《一個(gè)基于ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)》8800字【論文】

一個(gè)基于ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u9670一個(gè)基于ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 124922第1章引言 162891.1課題研究背景和意義 1186341.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 215225第2章室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 327002.1設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 3216022.2室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 431692.2.1ZigBee通信技術(shù) 4132582.2室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 624461第3章室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 614693.1系統(tǒng)硬件選型 6103543.1.1ZigBee芯片 629293.1.2溫濕度傳感器 782683.1.3光敏電阻 827303.1.4煙霧傳感器 9269963.2硬件電路設(shè)計(jì) 10269683.2.1電源接口電路 10294613.2.2電源穩(wěn)壓電路 10243363.2.3E18-MS1核心板電路 11202863.2.4蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 11131253.2.5按鍵電路 12139943.2.6LED指示燈電路 12303303.2.8接口電路 134033第4章室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 1521946結(jié)論 17第1章引言1.1課題研究背景和意義近幾年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的非常迅速，逐漸開始向工業(yè)化轉(zhuǎn)變，但由于向工業(yè)化轉(zhuǎn)型時(shí)產(chǎn)生了新的污染物，導(dǎo)致污染類型多樣化。傳統(tǒng)的污染物沒有得到很好的處理，與此同時(shí)新的污染物也層出不窮，大大增加了處理的難度，處理情況非常不好。很多城市的污染物無法得到妥善處理，導(dǎo)致環(huán)境污染加重，同時(shí)，人們?nèi)粘Ｉ钪兄圃斓睦矊Νh(huán)境造成了污染，于是垃圾焚燒又產(chǎn)生了新的污染物，導(dǎo)致空氣質(zhì)量降低，霧霾天氣頻頻出現(xiàn)。許多城市的PM2.5值超標(biāo)，導(dǎo)致空氣質(zhì)量變得也不好了，給人們的生活帶來極大的不方便，生活質(zhì)量大大降低。室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接影響到人體健康，而室外環(huán)境的惡劣又會(huì)影響室內(nèi)空氣質(zhì)量，對人們的身體不好，容易生病。隨著霧霾天氣的增加，越來越多的人們選擇在室內(nèi)度過，而在人比較多且空間又相對封閉的地方，比如白天待的辦公室、上課的教室、人流量比較大的商場等地方，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，會(huì)對我們的身體產(chǎn)生不同程度的影響從而危害我們的身體健康。對室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控可以為室內(nèi)環(huán)境預(yù)警和改善提供有效數(shù)據(jù)，因此對室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究就變得尤為重要。ZigBee技術(shù)具有應(yīng)用靈活、距離短、自組網(wǎng)、簡單、耗能少、花錢少等特點(diǎn)。而且ZigBee模塊還可以集成到其他設(shè)備中，是室內(nèi)監(jiān)測的理想選擇。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究起步較早，20世紀(jì)70年代開始，一些發(fā)達(dá)國家就實(shí)施了室內(nèi)環(huán)境污染監(jiān)測。隨著單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究得到了迅速的發(fā)展。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀器在美國、韓國、日本等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較早，但該系統(tǒng)存在覆蓋率低、成本高、數(shù)據(jù)采集精度低等缺點(diǎn)。