多点粮仓温湿度的无线监测系统设计与实现Word下载.docx
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多点粮仓温湿度的无线监测系统
前言
随着中国加入WTO，粮食市场的逐渐开放，储存大量的粮食对稳定国民经济的发展起着至关重要的作用，粮仓内的粮食由于温湿度没有得到有效的控制，经常发生粮食变质的情况，因此粮仓温湿度的测量方法以及相应的智能控制一直是粮食保存的一个重要问题，随着我国科技的快速发展和农业自动化程度的提高，粮仓管理技术得到很大的发展。
传统人工测量的方法逐渐被电子测量所代替，小的粮仓采用小的测量仪测量，大的粮库逐渐配备微机。
同时随着单片机技术和工业生产自动化程度的不断提高，单片机测控技术已得到了广泛的推广和应用。
这种单片机的测试技术为工业控制、农业控制、家用电器和仪器仪表智能化的应用提供了一种全新的、有效的测试方法，并具有很大的实用意义和广阔的应用前景。
粮食的保存至关重要，为了实现粮食的大量储存，本课题设计了一个智能测量系统——多点粮仓温湿度的无线监测系统。
该系统不仅能测量粮仓的温湿度，也能测量大棚温湿度，还能应用于工业测量，应用范围甚广。
第1章绪论
1.1课题的意义和目的
当代科学技术日益向高速化、智能化、信息化、网络化发展，不管是生活还是生产，都离不开自动化。
信息社会对工业和农业生产提出了更高、更新的要求，不仅要节约成本，而且要高效化。
温湿度的测量是工业和农业生产中重要的一个环节，尤其对于农业发展，比如大棚种植、粮仓管理等等，都必须保证精确的温湿度控制。
防潮、防霉、防腐、防爆是粮仓日常工作的重要内容，也是衡量粮仓管理工作的重要指标。
为了保证日常工作的顺利进行，必须加强粮仓内温湿度的监测工作，但传统的监测方法既费时又费力，而且误差较大，因此需要造价低廉、使用方便、测量精确的监测系统。
为了满足粮仓温湿度的精确控制要求，满足测温湿度过程信号易处理要求，设计一种可远程无线传输的多点监测数字显示的温湿度测量系统，可以完成多点粮仓温湿度的测量和显示功能。
该系统操作简单，功能齐全，是单片机智能化的一种应用。
1.2课题的研究内容
本次毕业设计以单片机STC89C52为核心，能够综合测量和处理多点温度和湿度，并能无线收发信号，具有报警系统和数字显示功能。
具体设计内容如下：
1、选择合适的湿度传感器和温度传感器，并研究它们的使用方法；
2、研究温湿度传感器与单片机的连接，以及如何完成数据的采集；
3、设计多个温湿度采集从机子系统，编号为1-N，能满足对温湿度的精确测量；
4、主机可利用无线模块、单片机和键盘，选择所要监测的温湿度节点，将该监测节点的数据经由无线传送至主机，并用显示器显示出该监测节点结果；
5、把测得的数据与限定值比较，如果超出范围，报警系统就会发出警报；
6、制作硬件电路，编写相应的软件程序，进行系统调试和测试数据综合分析。
1.3课题的任务要求
根据课题的意义和目的，经分析本次课题需要研究的内容，提出了该课题相应的设计任务的要求，具体如下：
1、系统供电电压AC220V±
10%，50±
2.5Hz；
2、温湿度传感器的灵敏度和精确度达到±
5%；
3、系统主机可显示当前信息采集的节点号、温度、湿度信息值，显示清晰直观，下位从机也可显示当前本地信息值；
4、各节点数据与主机交换采用无线传输模式进行，系统具有超温/超湿报警功能；
5、粮仓适宜温度范围10℃-40℃，适宜湿度范围10%-80%；
6、系统工作稳定性较好。
第2章系统方案设计
确定了课题的目的和意义，根据本课题的研究内容和任务要求，设计出本课题的研究方案，并将方案进行比较论证，选择较优的方案，阐述方案各个模块的功能。
2.1方案的选择与论证
2.1.1总体设计方案
根据本次课题的内容及课题任务的要求，基于多点温湿度的无线监测系统主要由温湿度检测电路、下位机控制电路、无线传输电路、上位机控制电路四个主要模块组成。
该系统设计了两个下位监测分机，其总体原理框图，如图2-1所示。
图2-1总体原理框图
根据原理框图，设计了两种方案，如下所示。
方案一：
采用模拟温湿度传感器和A/D转换器组成温湿度检测电路，上位机和下位机采用FPGA开发板，无线收发模块用CC1101，数字显示电路部分运用移位寄存器74LS164移位输入字形码，采用数码管显示。
其设计框图如图2-2所示。
图2-2方案一的设计框图
方案二：
采用温度传感器DS18B20和湿度传感器DHT11进行温湿度测量，上位机和下位机采用单片机STC89C52，利用nRF905作为无线传输模块，数码管显示测量结果，采用7407驱动，动态显示。
其设计框图如图2-3所示。
图2-3方案二的设计框图
