【正文】 鉆孔布線、搭建網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)。隨著微處理器以及微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字設(shè)備以其抗干擾、功耗低、便于微處理器控制的特點(diǎn)，逐漸成為測(cè)控系統(tǒng)中的主流。 溫濕度傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 在后工業(yè)化時(shí)代，信息技術(shù)對(duì)社會(huì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步起了決定性作用，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。從 20 世紀(jì) 80 年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國(guó)等西方國(guó)家也將此技術(shù)列為國(guó)家科技和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。 21 世紀(jì)是人類全面進(jìn)入信息電子化的時(shí)代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一的傳感器技術(shù)必將得到較大的發(fā)展 [4]。水銀溫度計(jì)至今仍是各種溫度測(cè)量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。代替它的有酒精溫度計(jì)和金屬簧片溫度計(jì)，它 們雖然沒(méi)有毒性，但測(cè)量精度很低。如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達(dá)六、七百度。近年發(fā)展起來(lái)的有 PN 結(jié)測(cè)溫器件。但它的缺點(diǎn)是一致性差、不易做到互換，而且 PN 結(jié)易受外界幅射的影響，穩(wěn)定性難以保證。光纖傳感器技術(shù)是本 世紀(jì) 70 年代末發(fā)展起來(lái)的一門嶄新的技術(shù)，已開(kāi)發(fā)了開(kāi)關(guān)式溫度檢測(cè)器、輻射式溫度檢測(cè)器等多種實(shí)用型的品種 [5]。1 ℃ 以內(nèi)，測(cè)溫范圍可以從絕對(duì) 0～ +2021℃ 。2%RH。根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化控制的需要，國(guó)內(nèi)外正在開(kāi)展新一代濕度傳感器的研制與開(kāi)發(fā)。因此，今后一個(gè)時(shí)期傳感技術(shù)將成為人們研究的新熱點(diǎn)，并有可能形成較大產(chǎn)業(yè)。為了提高測(cè)控精度，必須使傳感器的精度盡可能地高；小型化。研究多功能集成傳感器是傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。一種是將傳感器、放大器及溫度補(bǔ)償電路等集成在同一芯片上，減小體積，增強(qiáng)了抗干擾能力。例如溫濕度一體化傳感器，一個(gè)芯片可同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度；數(shù)字化。這種傳感器一般是計(jì)算機(jī)與傳感器相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。智能傳感器的出現(xiàn)將是傳感技術(shù)中的一次飛躍。藍(lán)牙技術(shù)特點(diǎn)為傳輸距離較短，系統(tǒng)成本高，集成度大，節(jié)點(diǎn)少。紅外線數(shù)據(jù)通信充分體現(xiàn)了移動(dòng)終端所要求的小體積、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，其最大的缺點(diǎn)就是只能兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通信，限制了它的應(yīng)用范圍。 UWB 技術(shù)哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 4 實(shí)現(xiàn)了低功耗條件下的高速率傳輸，但目前只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，欠缺組網(wǎng)能力，而且其產(chǎn)品化還處于起步階段，并沒(méi)有得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。 具有帶寬高（ 2Mbps），雙向傳輸，抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)（短距離無(wú)線技術(shù)范圍），耗電少的優(yōu)點(diǎn)，用于無(wú)線鍵鼠等室內(nèi)場(chǎng)合 [7]。同時(shí)許多公司也相繼推出基于 nRF24L01 的無(wú)線傳輸模塊。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。接收時(shí)，工作電流只有 ，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑 模式 )使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于氣象和地理研究，土壤空氣變更監(jiān)視、珍稀瀕臨野生動(dòng)植物種群追蹤研究、地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化測(cè)量研究等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事科技及民防國(guó)防、自然生態(tài)環(huán)境觀測(cè)、古建筑及文物保護(hù)、災(zāi)害預(yù)警及災(zāi)難救援、健康監(jiān)測(cè)及醫(yī)療護(hù)理、工業(yè)自動(dòng)控制與檢測(cè)、空間探索、智能家居、智能交通流量監(jiān)控、智能電力系統(tǒng)、 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及水利等諸多領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用前景和潛在的市場(chǎng)研發(fā)價(jià)值。其理論研究一直是國(guó)際信息領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)，其應(yīng)用研究更是成為各大無(wú)線傳感器產(chǎn)品生產(chǎn)廠商的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用 STC89C52 單片機(jī)，利用溫度傳感器 DS18B濕度傳感器 HS1101 進(jìn)行溫濕度測(cè)量，并通過(guò)LCD1602 顯示，如若溫濕度超過(guò)設(shè)定上下限利用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。 (2) 將測(cè)量到的溫、濕度通過(guò)液晶屏顯示。 (4) 實(shí)現(xiàn)溫度、濕度超限報(bào)警功能。通過(guò)無(wú) 線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)在檔案室不同地點(diǎn)的溫度、濕度檢測(cè)并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊上傳到上位機(jī)?！?； 測(cè)濕精度： 177。 D S 1 8 B 2 0 溫 度 傳 感 器H S 1 0 1 1 濕 度 傳 感器N E 5 5 5晶 振 電 路復(fù) 位 電 路A T 8 9 C 5 2R n f 2 4 L 0 1 無(wú) 線 發(fā) 送模 塊L C D 1 6 0 2 顯 示蜂 鳴 器 報(bào) 警 圖 21 系統(tǒng)組成框圖 將數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 采集得到的數(shù)據(jù)和濕度傳感器 HS1101 采集 到的 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī) AT89S52 的信號(hào)輸入端口。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 6 元器件的選擇 單片機(jī)的選擇 STC89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程， 亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié)RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 單片機(jī)實(shí)物圖如圖 21 所示。 圖 22 單片機(jī)實(shí)物圖 表 21 STC89C52 主要特性 主要功能特性 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8K 可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個(gè)雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率 024MHz 2 個(gè)串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個(gè)外部中斷源 共 6 個(gè)中斷源 2 個(gè)讀寫中斷口線 3 級(jí)加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 7 溫度傳感器的選擇 本設(shè)計(jì)中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件 DS18B20，是在經(jīng)過(guò)多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因： 測(cè)溫范圍為 55℃ ～ +125℃ ，測(cè)溫精度為士 ℃ ；可以通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式 。