溫濕度檢測設(shè)計畢業(yè)論文

1、第1章 緒論1、1研究的目的和意義隨著社會的進(jìn)步和生產(chǎn)需要，利用無線傳感進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的方式應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活各個方面。在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設(shè)備是否運行正常，因此需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個環(huán)境相對較好的操控室內(nèi)，這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題。由于廠房過大、需要傳輸數(shù)據(jù)過多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長的通訊線。這樣浪費資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯誤換線困難。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)采集點處于運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或時，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)收集。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不論是溫室大棚的溫濕度監(jiān)測，還是糧倉的管理，傳統(tǒng)

2、上都是采取分區(qū)取樣的人工方法。這樣工作量大，可靠性差，而且大棚和糧倉占地面積大，檢測目標(biāo)分散，測點較多。傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。在當(dāng)前的科技水平下，無線通信技術(shù)的發(fā)展使得溫度采集測量更加精確，簡便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平不斷的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室內(nèi)溫濕度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術(shù)采集室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫度情況進(jìn)行遙控通風(fēng)等操作。通過自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。 以上只是簡單列舉幾個現(xiàn)實的例子，在現(xiàn)實生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、機(jī)器人控制等許多

3、重要領(lǐng)域。而且類似于這種溫濕度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此，需要設(shè)計相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)傳輸，這樣的研究也變得更加有意義了1。1、2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在溫濕度采集設(shè)備出現(xiàn)以前，人們都是分別使用溫度計和濕度計進(jìn)行溫度、濕度的測量。最早的溫度計是于1953年意大利科學(xué)家伽利略（15641642）發(fā)明的。但該溫度計因熱脹冷縮的作用而受外界大氣壓強(qiáng)等環(huán)境因素的影響較大，所以測量的誤差較大。之后，法國人布利奧于1659年制造的溫度計已經(jīng)具備了現(xiàn)在溫度計的雛形。之后相繼出現(xiàn)了列氏

4、溫度計、華氏溫度計、攝氏溫度計。現(xiàn)在英、美國家多用華氏溫度，德國多用列氏溫度，中國、法國等大多數(shù)國家則多用攝氏溫度。15世紀(jì)在意大利里出生的里安納度是第一個想出使用一個簡易裝置量度出空氣中的水蒸氣含量，這是最早的有關(guān)濕度測量的記錄?，F(xiàn)在科學(xué)家使用一臺稱為的"psychrometer"儀器測量相對濕度。"psychrometer"由兩個綁在一起的溫度計夠成，用來進(jìn)行濕度的測量。國外集溫濕度采集于一體的技術(shù)早于我國，進(jìn)入21世紀(jì)以后，特別在我國加入到WTO后，國內(nèi)產(chǎn)品面臨巨大的挑戰(zhàn)。各行業(yè)特別是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)都急切地需要應(yīng)用電子技術(shù)、自動控制技術(shù)進(jìn)行改造和提升。我

5、國在逐步消化吸收國外有關(guān)技術(shù)之后，也發(fā)明制造了各類傳感器。按種類分有數(shù)字式溫濕度傳感器、無線溫濕度傳感器等，按應(yīng)用技術(shù)的不同來分有基于AT89C52的溫濕度采集設(shè)計、基于CAN總線智能溫濕度傳感器設(shè)計、基于AT89C52的溫濕度傳感器設(shè)計、基于MAX52102的電流型溫濕度智能傳感器設(shè)計等。1、3 傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國標(biāo)GB7665-87中將傳感器定義為能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，傳感器技術(shù)在國內(nèi)國外得到迅速的發(fā)展，作為信息、采集的手段，傳感器是現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不可或缺的重要組成部分。世界上許多的國家都將傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代

