【正文】 計確定了多點糧倉溫濕度的無線監(jiān)測系統(tǒng)方案設計，根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)方案中各模塊的功能設計要求，對多點糧倉溫濕度的無線監(jiān)測系統(tǒng)各模塊硬件電路進行設計。該模塊分為上位機和下位機，其主要包括以下七個模塊：電源模塊、溫濕度測量模塊、單片機控制模塊、無線傳輸模塊、按鍵選擇模塊、顯示模塊和報警電路模塊。 電源模塊設計該系統(tǒng)采用的LM317芯片構成穩(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、熱關斷和安全工作區(qū)補償?shù)墓δ?，使之基本能防止燒斷保險絲，對電路起到了很好的保護作用。，據(jù)此設計電源模塊，如圖31所示。圖31 電源模塊設計圖根據(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。設計中取R1=220?，R2=10K。此系統(tǒng)需要兩個這樣的模塊，分別調(diào)至輸出電壓+5V和+。 溫濕度測量模塊設計 溫度測量模塊設計溫度測量采用DS18B20，該芯片的性能和具體使用方法如下所述。溫度傳感器DS18B20技術性能描述(1)、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；(2)、測溫范圍 55℃～＋125℃，℃；(3)、支持多點組網(wǎng)功能，多個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，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?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)、測量結果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送；溫度傳感器DS18B20工作原理DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s 減為750ms。DS18B20測溫原理如圖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送給減法計數(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)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在－55℃所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖32中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。圖32 DS18B20工作原理圖溫度傳感器DS18B20的設計圖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，則需要一個上拉電阻來穩(wěn)定工作，其工作電流要達到1mA。還有若溫度傳感器開路或沒接時，能起到上拉作用，使之為高電平，從而后續(xù)電路保護。DS18B20共三個引腳，其中DQ端是與單片機的通信端，單片機的驅(qū)動電流只有幾十微安, 為了使其工作電流達到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，使其電流達到1mA，否則會產(chǎn)生較大的誤差。具體連接情況，如圖33所示。圖33 DS18B20設計圖 濕度測量模塊設計濕度測量采用DHT11芯片，該芯片既能測溫度也能測濕度，但其測溫精度為177。2℃，也就是說當溫度大于40℃時，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，故只將其作為測濕度的傳感器。濕度傳感器DHT11技術性能描述(1)、相對濕度和溫度測量，范圍是20－90％RH 、0－50℃，精度177。5％RH、177。2℃；(2)、全部校準，數(shù)字輸出；(3)、卓越的長期穩(wěn)定性；(4)、只需數(shù)據(jù)端接上拉電阻，無需額外部件；(5)、超長的信號傳輸距離，信號傳輸距離可達20米以上；(6)、超低能耗；(7)、4引腳安裝。DHT11的設計圖DHT11的硬件設計也極其簡單，就只有4個引腳，其中還有一個空腳懸空的，實際上其設計與DS18B20是一樣的?！?mA之間，漏極開路，內(nèi)部沒有拉高電路，當輸出0是就是低電平，但輸出1時實際上是懸空的，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 ,具體的設計圖，如圖34所示。圖34 DHT11設計圖 單片機控制模塊設計常用的單片機有很多種：Intel8051系列、STC系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、臺灣華邦(Winbond)W78系列、荷蘭Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司系列4位單片機、臺灣義隆的EM78系列等。本次設計最終選用了STC89C52單片機。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能COMOS8的微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。單片機最小模塊包括兩部分：時鐘電路和復位電路。 時鐘電路設計時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏，可以通過提高時鐘頻率來提高CPU的速度。目前51系列單片機都采用CMOS工藝，允許的最高頻率是隨型號而變化的，本系統(tǒng)采用12MHz的晶振，則其一個機器周期為1us。因為本設計需要I/O口來模擬SPI時序，以及DS18B20和DHT11都需要嚴格的時間控制，所以取整數(shù)周期，有利于時間的計算。STC89C52中有一個用于構成內(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成并聯(lián)諧振電路。對外接電容CC2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會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，所以本設計采用12MHz的晶體振蕩器和30pF的電容。時鐘電路設計，如圖35所示。