块NRF24L01对GH-718，GH-719（四种状态：高-高，高-低，低-高，低-低）状态进行数据发送。提供无线收发模块通信状态的显示灯，如：正在发送/发送完毕、正在接收/接收完毕、多次发送溢出（未收到确认答复且发送次数超过设置次数，发送失败）等。无线数据输系统的安装，调试

6、根据原理框图，设计了两种方案，如下所示。方案一：采用模拟温湿度传感器和A/D转换器组成温湿度检测电路，上位机和下位机采用FPGA开发板，无线收发模块用CC1101，数字显示电路部分运用移位寄存器74LS164移位输入字形码，采用数码管显示。其设计框图如下图所示。方案二：采用温度传感器DS18B20和湿度传感器DHT11进行温湿度测量，上位机和下位机采用单片机STC89C52，利用nRF905作为无线传输模块，数码管显示测量结果，采用7407驱动，动态显示。其设计框图如下图所示。2.3. 方案比较与论证1. 温湿度测量部分方案一中采用模拟测量器件，需要经过A/D转换器，测量精度要受到影响，如果选

7、择精度较高的A/D转换器，那费用也较高。方案二中采用DS18B20测温和DHT11测湿，测量方便、精度较高且价格适中，故选择方案二的温湿度测量方法。2. 单片机部分方案一中采用FPGA，它的功能强大，I/O口较多，处理能力强，但其价格较高，使用复杂，用在此系统中未免有些大材小用，而STC89C52单片机的性能也较好，价格便宜，功能已经完全满足此次设计要求，使用也较为方便，故选择STC89C52单片机。3. 无线传输部分方案一中选择利用CC1101无线传输模块，该模块可用于多频段，低功耗，收发一体，方案二中的nRF905也是低功耗，多频道多频段，可以很方便地实现点对点及点对多点无线通信，两者性能

8、相似，都能满足本次设计系统的要求，但CC1101的价格较高，考虑到经费的问题，故选择nRF905无线传输模块。4. 显示部分方案一中的显示采用移位寄存器移位显示，数据需要串行输入，在时钟端脉冲上升沿作用下输入数据，本设计是四位显示，就需要接四个74LS164,虽然软件设计比动态显示简单，占用内存少，但其硬件焊接量大。方案二中采用芯片7407驱动，动态显示，数码管也是四位一体的，不但软件设计简单，而且硬件制作方便，价格也低廉，故选择方案二的显示方法。综上所述。选择方案二。2.4. 系统结构框图设计该设计选择方案二的方法，该方案包括上位机和两个下位机两部分。下位机由单片机STC89C52最小模块、

9、数码管显示模块、nRF905无线传输模块和温湿度测量模块四个模块组成；上位机由nRF905无线传输模块、按键选择模块、数码管显示模块、温湿度超值报警模块、单片机STC89C52最小模块五个模块组成。系统结构框图，如下图所示。系统结构框图3. 系统各模块的功能设计3.1. 电源模块本系统有无线模块、单片机模块、温湿度测量模块等等，综合分析需要电源模块提供+5V电压和+3.5V电压，以满足各模块的工作电压需求。3.2. 温湿度测量模块本系统要测量多点粮仓内的温湿度信息值，为了了解粮仓内的每一个时刻的温湿度信息值，温湿度测量模块要能一直测量，当接收到上位监测主机的命令时，就暂时停止测量，将测量信息值

10、传送给上位机，当发送结束后，就继续测量温湿度。3.3. 单片机控制模块单片机控制模块，它的晶振控制着单片机的工作节奏，I/O口控制着外围电路的工作情况，主要是控制温湿度的测量、nRF905接收和发送数据、报警模块的工作等等。3.4. 无线传输模块上位监测主机和下位监测分机都需要连接无线传输模块，根据上位监测主机和下位监测分机的功能要求，处于等待接收模式或发送模式。上位监测主机首先是发送模式，然后等待接收；下位监测分机首先等待接收数据，然后发送数据3.5. 按键选择模块上位机的按键模块功能：当按下KEY1键，1号下位机将温湿度信息值发送给上位机；当按下KEY2键，2号下位机将温湿度信息值发送给上