6、科技發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。我國在“十五”計劃中把傳感器微電子作為重點發(fā)展的項目。傳感器技術(shù)是信息、技術(shù)的二大基礎(chǔ)之一，自80年代起就得到了世界各國的重視。在今后的發(fā)展中，新材料的開發(fā)化、加上技術(shù)微精細(xì)化、多功能化、集成化、智能化、性能高穩(wěn)定、指標(biāo)高精度化、高可靠及網(wǎng)絡(luò)化將成為傳感器技術(shù)的研究重點。其中智能化和網(wǎng)絡(luò)化體現(xiàn)了多種技術(shù)的結(jié)合，是當(dāng)今國際研究的熱點之一。隨著網(wǎng)絡(luò)時代的進(jìn)步和信息化程度的不斷提高，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能傳感技術(shù)的結(jié)合日趨緊密，并由此產(chǎn)生了智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2。從傳感器技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，應(yīng)重視發(fā)展先進(jìn)的傳感器制造工藝技術(shù)，研制新型傳感器產(chǎn)品。當(dāng)前應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展MEMS工藝和微傳感器

7、，智能化技術(shù)和智能傳感器，集成工藝和集成傳感器，網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳感器3。傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性以及數(shù)據(jù)處理的能力一直是用戶最為關(guān)心的問題。因此，長期以來人們不斷致力于重新認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)新的物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象。試圖在開發(fā)新材料，發(fā)展微細(xì)加工技術(shù)，以求在傳感器硬件方面有更大的進(jìn)展。系統(tǒng)自動化程度的提高和復(fù)雜性的增加，使以微型計算機(jī)為基礎(chǔ)的測控系統(tǒng)需要傳感器提供數(shù)據(jù)以便做出實時決策，因而給傳感器的綜合精度、穩(wěn)定性、可靠性和響應(yīng)提出了越來越高的要求。目前，人們把微處理器智能技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用于傳感器。不再是僅僅依賴硬件的改進(jìn)，而是用存放于微處理器中功能強(qiáng)大的軟件對系統(tǒng)進(jìn)行非線性自動校正、

8、自校零、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)、自檢驗、抑制噪聲。此外，人工智能、專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等也加強(qiáng)了對傳感技術(shù)的影響，增強(qiáng)了傳感器的“智能化”功能。這就是智能傳感器(smart sensor)或智能換能器(smart transducer)。因而計算機(jī)的出現(xiàn)和微處理器技術(shù)應(yīng)用在傳感器是“dumb sensor”和“smart sensor”的分水嶺。將IP傳感器布置于測控現(xiàn)場，處于控制網(wǎng)絡(luò)中的最低級，其采集到的信息傳輸?shù)娇刂凭W(wǎng)絡(luò)中的分布智能節(jié)點，并由它處理，然后傳感器數(shù)據(jù)散發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點利用這些信息作出適當(dāng)決策，如操作執(zhí)行器、執(zhí)行算法4。集成電路和微機(jī)械工藝促進(jìn)了傳感器技術(shù)發(fā)展，改變了

9、傳感器作為單純的物理量轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)概念。目前，傳感器的發(fā)展主要集中于集成化和智能化兩個方面。集成電路和各種傳感器的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到了亞微米和深亞微米量級，由于非電子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其體積、重量、價格等。智能化是將傳感器(或傳感器陣列)與信號處理電路和控制電路集成于同一芯片上(或封裝在同一管殼內(nèi))。系統(tǒng)能夠通過電路進(jìn)行信號提取和信號處理，根據(jù)具體的情況自主地對整個傳感器系統(tǒng)進(jìn)行自檢、自校準(zhǔn)和自診斷。并且能根據(jù)待測物理量的大小及變化情況自動選擇量程和測量工作方式。和經(jīng)典的傳感器相比，集成智能傳感器能夠減小系統(tǒng)體積、降低制造成木、提高測量精度、增強(qiáng)傳感器功能，是目前國際上傳感器研究的熱

