完整版基于AVR单片机的无线环境监测系统毕业设计Word文件下载.docx
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Abstract
ThisdesignUSESthehighspeed,lowpowerconsumptionATMEGA16Lasthemainchipmicrocontroller,wirelesstransceiverchipadoptnRF24L01,temperaturegatheringchipadoptSHT10,LCD12864asmonitoranduseSPIrealizetwo-waycommunicationwirelessmouthhumiditytransceivershowsthatSPIsupporthigh-speeddatatransmission,andsatisfytherfbandwidthneeds.Thissystemincorporatesdataacquisition,wirelessdatacommunication,serialcommunicationatanorganicwhole,canbeeasilyrealizedpoint-to-pointwirelessdatacommunication,becauseusethesoftwareandhardwaredesignandmoreperfectanti-disturbancemeasures,toensurethesecurityandreliabilityofthesystemworks.NRF24L01providesapowerfulfhmechanismandalotofchannelsupport,powersmall,thefunctionissimple,easytocarry,developingsimple,fast,datatransmissionspeed,stronganti-jammingcapability,canbeusedinmanyspecialoccasions,abroadmarketapplicationvalue.
keywords
ATMEGA16L;
NRF24L01;
SHT10;
LCD12864;
Wirelesscommunication
附录1…………………………………………………………………………………………………………………………………………….27
附录2…………………………………………………………………………………………………………………………………………….30
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第一章前言
1.1课题研究的背景
在许多测控现场中，传统的数据传输是通过有线电缆实现的。
随着射频技术、集成电路的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速率也越来越快，抗干扰能力也越来越强，因此，越来越多的场合采用了无线传输技术。
无线数据传输相比于有线传输有许多优点，首先是成本低，省去了大量的布线；
其次是建网快捷，只需在每个终端连接无线数传模块和架设适当高度的天线即可；
再次是适应性好，无线数据传输在一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候,能解决因布线困难、电缆接插件松动、短路等带来的问题；
第四是扩展性好，采用有线传输方式，不能随意移动，设备重新布局就要重新布线，但采用无线数据传输，只需将设备与无线数传模块相连接就可以了；
最后是设备维护容易，有线通信链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故障时则能快速找出原因。
目前应用于数据传输的无线通信技术主要有蓝牙（Bluetooth），无线局域网（WLAN）802.11b，微功率超短波无线通信以及基于公用移动通信网络（GSM,CDMA）的传输方式。
但在上述无线数据传输技术中，基于802.11b的无线局域网WLAN、蓝牙，因其硬件设计、接口方式、通信协议及软件堆栈复杂，需专门的开发系统，开发成本高、周期长，最终产品成本也高，在工业领域中并未得到广泛的应用。
基于公用移动通信网络（GSM、CDMA）的无线数据传输方式，虽开发容易，但运营费用高。
而普通射频芯片就不存在这些问题，加之短距离无线数据传输技术成熟，功率小，功能简单，携带方便，开发简单快速，使得其在嵌入式短程无线产品中得到广泛的应用。
蓝牙（bluetooth）是一种短距离无线通信技术。
它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。
其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离（目前大功率的蓝牙芯片已经可以达到100m的覆盖范围）。
它采用跳频扩频FHSS（FrequencyHoppingSpreadSpectrum）技术，具有非常可靠的语音和数据传输能力，蓝牙芯片体积小、功耗低、其应用越来越广泛。
但蓝牙芯片价格较为昂贵、传输距离较短、蓝牙技术尚无国际标准。
IEEE802.11b是目前无线局域网（WLAN）的国际技术标准。
工作在2.4GHZ的ISM频段，速率最高可达11Mb/s，电波的覆盖范围可达100m左右。
它采用直接序列扩谱DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum）技术，增强了抗干扰能力。
802.11b无线网络的最大优点是兼容性，用它来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快。
