基于单片机的无线数据传输系统设计

PAGE7PAGE基于单片机的无线数据传输系统设计摘要随着通信技术和无线技术的逐步发展，无线通信技术以其便利性，移动性，速度和安全性等优点在历史性时刻出现。该单片机可以在恶劣的环境下工作，并通过无线通信解决了有线传输引起的线路复杂，接线困难，维护困难的问题。 系统软件由从机和服务器组成。从机包括DHT11温湿度传感器，无线数据传输控制模块NRF24L01和显示模块。该主机由NRF24L01接收控制模块和LCD1602组成。从机测量温度和环境湿度，并根据LCD1602显示信息。然后根据无线数据传输控制模块将其传输到服务器。然后在主机的LCD显示屏上显示信息。单线串行通信使信息系统集成变得越来越容易和快速。规格非常小，功能损耗非常低，加上其内置的无线天线数据信号传输范围可达50米左右，使其能够担任在各种苛刻的条件及场所采集数据的最佳选择。使用NRF24L01无线模块传输数据，稳定性高。该系统不需要连接线，安装范围可以扩展，可读性高，响应速度快，测量值准确。关键词：STC89C52；DHT11；NRF24L01；无线数据传输ABSTRACTWiththegradualdevelopmentofcommunicationtechnologyandwirelesstechnology,wirelesscommunicationtechnologyhasappearedinhistoricalmomentswithitsadvantagesofconvenience,mobility,speedandsecurity.Thesingle-chipmicrocomputercanworkinaharshenvironment,andsolvestheproblemsofcomplicatedlines,difficultwiringanddifficultmaintenancecausedbywiredtransmissionthroughwirelesscommunication.Thesystemsoftwareconsistsofslaveandserver.TheslavestationincludesDHT11temperatureandhumiditysensor,wirelessdatatransmissioncontrolmoduleNRF24L01anddisplaymodule.TheserveriscomposedofNRF24L01receivingcontrolmoduleandLCD1602.Theslavemeasurestemperatureandambienthumidity,anddisplaysinformationaccordingtotheLCD1602.Thenitistransmittedtotheserveraccordingtothewirelessdatatransmissioncontrolmodule.Thendisplaytheinformationontheserver'sLCDdisplay.Single-wireserialcommunicationmakestheintegrationofinformationsystemseasierandfaster.Thespecificationsareverysmall,thefunctionallossisverylow,andthebuilt-inwirelessantennadatasignaltransmissionrangecanreachabout50meters,makingitthebestchoiceforcollectingdatainvariousharshconditionsandplaces.TheNRF24L01wirelessmoduleisusedtotransmitdatawithhighstability.Thesystemdoesnotrequireacable,theinstallationrangecanbeexpanded,thereadabilityishigh,theresponsespeedisfast,andthemeasuredvalueisaccurate.Keywords:STC89C52;DHT11;NRF24L01;Wirelessdatatransmission目录20742摘要 I16173ABSTRACT II30373目录 III1315第1章绪论 1191831.1课题背景及研究的意义 1138001.1.1课题背景 1203081.1.2课题研究的意义 114621.2单片机无线传输系统现状 3259991.3本文完成的主要工作 423610第2章总体系统设计方案 561512.1总体系统方案设计 576512.1.1系统设计方案 5221302.1.2主控芯片方案 6114082.1.3无线通信模块方案 7205502.1.4温湿度传感方案 7170592.1.5显示模块方案 89213第三章系统模块设计 991653.1单片机主控电路设计 944113.2nRF24L01无线模块设计 12145983.2.1nRF24L01概述 