基于单片机的环境参数测量系统.docx

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基于单片机的环境参数测量系统

本科毕业设计论文

基于单片机的环境参数测量系统

学生姓名：

班级：

电技091

学号：

0901030112

指导教师：

电技091

所在单位：

电气工程学院

答辩日期：

2013年06月24日

摘要

本文研究的是短距离无线通信技术在温湿度测量方面的一个具体应用，主要介绍了基于无线收发芯片nRF24E1的短距离无线多点温湿度测量系统方案的设计思想和实现方法。

系统以嵌入51单片机内核的单片射频收发芯片nRF24E1为核心，采用数字式温度传感器DS18B20及模拟式湿度传感器HM1500，应用传感技术、无线收发技术及计算机技术，实现多点温湿度数据的采集和短距离无线传输。

基于nRF24E1的无线多点温湿度测量系统主要由两大部分构成：

第一部分为系统的下位机，以一片nRF24E1无线收发芯片为核心，与多片温度、湿度传感器组成温湿度采集网络，完成多点温度、湿度数据的采集和无线发送；第二部分为系统的上位机，由一片nRF24E1无线收发芯片作为主控机，通过扩展显示、键盘、RS232等接口模块，完成温度、湿度数据的无线接收、显示和上传功能[1]。

温湿度数据的无线传输采用了挪威NordicVLSI公司的单片无线收发芯片nRF24E1。

以nRF2401芯片为核心，nRF24E1将射频收发、GMSK调制、解调、增强型8051内核、9输入12位ADC、125频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中，极少的外围电路，高频元件全部集成在芯片内部，性能稳定且不受外界电磁干扰。

温度数据的采集端采用了美国Dallas半导体公司的单总线数字式集成温度传感器DS18B20。

它具有独特的单总线接口方式，可在一条信号线上挂接数十个数字式传感器，与微处理器的接口十分简单，非常适合分布式多点温度的测量，使系统的线路结构设计和硬件开销大为简化。

利用nRF24E1内置多路A/D转换器的特点，采用法国Humirel公司的HM1500型电压输出式集成湿度传感器做为系统的湿度采集端。

HM1500湿度传感器将侧面接触式湿敏电容HS1101与湿度信号调理器集成在一个模块中，集成度高，不需要外围元件，使用非常方便[10]。

该温湿度测量系统电路简单，搭建方便，易于扩展，可靠性高，室内实际发射距离约25米，因此本系统适用于在短距离对多种环境温湿度的监测，有广阔的应用前景。

关键词nRF24E1芯片，温度传感器，湿度传感器，数据采集，无线数据传输

Abstract

Thispaperisashort-rangewirelesscommunicationstechnologyinthetemperatureandhumiditymeasuringspecificaspectsofanapplication,introducesthewirelesstransceiverchipnRF24E1basedshort-rangewirelessmulti-pointtemperatureandhumiditymeasurementsystemsolutiondesignandimplementationmethods.Systemtoembed51microcontrollercoresingle-chipRFtransceiverchipnRF24E1asthecore,theuseofdigitaltemperaturesensorDS18B20andhumiditysensorsimulationHM1500,appliedsensortechnology,wirelesstransceivertechnologyandcomputertechnology,multi-pointtemperatureandhumiditydataacquisitionandshort-rangewirelesstransmission.BasedonnRF24E1wirelessmulti-pointtemperatureandhumiditymeasurementsystemconsistsoftwoparts:

ThefirstpartofthesystemunderthecrewtoanRF24E1wirelesstransceiverchipasthecore,andmulti-chiptemperatureandhumiditysensorstemperatureandhumidityacquisitionnetwork,thecompletionofmulti-pointtemperatureandhumiditydataacquisitionandwirelesstransmission;secondpartofthesystemofthehostcomputerbyawirelesstransceiverchipnRF24E1asmaster,byextendingthedisplay,keyboard,RS232interface,suchasmodule,completetemperatureandhumiditydata,wirelessreceiver,Displayanduploadfeature.

