无线环境监测模拟装置的设计

无线环境监测模拟装置的设计无线环境监测模拟装置的设计-/31显示方案本无线环境监测模拟装置的设计涉及温度，光亮等显示功能。基于功能需求，设计考以下方案：基于 LCD1602液晶显示器使用方便且价格便宜，又能很好的符合本次设计的要求，故采用 LCD1602液晶显示器来显示，其电路如图 2.4所示。温度检测方案DS18B20温度传感器具有体积小，硬件开消低，具有超强的抗干扰能力，检测精度高，附加功能强，使用简单的优点。符合本次无线环境监测模拟装置的设计的要求，且经济实用， 故使用 DS18B20温度传感器作为本次无线环境监测模拟装置的设计的温度检测器件， DS18B20温度传感器电路如图 2.5所示。

光线检测方案本次无线环境监测模拟装置的设计只对光线的有无做监测，电路相对简单，故采用光敏电阻和可变电阻作为光线检测及其灵敏度的的调节部件。 光检测模块只输出高电平或低电平。光线检测电路如图 2.6所示。3芯片的介绍及应用STC12C5A60S2系列单片机简介单片机是简称单片微型计算机，同时又称为微控制器、嵌入式微控制器等，它属于第四代电子计算机。 STC2C5A60S2系列单片机是 STC公司生产的低功耗 /高速/超强抗干扰的单时钟 /机器周期（1T）的新一代 8051单片机，兼容传统 8051的指令代码 ,其速度是传统8051的速度快 8-12倍。 STC2C5A60S2系列单片机内部集成了 2路PW，MMAX80专用复位电路 ,8路高速 10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒）。[9]STC2C5A60S2系列单片机是增 ?型的8051CPU，具有单时钟 /机器周期的特点其工作温度范围： -40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级 ），工作电压在 5.5V-3.5V范围内，工作频率范围： 0～35MH，相当于传统z 8051单片机的 0～420MH。zSTC2C5A60S2系列的单片机片上集成 1280字节 RAM，用户应用程序空间有 8K/6K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等多种类型，方便用户选择。并且具有 EEPROM功能。其内部集成 MAX810专用复位电路 （外部晶体 12M以下时， 复位脚可直接 1K电阻到地） ，其内部共有 4个16位的定时器： 两个16位定时器/计数器T0和T1，加上2个独立波特率发生器可实现 2个16位定时器。 具有3个时钟输出端口： P3.4/T0、P3.5/T1、P1.0。单片机里有 10位精度 ADC，共 8路， A/D转换速度可达 250K/S（每秒钟 25万次）[8]。STC12C5A60S2系列单片机的引脚及功能STC12C5A60S2系列单片机的引脚图如图 3.1所示，引脚及功能如表 3.1、表3.2、表3.3所示。3.1STC12C5A60S2系列单片机引脚图表3.1单片机的引脚说明 1[8]管脚管脚编号说明LQFP44LQFP48PDIP40PLCC44QFN40P0.0~P0.737-3040~3339-3243~3634~27P0:P0口既可作为输入 /输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。当 P0口作为输入 /输出口时， P0是一个 8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当 P0作为地址 /数据复用总线使用时，是低 8位地址线 [A0~A7]，数据线的[D0~D7]。P1.0/ADC0/CLKOUT240431236P1.0标准 I/O口 PORT[0]ADC0ADC输入通道 -0CLKOUT2独立波特率发生器的时钟输出可通过设置 WAKE_CLKO[2]位/BRT-CLKO将该管脚配置为 CLKOUT2P1.1/ADC4442337P1.1标准 I/O口 PORT[]ADCADC输入通道 -1P1.2/ADC2/ECI/RxD242453438P1.2标准 I/O口 PORT[2]ADC2ADC输入通道 -2ECIPCA计数器的外部脉冲输入脚RxD2第二串口数据接收端P1.3/ADC3/CCP0/TxD243464539P1.3标准 I/O口 PORT[3]ADC3ADC输入通道 -3CCP0外部信号捕获 （频率测 ?或当外部中断使用 ）、高速脉冲输出及脉宽调制输出TxD2第二串口数据发送端P1.4/ADC4/CCP/SS44475640P1.4标准 I/O口 PORT[4]ADC4ADC输入通道 -4CCP外部信号捕获 （频率测 ?或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出SSSPI同步串行接口的从机选择信号P1.5/ADC5/MOSI12671P1.5标准 I/O口 PORT[5]ADC5ADC输入通道 -5MOSISPI同步串行接口的主出从入 （主器件的输出和从器件的输入 ）P1.6/ADC6/MISO23782P1.6标准 I/O口 PORT[6]ADC5ADC输入通道 -6MISOSPI同步串行接口的主入从出 （主器件的输入和从器件的输出 ）P1.7/ADC7/SCLK34893P1.7标准 I/O口 PORT[7]ADC7ADC输入通道 -7SCLKSPI同步串行接口的时钟信号

