【正文】 計(jì)確定了多點(diǎn)糧倉(cāng)溫濕度的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中各模塊的功能設(shè)計(jì)要求，對(duì)多點(diǎn)糧倉(cāng)溫濕度的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各模塊硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。該模塊分為上位機(jī)和下位機(jī)，其主要包括以下七個(gè)模塊：電源模塊、溫濕度測(cè)量模塊、單片機(jī)控制模塊、無線傳輸模塊、按鍵選擇模塊、顯示模塊和報(bào)警電路模塊。 電源模塊設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用的LM317芯片構(gòu)成穩(wěn)壓可調(diào)電源模塊。LM317是可調(diào)節(jié)的3端正電壓穩(wěn)壓器，此穩(wěn)壓器非常易于使用，此芯片具有內(nèi)部限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償?shù)墓δ?，使之基本能防止燒斷保險(xiǎn)絲，對(duì)電路起到了很好的保護(hù)作用。，據(jù)此設(shè)計(jì)電源模塊，如圖31所示。圖31 電源模塊設(shè)計(jì)圖根據(jù)上圖，可得輸出電壓V0=*(1+R2/R1) （31）通過調(diào)節(jié)R2電位器，改變R2/R1的值，從而改變輸出電壓。設(shè)計(jì)中取R1=220?，R2=10K。此系統(tǒng)需要兩個(gè)這樣的模塊，分別調(diào)至輸出電壓+5V和+。 溫濕度測(cè)量模塊設(shè)計(jì) 溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)溫度測(cè)量采用DS18B20，該芯片的性能和具體使用方法如下所述。溫度傳感器DS18B20技術(shù)性能描述(1)、獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；(2)、測(cè)溫范圍 55℃～＋125℃，℃；(3)、支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的數(shù)據(jù)端上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定；(4)、工作電源: 3~5V/DC；(5)、在使用中只需要數(shù)據(jù)端接上拉電阻，不需要其它的外圍元件；(6)、測(cè)量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送；溫度傳感器DS18B20工作原理DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s 減為750ms。DS18B20測(cè)溫原理如圖32所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖32中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。圖32 DS18B20工作原理圖溫度傳感器DS18B20的設(shè)計(jì)圖DS18B20是單總線溫度傳感器，數(shù)據(jù)線是漏極開路，內(nèi)部沒有拉高電路，給DS18B20接有電源，則需要一個(gè)上拉電阻來穩(wěn)定工作，其工作電流要達(dá)到1mA。還有若溫度傳感器開路或沒接時(shí)，能起到上拉作用，使之為高電平，從而后續(xù)電路保護(hù)。DS18B20共三個(gè)引腳，其中DQ端是與單片機(jī)的通信端，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流只有幾十微安, 為了使其工作電流達(dá)到1mA，DQ端需要接上拉電阻，所接電源為+5V，所以上拉電阻不能超過5K，使其電流達(dá)到1mA，否則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。具體連接情況，如圖33所示。圖33 DS18B20設(shè)計(jì)圖 濕度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)濕度測(cè)量采用DHT11芯片，該芯片既能測(cè)溫度也能測(cè)濕度，但其測(cè)溫精度為177。2℃，也就是說當(dāng)溫度大于40℃時(shí)，才能滿足177。5%的精度要求，而本系統(tǒng)規(guī)定適宜的溫度范圍為10℃40℃，所以不能滿足177。5%的精度要求，故只將其作為測(cè)濕度的傳感器。濕度傳感器DHT11技術(shù)性能描述(1)、相對(duì)濕度和溫度測(cè)量，范圍是20－90％RH 、0－50℃，精度177。5％RH、177。2℃；(2)、全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；(3)、卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(4)、只需數(shù)據(jù)端接上拉電阻，無需額外部件；(5)、超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上；(6)、超低能耗；(7)、4引腳安裝。DHT11的設(shè)計(jì)圖DHT11的硬件設(shè)計(jì)也極其簡(jiǎn)單，就只有4個(gè)引腳，其中還有一個(gè)空腳懸空的，實(shí)際上其設(shè)計(jì)與DS18B20是一樣的?！?mA之間，漏極開路，內(nèi)部沒有拉高電路，當(dāng)輸出0是就是低電平，但輸出1時(shí)實(shí)際上是懸空的，所以要接上拉電阻，滿足電流需要，故選擇上拉電阻為5K，電流為1mA ,具體的設(shè)計(jì)圖，如圖34所示。