【正文】 目 錄摘要 1第1章 緒論 1 系統(tǒng)開發(fā)背景 1 課題設(shè)計(jì)目的和意義 2 課題研究?jī)?nèi)容 2第2章 無線溫濕度采集管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能 4第3章 無線溫濕度傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 nRF905高頻頭通信模塊 5 nRF905概述 5 nRF905無線模塊硬件結(jié)構(gòu) 5 nRF905天線 6 nRF905頻率調(diào)制 6 nRF905輸出頻率 6 高頻頭輸出接口電路 7 AT89S52單片機(jī) 8 單片機(jī)與nRF905通信 9 單片機(jī)與主機(jī)通信 11 單片機(jī)程序下載模塊 12 DS18B20溫度傳感器 12 溫度傳感器概述 12 溫度傳感器構(gòu)成及原理 12 溫度傳感器寄生電源 13 傳感器溫度測(cè)量 14 DHT11傳感器 14 DHT11溫濕度傳感器概述 14 DHT11構(gòu)成及其工作原理 15 測(cè)量分辨率 16 系統(tǒng)電源模塊 16第4章 無線溫濕度傳輸系統(tǒng)軟件(下位機(jī))設(shè)計(jì) 16 無線溫濕度傳輸系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 17 單片機(jī)串口通信 18 SBUF數(shù)據(jù)緩沖寄存器 19 SCON串行口控制寄存器 19 PCON特殊功能寄存器 20 串口通信波特率選擇 20 IE中斷允許控制寄存器 21 nRF905與單片機(jī)通信 21 nRF905的數(shù)據(jù)發(fā)送 21 nRF905的數(shù)據(jù)接收 22 掉電模式 24 Standby模式 24 DS18B20數(shù)據(jù)采集 24 DS18B20初始化 24 DS18B20讀時(shí)序 25 DS18B20寫時(shí)序 25 異常情況處理 25第5章 溫濕度采集管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 數(shù)據(jù)管理中心(上位機(jī))軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 25 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì) 25 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境 27 系統(tǒng)管理方法 27 溫濕度管理系統(tǒng)各功能模塊介紹 27 MSComm控件注冊(cè)模塊 28 數(shù)據(jù)采集模塊 29 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊 31 歷史記錄模塊 34 異常處理模塊 35 幫助模塊 35 “溫濕度采集管理系統(tǒng)”管理軟件的特點(diǎn) 36第6章 結(jié)論 36 系統(tǒng)特點(diǎn) 37 需要進(jìn)一步完善的工作 37 無線RF傳輸技術(shù)應(yīng)用前景 37參考文獻(xiàn) 37致謝 39附錄一 41（1） 數(shù)據(jù)采集傳輸代碼 41（2） nRF905程序 43（3） DS18B20程序 44（4） DHT11 程序 45（5） 主程序 46附錄二 實(shí)物圖 48基于單片機(jī)的溫濕度采集管理系統(tǒng)***南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院 電子工程系，南京 210044摘要：本課題提出并設(shè)計(jì)基于AT89S52單片機(jī)的nRF905無線傳輸溫濕度采集管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括無線溫濕度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和溫濕度采集管理系統(tǒng)兩個(gè)部分：在無線溫濕度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，MCU處理器讀取DHT1DS18B20傳感器采集的數(shù)據(jù)，nRF905無線射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)射接收，二者通過模擬SPI接口進(jìn)行通信；而在溫濕度采集管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)將通過RS232串口采集的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、備份、存儲(chǔ)、查詢以及分析處理。系統(tǒng)通過了模擬調(diào)試，方案設(shè)計(jì)合理，應(yīng)用效果較好，是一種很有推廣性的無線數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:RF射頻技術(shù)； SPI時(shí)序；串口通信；溫濕度管理；數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)第1章 緒論 系統(tǒng)開發(fā)背景我國(guó)是世界上自然災(zāi)害發(fā)生十分頻繁、災(zāi)害種類甚多，造成損失十分嚴(yán)重的少數(shù)國(guó)家之一。每年由于干旱、洪澇、臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰雹等災(zāi)害危及到人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，國(guó)民經(jīng)濟(jì)也受到了極大的損失。對(duì)于局部區(qū)域（校園、企業(yè)、公共場(chǎng)所、科研場(chǎng)所等），尤其是對(duì)于氣候要求比較嚴(yán)格的地區(qū)，實(shí)時(shí)的檢測(cè)周圍的環(huán)境變化（溫度、濕度、能見度），能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)各種異常情況發(fā)生?