基于单片机的无线温湿度数据传输设计

PAGEPAGEIV题目：基于单片机的无线温湿度数据传输设计摘要随着我国科技的不断发展，无线技术也在发展与创新，并应用于各行各业。本设计是以单片机为控制核心的一种无线温湿度数据传输系统，将温湿度传感器与单片机通过I/O连接，对环境的温湿度进行检测和数据采集，在通过单片机与nRF24L01无线传输模块结合，把温湿度传感器检测到的环境信息通过无线传输模块自发送至接收机，接收机接收到信息后通过LCD进行显示，并在温度超过设置阈值时启动警报。总体设计以51单片机为核心，设计理念采用模块化的方式。整体系统硬件由单片机最小系统为核心，外围电路包括无线收发模块电路、报警电路和显示电路。在软件设计方面，对系统的主程序和各个子程序进行了分析和设计。最后，完成了无线温湿度数据传输系统设计。发射机与接收机之间的数据交换通过nRF24L01无线传输模块实现，温湿度传感器采集的数据显示在LCD1602上。实验证明,本文设计的系统可行性高、简便、适合推广。关键词：nRF24L01无线传输模块；温湿度检测；数据传输TemperatureandHumidityDataTransmissionDesignBasedonSingleChipMicrocomputerAbstract：WiththecontinuousdevelopmentofChina'sscienceandtechnology,wirelesstechnologyisalsodevelopingandinnovating,andisappliedtoallwalksoflife.Thedesignisbasedonthewirelesstemperaturedetectionsystemofthesingle-chipmicrocomputer,usingthesingle-chipmicrocomputerandthetemperatureandhumiditysensortodetecttheambienttemperatureandhumidity,combinedwiththenRF24L01wirelesstransmissionmodule,thedetectedenvironmentalinformationissenttothereceiverthroughthewirelesstransmissionmodule,andthereceiverreceivestheThemessageisthendisplayedviatheLCDandanalarmisactivatedwhenthetemperatureexceedsthesetthreshold.Theoveralldesigntakes51single-chipmicrocomputerasthecoreandadoptsthemodulardesignidea.Thesystemhardwareconsistsoftheminimumsystemofthesinglechipmicrocomputer,thewirelesstransceivercircuit,thealarmcircuitandtheliquidcrystaldisplaycircuit.Then,themainprogramandeachsubroutineofthesystemareanalyzedanddesigned.Finally,thedesignofthewirelesstemperatureandhumiditydatatransmissionsystemwascompleted.ThedataexchangebetweenthetransmitterandthereceiverisrealizedbythenRF24L01wirelesstransmissionmodule,andthedatacollectedbythetemperatureandhumiditysensorisdisplayedontheLCD1602.Theexperimentprovesthatthesystemdesignedinthispaperishighlyfeasible,simpleandsuitableforpromotion.Keywords:nRF24L01;temperatureandhumiditydetection;datatransmission

目次TOC\o"1-6"\h\z\u摘要 IAbstract II1绪论 11.1选题概述 11.2课题国内外研究现状 11.3设计的主要内容 22系统整体设计及方案选择 42.1单片机方案选择 42.2无线模块方案选择 52.3温湿度采集模块方案选择 62.4显示电路方案选择 72.5设计方案确定 73系统硬件设计 93.1单片机 93.1.1单片机引脚介绍 93.1.2最小单片机系统 113.2无线模块nRF24L01 123.2.1无线模块nRF24L01 错误!未定义书签。