【正文】 ................................. 27 附錄 B .................................................. 31 Ⅰ 采集發(fā)射子系統(tǒng) ......................................... 31 Ⅱ控制顯示子系統(tǒng) ......................................... 32 Ⅲ元器件清單 ............................................. 33 Ⅴ仿真程序 ............................................... 34 Ⅶ實(shí)物圖 ................................................. 42 陜西理工學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 48 頁(yè) 引言 選題目的及意義 21世紀(jì)的今天，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步同時(shí)也帶動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備不同于以前，它們?cè)谛阅芎徒Y(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時(shí)代，測(cè)量技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)的主流，廣泛地深入到應(yīng)用工程的各個(gè)領(lǐng)域。 溫濕度在工業(yè)制造 ,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是非常重要和基本的參數(shù) ,在生產(chǎn)制造過程中常需對(duì)溫濕度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控 ,采用無(wú)線設(shè)備進(jìn)行溫濕度檢測(cè)并用 數(shù)字顯示出來(lái)，比便進(jìn)行信息存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)控制 ,對(duì)于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等都有重要的作用。隨著工業(yè)科技、農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展 ,溫濕度測(cè)量的需求越來(lái)越多 ,溫室度測(cè)量也顯得越來(lái)越重要。但是在一些特定環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)環(huán)境范圍大 ,監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn) ,布線很不方便。而這時(shí)采用無(wú)線測(cè)量監(jiān)控的方式對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集 ,顯得尤為方便。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。利用了無(wú)線電通信的方便、靈活等特性 ,而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。它不需要像網(wǎng)絡(luò)控制那樣，耗費(fèi)巨大的通信資源 ,也不受網(wǎng)絡(luò)速度的制約和影響。在溫濕度監(jiān)控的方法上 ,傳統(tǒng)的監(jiān)控方式 (包括經(jīng)典監(jiān)控和現(xiàn)代監(jiān)控 ),在處理具有非線形或不精確特性的監(jiān)控對(duì)象時(shí) ,顯得比較困難和復(fù)雜 ,傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)大為滯后系統(tǒng) ,較大的純滯后會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。綜上所述 ,本文論證設(shè)計(jì)的無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)監(jiān)控方式結(jié)合當(dāng)代的無(wú)線電技術(shù)的創(chuàng)新 ,可被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、服務(wù)業(yè)、安全監(jiān)控等需要遠(yuǎn)程監(jiān)控溫濕度的工程中 ,例如 :城市路燈故障檢測(cè)和供電線路防盜監(jiān)視、城市居民小區(qū)供熱檢測(cè)、大型倉(cāng)庫(kù)溫度檢測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)測(cè)控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度測(cè)控、環(huán)保工程、故障監(jiān)控工程等。 發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)前社會(huì)，各行各 業(yè)越來(lái)越重視產(chǎn)品的生產(chǎn)、物品的管理和倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)等環(huán)節(jié) ,很多企業(yè)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)的都是非常重要的物品 ,如 :煙葉、紡絲、藥材、食品等。