所以后來人們開始使用有線網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，但在使用過程中我們又發(fā)現(xiàn)這種有線網(wǎng)絡(luò)同樣也有缺點(diǎn)比如布線復(fù)雜、維護(hù)困難等，因此人們又開始將關(guān)注點(diǎn)放到了無線網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境的監(jiān)測上，二十世紀(jì)90年代末，國外開始了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信存在組網(wǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)，加上多年來對無線網(wǎng)絡(luò)通信的不斷的探索、創(chuàng)新和發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、建筑、醫(yī)療等監(jiān)測范圍，當(dāng)然相對于有限網(wǎng)絡(luò)的布線復(fù)雜及維護(hù)困難，無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的靈便性也更讓人們滿意，于是無線網(wǎng)絡(luò)通信也漸漸的被應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測中。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究開始的比較晚，但是發(fā)展的很快，也在這一領(lǐng)域取得了不少突破，監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從有線網(wǎng)絡(luò)到無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。1985年，國內(nèi)的一些城市對空氣質(zhì)量的要求不斷提高，開始關(guān)注起了大氣環(huán)境，于是一些城市開始對大氣環(huán)境進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，但即使監(jiān)測了大氣環(huán)境卻一直沒有開展對室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測。與此同時(shí)我國也一直沒有自主研發(fā)出屬于自己的自動(dòng)監(jiān)控裝置，所以當(dāng)時(shí)我國需要從國外進(jìn)口這些環(huán)境監(jiān)控設(shè)備，但是從國外購買這些設(shè)備費(fèi)用比較高，而且不光購買設(shè)備價(jià)格不菲，設(shè)備的維護(hù)價(jià)格同樣不低。1992年，我國開始嘗試建立獨(dú)屬于我們中國人的空氣監(jiān)測系統(tǒng)和可以評(píng)估此系統(tǒng)的在線評(píng)估功能。但是因?yàn)檎芾磔^松、在這方面的費(fèi)用也有點(diǎn)捉襟見肘、設(shè)備較少、專業(yè)人員也不多，比較匱乏，導(dǎo)致這些通過空氣檢測系統(tǒng)得到的環(huán)境參數(shù)等的數(shù)據(jù)沒有被充分利用。在剛進(jìn)入21世紀(jì)的時(shí)候，我國還需要從國外引進(jìn)空氣質(zhì)量控制設(shè)備，但是現(xiàn)在我國已開始建立自己的空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)，此外，我國研制的空氣質(zhì)量檢測裝置已在部分省市使用。在我國監(jiān)測設(shè)備主要有兩種：一種是遠(yuǎn)程空氣監(jiān)測，另一種是干空氣自動(dòng)化。第2章室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求1.設(shè)計(jì)內(nèi)容建立室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測無線傳感器，確定采集終端也就是傳感器節(jié)點(diǎn)，采集室內(nèi)環(huán)境光照、煙霧和溫濕度等數(shù)據(jù)；根據(jù)通信范圍設(shè)置路由節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee把收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器并用協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，讓路由節(jié)點(diǎn)與終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，接收之后自行處置并且顯示相關(guān)內(nèi)容。2.技術(shù)要求溫度測量范圍為-40～100℃，精度為±0.5℃，煙霧濃度為100ppm～10000ppm。3.工作要求了解室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀；熟悉ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、路由算法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；掌握ZigBee通信協(xié)議；掌握CC2530或其他ZigBee芯片的工作原理，掌握各關(guān)健參數(shù)的測量方法及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建。2.2室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)2.2.1ZigBee通信技術(shù)一、ZigBee技術(shù)概述ZigBee技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種，也是本文涉及到的主要技術(shù)之一。