2.1.2方案的比较与论证
1、温湿度测量部分
方案一中采用模拟测量器件，需要经过A/D转换器，测量精度要受到影响，如果选择精度较高的A/D转换器，那费用也较高。
方案二中采用DS18B20测温和DHT11测湿，测量方便、精度较高且价格适中，故选择方案二的温湿度测量方法。
2、单片机部分
方案一中采用FPGA，它的功能强大，I/O口较多，处理能力强，但其价格较高，使用复杂，用在此系统中未免有些大材小用，而STC89C52单片机的性能也较好，价格便宜，功能已经完全满足此次设计要求，使用也较为方便，故选择STC89C52单片机。
3、无线传输部分
方案一中选择利用CC1101无线传输模块，该模块可用于多频段，低功耗，收发一体，方案二中的nRF905也是低功耗，多频道多频段，可以很方便地实现点对点及点对多点无线通信，两者性能相似，都能满足本次设计系统的要求，但CC1101的价格较高，考虑到经费的问题，故选择nRF905无线传输模块。
4、显示部分
方案一中的显示采用移位寄存器移位显示，数据需要串行输入，在时钟端脉冲上升沿作用下输入数据，本设计是四位显示，就需要接四个74LS164,虽然软件设计比动态显示简单，占用内存少，但其硬件焊接量大。
方案二中采用芯片7407驱动，动态显示，数码管也是四位一体的，不但软件设计简单，而且硬件制作方便，价格也低廉，故选择方案二的显示方法。
综上所述，选择方案二。
2.1.3系统结构框图设计
该设计选择方案二的方法，该方案包括上位机和两个下位机两部分。
下位机由单片机STC89C52最小模块、数码管显示模块、nRF905无线传输模块和温湿度测量模块四个模块组成；
上位机由nRF905无线传输模块、按键选择模块、数码管显示模块、温湿度超值报警模块、单片机STC89C52最小模块五个模块组成。
系统结构框图，如图2-4所示。
图2-4系统结构框图
2.2系统各模块的功能设计
2.2.1电源模块
本系统有无线模块、单片机模块、温湿度测量模块等等，综合分析需要电源模块提供+5V电压和+3.5V电压，以满足各模块的工作电压需求。
2.2.2温湿度测量模块
本系统要测量多点粮仓内的温湿度信息值，为了了解粮仓内的每一个时刻的温湿度信息值，温湿度测量模块要能一直测量，当接收到上位监测主机的命令时，就暂时停止测量，将测量信息值传送给上位机，当发送结束后，就继续测量温湿度。
2.2.3单片机控制模块
单片机控制模块，它的晶振控制着单片机的工作节奏，I/O口控制着外围电路的工作情况，主要是控制温湿度的测量、nRF905接收和发送数据、报警模块的工作等等。
2.2.4无线传输模块
上位监测主机和下位监测分机都需要连接无线传输模块，根据上位监测主机和下位监测分机的功能要求，处于等待接收模式或发送模式。
上位监测主机首先是发送模式，然后等待接收；
下位监测分机首先等待接收数据，然后发送数据。
2.2.5按键选择模块
上位机的按键模块功能：
当按下KEY1键，1号下位机将温湿度信息值发送给上位机；
当按下KEY2键，2号下位机将温湿度信息值发送给上位机。
下位机的按键选择模块功能：
按下KEY1键测量温度并显示；
按下KEY2键测量湿度并显示。
2.2.6显示模块
上位机和下位机都具有显示模块，上位机显示模块实时显示下位机发送来的温湿度的测量值以及监测节点的节点号；
下位机显示模块实时显示本地实时测量值。
2.2.7报警电路模块
上位机接收到的温度信息值不在给定范围内时，就点亮红色发光二极管并驱动蜂鸣器；
湿度信息值不在给定范围内时，就点亮绿色发光二极管并驱动蜂鸣器。
本系统设计的适宜温度范围为：
10℃-40℃，适宜湿度范围为：
10%-80%。
第3章系统各模块的硬件设计
确定了多点粮仓温湿度的无线监测系统方案设计，根据系统实现方案中各模块的功能设计要求，对多点粮仓温湿度的无线监测系统各模块硬件电路进行设计。
该模块分为上位机和下位机，其主要包括以下七个模块：
电源模块、温湿度测量模块、单片机控制模块、无线传输模块、按键选择模块、显示模块和报警电路模块。
3.1电源模块设计
该系统采用的LM317芯片构成稳压可调电源模块。
LM317是可调节的3端正电压稳压器，此稳压器非常易于使用，此芯片具有内部限流、热关断和安全工作区补偿的功能，使之基本能防止烧断保险丝，对电路起到了很好的保护作用。
LM317的基准电压为1.25V，据此设计电源模块，如图3-1所示。
图3-1电源模块设计图
根据上图，可得输出电压
V0=1.25*（1+R2/R1）（3-1）
通过调节R2电位器，改变R2/R1的值，从而改变输出电压。
设计中取R1=220Ω，R2=10K。
使得输出电压的范围为1.25V-15V。
