【正文】 系統(tǒng)設(shè)計的基本思想本系統(tǒng)的處理和控制所采用的核心器件都是STC12C560S2單片機，該單片機是STC生產(chǎn)的單時鐘/機械周期的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。內(nèi)部集成了8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，2路PWM，I/O口的資源豐富，因此被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域[5]。數(shù)據(jù)采集由溫濕度傳感器DHT21負責(zé)。單片機可以通過一個與DHT21連接的I/O口讀取傳感器采集到的40位數(shù)據(jù)，其中前16位是濕度數(shù)據(jù)，中間16位為溫度數(shù)據(jù)，后8位作為校驗碼。數(shù)據(jù)采集與發(fā)射部分不斷重復(fù)采集與發(fā)送數(shù)據(jù)這個過程。下位機將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上，并且檢測溫濕度是否超過設(shè)定范圍，以決定是否啟動聲光報警。這樣整個系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集、無線傳輸、接收與顯示，可以實時地遠程監(jiān)控室內(nèi)的溫度和濕度。 系統(tǒng)總體架構(gòu)整個系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計理念，其中上位機系統(tǒng)主要有溫濕度傳感器、無線發(fā)射模塊和微處理器等主要模塊組成，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送任務(wù)。： 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的主要器件包括單片機微處理器、無線收發(fā)系統(tǒng)和采集溫室度的傳感器。它把溫濕度傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過處理之后，經(jīng)過無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。其中傳感器和無線收發(fā)模塊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，在溫濕度傳感器采集到準(zhǔn)確的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的前提下，整個系統(tǒng)才能實現(xiàn)真正意義上的環(huán)境監(jiān)控。從框圖可以看出，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給微處理器進行處理后，再發(fā)送給無線收發(fā)模塊。接收模塊只有在檢測到與自己的地址相匹配的地址后，才進行數(shù)據(jù)的接收與數(shù)據(jù)解包。溫度和濕度的范圍可以直接通過按鍵進行設(shè)定，操作簡單，使得整個系統(tǒng)更加人性化。它幾乎支持所有8051內(nèi)核的單片機，集仿真與調(diào)試與一體。除此之外，該軟件知道匯編和C語言編程，人機交互界面友好，容易學(xué)習(xí)。在編程語言方面，本系統(tǒng)的程序設(shè)計選擇C語言進行編寫。Keil uVision4的使用步驟如下：（1） 打開軟件，在菜單欄選擇“工程”后“新建工程”，選擇對應(yīng)的目標(biāo)芯片，再配置一下軟件。（3） 擇左方框中的Target 1文件夾展開，選擇Souece Group1點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇增加文件到組，把C語言源文件添加進去。STC12系列單片機的內(nèi)部已經(jīng)固化了在線可編程系統(tǒng)即ISP，引導(dǎo)固件程序。通過ISP，將編譯好的項目中的HEX文件下載到單片機中運行驗證。當(dāng)重新上電后，如果有就好下載用戶程序，如果沒有則跳到單片機內(nèi)部的程序存儲區(qū)，運行里面的用戶程序。本系統(tǒng)的控制與處理的核心是一款STC12C560S2單片機，它也是8051內(nèi)核的，可以兼容傳統(tǒng)的51單片機指令集。特別是對于微處理器，要求其能以更快的速度去處理更大的數(shù)據(jù)量，而且功耗要越來越低。一些國內(nèi)外的研究機構(gòu)開始對傳統(tǒng)的8051單片機進行改進。