1234093.2.2引脚功能及描述 1365533.2.3NRF24L01无线模块Tx与Rx的配置过程 14216883.2.4工作模式 15106103.2.5配置字 15294363.3显示电路模块设计 16116433.3.1液晶1602显示屏的基本结构 16198003.4温湿度电路设计 184253.4.1电源引脚 19253893.4.2串行接口 19216803.5报警电路设计 2218857第四章系统软件设计 23110464.1软件设计思路 23170024.2软件实现思路 2515540第五章系统仿真与调试 27201155.1系统软件仿真 27150925.2系统软件调试 28254135.3主要指标测试 2826530结论 3020878参考文献 318688致谢 33第1章绪论1.1课题背景及研究的意义1.1.1课题背景数据收集的技术直到1950年代才开始出现。系统软件具有较高的频率和协调能力。能够执行其他方式无法完成的日常实验任务。从1970年代末到现在，多功能数据收集设备已出现在海外。并且其应用和传播越来越快。在1980年代，电子信息技术已经实现了快速的发展趋势，数据收集系统软件已经改变了其特殊性，并逐渐开始向实用性转变。在此期间数据收集系统软件的发展趋势已成为模块化的设计结构。在整个应用过程中，随着终端设备总数的增加或减少，数据通信中出现了现场总线，计算机插座等新技术。在1990年代，数据收集已经是一名专业技术人员。该产品开发了具有更高精度，可靠性和速度的单面数据收集系统软件。其采样精度8位提升到16位，每秒的收集速度也是数十万次。随着电子信息技术，抗干扰技术，无线通信技术和测控技术的不断发展，海外数据采集技术比上一时期更早有了很大的发展趋势。曾经有高科技的数据采集机器和设备，但是同一阶段，中国的数据采集设备只能达到海外发展趋势的初期[1]。国外对于环境监测技术已经相当成熟，数字式传感器被广泛的应用到了环境监测系统中来。由于数字式传感器直接传出数字量，从而解决了传输过程中的因干扰而导致的精度问题。 目前，国内计算机电子行业飞速发展，对于环境的监测技术已经比较成熟，加上各种数字传感器配套产品的陆续出现，我国的信息技术正稳步前进，而计算机监控技术也成为未来关注的焦点。1.1.2课题研究的意义近100年里，无线数据得到了的极大发展，以前一些对于人们特别苛刻的场地工作也渐渐被无线通信技术取代。人们的日常追求也因改善生活水平。变化，通信产品的更新速度可谓是一日三秋。人们为了能够更好的测量一些特殊场地的各种数据，为了使通信系统能够及时，高速地进行正常通信，基于其各种优点，它已被广泛使用[1]。现如今，利用无线通信收集数据已经是随处可见。农业大棚里为了能够实时显示温湿度以判断蔬菜生长环境，就可以使用无线数据传输系统，不用人一直在大棚里。除此之外还有个很多不同的领域也需要这无线数据传输技术。甚至未来有可能人不出户就能完成以往比较困难的工作。本次设计的是将温湿度采集后，在通过无线传输在LCD上显示的系统。温湿度不能像质量和长度这样的物理量一样简单获取数据，只能通过其他相关属性间接测量。现在，温度的测量不仅仅可以靠温度计测量，还可以选择不同的温度传感器进行温度信息的采集。温度测量的过程就是传感器将温度值采集下来将其转换成电信号再由处理器对信号进行转换成相应的信号，然后在进行相关处理后将其转换为温度显示。温度测量设备通常由温度传感器和信号处理电路组成。在某些情况下，监视范围非常大，接线不便并且不利于以后的维护，因此我们使用无线模块来收集温度。现在多通道无线温度测量系统已经广泛应用于温度测量的各个领域，例如：城市医院的温度检测系统，住宅区的供暖系统检测，蔬菜温室的温度控制，工业生产中的温度保护等。因此，本文设计了一种多通道无线温度监测系统。首先，在过去的传统受限模式数据传输中，通常伴随着诸如线路排布困难和故障排除之类的问题。而单片机无线系统不仅可以解决这些问题，还可以满足功能上的稳定性要求。单片机具有体积小，价格低，适应性强的特点。其次，无线数据传输特别适合在一些人无法生活的地方，或者一些需要人长时间在确不能够高效工作的场所。随着单片机和无线通信的结合，使得无线通信由复杂变得简单，处理器的运算越来越快，无线数据信号传输速度越来越快，可靠性越来越高，最逐渐的实现与有限传输一样的速度。第三，手动测量既费时又费力，而且对测量目标的数值精度也比较低，劳动强度大，难以获得理想的结果。有线传输线路复杂，当器材故障发生时也难以进行修复。单片机技术的发展提供了实现这一愿望的实用手段。能够大幅度的改善工人工作环境，减少工人的工作时间和工作强度，降低系统开发周期和成本，达到经济实用目的。1.2单片机无线传输系统现状现代的MCU基本上具有通信接口，可以轻松地与其他的单片机进行信息数据通信。有条件的情况下，当前的通信设备已经能够实现对单片机的智能控制，无线电对讲机和手机都能实现对单片机的控制。单片机的通信应用是来自于两个单片机之间的通信。成为主从通信设备，然后将出现基于单片机的多计算机通信系统的应用。通常用NRF24L01，该无线芯片采用GFSK调制方式，集成了OSI链路层，工作在2.4~2.5GHzISM频段，相比较之前的27MHz无线技术，它的工作方式是全双工传输，在抗干扰方面有着绝对的优势。