10、點，也是未來傳感器發(fā)展的主流方向5。1、4 智能溫室控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀近幾十年，隨著計算機(jī)、電子等方面相關(guān)工程技術(shù)的發(fā)展，設(shè)施園藝有了很快的發(fā)展。荷蘭人地矛盾非常突出，人口密度非常大，但是同時它的園藝、種苗、溫室設(shè)施設(shè)備等享譽(yù)世界，是世界上幾個農(nóng)產(chǎn)品出口最大的國家之一。1萬h的設(shè)施栽培，是荷蘭經(jīng)濟(jì)的主要支柱。荷蘭溫室結(jié)構(gòu)主要是文洛型。近年來，開始向大型化方向發(fā)展。0.5 h時以下的溫室越來越少。荷蘭的種苗行業(yè)十分的發(fā)達(dá)，種植者一般都不自己播種育苗，130多家種苗公司向種植者提供優(yōu)質(zhì)的種苗、種子。在溫室結(jié)構(gòu)、計算機(jī)控制、機(jī)械化、自動化方面的技術(shù)、設(shè)備開發(fā)以及農(nóng)產(chǎn)品的分級、包裝、運輸?shù)确矫娲笮蜏厥夜?/p>

11、司起著非常重要的作用，促進(jìn)了設(shè)施園藝的發(fā)展。荷蘭的de Wit學(xué)派，在基于作物生長模型的溫室控制系統(tǒng)方面提出一系列的控制模型理論。以色列由于其惡劣的自然條件，人力發(fā)展了設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)，尤其在微灌沒施及控制領(lǐng)域，處于世界領(lǐng)先的地位。是世界上首個具有一定實際應(yīng)用價值溫室作物模型是該國科研人員的研究成果，在溫室專用作物品種的開發(fā)研究方面，也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。美國設(shè)施園藝是從二戰(zhàn)后開始發(fā)展的，在其強(qiáng)大的工業(yè)技術(shù)支撐下，從20世紀(jì)90年代以后，又有了較大的發(fā)展。在設(shè)施專用品種、溫室降溫設(shè)備、環(huán)境控制的傳感器設(shè)備等方面均處于世界領(lǐng)先地位。在國家相關(guān)部門的支持下，其在作物生長模型及配套的控制系統(tǒng)方面都有了很大的

12、進(jìn)步。日本溫室主要以塑料溫室為主，因而日本塑料行業(yè)也非常發(fā)達(dá)。在溫室內(nèi)配套的小型農(nóng)用機(jī)具方面，日本的產(chǎn)品在國際市場上有一定的地位。通過計算機(jī)控制溫度、濕度、C02、肥料等設(shè)備(日本稱為“植物工廠”)，已在日本普及。另外，法國、西班牙、英國、韓國、加拿大、澳大利亞等國的設(shè)施農(nóng)業(yè)都是相對發(fā)達(dá)的。部分國家在設(shè)施園藝領(lǐng)域還開展了國際合作，并且取得了一定的成果。隨著近年來國家相關(guān)科研項目的啟動，在吸收國外先進(jìn)技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)方面有了較快的發(fā)展，設(shè)施面積和設(shè)施水平也在不斷的提高。在產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展態(tài)勢良好，溫室結(jié)構(gòu)與設(shè)備研究達(dá)到了相當(dāng)高的水平16，溫室作物與環(huán)境模型的研究近年來也有不少的文獻(xiàn)

13、報道17。在溫室環(huán)境控制設(shè)備以及技術(shù)方面，浙江大學(xué)、中吉林大學(xué)、國農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等也在基于單片機(jī)應(yīng)用條件下的工業(yè)現(xiàn)場控制總線技術(shù),分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)及接口技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)等方面的技術(shù)在溫室中的應(yīng)用作了大量的研究，并取得了一定的成就。國產(chǎn)的溫室控制系統(tǒng)也開始在一些農(nóng)業(yè)園區(qū)中使用。第2章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1總體方案設(shè)計本設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。包括：主機(jī)模塊、通訊轉(zhuǎn)換模塊及溫濕度傳感器節(jié)點模塊。其中，主機(jī)模塊與通訊轉(zhuǎn)換模塊之間通過基于Modbus ASCII協(xié)議的RS485總線進(jìn)行通訊，而通訊轉(zhuǎn)換模塊與各溫濕度傳感器節(jié)點間通過無線Modbus ASCII協(xié)議進(jìn)行通訊。圖2