它是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，具有成本低、功耗低、容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee耗能少，一塊電池可以用好幾年，傳輸距離可從幾十米擴(kuò)展到幾百米，這樣的傳輸距離和低成本完全符合室內(nèi)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線組網(wǎng)通信。近幾年它已經(jīng)廣泛應(yīng)用在智能家居、工業(yè)控制設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)視設(shè)備等領(lǐng)域中，發(fā)展范圍不斷擴(kuò)大。下面從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議棧結(jié)構(gòu)三個(gè)方面作更為詳細(xì)的介紹。如圖2.1所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)三部分。協(xié)調(diào)器可以作創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)用。路由器是用來在網(wǎng)絡(luò)中增添新節(jié)點(diǎn)的，并且它還需要負(fù)責(zé)管理和維護(hù)這些節(jié)點(diǎn)，并將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。終端節(jié)點(diǎn)無法維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。它存在于ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪┒耍渲饕蝿?wù)是安裝數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持全功能（FFD）和簡化功能（RFD）設(shè)備。以上三個(gè)邏輯設(shè)備屬于不同的物理設(shè)備。ieee802.15.4協(xié)議的功能，除了FFD其他設(shè)備都不支持ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備通信，RFD只和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信，其他都不行，路由器和終端節(jié)點(diǎn)由于不能形成網(wǎng)絡(luò)而成為RFD。二、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee的自組網(wǎng)能力特別厲害，它可以形成星型、樹型及網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2.2所示。每一種ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有它們自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢。圖2.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(1）星型拓?fù)涫亲詈唵蔚囊环N形式，是由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一系列終端節(jié)點(diǎn)組成的。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不能與除了協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)以外的其他終端節(jié)點(diǎn)建立通信。所以為了能夠正常通信，傳輸信息時(shí)兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)中間必須存在一個(gè)坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)。因此，星型網(wǎng)絡(luò)具有中心節(jié)點(diǎn)繁重的缺點(diǎn)。星型網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、管理方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小型網(wǎng)絡(luò)中。(2）樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里面含有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、一系列路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)以及樹網(wǎng)絡(luò)中除根節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)必須與同一父節(jié)點(diǎn)或兩個(gè)節(jié)點(diǎn)與同一子節(jié)點(diǎn)通信，則信息的傳輸通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。樹木網(wǎng)的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差。如果節(jié)點(diǎn)被分隔，則節(jié)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)將與網(wǎng)絡(luò)分離。