【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以直接和上位機(jī)連接起來。 這樣測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就簡(jiǎn)單了很多，體積也小了很多，設(shè)計(jì)便捷化了，所以多點(diǎn)測(cè)量的設(shè)計(jì)系統(tǒng)就容易被實(shí)現(xiàn)了。 方案四：采用 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量溫度和濕度。它所采 集、輸出的信號(hào)和 DS18B20 一樣，都 不是模擬 信號(hào)，但是能夠在檢測(cè)溫度的同時(shí)檢測(cè)空氣中的濕度 。而且體積小、功耗低，能夠很好的運(yùn)用在日常的生活 中 。 系統(tǒng)芯片化是如今 測(cè)溫系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)， 所以本次設(shè)計(jì)所采用的傳感器全都是數(shù)字傳感器 DHT11 和 DS18B20，正好 順應(yīng) 了 這個(gè)發(fā)展 趨勢(shì)。集成化 的電路 ，讓整 個(gè) 電路 系統(tǒng)看起來更加清楚，在構(gòu)建電路和做 電路方面更加方便和快捷。而且， 我們?cè)谶\(yùn) 用集成 化的 電路時(shí)，外界環(huán)境中的很多干擾 因素 都 能都被有效地避免，這樣就使得整個(gè)測(cè)量電路的精確度得到提高。所以在將來 電路發(fā)展的一個(gè) 趨勢(shì) 肯定就是 采 用集成化的芯片 。本次設(shè)計(jì)采用這個(gè)數(shù)字溫 濕 度傳感器 DHT11 和 DS18B20 也是順應(yīng)這一趨勢(shì)。 8 主控部分的選擇 表 3 CC2430 和 CC2530 功能對(duì)比表 由上表可知， 和 CC2430 相比 ， CC2530 芯片 在 很多性能 方面比 CC2430 有了重大改進(jìn) ，比如說我們比較注重的封裝尺寸、內(nèi)存大小和 RF 性能等方面 。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)，傳感器采用 DHT11，控制器采用 CC2530。 顯示器的選擇 方案一： 液晶顯示字符大多 數(shù)都是按照行數(shù)或列數(shù)、 液晶點(diǎn)陣線 的方式進(jìn)行 命名。比方說 0801 的意思就是每一行最大為 8 個(gè)字符，一共顯露出 1 行。類似于 1601， 1602， 0802等命名。這類液晶顯示可顯示 ASCII 字符，只是不能顯示漢字。 方案二：采用 OLED 顯示屏，它的工作電壓、適用溫度范圍都很廣， 構(gòu)造很簡(jiǎn)單，并且有自發(fā)光、對(duì)比度高、范瑛速度快這些優(yōu)勢(shì)。 因?yàn)?OLED 可以顯示漢字，并且有良好的人機(jī)交互，功耗比較低。所以選用方案二。 9 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要工作流程是首先終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)字溫度傳感器采集溫濕度信號(hào)，然后采集到的信號(hào)分成兩路，一部分被傳送到 12864 顯示屏進(jìn)行顯示，另一部分 傳送到CC2530 芯片進(jìn)行處理，再通過 PCB 天線發(fā)送出去，然后協(xié)調(diào)器的 PCB 天線接收從終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，接收到信號(hào)后傳送到 CC2530 芯片進(jìn)行處理，然后傳送給上位機(jī)。具體的工作流程示意圖如下圖 4 所示。 圖 4 系統(tǒng)硬件電路工作示意圖 本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)圖如下圖 5 所示。 圖 5 整體硬件電路設(shè)計(jì) 10 DHT11 溫濕度傳感器介紹 DHT11 是 既能測(cè)量溫度又能測(cè)量濕度 的傳感器，它輸出的數(shù)字信號(hào)。這個(gè)傳感器包由三個(gè)部分組成： 感濕元器件 、 測(cè)溫元器件 和 一個(gè) 8 位單片機(jī)連接在一起。所以它性價(jià)比非常高、很強(qiáng)的抗干 擾能力等優(yōu)勢(shì)。并且體積小、功耗低，在很多情況下都被運(yùn)用。 圖 6 DHT11 實(shí)物圖 DHT11 的主要特性： (1) 工作電壓范圍： 伏特到 伏特，能有適應(yīng)很廣闊 范圍的工作電壓； (2) 測(cè)量的范圍：能測(cè)量 20— 90%的濕度和 0— 50 攝氏度的環(huán)境，并且精度都很高，測(cè)濕度時(shí)的精度為 177。5%，測(cè)溫度時(shí)的精度為177。 