圖34 DHT11設(shè)計(jì)圖 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)常用的單片機(jī)有很多種：Intel8051系列、STC系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、臺(tái)灣華邦(Winbond)W78系列、荷蘭Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司系列4位單片機(jī)、臺(tái)灣義隆的EM78系列等。本次設(shè)計(jì)最終選用了STC89C52單片機(jī)。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能COMOS8的微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。單片機(jī)最小模塊包括兩部分：時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，可以通過提高時(shí)鐘頻率來提高CPU的速度。目前51系列單片機(jī)都采用CMOS工藝，允許的最高頻率是隨型號(hào)而變化的，本系統(tǒng)采用12MHz的晶振，則其一個(gè)機(jī)器周期為1us。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)需要I/O口來模擬SPI時(shí)序，以及DS18B20和DHT11都需要嚴(yán)格的時(shí)間控制，所以取整數(shù)周期，有利于時(shí)間的計(jì)算。STC89C52中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為該放大器的輸入端和輸出端，在XTAL XTAL2上外接晶振和電容組成振蕩器。外接石英晶體及電容CC2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。對(duì)外接電容CC2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度的穩(wěn)定性，所以本設(shè)計(jì)采用12MHz的晶體振蕩器和30pF的電容。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，如圖35所示。圖35 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，單片機(jī)保持復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)ALE、PSEN、P0、PPP3口都輸出高電平，RST上輸入返回低電平以后，退出復(fù)位，單片機(jī)從初始狀態(tài)開始工作。人工復(fù)位就是將一個(gè)按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按一下開關(guān)，就在RST端就出現(xiàn)一段時(shí)間的高電平，即使器件復(fù)位。由于單片機(jī)復(fù)位端有內(nèi)接電阻，所以復(fù)位電路設(shè)計(jì)，如圖36所示。圖36 復(fù)位電路設(shè)計(jì)按下開關(guān)后，電容充電，到達(dá)穩(wěn)定后，電容相當(dāng)于開路，其兩端電壓為5V，電路的時(shí)間常數(shù)為R*C，本設(shè)計(jì)取R=200?、C=10uF,經(jīng)計(jì)算時(shí)間常數(shù)為2ms，而兩個(gè)機(jī)器周期只有2us，所以該設(shè)計(jì)完全滿足要求。 無線傳輸模塊設(shè)計(jì) 無線傳輸模塊簡(jiǎn)介無線傳輸模塊性能介紹(1)、433Mhz 開放 ISM 頻段免許可證使用；(2)、最高工作速率 50kbps，高效 GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合； (3)、125 頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要；(4)、內(nèi)置硬件 CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制；(5)、低功耗 工作，待機(jī)模式下狀態(tài)僅為 ； (6)、收發(fā)模式切換時(shí)間 650us；(7)、模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，可直接接各種單片機(jī)使用，軟件編程非常方便；(8)、TX Mode: 在+10dBm 情況下，電流為 30mA。 RX Mode: ；(9)、標(biāo)準(zhǔn) DIP 間距接口，便于嵌入式應(yīng)用。無線傳輸模塊接口電路管腳說明nRF905管腳圖，如圖37所示。圖37 nRF905管腳圖nRF905各個(gè)管腳的具體說明如表31所示。表31 nRF905的管腳說明圖管腳名稱管腳功能說明1VCC電源電源+~ DC2TX_EN數(shù)字輸入TX_EN= 1 TX 模式 TX_EN= 0 RX 模式3TRX_CE數(shù)字輸入使能芯片發(fā)射或接收4PWR_UP數(shù)字輸入芯片上電5uCLK時(shí)鐘輸出本模塊該腳廢棄不用，向后兼容6CD數(shù)字輸出載波檢測(cè)7AM數(shù)字輸出地址匹配8DR數(shù)字輸出接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成9MISOSPI 接口SPI 輸出10MOSISPI 接口SPI 輸入11SCKSPI 時(shí)鐘SPI 時(shí)鐘12CSNSPI 使能SPI 使能13GND地接地14GND地接地VCC 腳接電壓范圍為 ~ 之間，不能在這個(gè)區(qū)間之外，超過 將會(huì)燒毀模塊，該系統(tǒng)采用+。由于單片機(jī)上面沒有 SPI ，所以該系統(tǒng)用IO 口模擬 SPI 。 無線傳輸模塊與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)無線傳輸模塊與單片機(jī)的接口的連接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表32所示。表32 無線傳輸模塊與單片機(jī)的接口連接情況表無線模塊單片機(jī)無線模塊單片機(jī)TX_ENDRTRX_CEMISOPWR_UPMOSICDSCKAMCSN無線模塊與單片機(jī)的連接圖，如圖38所示。