【数据采集与无线传输系统的设计7800字（论文）】

数据采集与无线传输系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u17599第一章绪论 148411.1课题背景介绍 1124721.2研究目的 1289481.3本系统的设计思路和工作原理 22708第二章论文相关技术介绍 3303442.1C51系列单片机 3288682.1.1STC单片机介绍 3208582.1.289C51单片机主要特性 3256042.2DHT11温湿度传感器介绍 4260042.3液晶显示模块 5286242.4键入模块设计 6135742.5报警模块设计 7183232.6远程通讯模块 8326532.6.1nRF905简介 815812.6.2基本特点 8118592.6.3电路设计 927329第三章系统软件设计 1171753.1编程语言及keil软件介绍 1112653.2主控制程序 116893.3数据采集子程序 1250983.4远程通讯模块及流图 1325855第四章系统的仿真与分析 16140704.1系统仿真 16141104.2实验结果 1717259结束语 1927499谢辞 2029478参考文献 21第一章绪论1.1课题背景介绍随着社会的不断发展和进步，各种检测系统开始大量出现并应用于人们的生产生活实践当中，它被人们应用于检测各种物理参数并被广泛应用于农业、水利等各个行业，以其体积小、重量轻、成本低的优点，越来越的被应用于各个行业当中，而在这其中对于温度、湿度等数据的收集就显得十分重要。单片机可以被看做是一个微型控制单元，常常在工业时代的生产活动中发挥重要作用。单片机是二极管密度不断加大所产生的元器件。最早的设计理念是通过将的外部元器件和大量半导体二极管集成到一个小小的区域内上，使计算机系统更灵活，继承进计算机系统中后不会显得过度繁杂。英特尔公司所研发的Z80单片机最初就是按照这种构想被生产出来的，从此以后，单片机和专用处理器开始了飞速的发展，可两种处理器的作用领域区分的越来越明显。单片机被主要应用于控制系统，而随着数据收集量的逐渐扩大，微控制器也产生了相应的分化，一方面向高精度、高抗干扰性发展并被大量应用于航空、航天、冶金等行业。另一方面向家用民用等方面下沉，以其简便、易用的特点广受大众喜爱，比如彩电、冰箱、全自动洗衣机。从单片机和整个半导体工业发展的大方向来说，不管是什么系统都开始更加倾向于模块化，将一件很复杂的事情分散化，把大的事情分散成各种细小的事情，把复杂的事情分解成为简单的事情，单片机除了作为神经控制中枢的同时也开始被赋予了新的任务。在大工业时代，我们越来越需要具有高时效性的环境环境数据来辅助我们做出相应的判断，但是在实验室中进行试验与工业生产活动不同，在工业生产环境中常常伴随着反复无常的天气和复杂的多变的周围环境的制约，无线的采集方式的优势变得越来越明显，人们对于便捷化轻量化的需求是越来越突出，无线数据收集，因为其脱离了线材的控制，受到地形因素的影响小的独特优势，逐渐开始获得企业的青睐。1.2研究目的人们开始渴望高速发展当今科学技术，可以帮助自己解决身边的一些问题，让科学技术的发展能够早日惠及普通大众，一个很现实的问题就是，由于疫情的原因，整个中国的物流中转发生停滞，大量机械化收割的粮食作物被迫存放在仓库当中，因此我们需要一套精确易管理的设备来帮助我们监控环境中的各个因素，以此来把我们的损失降到最低。温度采集属于多点式分布模拟数据量的采集，其本身具有波动范围小感知明显的的特点，近年来我国数据收集技术也越来越完善，精度和准确性也越来越高，温湿度采集传感器所使用的电阻类元气件也变得十分容易获得。本系统的研究目的是利用数字温湿度传感器对多个地点的数据进行准确测量并收集，使收集到的数据准确显示在LCD液晶显示屏上，系统自动将手机来的数据与系统收集来的数据对比，如果超出预设值，系统自动通过预设值进行报警。1.3本系统的设计思路和工作原理设计思路：随着各种生产生活水平的提高，数据收集这种高重复性，低成本的生产方式也可以逐渐被测量仪器所取代，同时随着信息技术的发展，温度湿度的采集在林业防护，农业监测等方面也有重要意义。工作原理：整体系统设计可以89C51系列单片机可以作为系统的控制和处理模块，使用DHT11传感器作为环境中温度湿度数据量的接收模块，数字传感器通过总线将数据传输出来并发送到微处理器上进行信息处理，单片机经过中央处理和控制模块处理后之后就会把这些信息传递给执行模块并通过LCD液晶显示模块将数据显示出来。该系统整体的整体结构框架如图1.1所示。图1.1系统整体框架