3.2.2引脚功能及描述 123.2.3工作模式 133.2.4工作原理 143.2.5配置寄存器 143.2.6无线模块部分电路 153.3温湿度传感器DHT11 163.3.1DHT11引脚介绍 163.3.2温湿度采集电路 163.4液晶显示LCD1602 163.5蜂鸣器警报电路设计 184系统程序设计 194.1发送部分设计 194.1.2nRF24L01发送数据 194.1.2DHT11温湿度采集设计 194.2接收部分程序设计 204.1.2nRF24L01接收数据 204.1.2LCD1602显示数据 215元件的安装与系统调试 245.1PCB板的制作 245.2元件的安装与焊接的注意问题 245.3系统调试和功能测试 246结论 27致谢 28参考文献 29附录 30发送机原理图 30接收机原理图 31发送机PCB图 32接收机PCB图 33发送机部分关键代码 34接收机部分关键代码 38PAGEPAGE411绪论1.1选题概述随着现代社会的迅速发展，对生活与生产中息息相关的各个必要参数数值的准确性与实时测量的便捷性要求越来越严格。温湿度作为影响人类生产生活的主要环境数据之一，无论是在工业生产、农业种植、科研开发等方面，对温度和湿度环境的要求越来越严格。因此如何更加精确、快捷、便利的获取温湿度参数变得至关重要。温湿度采集在工业，农业和日常生活被广泛使用。在工业生产中，大多数专业仪器以及生产环境需要严格的检查和监控，但是，由于生产环境恶劣，工作人员无法长时间留在现场观察设备是否正常运作，生产环境是否满足要求。在这个时候，我们需要收集数据和传输数据，以解决温度和湿度的采集问题。在农业种植中，无论是温室监测还是粮仓管理，目前的状况仍然的采用人工巡查记录的方式，不仅增大工人的工作量，而且测量的数据可靠性也不高。在当前的科学技术水平上，短距离无线技术的发展，使得温湿度的采集和测量都变得更加准确和容易。在平时生活里，随着人们生活水平逐步提高，人们的衣食住行也逐渐变得智能化。室内温湿度控制系统开始进入更多的家庭，用于更好的生活舒适感和实时掌握自己的生活环境、但是，目前我国对于温湿度数据的采集大部分仍然以定时巡查、人工读取数值为主。传统的测量方法难以满足科学合理的检测要求，效率低下，费时费力，不利于实现即时的数值读取，很大程度上限制了工农业与科技发展的效益。因此有必要研制开发操作简便，成本低廉，实用简单的温湿度检测设备。1.2课题国内外研究现状随着科学技术的飞速发展，人们已经进入了智能社会，这极大提升了人们对优质生活的追求。20世纪70年代初，国外已经开始开发探测温度和湿度的技术。首先，将测试现场的信息使用模拟仪器进行收集、记录和监测。分布式控制系统的发展始于20世纪80年代末。目前，计算机数据采集集成控制系统正在开发中，世界各国都十分重视温湿度测量和控制技术的研发，目前自动化、无人化和智能化以及成为一些发展较快国家的下一步研发计划。温湿度测量与控制技术在我国的发展和研究较晚，从20世纪80年代开始，在引进发达国家已研制的温湿度测量和控制技术的基础上，我国工程师和技术人员掌握了室内计算机温湿度控制技术。总的来说，我国温湿度监测设备的应用正经历着从消化吸收、简单应用到实践综合应用的转变和发展中。当下仍然采用单片机控制的单参数单回路系统的技术，相比多参数综合控制系统还有很多路要走，与其他发达国家相比，这一差距仍然很大。我国温度和湿度的测量和控制还远远没有实现工业化的标准。在使用设备方面配套能力差、工业化程度低、控制性能较差、软硬件不兼容、可靠性差等问题也使生产工作有一定的局限性。国内大多数企业正处于技术发展创新的阶段，各种新技术层出不穷，环境监测信息技术以及成为环境监测发展的大趋势，市场对环境监测的需求日益增长。目前，环境监测正朝着便捷化、网络化和信息化的方向发展。20世纪90年代中期结合微电子、计算机和自动测试等先进技术，研发生产了数字温湿度传感器（智能温湿度传感器）。到目前为止，智能化已经成为温度和湿度传感器产品的下下一个发展方向。智能温湿度传感器内部主要由温度和湿度传感器、存储器、信号处理器、数模转换器和接口电路构成。甚至有些产品还拥有更高级的功能，如集成在内部的微处理器、多路选择器、随机访问存储器和只读存储器等。智能温湿度传感器能够输出温湿度数值和和对其进行控制，并且兼容各种微处理器，可以通过软件控制达到监控数据的目的，温度湿度计越来越智能化。现在常见的温度湿度传感器有DHT系列、AD590、DS18B20等。随着温湿度传感器的发展，温室监测系统越来越成熟，为人们提供了更好的服务。目前，温湿度检测技术越来越成熟，温度和湿度检测系统正朝着小型化、低功耗和智能化的方向发展。1.3设计的主要内容本设计是一种基于单片机的无线温湿数据传输系统。通过单片机最小系统、显示模块、无线模块、温度湿度传感器等实现温度湿度数据的采集、无线传输、接收和显示设计由发射机和接收机组成。发射机通过无线模块将传感器收集到的温度和湿度数据传输给接收机。接收端接收到的数据显示在显示模块上，可根据设定的报警值阈值进行报警。本文主要针对无线温湿度数据传输系统的进行了研究和设计，主要目标包括：（1）根据系统功能分析，制定无线温湿度数据传输系统的总体设计方案，并且对方案中的关键器件进行比较论证，选择最适合本设计的器件方案。（2）在系统设计是采用模块化设计，对硬件电路中的单片机最小系统、电源模块、无线模块、液晶显示电路等分别进行了原理图设计，最后在电路原理设计完成后进行了总体的PCB设计。（3）根据系统总体方案的功能需求和基本的硬件电路接口，对系统的软件进行了详细设计，包括各模块子程序以及系统主程序。（4）通过实物研制，对现场的温度采集和发送，结果表明本文设计的正确性。