【導讀】溫濕度控制已經(jīng)成為了21世紀熱門研究。無論是從生產(chǎn)還是生活，溫濕度都與我。們?nèi)祟惗际窍⑾⑾嚓P的。而智能化的溫濕度控制系統(tǒng)的發(fā)展方向已成為一種必然趨勢。這樣不但浪費大量的人力財力資源，而且控制系統(tǒng)功能也比較單一化，適。用場合也有很大的局限性。而使用自動的智能控制的方式，既節(jié)省了人力財力，更加體。傳統(tǒng)的溫濕度測量方法周期長，效率低，管理很不方便，發(fā)生故障時，更要花費大。量人力物力來查找。尤其是用于溫室采樣數(shù)據(jù)頻繁情況條件下，采用無線傳輸系統(tǒng)更顯?，F(xiàn)出他的優(yōu)越性。該系統(tǒng)可對溫度實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程智能化在線檢測和預警。溫精度上達到了一定的水平。而在溫度采集速度上，由于使用了獨立的溫度補償電路，有效地提高了溫度測量的靈敏度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。另外，由于使用了存儲芯片，可以保存。為了實現(xiàn)這種對環(huán)境狀況監(jiān)測，于是設計了一種基于Arduino的環(huán)境狀況監(jiān)測系統(tǒng)。以及用計算機作為客服端查看連接到ArduinoUNO上的傳感器數(shù)值。

　　

【正文】 擇通道 0 有效數(shù)據(jù)寬度 Rx_Pw_P0 （ 6）配置發(fā)射參數(shù)（低噪放大器增益、發(fā)射功率、無線速率） RF_SETUP （ 7）配置 24L01 的基本參數(shù)以及切換工作模式 CONFIG。 NRF2401 相關命令的宏定義 NRF24L01 的基本思路就是通過固定的時序與命令，控制芯片進行發(fā)射與接收 沈陽理工大學學士學位論文 23 表 SPI 指令接口 SPI接口指令 指令名稱 指令格式 操作 R_REGISTER 000AAAAA 讀配置寄存器 AAAAA指出讀操作的寄存器 W_REGISTER 001AAAAA 寫配置寄存器 AAAAA指出寫操作的寄存器地址 只能在掉電模式或待機模式下操作 R_RX_PAYLOAD 0110 0001 讀 RX有效數(shù)據(jù)： 132字節(jié) 讀操作全部從字節(jié) 0開始 當讀RX 有效數(shù)據(jù)完成后， FIFO 寄存器中有效數(shù)據(jù)被清除 應用與接收模式下 W_RX_PAYLOAD 1010 0000 寫 TX有效數(shù)據(jù)： 132 字節(jié) 寫操作從字節(jié) 0開始 應用于發(fā)射模式 FLUSH_TX 1110 0001 除 TXFIFO寄存器 應用于發(fā)射模式下 FLUSH_RX 1110 0010 清除 TXFIFO寄存器 應用于接收模式 在傳輸應答信號過程中不應該執(zhí)行此指令。也就是說，若傳輸應答信號過程中執(zhí)行此指令的話將使得應答信號不能被完整的傳輸 REUSE_TX_PL 1110 0011 應用于發(fā)射端 重新使用上一包發(fā)射的有效數(shù)據(jù) 當 CE=1時 數(shù)據(jù)被不斷重新發(fā)送 在發(fā)射數(shù)據(jù)包過程中必須禁止數(shù)據(jù)包重利用功能 NOP 1111 1111 控操作 可用來讀狀態(tài)寄存器 主從機系統(tǒng)電路接口設計 沈陽理工大學學士學位論文 24 圖 Arduino 與 NRF2401 的接口 CPU選用基與 Atmel 328P 的 Arduino平臺，它既接收來自上位機 (PC機 )的數(shù)據(jù)，同時將從 PC 機接收數(shù)據(jù)通過 NRF2401 以廣播形式發(fā)送給每個子系統(tǒng)。 NRF2401 的輸入數(shù)字信號 DIN端與微處理器 Arduino的 TXD端相連，需發(fā)射的串行數(shù)據(jù)由 DIN輸入；DOUT輸出數(shù)字信號與 Arduino的微控制器的 RXD相連， NRF2401解調(diào)出來的信號由DOUT 輸出到微處理器： PWRUP 為模式選擇與微處理器的 P1． 