14、.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖主機(jī)模塊作為溫濕度數(shù)據(jù)的集中顯示和存儲裝置，同時還作為與通訊轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行溝通時的上位機(jī)，每5s向下位機(jī)發(fā)出采樣指令，從而獲得各個節(jié)點的溫濕度狀況，但主機(jī)模塊與傳感器節(jié)點間并無直接的數(shù)據(jù)往來。通訊轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)直接與傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通訊，充當(dāng)該無線通訊網(wǎng)絡(luò)中的上位機(jī)，它將直接對各個傳感器節(jié)點發(fā)出采樣命令，并將全部溫濕度數(shù)據(jù)封裝成一定的格式上傳至主機(jī)模塊。傳感器節(jié)點在整個通訊網(wǎng)絡(luò)中，級別最低，且各個節(jié)點間沒有相互通訊，僅負(fù)責(zé)對所處空間處的溫濕度進(jìn)行頻率為0.5Hz的采樣，并在接收到通訊轉(zhuǎn)換模塊的采樣命令后，將該溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。2.2 主機(jī)模塊設(shè)計 主機(jī)模塊是整個系統(tǒng)的核心控

15、制單元，負(fù)責(zé)溫濕度及相關(guān)信息的集中顯示、存儲，觸發(fā)信號采樣、Modbus 協(xié)議維護(hù)等工作。本設(shè)計采用HMI（人機(jī)界面）作為主機(jī)模塊的核心元件。HMI具有編程組態(tài)化，顯示信息簡潔明了，信息存儲方便，通訊協(xié)議二次開發(fā)難度低等特點，非常適合具有一定人機(jī)交互需求場合下的信息集中顯示和存儲。2.2.1 HMI選型及基本特性考慮到成本、延續(xù)性、配置難易程度等因素，本設(shè)計選用威綸通公司的MT6071系列HMI作為本系統(tǒng)的主控模塊，如圖2.2所示。圖2.2 MT6071產(chǎn)品圖片MT6071具有如下基本特性:【多連接】三組獨立串口，支持與三種不同協(xié)議的控制器同時通訊，一屏多機(jī)；【高配置】搭載Cortex A8

16、600MHz CPU和128MB內(nèi)存，運行快速；【視覺性】業(yè)界最高1600萬色的高彩度顯示，完美呈現(xiàn)；【輕量化】全新灰白雙色外觀與薄型輕量化機(jī)身，愛不釋手；【兼容性】工程文件、安裝開孔、通訊連接可完好兼容舊有機(jī)型，升級無憂；【穩(wěn)定性】內(nèi)置電源隔離，有效抑制電源浪涌和異常地電流，增強(qiáng)HMI現(xiàn)場運行穩(wěn)定性；【易用性】適用EasyBuilder Pro組態(tài)軟件，擁有流動塊、分期付款、操作記錄、配方數(shù)據(jù)庫等新功能，簡單易用；顯示器7 TFT分辨率800 x 480亮度 350對比度500:1背光類型LED背光壽命>30,000 小時顯示色彩24 bits觸控面板類型四線電阻式

17、觸控精度動作區(qū) 長度(X)2%,寬度 (Y)2%存儲器閃存 (Flash)128MB內(nèi)存(RAM)128MB處理器Cortex A8 32Bit RISC 600MHzI/O接口USB HostUSB 2.0 x 1USB ClientUSB 2.0 x 1串行接口Com1: RS-232，COM2：RS-485 2w/4w，Com3:RS-485 2w萬年歷內(nèi)置電源輸入電源24±20%VDC功耗350mA24V電源隔離   內(nèi)置耐電壓500VAC (1 分鐘)絕緣阻抗超過50M500VDC耐震動10 to 25Hz (X,

18、Y,Z 方向2G30 分鐘)規(guī)格外殼材質(zhì)    工程塑料外形尺寸 WxHxD200.3 x146.3 x 34mm開孔尺寸192 x 138mm重量約 0.6 kg操作環(huán)境防護(hù)等級IP65 前面板防護(hù)等級存儲環(huán)境溫度-20 60C (-4 140F)使用環(huán)境溫度0 50C(32 122F)使用環(huán)境濕度10% 90% RH (無冷凝)認(rèn)證符合CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)軟件EasyBuilder Pro V3.00.01 或更新軟件版本2.2.2 HMI的硬件設(shè)置1）撥碼開關(guān)設(shè)定圖2.3撥碼開關(guān)在MT6071投入