它的传输速率可以达到2M每秒，比蓝牙这种无线传输方式高出一倍的速率。NRF24L01具有内置的频率合成器，功率放大器，晶体振荡器电路，程序调试和其他程序模块。它可以在程序流程中配备电源和通讯安全通道。集成的IC在传输数据时可以自动生成数据信息呼和浩特和CRC校验码，并具有自动响应和自动重发功能。NRF24L01选择用于传输数据的SPI接口，并在设计为与单片机连接时占用六个I0端口号。NRF24L01包括四种工作模式：发送，接收，空闲和掉电，可以根据配备的内部存储器进行设置。现代数据收集系统通常包括硬件和软件。根据不同的硬件结构可以将数据手机系统分为两类，一类是微机数据收集系统，另一类是分布式数据收集系统。STC89C52型MCU具有功耗低，抗干扰性强，性价比高等一系列优点，因此在嵌入式系统中得到了广泛的应用[6-7]。MCU出现于1970年代后期，它是一个完整的集成在芯片上的计算机系统。现在，它已经渗透到我们生活的各个方面，并且可以在家用电器，航空航天，仪器仪表，控制系统等领域中找到它。随着计算机以及各种接口电路和执行部件的不断发展，单片微型计算机也已广泛用于环境控制系统。国外在环境监测技术上已经相当成熟，数字传感器已广泛用于环境监测系统。由于数字传感器直接传输数字量，解决了传输过程中由于干扰引起的精度问题。当前，国内计算机电子行业发展迅速，环境监测技术相对成熟。随着各种数字传感器支持产品的出现，中国的信息技术正在稳步发展，计算机监控技术已成为未来的关注点。1.3本文完成的主要工作系统软件的设计方案选择了以STC89C52为关键的nRF24L01无线通信控制模块，以完成并完成短路无线网络温度的传输。本设计方案的控制系统设计具有成本低，传输速度快，软件开发容易，功能损失小，可靠性高的优点。所有设计方案的服务器和从属设备均根据NRF24L01无线接收模块相互通信。从机使用单片机STC89C52作为核心，并根据无线接收模块NRF24L01将温度传感器收集的温度传输到服务器。服务器根据无线接收模块NRF24L01接收温度数据信息，然后LCD1602出于监视目的在其上显示该信息，以达到监控的目的。本文所要完成的主要内容包括以下几个方面：单片机选型；无线通信设计；LCD1602显示设计。根据所选器材采用keil软件将程序导入，对电路进行Proteus仿真。本文采用STC89C52单片机作为控制核心，采用一体化变换器模块DHT11完成数据的采集。第2章总体系统设计方案2.1总体系统方案设计温度系统将分为两部分：从机和主机，从机分为三部分，一是由温度和湿度传感器组成的检测部分，二是由MCU组成的控制部分芯片，第三个是NRF24L01传输模块的无线通信部分；主机分为三部分，第一部分是由MCU组成的主控制部分，第二部分是无线NRF24L01传输模块的通信部分，第三部分是由LCD1602组成的显示信息部分。从机根据DHT11的温湿度测试电源电路，将检测到的数据信息发送给单片机设计。单片机设计解决接收到的数据信息，并根据无线网络NRF24L01推送控制模块将数据信息发送到STC89C52。STC89C52和从DHT11均由5V稳压电源供电。2.1.1系统设计方案从系统：由STC89C52微控制器，nRF24L01无线模块和DS18B20温度模块组成此系统的发送端。图2-1主系统：由STC89C52微控制器，nRF24L01无线模块和显示模块组成该系统的接收端。图2-22.1.2主控芯片方案采用MCU作为控制核心，调用程序在处理中彼此方便灵活，性能稳定，适合实际应用。而且，单片机技术的发展比较成熟，开发难度小，价格便宜。用STC89C52实现。单片机软件编程可以轻松实现大部分功能，自由度大，结构清晰，调试维护方便，可读性和便携性强。具有体积小，硬件结构简单的优点。STC89C52RCMCU是宏景科技推出的新一代高速/低功耗/超抗干扰MCU。能够与传统的8051MCU完全兼容。可以随意选择12个时钟/机器周期和6个时钟/机器周期。主要功能如下：工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。通用的I/O端口号（32个）：P1/P2/P3/P4是准双端口号/弱上拉，P0端口号是漏极引线输出。无需上拉电阻。当用作I/O端口号时，必须添加一个上拉电阻。根据串行通信端口号（RxD/P3.0，TxD

/P3.1），ISP（可在系统软件中编程）/

