【正文】 ..............13 硬件制作 ......................................................................................................................... 13 硬件調(diào)試 ......................................................................................................................... 14 硬件調(diào)試結(jié)果 ................................................................................................................. 14 溫濕度采集測試 .......................................................................................................... 15 nRF24L01 無線模塊測試 ........................................................................................... 17 6 結(jié)論 與展望 .........................................................................................................................17 參考文獻 ...................................................................................................................................19 附錄 ...........................................................................................................................................20 致謝 ...........................................................................................................................................22 華南農(nóng)業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè) 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(zhì)基礎(chǔ)，是人類從事各種活動的前提。該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)單片機 ATmega16L 和數(shù)字溫濕度傳感器 AM2301 來構(gòu)成多點、實時的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。 目前有些設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)無線溫濕度監(jiān)測，但價格過高是其最大的缺點。 本科畢業(yè)設(shè)計 基 于單片機的糧倉溫濕度多點無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 基于單片機的糧倉溫濕度多點無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 溫濕度是一個非常重要的參數(shù)。因此采用無線傳輸溫濕度信息尤為必要。本文提出一種針對無線數(shù)據(jù)傳輸問題的解決方案，該方案基于 nRF24L01 來設(shè)計無線溫濕度采集系統(tǒng)?？?以應用于大型糧倉溫濕度的監(jiān)測。 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。 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(shè)備重新布局需要重新布置等問題。 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。 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。此芯片是 基于增強的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 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(nèi)置 SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。 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。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(zhuǎn)換為相對濕度數(shù)值。功耗很低。其中采集溫度的精度為 ? C? ，采集相對濕度的精度為 ? 3%。AD590 還需要其它輔助電路，線路復雜，編程難度大。 4 方案二：選擇主控為 ST7920 驅(qū)動器的帶字庫的 LCD12864 來顯示信息?？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。單片機最小系統(tǒng)如圖 2 所示?？梢詫崿F(xiàn)點對點或是 1 對 6 的無線通信。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，并融合了增強型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。 nRF24L01模塊供電電源 此無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 直流電源對無線射頻模塊供電， 5V 電源經(jīng) LM1117 芯片進行轉(zhuǎn)換后即得到穩(wěn)定的直流電源供給 nRF24L01 無線射頻模塊。 TX_PLD 必須在 CSN 為低時連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時寫入一次即可，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，使IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 ATmega16L。當接收方監(jiān)測到有效的地址和 CRC 時，就將數(shù)據(jù)包存儲在 RX FIFO 數(shù)據(jù)寄存器 中，同時中斷標志位 RX_DR 置高， IRQ 變低，產(chǎn)生中斷， 進入中斷服務子程序，通知單片機 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 SPI 口訪問。 AM2301 它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專用的數(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)集成變得簡易快捷。其中Data 數(shù)據(jù)口連接線長度短于 20 米時用 5K 上拉電阻 ， 大于 20 米時根據(jù)實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，一次通訊時間 5ms 左右，具體格式如下，當前數(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 的起始信號后，等待 MCU 開始信號結(jié)束，然后發(fā)送 80μs低電平響應信號。當最后 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入空閑狀態(tài)。上配置 寸的 TFTLCD。將本機地址 （ TX_ADDR） 通過 SPI 接口寫入 nRF24L01，當 CSN 為低時數(shù)據(jù)被不斷寫入。因為讀一次數(shù)據(jù)才會觸發(fā)一次溫濕度采集，即在使用數(shù)據(jù)時先采集一次數(shù)據(jù)。 裝載信息：將節(jié)點號信息、溫濕度數(shù)據(jù)信息裝載到發(fā)送緩沖寄存器中。如果在有效應答時間范圍內(nèi)收到應答信號，則認為溫濕度信息成功發(fā)送到了接收端，此時狀態(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)定時間范圍內(nèi)沒有接收到應答信號，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。 發(fā)送端程序流程如圖 9 所示。將本機地址 (TX_ADDR)通過SPI 接口寫入 nRF24L01，當 CSN 為低時數(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 校驗正確 ） ，將數(shù)據(jù)存儲在 RX_FIFO 中，同時 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，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，對齊好后把覆銅板 14 放入熱轉(zhuǎn)印機，放入時保證轉(zhuǎn)印紙沒有錯位。 最后將板打孔，鉆孔完后，用 細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)中均進行了仔細的檢查。 遇到的問題，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)測電路。發(fā)送成功后，調(diào)試接收端，接收端也禁用自動應答功能，直接接收發(fā)送端的數(shù)據(jù)并通過液晶顯示出來。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn) 6 個接收通道中 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)試過程中發(fā)現(xiàn)開機僅能監(jiān)測一次溫濕 度信息，不能實時監(jiān)測。 系統(tǒng)準確性測試 采用溫濕度計 于 20xx 年 4 月 24 號 12： 00 時采集 三處節(jié)點 的 溫濕度，如表 5 所 示。 節(jié)點編號 溫度( C? ) 相對濕度 (%) 所處地 2 34 64 電腦散 熱器旁 3 30 79 書桌上 4 29 80 書桌下 圖 11 12： 00 時 溫濕度值 表 5 12： 00 時 宿舍內(nèi)采樣點溫濕度 16 采用溫濕度計 于 20xx 年 4 月 24 號 18： 10 時采集 三處節(jié)點 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，書桌上次之，書桌電腦旁由于受電腦散熱風影響最為干燥，且溫度最高。 節(jié)點編號 溫度( C? ) 相對濕度 (%) 所處地 2 35 65 電腦散 熱器旁 3 27 79 書桌上 4 28 82 書桌下 圖 13 18： 10 時 溫濕度值 節(jié)點編號 溫度( C? ) 相對濕度 (%) 所處地 2 34 65 電腦散 熱器旁 3 28 78 書桌上 4 28 81 書桌下 圖 12 18： 00 時 溫濕度值 表 6 18： 00 時 宿舍內(nèi)采樣點溫濕度 表 7 18： 10 時 宿舍內(nèi)采樣點溫濕度 表 9 18： 00 時各節(jié)點誤差 節(jié)點編號 溫度 誤差 濕度 誤差 2 % % 3 % % 4 % % 表 8 12： 00 時各節(jié)點誤差 節(jié)點編號 溫度 誤差 濕度 誤差 2 % % 3 % % 4 % % 表 11 系統(tǒng)各節(jié)點平均誤差 節(jié)點編號 溫度 平均誤差 濕度 平均誤差 2 % % 3 % % 4 % % 表 10 18： 10 時各節(jié)點誤差 節(jié)點編號 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 溫濕度計的數(shù)值，各節(jié)點溫度值偏高，濕度值偏低。 將節(jié)點 4 的濕度報警上限值設(shè)置為 85%，當實時濕度為 89%時，是否報警一欄顯示為是，并開始閃爍。 6 結(jié)論 與展望 本次畢業(yè)設(shè)計收獲良多，完成了設(shè)計的要求，實現(xiàn)了 1 對 3 的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過終端實時采集本地 3 個終端節(jié)點的溫濕度信息，并通過無線發(fā)射給主機接收 ， 通過液晶 LCDTFT 繪制人性化系統(tǒng)界面，再 實時動態(tài)顯示出來 ，可顯示各節(jié)點溫濕度，預設(shè)溫濕度報警上限值以及當前報警狀態(tài)