TemperatureandhumiditydatawirelesstransmissionusingtheNorwegiancompanyNordicVLSIchipwirelesstransceiverchipnRF24E1.InnRF2401chipasthecore,nRF24E1theradiofrequencytransceiver,GMSKmodulation,demodulation,enhanced8051core,9input12ADC,125channels,UART,SPI,PWM,RTC,WDTallintegratedintoasinglechip,veryfewperipheralcircuits,high-frequencycomponentsareallintegratedintothechip,stableandfreefromexternalelectromagneticinterference.TemperaturedatacollectionterminalwithaU.S.DallasSemiconductor'sintegratedsingle-busdigitaltemperaturesensorDS18B20.Ithasauniquesingle-businterfacemode,asignallinecanbearticulatedindozensofdigitalsensorandmicroprocessorinterfaceisverysimple,verysuitablefordistributedmulti-pointtemperaturemeasurement,thelinestructureofthesystemdesignandhardwareoverheadgreatlysimplified.NRF24E1builtusingthemulti-channelA/Dconvertercharacteristics,theuseofFrenchHumirelHM1500companytypevoltage-outputtypehumiditysensorforsystemintegrationhumiditycaptureterminal.HM1500humiditysensorHS1101side-contactcapacitivehumidityandhumiditysignalconditioningisintegratedinamoduleishighlyintegrated,noexternalcomponents,easytouse.

Thetemperatureandhumiditymeasurementsystemcircuitissimple,easytosetup,easytoextend,highreliability,indooractualtransmissiondistanceofabout25meters,sothissystemissuitableforashortdistanceonavarietyofenvironmentaltemperatureandhumiditymonitoring,hasbroadapplicationprospects.

Keywords:

nRF24E1chips,temperaturesensor,humiditysensor,dataacquisition,wirelessdatatransmission

第1章绪论

1.1课题背景及研究的意义

1.1.1课题背景

温湿度是工业控制中主要的被控参数，而数据传输都是通过有线电缆实现的。

随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快，抗干扰能力也更强。

因此，许多应用采用了无线传输技术。

随着微处理器以及微电子技术的发展，数字设备以其抗干扰、功耗低、便于微处理器控制的特点，逐渐成为测控系统中的主流。

温度与湿度测量，采用比较多的是DS18B20、热敏电阻和湿敏电阻等传感器，通过ADC转换输送给控制器，很难适合一些精度要求比较高及外围电路要求简单的领域。

另外，传统的温湿度测量仪开发大部分是先按照系统的要求设计出原理图，画出PCB电路板，制作电路板和焊接元器件，然后进行软件编程，通过多次的硬件和软件调试，最后把调试好的程序固化到程序存储器。

温、湿度检测与控制技术被广泛应用于人们的日常生产和生活当中，传感器无疑是测量与控制系统中重要的组成部分。

但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆。

众多的线缆不仅带来布线复杂的不便，而且存在着短路、断线隐患，成本高、易老化，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度。

同时对于一些临时使用的传感器，搭接线缆十分不便。

因此，寻找一种便捷的、能够满足数据通信要求的无线通信技术，以解除线缆搭接复杂的困扰，成为一个亟需解决的问题。

无线通信技术与有线通信技术相比，有成本低、携带方便、不必穿墙钻孔布线、搭建网络简单快捷等优点。

特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输显得更加实用、高效、快捷。

随着微处理器以及微电子技术的发展，数字设备以其抗干扰、功耗低、便于微处理器控制的特点，逐渐成为测控系统中的主流。

本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术结合，力图以现场设备的无线化来解决由线缆带来的诸多问题。

1.1.2课题研究的意义

温、湿度是人们日常生活中接触最多的两个物理量，人们的日常生活、动植物的生存繁衍和周围环境的温湿度息息相关，石油、化工、冶金、纺织、机械制造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存储等领域对温、湿度也有着较高的要求。