優(yōu)點(diǎn)是所需資源較少，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大。(3)網(wǎng)狀拓?fù)溆梢粋€(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、一系列路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。相比于前面兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在使用靈活方便、舒適，路由節(jié)點(diǎn)可以直接進(jìn)行通信，使信息通信加快，減少了網(wǎng)絡(luò)故障。三、ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧由一組稱為層的模塊組成。每個(gè)層必須執(zhí)行一系列服務(wù)，來為上層提供特定功能。ZigBee協(xié)議棧由物理層和媒體訪問管理控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層四個(gè)層組成。IEEE802.15.4定義了物理層和媒體訪問控制層，ZigBee定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)規(guī)范。如圖2.3所示。(1)物理層(PHY)物理層位于協(xié)議棧的最基層，協(xié)議棧由物理層訪問節(jié)點(diǎn)（SAP）和物理層管理實(shí)體（plme）組成。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP-PD）為該層的數(shù)據(jù)提供服務(wù)；物理位置數(shù)據(jù)服務(wù)（sappd）的接入點(diǎn)為位置數(shù)據(jù)提供服務(wù)；它通過服務(wù)接入點(diǎn)（sapplme）提供物理層管理服務(wù)(2）媒體訪問控制層(MAC)MAC的主要功能有:完成個(gè)域網(wǎng)的關(guān)涉和撤銷;利用CSMA-CA建制處理信道間的抵觸;發(fā)送信標(biāo)或檢測、追蹤信標(biāo);處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制;創(chuàng)立的連接和斷開;安全機(jī)制等。(3）網(wǎng)絡(luò)層(NWK)NWK是整個(gè)協(xié)議棧架構(gòu)的核心，同時(shí)兼容了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)具有可升級(jí)和可靠性的特點(diǎn)，使MAC可以正常工作。網(wǎng)絡(luò)層NWK的主要功能有:選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并組建網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)形成后維持網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行;管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的入網(wǎng)與退出:為其他協(xié)議層提供相關(guān)服務(wù)﹔管理路由信息等。(4）應(yīng)用層(APL)APL由三個(gè)主要組件組成：應(yīng)用程序開發(fā)人員支持子層（APS）、ZigBee開發(fā)人員對象（ZDO）和其他定制的開發(fā)人員應(yīng)用程序。從圖2.3可以清楚地看到,每個(gè)設(shè)備都可以定義為240個(gè)相對獨(dú)立的應(yīng)用對象，每個(gè)應(yīng)用對象都對應(yīng)著1到240的一個(gè)地址號(hào)，不能重復(fù)。通過apsde-sap直接接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),另外這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上還存在著兩個(gè)帶寬的附帶終端節(jié)點(diǎn):接口為端點(diǎn)0和輸出端點(diǎn)255,作為zdo的數(shù)據(jù)和信息接口，它為所有要傳遞給客戶端的應(yīng)用程序?qū)ο筇峁?shù)據(jù)。2.2室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由前端信息系統(tǒng)和信息監(jiān)測管理兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要由以CC2530為芯片的終端構(gòu)成，將移動(dòng)式傳感器連接在zigbee終端上,通過程序控制設(shè)備進(jìn)行zigbee終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集,設(shè)備把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸后發(fā)至zigbee協(xié)調(diào)器設(shè)備,采用zigbee技術(shù)在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)。CC2530集成了時(shí)鐘控制芯片、MCU接口控制電路、射頻輸入輸出匹配電路等，通過在任意位置插入傳感器，可以形成一個(gè)寬而深的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控主要是根據(jù)室內(nèi)的空氣溫度,濕度﹑煙霧濃度、光照強(qiáng)度,默許情況下每隔一秒鐘就可以采集一次。