第二章论文相关技术介绍2.1C51系列单片机2.1.1STC单片机介绍89C51是一种带4K字节闪烁可以写入或删除程序、可以消灭数据只能读取的数据存放元件的工作消耗能量少、效率相对较高CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机可以进行大量且频繁的烧写、删除操作。该器件采用最新的精密工艺制成单位面积内能容纳能多晶体管，与工业标准指令集通用有很好的的易用性。其引脚功能如图2.1所示：图2.189C51引脚说明2.1.289C51单片机主要特性AT89C51单片机的具有以下主要特性与MCS-51指令集兼容有4K字节可编程闪烁存储器。可进行1000次的擦写循环全静态工作范围0~24MHZ数据保留时间：10年128*8字节内部中断2个十六位定时器/计数器可编程串行通道采用低功率的闲置模式和掉电模式片内振荡器和时钟电路2.2DHT11温湿度传感器介绍DHT11数字温湿度传感器是一款可用于与温度湿度监测的敏感传感器元件。它广泛应用于专门的各种数字化和模块化的信号传感采集处理技术和各种温湿度范围传感采集技术，确保了设计的系统能够同时具备极高的质量可靠性和卓越的长期运行稳定性。传感器包括一个可以敏锐感知环境中湿度变化的元件和一个热敏感温元件组成，并与具有优秀处理性能的8位微处理单元组成。其连接原理图如图2.2所示。因此质量突出、反应时间短、不易损坏、造价低廉等特性是它所表现出来的优点。每个DHT11传感器在出厂之前都进行严格的质量把关。校准系数储存在OTP储存单元中，他可以很容易的改变。在DHT11运行过程中，这个参数很可能随时被调用。只能允许输入或输出单向通行的数据，使系统变得简单易用。DHT11传感器的管脚功能具体如表2-1所示。表2-1DHT11传感器引脚说明Pin名称注释1VDD供电3-5.5V直流电源2DATA串行数据，单总线3NC空脚4GND接地图2.2DHT11连接图当连接距离小于20的时候建议适当增加一个5K上压下拉稳定电阻，，大于20米时根据实际情况采用合适大小的上压下拉稳定电阻。（3）数据帧说明：DATA引脚的主要作用是在MCU与传感器之间进行数据传输和对接，采用了单总线数据格式，一次读取数据的持续时间在4ms左右，收集数据所得到的温度信息分两个部分即：一个数据的整数部分和小数部分，当前小数部分不存在或者用于下一位拓展时，现读出为零.操作流程如下：一次完整的数据传输为40字节，高位先出。采用的传输格式是温度的整数部分、温度的小数部分、湿度的整数部分、湿度的小数部分各占八个字节的方式，数据被成功送达后会检验数据是否丢失，如果不丢失则校验和等于传输结果的最后八位（4）时序描述用户通过MCU向敏感元件传感器发送一次指令，DHT11从需要消耗少量能量的闲置模式转换到正常状态开始进行工作，等待微处理器发送完所有数据之后，温湿度收集传感器发出信号确认收到信息，并将现在收集到的数据发送给微处理器，并开始进行温度湿度的采集工作。总线闲置状态被设置为1，主机把状态改变为0低等待湿度温度传感器回应，主机把总线拉低的时间不能过短，以此来确保DHT11能开始正常工作。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。2.3液晶显示模块LCD1602的液晶显示模块在收到信号后每个点块都在保持原有的色彩和亮度，液晶屏采用了严密的封装技术，有效的防止了辐射外露，对于相同尺寸的阴极射线管，液晶有更好的可视范围，其规格如图2.2所示。1602的个主要技术参数如表2-2所示表2-21602的主要技术参数工作电压：4.5—5.5V容量16×2个字符最佳工作电压5.0V工作电流2.0mA字符尺寸2.95×4.35(W×H)mm图2.3显示模块规格2.4键入模块设计在按键按下的瞬间，反应在高低电平上会产生极短时间的颤抖信号，为了防止按键按下时产生的“毛刺”对数据结果产生影响，键盘的键入设计使用了与非门来消除按键时产生的这一影响，保证输入的数据准确无误。