熟悉单片机在实际开发中的应用，学会累计并查找资料，确定系统的方案，并且从这些方案中选择最佳的设计方案。学习并掌握如何开发系统，在实际中发现问题解决问题。本次设计运用的软件，主要使用原理图PCB绘制软件AltiumDesigner、程序编程软件Keil等。购买所需元器件，制作电路板，根据电路板原理图，对焊接好的电路板进行反复调试，进行硬件调试和系统调试，直至系统所需的预定功能实现。2系统整体设计及方案选择设计由发射机和接收机组成。发射机通过无线模块将传感器收集到的温度和湿度数据传输给接收机。接收端接收到的数据显示在显示模块上，可根据设定的报警值阈值进行报警。图2-1单片机控制系统整体框图根据上述系统整体设计方案，提出了如下方案猜想，并对方案进行选择分析，完成总体系统的用件选择。2.1单片机方案选择方案一:采用STC89C52单片机8位单片机STC89C52有着低功率、高性能的特点，它使用经典的MCS-51内核和8k可编程闪存。在单芯片上，STC89C52使用灵活兼容性强，这也使得STC89C52适用于传统的编程器，能够为许多设计应用提供更灵活有效的解决方案。就性能而言，8K字节的闪存、256字节的随机存取存储器、32个输入/输出端口、看门狗定时器、4个外部中断和4KB的带电可擦可编程只读存储器。工作电压范围为3到5V，工作频率在0到40兆赫兹之间，实际工作频率高达48兆赫兹，都使得STC89C52有这高性能的工作状态和处理速度。此外，STC89C52也可以简化为零赫兹的静态逻辑操作，在这种情况下它可以支持两种节能模式的选择。在空闲模式下，只允许随机访问内存、计时器/计数器和串行端口中断继续工作，中央处理器停止工作。在停电保护模式下，所有工作停止，随机访问内存内容被保存，振荡器被冻结，直到下一个中断或硬件重置后才开始重新工作。STC89C52可以直接使用串口进行程序烧录和下载。方案二：采用MSP430系列单片机16位单片机MSP430是由德州仪器公司研发生产的一系列产品，产品型号丰富，可根据具体设计选择具体型号。MSP430系列单片机采用了RISC结构（精简型型指令集），寻址方法丰富，核心指令简单，并且其具有多种模拟指令。以上这些特点为MSP430系列单片机能够高效率编译源程序提供了有力保障。超低功耗是MSP430系列单片机的最大亮点，工作电压范围只有1.8V～3.6V，在频率为1MHz的条件下运行时，单片机的最低功耗仅为165uA，随机存取存储器保持模式下最低功耗仅为0.1uA。MSP430系列MCU整合了丰富的内部资源。例如，WDT（看门狗）、模拟比较器A、计时器_A0、计时器_A1、计时器_B0、通用异步收发器、串口外部接口，硬件乘数，输入和输出端口，基本定时器，实时时钟和许多其他周边模块。这些部件的设计为系统和其他设计提供了丰富而简单的解决方案。本文设计的系统主要目的是通过两个无线模块实现收发两端单片机之间的通信，以及温湿度数据的收集和传输、温湿度的显示。根据需求来选择，只需要选择一般的8位单片机便可实现，结合自己在以前的实习中使用的单片机，在本文中，选择可以实现设计功能、性价比高，对自己来说相对熟悉的STC89C52单片机。2.2无线模块方案选择方案一：使用nRF24L01无线模块实现数据传输工作在频段的无线射频收发器nRF24L01无线模块，工作时频率的为2.4Ghz～2.5Ghz，工作电压为1.9V～3.6V。传输功率有四种选择：0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm。输入可承受5V以下的电压输入。在nRF24L01无线模块的内部含有一个频率发生器，一个增强型SchockBurst控制器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调制解调器。nRF24L01在使用时功耗很低。传输功率为0dBm的情况下，功率消耗只有11.3mA，而在接收模式下的消耗也只有12.3mA。在nRF24L01无线模块待机或者关机模式下，功耗甚至更低。nRF24L01无线模块的通讯频率选项有三种，分别为：250Kbps、1Mbps和2Mkbs。nRF24L01无线模块可以通过SPI接口直接与各种微处理器连接。从而设置输出功率频道和协议，完成传输工作。方案二：利用蓝牙模块HC-05实现数据传输主从一体蓝牙串口模块HC-05，可适用于电脑、主机、手机等各种具有蓝牙功能的设备终端。它的工作波特率范围为4800～1382400，可直接与3.3V、5V的单片机相连接。有效传输距离理论上为10m，基带传输速率可达1Mbps，能到支持语音以及较大数据的单独和同时传输。通过AT指令集对蓝牙模块进行操作和设置。通过比较、分析所提出的两种方案，传输数据仅为温湿度，数据量较小，基于比较两者的功能性、便捷性、实用性、推广性，本文最终选择方案一。2.3温湿度采集模块方案选择方案一:采用单总线DS18B20温度传感器DS18B20主要性能描述如下表：表1DS18B20主要性能序号描述1独特的单线接口方式，DS18B20只需一条线即可与单片机连接，实现单片机与DS18B20的双向通信；2可测量范围温度为-55～125摄氏度，但在温度测量时，测量数据会有1摄氏度的固定误差；3使用时不需要外围组件，可直接与处理器相连接；4电源可由数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；5通过编程可实现9～12位的数字读数方式；6负压特性，当电源正负极性接反时，传感器不会因发热过高而烧毁，但是不能正常工作。