基于單片機糧倉溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng).doc

攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要摘 要溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)是通過溫、濕度傳感器對糧倉環(huán)境溫、濕度信號實時、精確的采集，并通過數(shù)字顯示出來。再把信號通過單片機和無線通信模塊傳到終端機實現(xiàn)監(jiān)控。當糧倉的溫濕度超過或低于設(shè)置的上下限時，系統(tǒng)發(fā)出警報并采取控制措施，讓倉庫內(nèi)的溫濕度始終穩(wěn)定在安全溫濕度范圍內(nèi)，從而對倉內(nèi)溫濕度實現(xiàn)檢測及控制。本設(shè)計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；由此簡要介紹系統(tǒng)的整個組成和系統(tǒng)工作原理：二是進行智能傳感器的硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計；包括傳感器的靜動態(tài)特征介紹，采用數(shù)字傳感器檢測時序、檢測原理、檢測電路以及檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計。三是單片機及通信接口的硬件電路及軟件系統(tǒng)設(shè)計；還包括無線通信技術(shù)，通信協(xié)議，數(shù)據(jù)收發(fā)芯片的介紹。關(guān)鍵詞 單片機，數(shù)字溫濕度傳感器，無線通信。III攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） ABSTRACTABSTRACTTemperature and humidity wireless monitoring system is through the temperature, humidity sensor on the granary environment temperature, humidity signal in real time, accurate collection, and through the digital display. Then the signal through the single chip and wireless communication module to realize the monitor terminal. When the temperature and humidity of granary is above or below the setting of limits, alarm and control measures, make the temperature and humidity in the warehouse has stabilized at safe temperature and humidity range, so as to realize the detection and control of temperature and humidity in the warehouse. This design mainly do the following aspects of work: The first is to determine the systems overall design scheme; the entire system components and work principle of the system is introduced briefly: The second is hardware circuit and software design of intelligent sensor; including static and dynamic characteristics of the sensor, the digital sensor detection time, detection principle, detection circuit and system software design. The third is the hardware circuit and software design of single chip computer and communication interface; also includes a wireless communication technology, communication protocol, data transceiver chip introduction.Keywords：Single chip microcomputer, digital temperature and humidity sensor, wireless communication.攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 目錄目錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1選題背景及發(fā)展現(xiàn)狀11.2系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容12 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案32.1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架32.2系統(tǒng)方案選擇及確定32.2.1傳感器的選擇32.2.2 無線通信技術(shù)的選擇43 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計73.1系統(tǒng)硬件的組成73.2數(shù)據(jù)采集硬件電路設(shè)計73.2.1數(shù)字濕度傳感器DHT1183.2.2單片機AT89C51113.2.3報警電路、晶振電路、復(fù)位電路、顯示電路153.3無線通信電路設(shè)計163.3.1 NRF24L01芯片概述163.3.2NRF24L01的引腳功能及描述173.3.3 NRF24L01的工作模式及工作原理173.3.5 NRF24L01的應(yīng)用電路204 系統(tǒng)軟件設(shè)計214.1系統(tǒng)軟件設(shè)計整體框架214.2單片機控制溫濕度傳感器214.3無線傳輸程序設(shè)計224.3.1無線接收224.3.2無線發(fā)送235 結(jié)果分析256總結(jié)26參考文獻27附錄A：程序清單29附錄B：電路原理及結(jié)果圖63致 謝65攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論1 緒論1.1選題背景及發(fā)展現(xiàn)狀1.