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無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計畢業(yè)設計-在線瀏覽

2024-10-29 13:11本頁面
  

【正文】 成系統(tǒng)的硬件及軟件的基本設計并提交中期檢查報告。 5月 21日 —— 6月 15日:撰寫 、修改畢業(yè)設計論文,準備并完成答辯。以STC89C51 單片機為 該 系統(tǒng) 的主要 控制單元, 用 C 語言編程; 采用溫 濕 傳感器 DHT11 和無線收發(fā) NRF24L01完成對試驗現(xiàn)場 溫 濕 度采集、控制和 數(shù)據(jù)的收發(fā); 液晶顯示屏 1602 對數(shù)據(jù)進行顯示, 完成對 當前 溫 濕 度的設置 值顯示、實際值顯示 ;蜂鳴器和二極管完成系統(tǒng)的聲光報警 。 [關鍵詞 ]STC89C51;溫濕度傳感器; NRF24L01;顯示;報警。 liquid crystal display 1602 the data display, pletion of the current temperature and humidity setting value display, actual value display。 Temperature senior。 Display。我們已經進入了高速發(fā)展的信息時代,測量技術是當今社會的主流,廣泛地深入到應用工程的各個領域。隨著工業(yè)科技、農業(yè)科技的發(fā)展 ,溫濕度測量的需求越來越多 ,溫室度測量也顯得越來越重要。而這時采用無線測量監(jiān)控的方式對溫濕度數(shù)據(jù)進行采集 ,顯得尤為方便。利用了無線電通信的方便、靈活等特性 ,而且經濟實惠。在溫濕度監(jiān)控的方法上 ,傳統(tǒng)的監(jiān)控方式 (包括經典監(jiān)控和現(xiàn)代監(jiān)控 ),在處理具有非線形或不精確特性的監(jiān)控對象時 ,顯得比較困難和復雜 ,傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)大為滯后系統(tǒng) ,較大的純滯后會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 發(fā)展趨勢 當前社會,各行各 業(yè)越來越重視產品的生產、物品的管理和倉庫的存儲等環(huán)節(jié) ,很多企業(yè)倉庫存儲的都是非常重要的物品 ,如 :煙葉、紡絲、藥材、食品等。因此 ,近年來無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)成為各類監(jiān)測、檢測應用的一個大的的發(fā)展趨勢 ,越來越多的要求要使用無線技術來解決遠程控制的問題的企業(yè)要用到無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。比如 :野外氣 象監(jiān)測、移動車隊車況監(jiān)測、易燃易爆倉庫、高壓線纜運行狀況監(jiān)測等等。越來越受到社會各業(yè)的關注,所以無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的市場前景非常大。對比選取最適合的元器件, 完成無線收發(fā)模塊的選型和硬件電路和供電系統(tǒng)的設計 ,選取合適的溫 濕 度傳感器測出室內當前 的溫 濕 度 ,并完成按鍵設置溫濕度報警限值,當 溫濕度超過設置的限值聲光報警 。 方案一 :系統(tǒng)的核心控制器采用 FPGA(現(xiàn)場可編程們陣列 ),溫濕度傳感器使用熱敏電阻 ,無線收發(fā)模塊用一對 NRF24L01,采用 555定時器構成報警模塊器 ,顯示模塊采用數(shù)碼管顯示 ,流程圖如圖 。 將轉換后的數(shù)字信號傳給 FPGA,由 FPGA實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能 ,通過 NRF24L01發(fā)送出去,然后由另外一個 NRF24L01接到信號,然后傳遞給 FPGA,經過 FPGA的邏輯運算,將收到的數(shù)據(jù)顯示到數(shù)碼管上,并對數(shù)據(jù)進行判斷,若需要報警則接通 555報警電路,進行報 警。 DHT11傳感器采用一體化變換器模塊 , 通過總線通信協(xié)議,將數(shù)據(jù)讀入 CPU進行處理 ,然后按照總線時序將數(shù)據(jù)讀出 ,傳遞給單片機,單片機收到數(shù)據(jù),經過 內部邏輯運算處理,將數(shù)據(jù)傳遞給無線發(fā)送模塊 JF24D,由無線接受模塊 JF24D接收到數(shù)據(jù),傳遞給單片機進行運算,轉化為電信號在數(shù)碼管上顯示,經過單片機的邏輯運算,若接收到的數(shù)據(jù)大于或者小于所設置的上下限,則給一個低電平信號,導通繼電器,使蜂鳴器報警。用數(shù)碼管顯示,雖然簡單但是局限性 比較多,也不打算使用。 