方案二:采用具有已校准数字信号输出的DHT11温湿度传感器DHT11主要性能描述如下表：表2DHT11主要性能序号描述1相对湿度和温度测量2全部校准，数字输出3稳定性强4无需额外部件，直接与微处理器相连接就可以使用5信号传输距离远6使用节能，超低能耗7封装采用4引脚安装8兼容性强，可完全互换通过对上述两种方案选择对比分析，并根据实际需求对上述两种传感器进行比较，方案一中选择的DS18B20传感器只能测量温度值，对于设计中湿度的测量需要另行设计电路，且DS18B20有1摄氏度的固有测温误差，导致测量值精确度差。在方案二中选择的DHT11温湿度传感器是一款有着校准数字信号输出的复合温度和湿度传感器，可同时对温度和湿度两种数据进行采集，相对于方案一，无需设计多余电路。该产品具有极高的可靠性的和长期稳定性，这得益于它采用专用的数字模块采集和温度湿度传感技术。该传感器内部由NTC温度测量元件和电阻式湿度传感元件构成，可直接与单片机I/O口连接。通过两种方案的对比，方案二更加合适本系统设计。2.4显示电路方案选择方案一:采用LCD1602液晶显示屏显示数据LCD1602是一种工业字符型液晶，属于图形点阵显示器，它一行可以显示16个字符，一共可以显示两行字符，也就是说LCD1602整个屏幕能够同时显示16×2即32个字符。LCD1602的显示原理是利用液晶的物理特性，通过对电压的控制从而使LCD1602显示不同效果，达到字符显示的目的。它由若干个点阵字符位组成，每个单独的点阵字符位都可以显示一个字符，字符位与字符位之间都有一定间隔的间距，行与行之间也是如此，这些间距起到字符间距和行间距的作用。LCD1602可编程行高，使用简单可靠，但是相对数码管的成本稍高些。方案二:采用数码管显示数据多个封装在一起的发光二极管将它们的连接引线在内部连接这就构成了数码管，在使用数码管时只需把它们的“笔划”和公共电极引出即可。数码管具有功耗低、耐老化、亮度高、成本低、易于维护等特点。数码管多用于显示数字，字母等，显示内容过于单一，不适用显示复杂的内容。通过对比，数码管显示效果亮度高，寿命长，成本低，可是显示内容有限，对于字符显示效果远不如液晶显示，使用LCD1602液晶显示远远比数码管的优势大，而且其显示效果更好，显示内容更为丰富。因而，本系统设计选择的是显示内容丰富，显示效果较好的LCD1602。2.5设计方案确定通过以上四个方案的对比选择，最后，确定了本设计中主要部件的选择。本设计方案为：本设计控制核心选用ST89C52单片机，收发数据选用nRF24L01无线模块，温度和湿度数据的采集选用温湿度传感器DHT11，数据的显示选用LCD1602。3系统硬件设计根据上一章节的方案选择，本系统设计的整体方案是：使用STC89C52单片机，LCD1602液晶显示模块，nRF24L01无线模块，温湿度传感器DHT11等元件完成温湿度数据的采集、无线传输、数据接收与显示。3.1单片机单片机作为整体系统的核心对硬件电路起着控制作用。以高性能、低功耗为特点的8位单片机STC89C52是STC公司在51系列单片机基础上改进生产单片机。该芯片具有多钟功能特性可满足设计需求，如：复位电路、看门狗定时器、32个双向输入输出端口、3个16位的定时器、全双工串行接口、4个外部中断、还有8K字节的Flash可读程序存储器、512字节的可写程序存储器、内部还设置了4K的可擦除可读程序存储器。3.1.1单片机引脚介绍 本文只介绍了系统设计使用到的引脚，引脚功能如下表：表1单片机引脚功能表引脚编号名称引脚功能1～8P1.0～1.7P1口是8位准双向输入输出端口。在EPROM编程和程序验证时，它输入低8位地址。P1口能驱动4个LSTTL负载。在本设计中，P1口在文中作为输入端口，P1.7口接温湿度传感器，P1.1口、P1.2口、P1.3口、P1.4口、P1.5口连接nRF24L01无线模块。9RST复位输入端，连接按键的一端，用来完成单片机复位初始化操作，使整个系统重新运行。10～17P3.0～3.7P3口在本文中用到其管脚的特殊功能，在本设计中，使用到了串行口P3.0、P3.1。18XTAL2在本设计中，它被用作反向振荡电路放大器的输出端，接晶振的另一端。19XTAL1在单片机内部，它作为反相放大器的输入端，构成片内振荡器，接晶振的一端20GND接地端21～28P2.0～P2.7P2口是8位准双向输入输出端口。P2.6、P2.7、P2.8分别接LCD1602的使能端、读写信号线、寄存器选择端。31EA/VPP是内、外可读存储器端。如果EA端为高电平，那么在访问CPU的同时也开始进行执行内部ROM指令操作；但是当程序计数器的值超过4KB时，则中断内部ROM的一些操作，开始对外部ROM的程序的执行操作。如果EA端为低电平，则CPU会直接忽略掉内部ROM部分操作，只进行访问，但是进行对外部程序存储器指令的操作。32～39P0.0～0.7P0口是一个8位双向输入输出端口。当访问片外存储器时，它提供低8位地址和8位数据的复用总线。在EPROM编程时，从P0口接收指令字节；验证程序时需要外部上拉电阻。在本设计中，液晶显示屏LCD1602使用了P0引脚，用于液晶显示器连接，完成显示的工作。