基于无线电的遥控系统的设计

PAGEPAGEI基于无线电遥控系统的设计与开发目录TOC\o"1-4"\u目录 I摘要 IIIAbstract IV第一章绪论 11.1系统开发背景及现 11.1研究背景 11.2国内外研究现状 11.3研究内容 2第二章功能与设计方案 32.1系统功能要求 32.2系统设计方案 32.3硬件模块选型 42.3.1单片机模块的选型 42.3.2通信模块的选型 52.3.3温度检测模块的选型 5第三章系统的硬件设计 73.1可行性研究 73.1STC89C52单片机 73.2NRF24L01无线通信模块 83.3LCD1602显示模块 93.4DHT11温湿度传感模块 103.5DS18B20温度传感模块 113.6蜂鸣器模块 123.7继电器模块 13第四章系统的软件设计 154.1Keil4软件介绍 154.2主程序流程图的设计 15第五章系统的测试 175.1软硬件调试 175.2测试结果分析 17总结与展望 19参考文献 20致谢 21附录A电路图 22附录B源程序 23

摘要物联网技术发展迅猛，远程控制领域的无线通信应用愈加广泛，温湿度监测等环境参数采集系统中，无线遥控技术的运用提升了监测系统的灵活性与实用性。设计并实现了一种温湿度远程监控系统，该系统基于NRF24L01无线模块，由控制端和检测端组成，无线通信技术实现了温湿度数据的采集、传输与显示，并设定温度阈值进行报警，采用STC89C52单片机作为核心处理器，DS18B20温度传感器与DHT11温湿度传感器采集数据，LCD1602显示模块完成可视化展示，实验表明，系统具备通信稳定、响应迅速、显示清晰的特征，可以有效满足远程温湿度监控的需求。关键词：无线通信；温湿度监测；单片机；NRF24L01；遥控系统

AbstractWiththerapiddevelopmentofInternetofthingstechnology,wirelesscommunicationinthefieldofremotecontrolismoreandmorewidelyused.Intheenvironmentalparameteracquisitionsystemsuchastemperatureandhumiditymonitoring,theapplicationofwirelessremotecontroltechnologyimprovestheflexibilityandpracticabilityofthemonitoringsystem.Atemperatureandhumidityremotemonitoringsystemisdesignedandimplemented.ThesystemisbasedonnRF24L01wirelessmodule,whichiscomposedofcontrolendanddetectionend.Thewirelesscommunicationtechnologyrealizesthecollection,transmissionanddisplayoftemperatureandhumiditydata,andsetsthetemperaturethresholdtoalarm.STC89C52singlechipcomputerisusedasthecoreprocessor,DS18B20temperaturesensorandDHT11temperatureandhumiditysensorcollectdata,andLCD1602displaymodulecompletesthevisualdisplay.Experimentsshowthatthesystemhasthecharacteristicsofstablecommunication,rapidresponseandcleardisplay,whichcaneffectivelymeettherequirementsofremotetemperatureandhumiditymonitoring.Keywords:wirelesscommunication;Temperatureandhumiditymonitoring;Singlechipmicrocomputer;NRF24L01；Remotecontrolsystem基于无线电的遥控系统设计与实现PAGEPAGE1第一章绪论1.1系统开发背景及现1.1研究背景物联网技术的迅速发展使传统控制系统发生了革命性变革，现代化工业生产、农业种植和智能家居等诸多领域，都把远程监控与数据采集当作提高系统运行效率与安全性的手段。传统有线连接方式在实际应用中局限性诸多，布线复杂、安装维护成本高、系统扩展性差等，无线通信技术的应用克服了这些障碍，系统部署也更加灵活便捷。温湿度在环境监测参数中作为基本且重要的部分，其远程监控需求在工业生产、农业温室大棚、仓储物流管理、家居环境调节等场景中广泛存在。