【正文】 ..............13 硬件制作 ......................................................................................................................... 13 硬件調(diào)試 ......................................................................................................................... 14 硬件調(diào)試結(jié)果 ................................................................................................................. 14 溫濕度采集測(cè)試 .......................................................................................................... 15 nRF24L01 無(wú)線模塊測(cè)試 ........................................................................................... 17 6 結(jié)論 與展望 .........................................................................................................................17 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................19 附錄 ...........................................................................................................................................20 致謝 ...........................................................................................................................................22 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè) 計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 1 1 前言 糧食是人類賴于生存不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類從事各種活動(dòng)的前提。該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)單片機(jī) ATmega16L 和數(shù)字溫濕度傳感器 AM2301 來(lái)構(gòu)成多點(diǎn)、實(shí)時(shí)的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 目前有些設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)，但價(jià)格過(guò)高是其最大的缺點(diǎn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基 于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度多點(diǎn)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度多點(diǎn)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 溫濕度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。因此采用無(wú)線傳輸溫濕度信息尤為必要。本文提出一種針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題的解決方案，該方案基于 nRF24L01 來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)?？?以應(yīng)用于大型糧倉(cāng)溫濕度的監(jiān)測(cè)。 為此，合理地布置溫濕度測(cè)量點(diǎn)， 以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)糧食的發(fā)熱點(diǎn)、潮濕點(diǎn)， 成為 糧庫(kù)管理的重 中之重。 然而， 傳統(tǒng)的人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大 (王明明等， 20xx)；而有線 方式的 測(cè)溫濕 度系統(tǒng) 存在著 不穩(wěn)定性，且 布線復(fù)雜，線路容易老化，線路故障難以排查，設(shè)備重新布局需要重新布置等問(wèn)題。 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(shí)時(shí)地 采集 當(dāng)前的 溫濕度信息，經(jīng)ATmega16L 單片機(jī) 分析處理后， 通過(guò)模擬 SPI 接口控制無(wú)線射頻模塊 nRF24L01 裝載溫濕度信息，由無(wú)線射頻模塊 nRF24L01 發(fā)射給主機(jī)接收端并顯示溫濕度信息。 2 圖 1 系統(tǒng)方框圖 此系統(tǒng)為 一 對(duì)多的無(wú)線通信系統(tǒng) ，多個(gè)從機(jī)發(fā)送端由傳感器本地采集并且通過(guò)nRF24L01 無(wú)線射頻模塊發(fā)送溫濕度信息，一個(gè)主機(jī)通過(guò) nRF24L01 無(wú)線射頻模塊的多個(gè)通道 （ 最多 6 個(gè)， nRF24L01 至多可開(kāi)啟 6 個(gè)通道接收數(shù)據(jù) ） 接收多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息，實(shí)時(shí)顯示各終端節(jié)點(diǎn)溫濕度信息，系統(tǒng)方框圖如圖 1 所示。