【正文】 ............................................................................................. 11 發(fā)送端流程 .................................................................................................................. 11 接收端流程 .................................................................................................................. 12 5 硬件電路 .............................................................................................................................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(cè)試 .......................................................................................................... 15 nRF24L01 無(wú)線模塊測(cè)試 ........................................................................................... 17 6 結(jié)論與展望 .........................................................................................................................17 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................19 附錄 ...........................................................................................................................................20 致謝 ...........................................................................................................................................22 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 1 1 前言 糧食是人類(lèi)賴(lài)于生存不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類(lèi)從事各種活動(dòng)的前提。 該系統(tǒng)利用無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建了分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn) 實(shí)現(xiàn) 溫濕度信息 的 采集和傳輸， 系統(tǒng)具有 組網(wǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)單片機(jī) ATmega16L 和數(shù)字溫濕度傳感器 AM2301 來(lái)構(gòu)成多點(diǎn)、實(shí)時(shí)的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)一種低功耗的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)很有意義。 目前有些設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)，但價(jià)格過(guò)高是其最大的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)直接布線測(cè)量不能滿足要求，特別是在某些環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境和戶(hù)外環(huán)境，通過(guò)直接布線測(cè)量不現(xiàn)實(shí)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基 于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度多點(diǎn)無(wú)線 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 溫濕度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和生活等許多地方，都需要用到測(cè)溫濕裝置來(lái)監(jiān)測(cè)溫濕度。因此采用無(wú)線傳輸溫濕度信息尤為必要。在實(shí)際溫濕度控制過(guò)程中既要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性又需要降低功耗。本文提出一種針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題的解決方案，該方案基于 nRF24L01 來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)。通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)可靠性與功耗平衡，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)，是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。可以應(yīng)用于大型糧 倉(cāng)溫濕度的監(jiān)測(cè)。 糧倉(cāng)糧食的存儲(chǔ)是否得當(dāng)對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)能否正常合理的運(yùn)行有很大的影響。 為此，合理地布置溫濕度測(cè)量點(diǎn)， 以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)糧食的發(fā)熱點(diǎn)、潮濕點(diǎn)， 成為 糧庫(kù)管理的重 中之重。同時(shí)， 現(xiàn)代化的糧食倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)糧食的安全性 也 提出了更高的要求。 然而， 傳統(tǒng)的人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大 (王明明等， 2021)；而有線 方式的 測(cè)溫濕 度系統(tǒng) 存在著 不穩(wěn)定性，且 布線復(fù)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(wèn)題。 本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ，通過(guò)自組 無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信，對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部環(huán)境 進(jìn)行 監(jiān)測(cè)。 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(shí)時(shí)地 采集 當(dāng)前的 溫濕度信息，經(jīng)ATmega16L 單片機(jī) 分析處理后， 通過(guò)模擬 SPI 接口控制無(wú)線射頻模塊 nRF24L01 裝載溫濕度信息，由無(wú)線射頻模塊 nRF24L01 發(fā)射給主機(jī)接收 端并顯示溫濕度信息。 接收端：由 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊接收終端采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)模擬 SPI 接口發(fā)給 ATmega16L 單片機(jī)，由 ATmega16L 單片機(jī)控制液晶 LCDTFT 實(shí)時(shí)顯示溫濕度信息，并且顯示報(bào)警溫濕度上限值。 