【正文】 傳輸。在當(dāng)前的先進科技水平下，無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，使得遠程無線溫濕度采集測量的方法，不僅測量精確，而且簡便易行?，F(xiàn)在很多的家庭都已經(jīng)安裝了室內(nèi)溫濕度采集控制系統(tǒng)，其主要原理就是通過無線通信技術(shù)采集室內(nèi)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫濕度的情況進行遙控通風(fēng)等安全操作，不僅可以自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，而且能夠更好地改善人們的居住環(huán)境。目前在一些布線繁瑣或不允許有明線的特殊場合都能夠通過無線通信技術(shù)方案解決。 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢近年來，伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，無線射頻通信技術(shù)在近幾年也得到了迅猛的發(fā)展，目前國內(nèi)的無線射頻技術(shù)也逐漸成熟，很多公司開研發(fā)出種類齊全的射頻無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和芯片。如今此類的射頻芯片正向著集成化和微型化的方向發(fā)展，很大程度降低了使用成本，因此無線射頻芯片在嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)中具有非常大的應(yīng)用前景。隨著射頻技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳輸芯片的體積和尺寸也越來越微型化，功能也越來越豐富，加上輔助電路在性能上更加的優(yōu)越，傳輸距離也越來越遠，信號更加的穩(wěn)定性，擁有更快點的傳輸速率和更強的抗干擾能力，特別適用于復(fù)雜的工業(yè)控制場合。nRF24L01無線通信模塊是目前市場上應(yīng)用較為普遍的無線收發(fā)器件， GHz 之間。nRF24L01模塊功率損耗特別低，在以6dBm的功率發(fā)射時，模塊的測試工作電流在9mA左右；模塊工作在接收模式時，該模塊的掉電模式和空閑模式等多種低功率工作模式使節(jié)能設(shè)計更加方便。目前無線射頻通信技術(shù)已經(jīng)在很多工業(yè)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣和實際應(yīng)用，對施工成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性都的到了很大的提高：例如無線數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)，糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)，遠程抄表系統(tǒng)，工業(yè)現(xiàn)場的無線數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，機器人控制等多種應(yīng)用場合。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)功能溫濕度的檢測技術(shù)在日常生活和工程現(xiàn)場都會經(jīng)常用到，由于科技的不斷進步和生活水平的提高，對溫濕度檢測系統(tǒng)的檢測精度有了越來越高的要求，傳統(tǒng)的溫濕度測量裝置已經(jīng)很難滿足檢測精度的要求，本設(shè)計采用DHT11作為溫濕度傳感器，使用低功耗STM32單片機。本設(shè)計采用STM32F103C8T6單片機作為主控CPU，外加DHT11溫濕度采集模塊、nRF24L01無線收發(fā)模塊和數(shù)碼顯示模塊組成整個系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示。開機時系統(tǒng)顯示系統(tǒng)時間并復(fù)位，從機采集一組環(huán)境的實時溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線通訊模塊將傳感檢測節(jié)點周圍的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給主機并在液晶上顯示出來，主機通過程序判斷是否達到預(yù)警值，并控制報警電路等相關(guān)模組工作的程序流程。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖22所示。方案二：DHT11傳感器是一款能夠輸出溫度和濕度的數(shù)字式溫濕度一體傳感器，并且該傳感器的輸出信號已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn)后輸出給控制器。該傳感器采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，并且其體積小，功耗低，傳輸距離能達到20米以上，能夠很好的與單片機進行連接并嵌入到系統(tǒng)中。 