【正文】 確定了多點糧倉溫濕度的無線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)方案中各模塊的功能要求，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(shè)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、采集模塊、單片機控制模塊、無線傳輸模塊、按鍵模塊、顯示模塊和報警電路模塊。 電源模塊的設(shè)計及實現(xiàn)電源模塊外接USB提供+，通過芯片AMS1117輸出穩(wěn)定的+，這樣可以為系統(tǒng)提供++。電源模塊如圖31所示。圖31電源模塊AMS117芯片引腳描述如表31所示。表31 AMS117引腳描述Pin名稱注釋1GND/ADJ地/ADJ2OUT輸出電壓3IN輸入工作電壓 溫濕度采集模塊的設(shè)計及實現(xiàn) 溫濕度采集溫濕度采集采用數(shù)字式DHT11溫濕度傳感器，該芯片的性能和具體使用方法如下：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的硬件設(shè)計也極其簡單，就只有4個引腳，其中還有一個空腳懸空的?！?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10K，電流為1mA 。具體的設(shè)計圖和實物圖，如圖32和圖33所示。圖32 DHT11連接圖 圖33 DHT11實物圖DHT11溫濕度傳感器引腳描述如表32所示。表32 DHT11引腳描述Pin名稱注釋1VCC2DATA串行數(shù)據(jù) 單總線3NC懸空4GND接地 計量采集的設(shè)計及實現(xiàn)計量采集利用HCSR04超聲波測距模塊對糧倉的糧食進行計量，其原理為：此傳感檢測裝置采取了相應(yīng)的專有手段，以及采取拾取誤差小的方法，進而得知糧庫傳感器波束源到實測物的距離。它在物料中檢測時，它方向性保持的很好，而且在物料的檢測時準確度高。當(dāng)超聲波遇到障礙時能隨時的有反射屬性[1314]。它利用光束源的出發(fā)點和光束角的大小，根據(jù)超聲波的可回波測距原理得知物料的垂直距離和物料的低面積，從而也就得出糧食的體積[15]。其原理如圖 34 所示。圖34 超聲波物位檢測原理圖根據(jù)示意圖得出： (31) (32)注：s表示光束源到物料表層的垂直距離，c表示超聲波光束的傳播速度，t 表示超聲波檢測物位所需的時間；H 表示光束源到物料底層的距離，它可以直接測量得出； h表示物料位的實際高度。其中 s，h 可根據(jù)上述公式可以得出。HCSR04超聲波測距模塊可提供2cm400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚翰捎肐O口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號。模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間聲速(340M/S))/2。HCSR04超聲波模塊電路圖和實物圖如圖35和圖36所示。圖35 HCSR04連接圖 圖36 HCSR04實物圖HCSR04超聲波模塊引腳描述如表33所示。表33 HCSR04超聲波模塊引腳描述Pin名稱注釋1VCC供電+2TRIG觸發(fā)控制信號輸入3ECHO回響信號輸出4GND接地 單片機控制模塊的選用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(shè)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(shù)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(fù)位電路。 時鐘電路設(shè)計及實現(xiàn)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(shè)計需要I/O口來模擬SPI時序，以及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(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(shè)計采用12MHz的晶體振蕩器和30pF的電容。時鐘電路設(shè)計，如圖37所示。圖37 時鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計及實現(xiàn)單片機有一個復(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個機器周期以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，單片機保持復(fù)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(fù)位，單片機從初始狀態(tài)開始工作。人工復(fù)位就是將一個按鈕開關(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)一段時間的高電平，即使器件復(fù)位。由于單片機復(fù)位端有內(nèi)接電阻，所以復(fù)位電路設(shè)計，如圖38所示。圖38 復(fù)位電路按下開關(guān)后，電容充電，到達穩(wěn)定后，電容相當(dāng)于開路，其兩端電壓為5V，電路的時間常數(shù)為RC，本設(shè)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(shè)計完全滿足要求。 無線傳輸模塊的選用采用NRF905作為無線收發(fā)模塊，其特點：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(shè)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(yīng)用。