【正文】 ............................................................................................... 14 接收部分 ............................................................................................... 14 部分軟件設(shè)計(jì) .................................................................................................. 15 傳感節(jié)點(diǎn)溫濕度檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì) ....................................................... 15 無(wú)線發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì) ....................................................................... 15 II 無(wú)線接收模塊軟件設(shè)計(jì) ....................................................................... 16 LCD12864 顯示模塊軟件設(shè)計(jì) .......................................................... 16 第 5 章 系統(tǒng)的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ................................................................................... 18 調(diào)試步驟 .......................................................................................................... 18 測(cè)試數(shù)據(jù)分析 .................................................................................................. 18 結(jié) 論 ......................................................................................................................... 20 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 21 附錄 A：作品實(shí)物圖 ..................................................................................................... 22 附錄 B： STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)原理圖 ............................................................. 23 附錄 C：無(wú)線收發(fā)模塊電路圖及 LCD12864 電路圖 ................................................ 24 附錄 D：主函數(shù)及無(wú)線收發(fā)部分程序 ........................................................................ 25 致 謝 ......................................................................................................................... 34 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 引言 在現(xiàn)代測(cè)量控制系統(tǒng)中，均需要采集 被測(cè)點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)，而且在數(shù)據(jù)的采集與處理過(guò)程中，往往都需要上位機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或加以統(tǒng)計(jì)。在檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)集中的地方，可以采用有線連接的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)與收集。但是在一些特殊的環(huán)境下有線連接卻不能滿足實(shí)際需求。在測(cè)量點(diǎn)相對(duì)分散且分布不均勻的情況下，如果采用個(gè)有線數(shù)據(jù)采集的方式往往需要高昂的工程。例如具有腐蝕性的環(huán)境、無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施明線安裝或者為了避免危險(xiǎn)等許多特殊條件下，通過(guò)有線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，如通過(guò) CAN 總線、 MAX485 等方式等已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)囊?，如果采用無(wú)線數(shù) 據(jù)通信的方式就體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闊o(wú)線數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)受到地理環(huán)境、時(shí)間、季節(jié)、氣候等外部條件的限制，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。 課題的研究背景及意義 由于社會(huì)的不斷進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的需求，采用無(wú)線數(shù)據(jù)通訊的方式進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸已經(jīng)廣泛應(yīng)用到我們的生活的各個(gè)方面。 在一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境非常惡劣，工作人員無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)觀察生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行是否正常，此時(shí)就需要通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)的某些運(yùn)行數(shù)據(jù)并傳輸?shù)揭粋€(gè)相對(duì)較好的操控室，那么就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式的問(wèn)題。