例如：

烟叶和纸张是吸湿性极高的材料，卷烟生产的每一个阶段对温、湿度都有非常特别的要求，以确保所使用材料的水分，保证生产的效率和产品质量；印刷车间的温、湿度控制水平对印刷质量有很大的影响；为防止库存武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保持环境温度不能过高和干燥；而水果、种子、肉类等的保存又需要保证一定的湿度；在矿山、棉麻、塑料、粉末金属、食品生产加工等企业的生产车间（环境）中往往会产生大量的可燃或易燃粉尘，如果空气湿度过低，在一定的能量下，极易发生粉尘爆炸。

随着科学技术的发展，许多新兴产业对环境提出了更高的要求：

制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温湿度控制。

因此，对温、湿度的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术要求。

温、湿度检测与控制技术被广泛应用于人们的日常生产和生活当中，传感器无疑是测量与控制系统中重要的组成部分。

但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆。

众多的线缆不仅带来布线复杂的不便，而且存在着短路、断线隐患，成本高、易老化，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度。

同时对于一些临时使用的传感器，搭接线缆十分不便。

因此，寻找一种便捷的、能够满足数据通信要求的无线通信技术，以解除线缆搭接复杂的困扰，成为一个亟需解决的问题。

无线通信技术与有线通信技术相比，有成本低、携带方便、不必穿墙钻孔布线、搭建网络简单快捷等优点。

特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输显得更加实用、高效、快捷。

随着微处理器以及微电子技术的发展，数字设备以其抗干扰、功耗低、便于微处理器控制的特点，逐渐成为测控系统中的主流。

本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术结合，力图以现场设备的无线化来解决由线缆带来的诸多问题。

1.2温湿度传感器技术的现状及发展趋势

在后工业化时代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用，传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。

传感器技术是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。

从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。

我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。

21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展。

传统的温度测量是从金属（物质）的热胀冷缩开始。

水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。

可是它的缺点是只能近距离观测，而且有毒。

代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低。

在电气时代主要发展了金属热敏电阻。

如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七XX。

但它们的缺点是灵敏度低，当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。

近年发展起来的有PN结测温器件。

这类器件的优点是在-50℃~+150℃范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。

但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结易受外界、幅射的影响，稳定性难以保证。

石英晶体温度检测器的测量精度较高，一般可检测到

0.001℃，可作标准检测之用。

光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。

检测精度在±1℃以内，测温范围可以从绝对0~+2000℃。

国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到±2%RH。

近几年，国外湿度传感器有了较大的发展，特别是电阻式湿度传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果，这种传感器稳定性好、精度高、响应特性优，这是应当引以重视的技术动向。

根据工业自动化控制的需要，国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发。

随着大规模集成电路技术和光通信技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展，发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。