為了倉(cāng)儲(chǔ)的商品的質(zhì)量完好 ,必須制造出適合于商品儲(chǔ)存的環(huán)境 ,比如當(dāng)儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)溫濕度適合商品儲(chǔ)存時(shí) ,就要防止庫(kù)外環(huán)境對(duì)庫(kù)內(nèi)的不利影響。因此 ,近年來(lái)無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)成為各類監(jiān)測(cè)、檢測(cè)應(yīng)用的一個(gè)大的的發(fā)展趨勢(shì) ,越來(lái)越多的要求要使用無(wú)線技術(shù)來(lái)解決遠(yuǎn)程控制的問題的企業(yè)要用到無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。這些環(huán)境由于現(xiàn)場(chǎng)的局限性和特殊性不得不采用無(wú)線監(jiān)控和控制的方式來(lái)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的各類指標(biāo)并做出對(duì)應(yīng)操作。比如 :野外氣 象監(jiān)測(cè)、移動(dòng)車隊(duì)車況監(jiān)測(cè)、易燃易爆倉(cāng)庫(kù)、高壓線纜運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)等等。無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)由于其特殊的無(wú)需線纜進(jìn)行信號(hào)傳輸方式 ,而且抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。越來(lái)越受到社會(huì)各業(yè)的關(guān)注，所以無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的市場(chǎng)前景非常大。 課題主要研究?jī)?nèi)容 基于單片機(jī) 設(shè)計(jì)出測(cè)量當(dāng)前溫濕度，并實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)溫濕度數(shù)據(jù)功能。對(duì)比選取最適合的元器件， 完成無(wú)線收發(fā)模塊的選型和硬件電路和供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ,選取合適的溫 濕 度傳感器測(cè)出室內(nèi)當(dāng)前 的溫 濕 度 ,并完成按鍵設(shè)置溫濕度報(bào)警限值，當(dāng) 溫濕度超過設(shè)置的限值聲光報(bào)警 。 陜西理工學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 48 頁(yè) （ 1）采用溫度傳感器電路測(cè)量出室內(nèi)的溫濕度； （ 2）具有顯示室內(nèi)外溫度且?guī)в羞^載提示的功能； （ 3）具有無(wú)線傳輸、處理及遠(yuǎn)程控制功能； （ 4）完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。 方案一 :系統(tǒng)的核心控制器采用 FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程們陣列 ),溫濕度傳感器使用熱敏電阻 ,無(wú)線收發(fā)模塊用一對(duì) NRF24L01,采用 555定時(shí)器構(gòu)成報(bào)警模塊器 ,顯示模塊采用數(shù)碼管顯示 ，流程圖如圖 。 用 一個(gè)相應(yīng)阻值電阻 與 熱敏電阻相串聯(lián) 分壓， 熱敏電阻阻值 在 不同的溫度 下表現(xiàn)出不同的電阻值 ， 采集這兩個(gè)電阻變化的分壓值，并進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳給 FPGA，由 FPGA實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能 ，通過 NRF24L01發(fā)送出去，然后由另外一個(gè) NRF24L01接到信號(hào)，然后傳遞給 FPGA，經(jīng)過 FPGA的邏輯運(yùn)算，將收到的數(shù)據(jù)顯示到數(shù)碼管上，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若需要報(bào)警則接通 555報(bào)警電路，進(jìn)行報(bào) 警。 圖 系統(tǒng)方案一流程圖 方案二：系統(tǒng)的控制器采用單片機(jī)作為主要的控制芯片 ， 傳感器采用一體化變換器模塊 DHT11，無(wú)線收發(fā)模塊采用一對(duì) JF24D， 顯示模塊繼續(xù)采用數(shù)碼管 ， 報(bào)警模塊采用 9102三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器 ， 設(shè)計(jì)流程如圖 。 DHT11傳感器采用一體化變換器模塊 ， 通過總線通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)讀入 CPU進(jìn)行處理 ，然后按照總線時(shí)序?qū)?shù)據(jù)讀出 ，傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)收到數(shù)據(jù)，經(jīng)過 內(nèi)部邏輯運(yùn)算處理，將數(shù)據(jù)傳遞給無(wú)線發(fā)送模塊 JF24D，由無(wú)線接受模塊 JF24D接收到數(shù)據(jù)，傳遞給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)在數(shù)碼管上顯示，經(jīng)過單片機(jī)的邏輯運(yùn)算，若接收到的數(shù)據(jù)大于或者小于所設(shè)置的上下限，則給一個(gè)低電平信號(hào)，導(dǎo)通繼電器，使蜂鳴器報(bào)警。 