【正文】 題 目 外界環(huán)境檢測(cè)儀的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 趙俊杰 學(xué)號(hào) 1113024078 所在學(xué)院 物 理 與 電 信 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí) 通 信 工 程 專 業(yè) 1103 班 指導(dǎo)教師 李翠華 完成地點(diǎn) 物 理 與 電 信 工 程 學(xué) 院 實(shí) 驗(yàn) 室 2015 年 6月 5日外界環(huán)境檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)趙俊杰（陜西理工學(xué)院通信1103班 陜西 漢中 723000）指導(dǎo)教師：李翠華【摘要】外界環(huán)境檢測(cè)儀是對(duì)外界環(huán)境所涉及到的變量進(jìn)行檢測(cè)，例如、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、灰塵濃度等，使人們方便及時(shí)的了解外界環(huán)境的狀況，也可用于航海宇航等工業(yè)領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了傳感器對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度及灰塵濃度的檢測(cè)與無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)了人們?cè)谑覂?nèi)及時(shí)了解外界環(huán)境的變化。本系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、成本低、工作穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)?！娟P(guān)鍵詞】：溫度、濕度、光照強(qiáng)度、灰塵濃度、無(wú)線傳輸。The design of the external environment detectorZhao junjie（Grade11,Class1103,Major Communication ，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Li Cuihua Abstract:External environment detector is involved to the outside environment variables, such as, temperature, humidity, light intensity, dust concentration, etc.,which make people convenient and timely understanding of the external environment condition ,and used for navigation aerospace and other industrial fields. This design used singlechip microputer to control of temperature, humidity, light intensity，dust concentration measurement and wireless transmission finally in order to understand the change of external environment in a timely manner for people indoors . the system has powerful function, low cost, stable work, the advantages of accurate and timely data transmission. Key Words: Temperature, humidity, light intensity, dust concentration, wireless transmission.  目 錄1 緒論 1 1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求 1 2 2 傳感器簡(jiǎn)介 2 3 LCD1602顯示: 4 5 5 5 5 6. 6 7 8 顯示電路 94系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 12 12 15 無(wú)線射頻nRF24L01 16 19 19 LCD1602顯示模塊設(shè)計(jì) 195軟硬件調(diào)試 23 軟件調(diào)試 23 24致謝 26參考文獻(xiàn) 27附錄A 28附錄B 30附錄C 32附錄D 51附錄E 52II陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒論在人們的日常生活中，出行、旅游、行程安排都離不開對(duì)環(huán)境狀況提前的預(yù)知，傳統(tǒng)的有線檢測(cè)，受制于地理環(huán)境位置，和自由約束性太大，故而追求一種不受位置環(huán)境限制的實(shí)時(shí)檢測(cè)檢測(cè)儀。目前我國(guó)的環(huán)境檢控系統(tǒng)大都采用有線檢控系統(tǒng)，由于有線檢控系統(tǒng)受地域和環(huán)境因素的影響難以實(shí)施全面、靈活的監(jiān)測(cè)，在外界環(huán)境特殊的情況下事故發(fā)生率仍然較高。因此用無(wú)線檢控系統(tǒng)取代有線檢控系統(tǒng)，將大大提高監(jiān)測(cè)與預(yù)警水平。無(wú)線技術(shù)有多種，然而適合于無(wú)線電纜短距離傳輸?shù)耐饨绛h(huán)境有效的方法之一是利用RF24L01（射頻技術(shù)）和Zigbee技術(shù)（無(wú)線短距離傳輸技術(shù)）。本次設(shè)計(jì)基于無(wú)線SPI協(xié)議組建的網(wǎng)絡(luò)外界環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，為外界環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了新方法思路。RFL2401技術(shù)具有低成本、低功耗和低速率無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，適用于長(zhǎng)短各種距離小范圍的組網(wǎng)協(xié)議，尤其是在控制領(lǐng)域中得到快速的發(fā)展與應(yīng)用。