選題背景我國是一個農(nóng)業(yè)大國，糧食產(chǎn)量、存儲、消耗均屬世界首位。從糧食收獲到加工，從糧食加工成產(chǎn)品到消費者手中，這期間經(jīng)過非常復(fù)雜的物流過程，而糧食的儲存過程顯得非常重要。儲糧環(huán)境的好壞，關(guān)系到糧食品質(zhì)安全。不良的環(huán)境可以使得糧食生蟲、酸變和發(fā)霉，還破壞了糧食的口感和新鮮度，從而導(dǎo)致糧食的損失。最能影響糧食變質(zhì)的最主要因素之一是糧食的水分含量。而影響糧食的水分的兩個重要的環(huán)境因素便是溫度和濕度。那么溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng)在儲糧過程中有著極大的使用價值。另外隨著傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化也隨著不斷推進和完善。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的使用越來越廣。2006年，澳大利亞CSIRO研究中心開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能農(nóng)場，利用網(wǎng)絡(luò)和GPS定位設(shè)備監(jiān)視和了解奶牛的行為，建立在不同環(huán)境下的擬牛行為模型。2007年，美國Grape Networks為加州中央谷地區(qū)的農(nóng)業(yè)配置了“全球最大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”。在我國，北京市科委計劃項目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”正式把農(nóng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示范應(yīng)用于溫室蔬菜生產(chǎn)中。2.溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀糧庫庫房的溫濕度檢測從采用人工檢測和控制，到遠程監(jiān)控有線控制，再到現(xiàn)在的無線監(jiān)控。溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)類型隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展而增多。首先溫濕度傳感器，現(xiàn)在普遍是選用數(shù)字傳感器，溫濕度的無線監(jiān)控系統(tǒng)可選用溫度傳感器如DS18B2與濕度傳感器如HS1101分別測溫度和濕度，也可用測溫濕度集為一體的溫濕度傳感器如DHT11、SHT11來同時檢測溫濕度。其次是無線傳輸方式，糧倉溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)的通信屬于短距離的數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)在使用的短距離無線傳輸方式有：ZigBee、紅外線、藍牙、3G、WIFI等。各種溫濕度傳感器、單片機和無線通信方式的組合，將配置出多種形式溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)，滿足農(nóng)業(yè)對各種不同溫濕度的監(jiān)控需求。1.2系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容本文設(shè)計的是基于單片機AT98C51的溫濕度無線檢測和控制系統(tǒng)，主要通過設(shè)計硬件電路和軟件程序的完成系統(tǒng)的設(shè)計。硬件主要部分包括溫濕度傳感器DHT11、控制芯片AT89C51和無線通信芯片NRF24L01.。軟件主要包含溫濕度數(shù)據(jù)采集預(yù)處理和數(shù)據(jù)無線發(fā)送和接收兩方面的設(shè)計。1、 硬件設(shè)計部分：熟悉硬件的功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，完成個硬件之間的接口電路的設(shè)計；主要有傳感器與單片機之間的接口電路和單片機與無線通信模塊的接口電路。二、軟件設(shè)計部分：(1)溫濕度數(shù)據(jù)采集及處理程序的設(shè)計；(2)無線數(shù)據(jù)發(fā)送程序的設(shè)計；(3)無線數(shù)據(jù)接收程序的設(shè)計；(4)串口程序的設(shè)計。65攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案2 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案2.1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖2.1所示： 主控制 糧倉鍵盤上下線輸入溫濕度傳感器單片機主控無線發(fā)送模塊無線接收模塊單片機從機LED及上位機顯示報警采取措施 圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2.2系統(tǒng)方案選擇及確定2.2.1傳感器的選擇 1.溫濕度傳感器溫度傳感器根據(jù)輸出信號的不一樣可分為：數(shù)字溫度傳感器和模擬溫度傳感器。模擬溫度傳感器大致又分集成模擬溫度傳感器傳統(tǒng)和模擬溫度傳感器兩種。當下，溫度傳感器的一個發(fā)展的趨勢，一是從模擬式向數(shù)字式，二是從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化。智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。而現(xiàn)在對環(huán)境溫濕度的測量集為一體。先前濕度測量采用最簡單的濕度傳感器是濕敏元件，隨后是集成濕度傳感器，現(xiàn)在是單片智能化濕度/溫度傳感器。2.