准确及时获取温湿度信息并进行控制调节，确保生产环境稳定性只是一部分，还能使资源利用效率提高，同时减少能源消耗。微处理器技术的迅速进步使得嵌入式系统在性能、成本和功耗方面找到平衡点，为低功耗、小型化远程监控提供了理想的处理平台。借助低成本与低功耗的无线通信技术，高性价比的远程监控系统成为可能。无线射频技术的多样化发展使温湿度远程监控系统在通信方案选择时存在丰富的技术方案，传统的蓝牙与WiFi，到专用模块如2.4GHz频段的NRF24L01，这些无线通信形式特色各不一，依据实际使用的需求可进行灵活选择，NRF24L01模块在小型无线通信系统中得到了广泛应用，优势部分可以总结为功耗较低、可靠性强、适中通信距离和成本较低等特征。传感器技术领域，数字化与集成化温湿度传感器不断涌现，DS18B20、DHT11等传感器具备高精度、小体积和简单接口的特征。温湿度采集系统的设计难度在这些传感器的助力下极大地简化，系统可靠性与精确度也同时提高。1.2国内外研究现状无线温湿度监控系统在国内外研究机构与企业中已取得了相当多的成果，国外研究多偏重系统的稳定性、低功耗设计和通信协议优化。美国密歇根大学开发了ZigBee无线传感网络温湿度监控系统，采用了星型拓扑结构，完成多节点数据的汇集并进行可视化处理，德国西门子公司的SIMATIC系列产品将工业级温湿度监控与无线通信技术相结合，确保系统在复杂工业环境下的运行保持可靠，此类成果的创新点不仅在技术设计，也包含对系统运行环境的优化。国内高校如清华大学、浙江大学等在无线传感器网络领域深入研究，提出了多种温湿度监控方案，这些方案基于不同无线通信协议，华为公司在物联网平台建设时融入温湿度远程监控功能，构建了传感层到应用层的完整解决方案，许多中小企业也针对特定应用场景推出了无线温湿度监控产品，农业大棚监控、冷链物流监测等。现有技术在功耗管理、通信可靠性与抗干扰能力等方面面临挑战，功耗问题中，降低功耗并延长电池供电设备使用寿命，同时保证系统响应速度，这成为研究者关注的焦点。通信可靠性方面，复杂电磁环境下的信号干扰问题仍需优化，数据安全性、系统成本与用户友好性之间的平衡，也是系统设计中面临的重要问题，这些内容都使技术面临复杂且具体化要求的挑战。1.3研究内容本文设计并实现了一种温湿度远程监控系统，该系统基于STC89C52单片机和NRF24L01无线模块，它主要包含两个部分：检测端与控制端。检测端完成温湿度数据采集与发送任务，控制端接收后负责显示、处理与控制，温湿度实时监测、上下限阈值设定、报警触发以及最大最小值记录等功能在系统中一并实现。研究内容包括：架构整体设计、硬件部分的模块选型和电路设计、通信协议的设计、软件功能具体实现以及系统测试与性能分析，这些内容都包含在系统设计中。关键问题的处理重点不只在无线通信的可靠性、温湿度数据采集的准确，用户交互界面的设计也包含在重点问题的处理中。

第二章总体方案论证2.1系统功能要求无线温湿度监控系统的设计需满足以下功能要求：温湿度数据采集功能：环境温度和湿度参数的采集要求系统具备转换为直观数值的处理能力，数据采集频率与实时性相关，同时需要在存在干扰的环境工况下能够准确识别并消除干扰，使结果保持在可信赖的数值段落，此类转换和处理的逻辑与抗干扰能力的强要求同样助力数据的可读性。无线数据传输功能：检测端与控制端之间需完成稳定数据传输，距离应达到10米以上，在数据传输中，丢包率应保持在可接受范围内，避免对系统性传输质量的不良性反应，此类要求不仅为实现系统稳定性的前提，也强化了数据传输过程中的质量控制。数据显示功能：控制端和检测端都要求配备显示模块，清晰地显示当前的温湿度数据及系统工作状态。界面设计需简明清晰，便于用户迅速读取信息，避免任何界面设计的不清晰性对数据的读取和状态的识别进行任何的不良的反应和行为。参数设置功能：用户可对温度的上下限阈值进行设定，这为报警功能的判断提供依据。设定过程应直观且简单，同时需具备保存参数功能。报警提示功能：系统在检测到温度超出设定阈值范围时，视觉或声音报警提示应引起用户注意并触发，用户可采取相应措施。此类报警设定提升了用户对温度管理的监测质量，同时强化了系统在超出安全范围后的反应处理。最值记录功能：系统应记录监测期的温度极值，方便用户掌握环境温度变化范围2.2系统设计方案依据上述功能要求，本系统在设计时采用了主从架构形式，包含控制端主机与检测端从机两部分。整体架构如下：架构的层次性与功能的分段处理使系统可以完成各种任务，同时对主机与从机构成的分体设计也强化了功能的可分性，架构的主从角色由设计阶段的逻辑性描述具体为功能与任务分段管理的可表达形式，整体结构可分部分在设计中为系统性的管理与控制管理：检测端的环境参数采集与无线发送任务主要通过STC89C52单片机、DHT11温湿度传感器、DS18B20温度传感器、NRF24L01无线通信模块、LCD1602显示模块和按键等完成。温湿度数据在采集后，借助NRF24L01模块发送至控制端，同时本地的LCD1602模块对当前读数进行显示。控制端主要完成数据接收、处理、显示与控制等任务，包含STC89C52单片机、NRF24L01无线通信模块、LCD1602显示模块、按键和LED指示灯等。