1 相連， PWR_UP=I時 NRF401正常工作；當 PWR＿ UP=0時芯片處于待機模式，此時工作電流為 8uA不能進行接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。 TXEN為發(fā)射允許控制端與微處理器的 P1． 0相連， TXEN=I時nRF401工作在發(fā)射模式，此時系統(tǒng)向外發(fā)送數(shù)據(jù)，當 TXEN=0時為接收模式。 CS為信道選擇輸入，通過微處理機 P1． 2端進行控制 CS=0表示芯片工作在信道 0(433． 92MHz)，CS=1則工作在信道 l(434． 33MHz)。 硬件抗干擾措施 本系統(tǒng)的工作環(huán)境往往比較惡劣，系統(tǒng)在正常運行過程中可能會遇到一些未知的 干擾，這些干擾有時會嚴重破壞系統(tǒng)的器件或程序，造成系統(tǒng)工作不正常，性能達不到設計要求，甚至造成系統(tǒng)死機或崩潰。因此為了保證系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定、可靠的工作 ，在系統(tǒng)設計時必須周密考慮和解決抗干擾問題。通?？垢蓴_措施主要有兩種：硬件和軟件。在本系統(tǒng)設計過程中，硬件方面使用了下面一些方法，來盡量減少可能影響系統(tǒng)正沈陽理工大學學士學位論文 25 常運行的一些干擾。 主要選擇體積小、集成化程度高、可靠性強并且能夠承受所處工作環(huán)境的集成芯片。比如發(fā)射芯片選擇集成化程度高、體積小的收發(fā)芯片 nRF401 等。這些元器件都適合環(huán)境要求，并且集成化程度高，可靠性比較好，具有較高的性能價格比。 電源的干擾與抑制 數(shù)字電路信號電平轉換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴重干擾 。為了抑制這種干擾，在電路中要配置去渦電容，即在門電路的電源端與地線端加接電容，它一方面提供吸收該集成電路開關門瞬間的充放電能量，另一方而旁路掉該器件的高頻噪聲。去渦電容的取值范圍一般在 0． 010． 1 μF之間，本系統(tǒng)在每個集成芯片的電源和地之間都安裝一個 0． 1μF 的電容，從而提高系統(tǒng)的可靠性。 小結 硬件的設計對于 Arduino控制系統(tǒng)來說很重要，各種接口電路的正確設計對系統(tǒng)的設計至關重要。本章主要介紹了硬件部分溫濕度測量電路的設計，以及對應的數(shù)據(jù)處理模塊；同時對硬件電路中可能產(chǎn) 生的干擾，提出了預防措施。 沈陽理工大學學士學位論文 26 4 系統(tǒng)的軟件設計 該系統(tǒng)的軟件設計方法與硬件設計相對應，采用模塊化結構，總共包括主程序、模塊、參數(shù)設置模塊、通信模塊、報警子程序模塊等。最后通過主程序和中斷處理程序將各程序模塊連接起來。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強了程序的可移植性。系統(tǒng)設計根據(jù)以上的需求分析，可以把整個系統(tǒng)分成 3個功能模塊，分別是參數(shù)設置模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)存儲管理控制模塊。工廠車間溫濕度測控系統(tǒng)軟件的功能層次結構圖如圖 ： 圖 系統(tǒng)軟件的功能層次結構圖 其中 PC 機主要管數(shù)據(jù)存儲，管理等，主控 Arduino 主要完成無線收發(fā)。上位程序開始后先進行初始化設置。初始化的內(nèi)容包括給相應的字符名稱賦值，各個寄存器的初始化，設置串口通信參數(shù)，打開 CPU中斷，打開串口中斷，設置定時器 T0 中斷。沒有中斷的時候，上位機子系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到有中斷需要響應時，單片機進入相應的中斷服務程序，向下位機發(fā)送溫度 (或濕度 )測試指令，等下位機接收到完整數(shù)據(jù)后，將上位機置接收方式，準備接收測得的數(shù)據(jù)，在上位機接收完下位機上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)中斷指令進行顯示 (或上 傳 )，并保持狀態(tài)，直到響應新的中斷為止。 