【正文】 ....................................................................... 12 5 硬件電路 .............................................................................................................................13 硬件制作 ......................................................................................................................... 13 硬件調試 ......................................................................................................................... 14 硬件調試結果 ................................................................................................................. 14 溫濕度采集測試 .......................................................................................................... 15 nRF24L01 無線模塊測試 ........................................................................................... 17 6 結論 與展望 .........................................................................................................................17 參考文獻 ...................................................................................................................................19 附錄 ...........................................................................................................................................20 致謝 ...........................................................................................................................................22 華南農業(yè)大學本科生畢業(yè)設 計成績評定表 1 1 前言 糧食是人類賴于生存不可或缺的物質基礎，是人類從事各種活動的前提。 糧倉糧食的存儲是否得當對國家的經(jīng)濟能否正常合理的運行有很大的影響。 受限制于 以前的經(jīng)濟和科技水平，糧食的存儲環(huán)境差，管理落后。 為此，合理地布置溫濕度測量點， 以便及時發(fā)現(xiàn)糧食的發(fā)熱點、潮濕點， 成為 糧庫管理的重 中之重。 隨著嵌入式技術，短距離無線通信技術、傳感器網(wǎng)絡技術等的不斷發(fā)展，電子設備檢測技術可以大大的降低糧倉的管理成本。同時， 現(xiàn)代化的糧食倉儲系統(tǒng)對糧食的安全性 也 提出了更高的要求。在糧倉管理過程中，濕度和溫度是兩個重 要的控制指標，直接影響糧食的儲存質量。 然而， 傳統(tǒng)的人工測試方法費時費力，效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大 (王明明等， 20xx)；而有線 方式的 測溫濕 度系統(tǒng) 存在著 不穩(wěn)定性，且 布線復雜，線路容易老化，線路故障難以排查，設備重新布局需要重新布置等問題。而無 線 方式的 測溫濕 度系統(tǒng)不存在以上的這些問題，為此，采用無線實時的 溫濕 度檢測系統(tǒng)， 對數(shù)據(jù)進行采集、 裝載、 發(fā)送、并 由終端 對無線采集來的數(shù)據(jù)進行相應處理，以控制監(jiān)測設備的運行情況， 可大大的 減少不必要的線路設備開支 (張玉建， 20xx)。 本設計采用無線傳感器網(wǎng)絡技 術 ，通過自組 無線傳感器網(wǎng)絡 實現(xiàn)一對多的通信，對糧倉內部環(huán)境 進行 監(jiān)測。 由于每一個無線監(jiān)測節(jié)點需長時間工作， 對功率消耗十分敏感，為 此 ，本系統(tǒng)采用 低功耗無線傳輸芯片和超低功耗嵌入式處理器， 組建實時的 無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡，以實現(xiàn)對糧倉溫濕度的網(wǎng)絡化實時監(jiān)測和報警。 2 系統(tǒng)方案分析與選擇論證 系統(tǒng)最終方案 發(fā)送端：由數(shù)字溫濕度傳感器 AM2301，實時地 采集 當前的 溫濕度信息，經(jīng)ATmega16L 單片機 分析處理后， 通過模擬 SPI 接口控制無線射頻模塊 nRF24L01 裝載溫濕度信息，由無線射頻模塊 nRF24L01 發(fā)射給主機接收端并顯示溫濕度信息。紅外模塊可用于監(jiān)測各監(jiān)測節(jié)點附近有無老鼠，試驗中未做出。 接收端：由 nRF24L01 無線射頻模塊接收終端采集過來的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)模擬 SPI 接口發(fā)給 ATmega16L 單片機，由 ATmega16L 單片機控制液晶 LCDTFT 實時顯示溫濕度信息，并且顯示報警溫濕度上限值。當溫濕度過高或者過低時， TFT 是否報警一行顯示是并開始閃爍，蜂鳴器鳴叫，起報警作用，直到溫濕度值恢復正常。 2 圖 1 系統(tǒng)方框圖 此系統(tǒng)為 一 對多的無線通信系統(tǒng) ，多個從機發(fā)送端由傳感器本地采集并且通過nRF24L01 無線射頻模塊發(fā)送溫濕度信息，一個主機通過 nRF24L01 無線射頻模塊的多個通道 （ 最多 6 個， nRF24L01 至多可開啟 6 個通道接收數(shù)據(jù) ） 接收多個終端節(jié)點的溫濕度信息，實時顯示各終端節(jié)點溫濕度信息，系統(tǒng)方框圖如圖 1 所示。 系統(tǒng)方案設計 主控芯片方案 方案一：采用宏晶科技有限公司的 STC90C52Rc 單片機作為主控芯片。