溫濕度傳感器的選擇本系統(tǒng)選用DHT11作為溫濕度傳感器。DHT11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,通過單片機等微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。DHT11與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個I/O口。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40Bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機，數(shù)據(jù)采用校驗和方式進行校驗，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。DHT11功耗很低，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。該濕度傳感器的濕度測量范圍為2090RH ，濕度分辨率為1RH 8位，采樣周期為1S，且采用單總線結(jié)構(gòu)，不僅滿足對糧倉濕度檢測的要求，且使用方便。 2.2.2 無線通信技術(shù)的選擇1.無線傳感網(wǎng)絡(luò)簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種綜合了計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信和分布式信息處理技術(shù)等的全新的獲取信息的平臺，由多個傳感器節(jié)點組成。這些節(jié)點有傳感、數(shù)據(jù)處理能力和無線通信功，并且其功耗低、體積小和成本低的特點。通過這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，能夠?qū)崟r采集和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的所要監(jiān)測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，這些信息通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給用戶終端，從而形成了一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成。數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換主要由數(shù)據(jù)采集模塊負責；節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)和傳感器采集的數(shù)據(jù)的儲存和處理由數(shù)據(jù)處理模塊的管理；網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點的控制信息交換由無線通信模塊控制負責控制；收發(fā)采集數(shù)據(jù)和無線通信時，給節(jié)點運行所需要的能量由電源模塊提供，一般使用電池供電。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有的主要特點有：(1)節(jié)點體積小、數(shù)量大、成本低；(2)節(jié)點通信距離短，需要使用多跳路由；(3)傳感器節(jié)點具有自適應(yīng)性；(4)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。 2.幾種常見的短距離無線通信技術(shù)傳統(tǒng)的多點分布式溫、濕度測量系統(tǒng)多采用有線傳輸方式。而采用有線傳輸時，現(xiàn)場需要進行大量布線，這給系統(tǒng)的布設(shè)、維護和更新升級等帶來了諸多不便。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)的引入避免了上述有線系統(tǒng)的諸多不便。目前，常見的短距離無線通信技術(shù)大致有：紅外技術(shù)（IrDA）、IEEE802.11b（Wi-Fi）、ZigBee技術(shù)、藍牙技術(shù)、和無線單片技術(shù)。(1) 、紅外技術(shù)（IrDA）紅外技術(shù)，是一種利用紅外線實現(xiàn)點對點通信的技術(shù)。在小型移動設(shè)備（如PDA、手機等）上廣泛使用。其優(yōu)點在于無需申請頻段的使用權(quán)，這使得采用紅外通信成本低。并且采用紅外通信還有功耗低、連接方便、簡單易用這些優(yōu)點。但視距傳輸方式是IrDA的不足之處，采用紅外通信需要兩個相互通信的設(shè)備之間必須對準，中間不能被其它物體阻隔，因而該技術(shù)并不適合大的工業(yè)控制領(lǐng)域。(2)、ZigBee技術(shù)ZigBee技術(shù)，是目前在部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)過程中最具應(yīng)用潛力的技術(shù)之一。ZigBee是一種以低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。開發(fā)符合ZigBee技術(shù)標準的射頻系統(tǒng)芯片難度大，且只是提供一個簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示功能，通信距離僅為100m左右，而且實際傳輸速率低（不超過10kbps），這與ZigBee協(xié)議提供的最大傳輸速率（250kbps）相比，有著數(shù)量級的差別，難以實現(xiàn)實時環(huán)境監(jiān)測。另外采用ZigBee技術(shù)通信，其穿透性弱，易受障礙物的影響。再則其產(chǎn)品價格相對昂貴。(3)、IEEE802.11b（Wi-Fi）技術(shù)IEEE802.11b技術(shù)標準是無線局域網(wǎng)的國際標準，該標準最初是以適用于大型辦公室或業(yè)務(wù)園區(qū)為設(shè)計目標的，可支持10到100個接入點，是一種高性能的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。具有安全性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點，但是實現(xiàn)起來成本較高。