表3.2单片机的引脚说明 2[8]管脚管脚编号说明LQFP44LQFP48PDIP40PLCC44QFN40P2.0~P2.78-259-232-2824~36~23Port2:P2口内部有上拉电阻，既可作为输入 /输出26-28P3.0/RxD5610115P3.0标准I/O口PORT3[0]RxD串口1数据接收端P3.1/TxD781136P3.1标准I/O口PORT3[]TxD串口1数据发送端P3.2/INT0891247P3.2标准I/O口PORT3[2]INT0外部中断 0,下降沿中断或低电平中断P3.3/INT9101358P3.3标准I/O口PORT3[3]INT外部中断 1,下降沿中断或低电平中断P3.4/T0/INT/CLKOUT0101114169P3.4标准I/O口PORT3[4]T0定时器 /计数器 0的外部输入INT定时器 0下降沿中断CLKOUT0定时器 /计数器 0的时钟输出可通过设置 WAKE_CLKO[0]位/T0CLKO将该管脚配置为 CLKOUT0P3.5/T/INT/CLKOUT1112151710P3.5标准I/O口PORT3[5]T定时器 /计数器 1的外部输入INT定时器 1下降沿中断CLKOUT定时器 /计数器 1的时钟输出可通过设置 WAKE_CLKO[]位/TCLKO将该管脚配置为 CLKOUTP3.6/WR1213161811P3.6标准I/O口PORT3[6]WR外部数据存储器写脉冲P3.7/RD1314171912P3.7标准I/O口PORT3[7]RD外部数据存储器读脉冲P4.0/SS171823P4.0标准I/O口PORT4[0]SSSPI同步串行接口的从机选择信号P4.1/ECI/MOSI28334P4.1标准I/O口PORT4[]ECIPCA计数器的外部脉冲输入脚MOSISPI同步串行接口的主出从入 （主器件的输出和从器件的输入 ）P4.2/CCP0/MISO39421P4.2标准I/O口PORT4[2]CCP0外部信号捕获 （频率测 ?或当外部中断使用 ）、高速脉冲输出及脉宽调制输出MISOSPI同步串行接口的主入从出 （主器件的输入和从器件的输出 ）