11、位机。下位机的按键选择模块功能：按下KEY1键测量温度并显示；按下KEY2键测量湿度并显示。3.6. 报警电路模块上位机接收到的温度信息值不在给定范围内时，就点亮红色发光二极管并驱动蜂鸣器；湿度信息值不在给定范围内时，就点亮绿色发光二极管并驱动蜂鸣器。本系统设计的适宜温度范围为：10-40，适宜湿度范围为：10%-80%。4. 系统各模块的硬件设计确定了多点粮仓温湿度的无线监测系统方案设计，根据系统实现方案中各模块的功能设计要求，对多点粮仓温湿度的无线监测系统各模块硬件电路进行设计。该模块分为上位机和下位机，其主要包括以下七个模块：电源模块、温湿度测量模块、单片机控制模块、无线传输模块、按键选

12、择模块、显示模块和报警电路模块。4.1. 电源模块设计该系统采用的LM317芯片构成稳压可调电源模块。LM317是可调节的3端正电压稳压器，此稳压器非常易于使用，此芯片具有内部限流、热关断和安全工作区补偿的功能，使之基本能防止烧断保险丝，对电路起到了很好的保护作用。LM317的基准电压为1.25V，据此设计电源模块，如下图所示。 根据上图，可得输出电压V0=1.25*(1+R2/R1) （3-1）通过调节R2电位器，改变R2/R1的值，从而改变输出电压。设计中取R1=220，R2=10K。使得输出电压的范围为1.25V-15V。此系统需要两个这样的模块，分别调至输出电压+5V和+3.5V。4.

13、2. 温湿度测量模块设计温度测量采用DS18B20，该芯片的性能和具体使用方法如下所述。 1、温度传感器DS18B20技术性能描述 (1)、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； (2)、测温范围 -55125，固有测温分辨率0.5； (3)、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的数据端上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定； (4)、工作电源: 35V/DC； (5)、在使用中只需要数据端接上拉电阻，不需要其它的外围元件；(6)、测量结果以912位数字量方式串行传

14、送；2、温度传感器DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。DS18B20测温原理如图3-2所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系

15、数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图33、温度传感器DS18B20的设计图DS18B20是单总线温度传感器，数据线是漏极开路，内部没有拉高电路，给 DS18B20接有电源，则需要一个上拉电阻来稳定工作，其工作电流要达到1mA。还有若温度传感器开路或没接时，能起到上拉作用，使之为高电平，从而后续电路保护。 DS18B20共三个引脚，其中DQ端是与单片机的通信端，单片机的驱动电流只有 几十微安, 为了使其工作电流达到1mA，DQ

16、端需要接上拉电阻，所接电源为+5V，所以上拉电阻不能超过5K，该电路选择上拉电阻为4.7K，使其电流达到1mA，否则会产生较大的误差。具体连接情况，如图4所示。图 44.3. 湿度测量模块设计湿度测量采用DHT11芯片，该芯片既能测温度也能测湿度，但其测温精度为±2，也就是说当温度大于40时，才能满足±5%的精度要求，而本系统规定适宜的温度范围为10-40，所以不能满足±5%的精度要求，故只将其作为测湿度的传感器。1、湿度传感器DHT11技术性能描述(1)、相对湿度和温度测量，范围是2090RH 、050，精度±5RH、±2； (2)、全部校准

17、，数字输出； (3)、卓越的长期稳定性； (4)、只需数据端接上拉电阻，无需额外部件； (5)、超长的信号传输距离，信号传输距离可达20米以上； (6)、超低能耗；(7)、4引脚安装。2、DHT11的设计图DHT11的硬件设计也极其简单，就只有4个引脚，其中还有一个空脚悬空的，实际上其设计与DS18B20是一样的。DHT11的工作电流是0.21mA之间，漏极开路，内部没有拉高电路，当输出0是就是低电平，但输出1时实际上是悬空的，所以要接上拉电阻，满足电流需要，故选择上拉电阻为5K，电流为1mA ,具体的设计图，如图5所示。图54.4. 单片机控制模块设计常用的单片机有很多种：Intel8051