温湿度数据在控制端接收后，显示在LCD上，同时根据设定的阈值进行判断，判断结果可触发报警。两端设置多个按键，完成人机交互中模式切换和参数调整等任务。单工通信方式的使用使数据流向以检测端到控制端为重，控制端也同时实现发送命令，对检测端状态进行工作调整。图2.1系统框图2.3硬件模块选型2.3.1单片机模块的选型方案一：STC89C52单片机为8051系列单片机的强化型，其具有8位CPU，包含8K字节Flash程序存储器、512字节RAM、32个I/O口线和三个16位定时器/计数器的资源，该芯片工作电压为5V，功耗较低，抗干扰能力不俗，开发环境成熟且可支持多种编程语言，价格在5-10元/片，广泛应用于各类控制系统，其处理速度有限，最高主频是12MHz，Flash容量有限，这使复杂运算与大型程序存储存在缺陷。方案二：STM32F103单片机基于ARMCortex-M3内核，是32位高性能微控制器，主频可达72MHz，它包含64-128K字节Flash、20K字节SRAM，具有80个I/O口和多个通信接口（USB、CAN、I2C、SPI、USART等）。运算速度快且外设丰富，适合复杂控制任务，但芯片价格较高，约15-25元/片，开发环境与工具链复杂性高，学习成本不低，功耗高于8位单片机。本系统功能需求简单，仅实现温湿度数据的采集和传输，不包含复杂运算任务，成本控制也作为重要因素进行评估，最终STC89C52单片机作为系统核心处理器。STC89C52单片机I/O口满足外设连接需求，内置存储空间足够程序代码存储使用，开发环境简单，便于快速实现功能。2.3.2通信模块的选型方案一：HC-05蓝牙模块基于蓝牙2.0协议，工作频段为2.4GHz，通信距离在10米的量级，主从一体模式的特征使该模块配置方式灵活，使用AT指令可以完成波特率、设备名称等参数设置。串口通信是它采用的接口方式，这令单片机连接相对简单，传输速率约3Mbps，通信距离受障碍物影响后易有限化，穿墙能力也较低，约15-20元/片是该模块的单片价格，传输状态的功耗达到40mA。方案二：NRF24L01无线模块采用单芯片集成2.4GHzRF收发器，GFSK调制模式下支持多点通信，传输速率最高可达2Mbps，它借助SPI接口完成与单片机的通信，配置灵活，可设置多达125个频道，减少干扰。在开阔环境时，模块传输距离约100米，抗干扰能力强，模块功耗极低，发射模式下为11.3mA，接收模式时约13.5mA，待机模式仅需要26μA，价格在5-8元/片，但使用中需要自行设计通信协议，存在使用门槛。无线通信模块的选取中，NRF24L01在通信距离、功耗、成本和抗干扰能力等具体特征下更具有优势，通信距离更远、功耗更低且抗干扰能力更强，同时其价格也存在相当的明显优势，更适合这一系统的使用要求，使用复杂度略高这一特征通过合理化设计可以进行克服处理。2.3.3温度检测模块的选型方案一：AD590温度传感器可输出与绝对温度成正比的电流，精度在±0.5℃范围，线性度好，响应也迅速，测温可达到-55℃至+150℃，其两线制接口提升了抗干扰性，适合远距离传输信号。但该传感器为模拟式，电流信号需要借助额外调理电路转换为电压信号，再通过ADC完成数字量转换，这使电路复杂性增加，AD590价格偏高，约在20-30元/片，功耗相对较大，存在这些需要应对的缺陷。方案二：DS18B20数字温度传感器使用单总线接口，借助单线完成与单片机通信，它可测-55℃至+125℃温度，精度为±0.5℃，分辨率9至12位可编程，对应0.5℃至0.0625℃。A/D转换器为16位且内置，输出数字量时无需外部信号调理电路，支持多点挂载一根总线连接多个传感器，价格约8至12元/片，功耗低待机电流仅1μA，通信速率较低，编程略复杂。选择DS18B20作为温度检测模块，结合了系统需求与两种方案的特性，数字输出特性简化硬件设计，降低电路复杂度，低功耗有利于提高能效，单总线接口减少I/O口占用便于扩展，内置高精度A/D转换确保温度测量准确性，通信速率和编程复杂度方面DS18B20存在小缺陷，但温度变化缓慢且单片机处理能力在可应对的性能影响的控制下。

第三章系统的硬件设计3.1可行性研究3.1STC89C52单片机本系统采用STC89C52单片机作为处理器的核心部分，该芯片负责采集数据、处理数据并进行控制，它采用CMOS工艺制造，具有低功耗和高速的特点，内部包含8K字节Flash程序存储器、512字节RAM、32个I/O口、3个16位定时器/计数器，同时提供全双工串行接口等资源，单片机的时钟信号使用11.0592MHz晶振提供，该频率可以生成标准波特率，使串行通信的实现具有准确的依据。LM1117-3.3稳压芯片将外部5V电源转换为3.3V，为单片机及外设提供稳定电源，电源输入端加入了滤波电容，电源纹波能够消除，系统抗干扰能力可以提高，单片机的复位电路采用RC复位方式，连接了一个10K电阻和一个10μF电容，单片机上电时可确保可靠复位。