(4)、藍牙技術(shù)藍牙技術(shù)，是一種采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快調(diào)頻和短包技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)。支持點對點及點對多點通信，工作在2.4GHZ ISM頻段，其數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps。另外藍牙技術(shù)支持語音傳輸，并且本身具有糾錯機制，因而可靠性高。但藍牙設(shè)備有以下幾個缺點，一是通信距離較短，一般發(fā)射范圍為10m；二是通信協(xié)議復(fù)雜、組網(wǎng)規(guī)模小，不適合工業(yè)控制；三是其產(chǎn)品昂貴。(5)、無線單片技術(shù)無線通信技術(shù)與單片機技術(shù)的結(jié)合使用技術(shù)稱為無線單片技術(shù)；這種無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和獨立工作的無線通信的無線片上系統(tǒng)將性能高、成本低的單片機與射頻收發(fā)芯片集成為一體；該系統(tǒng)具有價格低廉、功耗極低、體積較小。此系統(tǒng)的工作原理是利用單片機將檢測到的信號發(fā)送給無線射頻收發(fā)芯片，使無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和無線通信的工作更加簡單化，并且容易開發(fā)。相對于ZigBee和藍牙技術(shù)來說，無線單片技術(shù)的通信協(xié)議更為簡單。用戶操作簡單，而且集成芯片的外設(shè)少、成本低、功耗低、干擾少。本系統(tǒng)就是采用無線單片技術(shù)實現(xiàn)無線通信。3.無線射頻收發(fā)芯片的選擇在整個無線通信模塊中無線射頻芯片屬于核心部件，整個無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能、成本和開發(fā)周期都與無線射頻芯片選擇誰否正確相關(guān)。選擇正確的射頻芯片可以盡量避免系統(tǒng)在研發(fā)過程走彎路，減少開發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市的速度。根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)的所要達到的要求，應(yīng)該選用功耗低、接口簡單、成本低、集成度高、體積小、抗干擾能力強、外圍元件少、開發(fā)方便、兼容性強的無線射頻收發(fā)一體芯片。此次設(shè)計的基于單片機的糧倉溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)選擇nRF2401型單片射頻收發(fā)芯片,該模塊由挪威(Nordic)公司生產(chǎn)的nRF24L01及其外圍電路組成的。nRF24L01作為單片射頻收發(fā)芯片，其工作于2.42.5GHz世界通用ISM頻段，工作電壓為1.9至3.6V?？赏ㄟ^SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達10Mbit/s，數(shù)據(jù)傳輸速率最快可達2Mbit/s，并且具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能。芯片融進了增強式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該芯片功耗低，6dBm功率發(fā)射時，工作電流9mA，接收時工作電流只有12.3mA，可選擇的掉電模式和空閑模式使其應(yīng)用設(shè)計更為方便。模塊中nRF24L01和MSP430F149通過MOSI、MISO和SCK組成SPI接口，單片機接32.768KHz的低頻晶振工作，nRF24L01外接晶振為16MHz，由低速的單片機控制高速收發(fā)的射頻芯片。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件的組成溫濕度數(shù)據(jù)采集、單片機數(shù)據(jù)接收處理、無線收發(fā)及微機數(shù)據(jù)顯示四個功能模塊構(gòu)成了溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)。單片機是數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊的核心部件，是溫濕度數(shù)據(jù)接收和傳遞的中介，而單片智能化溫濕度傳感器作為從機加上數(shù)據(jù)無線發(fā)送模塊。數(shù)據(jù)無線接收?？旌蛦纹瑱C組成主控制。系統(tǒng)硬件組成框圖如下圖3.1所示： 數(shù)據(jù)接收端 數(shù)據(jù)采集處理及發(fā)送端 DHT11NRF24L01NRF24L01AT89C51AT89C51LCD1602LCD1602圖3.1 系統(tǒng)硬件組成框圖 3.2數(shù)據(jù)采集硬件電路設(shè)計數(shù)據(jù)采集電路組成如圖3.2：DHT11溫濕度傳感器 單 片 機LCD1602液晶顯示 復(fù)位電路 晶振電路 圖3.2 數(shù)據(jù)采集與處理電路電路原理圖： 圖3.3 數(shù)據(jù)采集與處理電路原理圖3.2.1數(shù)字濕度傳感器DHT11 DHT11是廣州奧松有限公司生產(chǎn)的一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。通過單片機等微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。DHT11與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個I/O口。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40Bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機，數(shù)據(jù)采用校驗和方式進行校驗，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。DHT11功耗很低，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。