IAP（可在程序操作中编程），没有独特的开发板，没有独特的仿真器程序是免费的，并且可以在几秒钟内执行。总共三个16位定时器/电子计数器。即，定时器T0，T1，T2。外部中断4种方式，下沿终止或低功率频率打开电源电路，掉电模式可以通过外部中断低功率频率唤醒来启动终止方法。通用多线程串行接口（UART），也可以使用定时器软件来完成几个UART。2.1.3无线通信模块方案解决方案一、使用GSM通信模块，但需要通过通信过程进行计费，初期和后期成本较高。解决方案二、使用双向无线数据传输模块nRF401。该模块以nRF401芯片为核心，具有速度快，功耗低，易于使用等特点，但是成本过高，与本设计的实际情况不符。解决方案三、与NRF24L01通讯模块相比，该模块具有速度快，功耗低，体积小等优点。它价格便宜，SPI总线通信，电路简单，操作方便。高速无线传输由模块内部处理，并且易于实现。2.1.4温湿度传感方案温湿度检测模块主要用来检测被测物的温度和湿度，现在市场上的温度和湿度传感器很多，其最主要的差异就是测量范围和精度的不同，可以根据题目要求来选择合适的传感器。解决方案一、使用温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101分开温度传感器和湿度传感器。温度传感器DS18B20具有体积小，精度高和测量范围广的优点。湿度传感器HS1101具有误差小，精度高的特点。它也具有完全的互换性，无需校准，并且具有较高的稳定性。需要模数转换器和放大器，并且获得的值不能直接使用。还必须考虑抗干扰问题。需要专业仪器为收集的数据建立数据表，并进行错误处理和数据校准。电路结构复杂，程序算法复杂，开发周期长，成本高。解决方案二、使用温度和湿度集成传感器DHT11。环境要求低，稳定性高，易于使用，成本低，性价比较高。经过对方案一和方案二之间的全面比较，在性价比和易用性方面仍略优于方案二。因此，这次我选择了选项二作为“设计温度和湿度收集”模块。并且使用集成转换器，电路简单，处理器不需要管理数据转换问题，可以根据总线时序直接读取数据，可以处理一点数据，系统结构变得简单，并且可以通过减小系统的大小，进而提高系统的稳定性，不需要专业的测试仪器，易于实施，开发周期短，价格合理。2.1.5显示模块方案可以使用数码管显示。数码管在亮度，功耗，视角和刷新率方面具有优势。它具有功耗低，寿命长，防潮，防晒和高（低）温度的优点。它几乎对外部环境的没有要求，维护容易，准确可靠，操作简单。但是，数码管体积大，显示的位数也有限，而本次设计显示的数字少这不适合于数码管。为了进行全面比较，选择了LCD1602液晶模块来显示测量数据。LCD1602液晶接线简单方便，显示丰富，响应速度快，还可以满足显示需求。第三章系统模块设计3.1单片机主控电路设计单片机的主控制模块包括减振电路和复位电路。同时，它是用于访问每个模块的配置界面，可确保整个系统的灵活性。STC89C52单片机是整个系统的控制中心，引导外部设备相互配合以发挥特殊作用。将硬件分成不同的模块分别设计，每个模块只实现自己特定的功能。引脚图见图3-1图3-1STC89C52引脚图STC89C52RC系统组成控制部分，它包括微控制器，晶振电路和复位电路。晶振电路由由18,19引脚接入2个22pf的电容和一个12MHz的晶振组成。最小系统如图3-2所示图3-2单片机最小系统复位电路：一、单片机就想计算机一样也会出现崩溃的现象，当电脑因为运行错误而导致系统蓝屏时，就可以选择重新启动来开始执行计算机内部的程序。对于STC89C52也是如此。当系统环境因素干扰运行时，复位按钮内部的程序就通过按下重置按钮自动执行。二、要重置单片机，只需将2μS的高电平连接到第9引脚。在STC89C52处理器中，每次系统电源打开，系统就会就必须复位一次，以确保程序不会运行崩溃，可以通过按钮的方式人为的控制系统复位。如果系统出现崩溃，可以按下复位键实现处理器的重置。当复位键被按下松开时，系统还会再一次重置。确定能够百分百的视系统复位。当微处理器开机时也需要复位，当单片机受到高电平信号是就会复位，所以可以选择一个10uF的电容器，10k电，单片机开机时，电容器就会持续充电，让自己的电压增加到电源的0.7倍也就是3.5V。在这种情况下，电阻的电压就会在1.5V的高平阶段，系统就会自动复位，复位时见是电容大小乘以电阻大小也就是0.1秒。所以在STC89C52启动的0.1S内，电容器被充电电压将从0V增加到3.5V。此时，10K电阻的电压从5V降低到1.5V（串联电路中的电压之和为总电压）。因此，在0.1S内，因为电容充电分压而导致电阻电压为5V〜1.5V，在此区间的电压都是高电平信号，小于1.5V的电压信号是低电平信号。因此，当复位端在上电后0.1S之内后接收到高电平，处理器系统就会会自动复位。按下按钮时复位：在STC89C52启动了0.1S之后，电容器两端的电压会持续充电至5V，这时10K电阻器两端的电压接近0V时，RST处于低电平的状态，来维持系统的正常工作。当按下按钮后，开关打开。此时，在电容器的两端形成回路，导致电容器短路。因此，在按下按钮的过程中，电容器开始释放先前充电的电能。随着时间的流逝，电容器的电压在5V至1.5V甚至在0.1S内释放。根据串联电路的电压作为所有部分的总和，此时10K的滑动电阻的两端的电压变为3.5V或超过3.5V，所以当RST引脚再一次的接收到高电平后。MCU系统将会进行自动重置的操作。晶振电路：晶体振荡器简称晶振。在电气上，并联的电容器和电阻器相当于晶振，效于两端网络中的电容器。在电学上，该网络具有高频和低频两个谐振点。低频率是串联谐振，高频率是并联谐振。两个频率之间的距离十分的接近，这是由于晶体的特性。在这个极其接近的频率范围内，晶体就相当于电感，因此只要晶体的两端通过并联连接合适的电容器即可形成并联谐振电路。可以将该并联谐振电路添加到负反馈电路以形成正弦波振荡电路。由于晶体的频率范围等于电感，因此频率范围非常窄，因此即使其他组件的参数发生很大变化。