此系统需要两个这样的模块，分别调至输出电压+5V和+3.5V。
3.2温湿度测量模块设计
3.2.1温度测量模块设计
温度测量采用DS18B20，该芯片的性能和具体使用方法如下所述。
1、温度传感器DS18B20技术性能描述
（1）、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）、测温范围-55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃；
（3）、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的数据端上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定；
（4）、工作电源:
3~5V/DC；
（5）、在使用中只需要数据端接上拉电阻，不需要其它的外围元件；
（6）、测量结果以9~12位数字量方式串行传送；
2、温度传感器DS18B20工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理如图3-2所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3-2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图3-2DS18B20工作原理图
3、温度传感器DS18B20的设计图
DS18B20是单总线温度传感器，数据线是漏极开路，内部没有拉高电路，给DS18B20接有电源，则需要一个上拉电阻来稳定工作，其工作电流要达到1mA。
还有若温度传感器开路或没接时，能起到上拉作用，使之为高电平，从而后续电路保护。
DS18B20共三个引脚，其中DQ端是与单片机的通信端，单片机的驱动电流只有几十微安,为了使其工作电流达到1mA，DQ端需要接上拉电阻，所接电源为+5V，所以上拉电阻不能超过5K，该电路选择上拉电阻为4.7K，使其电流达到1mA，否则会产生较大的误差。
具体连接情况，如图3-3所示。
图3-3DS18B20设计图
3.2.2湿度测量模块设计
湿度测量采用DHT11芯片，该芯片既能测温度也能测湿度，但其测温精度为±
2℃，也就是说当温度大于40℃时，才能满足±
5%的精度要求，而本系统规定适宜的温度范围为10℃-40℃，所以不能满足±
5%的精度要求，故只将其作为测湿度的传感器。
1、湿度传感器DHT11技术性能描述
（1）、相对湿度和温度测量，范围是20－90％RH、0－50℃，精度±
5％RH、±
2℃；
（2）、全部校准，数字输出；
（3）、卓越的长期稳定性；
（4）、只需数据端接上拉电阻，无需额外部件；
（5）、超长的信号传输距离，信号传输距离可达20米以上；
（6）、超低能耗；
（7）、4引脚安装。
2、DHT11的设计图
DHT11的硬件设计也极其简单，就只有4个引脚，其中还有一个空脚悬空的，实际上其设计与DS18B20是一样的。
DHT11的工作电流是0.2—1mA之间，漏极开路，内部没有拉高电路，当输出0是就是低电平，但输出1时实际上是悬空的，所以要接上拉电阻，满足电流需要，故选择上拉电阻为5K，电流为1mA,具体的设计图，如图3-4所示。
图3-4DHT11设计图
3.3单片机控制模块设计
常用的单片机有很多种：
Intel8051系列、STC系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾华邦（Winbond）W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。
本次设计最终选用了STC89C52单片机。
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
单片机最小模块包括两部分：
时钟电路和复位电路。
3.3.1时钟电路设计
时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度。
目前51系列单片机都采用CMOS工艺，允许的最高频率是随型号而变化的，本系统采用12MHz的晶振，则其一个机器周期为1us。
因为本设计需要I/O口来模拟SPI时序，以及DS18B20和DHT11都需要严格的时间控制，所以取整数周期，有利于时间的计算。
STC89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该放大器的输入端和输出端，在XTAL1、XTAL2上外接晶振和电容组成振荡器。