第3章室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件選型3.1.1ZigBee芯片作為一種穩(wěn)定的無線協(xié)議，ZigBee得到了大量芯片的支持。最常見的ZigBee型號(hào)是CC2430、CC2530和其他ZigBee嵌入式芯片。CC系列是德州儀器公司開發(fā)生產(chǎn)的一系列嵌入式芯片。本系列產(chǎn)品不僅包括對ZigBee協(xié)議的無線支持，還包括cc2541等機(jī)型，其中CC2541支持完整的藍(lán)牙協(xié)議棧。本設(shè)計(jì)主要研究基于ZigBee的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。CC2430是TI公司推出的第一代ZigBee協(xié)議棧集成芯片。它只支持64K的ROM程序空間和1K的RAM隨機(jī)存取空間。對于更完善的ZigBee協(xié)議棧，對程序空間和隨機(jī)存取空間的需求大于CC2430，CC2430沒有選擇條件。第二代ZigBee嵌入式芯片CC2530與CC2430相比，它在程序空間和隨機(jī)空間上有很大的改進(jìn)。例如，它支持256KB的ROM程序空間和8K的RAM隨機(jī)存取空間。升級(jí)的主要目的是為了滿足日益增長的ZigBee協(xié)議的軟件需求?？紤]到產(chǎn)品的快速發(fā)展和信息的完整性，選擇CC2530作為ZigBee的主力控芯片用以滿足設(shè)計(jì)要求。3.1.2溫濕度傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種具有數(shù)字校準(zhǔn)功能的溫濕度組合傳感器，為了保證我們的產(chǎn)品的良好性能，它有著專門的檢測技術(shù)，比如數(shù)字模塊的檢測和溫濕度模塊的檢測，該傳感器由電容式濕度傳感器和NTC溫度傳感器組成還連著一個(gè)功能非常強(qiáng)大的8位單片機(jī)。DHT11與DS18B20相比，DHT11可以檢測溫度和濕度。每個(gè)DHT11傳感器都會(huì)放在一個(gè)在高精度的濕度校準(zhǔn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。這時(shí)校準(zhǔn)系數(shù)就可以當(dāng)作程序存儲(chǔ)在OTP存儲(chǔ)器中，然后用這個(gè)處理來自統(tǒng)一串行接口的數(shù)據(jù)。串行接口讓系統(tǒng)集成變得方便快捷，又因?yàn)樗捏w積小，耗能也少，信號(hào)可以傳很遠(yuǎn)傳，所以在很多的情況下都可以很實(shí)用，是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。傳感器外形封裝圖如圖3.1所示：圖3.1DHT11溫濕度傳感器外形封裝圖DHT11引腳說明：Pin名稱注釋1VDD供電3－5.5VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負(fù)極 DHT11的電源電壓為3-5.5v。傳感器打開后，等待1s。在這段時(shí)間里，它可以不受控制地通過不穩(wěn)定狀態(tài)?？稍陔娫匆_（VDD、GND）之間添加100nF容量的電容，以斷開濾波器。圖3.2DHT11原理圖串行接口（單線雙向）單總線工作原理:單片機(jī)和DHT11之間要使用DATA輸出線來進(jìn)行通信,每次通信大概需要4ms;當(dāng)MCU發(fā)送信號(hào)時(shí)，DHT11從低功率模式切換到高速模式。主機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后，DHT11從低功耗模式切換到高速模式，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)和40位觸發(fā)記錄。數(shù)據(jù)采集后，用戶可以讀取到數(shù)據(jù)并且將模式變成低速模式；如果沒有收到主機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)，DHT11是不會(huì)主動(dòng)采集溫度和濕度的，因此必須有主機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)。圖3.3ZigBee與DHT11硬件連接圖特點(diǎn)：相對濕度和溫度一體測量、全量程標(biāo)定，無需重新標(biāo)定就能互換使用、響應(yīng)迅速、單線制數(shù)字接口、小尺寸(12X15.5X5.5mm)、可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸距離長應(yīng)用領(lǐng)域：空調(diào)、測試及檢測設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄儀、消費(fèi)品、自動(dòng)控制、氣象站、醫(yī)療、除濕器、農(nóng)業(yè)、冷鏈倉儲(chǔ)、其他相關(guān)濕度檢測控制。3.1.3光敏電阻光敏電阻是一種高靈敏度的半導(dǎo)體光敏電阻。沒有光照照射時(shí)，高阻黑電阻可達(dá)1.5mΩ，電阻隨入射光的強(qiáng)度增強(qiáng)而減小，隨入射光強(qiáng)度減弱而升高，光敏電阻對光的敏感度（c）與人眼對可見光的敏感度接近，只要接觸到人眼能感覺到的光，光敏電阻的阻值就發(fā)生變化。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)選用5516工作原理：光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)部光電效應(yīng)。