這款單片機是單時鐘/機械周期的，而傳統(tǒng)的單片機是12個時鐘/機械周期的，所以STC12系列單片機運行速度更快，是傳統(tǒng)的51單片機的812倍。一般的工業(yè)應(yīng)用，這款單片機都能滿足使用要求。它內(nèi)部集成了許多模塊，包括復(fù)位電路，看門狗電路，PWM輸出和A/D轉(zhuǎn)化電路等。除此之外，內(nèi)部還加入了硬件乘法和除法指令。（3） 用戶的應(yīng)用程序存儲空間為60KB。而且可以設(shè)置I/O口的工作模式，比如準(zhǔn)雙向口/弱上拉輸出、強推挽輸出、高阻輸入和開漏輸出等。（6） 比傳統(tǒng)的51單片機多出一個16位的定時器，而且兩路PCA也可以作為2個16位定時器用。（8） 7路外部中斷I/O引腳，既兼容了傳統(tǒng)51的下降沿中斷，還具有支持上升沿觸發(fā)的PCA模塊。（10） 兩個全雙工的UART。內(nèi)部不帶弱上拉。P2口可以作為普通的I/O口來使用，也可以作為高8位的地址指針。其中高電平為2V以上。它屬于電子檢測設(shè)備。傳感器在生活中隨處可見，是自動化控制和智能領(lǐng)域的重要元件[9]。這款溫濕度傳感器不但功耗低而且傳輸距離遠，還具有自動校準(zhǔn)功能[10]。DHT21可以同時測溫度和濕度，是一款雙用的數(shù)字溫濕度傳感器。元件內(nèi)部集成了分別用來測濕度和溫度的模塊，采集濕度的傳感器是電容式的，而采集溫度的器件是一個NTC測溫元件。從DHT21傳輸給單片機的數(shù)據(jù)為40位，其中前16位是濕度值，中間16位是溫度值，后8位是校驗碼。 無線收發(fā)模塊選擇收發(fā)模塊是本系統(tǒng)里面另一個重要的組成部分，它是實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控，無線傳輸，遠程控制等功能的關(guān)鍵。nRF905射頻發(fā)射器芯片是由Nordic公司出品的一款低于1GHz無線芯片[11]。如果不使用模塊外部的聲表濾波器，可以獲得良好的通信效果。它的ShockBurstTM模式可以配置成自動處理發(fā)送和接收的數(shù)字包字頭，增加CRC檢驗功能，使模塊之間更加可靠地完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。通過軟件設(shè)置，可以讓NRF905工作在不同模式，其中，空閑模式和掉電模式可以達到降低功耗的目的。還可以通過配置，使該模塊工作在不同頻段，達到多點通信和跳頻通信的目的。有效傳輸距離為300米。（4） 片內(nèi)集成了8位與16位的CRC校驗硬件，單對多通信的地址控制。（6） 不同模式的切換時間為650μs。（8） ，方便安裝連接。顯示數(shù)據(jù)分為兩行，每行16個字符。外圍配置簡單，價格較便宜，性價比高，因此被廣泛的使用在工業(yè)設(shè)備和教學(xué)實驗中。在該芯片的輸入、輸出端加上退耦、。： DHT21傳感器的引腳特性表管腳名稱注釋1VDD供電 2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3GND接地，電源負極4NC空腳在使用DHT21的過程中，要注意以下兩點：（1） 如果器件工作在非規(guī)定的范圍內(nèi)，則在濕度的測量過程中可能會造成3%RH左右的短暫性的漂移信號。若傳感器長時間工作在非規(guī)定的范圍，會加速器件的老化。在器件的放置時，應(yīng)該使傳感器遠離發(fā)熱量大的器件，同時保持傳感器外殼良好痛風(fēng)性。采用NRF905來設(shè)計，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的需求。會燒壞模塊。（3） 如果單片機沒有集成硬件SPI，可以使用一般的I/O口，模擬SPI的讀寫時序，從而實現(xiàn)SPI通信。如果是與5V的單片機相連，最好加限流電阻，可以直接跟I/O口相連。前兩種是節(jié)電模式，后兩種是正常模式。： NRF905工作模式PWR_UPTX_ENTRX_CE工作模式0XX掉電和SPI編程1X0Standby和SPI編程101RX111TX無線模塊工作在ShockBurst TM模式，為了降低功耗，使用模塊片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，將數(shù)據(jù)從單片機內(nèi)以高速發(fā)送出去。這樣數(shù)據(jù)在空中停留的時間變短，增強了抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。在此模式下，模塊的平均工作電流減少，降低了能耗。