外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性，所以本设计采用12MHz的晶体振荡器和30pF的电容。
时钟电路设计，如图3-5所示。
图3-5时钟电路设计
3.3.2复位电路设计
单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态，此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平，RST上输入返回低电平以后，退出复位，单片机从初始状态开始工作。
人工复位就是将一个按钮开关并联于上电复位电路，按一下开关，就在RST端就出现一段时间的高电平，即使器件复位。
由于单片机复位端有内接电阻，所以复位电路设计，如图3-6所示。
图3-6复位电路设计
按下开关后，电容充电，到达稳定后，电容相当于开路，其两端电压为5V，电路的时间常数为R*C，本设计取R=200Ω、C=10uF,经计算时间常数为2ms，而两个机器周期只有2us，所以该设计完全满足要求。
3.4无线传输模块设计
3.4.1无线传输模块简介
1、无线传输模块性能介绍
（1）、433Mhz开放ISM频段免许可证使用；
（2）、最高工作速率50kbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；
（3）、125频道，满足多点通信和跳频通信需要；
（4）、内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制；
（5）、低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下状态仅为2.5uA；
（6）、收发模式切换时间<
650us；
（7）、模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便；
（8）、TXMode:
在+10dBm情况下，电流为30mA;
RXMode:
12.2mA；
（9）、标准DIP间距接口，便于嵌入式应用。
2、无线传输模块接口电路管脚说明
nRF905管脚图，如图3-7所示。
图3-7nRF905管脚图
nRF905各个管脚的具体说明如表3-1所示。
表3-1nRF905的管脚说明图
管脚
名称
管脚功能
说明
1
VCC
电源
电源+3.3~3.6VDC
2
TX_EN
数字输入
TX_EN=1TX模式TX_EN=0RX模式
3
TRX_CE
使能芯片发射或接收
4
PWR_UP
芯片上电
5
uCLK
时钟输出
本模块该脚废弃不用，向后兼容
6
CD
数字输出
载波检测
7
AM
地址匹配
8
DR
接收或发射数据完成
9
MISO
SPI接口
SPI输出
10
MOSI
SPI输入
11
SCK
SPI时钟
12
CSN
SPI使能
13
GND
地
接地
14
VCC脚接电压范围为3.3V~3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块，该系统采用+3.5V电压。
由于单片机上面没有SPI，所以该系统用IO口模拟SPI。
3.4.2无线传输模块与单片机的接口设计
无线传输模块与单片机的接口的连接的对应关系，如表3-2所示。
表3-2无线传输模块与单片机的接口连接情况表
无线模块
P1.7
P1.0
P1.6
P1.1
P1.5
P1.2
P1.4
P3.0
P1.3
P3.1
无线模块与单片机的连接图，如图3-8所示。
图3-8无线传输模块nRF905设计图
3.5按键选择模块设计
上位机与下位机均采用了开关，下位机用的是六脚锁存开关，上位机采用的是四脚按钮开关。
锁存开关只要按下了，就不会自动恢复，而按钮开关当人手松开按键后就会自动恢复。
其具体的连接图，如图3-9所示。
图3-9按键设计图
图中只画了一个按键，其余按键与单片机的连接具体如下：
上位机中KEY1接P3.3口，KEY2接P3.4口；
下位机中KEY1接P2.0口，KEY2接P2.1口。
3.6显示模块设计
本系统采用动态显示，数码管为四位一体共阴，7407驱动数码管位选端，P0口接上拉电阻驱动数码管的段选端。
1、动态扫描
数码管动态扫描显示时若采用独立的一位数码管，就需要将所有数码管的8个段线相应地并接在一起，并接到STC89C52的P0口，由P0口控制字段输出。
而各位数码管的共阴极由STC89C52的P2口控制，来实现4位数码管的位输出控制。
而由于本系统采用四位一体数码管，本身内部就已经将每一位的段选连在了一起，所以关键要控制
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