國(guó)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起始于美國(guó)，在20世紀(jì)90年代末期只有美國(guó)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上有所研究，直到21世紀(jì)開始，美國(guó)和歐洲相繼開啟了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃，2003年美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)制定的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃。美國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)和高級(jí)計(jì)劃局投入了大量資金支持高校和科研機(jī)構(gòu)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)英特爾公司，微軟公司和其他信息產(chǎn)業(yè)巨頭也開始對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，同時(shí)還有其他科技發(fā)達(dá)國(guó)家也開始了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作。經(jīng)過(guò)幾年的研究，不斷的利用和改進(jìn)，現(xiàn)在無(wú)線傳感器采集系統(tǒng)主要應(yīng)用在城市公共安全、公共衛(wèi)生、安全生產(chǎn)、智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等控制領(lǐng)域。所以，越來(lái)越多的公司和廠家重視無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展。 設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求外界環(huán)境的好壞和人們的生活密切相關(guān)，本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一外界環(huán)境檢測(cè)儀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境溫度，濕度，光照，灰塵顆粒濃度的檢測(cè)，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，使人們可以在家中隨時(shí)了解外界環(huán)境的狀況。1.畫出總體設(shè)計(jì)框圖，用以說(shuō)明檢測(cè)儀由哪些相對(duì)獨(dú)立的功能模塊組成，標(biāo)出各個(gè)模塊之間互相聯(lián)系。并以文字對(duì)原理作輔助說(shuō)明，具有檢測(cè)溫度，濕度，光照，灰塵濃度的功能。2.設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊的電路圖，總電路具有無(wú)線傳輸?shù)墓δ埽? 。3.選擇合適的元器件，在開發(fā)板上接線驗(yàn)證、調(diào)試各個(gè)功能模塊的電路，在接線驗(yàn)證時(shí)設(shè)計(jì)、選擇合適的輸入信號(hào)和輸出方式，在確定電路充分正確性同時(shí)，輸入信號(hào)和輸出方式要便于電路的測(cè)試和故障排除。4.在驗(yàn)證各個(gè)功能模塊基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)電路的元器件和布線進(jìn)行合理布局，試驗(yàn)樣機(jī)一套。本設(shè)計(jì)涉及到的主要問(wèn)題是：（1）傳感器選型（2）信息傳輸核心芯片的選型和模塊的設(shè)計(jì)（3）無(wú)線傳輸模塊的辯論（4）顯示模塊的設(shè)計(jì)及液晶顯示的選型。 傳感器簡(jiǎn)介光敏電阻光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測(cè)器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。另一種是電阻會(huì)隨光的減弱而減小。本次設(shè)計(jì)是選用前者作為光強(qiáng)采集元件。 光敏電阻光照強(qiáng)度L采集，通過(guò)光敏電阻由于它的電氣特性影響所在電路支路的電流，進(jìn)而改變模擬電壓，ADC0832內(nèi)部的電路在時(shí)鐘頻率下，每隔一段時(shí)間對(duì)模擬量進(jìn)行16分頻采集，采集到的電壓，用比較電路將其與參考進(jìn)行比較進(jìn)而編為0/1代碼,（此次過(guò)程也量化編碼的過(guò)程）在內(nèi)部邏輯的控制下將其以一個(gè)字符為單位送入鎖存寄存器，進(jìn)行鎖存，于此同時(shí)等待單片機(jī)中斷的到來(lái)。其結(jié)果可直接用于單片機(jī)的識(shí)別。數(shù)字溫濕度傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)型號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為給類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。4針單排引腳封裝，連接方便。 數(shù)字溫濕度傳感器MQ211型氣敏元件特點(diǎn)：這是一種通用性較強(qiáng)的氣敏元件，氣敏傳感器的敏感元件是氣敏電阻器，氣敏電阻器的阻值隨吸附氣體的濃度變化而變化，利用這一特性檢測(cè)氣體濃度。適用于一般可燃?xì)怏w（如氫氣、液化石油氣、煤氣、一氧化碳、烷烴類等及酒精、乙醚、汽油、煙霧等有害氣體的檢測(cè)，是制作換氣扇、脫排油煙機(jī)自動(dòng)開關(guān)、氣體報(bào)警器，防止環(huán)境污染的理想氣體敏感器件）。MQ211氣敏傳感器管腳排列如下圖所示： 氣敏傳感器可燃性氣體(HCO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無(wú)焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于10％)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)?？諝庵锌扇夹詺怏w濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(ΔR)，就可檢測(cè)空氣中可燃性氣體的濃度。