此芯片是 基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 無(wú)線通信模塊方案 方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模塊進(jìn)行通信， GSM 模塊需要借助移動(dòng)衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖 然 能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其成本較大、且需要內(nèi)置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過(guò)程中需要收費(fèi)，后期成本較高。 當(dāng)加定向天線后，在無(wú)障礙通信情況下 能傳輸上千米的距離，而且價(jià)格較便宜，采用 SPI 總線通信模式電路簡(jiǎn)單，操作方便。采用濕敏電阻測(cè)量濕度信息，通過(guò)將濕敏電阻的電阻變化量放大并且通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)濕度數(shù)值。功耗很低。其中采集溫度的精度為 ? C? ，采集相對(duì)濕度的精度為 ? 3%。AD590 還需要其它輔助電路，線路復(fù)雜，編程難度大。 4 方案二：選擇主控為 ST7920 驅(qū)動(dòng)器的帶字庫(kù)的 LCD12864 來(lái)顯示信息。可以清晰的顯示各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息，且 其可以顯示人性化界面，各節(jié)點(diǎn)信息以及報(bào)警上限溫濕度值一目了然。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 2 所示?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是 1 對(duì) 6 的無(wú)線通信。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。 nRF24L01模塊供電電源 此無(wú)線射頻模塊需要的電源為 V～ V，故不能直接用 5V 電源供電，本系統(tǒng)中采用 直流電源對(duì)無(wú)線射頻模塊供電， 5V 電源經(jīng) LM1117 芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后即得到穩(wěn)定的直流電源供給 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊。 TX_PLD 必須在 CSN 為低時(shí)連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后置為高電平并保持至少 10μs，延遲 130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)。 MAX_RT 或 TX_DS 置高時(shí)，使IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 ATmega16L。當(dāng)接收方監(jiān)測(cè)到有效的地址和 CRC 時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在 RX FIFO 數(shù)據(jù)寄存器 中，同時(shí)中斷標(biāo)志位 RX_DR 置高， IRQ 變低，產(chǎn)生中斷， 進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，通知單片機(jī) ATmega16L 去取數(shù)據(jù)。 8 nRF24L01配置字 SPI 口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為 10 Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。 nRF24L0l 所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過(guò) SPI 口訪問(wèn)。 AM2301 它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，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)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。其中Data 數(shù)據(jù)口連接線長(zhǎng)度短于 20 米時(shí)用 5K 上拉電阻 ， 大于 20 米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻 。 AM2301 采用單總線接口，其中 DATA 數(shù)據(jù)口用于微處理器與 AM2301 之間的 通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間 5ms 左右，具體格式如下，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸為 40bit，高位先出。 如： 0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110。 AM2301 接收到 MCU 的起始信號(hào)后，等待 MCU 開(kāi)始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送 80μs低電平響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)最后 1bit 數(shù)據(jù)傳送完畢后， AM2301 拉低總線 50μs，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。上配置 寸的 TFTLCD。將本機(jī)地址 （ TX_ADDR） 通過(guò) SPI 接口寫入 nRF24L01，當(dāng) CSN 為低時(shí)數(shù)據(jù)被不斷寫入。因?yàn)樽x一次數(shù)據(jù)才會(huì)觸發(fā)一次溫濕度采集，即在使用數(shù)據(jù)時(shí)先采集一次數(shù)據(jù)。 裝載信息：將節(jié)點(diǎn)號(hào)信息、溫濕度數(shù)據(jù)信息裝載到發(fā)送緩沖寄存器中。如果在有效應(yīng)答時(shí)間范圍內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則認(rèn)為溫濕度信息成功發(fā)送到了接收端，此時(shí)狀態(tài)寄 存器的 TX_DS位置高并把數(shù)據(jù)從 TX_FIFO 中清除掉；如果在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有接收到應(yīng)答信號(hào)，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。 