这个振荡器的频率不会有太大变化。负载电容值是晶振的一个至关重要的参数，选择一个跟负载电容值相等的并联电容就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶体振荡器电路在反相放大器的两端连接到晶体振荡器（请注意，该放大器不是反相器），然后两个电容器分别连接到晶体振荡器的两端和每个电容器的另一端。然后连接。串联的两个电容器的电容值应等于负载电容。请注意，通用IC引脚具有相等的输入电容。这是不能够忽视的。普通晶体的负载电容为15pF或12.5pF。如果再次考虑组件引线，引脚的等效输入电容，则他相当于是两个22pF电容器构成晶体振荡器的振荡电路。晶体振荡器为单个芯片提供工作信号脉冲。该脉冲是单片机的工作速度。例如，12M晶体振荡器的工作速度为每秒12M。当然，单芯片的工作频率在一定范围内。不能太大，否则不稳定。晶体及其MCU的XTAL0和XTAL1引脚产生的振荡器电源电路会产生谐波电流（也就是说，不会产生其他频率的波动）。该波对电源电路无害，但是会大大降低电源电路的数字时钟振荡器的可靠性，从而使电源电路稳定。引脚接地装置，可减少电磁波对电源电路可靠性的损害。如果晶体振荡器电路中使用的电容器在10pf至50pf之间，它就会起作用。在STC89C52RC片内存储器中，80H～FFH共128个单元位特殊功能寄存器（SFR）。并非所有的地址都被定义，从80H～FFH共128个字节只有一部分被定义。还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。STC89C52RC除了有定时器/计数器0和定时器/计数器1之外，还增加了一个一个定时器/计数器2.定时器/计数器2的控制和状态位位于T2CON和T2MOD。定时器2是一个16位定时/计数器。通过设置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2位，可将其作为定时器或计数器（特殊功能寄存器T2CON的描述如表2所列）。定时器2有3种操作模式：捕获、自动重新装载（递增或递减计数）和波特率发生器，这3种模式由T2CON中的位进行选择。3.2nRF24L01无线模块设计3.2.1nRF24L01概述nRF24L01是一种新型的单频收发芯片，工作在2400MHz〜2480MHz，这个频段是属于

ISM的工作频段。该芯片的无线模块有着很强的及时性，可以认为是没有延迟的。此外他还设计的有一个调频技术来防止发送数据信号受到干扰，嵌入式频率合成器，功率放大器，晶体振荡器电路，调制器和其他程序模块可以根据程序流程配备电源和通信安全通道。当电流低于1uA是就会进入休眠状态。当以-6

dBm发射时，工作电流仅为9

mA。工作期间的电流仅为12.3

mA。多种低能耗工作模式，在100

mw时工作电流为160

mA。在数据传输方面，WiFi与WiFi之间的距离更大。nRF24L01性能参数如下：（1）拥有126个信道，满足多点通信和跳频通信需要；（2）内置硬件CRC错误检测和点对多点通信地址控制；（3）功耗特别低，只要在电压1.9V-3.6V就可以工作，电源22uA就可以待机。（4）其内部有着一根天线，使其传输的范围更广。（5）NRF24L01可以通过编程软件设置其地址，可以直接连接到各单片机，软件编程非常便利；（6）芯片自动生成包头和CRC校验码；（7）GFSK调制，硬件集成OSI链路层；3.2.2引脚功能及描述nRF24L01芯片的电路引脚如图3-3所示。图3-3nRF24L01引脚图NRF24L01的PCB图和实物图如图3-4所示。根据本次系统模块的设计要求，只需要注他的六个控制和数据信号，其他的可以不用去考虑，即CSN，SCK，MISO，MOSI，IRQ和CE。由于该芯片的高频电路设计是在元件里面，难以单独进行连接，因此我们直接使用已经处理好的成品模块。图3-4表3-1是模块各个引脚的功能表3-1名称接口性质描述GND接地电源接地VCC接电源正电源正极CE模块输入信号单片机给出信号控制模块内部射频电路工作与否CSN模块输入信号单片机发出信号来控制允许向模块读或写数据SCK模块输入信号由单片机发出，控制模块的读或写的运作节拍MOSI模块输入信号是单片机向nRF24L01模块发送数据的接口MISO模块输出信号是nRF24L01模块向单片机送数据的接口IRQ模块输出信号是nRF24L01产生中断信号发送给单片机接口3.2.3NRF24L01无线模块Tx与Rx的配置过程NRF24L01无线发送模块与接收模块如表3-2、3-3所示。表3-2Tx模式初始化过程初始化步骤24L01寄存器写Tx节点的地址TX_TX_ADDR写Rx节点的地址（主要是为了使能AutoAck）RX_ADDR_P0使能AUTOACKEN_AA使能PIPE0EN_RXADDR配置自动重发次数SETUP_RETR选择通信频率RF_CH配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率）RF_SETUP选择通道0有效数据宽度Rx_Pw_P0配置24L01的基本参数以及切换工作模式CONFIG表3-3Rx模式初始化过程初始化步骤24L01寄存器1）写Rx节点的地址RX_RX_ADDR_P02）使能AUTOACKEN_AA3）使能PIPE0EN_RXADDR4）选择通信频率RF_RF_CH5)选择通道0有效数据宽度Rx_Pw_P06）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率）RF_SETUP7）配置24L01的基本参数以及切换工作模式RxCONFIG3.2.4工作模式通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表3-4所示。