DHT11傳感器采用一體化變換器模塊 , 通過總線通信協(xié)議,將數(shù)據(jù)讀入 CPU進行處理 ,然后按 照總線時序將數(shù)據(jù)讀出 ,傳遞給單片機,單片機將電信號轉化為數(shù)字信號,傳遞給無線發(fā)送模式 NRF24L01,由另外一個無線接受模式 NRF24L01收到數(shù)據(jù),將信號 傳遞給單片機,單片機經過運算,將數(shù)字信號轉化為電信號,在 1602液晶顯示屏上顯示出來,若顯示的數(shù)據(jù)超過經過按鍵設置的溫濕度上下限,則單片機給繼電器一個低電平,導通鏈接 9102三極管蜂鳴器和二極管的繼電器,進行聲光報警。 但由于 FPGA成本高,電路板的布線比較復雜,加重了電路設計和實現(xiàn)焊接的工作。溫濕度采集 51 單片機 JF24D JF24D 51 單片機 數(shù)碼管顯示 蜂鳴器報警 溫濕度采集 51 單片機 NRF2401 NRF2401 51 單片機 1602 顯示 蜂鳴器報警 陜西理工學院畢業(yè) 設計 第 4 頁 共 48 頁 還要考慮抗干擾問題,需要專業(yè)的儀器對采集的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)表,還要進誤差處理,及數(shù)據(jù)校準。此方案所要實現(xiàn)如此多的內容,硬件電路設計會比較復雜,而且功耗大,不適合本設計 ,所以不采用 。因為 用溫、濕敏元件進行數(shù)據(jù)采集, 電路結構 和 程序算法 都比較 復雜 , 所以在方案二中,采用一體化的溫濕度傳感器 DHT11,溫濕度傳感器 DHT11采用一體化變換器模塊 , 電路簡單,處理器不需要管理數(shù)據(jù)變換問題,直接通過按照總線時序將數(shù)據(jù)讀出,對數(shù)據(jù)稍做處理就可以了 。 經過對 比方案一和方案二,最終本次設計選擇的方案為方案三 ,主控制芯片考慮到本系統(tǒng)在程序運行速度方面的要求不高以及成本問題 ,最后選擇采用 STC89C51 的單片機芯片作為主控制芯片 。無線收發(fā)模塊考慮到系統(tǒng)在功耗方面的要求 ,對比后 ,NRF24L01以其功耗低 ,而且成本較低 ,易于購買 ,所以最后采用 NRF24L01進行無線數(shù)據(jù)的接受采集 。報警模塊因為本設計的報警時間是隨機的 ,取決于現(xiàn)場的溫濕度 ,綜合考慮后,采用 9102三極管驅動蜂鳴器和發(fā)光二極管結合進行聲光報警。陜西理工學院畢業(yè) 設計 第 5 頁 共 48 頁 系統(tǒng)硬件電路主要分為:單片機 STC89C51控制系統(tǒng),無線收發(fā)電路,顯示電路,鍵盤電路,溫濕度采集電路,聲光報警電路 , 設計 總框圖如圖 。溫濕度的采集以 DHT11為主體來構成 ,由電源直接供電 ,與單片機直接鏈接 ,將溫濕度轉化成串行數(shù)字信號傳遞給單片機處理 ,且在同一總線上可接多個傳感器芯片 。顯示部份由 1602 LCD來完成 ,因為單片機的輸出端電壓較小 .所以在單片機與 1602 LCD來之間接一個上拉電阻 ,保證信號的傳輸 。 單片機主控制模塊的設計 單片機是整個系統(tǒng)的控制中樞,它負責周圍器件的協(xié)調控制工作,從而實現(xiàn)特定的功能。 本系統(tǒng)中,采用兩個單片機,分別控制測量發(fā)射子系統(tǒng)和控制顯示子系統(tǒng)。 EA/VA接 5V電壓源。四個 IN輸出引腳鏈接四個繼電器驅 動,若有需要,給一個低電平,導通繼電器,完成聲光報警。 Reset接復位電路,鏈接一個按鍵,對單片機進行復位操作。 測量發(fā)射控制系統(tǒng) 顯示控制控制系統(tǒng) 無線收發(fā)電路 顯示電路 鍵盤電路 聲光報警電路 溫濕度采集電路 陜西理工學院畢業(yè) 設計 第 6 頁 共 48 頁 1 4 0 2 3 93 3 84 3 75 3 66 3 57 3 48 3 39 3 21 0 3 11 1 3 01 2 2 91 3 2 81 4 2 71 5 2 61 6 2 51 7 2 41 8 2 31 9 2 22 0 2 1 lcd液晶顯示屏STC89C51無線發(fā)送二極管三極管報警器繼電器驅動按鍵電路5 v復位電路晶 振 電 路 圖 控制顯示子系統(tǒng) 原理圖 在測量發(fā)射子系統(tǒng)中,單片機 DHT11的 2管腳鏈接,用于接受溫度傳感器通過總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù), NRF24L01鏈接,用于接受數(shù) 據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù), 管,通過點亮二極管顯示當前的收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。 Reset接復位電路,鏈接一個按鍵,對單片機進行復位操作,具體電路原理如圖 。 傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC測溫元件,并與一個高性能 8位單片機相連接。校準系數(shù)以程序的形式存在 OTP內存中,傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數(shù)。產品為 4針單排引腳封裝,連接方便 [3]。電壓源為 5V電壓,與 DHT11的 1管腳鏈接。電源引腳( VDD, GND)之間可增加一個 100nF 的電容,用以去耦濾波,電路圖如圖 。 