在I/O口的分配中，P1口连接LED指示灯与部分控制信号，P3口与按键和NRF24L01无线模块连接，LCD1602的数据传输任务分配在P2口。具体连接形式如下描述显示：按键连接：设置键(shezhi)与P3.4、增加键(jia)与P3.5、减少键(jian)与P3.6、查看键(key4)与P3.7、模式键(key5)与P3.3，这些均使用下拉电阻方式，输入高电平在按下时完成。LED指示灯连接：工作状态指示灯连接至P1.7，经三极管驱动以显示系统工作状态单片机每个I/O口组都增加保护电阻，过流时可避免芯片损坏，这是提高可靠性的一个处理，电路板使用双层设计，顶层主要为芯片与关键信号线，底层布置电源和地平面，信号干扰减少，布局考虑了信号完整性，晶振连接线等关键信号线走线短且粗，与地线距离适当，降低信号耦合。图3.1单片机原理图3.2NRF24L01无线通信模块NRF24L01无线模块在系统中是实现无线通信的核心组件，数据的发送与接收都离不开它，该模块在2.4GHzISM频段下工作，采用GFSK调制方式，晶体振荡器、功率放大器、频率发生器以及调制器等射频部分，和增强型ShockBurst™协议处理器、SPI接口等基带处理部分都于模块内部完成集成。模块和单片机的连接使用SPI接口方式，具体连接为：P3.2与IRQ连接，P3.3连接MOSI，P3.4与CSN连接，P3.5连接SCK，P3.6与MISO连接，P3.7连接CE。片选信号为CSN，使能信号为CE，中断请求信号为IRQ，数据接收到或发送完成时，该引脚产生低电平中断。NRF24L01的供电电压在1.9V-3.6V之间，系统供电为3.3V，与单片机使用同一电源，为确保模块稳定工作，在VCC和GND之间并联了10μF电容与0.1μF陶瓷电容，用做电源去耦处理，PCB天线设计阶段中，传输线特性阻抗为50Ω，模块在设计时考虑阻抗匹配，信号反射现象可以减少。无线通信配置时，系统使NRF24L01在2.4GHz频段的特定信道工作，发射功率为0dBm，空中数据率为1Mbps，自动应答模式采用后，接收端接收到数据包就自动把应答信号发送给发送端，这提升了通信的可靠性，数据包长度设为32字节，地址宽度设为5字节，地址的唯一性增强，冲突的可能就减少。射频信号的特殊性在电路设计中具有相当的分量，NRF24L01模块的天线部分周围避免了铜的使用，无铜区域的保留对降低干扰具有可识别的应对逻辑。同时模块和单片机之间的信号线处理中保持短而直的特征，这在减少传输损耗与延迟中也显示了设计的偏重依据。图3.2NRF24L01无线通信模块3.3LCD1602显示模块LCD1602字符型液晶显示器可显示16列×2行内容，系统中温湿度数据与状态信息的可视化显示任务就落它在它模块内置HD44780兼容控制器支持8位和4位数据接口模式本系统在采用8位接口模式提高数据传输速度处理后完成。显示模块和单片机的数据线D0至D7与P2口的P2.0至P2.7连接，控制线RS与P2.6连接，RW连接至P2.5，EN连接至P2.4。RS为寄存器选择信号，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器；RW为读写控制信号，高电平进行读操作，低电平进行写操作；EN为使能信号，上升沿触发数据锁存。LCD1602的电源电压为5V，电阻分压网络将V0引脚的电压调节至适当值，显示对比度通过此类连接进行控制，持续性背光通过限流电阻与5V电源连接后提供，为简化电路与减少I/O口占用，RW引脚固定连接至地，仅保留写操作。图3.3LCD1602显示模块3.4DHT11温湿度传感模块DHT11数字温湿度传感器集成了温度与湿度测量、信号转换功能，同时包含单总线接口，可完成检测端环境温湿度的采集任务。该传感器的温度测量范围为0-50℃，精度控制在±2℃，湿度测量范围为20-90%RH，精度为±5%RH，能够达到一般环境监测的使用需求。DHT11传感器使用单总线接口与单片机通信，数据传输仅需一根信号线，在本系统中连接至P2.4引脚，供电电压在3-5.5V之间，系统采用5V电源，并在电源与地之间并联了0.1μF去耦电容，提升了供电质量，数据线上加入4.7K上拉电阻的处理方式确保电平切换的稳定性，同时增强信号传输的可识别性。使用DHT11标准时序的通信协议中，单片机发送起始信号后释放总线，DHT11在接收到信号后进行应答，湿度与温度数据包含整数部分和小数部分，校验和也一并传输，40位数据在起始信号之后发送。起始信号要求拉低数据线达到18ms，应答信号为80μs低电平和80μs高电平，单次通信约4ms完成，系统采样间隔设定为2秒，传感器使用寿命与实时性数据采样在设定中同时兼顾。图3.3LCD1602显示模块3.5DS18B20温度传感模块DS18B20为高精度数字温度传感器，可对控制端环境温度进行精确测量。它在-55℃至+125℃范围内测温，-10℃至+85℃下精度为±0.5℃，内置12位A/D转换器，分辨率0.0625℃，这些特征满足系统温度测量精度要求。