熱敏電阻 A/D 轉(zhuǎn)換 FPGA 控制器 無(wú)線收發(fā)模塊 FPGA 控制器 555 報(bào)警系統(tǒng) 數(shù)碼管顯示 陜西理工學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 系統(tǒng)方案二流程圖 此方案結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，減少了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但 JF24D價(jià)格比較貴，而且消耗大，使用電路較為復(fù)雜，占用資源比較多，不建議使用。用數(shù)碼管顯示，雖然簡(jiǎn)單但是局限性 比較多，也不打算使用。 方案三：系統(tǒng)的控制器依舊采用 51單片機(jī)系列作為主要的控制芯片，傳感器采用一體化變換器模塊 DHT11，無(wú)線收發(fā)模塊采用一對(duì) NRF24L01，顯示模塊改用 1602液晶顯示屏，報(bào)警模塊采用9102三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，設(shè)計(jì)流程如圖 。 DHT11傳感器采用一體化變換器模塊 ， 通過總線通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)讀入 CPU進(jìn)行處理 ，然后按 照總線時(shí)序?qū)?shù)據(jù)讀出 ，傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳遞給無(wú)線發(fā)送模式 NRF24L01，由另外一個(gè)無(wú)線接受模式 NRF24L01收到數(shù)據(jù)，將信號(hào) 傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在 1602液晶顯示屏上顯示出來(lái)，若顯示的數(shù)據(jù)超過經(jīng)過按鍵設(shè)置的溫濕度上下限，則單片機(jī)給繼電器一個(gè)低電平，導(dǎo)通鏈接 9102三極管蜂鳴器和二極管的繼電器，進(jìn)行聲光報(bào)警。 圖 系統(tǒng)方案三流程圖 方案一中， FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程們陣列）響應(yīng)速度快 ， 體積 小， 穩(wěn)定性 高， 可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能 。 但由于 FPGA成本高，電路板的布線比較復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)焊接的工作。而且采用 溫、濕敏元件進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集 的話，需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器和放大器，所得到的數(shù)值，不能直接使用。溫濕度采集 51 單片機(jī) JF24D JF24D 51 單片機(jī) 數(shù)碼管顯示 蜂鳴器報(bào)警 溫濕度采集 51 單片機(jī) NRF2401 NRF2401 51 單片機(jī) 1602 顯示 蜂鳴器報(bào)警 陜西理工學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 48 頁(yè) 還要考慮抗干擾問題，需要專業(yè)的儀器對(duì)采集的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)表，還要進(jìn)誤差處理，及數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，程序算法復(fù)雜。此方案所要實(shí)現(xiàn)如此多的內(nèi)容，硬件電路設(shè)計(jì)會(huì)比較復(fù)雜，而且功耗大，不適合本設(shè)計(jì) ，所以不采用 。 考慮到本系統(tǒng)對(duì)程序運(yùn)行速度的要求不高以及成本問題 ，在 方案二中，采用單片機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和控制，單片機(jī)的響應(yīng)速度沒有 FPGA快，但是成本小，穩(wěn)定性也不錯(cuò)。因?yàn)?用溫、濕敏元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 電路結(jié)構(gòu) 和 程序算法 都比較 復(fù)雜 ， 所以在方案二中，采用一體化的溫濕度傳感器 DHT11，溫濕度傳感器 DHT11采用一體化變換器模塊 ， 電路簡(jiǎn)單，處理器不需要管理數(shù)據(jù)變換問題，直接通過按照總線時(shí)序?qū)?shù)據(jù)讀出，對(duì)數(shù)據(jù)稍做處理就可以了 。 