表3.3单片机的引脚说明 3[8]管脚管脚编号说明LQFP44LQFP48PDIP40PLCC44QFN40P4.3/CCP/SCLK6712P4.3标准I/O口PORT4[3]CCP外部信号捕获 （频率测 ?或当外部中断使用 ）、高速脉冲输出及脉宽调制输出SCLKSPI同步串行接口的时钟信号P4.4/NA2629293224标准I/O口PORT4[4]P4.5/ALE2730303325P4.5标准I/O口PORT4[5]ALE地址锁存允许P4.6/EX_LVD/RST22932313526P4.6标准I/O口PORT4[6]EX_LVD外部低压检测中断 /比较器RST2第二复位功能脚P4.7/RST459104P4.7标准I/O口PORT4[7]RST复位脚P5.024标准I/O口PORT5[0]P5.125标准 I/O口 PORT5[1]P5.248标准I/O口PORT5[2]P5.31标准I/O口PORT5[3]XTAL1516192114内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。XTAL21415182013内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时 XTAL2实际将 XTAL1输入的时钟 ?行输出。VCC3841404435电源正极Gnd1617202215电源负极，接地3.1.2单片机最小系统的设置本次无线环境监测模拟装置系统的设计的单片机最小系统设置的如图 3.2所示，其图3.2STC12C5A60S2系列单片机最小系统图LCD1602芯片介绍及应用液晶显示器的介绍液晶显示器也称为 LCD(LiquidCrystalDisplay)。液晶是一种介于固态和液态所以称为“液晶”。液晶显示的原理， 是使液晶将置于两个电极之间通电，[9]。其特点有：机身薄，节省空间；省电，不产生高温；低辐射，益健康。LCD1602的显示原理LCD1602是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16个字符液晶模块(显5X7个显示单元组成，也就是说每个显示出来的字符5X7个点阵明暗分布显示出来的。向 LCD1602内置的 DDRAM的不同地址写[9]。

LCD1602的基本参数及引脚功能LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。 LCD1602采用标准的 14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，本次设计采用 16脚（带背光）来显示各种信息 [9]。各引脚接口说明如表 3.4所示。表3.4LCD1602引脚接口说明表 [8]编号符号电平输入 /输出引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压4RS0/1输入数据/命令选择5RW0/1输入读/写选择6E0/1输入使能信号7DB00/1输入 /输出数据总线 line08DB10/1输入 /输出数据总线 line19DB20/1输入 /输出数据总线 line210DB30/1输入 /输出数据总线 line311DB40/1输入 /输出数据总线 line412DB50/1输入 /输出数据总线 line513DB60/1输入 /输出数据总线 line614DB70/1输入 /输出数据总线 line715A+VCCLCD背光正极16K接地LCD背光负极LCD1602的特性+5V电压，对比度可调2、内含复位电路3、提供各种控制命令 ,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能4、有 80字节显示数据存储器 DDRAM5、内建有 160个5X7点阵的字型的字符发生器 CGROM6、8个可由用户自定义的 5X7的字符发生器 CGRAM