發(fā)送端程序流程如圖 9 所示。將本機(jī)地址 (TX_ADDR)通過(guò)SPI 接口寫入 nRF24L01，當(dāng) CSN 為低時(shí)數(shù)據(jù)被不斷寫入。接收到有效的數(shù)據(jù)包后（ 地址匹配、 CRC 校驗(yàn)正確 ） ，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RX_FIFO 中，同時(shí) RX_DR 位置高，并產(chǎn)生中斷。 5 硬件電路 硬件制作 首先是打印電路板 ， 將繪制好的 電路板 用轉(zhuǎn)印紙打印出來(lái)，并 裁剪覆銅板，再將 打印好的 電路板 裁剪成合適大小，把印有電路板的一面貼在覆銅板上，對(duì)齊好后把覆銅板 14 放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)，放入時(shí)保證轉(zhuǎn)印紙沒(méi)有錯(cuò)位。 最后將板打孔，鉆孔完后，用 細(xì)砂紙把覆在線路板上的墨粉打磨掉，用清水把線路板清洗干凈。在本系統(tǒng)中均進(jìn)行了仔細(xì)的檢查。 遇到的問(wèn)題，如印制電路線不合格，中間有些許短路，造成調(diào)試的失敗。其次調(diào)試溫濕度監(jiān)測(cè)電路。發(fā)送成功后，調(diào)試接收端，接收端也禁用自動(dòng)應(yīng)答功能，直接接收發(fā)送端的數(shù)據(jù)并通過(guò)液晶顯示出來(lái)。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn) 6 個(gè)接收通道中 P0 通道和 P1 通道為 40 位地址， 15 P2～ P5 通道為 8 位地址，且 P2～ P5 通道的高 32 位地址與 P1 通道地址一樣。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)開(kāi)機(jī)僅能監(jiān)測(cè)一次溫濕 度信息，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試 采用溫濕度計(jì) 于 20xx 年 4 月 24 號(hào) 12： 00 時(shí)采集 三處節(jié)點(diǎn) 的 溫濕度，如表 5 所 示。 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 溫度( C? ) 相對(duì)濕度 (%) 所處地 2 34 64 電腦散 熱器旁 3 30 79 書(shū)桌上 4 29 80 書(shū)桌下 圖 11 12： 00 時(shí) 溫濕度值 表 5 12： 00 時(shí) 宿舍內(nèi)采樣點(diǎn)溫濕度 16 采用溫濕度計(jì) 于 20xx 年 4 月 24 號(hào) 18： 10 時(shí)采集 三處節(jié)點(diǎn) 的 溫濕度，如表 7 所 示。且濕度在室內(nèi)有明顯的層次分布，其中地上最潮濕，書(shū)桌上次之，書(shū)桌電腦旁由于受電腦散熱風(fēng)影響最為干燥，且溫度最高。 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 溫度( C? ) 相對(duì)濕度 (%) 所處地 2 35 65 電腦散 熱器旁 3 27 79 書(shū)桌上 4 28 82 書(shū)桌下 圖 13 18： 10 時(shí) 溫濕度值 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 溫度( C? ) 相對(duì)濕度 (%) 所處地 2 34 65 電腦散 熱器旁 3 28 78 書(shū)桌上 4 28 81 書(shū)桌下 圖 12 18： 00 時(shí) 溫濕度值 表 6 18： 00 時(shí) 宿舍內(nèi)采樣點(diǎn)溫濕度 表 7 18： 10 時(shí) 宿舍內(nèi)采樣點(diǎn)溫濕度 表 9 18： 00 時(shí)各節(jié)點(diǎn)誤差 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 溫度 誤差 濕度 誤差 2 % % 3 % % 4 % % 表 8 12： 00 時(shí)各節(jié)點(diǎn)誤差 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 溫度 誤差 濕度 誤差 2 % % 3 % % 4 % % 表 11 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)平均誤差 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 溫度 平均誤差 濕度 平均誤差 2 % % 3 % % 4 % % 表 10 18： 10 時(shí)各節(jié)點(diǎn)誤差 節(jié)點(diǎn)編號(hào) 溫度 誤差 濕度 誤差 2 % % 3 % % 4 % % 17 分析以上各組數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)相比 于 溫濕度計(jì)的數(shù)值，各節(jié)點(diǎn)溫度值偏高，濕度值偏低。 將節(jié)點(diǎn) 4 的濕度報(bào)警上限值設(shè)置為 85%，當(dāng)實(shí)時(shí)濕度為 89%時(shí)，是否報(bào)警一欄顯示為是，并開(kāi)始閃爍。 6 結(jié)論 與展望 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)收獲良多，完成了設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了 1 對(duì) 3 的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)終端實(shí)時(shí)采集本地 3 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息，并通過(guò)無(wú)線發(fā)射給主機(jī)接收 ， 通過(guò)液晶 LCDTFT 繪制人性化系統(tǒng)界面，再 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示出來(lái) ，可顯示各節(jié)點(diǎn)溫濕度，預(yù)設(shè)溫濕度報(bào)警上限值以及當(dāng)前報(bào)警狀態(tài)