表3-4nRF24L01工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器发射模式101停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101→0TX_FIFO为空待机模式11-1无数据传输掉电模式0-0-3.2.5配置字NRF24L01采用SPI端口同步串行通信接口,当数据信号开始传输时先传输地位字节，然后在发送高位字节过去，拥有很高的数据传输速度。NRF24L01有着25个配置寄存器，常用的配置寄存器如表3-5所示。表3-5常用配置寄存器地址寄存器名称功能00CONFIG设置24L01工作模式01EN_设置接收通道及自动应答02ENRXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发数据时间和次数07STATUS状态寄存器，用来判断工作状态0A~0FRX_ADDR_P0~P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置接收点地址11~16RX_RW_P0~P5设置接收通到的有效数据宽度3.3显示电路模块设计3.3.1液晶1602显示屏的基本结构显示模块选择LCD1602字符型液晶模块。此显示模块是点阵型液晶，驱动方便，编码后显示内容多样。它具有显示质量高，数字接口，体积小，重量轻和功耗低的优点。显示容量为16×2个字符，芯片工作电压为4.5-5.5V，工作电流为2.0mA（5.0V）。1602LCD使用标准的14针（无背光）或16针（有背光）接口。1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-6所示:表3-6LCD1602引脚说明图编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极系统采用P0端口与LCD数据端口相连接，P2.0-P2.2连接到LCD的RS、R/W、EN控制引脚，其电路图如图3-5所示。图3-51602液晶显示电路原理图LCD1602液晶显示模块內部的控制板现有11条操纵指令，11条指令如表3-7。表3-7常见LCD1602指令指令功能具体介绍1消除显示指令编码01H光标校准到详细地址00H2光标校准光标回到到详细地址00H3光标和显示方式设定高电平右移,低电平左移4显示电源开关操纵D:显示开表明其高电平,显示关表明其低电平C:操纵光标的电源开关,有光标意味着高电平,无光标意味着低电平B:是用以操纵光标的闪动,电平高光标闪动,电平低光标不闪动。5光标或显示挪动高电平时挪动显示的文本,低电平时挪动光标6作用设定指令DL:高电平有4位系统总线,低电平有8位系统总线N:低电平选用单行显示,高电平选用双行显示7写数据写入数据8读数据对数据进行读取9字符发生器RAM地址设置对RAM的地址进行设置10读取忙信号和光标地址BF：忙标志位，高电平表示忙，此时模块无法接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙11DDRAM地址设置对DDRAM的地址进行设置3.4温湿度电路设计DHT11结合了温度和湿度的测量，不同于DS18B20只有温度的测量，是系统有着更加广泛的实用性，而且它有着固定的模拟信号输出。它使用特殊的数字控制模块和温湿度传感器技术，这样的传感器有着极高的稳定性，不会轻易的出现错误，有着很强的成长性。但是如果超出其建议的工作范围3%RH，会出现临时性漂移信号。返回正常工作条件后，传感器会缓慢地向校准状态恢复。该传感器有着一个电阻式湿度感测组件，并与一个出色的8位微处理器连接。因此，该产品的质量高，响应时间迅速，极强的抗干扰性，对比其他的传感器性价比高的。每个DHT11传感器均在极其精确的湿度校准室中进行校准。校准索引以程序流程的形式存储在OTP存储芯片中，并且在解决传感器内部的验证数据信号时启用此校准索引。单线串行通信使信息系统集成变得越来越容易和快速。超小规格，极低的功能损耗，无线数据信号传输距离可以达到50米内准确误差不超过0.5℃，使其更多所需要温湿度测量场所的选择。原理图如图3-6所示。图3-6温湿度原理图3.4.1电源引脚温度测量的器件开关电源引脚的允许电压为3V到5.9V。当传感器连接到电源后，需要等待一秒钟的时间以以确定没有不稳定的情况。在此期间不需要发送任何的指令。对于如何有效的使用滤波器来去除耦波，通常可以采用加一个100nF的电容在开关电源引脚的中间来达到目的。