【正文】 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(yù)設(shè)溫濕度報警上限值以及當(dāng)前報警狀態(tài)信息 。 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。 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。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。發(fā)送成功后，調(diào)試接收端，接收端也禁用自動應(yīng)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。 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。 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。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。 發(fā)送端程序流程如圖 9 所示。 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。將本機地址 （ TX_ADDR） 通過 SPI 接口寫入 nRF24L01，當(dāng) CSN 為低時數(shù)據(jù)被不斷寫入。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入空閑狀態(tài)。 如： 0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110。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 它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(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)。 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)。 MAX_RT 或 TX_DS 置高時，使IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 ATmega16L。 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?？梢詫崿F(xiàn)點對點或是 1 對 6 的無線通信?？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。AD590 還需要其它輔助電路，線路復(fù)雜，編程難度大。功耗很低。 當(dāng)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。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。 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(dāng)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。 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。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)。 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)。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)。 隨著嵌入式技術(shù)，短距離無線通信技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的不斷發(fā)展，電子設(shè)備檢測技術(shù)可以大大的降低糧倉的管理成本。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。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(dá) 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(nèi)置晶振等特點。 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。工作電壓范圍為 ～ ，可以直接和單片機的 I/O 口相連。 而 AM2301 外圍電路簡單，并且精度相比于 DHT11 高。 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。通信速度可以達(dá)到 2Mb/s。 nRF24L01模塊工作模式 通過配置寄存器可將 nRF241L01 配置為發(fā)射、接收、 空閑及掉電四種工作模式，如表 2 所示。最后發(fā)射成功時。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。傳感器包括一個電容 式感濕元件和一個 NTC(Negative Temperature Coefficient)測溫元件。 AM2301工作原理 AM2301 的供電電壓為 5V。其中 濕度 =％ ， 溫度 =℃ （當(dāng)溫度低于 0℃ 時溫度數(shù)據(jù)的最高位置 1） 。 