19、使用前，需對其工作模式進(jìn)行選擇，可通過其背后的撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)定，如圖2.3所示工作模式的組合如表1所示。首次使用時，應(yīng)將撥碼置于1000模式，對屏幕進(jìn)行觸控校正。校正完成后，將撥碼置于0000模式，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。SW1SW2SW3SW4模式ONOFFOFFOFF屏幕觸控校正模式OFFONOFFOFF隱藏系統(tǒng)設(shè)定列OFFOFFONOFFBoot 加載模式OFFOFFOFFON開啟前面板電源開關(guān)OFFOFFOFFOFF正常模式表1工作模式組合2）通訊端口設(shè)定MT6071在硬件上只具有兩套物理異步串行通訊端口，但可通過軟件配置成多種通訊端口類型。其中一組9針D型公頭COM口的配置如表2所示，另一

20、組9針D型母頭COM口的配置如表3所示。引腳編號COM1RS-232COM2RS-2321NANA2NANA3RXDNA4TXDTXD5GNDGND6NARXD7RTSNA8CTSNA9NANA表2 公頭配置注：其中NA為未指定引腳編號COM1RS-4852WCOM1RS-4854WCOM3RS-4852WCOM3RS-2321Data-Rx-NANA2Data+Rx+NANA3NATx-NANA4NATx+NANA5GNDGNDGNDGND6NANAData-NA7NANANATXD8NANANARXD9NANAData+NA表3 母頭配置注：其中NA為未指定從抗干擾能力及通訊模式（半雙工）

21、的角度考慮，本設(shè)計選用母頭中的COM3（2線制RS485模式）作為異步串行通訊端口，即9針插座的第6針作為信號負(fù)，第9針作為信號正。2.3通訊轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計本系統(tǒng)通過RS485將通訊轉(zhuǎn)換模塊與主機(jī)模塊建立聯(lián)系，從而將溫濕度信號顯示出來。2.3.1 RS485通訊及收發(fā)器芯片MAX487的基本特性1）RS485通訊當(dāng)以高數(shù)據(jù)速率或者長距離進(jìn)行通信時，差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸可在大多數(shù)應(yīng)用中提供優(yōu)良的性能。差分信號有助于消除在網(wǎng)絡(luò)中作為共模電壓出現(xiàn)的接地偏移和感應(yīng)噪聲信號的影響。RS485符合真正多點通信網(wǎng)絡(luò)要求，并且該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在一條單總線（2線）上支持32個驅(qū)動器和32個接收器。有些RS485收發(fā)器修改輸入阻

22、抗以便允許將多達(dá)8倍以上的節(jié)點數(shù)連接到相同總線。RS485最常見的應(yīng)用是在工業(yè)環(huán)境下可編程邏輯控制器內(nèi)部之間的通信。RS485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(0.26)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(0.26)V表示。接口信號電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps?？紤]到工業(yè)上的儀器儀表常見的通訊接口即為RS485接口，本設(shè)計也采用了RS485作為驅(qū)動模塊與主機(jī)模塊間的通訊接口，以達(dá)到良好的擴(kuò)展性能。2） 收發(fā)器芯片MAX487的基本特性本設(shè)計所選用的美信公司的SOIC封裝的MAX487作為RS485收發(fā)器芯片。該芯片為

23、的工作原理如下：MAX487是用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器。MAX487具有限擺率驅(qū)動器，可以減小EMI，并降低由不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實現(xiàn)最高250kbps的無差錯數(shù)據(jù)傳輸。該收發(fā)器在驅(qū)動器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120µA至500µA之間。另外，MAX487具有低電流關(guān)斷模式，僅消耗0.1µA。所有器件都工作在5V單電源下。驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出

