外界环境实时检测及无线传输系统设计Word文档格式.docx
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储器中央控制器、只读存储器。
数字智能温度传感器的特点是输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器；
并且在一定的基础上通过软件来实现测试功能的，它的检测智能化程度由软件开发水平来决定。
20世界90年代中期，最先产生的数字智能温湿度传感器用的是8位A/D转换器，其测试温度精度较低、分辨力较差，会产生很大的误差。
现在国内外已陆续推出多种高精度、高分辨力的智能数字温度传感器，其用的是9—12位A/D转换器。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力的数字智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125度，测温精度为±
2度，为了提高多通道的智能温度传感器的转换速率，有的芯片采用高速逐近逼近式A/D转换器。
新型数字智能温度传感器的测试功能也在不断增强，另外，智能数字温度传感器正从单通道向多通道的转换，这就为研发多路温度测控系统创造了良好条件。
智能温度传感器的总线技术也达到了标准化、规范化的标准，它所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBvs总线和SPI总线。
所谓外界环境，主要指的是温度，湿度，灰尘浓度，光照强度等。
这些因素对人们的出行与生活产生重大影响，实时了解外界环境的状况在生活中很必要。
温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来测量温度，通过人工操作来加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。
即使有采用半导体二极管作温度传感器的，但由于其互换性差，效果也不理想，在某些行业中对温度的要求较高，也不能很好的实现温度的实时检测和传输，由于工作环境不合理而引发的事故时有发生，对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全，因此，对传感器的要求也越来越高。
为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。
本设计采用的是AT89S52单片机作为核心的微处理器，通过单片机控制温湿度传感器实现外界的温度湿度的检测，利用光敏电阻实现对光照强度的检测，利用PM2.5传感器实现对灰尘浓度的检测。
无线模块采用的NRF24L01，实现对温湿度、光照强度、灰尘浓度的传输，各个指标的显示采用的是1602液晶屏。
由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。
可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。
通过对外界环境的检测让人们直观的看到各种情况下的影响，并找出最佳的外界环境，对种植大棚蔬菜有重大意义，以及观察各种生物的最佳的生活状态有重大影响。
比如温室大棚蔬菜，通过对温度湿度光照等的观察，找出蔬菜的最佳的生长环境。
这次的设计主要分为五部分，首先就是课题研究的背景意义目的等的简介；
其次就是方案的选择和对比，以及各种方案的优劣势等；
第三部分就是本次设计的重点了，硬件电路设计，包括主要的控制芯片单片机，采集数据所用的各种传感器，传输数据的无线模块，以及最后显示数据的显示模块；
第四部分是软件设计流程，根据各个模块的工作原理和工作顺序对系统的软件进行设计，最后主要是对整个设计的硬件电路进行调试了。
2方案论证
本此设计中单片机的检测电路需要完成的基本任务有：
①数据自动采集，传感器将外界环境中的温湿度、光照强度、灰尘浓度的数据检测到，直接送给单片机需经过A/D转换和专门的数据采集部分；
实时监测：
在24小时内是实时地检测出外界环境的数据；
自动显示：
有数码管自动地显示检测的数据；
无线传输：
将接收的数据通过无线模块进行传输。
2.1显示电路方案
方案一：
采用数码管动态显示
使用七段LED数码管，采用动态显示的方法来显示各项指标，此方法虽然价格成本低，但是显示单一，且功耗较大。
方案二：
采用LCD液晶显示
采用1602LCD液晶显示，此方案显示内容相对丰富，且价格不高，接口简单。
综合上述原因，采用方案二，使用LCD液晶作显示电路。
2.2无线传输方案
方案一：
nRF24L01无线芯片；
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件的芯片,工作频段在2.4GHz～2.5GHz之间。
内部含有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01功耗低,多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
nRF24L01主要特性如下：
真正的GFSK调制硬件集成OSI链路层;
具有自动应答和自动再发射功能;
片内自动生成报头和CRC校验码;
数据传输率为lMb/s或2Mb/s;
SPI速率为0Mb/s—10Mb/s;
拥有125个频道：
与其他nRF24系列射频器件相互兼容;
QFN20引脚4mm×
4mm封装;
供电电压为1.9V—3.6V。
nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO．IRQ引脚可接STC89C52的任意端口，但需在软件编程时注意nRF24L01工作模式通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；
待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；
待机模式下，所有配置字仍然保留。
在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。
方案二：
nRF905无线芯片；
nRF905无线芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1GHz无线数传芯片，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段。
芯片内包括频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
非常适合于低功耗、低成本的系统设计。