40VCC电源引脚图3-2STC89C52引脚结构图3.1.2最小单片机系统本设计的最小单片机系统由STC89C52芯片、晶振电路和复位电路组成。晶振电路起着为系统工作提供所需的振荡频率的作用。为了防止单片机在运行时程序出错导致系统崩溃，这时就需要使用复位电路将系统重新开始运行。最小单片机系统如图3-3所示图3-3最小单片机系统晶体振荡电路是由:晶振和C2、C3两个电容、单片机内部的反相放大器组成。Y1两端分别与单片机的XATL1、XATL2连接，构成晶体振荡电路，为系统工作提供所需的时钟频率。复位电路的复位原理：在单片机启动的瞬间，电解电容C1开始速度极快地充电，根据欧姆定律，此时电阻R2两端的电压约为0V，RST正处于低电平，系统运行正常。当按下按键K2时，此时电解电容C1开始快速放电操作，电阻两端的电压开始增大，此时RST接收到高电平，单片机立即复位。3.2无线模块nRF24L01nRF24L01是一种射频收发器，它工作在ISM频段，工作频率范围为2.4GHz至2.5GHz，工作供电电压为1.9V～3.6V，数据传输率为lMb/s或2Mb/s；内置125个频道，可通过SPI进行设置选择。内部由频率合成器，功率放大器，晶体振荡器，调制器和其他功能模块构成，采用增强型ShockBurst技术，可通过相关程序对输出功率和通信通道进行配置。不仅如此，nRF24L01还具有极低的功率消耗在，它-6dBm下运行时，电流消耗仅为9mA。接收数据时，工作电流仅为12.3mA。可通过低功耗工作模式（掉电模式和空闲模式）进行节能设计。它还具有硬件集成OSI链路层；与其他nRF24系列射频传输元件使用时相互匹配兼容，没有互相干扰的现象，使用更加方便简单。3.2.1引脚功能及描述nRF24L01的封装及引脚排列如图3-4所示。各引脚功能如表1所示。图3-4nRF24L01引脚封装图表1引脚功能表引脚名引脚功能CE使能发射或接收CSN，SCK，MOSI，MISOSPI端口，单片机可通过这些引脚端口配置nRF24L01IRQ中断标志位VDD电源输入端VSS电源地XC2，XC1晶体振荡器引脚VDD_PA为功率放大器供电，输出电压为1.8VANT1,ANT2天线接口IREF参考电流输入3.2.2工作模式nRF241L01具有四种工作状态，分别为：发射、接收、空闲及掉电。这些工作状态都可以通过配置寄存器进行配置。nRF241L01的工作模式配置如表2所示。表2nRF241L01工作模式配置模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式101→0停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0待机模式1：电流损耗降低，晶振在该状态下仍然工作；待机模式2：当FIFO寄存器为空，CE=1时进入此模式；待机模式：仍然保留原有配置数据信息。在掉电模式：nRF24L01不再工作，电流消耗最小，同时保留所有配置寄存器内的数据信息。3.2.3工作原理在数据传输中，nRF24L01的运行状态首先被配置为传输模式，然后接收信号地址和有效数据按照发出的控制信号的时间序列通过SPI端口写入nRF24L01缓存区域。必须在CSN低时，TX_PLD连续地写。TX_ADDR在发射时只需写入一次，然后将CE设为高并保持至少10μS，然后在延迟130μS后发送数据；如果nRF24L01开启自动响应模式，它会在发送数据后立即进入接收状态并接收响应信号。如果收到响应，通信成功，TX_DS被置高，TX_PLD从TXFIFO删除信息；如果没有收到响应信号，在已经启用自动转发模式的前提下，数据将自动转发。如果重复次数达到上限，MAX_RT设置高电平，并保留TXFIFO中的数据进行再传输；当设置了MAX_RT或TX_DS为高时，IRQ设置低，中断被启动，并通知MUC。最后，当发送数据时，如果CE设置为低位，nRF24L01进入空闲模式1状态；如果发送堆栈中有数据且CE为高位，则直接进入下一个数据传递；如果发送栈上没有数据，而CE较高，则进入空闲模式2状态。接收数据时，首先将nRF24L01设置为接收模式状态，延迟130μs后进入接收状态，等待数据到达。当接收器检测到有效地址和CRC时，它将数据信息存储在RXFIFO中。同时，中断标志位RX_DR置为高电平，IRQ置为低电平，产生中断，并通知微控制器获取数据。如果此时自动应答被开启，则接收端同时进入发送工作状态并发送响应信号。当最后接收成功时，如果CE变为低电平，则nRF24L01进入空闲模式1状态。3.2.4配置寄存器可通过SPI端口进行配置寄存器。SPI端口是同步串行通信接口，有着最高10Mb/s的传输速度，传输时先传送低字节，再传送高字节。但针对单位个数字节来说，与前者截然相反，要等待高位发送后再发送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令信号由nRF24L01的数据输出线输入。相应的状态和数据信息是从数据输入线输出给单片机。nRF24L0l的所有配置都是由配置寄存器进行设置，这些配置寄存器都可以通过SPI口进行访问。nRF24L01共有25个配置寄存器，常用的配置寄存器如表3所示。