即發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上數(shù)據(jù)包頭與CRC檢驗碼，在接收數(shù)據(jù)時，自動去掉數(shù)據(jù)包頭與CRC校驗碼。NRF905的節(jié)能模式分別是關(guān)機模式和掉電模式。當(dāng)模塊處于關(guān)機模式時，停止工作。當(dāng)系統(tǒng)處于等待接收狀態(tài)時，功耗會非常低。這種工作模式可以節(jié)能，因為工作電流很小。 液晶顯示電路液晶顯示屏的種類很多，不同的設(shè)計需要選擇不同的產(chǎn)品。這款液晶屏共16個引腳，帶背光接口。VL引腳是用來實現(xiàn)對比度調(diào)節(jié)功能的。當(dāng)VL接地時，對比度最高，會造成看不清液晶屏上顯示的字符。不同的寄存器控制液晶不同的功能。當(dāng)RS為低電平時選中指令寄存器。該引腳為高電平時，是讀操作；該引腳為低電平時，是寫操作。D0D7為數(shù)據(jù)引腳。讀寫功能由R/W引腳控制。由于STC12C560S2的I/O口的電流驅(qū)動能力有限，每個I/O口平均為20毫安，不足以驅(qū)動蜂鳴器進行發(fā)聲報警。蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。因為本系統(tǒng)只要蜂鳴器發(fā)出警報聲，因此采用有源蜂鳴器，這樣電路更加簡單。直流電增益為10~60，功耗為625毫瓦。主要的模塊功能包括：初始化程序、溫濕度傳感器采集溫濕度程序、無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)程序、液晶顯示程序和蜂鳴器報警程序。無線收發(fā)模塊程序包括：打包發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)，接收溫濕度數(shù)據(jù)并進行拆包。然后單片機讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，將其存儲起來。如果數(shù)據(jù)還沒發(fā)送完成，即DR引腳還沒被置高，則繼續(xù)執(zhí)行發(fā)送程序。 下位機接收數(shù)據(jù)流程圖由下位機的流程圖可以看出，當(dāng)系統(tǒng)上電后，也是首先進行一系列初始化處理。當(dāng)檢測到匹配的地址后，NRF905開始接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解包，去除CRC檢驗碼后把數(shù)據(jù)存儲到寄存器內(nèi)。同時判斷溫濕度的范圍，如果超出設(shè)定的范圍，則蜂鳴器發(fā)出警報聲。 溫濕度傳感器程序設(shè)計DHT21的供電電壓為5V，當(dāng)系統(tǒng)上電后，溫濕度傳感器會有1秒的不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在系統(tǒng)中要通過延時等操作，跳過這個不穩(wěn)定狀態(tài)后再對DHT21進行讀寫操作。單片機與溫濕度傳感器是通過單總線進行通信的，通訊時間大約為5毫秒。其中，40位數(shù)據(jù)里面，高位在前，低位在后。： 40位數(shù)據(jù)組成系統(tǒng)上電工作后，單片機給溫濕度傳感器發(fā)送指令，使DHT21從低功耗模式迅速切換到高速模式，給單片機傳回一個應(yīng)答信號。因為傳感器傳輸兩次數(shù)據(jù)給單片機有一定的時間間隔，當(dāng)這個間隔時間比較長的時候，需要再采集一次數(shù)據(jù)才能獲得最新、最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。兩者開始通信的時候，單片機需要先將總線拉低1~10毫秒，然后再釋放。： 通訊時序圖DHT21的應(yīng)答信號是一個大約80微秒的低電平，然后再拉高總線約80微秒，接著系統(tǒng)將進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。每一位數(shù)據(jù)是由一段高電平和一段低電平組成。后面的高電平維持的時間長短決定該數(shù)據(jù)位是“1”還是“0”。當(dāng)傳輸完最后一位，DHT21將總線拉為低電平，維持大約50微秒，再將總線釋放。 for(i=0。i++) { delay=2。amp。 //等待DHT變高電平 delay:防止死循環(huán) delay_1us(30)。 if(DHT) temp=1。 while((DHT)amp。delay++)。//超時讀取就錯誤 data=1。 }} //溫濕度讀取函數(shù)void read_rh(){