沒有入射光之后，光子激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對將被復(fù)合。也就是說，光敏電阻的電阻將恢復(fù)到原來的值。當(dāng)電壓施加在光敏電阻兩端的金屬電極上時(shí)，光敏電阻中會(huì)有電流。當(dāng)受到一定波長的光照射時(shí)，電流隨著光強(qiáng)的增大而增大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。應(yīng)用領(lǐng)域：照相機(jī)，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂杯，禮品盒，各種光控玩物，光控?zé)麸?，燈具等?.1.4煙霧傳感器煙霧傳感器是一種氣體傳感器，它通過A/D轉(zhuǎn)換電路將空氣中可燃?xì)怏w的含量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入單片機(jī)，然后單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，送到單片微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計(jì)采用mq-2型半導(dǎo)體煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器的工作原理：當(dāng)MQ-2煙霧傳感器與煙霧接觸時(shí)，如果它接收到顆粒與邊界之間的位置屏障并受煙霧設(shè)置的影響，則顆粒表面的電導(dǎo)率可能會(huì)發(fā)生變化。這樣就可以知道這種煙霧的數(shù)據(jù),煙霧的濃度越高,導(dǎo)電比就越大,輸出的電阻也就越低,輸出的模擬信號(hào)就越多。另外，當(dāng)空氣中幾乎沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體會(huì)主動(dòng)吸收氧的正負(fù)離子，從而提高初始狀態(tài)下的電阻。這是MQ-2可燃煙霧傳感器檢測可燃性煙霧的基礎(chǔ)和工作方法。圖3.4煙霧傳感器原理圖2、MQ-2型傳感器的特性：（1）靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)，可檢測多種可燃性氣體，低成本。（2）重復(fù)性好、穩(wěn)定性高。（3）檢測可燃?xì)怏w與煙霧的范圍是100~10000ppm(ppm為體積濃度。1ppm=1立方厘米/1立方米)（4）電壓范圍寬，在24V以下都可以，加熱電壓范圍5±0.2V3、MQ-2煙霧傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域在家庭和工業(yè)中作為氣體泄漏的監(jiān)測設(shè)備,特別是對于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等。3.2硬件電路設(shè)計(jì)3.2.1電源接口電路圖3.5電源接口電路電路如圖3.5所示。外部電源是一種USB電源，在日常生活中常用。電源為5V電壓輸入。USB連接器的5V電壓輸入緊挨著一個(gè)肖特基1N5819二極管。其主要功能是防止部件損壞，如果其他接口進(jìn)入電源，則會(huì)燒毀。例如，一般調(diào)試端口（如UART接口）可以引入反向電壓，可能損壞所有組件。圖中C1、C2和C3用于儲(chǔ)能和抗干擾。如果電源波動(dòng)較大，電容器的儲(chǔ)能效果可以有效地防止系統(tǒng)因電壓損失過大而退步。3.2.2電源穩(wěn)壓電路圖3.6電源穩(wěn)壓電路如圖3.6所示，AMS117.3V3是一種用于改變電源電壓的專用芯片。它具有輸入電壓高的特點(diǎn)，輸入電壓范圍為12V~4.2V，輸出電壓穩(wěn)定在3.3V，最大輸出電流為1A。因?yàn)槠涫褂煤唵畏奖?，被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，C5電容器具有穩(wěn)壓和抗干擾的功能。電容器作為儲(chǔ)能元件，理論上不消耗電能，實(shí)際中它本身就存在著一定的內(nèi)阻，所以電容器一定會(huì)消耗一定的能量，電容器就像一座水塔，能夠穩(wěn)定和過濾電壓，電路中的電源是供水的來源。如果電路的一部分突然需要高功率，電源產(chǎn)生的電流降可能會(huì)導(dǎo)致其他部分停止或重新啟動(dòng)。為了穩(wěn)定電源電壓，大容量電容器通常安裝在大功率元件的功率輸入位置，其主要功能是通過電容器的放電效應(yīng)來補(bǔ)償電流電壓差，以達(dá)到穩(wěn)壓的效果。3.2.3E18-MS1核心板電路圖3.7ZigBee核心板電路Zigbee主板型號(hào)為E18-MS1-PCB。主板專為Zigbee集成設(shè)備設(shè)計(jì)，集成最小的CC2530F256系統(tǒng)。CC2530是業(yè)內(nèi)成熟的Zigbee方案芯片，256KB大容量Flash集成，8K內(nèi)存用于臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，51芯片用于CC2530內(nèi)核加固，4層PCB板用于E18-MS1-PCB核心模塊，多組電阻和冷凝過濾，外部金屬屏蔽和2.4GHz車載天線具有很強(qiáng)的抗干擾特性。CC2530的所有I0端口和復(fù)位引腳均已運(yùn)行，僅需3.3V直流電源即可運(yùn)行。由于中心面板僅與CC2530系統(tǒng)集成，因此沒有內(nèi)部程序，需要開發(fā)者自己編寫和燒錄，中心板非常適合Zigbee的短期開發(fā)。如圖3.7所示，這是E18-MS1-PCB的最小系統(tǒng)電路圖。