表3nRF241L01常用的配置寄存器地址（H）寄存器名称功能00CONFIG设置24L01工作模式01EN_AA设置接收通道及自动应答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发数据的时间与次数07STATUS状态寄存器，用来判定工作状态0A～0FRX_ADDR_P0～P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置接收接点地址11～16RX_PW_P0～P5设置接收通道的有效数据宽度3.2.5无线模块部分电路STC89C52单片机的I/O口输出电压为5V，而nRF24L01的正常工作电源为1.9～3.6V，如果将nRF24L01的VCC直接接入单片机VCC，则nRF24L01无线模块可能会出现无法正常工作的问题，重者直接造成损坏。为了保护nRF24L01无线模块不会因电压过高造成损坏，要对输入nRF24L01无线模块的电压进行降压处理，这里选用二极管IN4007进行压降，将输入电压降到无线模块工作电压后就可以将模块各个引脚接入单片机的I/O端口。无线模块部分电路如图3-5所示：图3-5无线模块部分电路3.3温湿度传感器DHT113.3.1DHT11引脚介绍电源引脚：DHT11的正常工作电压范围为3～5.5V，在将DHT11通电之后，需要等待大约1s的时间，传感器才进入稳定工作状态。串行接口：DATA主要是用于温湿度传感器DHT11与单片机之间的通信与同步，它以单线（单线双向）的方式进行信息的传递，其数据由小数和整数两部分，5个字节（40位）为一个完整的数据传输，高位先出，其格式由高到低分别是湿度的1个字节的整数数据和8位小数数据，温度的1个字节的整数数据和8位小数数据、8位校验和。当数据正确时，其校验和数据为温湿度整数、小数之和的末8位。3.3.2温湿度采集电路上述DHT11温湿度传感器采用简化的单总线式，使用时只需一个端口与单片机的I/O口相连接，就可以完成数据的交换、控制。与单片机连接电路如图3-6：图3-6温湿度采集电路3.4液晶显示LCD1602在第2章已经简单介绍了LCD1602液晶显示屏。该模块内部存储了数字、字母、常用的字符等160个不同的点阵数字图案，每一个字符对应一个固定的代码。LCD1602引脚图如图3-7、电路图如图3-8：图3-7LCD1602引脚图图3-8LCD1602部分电路图表4引脚功能表引脚符号功能说明1GND接地2VDD接电源（+5V）3V0对比度调节在接上电源时对比度最小,接地电源时对比度最高(对比度太高的情况就出现图形不清楚,导致显示不清楚)。4RSRS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。5RWRW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。6EN使能端，下降沿使能。7D0双向数据总线8D1双向数据总线9D2双向数据总线10D3双向数据总线11D4双向数据总线12D5双向数据总线13D6双向数据总线14D7双向数据总线15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极表5寄存器选择控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读忙碌和读取位址计数器（D0～D6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据3.5蜂鸣器警报电路设计是电流通过电磁线圈时，使电磁线圈产生磁场，导致鼓膜的振动产生声音，这就是蜂鸣器的发声原理。因此需要一定的电流来驱动电磁线圈，产生磁场。但由于直接与单片机I/O口相连接I/O输出的电流太小，无法满足电路的驱动要求。因此，有必要增加一个放大电路。利用三极管连接单片机的I/O口，对蜂鸣器进行放大驱动。原理图如图3-8：图3-8蜂鸣器警报电路如上图所示，将蜂鸣器的“+”极连接到电源，“-”极与三极管的发射极相连，其基极通过电阻R9后由单片机的P3.6口控制。当P3.6输出电平为高，三极管关闭，此时没有电流流过电磁线圈，蜂鸣器不工作。当P3.6发送出的电平为低时，蜂鸣器处于通路状态,流过蜂鸣器的电流成回路，使电磁线圈产生磁效应,蜂鸣器工作发出声音。4系统程序设计4.1发送部分设计发送部分主要由STC89C52单片机、nRF24L01无线模块，DHT11温湿度传感器和外部电路组成。发送机将DHT11采集的温湿度数据通过nRF24L01发送到接受机。4.1.2nRF24L01发送数据在对nRF24L01无线模块和温湿度传感器DHT11初始化操作之后，单片机开始读取从DHT11采集的温度和湿度数据，并调用nRF24L01无线模块将温度和湿度数据发送到接收端，完成一次数据发送。发送部分流程图如图4-1：开始开始初始化nRF24L01循环采集温湿度数据是数值转换通过无线传输数据否图4-1发送部分流程图4.1.2DHT11温湿度采集设计首先将由单片机读取温湿度传感器采集到的温度和湿度数据。首先，DHT11通过发送启动信号和采集数据来判断DHT11是否正常工作。如果DHT11工作正常，将检查收集的数据。如果检查结果正确，所采集的温湿度数据将由单片机最小系统进行处理，然后送到LCD1602显示。