2 圖 1 系統(tǒng)方框圖 此系統(tǒng)為 一 對(duì)多的無(wú)線通信系統(tǒng)，多個(gè)從機(jī)發(fā)送 端由傳感器本地采集并且通過(guò)nRF24L01 無(wú)線射頻模塊發(fā)送溫濕度信息，一個(gè)主機(jī)通過(guò) nRF24L01 無(wú)線射頻模塊的多個(gè)通道 （ 最多 6 個(gè)， nRF24L01 至多可開(kāi)啟 6 個(gè)通道接收數(shù)據(jù) ） 接收多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息，實(shí)時(shí)顯示各終端節(jié)點(diǎn)溫濕度信息，系統(tǒng)方框圖如圖 1 所示。此芯片為51 類(lèi)單片機(jī)增強(qiáng)版，價(jià)格便宜、易于操作，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。此芯片是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 考慮到此系統(tǒng)的復(fù)雜度，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)所需外圍器件較多，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路板面積小，主控采用貼片封裝。 無(wú)線通信模塊方案 方案一：采用 GSM(Global System for Mobile)模塊進(jìn)行通信， GSM 模塊需要借助移動(dòng)衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖 然 能夠遠(yuǎn)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(guò)程中需要收費(fèi)，后期成本較高。但是此模塊價(jià)格較貴，且 Zigbee 協(xié)議相對(duì)較為復(fù)雜 ，實(shí)用性不高 。 當(dāng)加定向天線后，在無(wú)障礙通信情況下 能傳輸上千米的距離，而且價(jià)格較便宜，采用 SPI 總線通信模式電路簡(jiǎn)單，操作方便。 溫濕度傳感器方案 方案一： AD590 是美國(guó) ANALO G DEV ICES 公司的單片集成兩端感溫電流源芯片，采用此芯片測(cè)量溫度。采用濕敏電阻測(cè)量濕度信息，通過(guò)將濕敏電阻的電阻變化量放大并且通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)濕度數(shù)值。 方案二：采用廣州奧松有限公司生產(chǎn)的 DHT11 溫濕度一體的數(shù)字傳感器。功耗很低。 方案三：采用 廣州奧松 電子 有限公司生產(chǎn)的 AM2301 溫濕度一體的數(shù)字傳感器 。其中采集溫度的精度為 ? C? ，采集相對(duì)濕度的精度為 ? 3%。 使用 DHT11 采用單總線的控制方式。AD590 還需要其它輔助電路，線路復(fù)雜，編程難度大。所以， 考慮到電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜 度 、 系統(tǒng)的精度，功耗 ，還有本系統(tǒng) 需 多點(diǎn)通信， 在成本考慮上， 選擇方案 三 ，即用 AM2301 作為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器。 方案二：選擇主控為 ST7920 驅(qū)動(dòng)器的帶字庫(kù)的 LCD12864 來(lái)顯示信息。 4 方案三：采用配置 寸的 TFTLCD 即薄膜晶體管液晶顯示器。可以清晰的顯示各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息，且其可以顯示人性 化界面，各節(jié)點(diǎn)信息以及報(bào)警上限溫濕度值一目了然。 3 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì) ATmega16L8AI 單片機(jī) CSNCESCKMISOMOSIPC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7IRQPA0PD7PD1PD0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7AREFAVCCRSTGNDX2X1PB1PB2PD3PD4PD5PD6S1PB0PB0 (XCK/T0)40PB1 (T1)41PB2 (AIN0/INT2)42PB3 (AIN1/OC0)43PB4 (SS)44PB5 (MOSI)1PB6 (MISO)2PB7 (SCK)3RESET4PD0 (RXD)9PD1 (TXD)10PD2 (INT0)11PD3 (INT1)12PD4 (OC1B)13PD5 (OC1A)14PD6 (ICP)15PD7 (OC2)16XTAL27XTAL18GND6PC0 (SCL)19PC1 (SDA)20PC2 (TCK)21PC3 (TMS)22PC4 (TDO)23PC5 (TDI)24PC6 (TOSC1)25PC7 (TOSC2)26AREF29AVCC27GND28PA7 (ADC7)30PA6 (ADC6)31PA5 (ADC5)32PA4 (ADC4)33PA3 (ADC3)34PA2 (ADC2)35PA1 (ADC1)36PA0 (ADC0)37VCC5VCC17GND18VCC38GND39ATmega16L8AIVCC10KR110uFC1+5V 圖 2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)控制模塊由 ATmega16L 最小系統(tǒng)組成，包括 ATmega16L8AI 單片機(jī)（芯片內(nèi)集成晶振電路）和復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 2 所示。本設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器模塊控制接口為 PB3～PB7 以及 PD2；下載程序采用 ISP 通信， 采用 USB ISP 下載器進(jìn)行程序下載，其 接口為PB5~PB7 以及 RST 端口； RXD/ 和 TXD/ 為串口通信端口 ， RXD 用于讀數(shù)據(jù)， TXD 用于發(fā)送數(shù)據(jù) ；監(jiān)測(cè)端：溫濕度數(shù)據(jù)采集端口為 PC0～ PC7；接收端： TFT 彩屏接口為 PC0～ PC7 和 PA2～ PA4?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是 1 對(duì) 6 的無(wú)線通信。 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊的電路圖如圖 3 所示。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(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。 表 1 nRF24L01 模塊引腳功能 管腳 功能 CE 工作模式， TX 或者 RX 模式選擇 CSN SPI 片選使能，低電平有效 SCK SPI 時(shí)鐘 MOSI SPI 數(shù)據(jù)輸入 MISO SPI 數(shù)據(jù)輸出 IRQ 中斷輸出 VDD 電源 輸入 GND 地 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊的各引腳功能如表 1 所示。 nRF24L01模塊供電電源 此無(wú)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(duì)無(wú)線射頻模塊供電， 5V電源經(jīng) LM1117 芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后即得到穩(wěn)定的直流電源供給 nRF24L01 無(wú)線射頻模塊。 在掉電模式下電流損耗最小，同時(shí) nRF24L01 也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 TX_PLD 必須在 CSN 為低時(shí)連續(xù)寫(xiě)入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時(shí)寫(xiě)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)。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功， TX_DS 置高，同時(shí) TX_PLD 從 TX FIFO