，F(xiàn)如今也采用了各種手段來應(yīng)對(duì)這種情況，比如，氣象自動(dòng)站通信系統(tǒng)通過RE232有線、無線微波、GPRS、氣象短信等方式采集氣象要素，用于統(tǒng)計(jì)分析和處理。在本校實(shí)驗(yàn)樓的走廊里，全部安裝了煙霧傳感器，當(dāng)煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)（即發(fā)生火災(zāi)等情況），各節(jié)點(diǎn)會(huì)同時(shí)噴出水來解決異常情況。這些所有的煙霧傳感器都是采用有線連接，對(duì)于難于布線、相對(duì)較偏區(qū)域，布局成本明顯提高。RF無線傳輸技術(shù)，由于具有傳輸距離遠(yuǎn)、信息量大、傳輸速度快、信息傳輸精確、頻帶免費(fèi)使用等優(yōu)點(diǎn)，非常適合無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。RFID是射頻識(shí)別技術(shù)的英文(RadioFrequencyIdentification)的縮寫。RFID技術(shù)作為一項(xiàng)能夠快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集并處理信息的高新技術(shù)，是20世紀(jì)90年代開始興起的一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)在世界范圍內(nèi)正被廣泛的應(yīng)用。RFID技術(shù)在國(guó)外迅速發(fā)展。RFID技術(shù)的發(fā)展是基于多項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，它所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有芯片技術(shù)、天線技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)變換與編碼技術(shù)、電磁波傳播技術(shù)。RF905系列射頻無線傳輸涉及天線技術(shù)、數(shù)據(jù)變換與編碼技術(shù)、電子波傳播技術(shù)等，廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸、警報(bào)與安全系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、汽車、遙感探測(cè)等領(lǐng)域。 課題設(shè)計(jì)目的和意義數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是現(xiàn)代測(cè)控的基礎(chǔ)，用于獲取各種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)中，需要采集各種信息并將其送入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。因此作為獲取信息的重要工具，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前正廣泛地用于生產(chǎn)、科研的各個(gè)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信息轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信和信息處理三部分組成，其中數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是其中最重要的組成部分，本文對(duì)這一部分將進(jìn)行重點(diǎn)討論?，F(xiàn)階段數(shù)據(jù)通信方式總線采集方式、無線微波電臺(tái)、無線GPRS、GSM、氣象短信等。還包括人工采集方式。由于現(xiàn)有這種方式的通信方式已經(jīng)大規(guī)模投入使用，故本文采用RF射頻無線通信方式進(jìn)行通信，下表1是對(duì)各種數(shù)據(jù)通信方式進(jìn)行比較。表1 各種通信方式比較數(shù)據(jù)采集方式通訊距離通信載體消費(fèi)優(yōu)缺點(diǎn)人工采集人工消費(fèi)無實(shí)時(shí)性、有誤差RS232有線020M總線布線費(fèi)用傳輸距離小RS485有線01000M總線布線費(fèi)用布線麻煩無線微波電臺(tái)01000M微波占用頻帶費(fèi)用氣候地形影響通信無線GPRS不限網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)費(fèi)時(shí)延無線GSM不限網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)費(fèi)時(shí)延、距離不限氣象短信不限網(wǎng)絡(luò)短信計(jì)費(fèi)（較高）時(shí)延、費(fèi)用高無線射頻03000M不同芯片決定電磁波免費(fèi)受外在因素影響，可改善RFID技術(shù)本身的完善及其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使得RF射頻傳輸技術(shù)在我國(guó)擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場(chǎng)潛力?？梢詡鬏攷装倜椎缴锨祝覠o需網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳輸速度快，可以應(yīng)用于，偏僻，粉塵、油污等高污染環(huán)境和放射性環(huán)境。另外，nRF905功耗低的特點(diǎn)，使得其作為終端設(shè)備具備長(zhǎng)期作業(yè)的能力。所以，本課題提出并設(shè)計(jì)基于AT89S52單片機(jī)的nRF905無線傳輸系統(tǒng)的溫濕度管理系統(tǒng)及其軟件開發(fā)。使得系統(tǒng)應(yīng)用更靈活廣泛。 課題研究?jī)?nèi)容研究課題是基于nRF905無線射頻模塊和AT89S52可編程控制器的溫濕度管理系統(tǒng)。研究的內(nèi)容如下：1. 設(shè)計(jì)溫濕度管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。