顯示模塊 TFTLCD RSRWRDDB10DB11DB12DB13DB14DB15DB16DB17CSRSTLEDK1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 2829 3031 3233 3435 3637 3839 40TFTLCDVCCRSRWRDDB10DB11RSTDB12DB13DB14DB15DB16DB17CSVCCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCNCPD1TP_DOUTTP_BUSYTP_DINTP_CSTP_DCLK 圖 6 彩屏 TFT 電路圖 顯示模塊 采用 TFTLCD（ Thin Film TransistorLiquid Crystal Display） 即薄膜晶體管液晶顯示器。將通道 0（ 或者其他通道 ） 設(shè)置為接收模式來接收應(yīng)答信號，并且允許自動應(yīng)答，自動重發(fā) 10 次，間隔為 500μs。 發(fā)送數(shù)據(jù)：設(shè)置 PRIM_RX 為低、 CE為高，啟動發(fā)射模式， CE 高電平持續(xù)時間最小為 10μs。 延 時 1 s讀 取 溫 濕 度數(shù) 據(jù) 處 理 及 裝 載初 始 化 定 時 器 0定 時 1 s ？進 入 中 斷啟 動 N R F 2 4 L 0 1初 始 化 N R F 2 4 L 0 1發(fā) 送 數(shù) 據(jù)收 到 應(yīng) 答 ？自 動 重 發(fā)超 重 發(fā) 數(shù) ？I R Q 中 斷等 待 定 時 中 斷開 始結(jié) 束是否是否否是 圖 9 發(fā)送端程序流程圖 接收端流程 初始化液晶顯示 TFT 和無線模塊 nRF24L01：初始化 TFT 為黑屏。接收到的數(shù)據(jù)為四個字節(jié)，第一字節(jié)為終端節(jié)點號，第二字節(jié)為 濕 度值，第三 字節(jié)為溫度值，第四字節(jié)為 數(shù)據(jù)和校驗 信息。即做成一塊印制電路板。還有 USB電源供電電壓不足的問題，電源電壓經(jīng)過供電給負(fù)載，電壓下降 ，致使單片機不正常工作。調(diào)試成功后開啟自動應(yīng)答功能和自動重發(fā)功能，自動重發(fā)設(shè)置為重發(fā) 10 次，間隔 150 微秒 。經(jīng)過幾次先后開關(guān)發(fā)送端和接收端，找出原因是發(fā)送之后沒有清除發(fā)送成功標(biāo)志。采用本系統(tǒng)于 18： 10 時 ， 檢測三處節(jié)點的溫濕度值， 如圖 13 所示。分析其原因，可能是系統(tǒng)電源工作產(chǎn)生少量熱量使得系統(tǒng)檢測的溫度值偏高，濕度值偏低，但誤差很小，溫度 平均 誤差最高為 %，濕度誤差最高為 %。 本設(shè)計雖完成基本功能，且有擴展。在高密集障 礙物環(huán)境中測試如相鄰兩 間到四間 宿舍之間，通信正常； 當(dāng)收發(fā)節(jié)點之間隔著五間宿舍，系統(tǒng)通信異常，表現(xiàn)為接收端接收不到數(shù)據(jù)。其中表 8 為 12： 00 時的溫濕度誤差，表 9 為 18： 00 時的溫濕 度誤差，表 10 為 18： 10 時的溫濕度誤差，表 11 為三個時間點系統(tǒng)的平均溫濕度誤差。采用本系統(tǒng)于 18： 00 時 ， 檢測三處節(jié)點的溫濕度值， 如圖 12 所示。將 AM2301 采集過來的溫濕度值直接傳送給無線發(fā)送模塊，再由無線接收模塊接收溫濕度信息，最后由液晶顯示溫濕度信息。調(diào)試時先調(diào)試發(fā)送端，發(fā)送固定數(shù)值，禁用自動應(yīng)答功能，禁用自動重發(fā)功能，通過讀狀態(tài)寄存器，查看發(fā)送成功標(biāo)志是否置位檢測是否發(fā)送成功。 在斷電的情況下，除單片機以外，用仿真插頭將所連接電路與單片機仿真器的仿真接口相連，為軟件調(diào)試做好準(zhǔn)備。接下來是 腐蝕線路板 ，檢查一下 電路板 是否轉(zhuǎn)印完整，將少數(shù)沒有轉(zhuǎn)印好的線路用黑色油性筆修補 后 再進行 腐蝕。 接 收 配 置 初 始 化T F T及N R F 2 4 L 0 1 開 始 接 收 到 數(shù) 據(jù) ？啟 動 N R F 2 4 L 0 1節(jié) 點 編 號 檢 測 ？顯 示 節(jié) 點 2溫 濕 度顯 示 節(jié) 點 3溫 濕 度顯 示 節(jié) 點 4溫 濕 度是 否 超 過溫 濕 度 上 限 值 ？報 警 并 閃 爍結(jié) 束繪 制 系 統(tǒng) 界 面預(yù) 設(shè) 溫 濕 度上 限 值 顯 示是是否否23 4 圖 10 接收端程序流程圖 接收到數(shù)據(jù)檢測：讀取狀態(tài)寄存器，判斷是否接收 到數(shù)據(jù)。如果重發(fā)次數(shù)在達(dá)到設(shè)定的最大重發(fā)次數(shù)時還沒有收到應(yīng)答信號的話，在 MAX_RX 中 12 斷清除之前不會重發(fā)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包丟失計數(shù)器 (PLOS_CNT)在每次產(chǎn)生 MAX_RT 中斷后加一。設(shè)置定時器 0 高低位字節(jié)初始值，初始化 flag 標(biāo)志為 0，設(shè)置定時器模式寄存器和中斷寄存器。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 單片機軟件設(shè)計 發(fā)送端流程 初始化無線模塊 nRF24L01：單片機控制引腳 CE 為低，使 nRF24L01 進入待機模式。如果讀取響應(yīng)信號為高電平，則AM2301 沒有響應(yīng)。其中前 16 位是 濕度數(shù)據(jù) ，接下來 16 位是 溫度數(shù)據(jù) ，最后 8 位數(shù)據(jù)是溫濕度 校驗和 ，即 濕度高 8 位 +濕度低 8 位 +溫度高 8 位 +溫度低 8 位 =數(shù)據(jù)的末 8 位 =校驗和 。 AM2301接口及溫濕采集電路 表 4 所示為 AM2301 各管腳功能，圖 5 所示為 AM2301 溫濕度采集電路圖。其中采集溫度的精度為 ? C? ，采集相對濕度的精度為 ? 3%。 最后接收成功時，若 CE 變低，則 n