上位機主程序流程框圖如圖 。 沈陽理工大學學士學位論文 27 圖 沈陽理工大學學士學位論文 28 圖 下位機結構圖 軟件可以采用 Arduino 官方提供的語言以及封裝的庫函數(shù)來實現(xiàn)初始化、數(shù)據(jù)采集處理、溫度管理和對設備的處理。下位機程序設計通常先進行初始化，如設置中斷、定時器、串行口、外部可編程器件的初始化等，然后循環(huán)執(zhí)行主要功能，如定時、數(shù)據(jù)采集、顯示以及定時將數(shù)據(jù)傳遞給上位機。上位機定時接收測控單元發(fā)送的采集信號，保存并實時顯示。上電復位后顯示不同車間號、溫濕度值及其測量時間。軟件設計的流程如圖 。 溫濕度測量子程序 程序中對 DTH11 的操作主要有以下幾個步驟：初始化 DTH11；上位機打開串口調(diào)試助手：讀取溫度值。下位機把 監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)值發(fā)送給上位機，進行溫濕度的讀取和輸出。 沈陽理工大學學士學位論文 29 開始 設定報警范圍 讀取溫濕度值 是否超出值 存儲溫濕度值 讀取時間顯示 發(fā)送溫濕度值到上位機 收到命令 結束 報警 是 否 是 否 圖 下位機程序流程框圖 沈陽理工大學學士學位論文 30 小結 軟件的設計對于單片機控制系統(tǒng)來說也是很重要的，本章給出了系統(tǒng)軟件的總體設想；以及在軟件設計中出現(xiàn)的干擾提出預防措施。本系統(tǒng)軟件的設計采用模塊化設計使設計思路明確，且便于調(diào)試和修改。 沈陽理工大學學士學位論文 31 5 結論與展望 在自動化控制系統(tǒng)中，用于監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集參數(shù)很多，溫濕度數(shù)據(jù)采集是其中最常見的一種。傳統(tǒng)溫濕度測量方法只適合于采集變化范圍較小的情況，對于多點大范圍變化的溫濕度數(shù)據(jù)采集來說，采用傳統(tǒng)溫濕度采集方法，遠距離傳輸會引起較大的誤差。為解決這個問題，本文設計出一種基于無線傳輸技術的多路溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，通過無線發(fā)送接收模塊將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ㄎ恢眠M行存儲、顯示和打印。整個系統(tǒng)采用分時掃描區(qū)域內(nèi)的傳感器的控制思想，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測。 在傳感器的選擇上，采用數(shù)字式溫濕度傳感器 DTH11。應用傳感技術、 無線收發(fā)技術及計算機技術，實現(xiàn)多點溫濕度數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸。該溫濕度測量系統(tǒng)電路簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，可靠性高，搭建方便，易于擴展，經(jīng)過軟件進行非線性及溫度補償后，測溫、測濕精度可進一步提高，特別適合于恒溫的車間使用和一些低溫連續(xù)多點監(jiān)測的場合，是一種行之有效的無線溫濕度采集的方法，其可移植性好，實用性強。 但是，對該系統(tǒng)的研究還存在一些問題需要解決。比如溫度傳感器的測溫范圍不夠寬，上傳速率慢；濕度傳感器反應速度慢、線性度不夠好，需要進行校正，精度無法進一步提高、發(fā)射距離比較近等。 同時由于本課題研究的內(nèi)容需要的知識面寬，涉及的計算機硬件和計算機軟件，其所含的技術多，其工作量也較大，是一個復雜而艱巨的系統(tǒng)工程，需要一個長期努力才能使其系統(tǒng)功能盡善盡美。因此由于時間的關系，本系統(tǒng)還處在實驗階段。 沈陽理工大學學士學位論文 32 致 謝 四年的大學時光，我不僅學習到了專業(yè)方面的相關知識，進一步擴充了眼界，更重要的是掌握了學習知識的能力，使我從多方面提升了自身能力。