按键检测程序具体流程图如图2.4所示图2.4按键检测流程图2.5报警模块设计在工业时代的生产活动中，不管是什么工种都必须以安全为前提进行操作，在重要数据的获得上也必须准确而且为之后的应急处理工作留有一定余地，当从机反馈回来的数据超过或不在标称范围内后，系统会自动触发中断程序，给正在操作的工人进行一些警示，其电路图如图2.5所示。当中央控制单元判断收集到的数据不再系统预设的数值范围之内，蜂鸣器会周期性的发出声音，以达到警示作用。系统的报警模块流程图如图2.6所示。图2.5蜂鸣电路原理图图2.6报警模块流程图2.6远程通讯模块2.6.1nRF905简介nRF905是由nordic公司推出的接收和发送无线数据的设备，采用32引脚连接QFN的技术对其器件进行了封装，工作在433、868、915mhz三个频段工业通信科学院和医疗通信频道，其中国内433频段是一个可以直接进行免费接入。nRF905由带有频率信号合成器的射频接收解调器，功率合成放大器、晶体振荡器、调制器等多种主要功能集成部件所组合构成。不必再担心需要额外的信号滤波器同样可以具备较好的对抗通讯干扰效果。nRF905使用SPI接口与MCU进行串行通信，其中地址、输出功率、通信频道可通过程序进行设置，所以可用于多机通信。其引脚接口图如图2.7所示。芯片可以采用软件设置成空闲模式和关机模式易于节能设计。适合工业数据的采集，无线警报及安全等多种用途。无线射频收发器nRF905的各引脚功能如表2-3所示图2.7nRF905引脚接口图2.6.2基本特点（1）433开放频段可免认证直接使用（2）工作的最高速度是50kbps，通信距离最长可达300m。（4）对于工作频段可以使用软件进行设置，可满足多点通信和跳跃通信的需要（5）低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下耗电量极低。（6）收发模式之间切换只不要650us（7）SPI编程，可使用软件设置地址表2-3nRF905引脚功能管脚名称管脚功能说明1VCC电源电源+1.9-36.VDC2TX_EN数字输入TX_EN=1TX模式；TX_EN=0RX模式3TRX_CE数字输入使能芯片发送或接收4PWB_UP数字输入芯片上电5uCLK时钟输入该引脚废弃，便于向后兼容6CD数字输入载波检测7AM数字输入地址匹配8DR数字输入接受或发射数据完成9MISOSPI接口SPI输入10MOSISPI接口SPI输出11SCKSPI时钟SPI时钟12CSNSPI使能SPI使能13GND数字地接地14GND数字地接地2.6.3电路设计（1）发送模块电路设计如下图所示图2.8发送模块电路图（2）接收模块电路设计如图2.9所示；图2.9接收模块电路图

第三章系统软件设计3.1编程语言及keil软件介绍我们都知道CPU、MCU等核心控制单元在一开始的时候只是能够进行一些简单的加减法和逻辑运算，当处理单元将你输入一条指令执行完毕后就会自动停下来继续等待下一条指令，计算机本身也是不明白你需要输入的这些指令的，只有通过编译器把它们编译成一台机器才能看得懂的二进制语言。行，汇编语言是一种命令的二进制文本形式它们都是可以由cpu直接在系统中执行，因为不同的机器所需要使用的编译器也许会有所差异而导致它们之间的可移植性比较差，被视作是一种较为低级的语言。因为汇编语言是给机器看的语言所以，不具有较好的可读性，从而使软件维护起来相对困难。C语言是组合语言的简称，是一种比较基础的设计语言，相对汇编语言来说算是一种高级语言，具有高级语言和汇编语言的特点他的应用十分广泛，上到软件编程下到单片机、嵌入式系统开发都可以使用C语言进行编程，它也因为自身丰富的库函数，很好的可读性和具有较高的可拓展性而被广泛应用系统的整体设计需要软件硬件相互配合，当硬件选择基本完成之后，软件的基本功能也被确定下来，程序处理是一个系统的关键，软件和硬件总是是一对矛盾又对立的关系，想要硬件做的简介美观必然需要大量的后台代码做支撑，想要尽量减少代码的执行量就必须将功能分散，增加了硬件的使用数量。