3.2.5LCD1602的使用方法LCD1602内置了 DDRA（显示数据存储M RAM）、CGRO（字符存储M ROM）和 CGRA（用M户自定义 RAM）。DDRAM就是显示数据 RAM，用来寄存待显示的字符代码。共 80个字节，其地址和屏幕的对应关系如表 3.5：表3.5LCD1602内置存储器的地址和屏幕的对应关系 1显示位置1234567⋯⋯40DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H05H06H⋯⋯27H第二行40H41H42H43H44H45H46H⋯⋯67H想要在 LCD1602屏幕的第一行第一列显示一个“ L”字 ,就要向 DDRAM的00H地址写入“ L”的代码。一行有 40个地址，但在 LCD1602中只用前 16个就行了。第二行也一样用前 16个地址。DDRA地址与显示位置的对应关系：M LCD1602液晶模块的内部字符发生存储器 （CGROM）存储了 160个不同的点阵字符图形（有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常 用的符号、和日文假名等），每一个字符都有相应的代码，如下表所示。表3.6LCD1602内置存储器的地址和屏幕的对应关系 23.2.5LCD1602的控制指令对DDRAM的内容和地址操作， HD44780的指令集及其设置说明， 共有11条，其基本操作时序指令如下：读状态 输入： RS=L， RW=H， E=H输出：DB0～DB7=状态字写指令 输入： RS=L， RW=L， E=下降沿脉冲， DB0～ DB7=指令码输出：无读数据 输入： RS=H， RW=H， E=H输出：DB0～DB7=数据写数据 输入： RS=H， RW=L， E=下降沿脉冲， DB0～DB7=数据输出：无3.3DS18B20芯片介绍及应用DALLAS生产的单线数字温度传感器 DS18B20是新一代的 “一线器件” ，具有体积更小、适用电压更宽、更经济的优点。其一线总线独特和经济实惠的特点，使其可以轻松地组建传感器网络。 DS18B20温度传感器支持 “一线总线” 接口，可测量-55°C~+125°C范围内的温度 ,精度为±0.5°C。数据采用“一线总线”的数字方式进行传输，可以大大提高系统的抗干扰性。 适合于各种恶劣环境下进行温度测量。 DS18B20可以在 3V~5.5V的电压范围内正常工作，使其使用起来更为灵活、方便，加上其便宜，体积小等特点，使其成为理想的测温模块 [10]。DS18B20引脚功能DS18B20芯片的外部引脚分配如图 3.3所示。3.3DS18B20的外部引脚分配VDD : 为外接供电电源输入端，电源供电；DQ : 为数字信号输入 / 输出端；GND ： 为电源地；DS18B20读写说明DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，如果出现序列混乱，1-WIRE器件将不响应主机， 因此读写时序很重要。 系统必须按照协议对 DS18B20温度传感器进行操作。按照 DS18B20的协议的规定，单片机控制 DS18B20温度传感器来完成温度的转换必须经过以下 4个步骤[10]：1）每次读写前要对 DS18B20温度传感器进行复位初始化操作。复位要求主CPU将数据线下拉 500ms，然后释放， DS18B20温度传感器收到信号后等待16ms-60ms左右，然后发出 60ms-240ms的存在低脉冲，主 CPU收到此信号后表示复位成功。2）发送一条 ROM指令，如下表所示：表3.7DS18B20的ROM指令集3）发送存储器指令，如下表所示：表3.8DS18B20的存储器指令集

4）进行数据通信。3.4NRF24L01芯片介绍及应用NRF24L01芯片的介绍NRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信通信芯片，其采用 FSK调制，内部EnhancedShortBurst协议。可以实现点对点或是 1对6的无线通信。无线通2M（bps）[11]。NRF24L01芯片的引脚功能NRF24L01的引脚如所示，从单片机控制的角度来看，只需要关注图的右面的六个CSN、SCK、MISOCSN、SCK、MISO、MOS、IIRQ、CE。3.4NRF24L01芯片的引脚图CSN:芯片的片选线， CSN为低电平芯片工作。SCK:芯片控制的时钟线（ SPI时钟）MISO:芯片控制数据线（ Masterinputslaveoutput ）MOSI:芯片控制数据线（ Masteroutputslaveinput ）IRQ:中断信号。 无线通信过程中 MCU主要是通过 IRQ与NRF24L01进行通信。CE:芯片的模式控制线。 在CSN为低的情况下， CE协同NRF24L01的CONFIG寄存器共同决定 NRF24L01的状态NRF24L01的固件编程的基本思路发送模式初始化过程：1、写 Tx节点的地址： TX_ADDR2、写 Rx节点的地址（主要是为了使能 AutoAck）：RX_ADDR_P03、使能 AUTO：ACKEN_AA4、使能 PIPE0：EN_RXADDR5、配置自动重发次数： SETUP_RETR6、选择通信频率： RF_CH7、配置发射参数： RF_SETUP8、选择通道 0有效数据宽度： Rx_Pw_P0

9、配置 24L01的基本参数以及切换工作模式：接收模式初始化过程：1、写Rx节点的地址： RX_ADDR_P02、使能 AUTOAC：KEN_AA3、使能 PIPE0：EN_RXADDR4、选择通信频率： RF_CH5、选择通道 0有效数据宽度： Rx_Pw_P06、配置发射参数： RF_SETUPCONFIG。CONFIG。7、配置 CONFIG。CONFIG。4程序的设计流程4.1DS18B20模块流程图根据DS18B20的协议规定， 微控制器控制 DS18B20完成温度的转换必须经过以下4个步骤：1、每次读写前对 DS18B20进行复位初始化。2、发送一条 ROM指令3、发送存储器指令4、进行数据通信。图4.1DS18B20模块流程图无线通讯接收模块流程图接收模式程序设计思路：NRF24L01芯片使能， CE=0;2、进入待机模式；3、接收模式初始化： PWR-UP=1PRIM-RX，=1CE=1，进入接收模式；4、检测信息，数据是否有效，并且发送确认信息；NRF24L01芯片使能，CE=0，进入待机模式；6、读取数据。