18、系列、STC系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾华邦(Winbond)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。本次设计最终选用了STC89C52单片机。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机最小模块包括两部分：时钟电路和复位电路。1、 时钟电路设计时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，可以通过提高时钟频率来提

19、高CPU的速度。目前51系列单片机都采用CMOS工艺，允许的最高频率是随型号而变化的，本系统采用12MHz的晶振，则其一个机器周期为1us。因为本设计需要I/O口来模拟SPI时序，以及DS18B20和DHT11都需要严格的时间控制，所以取整数周期，有利于时间的计算。STC89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该放大器的输入端和输出端，在XTAL1、 XTAL2上外接晶振和电容组成振荡器。外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器

20、工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性，所以本设计采用12MHz的晶体振荡器和30pF的电容。时钟电路设计，如图6所示。图6 时钟电路设计2、复位电路设计单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态，此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平，RST上输入返回低电平以后，退出复位，单片机从初始状态开始工作。人工复位就是将一个按钮开关并联于上电复位电路，按一下开关，就在RST端就出现一段时间的高电平，即使器件复位。由于单片机复位端有内接电阻，所以复位电路设计，如图7所

21、示。图 7按下开关后，电容充电，到达稳定后，电容相当于开路，其两端电压为5V，电路的时间常数为R*C，本设计取R=200、C=10uF,经计算时间常数为2ms，而两个机器周期只有2us，所以该设计完全满足要求。4.5. 无线传输模块设计1、无线传输模块简介(1)、433Mhz 开放 ISM 频段免许可证使用； (2)、最高工作速率 50kbps，高效 GFSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合； (3)、125 频道，满足多点通信和跳频通信需要； (4)、内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址控制；(5)、低功耗 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为 2.5uA； (6)、

22、收发模式切换时间 < 650us； (7)、模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便；(8)、TX Mode: 在+10dBm 情况下，电流为 30mA; RX Mode: 12.2mA； (9)、标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用。2、无线传输模块接口电路管脚说明nRF905管脚图，如图8所示。图8 nRF905各个管脚的具体说明如表1所示。表1VCC 脚接电压范围为 3.3V3.6V 之间，不能在这个区间之外，超过 3.6V 将会烧毁模块，该系统采用+3.5V电压。由于单片机上面没有 SPI ，所以该系统用IO 口模拟 SPI 。

23、3、 无线传输模块与单片机的接口设计无线传输模块与单片机的接口的连接的对应关系，如表2所示。表2无线模块与单片机的连接图，如图9所示。图 95. 单元电路设计原理5.1. 下位机的设计思路下位机一开始处于接收模式，如果没接收到上位机的命令，就测量温度和湿度，并且判断是否有键按下，如果KEY1键按下，就测量温度并显示，如果KEY2键按下，就测量湿度并显示，如果没有键按下，则先测温度再测湿度，但不显示。如果接收到上位机发来的命令，就将实时测得的数据传送给下位机，传送结束后，回到接收模式，如此循环下去。下位机的软件设计主要包括三个部分：软件总设计流程、温度测量的软件设计和流、湿度测量的软件设计和流程

24、。5.2. 下位机的软件总设计流程下位机需要将测温度、测湿度和数据发送接收等程序合理的安排在一起，组成一个严密的总程序，具体设计情况，如图10所示。图10本系统中有两个下位机，两个下位机是为了能够测量两个粮仓的温湿度，程序的不同之处就在于nRF905配置信息中的接收地址设置的不一样，其余部分的设计是大同小异的。其具体的设计流程如下：第一步：初始化nRF905配置寄存器； 第二步：利用while(1)语句进入死循环； 第三步：等待接收主机发送的命令，假如DR=1，就表示接收到主机命令，关闭nRF905的发送接收使能端，发送“读接收数据”命令，读取命令后，发送实时温湿度信息值，发送结束后，返回到第