圖38 無線傳輸模塊nRF905設(shè)計(jì)圖 按鍵選擇模塊設(shè)計(jì)上位機(jī)與下位機(jī)均采用了開關(guān)，下位機(jī)用的是六腳鎖存開關(guān)，上位機(jī)采用的是四腳按鈕開關(guān)。鎖存開關(guān)只要按下了，就不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，而按鈕開關(guān)當(dāng)人手松開按鍵后就會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。其具體的連接圖，如圖39所示。圖39 按鍵設(shè)計(jì)圖圖中只畫了一個(gè)按鍵，其余按鍵與單片機(jī)的連接具體如下：，；。 顯示模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)碼管為四位一體共陰，7407驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管位選端，P0口接上拉電阻驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的段選端。動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí)若采用獨(dú)立的一位數(shù)碼管，就需要將所有數(shù)碼管的8個(gè)段線相應(yīng)地并接在一起，并接到 STC89C52的P0口，由P0口控制字段輸出。而各位數(shù)碼管的共陰極由STC89C52的P2口控制，來實(shí)現(xiàn)4位數(shù)碼管的位輸出控制。而由于本系統(tǒng)采用四位一體數(shù)碼管，本身內(nèi)部就已經(jīng)將每一位的段選連在了一起，所以關(guān)鍵要控制的就是位選信號(hào)。這樣，對(duì)于一組數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示需要由兩組信號(hào)來控制：一組是字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口輸出的控制信號(hào)，用來選擇第幾位數(shù)碼管工作，稱為位碼。由于各位數(shù)碼管的段線并聯(lián)，段碼的輸出對(duì)各位數(shù)碼管來說都是相同的。因此，在同一時(shí)刻如果各位數(shù)碼管的位選線都處于選通狀態(tài)的話，8位數(shù)碼管將顯示相同的字符。若要各位數(shù)碼管能夠顯示出與本位相應(yīng)的字符，就必須采用掃描顯示方式。即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于導(dǎo)通狀態(tài)，而其它各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)。同時(shí)，段線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的字型碼。這樣在同一時(shí)刻，只有選通的那一位顯示出字符，而其它各位則是熄滅的，如此循環(huán)下去，就可以使各位數(shù)碼管顯示出將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而且同一時(shí)刻，只有一位顯示，其它各位熄滅，但由于數(shù)碼管具有余輝特性和人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位數(shù)碼管顯示間隔足夠短，給人眼的視覺印象就會(huì)是連續(xù)穩(wěn)定地顯示。顯示部分的設(shè)計(jì)圖數(shù)碼管的段選信號(hào)由P0口控制。當(dāng)位選信號(hào)有效時(shí)，要使得哪一段亮，就必須給高電平。由于P0口是開漏輸出的，當(dāng)輸出0時(shí)為低電平，但輸出1時(shí)卻是懸空的，所以必須接上拉電阻，使其輸出為高電平。，當(dāng)需要某一位數(shù)碼管顯示時(shí)，只要給相應(yīng)的位選端一個(gè)低電平，其余位選端給高電平，P0口給相應(yīng)的字型碼。顯示部分的設(shè)計(jì)圖，如圖310所示。圖310 顯示電路設(shè)計(jì)圖顯示字符的編碼由圖310的接線方法，確定字符與字型碼的對(duì)應(yīng)表，如表33所示。表33 顯示字符碼的編碼表字符碼字型碼字符碼字型碼0EDH0.FDH128H1.38H2CBH2.DBH3ABH3.BBH42EH4.3EH5A7H5.B7H6E7H6.F7H729H7.39H8EFH8.FFH9AFH9.BFHR6FHH6EHCC5H 報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)報(bào)警電路要達(dá)到的功能是，當(dāng)下位機(jī)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)后，上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)與限定值相比較，如不在范圍內(nèi)，就發(fā)出警報(bào)。蜂鳴器簡(jiǎn)介蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。本系統(tǒng)采用壓電式蜂鳴器，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（~15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，~，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的I/O 口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)使用PNP型三極管來放大電流。報(bào)警電路的設(shè)計(jì)發(fā)光二極管根據(jù)型號(hào)的不同，其工作電壓少有不同，工作電流也不一樣，本系統(tǒng)確定其工作電流為10mA,，據(jù)此計(jì)算限流電阻值。計(jì)算公式為：R=(UUF)/IF (32)式中UF為發(fā)光二極管的工作電壓，IF為工作電流。經(jīng)過計(jì)算的：R=（）/10==350 ?。三