此芯片為51 類單片機增強版，價格便宜、易于操作，比較經(jīng)濟實惠。 方案二：采用 ATmega16L 作為主控芯片。此芯片是 基于增強的 AVR RISC 結構的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進的 指令集 以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的 數(shù)據(jù)吞吐率 高達 1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾，且其跟 51 類單片機相比，具有超低功耗和 內置晶振等特點。 考慮到此系統(tǒng)的復雜度，進行模數(shù)轉換實現(xiàn)對溫濕度的監(jiān)測所需外圍器件較多，監(jiān)測節(jié)點電路板面積小，主控采用貼片封裝。從性能和實用性上考慮我們選擇方案二。 無線通信模塊方案 方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模塊進行通信， GSM 模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機卡，雖 然 能夠遠距離傳輸，但是其成本較大、且需要內置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。 ATmega16L(發(fā)送端 ) DHT11 溫濕度傳感器 紅外模塊 ISP 下載模塊 NRF24L01 無線模塊 LCDTFT 顯示模塊 GSM 報警模塊 蜂鳴器 ATmega128 (接收端 ) 從機結構框圖 主機結構框圖 NRF24L01 無線模塊 3 方案二：采用 TI（ 德州儀器 ） 生產的 C2430 無線通信模塊，此模塊采用 Zigbee 總線模式，傳輸速率可達 250kbps，且內部集成高性能 8051 內核。但是此模塊價格較貴，且 Zigbee 協(xié)議相對較為復雜 ，實用性不高 。 方案三：采用 nRF24L01 無線射頻模塊進行通信， nRF24L01 是挪威 Nordic 公司推出的單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM 頻段，抗干擾能力強，能耗非常低，滿足多點通信和跳頻通信需要。 當加定向天線后，在無障礙通信情況下 能傳輸上千米的距離，而且價格較便宜，采用 SPI 總線通信模式電路簡單，操作方便。 綜合考慮各方面因素，采 用方案三作為本系統(tǒng)的無線通信方案。 溫濕度傳感器方案 方案一： AD590 是美國 ANALO G DEV ICES 公司的單片集成兩端感溫電流源芯片，采用此芯片測量溫度。此器件測溫精度高、電源電壓范圍寬，但須差分放大器放大和 A/D 轉換，需要元器件多，且價格較貴。采用濕敏電阻測量濕度信息，通過將濕敏電阻的電阻變化量放大并且通過模數(shù)轉換為相對濕度數(shù)值。此方法測相對濕度信息精度較差，也需要較多元器件。 方案二：采用廣州奧松有限公司生產的 DHT11 溫濕度一體的數(shù)字傳感器。通過單片機等微處理器單總線的電路 連接就能實時地采集本地溫度和濕度信息。功耗很低。工作電壓范圍為 ～ ，可以直接和單片機的 I/O 口相連。 方案三：采用 廣州奧松 電子 有限公司生產的 AM2301 溫濕度一體的數(shù)字傳感器 。它 是電阻式感濕元件 DHT11 濕度傳感器的升級版，具有高精度， 低功 耗、抗干擾能力強等優(yōu)點。其中采集溫度的精度為 ? C? ，采集相對濕度的精度為 ? 3%。 外圍電路簡單，只需 在數(shù)據(jù)口上拉一個 5K 歐電阻，便可直接和 ATmega16L 單片機的 I/O 口相連 。 使用 DHT11 采用單總線的控制方式。線路簡單，編程容易，但是比 AD590 精度低。AD590 還需要其它輔助電路，線路復雜，編程難度大。 而 AM2301 外圍電路簡單，并且精度相比于 DHT11 高。所以， 考慮到電路的設計復雜 度 、 系統(tǒng)的精度，功耗 ，還有本系統(tǒng) 需 多點通信， 在成本考慮上， 選擇方案 三 ，即用 AM2301 作為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器。 顯示模塊方案 方案一：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息， LCD1602 是一款比較通用的字 符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價格便宜，容易控制。 4 方案二：選擇主控為 ST7920 驅動器的帶字庫的 LCD12864 來顯示信息。 LCD12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示常用的漢字及 ASCII 碼，而且能夠繪制圖片，描點畫線，設計成比較理想的結果，但考慮到監(jiān)測節(jié)點較多，需顯示的信息較多，而其最多只能顯示四行信息。 方案三：采用配置 寸的 TFTLCD 即薄膜晶體管液晶顯示器。該模塊的控制器為 ILI9325,具有 26 萬像素， 320240 的分辨率， 16 位真彩顯示?？梢郧逦娘@示各監(jiān)測節(jié)點的信息，且 其可以顯示人性化界面，各節(jié)點信息以及報警上限溫濕度值一目了然。 綜合以上方案，選擇了可顯示人性化界面的 TFTLCD 作為接收端的顯示。 3 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設計 ATmega16L8AI 單片機 CSNCESCKMISOMOSIPC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7IRQPA0PD7PD1PD0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7AREFAVCCRSTGNDX2X1PB1PB2PD3PD4PD5PD6S1PB0PB0 (XCK/T0)40PB1 (T1)41PB2 (AIN0/INT2)42PB3 (AIN1/OC0)43PB4 (SS)44PB5 (MOSI)1PB6 (MISO)2PB7 (SCK)3RESET4PD0 (RXD)9PD1 (TXD)10PD2 (INT0)11PD3 (INT1)12PD4 (OC1B)13PD5 (OC1A)14PD6 (ICP)15PD7 (OC2)16XTAL27XTAL18GND6PC0 (SCL)19PC1 (SDA)20PC2 (TCK)21PC3 (TMS)22PC4 (TDO)23PC5 (TDI)24PC6 (TOSC1)25PC7 (TOSC2)26AREF29AVCC27GND28PA7 (ADC7)30PA6 (ADC6)31PA5 (ADC5)32PA4 (ADC4)33PA3 (ADC3)34PA2 (ADC2)35PA1 (ADC1)36PA0 (ADC0)