性能指標和特性如下： 工作電壓范圍：3.5V-5.5V 工作電流 ：平均0.5mA 溫度測量范圍：050 濕度測量范圍：2090RH 濕度分辨率 ：1RH 8位 溫度分辨率 ：1 8位 采樣周期 ：1S 單總線結(jié)構(gòu) 與TTL兼容（5V） 管腳排列如下： 引腳說明： VCC：正電源 Dout： 輸出 NC ：空腳、懸空 GND ：接地 圖3.4 DHT111、DHT11電路連接說明 DHT11數(shù)字濕溫度傳感器連接方法極為簡單如圖。第一腳接電源正，第四腳接電源地端。數(shù)據(jù)端為第二腳?？芍苯咏又鳈C（單片機）的I/O口。為提高穩(wěn)定性，建議在數(shù)據(jù)端和電源正之間接一只4.7千歐的上拉電阻。第三腳為空腳，此管腳懸空不用。數(shù)據(jù)線長度短于20m時可以使用5千歐上拉電阻，大于20m時可根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻。DHTll將會在MCU發(fā)送一次開始信號后，轉(zhuǎn)換到高速工作模式，而結(jié)束低功耗工作模式，等待主機結(jié)束開始信號后，響應(yīng)信號被DHTll發(fā)送，送出測量數(shù)據(jù)，該測量數(shù)據(jù)為40位，并觸發(fā)一次采集信號，用戶可選擇讀取部分數(shù)據(jù)。DHTll是接收到觸發(fā)一次溫濕度采集開始信號才開始溫濕度測量，如果沒有接收到主機發(fā)送的開始信號，DHTll不會主動采集溫濕度。數(shù)據(jù)采集后轉(zhuǎn)換到低速工作模式。 圖3.52、DHT11數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DHT11數(shù)字濕溫度傳感器采用一個數(shù)據(jù)引腳端口實現(xiàn)輸入輸出雙向傳輸?shù)膯慰偩€數(shù)據(jù)格式。一次完整傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由40Bit（5Byte）組成。數(shù)據(jù)包括分整數(shù)部分和小數(shù)部分，詳細的數(shù)據(jù)格式如下：數(shù)據(jù)傳輸時高位先出，一次完整的傳輸，它發(fā)送的數(shù)據(jù)為40bit，。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit校驗和注：校驗和是濕度整數(shù)、小數(shù)和溫度整數(shù)、小數(shù)數(shù)據(jù)四個字節(jié)相加。傳感器數(shù)據(jù)輸出的是未編碼的二進制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含的內(nèi)容一次是濕度整數(shù)、濕度小數(shù)、溫度整數(shù)、溫度小數(shù)和校驗和；并且必須應(yīng)該分開處理這些內(nèi)容。如果，某次從傳感器中讀取如下5Byte數(shù)據(jù)： byte4 byte3 byte2 byte1 byte0 00101101 00000000 00011100 00000000 01001001 整數(shù) 小數(shù) 整數(shù) 小數(shù) 校驗和 濕度 溫度 校驗和 由以上數(shù)據(jù)就可得到濕度和溫度的值，計算方法： 濕度( humi)=byte3.byte4 =45.0 (RH) 溫度(temp)=byte1.byte2=28.0 ( ) 校驗(jiaoyan)=byte1+byte2+byte3+byte4=73(=humi+temp)(校驗正確) 注意：DHT11一次通訊時間最大3ms，主機連續(xù)采樣間隔建議不小于100ms。 3.時序傳輸1) DHT11開始發(fā)送數(shù)據(jù)流程 圖3.6主機將開始信號送出去后,DHT11將響應(yīng)信號發(fā)送出去，再拉高總線,準備發(fā)送數(shù)據(jù),每一位數(shù)據(jù)都以低電平開始發(fā)送。而此時將會延時等待20us-40us后主機才讀取DH11T回應(yīng)的信號，若DHT11響應(yīng)，且發(fā)出響應(yīng)信號，則讀取總線為低電平；如果讀取響應(yīng)信號為高電平,則DHT11沒有響應(yīng),那么需要檢查線路，看線路是否連接正確。 2) 主機復(fù)位信號和DHT11響應(yīng)信號 圖3.73) 數(shù)字0信號表示方法圖3.84) 數(shù)字1信號表示方法 圖3.83.2.2單片機AT89C511、 單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)51單片機的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。它把那些在控制中必需要用到的基本內(nèi)容都集成在面積有限的集成電路芯片上。按照其功能來劃分，它有如下功能部件組成： 微處理器（CPU）。 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。 程序存儲器（ROM/EPROM）。 一個串行口。 4個8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。 中斷系統(tǒng)。 2個16位定時器、計數(shù)器。 特殊功能寄存器（SFR）。XTAL1XTAL2PSEN88EOCCPU（運算器）（控制器）數(shù)據(jù)存儲器RAMP0P2程序存儲器ROM/EPROMP1串行口定時器/計數(shù)器中斷系 統(tǒng)特殊功能寄存器（SFR）P3ALEEAIN7.I088RESET 圖3.9 51單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)上述功能部件都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但單片機控制各種功能部件采用的是特殊功能寄存器的集中控制方式。從硬件角度來看，與MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列機，其抗干擾性能比在片外加EPROM的8031單片機強，與87C51單片機功能基本一致，但其功耗小。修改程序時可直接用+5V或+12V電源擦除，操作起來更加方便，另外其工作電壓范圍可從2.7V到6V，這樣電壓波動對該單片機的正常工作的影響比較小，而且4K的程序存儲器完全能滿足單片機系統(tǒng)的軟件要求，故選擇AT89C51單片機作為本檢測系統(tǒng)的核心部件更為理想。2.AT89C51芯片介紹掌握AT89C51單片機，應(yīng)首先認識它的引腳，并理解引腳的功能，AT89C51系列中各種型號芯片的引腳是互相兼容的。