25、三步开始的地方。假如DR=0，表示没接收到主机命令，先测一次温度，再测一次湿度，然后循环判断KEY1=0是否成立，如果成立就测量温度，再显示温度值，直到KEY1=1，如果KEY1=1，就循环判断KEY2=0是否成立，如果成立就测量湿度，再显示湿度值，直到KEY2=1，如果两个键都没有按下，就返回到第三步开始的地方。5.3. 温度测量的软件设计DS18B20的工作时序主要包括三个部分：初始化、写时序和读时序。其时序如下图所示。6. 调试与下载6.1. Keil软件介绍 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构

26、性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境

27、(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。6.2. 程序调试 本次设计所用程序使用Keil uV4开发调试，程序调试编译成功如图18所示： 图116.3. 设计中的问题及解决

28、方法本系统下位机能够完成实时温湿度测量，能够接收上位机的命令和发送温湿度信息值给上位机；上位机也能及时接收下位机传送的信息值，并驱动报警模块和显示电路。硬件设计上也较为流畅，制作也很规范，但是有些地方一开始缺少考虑，还是有不足之处。首先硬件制作方面，一开始没有考虑到温湿度信息值同时显示，只采用了四位显示，所以温湿度必须分开显示，要想改成8位显示，电路板上并没有足够的空间，所以采取从软件上补救，以C代表温度，以RH代表湿度，分时显示。 其次，软件方面也有一个不足之处，正是由于显示没设置好，温湿度的测量和显示要通过锁存开关来控制。下位机一开始检测DR信号，如果不是高电平，上位机就没有发送命令，再判

29、断KEY1和KEY2键，如果其中有一个键按下，则测量温度或湿度并显示，直到按键松开，重新检测DR信号。这样就存在一个问题，如果锁存开关被按下，程序就一直在测温或测湿程序中循环，也就不检测DR端，也就是不能接收上位机的命令。所以，必须在按键没有按下的情况下下位机才能接受上位机的命令。如果采用8为显示就不存在这个问题，因为温湿度同时显示，不需要锁存开关的控制。7. 设计总结此次设计是不同于以往的任何一次课程设计，从选题到制作都是经过深思熟虑的，所选的设计要符合本专业，全面的涉及所学的知识，并能高于课本，是对自己理论知识和实际操作能力的一个考验和检查。而且制作过程中需要足够的自觉性和责任感，遇到问题

30、，绝不能马虎了事，要有严谨的科学态度，正确的分析方法。此次课程设计对我来说收获颇多。此次设计的多点温湿度的无线监测系统，其中涉及无线的知识，对于我来说是一个完全的陌生的领域，在学习的过程中，我体验到了一个知识从无到有，从陌生到熟悉的感觉，为我以后学习其他的知识打下了基础，重要的是给了我一次特殊的情感体验。 本次设计虽然过程中遇到过问题，感到过沮丧，但最终圆满的完成了。我相信这次的设计不但是我学习生涯中的一次宝贵经验，更为我以后的学习和工作打下了坚实的基础。当然这次设计能完满成功，要感谢老师的谆谆教导和细心解说。我相信有了这次经验，在以后的工作和学习中，我一定能完成的更出色。8. 参考文献1 胡

31、萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10 2 时德刚，刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10 3 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .5 4 李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 6 5 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉：华中理工大学出版社，1999.4 6 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6. 7 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.7 8 张谦琳.超声波检测原理和方法.

32、北京：中国科技大学出版社，1993.10 1 附录1:相关程序#include <reg52.h>#define uchar unsigned char#define SLAVE 0x02#define BN 16uchar trbuf16;uchar rebuf16;bit tready;bit rready;void str(void);void sre(void);void main(void) TMOD=0x20; /*T/C1定义为方式2*/TL1=0xfd; /*置初值*/TH1=0xfd;PCON=0x00;TR1=1;SCON=0xf0; /*串行口为方式3*/ES=1;EA=1; /*开串行口中断*/while(1)tready=1;rready=1;/*假定准备好发送和接收*/void ssio(void) interrupt 4 uchar a;RI=0;ES=0; /*关串行口中断*/if(SBUF!=SLAVE)ES=1;goto reti; /*非本机地址,继续监听