DS18B20借助单总线接口实现双向通信，仅需一根数据线完成连接，本系统中它与P3.2引脚实现连接，传感器可使用寄生电源模式，也支持外部电源模式，本系统采用外部电源模式，VDD引脚与3.3V电源连接，为通信可靠性提高助力，数据线DQ通过4.7K上拉电阻与电源连接，信号完整性在连接后达到确保。通信协议依据1-Wire总线标准，包含复位序列、读时隙和写时隙，温度采集的流程为：主机发送复位脉冲后，DS18B20进行响应，之后发送ROM命令（SkipROM），并发送功能命令（ConvertT），等待转换完成，发送读取命令，读取温度寄存器数据，单次温度转换时间约750ms（12位分辨率）时，系统设定2秒采样间隔，这确保读取的是最新转换结果。图3.5DS18B20温度传感模块3.6蜂鸣器模块蜂鸣器模块在系统中完成声音报警任务，温度检测值超出设定的阈值范围时，发出提示声。压电式有源蜂鸣器在系统中使用，工作电压为5V，频率约2.5KHz，声压级>85dB，报警声音清晰可辨。蜂鸣器借助三极管驱动电路与单片机P1.7引脚连接，驱动电路把NPN三极管(8550)作为开关元件使用，P1.7输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器发声；输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声，1K限流电阻加入三极管基极，对单片机I/O口进行保护，蜂鸣器正极连接集电极，发射极接地，负极与5V电源连接。三极管关断时感应电动势对电路的干扰，蜂鸣器两端并联续流二极管(1N4148)，回路为感应电流提供可流经的回路。系统设计包含多种报警模式，温度超过上限阈值时，蜂鸣器发出快速间断声（0.2秒开、0.2秒关）；温度低于下限阈值时发出缓慢间断声（0.5秒开、0.5秒关），用户区分不同报警类型。图3.6蜂鸣器模块3.7继电器模块继电器模块使系统可以控制外部设备，温度变化时自动对加热或制冷设备进行控制。系统使用SRD-05VDC-SL-C型继电器，额定电压为5V，触点容量为10A/250VAC或10A/30VDC，大多数家用电器都可驱动。继电器与单片机P1.6引脚通过三极管驱动电路进行连接，驱动电路使用NPN型三极管(9012)，P1.6引脚输出高电平时三极管导通，继电器线圈通电后常开触点闭合；低电平时三极管截止，继电器释放并使触点恢复至原状。三极管基极通过1K电阻进行限流处理，集电极与继电器线圈一端连接，线圈另一端连接5V电源，发射极接地。为避免三极管在继电器线圈断电时受反向电动势的损害，1N4007二极管并联在了线圈两端，提供感应电流回路。系统设计包含两种控制逻辑：制冷模式中，温度超过上限阈值时继电器吸合，制冷设备工作，温度降至正常范围后继电器释放；加热模式中，温度低于下限阈值时继电器吸合，加热设备工作，与制冷模式逻辑相反。图3.7继电器模块3.8总原理图介绍本系统的总原理图将检测端和控制端的所有硬件模块有机整合，形成完整的无线温湿度监控系统。整体架构采用模块化设计方案，各功能模块通过标准接口与核心处理器连接，系统总原理图主要包含以下几个部分：电源管理部分：系统采用5V直流供电，经LM1117-3.3V稳压芯片为单片机和NRF24L01无线模块提供3.3V电源，其他模块如LCD1602、DHT11、蜂鸣器和继电器等使用5V供电。在电源输入端设置了47μF和0.1μF滤波电容组合，有效抑制电源纹波。各个供电节点均配置了100nF去耦电容，提高电源稳定性。核心控制部分：STC89C52单片机作为系统控制核心，晶振电路采用11.0592MHz晶体配合22pF负载电容，为系统提供精确时钟。复位电路采用RC复位方式，由10K电阻和10μF电容构成，确保系统可靠复位。单片机的P1、P2、P3端口进行了合理分配，满足各外设接口需求。无线通信部分：NRF24L01模块通过SPI接口与单片机连接，CSN、SCK、MOSI、MISO信号线采用短距离布线，减少信号衰减。IRQ中断引脚连接至P3.2，实现数据收发中断管理。模块电源端并联10μF钽电容和0.1μF陶瓷电容，提供稳定供电。传感器接口部分：DHT11和DS18B20温湿度传感器均采用单总线接口，分别连接至P2.4和P3.2引脚，通过4.7K上拉电阻确保通信稳定。传感器供电端设置去耦电容，降低电源噪声干扰。显示控制部分：LCD1602采用8位并行接口，数据线D0-D7连接至P2.0-P2.7，控制线RS、RW、E分别连接至P2.6、P2.5、P2.4。显示对比度通过10K电位器调节，背光LED采用100Ω限流电阻。人机交互部分：五个功能按键（设置、加、减、查看、模式）分别连接至P3.3-P3.7，采用下拉电阻消抖设计。工作状态指示LED连接至P1.7，通过NPN三极管驱动，实现高电平点亮。执行机构部分：继电器模块通过NPN三极管驱动，连接至P1.6，驱动电路配置1K基极限流电阻。继电器线圈并联1N4007续流二极管，防止反向电动势损坏三极管。蜂鸣器同样采用三极管驱动方式，连接至P1.7，实现声音报警功能。PCB布局设计考虑了信号完整性和电磁兼容性，模拟地和数字地在单点连接，关键信号线尽量短且远离干扰源。晶振电路靠近单片机布置，NRF24L01天线区域保持净空。电源线采用较宽走线，减小压降。各功能模块之间保持适当间距，避免相互干扰。总原理图完整体现了系统的硬件架构，清晰展示了各模块之间的电气连接关系，为系统的硬件实现提供了详细的设计依据。通过合理的电路设计和元器件选型，确保了系统的可靠性和稳定性，满足温湿度远程监控的功能需求。图3.8总原理图