這些中除了知識方面的，我還學習到了為人處事的方法。 首先要感謝我的導師胡玉蘭教授、王東明老師和身邊的同學。本文是在胡玉蘭導師和王東明老師的精心指導下完成的 ，從論文的選題、設計方案直至完成論文的整個過程中，都得到了胡老師、王老師耐心細致的指導。 同時感謝一起研究無限溫濕度測控的同學們，在學習中我們相互幫助，互相激勵和關心。是你們讓我在學習和生活中收獲到了更多的東西。 感謝沈陽理工大學信息科學與工程學院所有的領導和老師這四年的學習基礎對我非常重要，是你們讓我能夠靜靜地坐下來，在知識的海洋里吸取更多的營養(yǎng)，從而能夠為自己進一步地加油充電。通過論文的撰寫，使我能夠更系統(tǒng)、全面地學習有關無限溫濕度測控的理論知識，并得以借鑒眾多工程師的寶貴經(jīng)驗，這對于我今后的工作和我為 之服務的企業(yè)，無疑是不可多得的寶貴財富！ 沈陽理工大學學士學位論文 33 參考文獻 [1] 周美蘭，關曉麗，張詩閣等 ． 基于 PIC的溫室自動控制系統(tǒng) ． 黑龍江科技學院學報 ， 2020 [2] 畢玉革，麻碩士 ． 我國現(xiàn)代溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀及發(fā)展 [J]． 農(nóng)機化研究 ， 2020 [3] 劉瀟瀟整理 . 國內(nèi)外設施環(huán)境監(jiān)控技術研究現(xiàn)狀 [N].中國花卉報 ， 202008 [4] 沙占友．智能化集成溫度傳感器原理與應用 [M]．北京：機械工業(yè)出版社 ， 2020 [5] 吳敏一種基于單片機的速度測量系統(tǒng) [J]．微計算機信息 ， 2020 [6] 袁本華，董錚．基于 Arduino控制板的溫室大棚測溫系統(tǒng)設計 [J]．安徽農(nóng)業(yè)科學：2020 [7] 繆璐璐 ． 基于 Arduino平臺開發(fā)交互式產(chǎn)品原型的研究 [D]． 上海交通大學 ， 2020 [8] 劉守義 ， 楊宏麗 ，王靜霞 ．單片機應用技術 [M]． 西安電子科技大學出版社 ， 2020年 8月 [9] 唐述宏．單片機構成的環(huán)境溫濕度實時測控裝置設計．國外電子元器件 ， 2020 [10] 江力．單片機原理與應用技術．北京：清華大學出版社 ， 2020 [11] 王兆月．微型計算機接口技術．北京：機械工業(yè)出版社 ， 2020 [12] 段朝偉 . 大溫室溫濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng) ， 2020 [13] 溫乃寧．糧庫網(wǎng)絡測控系統(tǒng)設計與開發(fā) ， 2020 [14] 肖坤．無線糧倉溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計 ， 2020 [15] 胡偉，季曉衡．微控制器 C程序設計及應用實例 [M]．北京： 人民郵電出版社 ，2020 [16] 高傳善等．數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡．北京：高等教育出版社 ， 2020 [17] 孫汝建．多路 RS23 RS485通信的單片機擴展方法．自動化與儀器儀表， 2020(1)： 5152 沈陽理工大學學士學位論文 34 附錄 A 英文原文 Arduino Uno 1 Overview The Arduino Uno is a microcontroller board based on the ATmega328. It has 14 digital input/output pins (of which 6 can be used as PWM outputs), 6 analog inputs, a 16 MHz ceramic resonator, a USB connection, a power jack, an ICSP header, and a reset button. It contains everything needed to support the microcontroller。 simply connect it to a puter with