2. AT89S52與nRF905無線射頻模塊、計(jì)算機(jī)與AT89S52之間的串行通信。3. 根據(jù)溫濕度采集管理的控制要求設(shè)計(jì)溫濕度采集管理系統(tǒng)。4. 在Access2007數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境下，用Delphi開發(fā)溫濕度采集管理信息。在溫濕度管理系統(tǒng)中，基于AT89S52的nRF905無線收發(fā)系統(tǒng)是快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的發(fā)射接收數(shù)據(jù)的設(shè)備。DS18BDHT11傳感器能夠準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)，通過AT89S52單片機(jī)處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過模擬SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給nRF905無線模塊，由nRF905無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)射接收，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸。計(jì)算機(jī)與nRF905控制器之間采用RS232連接，構(gòu)成溫濕度采集管理上位機(jī)系統(tǒng)。采集管理系統(tǒng)是基于可視化編程語(yǔ)言Delphi和Access數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)維護(hù)模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、異常處理模塊和使用幫助模塊等五大模塊組成?？梢詫?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)刪除、保存數(shù)據(jù)和報(bào)表打印等；對(duì)終端進(jìn)行時(shí)時(shí)記錄、監(jiān)測(cè)，然后通過統(tǒng)計(jì)曲線圖將數(shù)據(jù)趨勢(shì)時(shí)時(shí)顯示出來；實(shí)時(shí)分析特定期段的最高溫度、最低溫度等；數(shù)據(jù)異常處理等功能。第2章 無線溫濕度采集管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)基于AT89S52的溫濕度采集管理系統(tǒng)是集RF技術(shù)、計(jì)算機(jī)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)于一體的實(shí)時(shí)采集溫濕度的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由無線溫濕度傳輸系統(tǒng)和溫濕度采集管理系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)采用半雙工的通信模式，可實(shí)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)之間的雙向收發(fā)。無線溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過MCU與PC機(jī)串口通信，MCU處理器與RF控制器進(jìn)行通信，傳感器通過單片機(jī)控制機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過nRF905模塊向外發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端通過nRF905模塊將來實(shí)現(xiàn)接收發(fā)送端發(fā)來的數(shù)據(jù)，再由接收端單片機(jī)通過RS232串口傳遞給接收端PC機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)將采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線通信傳到管理系統(tǒng)，溫濕度管理系統(tǒng)由Delphi開發(fā)的軟件管理模塊和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，時(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)信息，更有效的對(duì)溫濕度的管理，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖如圖1。收發(fā)數(shù)據(jù)溫度傳感器濕度傳感器MCU控制nRF905收發(fā)芯片收發(fā)天線收發(fā)天線nRF905收發(fā)芯片MCU控制管理系統(tǒng)電 源RS232圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)數(shù)據(jù)采集終端，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，推廣之，對(duì)于實(shí)際的具體應(yīng)用，會(huì)需要多個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。而nRF905無線收發(fā)模塊有170個(gè)頻道，可滿足多點(diǎn)通訊和跳頻通訊需求，從而實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通訊（TDMACDMAFDMA），具體的溫濕度管理系統(tǒng)如圖2。 圖2 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)通信管理圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能 基于AT89S52的溫濕度管理系統(tǒng)主要是對(duì)某一特定區(qū)域的溫濕度實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的管理，其基本功能包括計(jì)算機(jī)管理功能、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能、數(shù)據(jù)精確傳輸功能、應(yīng)急預(yù)警功能、數(shù)據(jù)反饋功能。