24、。MAX487具有1/4單位負(fù)載的接收器輸入阻抗，使得總線上最多可以有128個MAX487收發(fā)器。MAX487為半雙工應(yīng)用設(shè)計。MAX487的引腳分布如圖3.2所示。圖3.2MAX487引腳分布2.3.2單片機(jī)的特性1） 單片機(jī)的選取首先考慮采用統(tǒng)的AT89C51單片機(jī)作為主控芯片，此芯片價格便宜，操作簡單，低功耗，比較經(jīng)濟(jì)實惠1，但51系列的產(chǎn)品線過于單一，封裝形式，內(nèi)部存儲器，外圍模塊等配置方式缺乏靈活性。因此排除此款單片機(jī)，故而采用美國Microchip公司的PIC16F1829單片機(jī)。該單片機(jī)具有低功耗，封裝形式多樣，振蕩器配置靈活，內(nèi)部模塊資源豐富等優(yōu)點，非常適合搭建無線智能傳感器節(jié)

25、點。因此采用PIC16F1829單片機(jī)作為主控單片機(jī)。2） PIC16F1829的基本特性一、具有高性能的RISC1. 僅需學(xué)習(xí)49條指令2. 帶有自動現(xiàn)場保護(hù)的中斷功能二、靈活的振蕩器結(jié)構(gòu)1. 高精度32 MHz內(nèi)部振蕩器模塊2. 種晶振模式，頻率最高為32MHz三、采用nanoWatt XLP 的超低功耗管理四、電氣特性1. 較寬的工作電壓范圍：1.85.5V2. 高灌/ 拉電流：25 mA/25 mA3. 內(nèi)部弱上拉五、豐富的片內(nèi)資源1. 內(nèi)置8通道10位ADC模塊2. 兩個獨立的模擬比較器模塊3. 4組8位定時/計數(shù)器，1組16位定時/計數(shù)器4. 1組UART端口5. 8KB片內(nèi)程序存

26、儲器，1024字節(jié)片內(nèi)SRAM，256字節(jié)片內(nèi)EEPROM6. 20引腳的芯片封裝形式，17個具有復(fù)用功能的I/O引腳和1個僅用作輸入的引腳3） PIC16F1829引腳及各引腳功能如圖3.3，3.4所示 圖3.4 PIC16F1829各引腳功能2.3.3轉(zhuǎn)換模塊電路圖轉(zhuǎn)換模塊電路如圖3.5所示 圖3.5 轉(zhuǎn)換模塊電路圖2.4傳感器節(jié)點模塊設(shè)計2.4.1溫濕度傳感器模塊1、 溫濕度傳感器選擇依據(jù)SHT11的濕度檢測運用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳

27、感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個單一的個體，因而測量精度較高且可精確得出露點，同時不會產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。COMSENETM技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲器、標(biāo)準(zhǔn)12總線等電路全部集成在一個芯片內(nèi)。該溫濕度傳感器功能強(qiáng)大，且具有高度的可靠性和長時間的穩(wěn)定性等特點，價格也相對低廉，所以完全符合本次設(shè)計系統(tǒng)的需要。2、 傳感器的工作原理 SHT11的每一個傳感器都是在極為精確的濕度室中校準(zhǔn)的。SHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對濕度和溫度傳感器與一個14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫濕度

28、值送給二線I2C總線器件，從而將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為符合I2C總線協(xié)議的串行數(shù)字信號。 由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號強(qiáng)度的增加增強(qiáng)了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性，而A/D轉(zhuǎn)換的同時完成，則降低了傳感器對干擾噪聲的敏感程度。其次在傳感器芯片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了每一只濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性。最后，傳感器可直接通過12C總線與任何類型的微處理器、微控制器系統(tǒng)連接，從而減少了接口電路的硬件成本，簡化了接口方式。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.1所示 圖4.1 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3、 傳感器的特性

29、（1） 將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技術(shù)）； （2） 可給出全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出； （3） 帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線數(shù)字輸出接口； （4） （4）具有露點值計算輸出功能；（5） 具有卓越的長期穩(wěn)定性； （6）濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位； （7）小體積（7.65x5.08x23.5mm），可表面貼裝； （8）具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗功能； （9）片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證100%互換性; （10）電源電壓范圍為2.45.5V; （11）電流消耗,測量時為550A，平均為28A，