目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。
微功率无线通信技术一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上少量的外围元器件和微控制器构成无线通信模块。
工作于ISM频段，即使用户对其工作机制没有较深了解，也可实现数据的无线传输功能。
因其功率小，投资小，开发简单快速而应用广泛。
基于公用移动通信网络（CDMA、GSM）的短消息系统、通用分组交换业务（GPRS）等数据业务进行数据传输。
其优点是：
网络覆盖广，易组成网络；
通信距离远、通信稳定可靠，抗干扰能力强；
在此通信平台上的开发简单易行。
特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输。
但是，采用这种无线数据传输的方式，目前的技术下数据的传输速率较低，此外还需支付高昂的通信费用。
在上述无线数据传输技术中，基于802．11b的无线局域网WLAN、蓝牙（bluetooth），因其硬件设计、接口方式、通信协议及软件堆栈复杂，需专门的开发系统，开发成本高、周期长，最终产品成本也高，在工业领域中并未得到广泛的应用。
1.2开发的意义
今天我们已经进入了一个无线技术无所不在的时代。
在家中，使用便利的无线电话；
出门在外使用手机与远方的亲人通话、发短消息；
开车，GPS系统为我们导航指路；
工作，使用无线网卡可以随时随地地进行网上办公等等。
随着我国社会经济的发展，现代监控技术也越来越多的运用到了生态环境监测中。
它具有向自动化、智能化、网络化、低功耗、小型化方向发展的趋势，采用自动化监控可以节约大量的人力资源，克服人力测量的效能低，精度不足等缺点。
目前用于监控系统的通信方式也是多种多样，主要有有线通信方式和无线通信方式，由于生态环境的分散性和广域性，采用有线或者人工的方式进行监控都将花费大量的人力，物力，因此无线通信技术越来越受到人们的关注。
基于GPRS的无线监控系统就是目前比较流行的无线监控管理系。
随着技术的进步，无线通信和无线网络将迅速地向我们日常生活中的各个方面扩展，不久的将来我们大部分的电子产品都将是无线并可随时在线的，一个无线社会很快就将成为现实，并将深刻改变人们的生活方式。
因此研究无线通信技术有着很重要的意义。
本文通过对无线数据传输系统模型的研究，提出了一种基于无线模块nRF24L01和ATMEGA16L单片机的无线数据通信系统的总体设计方案，通过对环境参数的测试、处理、以及对无线通信传输等模块的设计真正掌握了无线通信技术的使用方法，为以后从事无线产品的开发打下了坚实的基础。
既具有有线方式的效率高、实时性好、成本低的优点，同时安装方便、可维护性好、易实现网络化管理。
第二章系统设计
2.1系统的总方框设计
本设计是基于AVR单片机实现的无线环境监测装置，主机就是利用单片机外加无线接收模块，液晶显示LCD12864构成的；
从机是由单片机，温度采集模块，无线发送模块组成。
该系统主要完成SHT10、LCD12864、无线射频收发器nFR24L01、串口和单片机的硬件连接，温湿度传感器SHT10进行测量室外的温湿度，无线发送模块由射频收发器nFR24l01将采集到的温湿度值发送给主机，从而实现了无线发送数据的功能；
将采集的温度值送字符型液晶显示器LCD12864上显示；
完成PC机串行通信及数据处理显示的功能；
系统总设计方框图，如图2-1所示：
图2-1系统总方框图
2.2系统的硬件选择
该系统的无线数据传输模块是基于微功耗单片射频收发芯片nRF24l01设计,采用Atmel公司的高性能、低功耗8位处理器ATMEG16L为主处理芯片，完成数据的处理和控制。
无线环境传输装置是由多个器件组成，其选择如下：
2.2.1单片机的选择
由于无线收发芯片nRF24l01提供SPI口并且工作电压为1.9—3.6V，因此选用有SPI接口功能的低功耗单片机。
ATMEGA16L有工作于主机/从机模式的SPI串行接口，所以不需要进行软件模拟SPI口，可工作于低压状态，工作电压为2.7-5.5V。
ATMEGA16L是Atmel公司的高性能、低功耗的8位AVR微处理器。
先进的RISC结构，非易失性程序和数据存储器，16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命10000次，512字节的EEPROM擦写寿命100000次，1K字节的片内SRAM可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。
JTAG接口，符合JTAG标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能，通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。
两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，具有独立振荡器的实时计数器RTC。
四通道PWM，8路10位ADC8个单端通道，TQFP封装的7个差分通道，2个具有可编程增益（1x，10x，或200x）的差分通道。
面向字节的两线接口，两个可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。
上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC振荡器，片内/片外中断源。
6种睡眠模式，空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。