無線收發(fā)電路模塊的設計 NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 ~ ISM頻段。 因為 NRF24L01工作電業(yè)為 ,但是電源電壓為 5V, 所以用調壓器 LM1117組成穩(wěn)壓電路,將 5V電壓穩(wěn)定為 。若自動應答開啟,那么 NRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式,接收應答信號(自動應答接收地址應該與接收節(jié)點地址 TX_ADDR一致)。若未收到應答,則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù) (自動重發(fā)已開啟 ),若重發(fā)次數(shù) (ARC)達到上限, MAX_RT置高, TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā) 。最后發(fā)射成功時 ,若 CE為低則 NRF24L01進入空閑模式 1。若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且 CE 為高,則進入空閑模式 2[5]。當接收方檢測到有效的地址和 CRC時,就將數(shù)據(jù)包存儲在 RX FIFO中,同時中斷標志位 RX_DR置高, IRQ變低,產生中斷,通知 MCU去取數(shù)據(jù)。最后接收成功時,若 CE 變低,則 NRF24L01進入空閑模式 1[5]。但針對單個字節(jié)而言,要先送高位再送低位。相應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從 MISO輸出給 MCU[5]。 蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型 [4]。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。當接通電源后( ~ 15V直流工作電壓) ,多諧振蕩器起振 ,輸出 ~ ,阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲 [4]。接通電源后,振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈,使電磁線圈產生磁場。 報警采用控制器輸出脈沖信號經一級放大電路驅動蜂鳴器報警的實現(xiàn) , 電路原理圖如圖 所示。 顯示 電路模塊的設計 顯示模塊選用 1602字符型液晶模塊 1602字符型液晶模塊是點陣型液晶,驅動方便,經編碼后顯示內容多樣化。芯片工作電壓為 — ,工作電流為 ()。 系統(tǒng)采用 P0口與液晶數(shù)據(jù)端口相連接, RS、 W、 E控制引腳相連,電路圖如 表 。 5 R/W R/W 為讀寫信號線,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫操作。 7 DB0 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0 位(最低位) 8 DB1 底 4 位三態(tài) 、 雙向數(shù)據(jù)總線 1 位 9 DB2 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2 位 10 DB3 底 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3 位 11 DB4 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4 位 12 DB5 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5 位 13 DB6 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6 位 14 DB7 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7 位(最高位)(也是 busy flag) 陜西理工學院畢業(yè) 設計 第 10 頁 共 48 頁 GNDVCCVORSRWE DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BG VCCBG GNDL C D 1 6 0 22P25P26P27P00 P01P02P03P04P05P06P07V C CV C C 圖 1602 液晶顯示電路原理圖 系統(tǒng) 電路及說明 將以上各個模塊組裝鏈接起來,無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)就做好了,以下是詳細的工作原理:溫濕度傳感器 DHT11對當前的溫濕度進行采集,測量發(fā)射子系統(tǒng)的控制芯片 SAT89C51對采集溫度數(shù)據(jù)進行處理,將有用數(shù)據(jù)送給無線發(fā)射模塊 NRF24L01,控制顯示子系統(tǒng)的無線接受模塊 NRF24L01接受數(shù)據(jù)送給控制芯片 SAT89C51,由 SAT89C51對數(shù)據(jù)進行分析處理 ,然后對當前
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