DHT11温湿度采集流程图如下：开始开始给DHT11上电延时保持高电平检测记录信号输出低电平延时输出低电平数据输出图4-2DHT11温湿度采集流程图4.2接收部分程序设计STC89C52单片机、nRF24L01无线模块、LCD1602液晶显示器、蜂鸣器报警和外部电路组成了本系统的接收部分。接收机接收发射机通过nRF24L01无线模块发送温湿度数据，由LCD1602显示接收到的数据，并可以通过按键设置温湿度阈值，当超过设定值时，蜂鸣器开启警报。4.1.2nRF24L01接收数据在准备接收数据时，nRF24L01无线模块需要在初始化后配置为接收模式。延迟一定时间之后，转变为接收状态并等待数据的到来。延迟开始初始化nRF24L01延迟开始初始化nRF24L01配置为接收模式是否中断接收数据是否图4-3nRF24L01接收数据流程图4.1.2LCD1602显示数据LCD1602液晶显示模块在处理指令的过程相对于单片机的处理速度慢很多。因此当LCD1602正在处理单片机向其发送的指令时，如果MCU立即发送下一个新的指令，但是因为LCD1602没有完成之前的指令，它无法接收来自单片机的新指令，导致新指令丢失。因此，有必要确定LCD1602是否繁忙，以及它是否能够接收到单片机的新指令。LCD1602数据处理流程如图4-4、图4-5所示。否开始否开始LCD是否忙碌RS=1，RW=0EN=0，P0=cmd延时EN=1延时EN=0结束是图4-4写数据流程否开始否开始LCD是否忙碌RS=0，RW=0EN=0，P0=cmd延时EN=1延时EN=0结束是图4-5写指令流程在本设计接收机中，显示流程图如下图4-6：开始开始初始化LCD1602LCD是否忙碌否是否接收到数据数据转换数据显示返回是等待重新接收否是图4-6LCD1602显示数据流程图5元件的安装与系统调试5.1PCB板的制作（1）设计和绘制原理图，并根据原理图完成PCB图。（2）在制版前，将PCB图打印到热转印纸上。（3）利用制版机将PCB图转印到覆铜板上，其中要要保持纸平整不要有褶皱。（4）在腐蚀前检查转印到覆铜板的线路有没有断的情况，焊盘是否清晰，若有断线的情况，使用马克笔将断线处描清晰。（5）腐蚀板子，腐蚀过程注意手动加快水流有利于覆铜板的腐蚀。（6）打孔，注意打孔过程力度要适中，注意不要将焊盘打歪。（7）用万用表检查整体电路有无断路或短路。5.2元件的安装与焊接的注意问题（1）相邻元器件之间留有一定距离。（2）焊接集成芯片时，为防烧坏芯片，安装IC底座，将芯片插到IC底座上。（3）焊接二极管、三极管等注意电极极性。（4）元件安装遵循由低到高、由小到大的原则。（5）焊接前进行预热焊盘与元件。（6）不要将焊锡直接放于烙铁熔化，以避免冷焊。（7）焊接完后注意检查电路是否有虚焊5.3系统调试和功能测试整个系统包括发送和接收两部分，通过nRF24L01无线模块实现无线数据传输。发送部分以STC89C52为主，使用温湿度传感器DHT11实时采集温度和湿度，然后通过nRF24L01无线收发模块传输数据。将测量到的温度和湿度数值发送到接收部分，然后在LCD1602显示器上显示，达到实现远程监控的目的。实物功能测试如图5-1:图5-1实物功能测试测试数据如下表所示：表6温湿度测试数据测量值实际值误差温度（℃）湿度（%）温度（℃）湿度（%）温度（℃）湿度（%）20.07119.8680.2319.06618.3640.7231.04730.4440.6333.04232.1410.9135.04533.8411.24表7无线传输距离测试测试距离（米）是否有数据8有17有24有33有38无上述收发机的nRF24L01无线模块正常通信，LCD1602数据显示正常，蜂鸣器警报正常，经测试收发机的数据传输误差在预期之内，本系统最远传输距离为33米。6结论本设计是一种以单片机为核心控制的无线温湿数据传输系统。主要功能为实现短距离的数据收发。发送端由单片机、温湿度传感器、无线模块组成，接收端由单片机、显示模块、警报模块和无线模块组成。该系统能实时监测当前环境的温度和湿度，并将发送端检测的数据实时发送给接收端。本系统具有良好收发功能，它更适合在各种环境下实时监测温度和湿度；并在接收端配有显示模块，以更加直观的显示，实现更加方便的人机交互，收集的温度和湿度数据可显示在液晶屏幕上，并可根据所设定的温度阈值进行蜂鸣器警报。此设计使用温湿度传感器DHT11来采集温度和湿度数据。温度湿度传感器DHT11具有精度高、抗干扰能力强、电路设计简单等优点。当电缆长度达到数十米时，温度传感器仍能正常读取温度和湿度数据。此外，本设计采用nRF24l01无线传输模块完成温度和湿度数据的传输。使用无线传输可以消除由复杂布线引起的布线故障。在开始使用nRF24L01过程中的，也存在一些问题。例如，nRF24L01无线模块在单片机中的读、写和操作都很复杂，搜索到的资料信息也很难理解。此次毕业设计，从最初的选题开始至完成整个电路的设计，经历了很多困惑。本系统的创新之处在于，本设计具有良好的收发功能，可以通过接收端实时对观测环境内温湿度变化以减轻人力物力的需求、投入；并可根据设定的报警值执行蜂鸣器报警，避免高温、高湿度对生产造成不必要的损失；使用方法简单，易于新手操作，设备造价较低，符合国内消费水平，适合广泛推广。致谢随着毕业设计的完成，我的四年大学校园生活也接近了尾声。回顾这四年的光阴，不禁感慨时光荏苒，光阴似箭。