AVR单片机还支持Basic、C等高级语言编程。
采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势。
对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植,并加快软件的开发过程。
在AVR系列单片机中，ATmega16L是一款中档功能的AVR芯片，它的引脚数为40，在片内集成了1K字节的SRAM、16K字节的Flash、512个字节的EEPOM，2个8位、1个16位共3个超强功能的定时器/计数器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（12C）、片内高精度RC振荡器等多功能的接口和特性，较全面的体现了AVR的特点，不仅适合对AVR了解和使用的入门起步学习，同时也满足一般的普通应用，在产品中得到了大量的使用。
因此本系统采用ATmega16l作为主控芯片。
2.2.2无线收发芯片的选择
随着射频电子技术的发展，无线收发芯片的集成度、性能都大幅度提高，芯片的种类和数量比较多，性能也各有特色。
本系统的无线数据传输芯片是应用Nordic公司的无线数字传输芯片nRF24L01，nRF24L01集无线收发于一体，芯片工作在2.4GHz自由频段，能够在无线市场畅通无阻。
nRF24l01具有以下优点：
（1）有126频道，可以满足多点通信和跳频通信需要；
（2）最高传输速率速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；
（3）内置硬件CRC纠检错和点对多点通信地址控制，提高了系统的可靠性，且不再需要用软件对传输数据进行差错控制编码，简化了软件编程
（4）低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下状态为22uA；
掉电模式下为900nA；
（5）模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便；
（6）内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果；
（7）标准DIP间距接口，便于嵌入式应用；
（8）工作于EnhancedShockBurst具有Automaticpackethandling，Autopackettransactionhandling，具有可选的内置包应答机制，极大的降低丢包率。
采用DuoCeiverTM技术使nRF24L01可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。
只需少量外围元件便可组成射频收发电路，nRF24L01没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。
该系统使用灵活、成本低廉，可方便地嵌入到测试系统中。
本论文设计的数据采集系统通过无线收发模块传输现场采集数据，对数据传输的可靠性要求较高。
综合考虑以上因素，采用nRF24L01为无线收发模块。
引脚如下图2-2所示：
图2-2nrf24L01引脚图
2.2.3温度传感器的选择
随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列，这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。
在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：
外围电路应该尽量简单；
测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；
温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；
占用MCU的I/O引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；
与MCIJ的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。
本系统采用数字温湿度传感器SHT10。
SHT10是由瑞士Sensirion公司推出的SHTxx系列单芯片数字温湿度传感器之一。
SHTxx系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专利的工业COMS过程微加工技术（CMOSens.），确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。
因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个SHTxx传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
该芯片的应用领域特别广泛，如:
数据采集器、变送器、自动化过程控制、汽车行业、楼宇控制&
暖通空调、电力、计量测试、医药业等；
SHT10系列为贴片型温湿度传感器芯片，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点；
卓越的长期稳定性、无需额外部件、超低能耗、表面贴片或4引脚安装、完全互换。
HT10超小尺寸，并自动休眠全量程标定，两线数字输出；
湿度测量范围：
0～100%RH；
湿度测量范围：
-40～+123.8℃；
湿度测量精度:
±
4.5%RH；
温度测量精度：
0.5℃响应时间：
<
8s；
低功耗（typ.30μW）；
可完全浸没。
具体引脚说明如表2-1；
引脚分配如图2-2所示；
表2-1：