3.4.2串行接口微控制器和DHT11之间的通讯是靠着同步串行通讯数据传输的。它使用单一系统总线。其通讯时间大约为2ms。数据分成两部份，即小数和整数部分。如果当前读数为零。具体的操作流程如下：温湿度的数据占40位，当要传输所采集的数据时，DHT11会将高位最先输出。温湿度模块的数据信息分为5个部分，其中的两个部分是温度数据的整数和小数部分，还有一个校验和数据占8位，剩下两个是湿度的整数和小数部分也是占8位。正确的将数据数据的传送的时候，校验和的数据等于所得结果的最后8位。客户MCU传出启动信号后，DHT11从低能耗方式转换到髙速方式。等到接收到处理器所传来的启动信号后，DHT11就会立刻启动并像处理器发送响应信号，发送当前温湿度的数据信息，开启信号收集。在该方式下，DHT11接受启动信号来开启溫度和环境湿度收集。要是没有从服务器接受到启动信号，DHT11将不会开展温度湿度收集。当数据收集完成后模块就会自动转换到低速的工作方式。通讯过程如图3-7所示图3-7通讯过程图

当总线空余情况高，服务器回关掉总线并等候DHT11响应。服务器务必将总线下拉18ms，这样测温模块就会收到启动的信号。DHT11在接受到服务器的刚开始信号后，等候服务器的刚开始信号完毕，随后发送低电频响应信号80us。服务器发送刚开始信号后，延迟时间20-40us后载入DHT11的响应信号，服务器发送启动信号。以后，就可以转换到键入方式或輸出上拉电阻。总线被上拉电阻拉升。如图3-8所示。图3-8通讯过程图系统总线处于低频状态，指示DHT11发出响应数据信号。当数据从DHT11发送后，系统总线立即上拉80us，这样的目的是使系统做好提前发送数据的准备。就像下图所示一样。如果负载响应的数据信号为高，那么温湿度测量模块就会没有一点反应。当检查完所有路线均是正确连接时。数据的每一位通过50us的低电平时隙开始，当所测量的数据的最后一位发送给微处理器之后，DHT11将总线拉低50us，这样测温模块就会进入空闲状态。数字0信号表示方法如图3-9所示图3-9‘0’信号表示方法图数字1信号表示方法.如图3-10所示。图3-10‘1’信号表示方法图3.4.3DHT11的电气特性当电源为正5V是，温度是25℃时，DHT11的电气特性如表3-8。表3-8电气特性参数条件mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次3.4.4DHT1引脚说明表3-9DHT11引脚说明表Pin名称注释1VDD供电3－5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极3.5报警电路设计报警器采用控制器的输出脉冲信号驱动蜂鸣器，通过放大单片机的输出电流实现报警。原理图如图3-7所示。图3-7报警电路原理图当温度数据超出范围，电流就会导通时蜂鸣器发出警报，但是仅仅靠单片机的电流是不能够让蜂鸣器实现工作。只有使用一个集电极晶体管放大电路才能让电流放大到足够蜂鸣器运作的电流。PNP晶体管9012能够有效的降低微型处理器的电力功耗。系统软件设计4.1软件设计思路主机、从机采用模块化设计。主机主要分为单片机、NRF24L01、LCD1602、报警模块。对于主机可以把它分成基于STC89C52的主模块、采集温湿度信息并将其发送给单片机的温度模块，将数据通过无线传输的无线模块、能够让使用者知晓是否温度超出限制的报警模块模块。主机、从机主模块实现对其他模块的管理，主机流程图如图4-1所示。从机的运行顺序如图4-2所示。开始开始是否报警是否报警NRF24L01初始化LCD1602初始化本地报警NRF24L01初始化LCD1602初始化本地报警接收温湿度数据显示温湿度接收温湿度数据显示温湿度键盘扫描温湿度数据处理键盘扫描温湿度数据处理开始图4-1主机主模块流程开始初始化是否报警初始化是否报警本地报警启动温湿度转换本地报警启动温湿度转换读出温湿度数据是否按键按下读出温湿度数据是否按键按下开始返回开始开始返回开始初始化初始化图4-2从机主模块流程主机、从机无线通信模块的时钟频率设置在16MHz，其最高工作的速率不超过2Mbps，采用被广泛用于移动通信和航空通信等诸多地方的GFSK，不同于其他调制方法，它大大提升了系统的抗干扰能力。通过查询接收方式，降低了数据传输出现占用而导致误码的情况。程序流程图如图4-3、4-4、4-5所示。开始开始设置通道及其地址设置通道及其地址设置数据宽度设置数据宽度设置地址宽度设置地址宽度设置通信速率、频道设置通信速率、频道初始化初始化图4-3NRF24L01初始化程序初始化总线等待接收写数据初始化总线等待接收写数据读取数据延时跳过应答启动发送读取数据延时跳过应答启动发送写显示数据处理数据写显示数据处理数据结束结束结束结束图4-4发送流程图4-5接收流程无线发射模块的软件设计，首先进行初始化,然后通过SPI总线配置使nRF24L01进入发射模式。然后把发射端准备发射的数据的目标地址和数据写入无线通信模块的缓冲区，进行一定延时后发射数据。其流程图如图4-6所示。