2 攝氏度； (3) 有很好的互換性，可以實(shí)現(xiàn)完全互換； (4) 溫度性非常好，長(zhǎng)時(shí)間用是精度仍然很高。 DHT11 引腳說明 表 4 DHT11 引腳說明表 相應(yīng)的 DHT11 引 腳圖如圖 7 所示。 11 圖 7 DHT11 引腳圖 DS18B20 溫度傳感器 介紹 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 只有 3 個(gè)引腳，一個(gè)是供電的，一個(gè)是接地的，還有一個(gè)是信號(hào)的輸入口，所以在進(jìn)行焊接方面很簡(jiǎn)單 ， 而且在包裝好了 以后 還 可以用在很多場(chǎng)合 。它們的外觀就 根據(jù)適用的場(chǎng)合不同而做一定的 變化 。 用的時(shí)間長(zhǎng) 、 占用空間小、用的時(shí)候方便 、封裝的形式 有多種 、 所以在各種狹隘 的空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域 都能用 。 DS18B20 的主要特性： (1) 其工作電壓范圍： 伏特 到 伏特 ，可以看出它 能夠適應(yīng)更 廣闊 范 圍的工作電壓 的變化， 而且在寄生電源的情況下 可以通過數(shù)據(jù)線對(duì)它進(jìn)行供電； (2) 具有獨(dú)特 的單線接口模式，當(dāng) DS18B20 連接了微處理器的時(shí)候，只要有一條口線就能夠?qū)崿F(xiàn)它們之間的雙向通信； (3) 在一根線上面 可以并聯(lián)多個(gè) DS18B20，這樣它就能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè) 組網(wǎng)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫的功能； (4) DS18B20 的形狀像一個(gè)三極管，它沒有其它的外圍電路，所有的傳感器件和轉(zhuǎn)換電路都集成在一起； (5) 它 測(cè)量 的 溫 度 范圍 要比 DHT11 的測(cè)量溫度范圍大很多。 是從 零下 55 到 125 攝氏度 ， 當(dāng) 在 零下 10 到 85 攝氏度時(shí) 可以達(dá)到 攝氏度 的測(cè)量 精度 ； (6) 通過編程，可以實(shí)現(xiàn) 攝氏度、 攝氏度 、 攝氏度和 攝氏度的測(cè)量精度； (7) 負(fù)壓特性：當(dāng)不小心把電源 的正、負(fù)兩極 接反 了 的時(shí)候，它的芯片也 會(huì)避免 被損壞，但是此時(shí)不能 進(jìn)行 工作。 12 DS18B20 引腳說明 表 5 DS18B20 引腳說明表 DS18B20 引腳封裝如下 圖 8 所示。 圖 8 DS18B20 引腳圖 ZigBee 模塊 介紹 主控芯片 CC2530 本設(shè)計(jì) 的控制電路 采用 的是 CC2530 芯片， 它 具有 32KB、 64KB 和 128 kB 的編程閃存， 因?yàn)樗?結(jié)合了一個(gè) DSSS 射頻收發(fā)器核心 、內(nèi)存 和一個(gè)很小的 8051 控制器 ，所以 RAM也達(dá)到了 8kB[11]。 并且它還擁有 很多電路功能，比如 定時(shí)器、復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路和21 個(gè)可 以有 編程 的 輸入和輸出 引腳，這樣實(shí)現(xiàn)通信 系統(tǒng) 的 集成化就很容 易了 。 其功能引腳圖如圖 9 所示。 13 圖 9 CC2530管腳圖 主芯片最小系統(tǒng) ： 通過外部電路和中斷控制電路的工作狀態(tài)是整個(gè)電路的核心部分，CC2530 最小系統(tǒng)如圖 10 所示 。 圖 10 CC2530 最小系統(tǒng)圖 14 ZigBee 無線收發(fā)模塊介紹 圖 11 ZigBee 無線收發(fā)模塊實(shí)物圖 這個(gè)模塊 用到的技術(shù)主要就是射頻技術(shù)， 硬件方面 主要是 由 CC2530 芯片 和少量無源器件（電阻、電容、電感和 PCB 天線） 組成的無線收發(fā)模塊，它的收發(fā)頻率是 ，輸出功率最大是 8dBm,它的工作電壓范圍是 — 。 設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有一些原則：設(shè)計(jì)尺寸要小、功耗要很低、集成化的傳感器和要用簡(jiǎn)單的軟件。 它的原理圖如下圖 12 所示。 15 圖 12 ZigBee 無線收發(fā)模塊原理圖 顯示電路 有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)介紹 通常選用的顯示屏均為液晶顯示屏。它的工作原理是液晶分子在電場(chǎng)作用的情況下分子排列順序遭到破壞，所以出現(xiàn)了一系列的光學(xué)現(xiàn)象。