1. 計(jì)算機(jī)管理功能。計(jì)算機(jī)管理是整個(gè)管理系統(tǒng)的核心，由計(jì)算機(jī)、溫濕度管理系統(tǒng)、通信線路等組成。主要完成通過串口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與RF控制器之間的通信；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理、分析；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記錄；數(shù)據(jù)備份打印；控制子系統(tǒng)等功能。2. 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能。根據(jù)用戶的需求及控制，控制器能夠定時(shí)實(shí)時(shí)的自動(dòng)采集到由溫濕度傳感器提供的數(shù)據(jù)。3. 數(shù)據(jù)精確傳輸功能。采用nRF905無線傳輸模塊，在空曠通訊距離可達(dá)300米左右，室內(nèi)通信36層可實(shí)現(xiàn)可靠通信，抗干擾性能強(qiáng)，很強(qiáng)的擾障礙穿透性能。對(duì)于600米左右的距離，可采用PA（功率放大器），以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。4. 應(yīng)急預(yù)警功能。當(dāng)溫度濕度出現(xiàn)異常情況時(shí)，比如，發(fā)生某設(shè)備溫度過高、火災(zāi)等，則系統(tǒng)會(huì)向用戶發(fā)出預(yù)警，比如，鳴笛，燈光閃爍等。5. 控制子系統(tǒng)功能。用戶通過計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，可以對(duì)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的控制，比如停止檢測(cè)節(jié)點(diǎn)工作，解除檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的警報(bào)等。第3章 無線溫濕度傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無現(xiàn)溫濕度傳輸系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)接收終端。數(shù)據(jù)采集終端，即采集終端(RTU) 安裝于各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要由傳感器單元、單片機(jī)(下位機(jī))、nRF905無線模塊數(shù)據(jù)發(fā)送終端和天線構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集終端(RTU)系統(tǒng)的功能框圖如圖3。數(shù)據(jù)接收終端主要是用來接收由各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并通過RS232串口傳到PC機(jī)。同時(shí)也用來作為用戶發(fā)布相關(guān)控制命令至各監(jiān)測(cè)點(diǎn)。傳感器單片機(jī)nRF905無線收發(fā)收發(fā)天線外部時(shí)鐘圖3 數(shù)據(jù)采集終端(RTU)系統(tǒng)總體框圖 nRF905高頻頭通信模塊 nRF905概述nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，32引腳QFN封裝（5mm5mm），工作于433/868/915MHz3個(gè)ISM頻道（可以免費(fèi)使用）。nRF905由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。ShockBurst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，可以很容易通過SPI接口進(jìn)行編程配置。nRF905可以自動(dòng)完成處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA。 nRF905無線模塊硬件結(jié)構(gòu)nRF905單片射頻發(fā)射芯片及其工作原理圖如圖4所示。整個(gè)nRF905模塊由ATN1和ATN2管腳與天線構(gòu)成天線輸出模塊，高頻頭輸出模塊包括數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、SPI接口三部分構(gòu)成，發(fā)射芯片采用16Ｍ晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘。下面從RF外圍一些模塊做詳細(xì)說明。圖4 nRF905單片射頻發(fā)射芯片硬件結(jié)構(gòu)圖 nRF905天線ANT1和ANT2輸出腳給天線提供穩(wěn)定的RF輸出。這兩個(gè)腳必須連接到VDD_PA的直流通路?；蛘咄ㄟ^RF扼流圈，或者通過天線雙極的中心點(diǎn)。在ANT1和ANT2之間的負(fù)載阻抗應(yīng)該在200700U范圍內(nèi)。通過簡(jiǎn)單的匹配網(wǎng)絡(luò)或RF變壓器（不平衡變壓器）可以獲得較低的阻抗。 nRF905頻率調(diào)制nRF905的調(diào)制采用高斯頻移鍵控（GFSK），調(diào)制在100kbps。頻率偏離在。高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制教普通的頻移鍵控在更寬的帶寬傳輸連接有效。數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行曼切斯特編碼（TX）和曼切斯特解碼（RX）。就是說，有效地符號(hào)連接速率為50kbps。通過采用內(nèi)部曼切斯特編解碼，微控制器不需要制定編碼解碼規(guī)則。 nRF905輸出頻率nRF 905的RF工作頻率由配置寄存器中的CH_NO和HFREQ_PLL設(shè)置。工作頻率計(jì)算公式如下：