KeilC51是一款由美国KeilSoftware公司设计和生产的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与之前的语言相比，C语言在结构和可拓展性性上尽力避免了低级语言的的局限，尽可能多的发挥了高级语言的长处。本系统中无线数据的传输主要通过无线数据收发器，微处理器，液晶显示程序，温度收集传感器组成。3.2主控制程序主程序的作用主要是讲系统所使到的这种外设先后进行初始化操作，保证温湿度采集传感器可以正常工作。上电之后单片机会自动判断从温度采集传感器收集来的数据是否在合理范围内，即：数值是否大于单片机内预先设置好的温湿度范围，如果超出范围将会在触发中断程序进行报警，系统会收集一段时间内的数据进行平均处理，防止偶然误差，或温度传感器自身原因造成的误判，预设的温度温度范围也可以通过配套的外部键入设备进行大小数值的改变。下面仅展示主函数中控制传感器读取的部分，具体代码如下：voidRH_com()｛unsignedchari;unsignedintcount;U8comdata=0;for(i=0;i<8;i++)｛count=2;while(((FIO3PIN&0x00000002)!=0x00000002)&&count++);U8temp=0;if((FIO3PIN&0x00000002)==0x00000002)｛U8temp=1｝count=2;while(((FIO3PIN&0x00000002)==0x00000002)&&count++)；if(count>180) U8comdata=(U8comdata<<1)+1;Else U8comdata=U8comdata<<1;｝｝3.3数据采集子程序现在是市面上常见的温度传感器，采用的都是将敏感元器件收集来的数据传输到控制终端并进行放大处理的模式，在这种情况下，既占用了信道又降低了信息处理的效率系统每使用一种外设都要对外设原件进行初始化，是为了让原件内部的静态信息被单片机所识别和了解，整个系统上电之后温度采集传感会周期性的读取环境中的温度、湿度信息，系统初始化成功之后，进入低速运行模式，当有按键被按下的，按键所控制的那一路会进行数据采集，如果数据不符合内部设置的范围将会触发警报。初始化工作完成之后，DHT11并不是立即还是工作，大概0.2秒的延迟，之后才开始正常工作，数据采集模块会周期性的读取数据，如果未MCU未收到数据采集模块返回的信息，则等待下一次收到返回数据后继续。数据读取读取子程序，代码如下：VoidRH_read(){unsignedintcount;FIO3DIR|=(1<<1);FIO3PIN&=~(1<<1);Day_1us(1000*18);FIO3SET|=(1<<1);if((FIO3PIN&0x00000002)!=0x00000002){count=2;while(((FIO3PIN&0x00000002)!=0x00000002)&&(count++));count=2;while(((FIO3PIN&0x00000002)==0x00000002)&&(count++));RH_com();U8RH_data_H_temp=U8comdata;RH_com();U8RH_data_L_temp=U8comdata;RH_com();U8T_data_H_temp=U8comdata;RH_com();U8T_data_L_temp=U8comdata;RH_com();U8checkdata_temp=U8comdata;U8temp=(U8T_data_H_temp+U8T_data_L_temp+U8RH_data_H_temp+U8RH_data_L_temp);if(U8temp==U8checkdata_temp){U8RH_data_H=U8RH_data_H_temp;U8RH_data_L=U8RH_data_L_temp;U8T_data_H=U8T_data_H_temp;U8T_data_L=U8T_data_L_temp;U8checkdata=U8checkdata_temp;}}}3.4远程通讯模块及流图将温度采集模块所收集到的数据通过总线传送至微处理单元通过单片的P1.7端口与DHT11的DATA段连接从机通过自己的微控制单元向无线信号发射器下达指令并通过天线进行发送，上位机在接收信息的同时将数据显示在LCD液晶显示屏上。