30、休眠時為3A。5、傳感器的引腳及功能傳感器的引腳如圖4.2所示 各引腳功能如下：（1） GND：接地端； （2） （2）DATA：雙向串行數(shù)據(jù)線； （3） （3）SCK：串行時鐘輸入； （4） （4）VDD電源端：0.45.5V電源端； （5） （58）NC：空管腳碼。6、 與單片機(jī)連接電路SHT11與單片機(jī)連接電路如圖4.3所示。其中引腳2連接上拉電阻后與單片機(jī)引腳17相連，引腳3連接上拉電阻后與單片機(jī)引腳16相連。 圖4.3 SHT11與單片機(jī)連接圖2.4.2收發(fā)器NRF24L01的特性1、 收發(fā)器NRF24L01的選擇依據(jù)nRF24L01 是一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM

31、頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。且具有極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm 時，電流消耗為9.0mA， 接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。nRF24L01不需要復(fù)雜的通信協(xié)議且完全對用戶開放，僅通過一個標(biāo)準(zhǔn)的同步串行總線接口與外圍控制器連接，同系列產(chǎn)品之間可以自由通信，并且比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF24L01是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片9。基于以上特點，該無

32、線傳輸模塊滿足本次設(shè)計的需要。2、NRF24L01的主要特性1、GFSK調(diào)制，硬件集成OSI鏈路層； 2、具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能； 3、片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼； 4、數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb/s；5、SPI速率為0 Mb/s10 Mb/s；6、125個頻道與其他nRF24系列射頻器件相兼容； 7、QFN20引腳4 mm×4 mm封裝；8、供電電壓為1.9 V3.6 V；3、 NRF24L01引腳分布NRF24L01引腳分布如圖5.1所示，各引腳功能如表1所示 圖5.1 NRF24L01引腳圖引腳 名稱引腳功能 描述1CE 數(shù)字輸入RX 或TX 模式選擇2CSN

33、數(shù)字輸入SPI 片選信號3SCK 數(shù)字輸入SPI 時鐘4MOSI 數(shù)字輸入從SPI 數(shù)據(jù)輸入腳5MISO 數(shù)字輸出從SPI 數(shù)據(jù)輸出腳6IRQ 數(shù)字輸出可屏蔽中斷腳7VDD電源電源+3V8VSS電源接地0V9XC2模擬輸出晶體震蕩器2 腳10XC1模擬輸入晶體震蕩器1 腳/外部時鐘輸入腳11VDD_PA電源輸出給RF 的功率放大器提供的+1.8V 電源12ANT1天線天線接口113ANT2天線天線接口214VSS電源接地0V15VDD電源電源+3V16IREF模擬輸入?yún)⒖茧娏?7VSS電源接地0V18VDD電源電源+3V19DVDD電源輸出去耦電路電源正極端20VSS電源接地0V 表1 NRF

34、24L01各引腳功能分布表4、 工作模式通過配置寄存器可將NRF24L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，其工作模式如表2所示。模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在TX FIFO 寄存器中發(fā)射模式1010停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式2101TX_FIFO為空待機(jī)模式11-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦?- 表2 NRF24L01工作模式待機(jī)模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；待機(jī)模式2則是在當(dāng)FIFO寄存器為空且CE=1時進(jìn)入此模式；待機(jī)模式下，所有配置字仍然保留。在掉電模式下電流損耗最小，

35、同時NRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。5、 工作原理 發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將NRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入NRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10s，延遲130s后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應(yīng)答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號（自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TX FIFO中清除

36、;若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時,若CE為低則NRF24L01進(jìn)入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。 接收數(shù)據(jù)時,首先將NRF24L01配置為接收模式，接著延遲130s進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包存儲在RX FIFO中，同時中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中

37、斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。在寫寄存器之前一定要進(jìn)入待機(jī)模式或掉電模式。SPI操作及時序如圖5.2,5.3所示。 圖5.2 SPI讀操作 圖5.3 SPI寫操作6、 配置字SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個，使用時這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給MCU。 nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。nRF24L01 的