由于車(chē)間大、設(shè)備分布不均勻、需要傳輸數(shù) 據(jù)較多，若使用有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞叫枰佋O(shè)大量的通訊線，不僅浪費(fèi)資源，占用空間，而且可操作性差，若出現(xiàn)問(wèn)題或設(shè)備位置變動(dòng)，就會(huì)需要重新布線，操作非常繁瑣，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更加大了生產(chǎn)成本。而且，如果數(shù)據(jù)采集點(diǎn)是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、所處的環(huán)境比較特殊不允許或根本無(wú)法鋪設(shè)電纜時(shí)，甚至數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸，此時(shí)就需要通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸。 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，無(wú)論是對(duì)溫室大棚內(nèi)不同位置點(diǎn)的溫濕度監(jiān)測(cè)，還是糧倉(cāng)的大范圍監(jiān)測(cè)管理，傳統(tǒng)方法都是通過(guò)人工進(jìn)行分區(qū)取樣的方法，不僅工作量非常大，可靠性差，而且溫室大棚或糧倉(cāng)的占地面積大 ，檢測(cè)位置比較分散，檢測(cè)點(diǎn)較多，使用傳統(tǒng)的方法已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。在當(dāng)前的先進(jìn)科技水平下，無(wú)線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，使得遠(yuǎn)程無(wú)線溫濕度采集測(cè)量的方法，不僅測(cè)量精確，而且簡(jiǎn)便易行。 在日常生活中，隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們生活水平的逐步提高，居住環(huán)境也逐漸變得更加智能化?，F(xiàn)在很多的家庭都已經(jīng)安裝了室內(nèi)溫濕度采集控制系統(tǒng)，其主要原理天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 就是通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)采集室內(nèi)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫濕度的情況進(jìn)行遙控通風(fēng)等安全操作，不僅可以自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，而且能夠更好地改善人們的居住環(huán)境。 以上簡(jiǎn)單列舉了幾個(gè)在實(shí) 際應(yīng)用場(chǎng)合的例子，在我們的日常生活中，無(wú)線溫濕度采集與傳輸系統(tǒng)已經(jīng)被逐漸應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事國(guó)防和機(jī)器人控制等許多領(lǐng)域。目前在一些布線繁瑣或不允許有明線的特殊場(chǎng)合都能夠通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)方案解決。因此，就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信接口系統(tǒng)，來(lái)控制無(wú)線射頻模塊的工作，一邊完成可靠并且穩(wěn)定的無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)外研究狀況及 發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線射頻通信技術(shù)在近幾年也得到了迅猛的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)的無(wú)線射頻技術(shù)也逐漸成熟，很多公司開(kāi)研發(fā)出種類(lèi)齊全的射頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和芯片。并且這些 無(wú)線射頻芯片不僅傳輸速率很快而且靈敏度也很高。如今此類(lèi)的射頻芯片正向著集成化和微型化的方向發(fā)展，很大程度降低了使用成本，因此無(wú)線射頻芯片在嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)中具有非常大的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外很多知名廠商都很重視無(wú)線射頻芯片技術(shù)研究，以及更好的應(yīng)用到射頻芯片的嵌入式系統(tǒng)中。 隨著射頻技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線傳輸芯片的體積和尺寸也越來(lái)越微型化，功能也越來(lái)越豐富，加上輔助電路在性能上更加的優(yōu)越，傳輸距離也越來(lái)越遠(yuǎn)，信號(hào)更加的穩(wěn)定性，擁有更快點(diǎn)的傳輸速率和更強(qiáng)的抗干擾能力，特別適用于復(fù)雜的工業(yè)控制場(chǎng)合。目前 Nordic 公司 已經(jīng) 成功推出 一款 nRF24L01 芯片，同時(shí) 國(guó)內(nèi)很多 公司也相繼推出基于 nRF24L01 的無(wú)線傳輸模塊。 nRF24L01 無(wú)線通信 模塊是 目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為普遍的無(wú)線 收發(fā) 器件 ， 其 工作 頻段在 GHz 至 GHz 之間 。 nRF24L01 無(wú)線通信模塊 可以通過(guò)軟件程序?qū)νㄓ嵉耐ǖ兰拜敵龉β蔬M(jìn)行配置，不僅內(nèi)部融合了ShockBurst 技術(shù) ，而且內(nèi)部繼承了多種功能模塊，包括 頻率合成 電路 、功率放大器 及振蕩器 和解調(diào) 器等 。 nRF24L01 模塊功率損耗特別 低，在以 6dBm的功率發(fā)射時(shí)， 模塊的測(cè)試 工作電流 在 9mA 左右；模 塊工作在 接收 模式時(shí) ， 也 只有 的 工作電流， 該模塊的 掉電模式和空閑模式 等 多種低功率工作模式使節(jié)能設(shè)計(jì)更 加 方便。 目前這種基于此頻段的通信方式已日漸趨向成熟。 目前無(wú)線射頻通信技術(shù)已經(jīng)在很多工業(yè)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣和實(shí)際應(yīng)用，對(duì)施工成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性都的到了很大的提高：例如無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，糧倉(cāng)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)，機(jī)器人控制等多種應(yīng)用場(chǎng)合。