第四章系统的软件设计4.1Keil4软件介绍Keil4为8051系列单片机设计的集成开发环境，功能相当强，它把项目开发与管理工具集成在软件中，C编译器、汇编器、链接器、调试器一并包含，支持的单片机型号相当的多，本系统中选用它支持STC89C52的开发环境进行相关开发。Keil4的开发界面直观且逻辑清晰，项目管理窗口、代码编辑窗口、输出窗口和调试窗口等界面层次分列，为用户直观地进行开发任务，代码编辑器在语法高亮与提示支持的特征下减少开发时的编辑效率。项目管理部分借助树形结构完成组织，清晰地支持对源文件、头文件与库文件的处理，优化性编译器的高效紧凑代码生成适合资源受限单片机系统，且使系统性资源管理与控制愈加高效。该软件包含多种仿真与调试功能，可进行断点设置、单步执行和变量监视等调试，软件开发周期借助这些功能可有效缩短，内置逻辑分析仪工具对监测I/O口状态变化提供了支持，外设接口调试的手段也愈加便于使用，Keil4还支持多种编程器接口，本系统中编译生成的HEX文件下载至单片机采用STC-ISP下载工具完成。Keil4的C语言编译器依据ANSIC标准进行编译，并且针对8051架构优化处理，库函数与宏定义的堆砌为底层操作提供了简化依据。寄存器定义库（reg52.h）、延时函数库（Delay.h）、NRF24L01驱动库与LCD1602驱动库等为开发中使用的主要部分，这些内容对硬件操作细节的封装提升了应用层开发的可操作性。4.2主程序流程图的设计程序执行由开始标识进入，进行系统初始化，包括单片机I/O口配置、NRF24L01初始化、LCD1602初始化等操作。初始化完成后进入主循环，循环开始于按键扫描，检测用户输入并进行相应处理。按键处理完成后，进入模式判断环节，根据当前系统模式(moshi)值执行不同的操作分支：当moshi=0时，系统进入正常工作模式，将NRF24L01设置为接收模式，接收来自检测端的温湿度数据，并在LCD上显示。接着执行温度阈值判断与记录，当温度超出预设阈值范围时，触发相应报警动作，并记录最高/最低温度值。当moshi=1时，系统进入温度下限设置模式，用户可通过增加/减少按键调整温度下限阈值(T_baojing)，设置值显示在LCD上供用户确认。当moshi=2时，系统进入温度上限设置模式，用户可调整温度上限阈值(H_baojing)，设置过程与下限设置类似，界面会清晰显示当前设置值。各分支执行完毕后，汇合至主循环尾部，程序通过跳转返回至循环起始位置，重新开始下一轮循环，实现系统的持续运行。图4.1主程序流程图

第五章系统的测试5.1软硬件调试系统调试使用模块化策略，先独立测试各个硬件模块，确认基本功能正常之后再集成测试。硬件调试过程如下：各个模块独立测试，确认基本功能正常，之后进行系统集成测试，这使调试过程层次性愈加明显，且在测试后可对系统进行集成：电源电路测试：万用表测量关键点电压时，确认LM1117的输出稳定在3.3V，电源纹波控制小于50mV，单片机最小系统测试中，编写LED闪烁程序验证基本功能，同时确认时钟电路工作正常。按键电路的测试用查询方式读取状态，验证响应与去抖功能，LCD1602进行字符显示程序测试，验证清晰度与控制时序。DS18B20和DHT11传感器进行独立温湿度数据读取，验证数值的准确性与稳定性，NRF24L01模块利用发送与接收程序测试通信可靠性。软件调试时底层驱动程序的开发先于其他部分，例如NRF24L01通信驱动、传感器读取驱动等驱动模块，完成之后借助单元测试对各模块功能进行确认，中层功能模块的开发在底层之后，包含温度采集处理、数据显示、按键处理等模块，顶层应用逻辑的开发在包含温度越限判断、报警控制等部分。系统集成测试阶段中，温湿度数据采集准确性测试把系统和专业温湿度计放在同一环境，对比读数差异进行验证；无线通信距离测试在不同距离与障碍物条件下测试通信成功率；报警功能测试人为创造温度越限条件后，对报警触发准确性进行验证；按键功能测试在不同模式下验证各按键功能正确性；系统长时间稳定性测试连续运行系统24小时，检查是否出现异常，这些功能都为验证重点。调试阶段发现NRF24L01通信存在偶发性丢包现象，后通过重试机制的增加完成处理；温度显示部分在测试中出现过跳变问题，滤波算法的使用改善了此类现象；按键抖动的偶发性问题通过去抖算法优化完成消除。多轮优化与功能测试之后，系统达到设计要求。5.2测试结果分析测试表明无线温湿度监控系统性能达到设计要求，测量精度与专业温湿度计的对比显示，误差控制在预期范围内，具体为±1℃和±3%RH。开阔环境的无线通信距离可达到30米以上，普通室内穿墙后仍保持在15米有效范围内，丢包率在3%以下，按键反应灵敏，无延迟与抖动。声光报警功能有效且清晰可靠，LCD显示信息布局合理且清晰，读数辨识无明显误差。图5.1实物图