本次設(shè)計(jì)用的是 OLED 顯示屏，它的 發(fā)光原理是用非常薄的有機(jī)材料圖層和玻璃組成成，當(dāng)在 有電流作用于這個(gè)有機(jī)材料的時(shí)候 ， 有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光。而且它 的 有機(jī)發(fā)光層的材料 所決定覺得了它 發(fā)出什么樣顏色的光 。 OLED 的構(gòu)造很簡(jiǎn)單，并且有自發(fā)光、對(duì)比度高、范瑛速度快、適用的溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 OLED12864 介紹 OLED12864 工作電壓在 3V 到 10V 之間，工作的溫度可以在 40 攝氏度到 85 攝氏度。它 的顯示屏使用的是 1 個(gè) 64 行輸出的行驅(qū)動(dòng)器和 2 個(gè)列驅(qū)動(dòng)器 。 16 圖 13 OLED12864 實(shí)物圖 如下表，是 OLED12864 的接口說明。 表 6 OLED12864 接口 ： （ 1） OLED 3 端是電源，提供 OLED12864 的正常工作電壓； （ 2） 4 端口是選擇端 口， 用來 選擇指令寄存器， 往 OLED 屏中寫入數(shù)據(jù)和命令的端口； 17 （ 3） 5 端口是選擇讀寫端口， 這個(gè)端口只往 12864 屏中寫入 數(shù)據(jù) ，不讀取數(shù)據(jù)； （ 4） 6 端口是使能信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是必須要的，否則不能工作； （ 5） 17 端口是復(fù)位端口。 OLED12864 引腳圖如下圖 14 所示。 圖 14 OLED 引腳圖 電源電路 電源在設(shè)計(jì) 硬件 中是 一定要有的 ，它能為各種負(fù)載元件提供正常的工作電壓。 本 次設(shè)計(jì) 的電源模塊電路圖如下 圖 15 所示。 圖 15 電源模塊電路 18 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本 次 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 最 主要 部分 有兩個(gè) ，一個(gè)是 數(shù)據(jù)采集和 發(fā)射部分，另一個(gè)是 數(shù)據(jù)接收 和處理 部分。發(fā)射部分的主要工作就是采集溫度數(shù)據(jù)和這些數(shù)據(jù)處理完后發(fā)射出數(shù)字信號(hào)，接收部分的工作就是對(duì)發(fā)射端發(fā)射出來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接收和處理，并且將 它顯示出來。其軟件的總體流程圖如下。 圖 16 系統(tǒng)總流程圖 第六章 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析 硬件調(diào)試 和分析 根據(jù) ZigBee 電路的仿真設(shè)計(jì)，對(duì)這個(gè)電路的每個(gè)模塊 都 進(jìn)行測(cè)試。 首先通電之前檢查電源及各模塊是否符合工作要求，然后測(cè)試軟件是否編寫有問題。具體 調(diào)試的過程中 出現(xiàn) 的 故障 有下面幾種 。 (1) 通電過后 OLED 不能顯示 可能原因：顯示屏不能顯示，可能是在編寫 12864 的串口程序時(shí)出錯(cuò)了，還有一種可能就是這個(gè)屏幕本身就是壞的。 結(jié)束 數(shù)據(jù)處理 接受完成 否A/D轉(zhuǎn)換 是/D轉(zhuǎn)換 否A/D轉(zhuǎn)換 是/D轉(zhuǎn)換 CC2530 天線接收 是/D轉(zhuǎn)換 是/D轉(zhuǎn)換 否A/D轉(zhuǎn)換 天線發(fā)射 無線發(fā)射模塊 數(shù)據(jù)采集 CC2530 開始 初始化 否A/D轉(zhuǎn)換 19 調(diào)試過程：把這個(gè)屏放在別的電路上，能正常顯示，所以這個(gè)屏是沒有問題的 ，出錯(cuò)的原因是它的串口程序編寫出現(xiàn)錯(cuò)誤。 結(jié)果分析 ：本次設(shè)計(jì)采用的屏是技術(shù)比較新穎的 OLED 屏，它必須要有驅(qū)動(dòng)才能正常工作，如果沒有驅(qū)動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)的時(shí)候是不會(huì)亮的。在開始移植驅(qū)動(dòng)時(shí)就出現(xiàn) 過錯(cuò) ，所以出錯(cuò)。重新編寫驅(qū)動(dòng)程序 并下載 后屏幕正常工作。 (2) 溫度數(shù)據(jù)采集好后不能傳輸?shù)?