這些先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用給我們的日常生活帶來(lái)了很大的便利。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能 溫 濕 度 的 檢測(cè) 技術(shù) 在日常生活和工程 現(xiàn)場(chǎng)都會(huì) 經(jīng)常用到， 由于科技的不斷進(jìn)步和生活水平的提高 ， 對(duì)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度有了越來(lái)越高的要求 ，傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量裝置 已經(jīng) 很難滿足 檢測(cè)精度 的要求，本設(shè)計(jì)采用 DHT11 作為溫濕度 傳感器 ， 使用低功耗 STM32 單片機(jī) 。而且 本課題 采用 nRF24L01 無(wú)線 模塊對(duì) 單片機(jī) 采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行 近距離的 無(wú)線傳輸， 避免了傳統(tǒng)的通訊線傳輸所帶來(lái)的布線困難，成本高等問(wèn)題 。本設(shè)計(jì)采用 STM32F103C8T6 單片機(jī) 作為主控 CPU，外加 DHT11 溫濕度采集模塊、 nRF24L01 無(wú)線收發(fā)模塊和數(shù)碼顯示模塊組成整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 系統(tǒng)方案 本系統(tǒng)包括：一個(gè)主機(jī)、兩個(gè)從機(jī)、無(wú)線通訊模塊、溫度采集、濕度采集、繼電器模組、報(bào)警電路、定時(shí)中斷等子程序。開(kāi)機(jī)時(shí)系統(tǒng)顯示系統(tǒng)時(shí)間并復(fù)位，從機(jī)采集一組環(huán)境的實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通訊模塊將傳感檢測(cè)節(jié)點(diǎn)周?chē)臏貪穸葦?shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)并在液晶上顯示出來(lái)，主機(jī)通過(guò)程序判斷是否達(dá)到預(yù)警值，并控制報(bào)警電路主機(jī)從機(jī)一 從機(jī)二LCD 顯示天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 等相關(guān)模組工作的程序流程。 本設(shè)計(jì)是以 STM32F103C8T6 單片機(jī)為 CPU，以 nRF24L01 無(wú)線數(shù)據(jù)模塊為通信方式的一套多傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，其中涉及到單片機(jī)與 nRF24L01 無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、溫度與濕度檢測(cè)、蜂鳴器語(yǔ)音報(bào)警、模擬繼電器驅(qū)動(dòng) LED 指示、 LCD 顯示等部分電路的設(shè)計(jì)。 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22 所示。 圖 22 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng) 中功能 模塊 的選型 溫濕度檢測(cè) 模塊 的選型 方案一： 數(shù)字式溫度傳感器的選擇在目前很多工農(nóng)業(yè)場(chǎng)合很多 采用 DS18B20 作為系統(tǒng)的測(cè)溫元器件 ， 由于該測(cè)溫元件的輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，能很好 的與微控制器進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的傳輸，并且該測(cè)溫元件的外圍電路要求簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性也相對(duì)不錯(cuò)，能夠很大程度上簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì) ， 但其檢測(cè)范圍僅限于溫度測(cè)量，檢測(cè)功能單一，需要搭配濕度檢測(cè)器件才能滿足本設(shè)計(jì)要求，因此，該器件不適用于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 方案二： DHT11 傳感器是一款能夠輸出溫度和濕度的數(shù)字式溫濕度一體傳感器，并且該傳感器的輸出信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后輸出給控制器。為了確保該傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，傳感器內(nèi)部采用了專(zhuān)用的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)。該傳感器天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，并且其體積小，功耗低，傳輸 距離能達(dá)到 20 米以上，能夠很好的與單片機(jī)進(jìn)行連接并嵌入到系統(tǒng)中。 DS18B20 與 DHT11 相比，在功能和檢測(cè)精度上都低于 DHT11 溫濕度傳感器，因此本設(shè)計(jì)選用方案二作為環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測(cè)器件。 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的 選 型 方案一： NRF24L01 的工作頻率在 ~ 范圍，是目前通用的一種基于 ISM頻段的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器芯片。 nRF24L01 無(wú)線通信 模塊 可以通過(guò)軟件程序?qū)νㄓ嵉耐ǖ兰拜敵龉β蔬M(jìn)行配置，不僅內(nèi)部融合了 ShockBurst 技術(shù) ，而且內(nèi)部繼承了多種功能模塊，包括 頻率合成 電路 、功率放大 器 及 振蕩器 和解調(diào) 器等 。并且可以通過(guò) SPI通訊協(xié)議進(jìn)行模塊的驅(qū)動(dòng)，編程方法簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。 方案二： 藍(lán)牙模塊是一種目前近距離數(shù)據(jù)傳輸比較常用的一種方式， 藍(lán)牙 模塊 的數(shù)據(jù) 傳輸距離 在 10cm～ 10m 左右 ， 如果外加相關(guān)功率放大電路或某些外設(shè)，藍(lán)牙的傳輸距離可以達(dá)到幾十米。目前 藍(lán)牙 技術(shù)雖然被描述的前景非常廣闊，但是藍(lán)牙技術(shù)現(xiàn)在還不是非常的成熟，其穩(wěn)定性能不是很好，并且抗干擾能力也比較差，因此該技術(shù) 還 需要 實(shí)際 應(yīng)用