CE置高写入接收地址开始CE置高写入接收地址开始延时延时写入发送数据初始化写入发送数据初始化数据通道0允许CE置低置低CE数据通道0允许CE置低置低CE设置工作频率配置CONFIG为发射模式设置工作频率配置CONFIG为发射模式清状态寄存器清状态寄存器设置数据传输率与功率设置数据传输率与功率写入发送地址写入发送地址图4-6DHT11构成了系统的测量部分。其器件的流程图如图4-6所示。显示器的流程图如图4-7所示。发送温湿度数据开始发送温湿度数据开始显示湿度结束显示湿度结束读出温湿度数据开始读出温湿度数据开始读取数据初始化读取数据初始化写显示地址写显示地址延时显示温度延时显示温度图4-7温湿度采集流程图图4-8显示模块程序流程图4.2软件实现思路主机采用1602显示温度和湿度，第一行显示温度，第二行显示湿度。主机和从机通过查询的方式来进行通信，主机发送一个读取的指令，从机自动设置为发送模式将读取的温湿度数值发送给主机，发送完成后自动将模式变为发送模式，等待下一次主机的查询。此次设计还未主机设计了3个按键，用来更好的控制温湿度的范围，以便能够更加精确，更加适合不同的工作环境。3个按键从左到右来看，第一和第二的按键能够设置测量的范围，一旦超过范围就会引起报警。第三个按键适用于分辨温度和湿度的。增加了系统的容错率。系统仿真与调试5.1系统软件仿真软件仿真采用Proteus仿真。如果想要实现对电路的控制，PROTEUS完全可以实现这一功能，该软件不仅能够进行器件连接仿真，还可以进行单片机程序的录入，器材库十分齐全，还能够进行PCB的设计。能够随时进行仿真，更改器件。调试和测试的操作也十分简单，有着汉化补丁，更好的便于对软件的操作，当没有真正的硬件器材时，使用它对系统仿真找出问题所在时在合适不过的。 原理图接线完成后，请使用PROTEUS7.5编辑环境提供的电气规则检查命令来检查设计，并根据系统提供的错误检查报告来修改原理图。直到通过电气规则检查。 PROTEUS主要是对单片机进行仿真正好适合本次设计。而且PROTEUS能够随时随地的进行源代码的更替，这就使得可以更轻松的了解到自己设计的不足之处。如果使用者修改程序后会立刻对结果有影响，不会出现程序更改了，仿真还是不变的情况。只要程序代码没有错误，就可以立刻进行器件的连接对其进行仿真。在仿真过程中，电路和程序的功能不断改进，以最终达到设计目的。软件仿真图如图5-1所示。图5-1软件仿真图5.2系统软件调试KeiluVision4是Keil3的升级版，其功能和界面已发生了很大变化。Keil4软件调试非常有用，可以减少开发时间，可以实现单步，全速，在线仿真等。调试如图5-2所示。图5-2软件调试图步骤一使用keil软件进行程序调试，建立hex文件。步骤二使用proteus进行器件连接设计。步骤三将hex文件导入proteus中进行仿真调试。5.3主要指标测试该系统的主要指标是测得的温度和湿度数据是否满足问题的要求。经过调试测试，温度在-10-50℃之间都可以测量出来，湿度0-100%之间都可以实现。通过无线模块上传到主机，并显示其温度和湿度。通过测试，测试温度与普通温度计测量的数据对比数据基本一致。在50米范围内数据显示正确。经过简单的实验得到一些实验数据，具体结果如表5-1所示。表5-1测试数据值发送端电流2.7mA接收端电流10mA收发端电压3.0V发送端功率8.10mW接收端功率30.0mW收发距离>5m从表中可以看出整个系统得到功耗都很低，并且收发距离也达到了设计的原始要求。结论本次毕业设计主要完成的工作有:硬件电路图设计、软件编程与仿真调试、硬件制作等。以下是具体的总结：1、控制器模块：采用STC89C52单片机组成的CPU控制系统；单片机软件编程可简单地实现多数功能，自由度大，结构清晰，便于调试和维护，可读性和移植性强。2、温湿度检测模块：使用DHT11来实现对温湿度的检测；采用一体化变换器，不需考虑数据的变换问题，减少不必要的设计，从而提高系统的稳定性。3、显示模块：采用液晶显示屏（LCD）显示；LCD1602显示丰富，响应快，成本低。4、无线模块：采用nRF24L01芯片；采用μkeilC51进行编程。PR0TEUS仿真设计出了系统的的原理图，使时间大幅度的减少，而且便于编程、仿真，采用了将系统分成不同的模块，对每个模块单独进行分析设计。最后设计出该系统，进行了一系列测验，该系统的无线数据有效范围约为30米。通过仿真软件对比不同的器件，选出了最好的系统各个模块的器材。DHT11可以对温度和湿度都进行采集，相比DS18B20而言，有着跟多功能，价格也不是很高。STC89C52芯片能够兼容51系列，其处理器相比较以往的芯片有更好的性能。无线模块的NRF24L01无论是性能还是价格上都优于其他的方案。实现了温湿度测量及无线传输显示，超出温湿度设置的范围蜂鸣器报警并且相应的继电器吸合，温湿度上下限可通过按键设定等功能。参考文献[1]张佳瑞．基于单片机的数据采集和无线数据传输系统设计[D]．西南交通大学，2013．[2]刘涛．基于单片机的多机通信系统设计[J]．中国新通信，2014(08)：111．[3]潘方．RS232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J]．现代电子技术，2012，35(13)：69-71．[4]张静．单片机无线通信系统的设计与实现[J]．企业技术开发．2017，