由于 DS18B20 是單總線器件，測(cè)溫時(shí)無(wú)需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡(jiǎn)化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來(lái)方便。 DS18B20 相對(duì)于其他溫度傳感器有以下幾方面特征。供電范圍 到 ，測(cè)溫范圍為 55~+125℃ ，在 10~+85℃ 內(nèi)精度為 177。DS18B20 芯片封裝結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。涉及如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)易于接受的信號(hào)，采用將 HS1101 置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被單片機(jī)所采集。 (1) 全互換性在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正 (2) 長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕 (3) 可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸 (4) 高可靠 性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性 (5) 專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu) (6) 可用于線性電壓或頻率輸出回路 (7) 快速反應(yīng)時(shí)間 相對(duì)濕度在 0%～ 100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 162pF 變到 200pF，其誤差不大于 2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5s；溫度系統(tǒng)為 ℃ 。其濕度電容響應(yīng)曲線如圖 24 所示 ， 濕度傳感器的產(chǎn)品圖片如圖25 所示， HS1101 濕度傳感器常用參數(shù)如表 22 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。 實(shí)物圖如 圖 26 所示。 表 23 NRF24L01 四種工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 發(fā)射模式 1 0 1 數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中 發(fā)射模式 1 0 1→0 停在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機(jī)模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 待機(jī)模式 1 1 0 無(wú)數(shù)據(jù)傳輸 掉電 0 本章小結(jié) 本章首先是介紹了總體方案的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)的組成框圖，系統(tǒng)的組成框圖中明確的注明了系統(tǒng)各部分使用的傳感器和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的模塊。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 11 第 3章 硬件電路的設(shè)計(jì) 微處理器 單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以 AT89S52 單片機(jī)為 基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便地運(yùn)用于測(cè)試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 STC89C52 單片機(jī)的外形結(jié)構(gòu)為 40 引腳雙列直插式封裝，其外部管腳如圖 31 所示 ， STC89C52 外部管腳如圖 31所示。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào) PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 PO 口（ Pin39～ Pin32）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P1 口（ Pin1～ Pin8）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P2 口（ Pin21～ Pin28）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P3 口（ Pin10～ Pin17）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 晶振電路 MCS51 單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器， 引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。 復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，例如復(fù)位后 PC=0000H，使單片機(jī)從第一個(gè)單元取指令。硬件電路如圖 32 所示。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù) 器 2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。減法計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)溫度寄存器的值將加 1，減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器 1 重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循 環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度 [12]。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。 DS18B20 有 4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： 光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20 的目的。 表 31 為不同溫度對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)。 配置寄存器：該字節(jié)各位的意義如表 32所示。在 DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動(dòng)。另一種是寄生電源供電方式，單片機(jī)端口接單線總線。 DS18B20 與單片機(jī)接口電路如圖 36 所示，圖中， DS18B20 的 I/O 端口 DQ 通過(guò)一個(gè) 的外部上拉電阻與單片機(jī)連接。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 16 圖 36 DS18B20 與單片機(jī)接口電路 濕度采集電路設(shè)計(jì) HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。 NE555 是一個(gè)能產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動(dòng) 電路可達(dá) 200mA。其工作電壓范圍為： ≤ CCV ≤16V 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 17 圖 37 HS1101 和 NE555 連接電路 把 HS1101 和 NE555 同時(shí)接入電路中的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖 36 所示。 當(dāng)電源接通時(shí)，由于 6 和 2 端的輸入為 “0”，則定時(shí)器 3 腳輸出為 “1”；又由于 XC 兩端電壓為 0，故 CCV 通過(guò) R4 和 R5 對(duì) XC 充電，當(dāng) XC 兩端電壓達(dá)到 3/2 CCV 時(shí)，定時(shí)電路翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)?“0”.此時(shí) 555 定時(shí)器內(nèi)部的放電BJT 的基極電壓為 “1”，放電 BJT 導(dǎo)通，從而使電容 XC 通過(guò) R3 和內(nèi)部放電BJT 進(jìn)行放電，當(dāng) XC 兩端電壓降低到 3/CCV 時(shí)，定時(shí)器又翻轉(zhuǎn)，使輸出變?yōu)?“1”，內(nèi)部放電 BJT 截止， CCV 又開(kāi)始通過(guò) R4 和 R5 對(duì) XC 充電，如此周而復(fù)始，形成振蕩 [14]。當(dāng)外界濕度變化時(shí)， HS1101 兩端電容值發(fā)生改變，從而改變定時(shí)電路的輸出頻率。空氣濕度通過(guò) 555 測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，典哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 18 型頻率濕度關(guān)系如表 33 所示（參考點(diǎn)： 25℃ ，相對(duì)濕度： 55%，輸出頻率： 6660Hz） [15]?？梢酝ㄟ^(guò)微處理器采集 555 芯片的頻率，經(jīng)