傳輸方式有多種多樣，傳輸方式可選擇nRF24L01技術(shù)（無(wú)線電射頻技術(shù)）、zigbee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外技術(shù)、等。這些傳輸方式都有自己的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)方案的比較，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用情況，選擇一種最佳的傳輸方式作為本設(shè)計(jì)的通信方式。無(wú)線電射頻技術(shù)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是在1988年，是由Proxim、西門子、摩托羅拉等信息技術(shù)巨頭組建的。其起始研發(fā)目的是為家庭無(wú)線聯(lián)網(wǎng)提供一種組網(wǎng)方便、易于使用、成本低的通用性標(biāo)準(zhǔn)。 的ISM頻段，傳輸速率達(dá)到12Mbps，主要應(yīng)用在家庭無(wú)線組網(wǎng)上，可連接設(shè)備127臺(tái)，由于早期技術(shù)未進(jìn)行公開，只有少數(shù)公司支持，在抗干擾方面與其他技術(shù)相比存在很多問(wèn)題，后續(xù)研發(fā)遲緩，因此未能得到廣泛的發(fā)展與應(yīng)用但其技術(shù)已夠成熟。 SPI通信協(xié)議：主單片機(jī)與從單片機(jī)的SPI9位移位寄存器連接成一個(gè)循環(huán)的16位寄存器。當(dāng)主單片機(jī)程序向SPDAT寫入一個(gè)字節(jié)時(shí)，立即啟動(dòng)一個(gè)連續(xù)的8位移位通訊過(guò)程：主單片機(jī)的 SCLK腳向從單片機(jī)的SCLK腳發(fā)出一串脈沖在這串脈沖的驅(qū)動(dòng)下，主單片機(jī)SPI8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到了從單片機(jī)的SPI 8位移位寄存器中；于此同時(shí)，從單片機(jī)SPI 8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)已到了主單片機(jī)的 SPI 8位移位寄存器中。利用這樣的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，主單片機(jī)即可向從單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，又可讀從機(jī)單片機(jī)中的數(shù)據(jù)。Zigbee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其PHY層（物理層）和MAC層（介質(zhì)訪問(wèn)控制層）協(xié)議為IEEE ，NWK層（網(wǎng)絡(luò)層）由Zigbee技術(shù)聯(lián)盟限定，APL層（應(yīng)用層）的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶的應(yīng)用需要，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用，該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。Zigbee 2007 規(guī)范定義了 zigbee 和zibee PRO 兩種基本特性，該規(guī)范比 Zibee 2006 協(xié)議更具有應(yīng)用前景。藍(lán)牙技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究和開發(fā)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話的無(wú)線耳機(jī)。藍(lán)牙技術(shù)是一種替代便攜式或固定電子設(shè)備上的電纜或無(wú)線連接，短距離無(wú)線傳輸技術(shù)。其工作頻率為ISM ，采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，藍(lán)牙設(shè)備的最大發(fā)射功率有三個(gè)等級(jí)：100mw（20dBm）、（4dBm）、lmw（0dBm）。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備功率為最低等級(jí)lmw時(shí)，~10m。當(dāng)發(fā)射源接近或是遠(yuǎn)離，藍(lán)牙設(shè)備會(huì)根據(jù)接收到的電波強(qiáng)弱變化來(lái)自動(dòng)地調(diào)整發(fā)射功率。當(dāng)發(fā)射功率提高到10mw時(shí)，其傳輸距離可以達(dá)到100m。傳輸速率也從原有的720kbps提高到3Mbps。 紅外技術(shù)，一般是利用850nm的紅外光進(jìn)行傳輸。而該傳輸方式必須要求設(shè)備之間的信道無(wú)障礙，通信距離不超過(guò)10m，通信的角度在30176。之內(nèi)，但是紅外技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速率上非?？?，最初的紅外技術(shù)傳輸速率為4Mbps，而到現(xiàn)在已經(jīng)提高到16Mbps。紅外技術(shù)的工作原理很簡(jiǎn)單，功耗低，成本低。由于它在傳輸距離上受限制、傳輸方向要求強(qiáng)，因此只能在一定領(lǐng)域受到使用，得不到廣泛的發(fā)展。 技術(shù)名稱工作頻段傳輸速率最大功耗鏈接設(shè)備數(shù)應(yīng)用Zigbee 896/915MHZ 20kbp，40kbps， 13mw 6500 家庭網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò) 250kbpsBluetooth 13Mbps 1100mw 7 個(gè)人網(wǎng)絡(luò)Infrared 820nm 520kbps,4Mbps, 110mw 2 透明可見范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸 16MbpsHomeRF 12Mbps 100mw 127 家庭無(wú)線局域網(wǎng) LCD1602顯示:工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符（16列2行）。1602液晶也 字符型液晶叫1602字符型液晶，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行