無(wú)線收發(fā)模塊 改 采用一對(duì) JF24D，但是經(jīng)過一番測(cè)試，發(fā)現(xiàn)用 JF24D在傳輸精度上確實(shí) 比 NRF24L01要好，但是本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸精度要求沒有那么高，考慮到成本問題，不建議使用 JF24D，而且方案二繼續(xù)采用數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示的話，只能顯示數(shù)字，有很大的局限性，考慮到本系統(tǒng)要顯示溫濕度兩個(gè)數(shù)據(jù)，所以不采用方案二。 經(jīng)過對(duì) 比方案一和方案二，最終本次設(shè)計(jì)選擇的方案為方案三 ,主控制芯片考慮到本系統(tǒng)在程序運(yùn)行速度方面的要求不高以及成本問題 ,最后選擇采用 STC89C51 的單片機(jī)芯片作為主控制芯片 。溫濕度采集器考慮到本系統(tǒng)在運(yùn)行方面要求的穩(wěn)定性 ,以及短暫的開發(fā)周期 ,要實(shí)現(xiàn)溫濕度采集功能并且價(jià)格適中 ,所以最后采用 DHT11傳感器作為溫濕度采集器 。無(wú)線收發(fā)模塊考慮到系統(tǒng)在功耗方面的要求 ,對(duì)比后 ,NRF24L01以其功耗低 ,而且成本較低 ,易于購(gòu)買 ,所以最后采用 NRF24L01進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的接受采集 。顯示模塊考慮到本系統(tǒng)中要顯示溫度和上限溫度 等信息 ,LCD1602 液晶屏以可顯示的內(nèi)容較多 ,方便組合 ,可視面積大 ,畫面效果好 ,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) ,所以最后采用 LCD1602顯示數(shù)據(jù) 。報(bào)警模塊因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的報(bào)警時(shí)間是隨機(jī)的 ,取決于現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度 ,綜合考慮后，采用 9102三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管結(jié)合進(jìn)行聲光報(bào)警。 此方案成本低 ,電路簡(jiǎn)單易懂 ,功耗小 ,并且基本能夠?qū)崿F(xiàn)任 務(wù) 書 所 需 要 求 。陜西理工學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 48 頁(yè) 系統(tǒng)硬件電路主要分為：?jiǎn)纹瑱C(jī) STC89C51控制系統(tǒng)，無(wú)線收發(fā)電路，顯示電路，鍵盤電路，溫濕度采集電路，聲光報(bào)警電路 ， 設(shè)計(jì) 總框圖如圖 。 圖 總設(shè)計(jì)框圖 硬件電路是由單片機(jī)芯片 STC89C51單片機(jī)為控制核心 ,由電源直接供電 ,主要負(fù)責(zé)鏈接各個(gè)模塊 ,控制報(bào)警和收發(fā)數(shù)據(jù) ,并對(duì)收到數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷 。溫濕度的采集以 DHT11為主體來(lái)構(gòu)成 ,由電源直接供電 ,與單片機(jī)直接鏈接 ,將溫濕度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)處理 ,且在同一總線上可接多個(gè)傳感器芯片 。無(wú)線收發(fā)模塊用 NRF24L01,因?yàn)?NRF24L01工作于 ~ ISM頻段 ,工作電壓為 ,所以不能由電壓源直接供電 ,所以用 LM1117為核心 ,組建一個(gè)調(diào)壓電路 ,將電源的 5v 電壓調(diào)整到 NRF24L01的工作電壓 。顯示部份由 1602 LCD來(lái)完成 ,因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸出端電壓較小 .所以在單片機(jī)與 1602 LCD來(lái)之間接一個(gè)上拉電阻 ,保證信號(hào)的傳輸 。報(bào)警電路以三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器為核心 ,結(jié)合繼電器及發(fā)光二極管組成 ,與單片機(jī)鏈接實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警 和 主要單元電路的設(shè)計(jì) 。 單片機(jī)主控制模塊的設(shè)計(jì) 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，它負(fù)責(zé)周圍器件的協(xié)調(diào)控制工作，從而實(shí)現(xiàn)特定的功能。硬件實(shí)現(xiàn)上采用 模塊化設(shè)計(jì)，每一模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)特功能。 本系統(tǒng)中，采用兩個(gè)單片機(jī)，分別控制測(cè)量發(fā)射子系統(tǒng)和控制顯示子系統(tǒng)。 在控制顯示子系統(tǒng)中，單片機(jī) ， 1602液晶顯示屏的 4， 6管腳鏈接， 與 1602液晶顯示屏的 714管腳鏈接，負(fù)責(zé)給 1602傳遞數(shù)據(jù)， ， 鏈接兩個(gè)二極管，通過點(diǎn)亮二極管顯示當(dāng)前的收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。 EA/VA接 5V電壓源。 ， ，通過三個(gè)按鍵對(duì)溫濕度的上下限進(jìn)行設(shè)置。四個(gè) IN輸出引腳鏈接四個(gè)繼電器驅(qū) 動(dòng)，若有需要，給一個(gè)低電平，導(dǎo)通繼電器，完成聲光報(bào)警。 X1， X2接