NRF905引腳圖和實物圖如圖39和圖310所示。圖39 NRF905引腳圖 圖310 NRF905實物圖NRF905引腳描述如表34所示。表34 NRF905引腳描述Pin名稱功能說明1VCC電源電源+~ DC2TRX_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5UPCLK時鐘輸出本模塊該腳不用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12GSNSPI 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。 按鍵模塊的設(shè)計及實現(xiàn)本設(shè)計主機采用44矩陣式鍵盤來設(shè)置溫濕度報警的上下限，這樣的設(shè)計簡單明了。如圖311所示為矩陣鍵盤與主機連接圖。圖312為矩陣鍵盤實物圖。圖311 矩陣鍵盤與單片機連接圖圖312 模塊化矩陣鍵盤這種模塊化矩陣鍵盤有效的減少了設(shè)計時間，采用8根引腳與單片機連接，采用編程來定義按鍵功能，本次設(shè)計按鍵定義：A鍵、B鍵設(shè)置溫度報警上下限，C鍵、D鍵設(shè)置濕度報警上下限，鍵確定，*鍵清除，數(shù)字鍵用來設(shè)值。 顯示模塊的選用及和單片機的連接顯示模塊采用DM12864M漢字圖形點陣顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個漢字、128個字符及64256點陣顯示RAM。主要技術(shù)參數(shù)及特性：1. 電源：VDD+~+5V(內(nèi)置升壓電路，無需負壓)；2. 顯示內(nèi)容：128列64行；3. 顯示顏色：黃綠；4. 顯示角度：6：00鐘直視；5. LCD類型：STN；6. 與MCU接口：8位或4位并行/3位串行；7. 配置LED背光；8. 多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。DM12864M電路連接圖和實物圖如圖313和圖314所示。圖313 DM12864M顯示模塊與主機連接圖圖314 DM12864M實物圖DM12864M引腳描述如表35所示。表35 DM12864M引腳描述Pin引腳名稱方向功能說明1VSS模塊的電源地2VDD模塊的電源正端3V0LCD驅(qū)動電壓輸入端4RS(CS)H/L并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號；串行的片選號5R/W(SID)H/L并行的讀寫選擇信號；串行的數(shù)據(jù)口6E(CLK)H/L并行的使能信號；串行的同步時鐘7DB0H/L數(shù)據(jù)08DB1H/L數(shù)據(jù)19DB2H/L數(shù)據(jù)210DB3H/L數(shù)據(jù)311DB4H/L數(shù)據(jù)412DB5H/L數(shù)據(jù)513DB6H/L數(shù)據(jù)614DB7H/L數(shù)據(jù)715PSBH/L并/串行接口選擇：H并行；L串行16NC空腳17/RETH/L復(fù)位 低電平有效18NC空腳19LED_A背光源正極20LED_K背光源負極 報警模塊的設(shè)計及實現(xiàn)報警電路要達到的功能是，當(dāng)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)用于計算機、打印機、復(fù)印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)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(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。 報警電路設(shè)計及實現(xiàn)圖315 蜂鳴器連接電路圖 圖316 蜂鳴器實物圖圖316為蜂鳴器實物圖。如圖315所示，蜂鳴器工作電流比較大，所以直接外接+，三極管Q0起開關(guān)作用，其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲。而基極低電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計及實現(xiàn)系統(tǒng)包括用來采集發(fā)射的從機和接受顯示的主機，在各個模塊硬件電路確定后，就可以確定本系統(tǒng)總體硬件設(shè)計。主機硬件電路：圖17 主機硬件電路從機硬件電路：圖318 從機硬件電路 第4章 系統(tǒng)程序設(shè)計在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)硬件設(shè)計的各個模塊，完成程序設(shè)計。程序設(shè)計分為主機程序設(shè)計和從機程序設(shè)計兩個部分。 主機程序設(shè)計 主機程序設(shè)計思路設(shè)計采用A、B兩個從機作為采集端，A、B兩個從機將采集的信息依次循環(huán)通過NRF905無線模塊發(fā)送到主機，主機依次接受數(shù)據(jù)后在顯示屏上顯示，并與溫濕度上下限值進行對比，若發(fā)生超值，則啟動報警器。 主機程序流程圖41 主機程序流程圖 無線模塊程序設(shè)計無線模塊NRF905的工作方式：NewMsgRF905一共有四種工作模式，其中有兩種活動RX/TX 模式和兩種節(jié)電模式。 活動模式：ShockBurst RX 和ShockBurst TX。節(jié)電模式：掉電和SPI編程、STANDBY和 SPI編程。NRF905 工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP 的設(shè)置來設(shè)定，如表41所示。表41 工作模式的設(shè)置表PWR_UPTRX_CETX_EN工作模式0XX掉電和SPI 編程10XStandby和SPI 編程110ShockBurst RX