制作工藝為HMOS的51的單片機都采用40只引腳的雙列直插封裝方式，如圖3.1所示。圖3.10 AT89C51芯片管腳圖40只引腳按其功能來分，可分為如下3類：(1)電源及時鐘引腳：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc接+5V電源，Vss接地。XTALI：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。(2)控制引腳：RESET（RST）、ALE、。 RST/VPD引腳：VPD為本引腳的第二功能，當主電源發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定值的低電平時，將RST端自動接入+5V電源，那么此時該引腳作為備用電源的輸入接口，為內(nèi)部RAM提供備用電源，致使不會因外電源中斷而丟失片內(nèi)RAM的信息，保障單片機通過復(fù)位后還能正常工作。RESET（RST）是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當單片機工作時，要完成復(fù)位操作，需再此引腳加上持續(xù)時間大于24個振蕩周期（2個機器周期）的高電平時。此引腳應(yīng)為0.5V低電平。 ALE/ 引腳： 為該引腳的第二功能。，此引腳作為編程脈沖輸入端，可實現(xiàn)對片內(nèi)EPROM型單片機編程寫入。ALE為引腳的第一功能，地址鎖存允許信號輸出端口為ALE引腳，當給單片機接上電源后，并能工作正常時，ALE引腳將不斷輸出正脈沖信號。當外部存儲器被單片機訪問時，ALE輸出信號的負跳沿用于單片機發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。即使不訪問外部鎖存器，有正脈沖信號從ALE端輸出，此頻率為時鐘振蕩器頻率的1/6。 引腳：程序存儲器允許輸出控制端。在單片機訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳接外部程序存儲器的OE（輸出允許端）。 /VPP引腳：功能為片內(nèi)程序存儲器選擇控制端。當引腳為高電平時，單片機訪問片內(nèi)程序存儲器，但在PC值超過0FFFH時，即超出片內(nèi)程序存儲器的4KB地址范圍時將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當引腳為低時，單片機只訪問外部程序存儲器，不論是否有內(nèi)部程序存儲器。(3) I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為四個8位I/O口的外部引腳。P0口、P1口、P2口、P3口是3個8位準雙向的I/O口，各口線在片內(nèi)均有固定的上拉電阻。當這3個準雙向I/O口作輸入口使用時，要向該口先寫1，另外準雙向口I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)。3.單片機的中斷89C51內(nèi)含有一個串行端口中斷，兩個計時計數(shù)器中斷及兩個外部中斷及，表3.1是其中斷控制標志與中斷程序執(zhí)行的向量地址對應(yīng)列表：中斷源工作標志向量地址外部中斷0IE0 03H計時器0TF0OBH外部中斷l(xiāng)外部中斷l(xiāng)13H計時器I TFIIBH串行端口接收RIRI2311串行端口傳輸T123H 表3.1其中串行端口發(fā)送及接收信號是使用的同一個向量地址。存特殊功能寄存器TCON中的各個位與表3.1中的工作標志相對應(yīng)。設(shè)定中斷工作標志將產(chǎn)生相應(yīng)某中斷源的中斷響應(yīng)。在程序中可以根據(jù)工作標志推測出產(chǎn)生那一種中斷響應(yīng)。而向量地址是靠在8951程序內(nèi)存中最前面的用來決定各種中斷服務(wù)程序的程序進入點地址的幾個特殊的地址。向量地址會因為8951產(chǎn)生了中斷工作去執(zhí)行中斷服務(wù)程序而跳到某一固定的地址。其中8951處理串行端口的中斷可分為傳送中斷信號及接收中斷信號，傳送中斷信號時要設(shè)定TI標志，TI標志隨發(fā)送器將串行緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送出去后而設(shè)定；而接收中斷信號需要設(shè)定RI，RI標志隨接收器收到完整的1字節(jié)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)放入串行緩沖器后設(shè)定；在執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，并不會自動清除工作標志，通常在程序中必需根據(jù)TI和RI的狀態(tài)來判斷此串行端口中斷產(chǎn)生的來源，而分別執(zhí)行不同的控制程序，并將清除工作標志。3.2.3報警電路、晶振電路、復(fù)位電路、顯示電路1. 報警電路 圖3.11蜂鳴器額定電流小于30mA,其中使用三極管驅(qū)動工作，為了減少功耗采用9012晶體管。2. 晶振電路 圖3.12 晶振電路采用11.095MHz的無源晶振，微調(diào)電容大小取30PF。3. 復(fù)位電路 圖3.13RST引腳是單片機復(fù)位端，高電頻有效。在引腳端輸入至少連續(xù)兩個單片機周期的高電頻，單片機復(fù)位。使用時，在引腳與VSS引腳之間接一個10K的下拉電阻，與VCC引腳之間接一個約10F的電解電容，即可保證上電自動復(fù)位。4. 顯示電路 圖3.14液晶顯示電路顯示模塊選用1602字符型液晶模塊，內(nèi)含splc780控制器的點陣字符液晶顯示模塊HS1602，它是一種低功耗CMOS技術(shù)實現(xiàn)的字符LCD顯示模塊，有8位微處理器接口，通過內(nèi)部的808位映射DDRAM實現(xiàn)2行16個字符的顯示，1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形。3.3無線通信電路設(shè)計3.3.1 NRF24L01芯片概述nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM頻段。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,并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便10。