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的選型方案一：~，是目前通用的一種基于ISM頻段的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器芯片。并且可以通過SPI通訊協(xié)議進行模塊的驅(qū)動，編程方法簡單，穩(wěn)定性高。目前藍牙技術(shù)雖然被描述的前景非常廣闊，但是藍牙技術(shù)現(xiàn)在還不是非常的成熟，其穩(wěn)定性能不是很好，并且抗干擾能力也比較差，因此該技術(shù)還需要實際應(yīng)用的嚴(yán)格考驗。經(jīng)過對比nRF24L01無線收發(fā)模塊有較強的抗干擾能力，并且其穩(wěn)定性和可靠性都優(yōu)于藍牙模塊。 系統(tǒng)供電電源的選型方案一：通過單相變壓器將AC220V的交流電降壓到AC12V之后，再經(jīng)過由單向不可控二極管搭建的橋式整流電路對其進行進一步的電壓整流處理，然后再將整流后的電壓通過三端穩(wěn)壓電源芯片和相關(guān)濾波電路對其電壓進行進一步的處理。方案二：采用電源適配器，電源適配器能夠很好的輸出較為平穩(wěn)的直流電壓，其輸出電流也相對穩(wěn)定，并且電源適配器有塑料外殼能夠起到電源芯片的防塵和防爆作用，其內(nèi)部電路的功耗較低，穩(wěn)定性也相對比較好，攜帶也比較方便。 經(jīng)過對以上兩種方案的對比，最終選擇方案二作為本系統(tǒng)的供電方式，因為方案一在整個電路搭建過程比較復(fù)雜，成本較高，而且穩(wěn)定性和安全性都低于電源適配器。其運算和運行速度都非?？欤幊汰h(huán)境是Keil uVision4，編程界面較為簡單并且改控制器的強大之處在于其代碼的移植非常方便，能夠很好的進行編程。方案二： AT89C51單片機，該單片機的外部IO資源和內(nèi)部寄存器的資源相對較少，是目前市場上功能較為落后的一款控制芯片，但是該芯片是上市比較早的一款高性能的8位微處理器芯片，并且該芯片的市場價位相對較低，比較適合用于對系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度要求不是很苛刻的場合，而且該芯片的編程方法比較簡單，非常適合剛開始接觸微控制器的初學(xué)者。經(jīng)過對本系統(tǒng)的功能分析，因為本系統(tǒng)在整個工作過程中需要不斷地對數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送和接收，對系統(tǒng)的運算速度有很高的要求，并且還用到了很多內(nèi)部定時器及中斷資源，因此選用STM32F103C8T6單片機作為系統(tǒng)的控制器芯片。并行連接的數(shù)據(jù)顯示和傳輸速度快，適合對顯示速度要求高的場合，但是IO資源占用的較多；串行連接的數(shù)據(jù)顯示和傳輸速度相對較慢，但是其IO資源占用較少，對顯示速度要求不高的場合可以選用串行方式連接。方案二：選用數(shù)碼管對數(shù)據(jù)顯示。但是數(shù)碼管的顯示對單片機的初學(xué)者能起到很好的編程思路學(xué)習(xí)，但是本系統(tǒng)設(shè)計要求較高，不適應(yīng)用數(shù)碼管進行顯示。第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 硬件系統(tǒng)的組成本課題的硬件系統(tǒng)由一個主機和兩個從機硬件電路組成，主機系統(tǒng)的電路由七部分組成，分別包括：CPU主控模塊、DHT11溫濕度一體傳感器、nRF24L01通訊模塊、LCD12864液晶顯示模塊、蜂鳴語音報警模塊、模擬繼電器LED指示模塊以及電源驅(qū)動模塊。主機與從機的主要區(qū)別在于主機系統(tǒng)有人機顯示界面，能夠通過主機上的LCD12864液晶模塊監(jiān)控從機一和從機二所檢測的傳感節(jié)點位置的當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，起到整個系統(tǒng)的監(jiān)控作用。CortexM3內(nèi)核的高性能單片機，其工作頻率高達72MHz，芯片內(nèi)部集成有高速存儲器，豐富的I/O接口。STM32F103C8T6單片機的溫度工作范圍很寬，能夠在零下40攝氏度到零上105攝氏度的范圍里面正常工作。STM32單片機的系統(tǒng)原理圖如圖31所示。復(fù)位電路設(shè)計如圖31右下圖所示。圖31 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理圖 溫濕度傳感檢測模塊DHT11傳感器是一款能夠輸出溫度和濕度的數(shù)字式溫濕度一體傳感器，并且該傳感器的輸出信號已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn)后輸出給控制器。該傳感器采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，并且其體積小，功耗低，傳輸距離能達到20米以上，能夠很好的與單片機進行連接嵌入到系統(tǒng)中。5％RH的測量精度；溫度檢測的范圍是0~50℃，177。 DHT11實物如圖32所示。