SHT10的引脚说明
Pin
名称
注释
1
GND
地
2
DATA
串行数据，双向
3
SCK
串行时钟，输入
4
VDD
供电2.4v—5.5v
NC
剩余引脚请勿连接
图2-2SHT10引脚图
2.2.4显示器的选择
液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄、无辐射、低闪烁等许多其他显示器无法比拟的优点，最为重要的是LCD可实现很多字符组合的显示，人机界面相当有好，近年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中，故选用LCD。
之所以会选择LCD12864，是因为它的显示功能比较好，本设计中将要把温湿度值和温湿度波形变化也要显示在液晶屏上，这是额外的扩展功能。
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；
其显示分辨率为128×
64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×
4行16×
16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块；
所以本设计选用LCD12864显示器。
第三章系统硬件设计
系统设计总体框架图设计好，器件也选择好了以后，接下来的工作就是一些功能模块原理图的设计了。
原理图的设计可以用很多方式，可以再Word上设计原理图，也可以在纸上设计原理图。
由于本设计的一些模块电路设计采用pcb制作硬件，这是因为采用采用pcb制作的设计，视觉效果好，抗老化能力强，不容易出现连接点的虚接等问题。
PCB的导入一般需要原理图的导入，所以，本设计的原理图采用PCB制作软件，即AltiumDesinger6.9和Protel99SE。
3.1AltiumDesinger6.9
AltiumDesinger6.9是protel的新版本，它是一款PCB制作软件。
AltiumDesinger6.9有很多的优点，适合用于本设计。
首先它是唯一一款将设计流程，集成化PCB设计、混合信号仿真、信号完整性分析、可编程器件设计和基于处理器设计等嵌入式软件工能混合在一起的产品；
能够同时进行原理图、PCB、FPGA，以及嵌入式解决方案；
具有将设计方案从概念转变为最终产品的全部功能；
包括所有电控不见所需要的所有功能。
这款软件包括所有原版软件的功能和优点外，还增加了很多改进的高端功能，它拓宽了版本设计的传统界限，全面继承了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能。
从而允许设计中国的FPGA和PCB设计及嵌入式设计集成在一起。
AltiumDesinger6.9有很多的优越性，表现在：
（1）设计环境的高度集成；
（2）操作环境的自行设计；
（3）集成的平台性。
3.2Protel99SE
由于PCB生产厂商的设备落后，不支持AltiumDesinger6.9设计的PCB，需要转换成Protel99SE支持格式的PCB，虽然AltiumDesinger6.9是Protel99SE的升级版本，也能进行原理图的实际，但是Protel99SE是低版本的软件，往往高版本设计出来的东西低版本软件不支持。
比方说，AltiumDesinger6.9支持椭圆形的孔，而Protel99SE只支持圆孔，椭圆形的不支持。
Protel99SE是Protel99系列的产品中功能非常完备的版本，在AltiumDesinger6.9未出世之前，它以强大的功能和易用性，得到广大硬件设计人员的青睐，也是当前众多电路板EDA设计软件中用户最多的产品之一。
此外，这两款软件都支持windows操作系统，所以运用它是可行的。
3.3单片机的电源设计
电源电路：
单片机是一个电子器件，一个电子器件能够工作的第一个前提就是要有电源，电源是一切电子器件工作的前提，对于单片机系统也不例外。
无线发送模块以及温湿度测量模块使用的器件皆为低功耗器件。
对发送端而言，可以采用5V电池供电，很适合在野外等环境进行温湿度测量采集。
而接收端可以采用5V开关电源供电。
其核心部件LM1117-3.3是一个低压差电压调节器系列。
压差在1.2V输出，此时相应的负载电流为800mA。
本设计所需的电压为3.3V，，故采用LM1117-3.3电源供电系统，如图3-1所示；
图3-1单片机电源电路
3.4单片机的外围电路的设计
一个单片机的最小系统主要包括这几个方面：
复位电路、时钟电路、实现单片机工作的最简单系统就是单片机最小系统，可以这样理解，就是指单片机不管实现什么功能，也不管多复杂，多简单，所必须的最简单的电路。
下面我们一一介绍：
3.4.1时钟电路
时钟电路一般由晶振和电容组成。
单片机系统为什么需要时钟电路？
单片机工作的时候要有一定规律的，这个规律就是：
单片机必须在周期性的时钟信号的作用下工作，如果没有时钟信号的限制，那单片机的工作就乱套了。
就像我们上班一样，我们必须在规定的时间上下班，如果我们都不按照这个规定时间上下班，那整个公司就乱套了。
电路中电容采用22pF的贴片电容，晶振采用8.0MHZ，典型的时钟电路如图3-2所示：
图3-2时钟电路图
其中X1、X2要分别接到单片机的两个时钟引脚上。
两个电容是谐振电容，作用是让晶振更稳定的工作。
3.4.2复位电路
就像我们看书一样，看书的时候首先我们要拿出我们要看的书，然后翻到我们想看的那一页。
在单片机正式开始工作之前要有一个准备的过程，这个过程就是复位，复位对单片机系统来说，是一个准备开始工作的过程，在复位过程里，单片机要
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