nRF24L01主要特性如下： 1、GFSK調(diào)制，硬件集成OSI鏈路層； 2、具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能； 3、片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼； 4、數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb/s；5、SPI速率為0 Mb/s10 Mb/s；6、125個頻道與其他nRF24系列射頻器件相兼容； 7、QFN20引腳4 mm4 mm封裝；8、供電電壓為1.9 V3.6 V；3.3.2NRF24L01的引腳功能及描述 nRF24L01的封裝及引腳排列如圖所示。 圖3.15 nRF24L01封裝圖CE：使能發(fā)射或接收； CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01： IRQ：中斷標志位；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，輸出為1.8 V； ANT1,ANT2：天線接口；IREF：參考電流輸入；3.3.3 NRF24L01的工作模式及工作原理1、工作模式通過配置寄存器可將nRF24L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表3.1所示。 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TXFIFO寄存器中發(fā)射模式1010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11-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦?-表3.2 nRF24L01工作模式 待機模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；待機模式2則是在當FIFO寄存器為空且CE=1時進入此模式；待機模式下，所有配置字仍然保留。在掉電模式下電流損耗最小，同時nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 2、工作原理 發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將NRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入NRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10s，延遲130s后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動應(yīng)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(yīng)答信號（自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TXFIFO中清除;若未收到應(yīng)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，TXFIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時,若CE為低則nRF24L01進入空閑模式1;若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進入下一次發(fā)射;若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進入空閑模式。 接收數(shù)據(jù)時,首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130s進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。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RXFIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進入空閑模式1。在寫寄存器之前一定要進入待機模式或掉電模式。3.3.4 NRF24L01的配置字SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個，使用時這些控制指令由NRF24L01的MOSI輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給單片機。NRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。NRF24L01 的配置寄存器共有25個，常用的配置寄存器如表3.2所示。地址（H）寄存器名稱功能00CONFIG設(shè)置24L01工作模式01EN_AA設(shè)置接收通道及自動應(yīng)答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW設(shè)置地址寬度04SETUP_RETR設(shè)置自動重發(fā)數(shù)據(jù)時間和次數(shù)07STATUS狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài)0A0FRX_ADDR_P0P5設(shè)置接收通道地址10TX_ADDR設(shè)置接收接點地址1116RX_PW_P0P5設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度表3.3 常用配置寄存器3.3.5 NRF24L01的應(yīng)用電路 圖3.16 NRF2401 的應(yīng)用電路圖3.16為nRF24L01 的應(yīng)用電路，由圖可知，其需要外圍元件只有14個。3V是NRF2401 應(yīng)用電路的一般工作電壓。它可用多種低功耗微控制器進行控制。在設(shè)計過程中，環(huán)形天線和單鞭天線都可以供設(shè)計者選擇，圖3.16應(yīng)用電路采用的是50 歐姆的單鞭天線。在使用不同的天線時，應(yīng)適當調(diào)整電感電容的參數(shù)，可以使收發(fā)得距離盡可能增大。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計整體框架本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：溫濕度檢測模塊、無線發(fā)送/接收傳輸模塊和串口通信三個部分的軟件設(shè)計，每個部分又分成幾個小模塊。