数据发送的过程是：先进行无线射频收发器的初始化，然后配置SPI寄存器。并将TRX_CE设置为低电平，将TX_EN设置为高电平，将采集到的数据装在到对应的地址上，然后进行数据位判断并发送数据，数据发送结束后判断DR的电平高低，如果仍为高电平则继续发送数据，反之则结束数据发送，将TRX_CE设置为低电平，外设进入低速工作模式。工作的具体流程图如图3.1所示。图3.1无线射频收发器发送数据流图数据的接收过程：与发送的时候相同，先将接收模块进行初始化操作，SPI配置寄存器，将TRX_CE设置为高电平，TX_EN设置为低电平，原件进入接收状态，先判断载波监测是不是引起CD端电平变高，如果是就接收发送过来的地址数据，不是就继续监听。如果检测到发送来的地址信息将AM端的电平变高，则说明地址匹配，开始接收发送过来的模拟信息量，如果AM仍为低天平，则取消地址匹配，无线射频接收器继续监听信息。之后调用CRC端口进行数据校验，如果数据完整则是DR变为高电平TRX_CE设置为低电平，将TX_EN设置为高电平，无线射频接收器进入空闲状态。如果校验不正确，则继续监听，直至获得校验通过的完整信息。最后将获得的完整数据存入射频模块的寄存器中，等待单片机进行数据提取。其具体流程图如图3.2所示。图3.2无线射频收发器接收数据流图由于单片机中没有SPI的接口所以需要对串口通信过程进行模拟，只有将器件的收发模式调整好才能使数据的收发顺利进行。

第四章系统的仿真与分析4.1系统仿真系统的仿真程序又程序仿真和PCB电路仿真两部分分开进行，使用仿真的好处是，可以减少烧写对单片机的影响，可以很方便的编译和调试，便于找出程序中的错误和外设原件中连接不对的地方，可以很直观的看出哪个地方出现了问题，不用将程序烧写进电路板之后出现问题了再返回去一个元件一个元件的排查，增加了编译过程中的容错率。在整个硬件框架搭建完成之后，在Proteus8软件平台上完成各个元器件及MCU的排列整合，在keiluVion4平台上进行C语言代码的编写。完成系统配置之后，进行了编译和调试，确认编译调试过程中不存在任何错误之后生成HEX文件，连接到“拼装”完成的PCB电路板上运行程序，看看实际效果。整个系统的上位机的接收模块原理图如下图所示：图4.1接收显示模块原理图4.2实验结果下位机会周期性性的采集环境中的温度湿度等信息，通过微处理器显示在下位机的液晶显示模块上，并无线射频发射器发送到上位机，上位机回来LCD屏幕上循环显示所收集回来的温度值，使对整个环境中的温度有更具体的把我如果数值不在上位机人工设置的可调节范围内，则触发警报程序，提醒操作人员数据异常，需要进行紧急处理。（1）系统上电后，液晶屏幕被点亮，此时不能立刻开始读取环境中的信息需要，等待温湿度采集转换器进行状态转换，待机界面如图4.2所示：图4.2LCD初始界面（2）系统内部程序中可以在编写的时候就设置一个数值，当然也可以通过单片机上的键盘对预设参数进行相应的调整，每次关机之后手动设置的预设参数被重置。图4.3为系统预设温度，图4.4为手动调节参数加减得到的警戒温度。图4.3系统预设警戒温度图4.4手动调节后的警戒温度（3）设置完成之后，按退出键退出界面，主机的LCD屏幕上开始一次显示同一时间多个传感器锁测量到的温度值。如图4.5所示图4.5单块LCD屏显示效果图

结束语本系统旨在较好的完成远程数据的收集显示工作，人口稠密的地方数据的传播范围大概在30-80m，在空旷无人的地方数据传播范围可以达到100M以上，系统中采用nRF905和DHT11作为无线环境变量采集模块，使用C语言作为系统程序的编程语言，毕业设计充分利用之前大学四年所在学校学习到的，单片机技术、ARM软件开发及应用、模拟数据处理等方面的知识。通过本次毕业设计更能是我清除的看明白软件与硬件之间并不是相对孤立的存在也不是对立的存在而是相辅相成的关系，只有两个方面都做好，整个项目才能算是成功的，不管有哪一方面掉链子，都不能达到预期效果。系统完成变量自动识别的同时也是减少了人们的工作量，人们不再需要频繁的来回跑动来获取数据，大大降低了人力成本和运营维护的成本克服了地缘环境的影响，使得这种低回报高成本的工作