因此，今后一个时期传感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。

传感器技术未来将向以下几个方面发展：

①高精确度。

为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能地高。

②小型化。

很多测试场合要求传感器具有尽可能小的尺寸。

③多功能集成化。

研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向。

有两种类型。

一种是将传感器、放大器及温度补偿电路等集成在同一芯片上，减小体积，增强了抗干扰能力。

另一种是在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件。

例如温湿度一体化传感器，一个芯片可同时检测温度和湿度。

④数字化。

为了使传感器与计算机直接接口，致力于数字式传感器研究是很重要的。

⑤智能化。

这种传感器一般是计算机与传感器相结合的复杂系统。

它兼有检测、信息处理、推理、联想和控制等各种功能，重点是具有逻辑功能，是传统传感器无法比拟的。

智能传感器的出现将是传感技术中的一次飞跃。

1.3本课题的研究内容

本课题所研究的多点无线温湿度测量系统是短距离无线通信技术在温湿度测量方面的一个具体应用，主要研究内容包括以下几方面：

（1）选用温湿度传感器时，应重点考虑测量精度高，抗干扰能力强，稳定性好，信号易于处理、传送，便于多路测量，安装方便，维护简单，环境温度补偿容易的器件。

（2）在硬件设计时，结构要尽量简单实用、易于实现，应尽量使用各种总线技术，以节约系统有限的I/O资源，并使系统电路尽量简单。

（3）在硬件电路和软件程序设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统的稳定性。

（4）软件设计必须要有完善的思路，要充分考虑到各传感器和无线收发器的时序，做到程序简单，调试方便。

（5）通过软件设计，尽量降低无线数传的误码率。

（6）环境温度和各种随机噪声都会对温湿度数据的测量产生影响，因此需要对环境温度进行补偿和误差修正。

第2章系统方案整体设计

温湿度的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。

因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。

2.1系统方案规划

系统采用近几年来成熟的各种温湿度传感技术、短距离无线通信技术、数据处理控制技术和功能化模块来构造基本的系统功能。

系统的功能往往决定了系统采用的结构，本系统要实现的是温湿度数据的测量、存储、显示及后期处理等功能，因此，系统的总体结构可以构想为温湿度采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块等几大部分。

系统方案在温湿度数据采集部分主要有三种构想：

一是温湿度传感器选用传统的模拟式器件，二是选用集成式器件，三是选用数字式传感器；在短距离无线通信部分主要有三种构想：

一是采用蓝牙技术，二是采用红外线技术，三是选用无线数传模块；在系统控制和数据处理部分也有两种构想：

一是采用单片机控制，二是采用DSP进行处理。

2.2系统各模块设计

2.2.1传感器方案

传统的模拟式传感器具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。

但是模拟传感器的模拟信号需要先经过取样、放大和模数转换电路处理，再将转换得到的表示温湿度值的数字信号交由微处理器或DSP处理。

被测信号从敏感元件接收的非电物理量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测试装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及小型化。

而且模拟信号在长距离传输过程中，容易受到电磁干扰而导致误差产生。

在多点温湿度检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。

另外，模数转换系统的精度也不可能很高，存在一定非线性，互换性较差。

采用具有直接数字量输出的传感器能够避免上述问题。

数字式传感器能把被测模拟量直接换成数字量输出，可以直接与数字设备（计算机，计数器，数字显示系统等）相联，用微控制器、DSP或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。

它的信号原则上不受放大器和信号处理系统的温度漂移的影响，具有极高的抗干扰能力。

数字式传感器具有高的测量精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及多路测量，读数直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。

虽然存在反应速度较慢，温度测量的范围不宽的缺点，数字式传感器技术的发展仍受到人们越来越多的重视。

考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况，确定温度传感器采用数字式，湿度传感器采用电压集成式。

2.2.2短距离无线通信模块方案

蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全球众多大企业的支持。

蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。

但是蓝牙设备价格昂贵，通讯距离近，蓝牙RF定义了三种功率等级（100mw、25mw和1mw），当蓝牙设备功率为1mw时，其发射范围一般为10m。

红外线传输是使用红外线波段的电磁波来进行较近距离的IrDA具有技术成熟、体积小、功率低、传输速率高、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、保密性强、成本低廉等优点。

也存在着只能视距传输、移动时不能传输、LED易磨损等缺点。

随着大规模集成电路技术的发界上主要的芯片厂商都推出了线收发芯片。

短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。

所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。

射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全。

部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。

新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。

考虑系统的经济性、传输距离，确定该部分电路设计使用无线收发芯片。

无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。

使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。

2.2.3系统控制及数据处理模块方案

温湿度数据在采集后通常要进行数据处理，以实现测量数据的记录、显示和对测控系统的控制。

对于一般的工业测量与控制，多采用专用计算机系统进行测控。

专用计算机系统是把采集系统作为一个独立完整的功能实体，用单片机或DSP来控制整个系统。

最主要的特征是系统软、硬件规模完全根据应用系统的要求配置，独立性、可扩展性好，因此系统具有较高的性价比。

根据微处理器的不同，专用计算机应用系统可分为DSP应用系统和单片机应用系统。

DSP和单片机都是构成专用计算机系统的核心芯片，DSP主要用于复杂的数字信号处理，DSP芯片中具有各种特殊功能的计算模块，采用流水线结构，提高了DSP的运行速度。

由于DSP主要应用于高速数据处理，因此外部I/0接口比较少，不便于系