回想起四年的学习生涯，对于那些引导、帮助、鼓励我的人，我充满了感激，他们给予我的关心和帮助让我永远铭记在心。在此向我亲爱的父母、所有教诲、帮助过我的老师、同学表示深深的感谢！其次，感谢在这四年中交给我知识，给予我帮助的老师们。是你们让我在大学中不迷茫，一步一步踏实往前走。在你们的指导下，我认真学习专业知识，阅读课外读物，拓宽自己的知识面，培养自己的动手能力。悉心指导我的毕业设计，正是因为您的悉心指导，我的毕业设计才能顺利按时完成。然后，我要感谢陪伴我走过四年大学生活的同学、朋友，是你们在我无助时，伸出双手拥抱我，给予我温暖，让我在困顿中重新拾起对生活的希望。在你们的陪伴下，我愉快地度过了大学四年的美好时光。感谢你们的对我的包容，鼓励。参考文献[1]魏二有.单片机应用系统设计与实现教程[M].北京：清华大学出版社，2014.[2]陈显平.传感器技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.[3]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2011.[4]李建忠.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.[5]谭浩强.C程序设计)[M].北京：清华大学出版社，2012.[6]李培江.电子线路CAD[M].北京：电子工业出版社，2014[7]张友德，赵志英，涂时亮.单片机微型机原理、应用与实验[M].上海：复旦大学出版社，1992.[8]刘树中，孙书膺，王春平.单片机和液晶显示驱动器串行接口的实现[J].微计算机信息，2011，02∶137～138.[9]杨学坤，蒋晓，诸刚.温室环境控制技术的研究现状与发展趋势[J].中国农机化学报，2013，4：16～18.[10]肖云方.温室大棚温湿度智能监控系统实现[M].信息技术与信息化，2018,(12)：80～83.[11]陈欢，秦怀宇，李旋.基于ZigBee技术的温湿度采集系统[M].电子测试，2018,(20)：9～11.[12]朱慧彦，林林.基于MCU和nRF24L01的无线通信系统设计[J].电子科技，2012，04：81—83+91.[13]邓昀，李朝庆，程小辉.基于物联网的智能家居远程无线监控系统设计[J].计算机应用，2017，37（1）：159－165.[14]卜永波.基于DHT11传感器的温湿度采集系统[J].计算机与现代化，2013，(11):133-135.[15]曹昌勇，贾伟建.基于AT89C52和DHT11数字式粮库温湿度监控系统设计[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2014，30(1):31-33.[16]王欢，黄晨.高精度无线环境温湿度测量系统设计研究[J].电子测量与仪器学报，2013，27(3):211-216.附录发送机原理图接收机原理图发送机PCB图接收机PCB图

发送机部分关键代码#include<reg52.h>#include"type.h"#include"nrf24l01.h"#include"DHT11.C"#include"ADC0832.H"unsignedcharL_dat=1;#include"LCD1602.H"unsignedcharcodeled[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf};unsignedcharTxBuf[20]={0};//发送数据的缓冲区unsignedcharRxBuf[20]={0}; //接受缓冲区unsignedcharflag;unsignedchardatadisdata[5];unsignedcharbdatasta;sbit RX_DR =sta^6;sbit TX_DS =sta^5;sbit MAX_RT =sta^4;voiddelay1ms(unsignedintms)//延时1毫秒（不够精确的）{ unsignedinti,j;for(i=0;i<ms;i++)for(j=0;j<100;j++);}voidser_init(){TMOD=0x20; //T1定时方式2SCON=0x40;//串行工作方式1PCON=0x00;//不加倍TH1=TL1=0xfd;TR1=1;REN=1;}voidsend(uchardat) //发送一字节{SBUF=dat;while(!TI);TI=0;}voidsenstring(char*s){while(*s) { send(*s++); }}voidmain(){ uintW_ad=0; uchari=0; TxBuf[0]=0x00; ser_init(); init_1602(); nRF24L01_Config(); //初始化NRF24L01 SPI_RW_Reg(FLUSH_TX,0); EX1=1; IT1=1; EA=1; while(1) { RH(); senstring("调试信息输出\r\n"); senstring("温度:"); send(U8T_data_H/10+'0'); send(U8T_data_H%10+'0'); senstring(""); senstring("湿度:")