总结与展望本文针对温湿度远程监控的实际需求，设计并实现了一种基于STC89C52单片机和NRF24L01无线通信模块的温湿度远程监控系统。通过系统性的需求分析、方案论证、硬件设计、软件开发及系统测试等工作，成功构建了一个功能完善、性能稳定的监控系统平台。在系统设计实现过程中，主要完成了以下工作：首先，通过对国内外无线监控技术的调研分析，确定了基于NRF24L01无线模块的技术方案，充分考虑了系统的功耗、成本和可靠性等因素。其次，采用模块化的硬件设计方法，选用STC89C52作为核心处理器，配合DS18B20、DHT11等成熟的传感器模块，构建了完整的数据采集和传输系统。第三，基于KeilC开发环境，设计了层次清晰的软件架构，实现了数据采集、无线传输、显示控制、阈值报警等核心功能。最后，通过系统集成测试验证了设计方案的可行性和有效性。测试结果表明，系统达到了预期的设计指标：温度测量精度达到±1℃，湿度测量精度达到±3%RH；无线通信在开阔环境下距离可达30米以上，室内穿墙后仍能保持15米的有效通信距离，丢包率低于3%；系统响应迅速，操作便捷，功能稳定可靠。这些性能指标完全满足家庭、办公室、温室大棚等应用场景的监控需求。展望未来，随着物联网、人工智能、5G通信等技术的快速发展，温湿度监控系统将朝着更智能、更网络化、更集成化的方向发展。总之，本文设计的温湿度远程监控系统验证了无线监控技术在环境监测领域的可行性和实用性，为相关领域的研究和应用提供了有益参考。随着技术的不断进步和应用需求的持续增长，相信此类系统将在智慧农业、智能家居、工业自动化等领域发挥越来越重要的作用，为提高生产效率、改善生活品质做出更大贡献。

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附录A电路图

附录B源程序#include<reg52.h>#include"global_define.h"#include"NRF24L01.h"#include"Delay.h"externvoidInitLcd1602();externvoidLcdShowStr(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*str);externvoidLcdWriteCmd(unsignedcharcmd);externvoidLcdWriteDat(unsignedchardat);externvoidLcdSetCursor(unsignedcharx,unsignedchary);sbitshezhi=P3^4;sbitjia=P3^5;sbitjian=P3^6;sbitkey4=P3^7;sbitkey5=P3^3;sbitled_g=P1^7;idataunsignedcharTxDate[TX_DATA_WITDH]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,11,12};unsignedcharmoshi=0; unsignedintT_baojing=20;//温度下限unsignedintH_baojing=35;//温度上限unsignedcharT_buff[3];//报警缓存unsignedcharH_buff[3];unsignedcharstr_t[5];//温度缓存unsignedcharstr_h[3];//湿度缓存unsignedinttemp_now; unsignedinttemp_max;unsignedinttemp_min; bitxx_flag=0; unsignedcharms_flag=0;unsignedcharbj_flag1=0;unsignedcharbj_flag2=0;/************************************//// voidDelayMs(uinttime){ uinti,j; for(i=time;i>0;i--) for(j=112;j>0;j--);}voidkeyscan() //设置报警值函数{ unsignedcharbaojing[8];//报警值发送换成区 if(shezhi==0) { DelayMs(50); if(shezhi==0) { while(!shezhi); LcdWriteCmd(0x01);//清屏 moshi++; if(moshi>=3)moshi=0; if(moshi==0) { if(xx_flag==1) { LcdShowStr(0,0,"Max:Min:"); } else { LcdShowStr(0,0,""); } LcdShowStr(0,1,"T:CH:%RH"); baojing[0]=T_baojing/10%10+0x30; baojing[1]=T_baojing%10+0x30; baojing[2]=H_baojing/10%10+0x30; baojing[3]=H_baojing%10+0x30; baojing[4]=ms_flag+0x30; baojing[5]=bj_flag1+0x30; baojing[6]=bj_flag2+0x30; baojing[7]='\0'; baojing[7]='\0'; NRFSetTxMode(baojing);//发送 Delay_x_ms(300); CheckACK_RP(); Delay_x_ms(200); } elseif(moshi==1) { LcdShowStr(0,1,"Set_TL:"); } elseif(moshi==2) { LcdShowStr(0,1,"Set_TH:"); } } } if(jia==0) //报警值加 { DelayMs(100); if(jia==0) { //while(!jia); if(moshi==0) { while(!jia); if(ms_flag==1) { if(bj_flag1==0) bj_flag1=1; else bj_flag1=0; baojing[0]=T_baojing/10%10+0x30; baojing[1]=T_baojing%10+0x30; baojing[2]=H_baojing/10%10+0x30; baojing[3]=H_baojing%10+0x30; baojing[4]=ms_flag+0x30; baojing[5]=bj_flag1+0x30; baojing[6]=bj_flag2+0x30; baojing[7]='\0'; NRFSetTxMode(baojing);//发送 Delay_x_ms(300); CheckACK_RP(); Delay_x_ms(200); } } elseif(moshi==1) { T_baojing++; if(T_baojing>=99)T_baojing=99; } elseif(moshi==2) { H_baojing++; if(H_baojing>=99)H_baojing=99; } } } if(jian==0) //报警值减 { DelayMs(100); if(jian==0) { //while(!jian); if(moshi==0) { while(!jian); if(ms_flag==1) { if(bj_flag2==0) bj_flag2=1; else bj_flag2=0; baojing[0]=T_baojing/10%10+0x30; baojing[1]=T_baojing%10+0x30; baojing[2]=H_baojing/10%10+0x30; baojing[3]=H_baojing%10+0x30; baojing[4]=ms_flag+0x30; baojing[5]=bj_flag1+0x30; baojing[6]=bj_flag2+0x30; baojing[7]='\0'; NRFSetTxMode(baojing);//发送 Delay_x_ms(300); CheckACK_RP(); Delay_x_ms(200); } } elseif(moshi==1) { T_baojing--; if(T_baojing<=1)T_baojing=1; } elseif(moshi==2) { H_baojing--; if(H_baojing<=1)H_baojing=1; } } } if(key4==0) //查看 { DelayMs(50); if(key4==0) { while(!key4); if(moshi==0) { xx_flag=~xx_flag; if(xx_flag==1) { LcdShowStr(0,0,"Max:Min:"); } else { LcdShowStr(0,0,""); } } } } if(key5==0) //查看 { DelayMs(50); if(key5==0) { while(!key5); if(moshi==0) { if(ms_flag==1) { ms_flag=0; } else { ms_flag=1; } baojing[0]=T_baojing/10%10+0x30; baojing[1]=T_baojing%10+0x30; baojing[2]=H_baojing/10%10+0x30; baojing[3]=H_baojing%10+0x30; baojing[4]=ms_flag+0x30; baojing[5]=bj_flag1+0x30; baojing[6]=bj_flag2+0x30; baojing[7]='\0'; NRFSetTxMode(baojing);