圖35 時鐘電路設計 復位電路設計單片機有一個復位引腳RST，它是施密特觸發(fā)輸入，當振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平，使器件復位，只要RST保持高電平，單片機保持復位狀態(tài)，此時ALE、PSEN、P0、PPP3口都輸出高電平，RST上輸入返回低電平以后，退出復位，單片機從初始狀態(tài)開始工作。人工復位就是將一個按鈕開關并聯(lián)于上電復位電路，按一下開關，就在RST端就出現(xiàn)一段時間的高電平，即使器件復位。由于單片機復位端有內(nèi)接電阻，所以復位電路設計，如圖36所示。圖36 復位電路設計按下開關后，電容充電，到達穩(wěn)定后，電容相當于開路，其兩端電壓為5V，電路的時間常數(shù)為R*C，本設計取R=200?、C=10uF,經(jīng)計算時間常數(shù)為2ms，而兩個機器周期只有2us，所以該設計完全滿足要求。 無線傳輸模塊設計 無線傳輸模塊簡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，特別適合工業(yè)控制場合； (3)、125 頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要；(4)、內(nèi)置硬件 CRC 檢錯和點對多點通信地址控制；(5)、低功耗 工作，待機模式下狀態(tài)僅為 ； (6)、收發(fā)模式切換時間 650us；(7)、模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便；(8)、TX Mode: 在+10dBm 情況下，電流為 30mA。 RX Mode: ；(9)、標準 DIP 間距接口，便于嵌入式應用。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 時鐘SPI 時鐘12CSNSPI 使能SPI 使能13GND地接地14GND地接地VCC 腳接電壓范圍為 ~ 之間，不能在這個區(qū)間之外，超過 將會燒毀模塊，該系統(tǒng)采用+。由于單片機上面沒有 SPI ，所以該系統(tǒng)用IO 口模擬 SPI 。 無線傳輸模塊與單片機的接口設計無線傳輸模塊與單片機的接口的連接的對應關系，如表32所示。表32 無線傳輸模塊與單片機的接口連接情況表無線模塊單片機無線模塊單片機TX_ENDRTRX_CEMISOPWR_UPMOSICDSCKAMCSN無線模塊與單片機的連接圖，如圖38所示。圖38 無線傳輸模塊nRF905設計圖 按鍵選擇模塊設計上位機與下位機均采用了開關，下位機用的是六腳鎖存開關，上位機采用的是四腳按鈕開關。鎖存開關只要按下了，就不會自動恢復，而按鈕開關當人手松開按鍵后就會自動恢復。其具體的連接圖，如圖39所示。圖39 按鍵設計圖圖中只畫了一個按鍵，其余按鍵與單片機的連接具體如下：，；。 顯示模塊設計本系統(tǒng)采用動態(tài)顯示，數(shù)碼管為四位一體共陰，7407驅(qū)動數(shù)碼管位選端，P0口接上拉電阻驅(qū)動數(shù)碼管的段選端。動態(tài)掃描數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示時若采用獨立的一位數(shù)碼管，就需要將所有數(shù)碼管的8個段線相應地并接在一起，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，所以關鍵要控制的就是位選信號。這樣，對于一組數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示需要由兩組信號來控制：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，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)，段碼的輸出對各位數(shù)碼管來說都是相同的。因此，在同一時刻如果各位數(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的字符，就必須采用掃描顯示方式。即在某一時刻，只讓某一位的位選線處于導通狀態(tài)，而其它各位的位選線處于關閉狀態(tài)。同時，段線上輸出相應位要顯示字符的字型碼。這樣在同一時刻，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刻出現(xiàn)的，而且同一時刻，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是連續(xù)穩(wěn)定地顯示。顯示部分的設計圖數(shù)碼管的段選信號由P0口控制。當位選信號有效時，要使得哪一段亮，就必須給高電平。由于P0口是開漏輸出的，當輸出0時為低電平，但輸出1時卻是懸空的，所以必須接上拉電阻，使其輸出為高電平。，當需要某一位數(shù)碼管顯示時，只要給相應的位選端一個低電平，其余位選端給高電平，P0口給相應的字型碼。顯示部分的設計圖，如圖310所示。圖310 顯示電路設計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應表，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 報警電路模塊設計報警電路要達到的功能是，當下位機測量得到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機后，上位機將接收到的數(shù)據(jù)與限定值相比較，如不在范圍內(nèi)，就發(fā)出警報。蜂鳴器簡介蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(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成。當接通電源后（~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，以致于單片機的I/O 口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，本系統(tǒng)使用PNP型三極管來放大電流。報警電路的設計發(fā)光二極管根據(jù)型號的不同，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)此計算限流電阻值。計算公式為：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)過計算的：R=（）/10==350 ?。三