4.2无线通讯接收模块流程图无线通讯发送模块流程图接收模式程序设计思路：NRF24L01芯片使能，CE=0;2、进入待机模式，并写接收节点地址和有效数据；3、接收模式初始化： PWR-UP=1PRIM-RX，=0CE=1，进入接收模式；4、进入发送模式，发送数据，并检测是否收到应答信号；5、发送数据成功， NRF24L01芯片使能， CE=0；6、进入待机模式。

LCD1602程序设计思路：1、LCD初始化 ;2、将转换无线模块接收到的温度数据成 LCD显示数据；3、发送数据并显示，并返回；

5软硬件的调试硬件原理图整个无线环境监测模拟装置系统在 PROTEL中的原理图如下所示：其包括单片机控制模块，温度检测模块，光亮检测模块，无线通讯模块，供电模块和 LCD显示模块的原理图。图中还包含各模块间的中间电路。下图为发送模块原理图，其包括单片机控制模块，温度检测模块，光亮检测模块和供电模块。5.1发送模块原理图为接收模块原理图， 其包括单片机控制模块， 无线通讯模块， 供电模块和 LCD图5.2接收模块原理图5.2硬件实物图此次无线环境监测模拟装置的硬件分为两部分：发送节点硬件（图左）和接收终端NRF24L01无线通讯模块接收终端硬件包括： 单片机控制模块， 供电模块， NRF24L01LCD显示模块。5.3硬件实物图结论本次无线环境监测模拟装置系统是对温度和光亮的检测， 并且可以通过无线通信将数据从节点端传输到检测终端的设备。 本次无线环境监测模拟装置系统不仅能很好的检测环境变化，而且无线传输方便实用。因此本次无线环境监测模拟装置系统可以更好的解决某些因地理原因而不便于人类长期停留的地区监测环境变化的问题。 可以更好的适用于实际情况中，具有一定的使用价值。本次无线环境监测模拟装置的设计历时三个多月，时至今日，论文已经完成，有说不出的兴喜。回想起，从最初的茫然不知从何入手，到慢慢的找到切入点并进入状态，再到思路逐渐的清晰明朗，这个过程是难以用语言来表达的。历经艰辛，设计终于得以成功，但是还是存在许多的不足和缺陷。比如：本次无线环境监测模拟装置系统对环境监测的内容只有温度和光亮，而且只能对光线的有无做出判断；而且此次设计使用的部分电子元器件并非是最理想的，不符合成本最低化的要求，因此本次无线环境监测模拟装置系统的设计也还存在着不少的缺点，还有很大的空间有待改善。致谢本次无线环境监测模拟装置的设计历时三个多月。 通过自己锲而不舍的探索和坚持不懈努力加上张玉薇老师的耐心的教导和热心的帮助，使本次设计得以顺利完成。同时班里的同学以及学长也在我的设计无线环境监测模拟装置的时候给予了许多帮助和指导，在他们的帮助和指导下克服了不少的问题。为此对于他们的给予的帮助表示深刻的谢意。在本次无线环境监测模拟装置的设计中难免会遇到许许多多的问题。 首先从选择无线通讯芯片时， 没有相关经验的我， 一直举棋不定， 不懂如何选择合适的无线通讯芯片；再次就是某些已经设计好的电路中的相关元器件比较难以入手， 不得不重新选择其他相似的元器件以替代；在最后的硬件调试中，由于对无线通讯模块的不了解，先调试中不能实现数据的传输。幸好在老师及同学的帮助和