需要注意的是，在電源的VC輸入端添加了一個(gè)104的電容器用來穩(wěn)定芯片組。3.2.4蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路圖3.8蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如圖3.8所示為蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路，其中蜂鳴器警告燈和LED由NPN三極管驅(qū)動(dòng)。一個(gè)基本原理是在導(dǎo)電條件下使用三極管，即集電結(jié)連接是反向的，發(fā)射結(jié)連接是正向的。因此，NPN晶體管的基本電平僅應(yīng)用于高電平，換句話說，晶體管集電極可以連接到發(fā)射器。這也可以通過使用三極管作為開關(guān)管理應(yīng)用來解釋。R11是電阻小于1K的基極電阻。其主要功能之一是防止過大的基極電流導(dǎo)致三極管燒損。3.2.5按鍵電路圖3.9按鍵電路如圖3.9所示為按鍵電路，CC2530芯片的內(nèi)核是51芯片，51芯片的P0端口無上拉電阻，不能在高電平下工作。因此，在使用P0端口時(shí)，應(yīng)注意上拉電阻的應(yīng)用，所以當(dāng)選擇P0作為按鍵時(shí)，必須有上拉電阻，用來穩(wěn)定IO端口的狀態(tài)，CC2530對PO端口的上拉較小。但當(dāng)按鍵作為觸發(fā)開關(guān)時(shí)，按鍵通常使用更保守的牽引電阻將其向上拉。如果某個(gè)特定的I0端口被鍵讀取到0，則說明已按下該鍵，即如此便可作為按鍵應(yīng)用。3.2.6LED指示燈電路圖3.10LED指示燈電路指示燈的存在不僅僅是狀態(tài)燈，一般情況下，LED燈的使用可以讓我們發(fā)現(xiàn)程序調(diào)試中的許多問題，例如，判斷定時(shí)器配置有沒有錯(cuò)誤，可以用LED的頻閃時(shí)間來進(jìn)行評(píng)估。比如想要知道程序運(yùn)行到哪里，也可以通過觀察LED指示燈的亮滅情況來進(jìn)行判斷。驅(qū)動(dòng)LED的方法有很多，比如，可以用驅(qū)動(dòng)蜂鳴器來控制LED指示燈的亮滅來驅(qū)動(dòng)LED指示燈，由于LED指示燈的電流很低，并且考慮到成本，圖3.10所示的方法可以直接繪制LED和電流限制電阻，產(chǎn)生高、低IO值，以打開和關(guān)閉LED。LED指示燈實(shí)際上是一個(gè)發(fā)光二極管。因此，只有當(dāng)正極電壓高于負(fù)電壓時(shí)，LED指示燈才會(huì)亮。所以IO端口產(chǎn)生低電平時(shí)LED指示燈就可以發(fā)光。3.2.7光敏電阻電路圖3.11光敏電阻電路對于光敏電阻5516，光敏電阻的電阻隨光的變化而變化。如果光敏電阻和一個(gè)1K電阻串聯(lián)，如圖3.11所示，則光敏電阻的分壓值就等于ADC值。如果光線較暗，光敏電阻的阻值和分壓就大，則測量的ADC較高，反之測量的ADC相對較低。然后使用ADC轉(zhuǎn)換，51為8位，即2的8次方=256，如果接收到的光學(xué)A/D轉(zhuǎn)換值為123，則百分比為100/256=48%。光敏電阻阻值越大，分壓越大，因此需要100-48=52%。這就是真實(shí)光線的百分比，此時(shí)模數(shù)比為123，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的小數(shù)點(diǎn)不容易處理，所以我們通常去掉小數(shù)點(diǎn)，直接乘以100得到52，然后與光波進(jìn)行比較。3.2.8接口電路圖3.12UART接口圖3.13DEBUG接口圖3.14MQ-2接口圖3.15DHT11接口圖3.16OLED接口接口如圖3.12至3.16所示，分別為UART接口、調(diào)試接口、煙霧傳感器MQ-2接口、溫濕度傳感器DHT11接口、OLED屏接口。DHT11可與輸入電壓3.3V單線路通信。MQ-2具有數(shù)字信號(hào)輸出和模擬信號(hào)輸出，數(shù)字信號(hào)通過電壓比較器調(diào)節(jié)，閾值可手動(dòng)調(diào)節(jié)，適用于簡單應(yīng)用。模擬信號(hào)輸出適用于氣體信號(hào)的精確接收，ADC采樣口與內(nèi)置在CC2530中的8-12位可調(diào)ADC-ADC轉(zhuǎn)換器相連，可用于采集可轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的MQ-2模擬信號(hào)。然后轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)換數(shù)相對應(yīng)的百分比。如果使用8位轉(zhuǎn)換器，8階功率為256，采集的ADC數(shù)據(jù)為80，則百分比（80*100/256）%=31%。UART是一種同步或異步串行接口通信技術(shù)。目前，幾乎所有接收RX和TX進(jìn)行串行傳輸?shù)腢ARTMCU接口都可用。通?？梢詫?shí)現(xiàn)人機(jī)交互，如串行數(shù)據(jù)打印、串行通信等。例如，CC2530的UART接口可以用來調(diào)試串行接口，這對產(chǎn)品的開發(fā)和調(diào)試非常重要。所以，我們通常需要保留UART接口。調(diào)試界面如圖3-9所示，對于CC2530的在線調(diào)試和仿真，可通過調(diào)試口實(shí)現(xiàn)程序下載。因此，為刻錄程序和調(diào)試預(yù)留下載端口。OLED屏幕使用SPI接口進(jìn)行通信，并具有大多數(shù)MOSI、SCK和其他SPI功能。SPI通信顯示刷新速度比I2C通信屏幕快得多。第4