協(xié)調(diào)器 可能原因：數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，可能是天線出現(xiàn)問題 ，導(dǎo)致 ZigBee 之間不能進(jìn)行正常的無線通信；下載程序到 ZigBee 模塊時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 調(diào)試過程：將 ZigBee 模塊重新通電，發(fā)現(xiàn)電路中的 D3 燈一直處于常亮狀態(tài)，此時(shí)表明兩個(gè) ZigBee 模塊之間沒有進(jìn)行有效的無線連接，換了兩根天線后重啟 ZigBee 模塊，D3 燈仍處于常亮狀態(tài)，表示可能不是天線原因；然后重新下載程序到模塊中， D3 等熄滅，表明連接成功。 結(jié)果分析 ： ZigBee 開發(fā)板中的 D3 等亮、滅狀態(tài)代表連接是否成功， 在本次測(cè)試中，由于在下載程序前沒有復(fù)位仿真器，導(dǎo)致程序沒有成功下載到協(xié)調(diào)器中，所以出現(xiàn)不能進(jìn)行無線通信。重新下載程序后系統(tǒng) 就能 正常工作 了 。 軟件調(diào)試 和分析 硬件完成后，對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行調(diào)試，檢查系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行。在調(diào)試過程中主要遇到兩個(gè)問題。 (1) ZigBee 組網(wǎng)中 2 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不能和協(xié)調(diào)器進(jìn)行有序的數(shù)據(jù)傳輸 可能原因：本次出錯(cuò)的可能原因是在編寫程序時(shí)沒有設(shè)置好各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的延時(shí)時(shí)間，還有一個(gè)可能就是沒有運(yùn)用協(xié)議棧中的尋址函數(shù)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生錯(cuò)亂。 調(diào)試過程：通過查找資料，在 程序中加入了 ZigBee 協(xié)議棧中的組網(wǎng)傳播模式的函數(shù)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器間的有序傳輸。如下兩幅圖片，其中圖 17 是傳輸發(fā)送錯(cuò)亂，圖 18 是經(jīng)過調(diào)試修改后的傳輸過程。 20 圖 17 數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤圖 在圖 17 中可以看出，在后幾行的數(shù)據(jù)采集結(jié)果中，有三行數(shù)據(jù)都是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)，它們?cè)趥鬏斶^程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，所以會(huì)同時(shí)顯示在一行。 圖 18 有序傳輸數(shù)據(jù)圖 21 結(jié)果分析：在 ZigBee 中的組網(wǎng)類型有 3 中，一個(gè)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳播，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的目的地址都知道的時(shí)候，就可以用這種方式；另外一種是廣播式的傳播，這個(gè)顧 名思義就是廣播式的，協(xié)調(diào)器給所有節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)，而不能通過終端節(jié)點(diǎn)給協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)；最后一種是組網(wǎng)模式，終端節(jié)點(diǎn)此時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器就會(huì)在它分配的地址表里面查找相 應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，從而完成有序傳輸數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)這一功能的程序如下圖 19。 圖 19 建立組網(wǎng)函數(shù) (2) DS18B20 和 DHT11 的引腳定義問題 在本次設(shè)計(jì)中，采用了 2 種傳感器，一個(gè)是只采集溫度的 DS18B20，另一個(gè)是可以采集溫度和濕度的 DHT11。在后來調(diào)試過程中，采用 DHT11 的節(jié)點(diǎn)不能采集到數(shù)據(jù)。 可能原因：在編程的過程中， 對(duì)傳感器引腳