DHT11是數(shù)字式的溫濕度傳感器，所以其DATA端可直接以數(shù)字方式傳輸所采集的當(dāng)前環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，由于DHT11是通過單總線的通信方式進行檢測數(shù)據(jù)的輸出，所以僅需將MCU的一個IO接口與DHT11的DATA端連接在一起就能夠進行實時溫濕度數(shù)據(jù)的采集了，為了保證接收數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和正確性一般都會在DHT11的輸出端與單片機的連接處焊接一個5K的上拉電阻，該電路的設(shè)計相對于其他電路來說比較簡單。nRF24L01無線通信模塊是目前市場上應(yīng)用較為普遍的無線收發(fā)器件， GHz 之間。nRF24L01芯片的功耗低，當(dāng)該模塊的發(fā)射功率在6dBm時，實際的測試的模塊電流僅在9mA左右；模塊工作在接收模式時，該模塊的掉電模式和空閑模式等多種低功率工作模式使節(jié)能設(shè)計更加方便。圖35 nRF24L01芯片引腳引腳功能說明引腳功能CE使能發(fā)射或接收CSN，SCK，MOSI，MISOSPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01IRQ中斷標(biāo)志位VDD電源輸入端VSS電源地XC2，XC1晶體振蕩器引腳VDD_PA為功率放大器供電， VANT1,ANT2天線接口IREF參考電流輸入（2）nRF24L01模塊有四種工作模式，包括發(fā)射模式、接收模式、空閑模式及掉電模式，這四種工作模式可以通過配置其內(nèi)部寄存器進行設(shè)置。 nRF24L01模塊的工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在TX寄存器中發(fā)射模式101→0停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機模式2101TX_FIFO為空待機模式110無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦? LCD液晶顯示模塊在本系統(tǒng)中LCD12864液晶顯示用于顯示當(dāng)前的日期時間、主機周圍的溫濕度數(shù)據(jù)以及從機一和從機二周圍的溫濕度數(shù)據(jù)。并行連接的數(shù)據(jù)顯示和傳輸速度快，適合對顯示速度要求高的場合，但是IO資源占用的較多；串行連接的數(shù)據(jù)顯示和傳輸速度相對較慢，但是其IO資源占用較少，對顯示速度要求不高的場合可以選用串行方式連接。雖然本系統(tǒng)中單片機接口資源豐富，但是考慮減輕電路焊接的工作量，所以采用串行傳輸?shù)姆绞脚cLCD12864液晶顯示屏連接通訊。 蜂鳴語音報警模塊及模擬繼電器LED指示模塊由于蜂鳴器是直流電壓驅(qū)動期間，只需給蜂鳴器供上額定的電壓就能驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出響聲。因為蜂鳴器的工作電流比較大，所以無法直接通過單片機的IO口進行驅(qū)動，一般需要通過放大電路才能驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲響。圖36 LCD12864液晶顯示屏圖37 報警驅(qū)動電路 電源驅(qū)動模塊電源適配器能夠很好的輸出較為平穩(wěn)的直流電壓，其輸出電流也相對穩(wěn)定，并且電源適配器有塑料外殼能夠起到電源芯片的防塵和防爆作用，其內(nèi)部電路的功耗較低，穩(wěn)定性也相對比較好，攜帶也比較方便。此處我們選用5V1A的直流輸出型電源適配器作為電源驅(qū)動模塊。通過該穩(wěn)壓芯片的內(nèi)部整流和穩(wěn)壓電路對輸出電壓進行精確的降壓，保證控制系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。 接收部分對于接收部分總體思路的設(shè)計，首先對nRF24L01模塊進行初始化操作，然后程序進入while(1)大循環(huán)函數(shù)進行掃描是否有接收中斷信號的到來。圖45 發(fā)射部分總體流程圖 圖46 接收部分總體流程圖 部分軟件設(shè)計 傳感節(jié)點溫濕度檢測的軟件設(shè)計為了確保通信數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，對于DHT11溫濕度檢測傳感器軟件設(shè)計的測溫原理必須遵循標(biāo)準(zhǔn)的單總線通信協(xié)議，單片機通過標(biāo)準(zhǔn)的時序?qū)懭牒妥x出DHT11寄存器中的數(shù)據(jù)，包括初始化命令、等待應(yīng)答脈沖、發(fā)送指令及數(shù)據(jù)合并計算等操作。如此反復(fù)，完成所有操作，其流程圖如圖41所示。從機的nRF24L01模塊需要通過配置SPI的總線將使其進入準(zhǔn)確的發(fā)送工作模式。其軟件的工作流程圖如圖42所示。然后等待從機所發(fā)送數(shù)據(jù)的到來。其工作流程圖如圖43所示。PBPBPB9分別為LCD12864液晶顯示的CS、SID、CLK，通過串行時鐘與數(shù)據(jù)指令發(fā)送相應(yīng)函數(shù)，依次在LCD上顯示當(dāng)前時間、主機房間的實時溫濕度、從機一及從機二的實時溫濕度，其流程圖如圖44所示。第二步： 將主機系統(tǒng)與LCD12864液晶屏連接顯示，確保液晶顯示與STM32單片機能夠正常進行數(shù)據(jù)顯示。第四步： 將nRF24L01模塊與STM32單片機相連，給單片機寫入一個發(fā)送任意數(shù)據(jù)的檢測程序，保證主從機能