軟件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)如圖。所示： 初始化 溫濕度檢測 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)采集糧倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng) 初始化無線傳輸 無線接收 無線發(fā)送 初始化串口通信 串口接收 串口發(fā)送 圖 4.1軟件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)4.2單片機控制溫濕度傳感器在復(fù)位串口、發(fā)送“啟動傳輸”時序后，控制器向DHT11發(fā)送一條“測量溫濕度”命令，之后等待測量結(jié)束，結(jié)束標志是DHT11將DATA信號拉低。在這個過程中，控制器要不停的檢測DATA信號，直至被拉低。在讀測量值時，需要讀2個字節(jié)數(shù)據(jù)，高位在前、低位在后，最后為1個字節(jié)的CRC校驗位。通信結(jié)束后，DHT11將自動轉(zhuǎn)入休眠模式，從而減少能量消耗。 溫濕度采集與處理程序流程圖：觸發(fā)時鐘發(fā)啟動傳輸時序發(fā)溫濕度測量命令？讀相對溫濕度測量值修正相對溫濕度測量值結(jié)束 圖4.2 DHT11數(shù)據(jù)采集程序流程圖 4.3無線傳輸程序設(shè)計4.3.1無線接收接收數(shù)據(jù)時，首先將nRF24L01配置為接收模式。接著延遲進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包儲存在接收堆棧中，同時狀態(tài)寄存器中的中斷標志位RXDR置高，產(chǎn)生中斷使IRQ引腳變?yōu)榈碗娖剑员阃ㄖ狹CU去取數(shù)據(jù)，其流程圖如圖4.3所示。圖4.3 無線接收程序流程圖4.3.2無線發(fā)送首先進行初始化操作，初始化包括設(shè)置單片機IO和SPI相關(guān)寄存器兩部分其可以和nRF24L01通信。通過SPI總線配置射頻芯片使其進入正確的工作模式。發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式。接著把發(fā)送端待發(fā)射數(shù)據(jù)的目標地址TXADDR和數(shù)據(jù)TXPLD寫入nRF24L01緩沖區(qū)，延時后發(fā)射數(shù)據(jù)，其流程圖如圖4.4所示。 圖4.4 無線發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 結(jié)果分析 5 結(jié)果分析 這次糧倉溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，完成了環(huán)境溫濕度的檢測功能，但其溫濕度的測量值與實際溫度值偏高2左右，這與溫濕度傳感器的測量精度有關(guān)，DHT11的溫度測量精度為2,濕度測量精度為5%，根據(jù)這個推斷設(shè)計的系統(tǒng)在測量的溫濕度是正確的；而無線模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)發(fā)送功能，但在數(shù)據(jù)接收方面跟理論上的信息有所出入，后面下來還需從硬件和軟件方面去查找原因，找出問題的存在點并去完善。對于這次設(shè)計的系統(tǒng)還可以在對溫濕度的精確度和越限報警方面去優(yōu)化。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 總結(jié)6總結(jié)這次課程設(shè)計，讓我收獲很多。課程設(shè)計是將所學(xué)的理論知識綜合運用的一個過程?；趩纹瑱C的糧倉溫室度的無線檢測系統(tǒng)設(shè)計運用到所學(xué)課程有電力電子基礎(chǔ)、計算機網(wǎng)絡(luò)、C程序設(shè)計、單片機原理、計算機控制系統(tǒng)等。通過這次課程設(shè)計，我了解了傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的一個發(fā)展情況以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的使用價值；并知道了溫濕度傳感器、單片機、無線傳輸芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，理解其工作原理；也學(xué)會了怎樣使用溫濕度傳感器、單片機和無線傳輸芯片。這次設(shè)計對我來說，其難點是硬件電路的設(shè)計、程序的編寫及調(diào)試；但通過老師的指導(dǎo)和查閱文獻資料基本上解決了遇到的問題；而且對Multisim10、Protues、Keil和Protel-DXP這些軟件的使用更為熟練。這次設(shè)計讓我很深刻地體會到將理論知識與實踐相結(jié)合的重要性。實踐是檢查我們所學(xué)知識的深度和廣度的一種方式，也是體現(xiàn)理論知識的使用價值的一種方式。那么只有理論知識是遠遠不夠的，還必須通過實踐將其價值得到使用和升華。這次設(shè)計，不僅加深和加寬我獲得的專業(yè)文化知識，還提升我的獨立思考、查閱資料、發(fā)現(xiàn)并解決問題以及動手方面的能力。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 參考文獻參考文獻1 楊占軍，楊英杰基于無線傳輸技術(shù)的多路溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計J東北電力學(xué)院學(xué)報，2005.2 梁峰，王平，宋文杰.RFID在糧倉無線溫濕度檢測中的應(yīng)用J-測量與監(jiān)測技術(shù)技術(shù),2011.3 李智強,王艷芳. 基于GSM 的糧倉溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計J-農(nóng)機化研究,2009.4 許松琴.淺談信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用J.農(nóng)技服務(wù),2008(4):113-114.5 楊美仙.單片機的發(fā)展及其應(yīng)用J.科技信息，2009.6