性能参数：
422.4—473.5MHz工作频段，通讯频道512个，满足多点通讯、分组、跳频等应用需求，通道切换时间≤6us发射功率可设置为：
10dBm、6dBm、-2dBm和-10dBm通过SPI接口与MCU连接支持50kbps传输速率ShockBurst传输模式，自动生成前导码和CRC校验码工作电压范围：
1.9V—3.6V，待机模式下电流仅为12.5μA工作温度范围：
-40℃—85℃
综合考虑，采用方案一，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案一。
2.3系统总体方案设计
综合以上的分析可知，基于单片机的外界环境的检测系统比起传统的检测系统有着非常明显的优势。
首先在测量精度方面比起传统的温度计和湿度计大大地提高了其测量精度。
在测量准度方面比起传统的温度计和湿度计有着抗干扰的能力。
在显示方面基于单片机的温湿度检测系统是实时的自动显示而传统的温度计和湿度计还必须从仪器上面用肉眼读出来。
随着智能检测系统的飞速发展，基于单片机的温湿度检测系统将多传感器系统结合在一起。
如何把多传感器集中于一个检测控制系统，综合利用来自多传感器的信息，获得对被测对象的可靠了解和解释，以利于系统做出正确的响应、决策和控制，是智能检测控制系统中需要解决的首要问题。
在温湿度要求严格的场合，利用多传感技术可以提高系统的可靠性和精度，亦可以提高系统的时间空间的覆盖范围。
集成数字传感器具有较高的可靠性和稳定性。
本设计是用新型的智能集成温温度传感器DHT11主要实现检测温度、湿度的检测，用GP2Y1010AUPM2.5传感器主要实现对灰尘的检测，光敏电阻实现对光照强度的检测，将上述信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号，再运用单片机STC89C52进行数据的分析和处理，然后再通过nRF24L01无线模块传输并在LCD1602上显示当前数据。
根据上述方案比较，结合题目要可以将系统分为采集发送模块和接收显示模块，其框图如2.1、2.2所示：
图2.1采集发送方案
图2.2接收显示方案
3硬件电路设计
3.1控制部分
CPU是整个控制部分的核心。
在考虑经济性和满足需求的前提下，本系统选用ATMEL公司生产的8位AT89S52单片机作为整个系统的控制中心。
AT89S52是ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，它集Flash存储器既可在线编辑（ISP）也可用传统方法进行编辑及通用8位微处理器于单片芯片中，功能强大AT89S52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
在本系统中，AT89S52单片机内部的功能单元已经能够满足系统设计需要，不需要系统扩展。
AT89S52具有以下的特点:
8031CPU与MCS-51兼容寿命：
1000写/擦循环8K字节可编程FLASH存储器全静态工作：
0--24MHz三级程序存储器保密锁定256*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[2]。
AT89S52引脚功能AT89S52单片机为40引脚芯片见图3.1
图3.1AT89S52引脚图
（1）口线：
P0、P1、P2、P3共四个八位口。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
（2）其他引脚说明：
RST：
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
（3）控制或复位引脚
RESET此脚为高电平时（约2个机器周期）可将单片机复位。
RST/VPD——当出现两个机器周期高电平时，单片机复位。
复位后，P0～P3输出高电平；
SP寄存器为07H；
其它寄存器全部清0；
不影响RAM状态。
如图3.2所示。
图3.2复位电路
AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。
单片机的现状及发展方向：
单片机是为了工业控制需要满足而诞生的，是自动控制系统的核心部件，因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。
它具有体积小，功能多、价格低、使用方便、系统设计灵活等优点，应用领域不断扩大，除了工业控制，智能化仪表，通讯，家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。
由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，高温，强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，这决定了单片机CPU于通用微机CPU具有不同的技术特征和发展方向：
（1）可靠性高；
（2）控制功能往往很强，数值计算交叉；
（3）指令系统比通用微处理器慢的多；
（4）X系列芯片取代；
（5）抗干扰性强，工作温度范围宽。
3.2模数转换部分
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。
学习并使用ADC0832可以使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0—5V之间。
芯片转换时间需要32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择[4]。
本设计中ADC0832输入信号来自光敏电阻和GP2Y1010AU,然后与单片机的P10、P11、P12连接。
ADC0832主要特点:
8位分辨率；
双通道A/D转换；
输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
5V电源供电时输入电压在0—5V之间；
工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
一般功耗仅为15mW；
8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
商用级芯片温宽为0°
Cto+70°
C，工业级芯片温宽为−40°
Cto+85°
C；
管脚图如图3.3：
图3.3ADC0832管脚图
CS_片选使能，低电平芯片使能。
CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
GND芯片参考0电位（地）。
DI数据信号输入，选择通道控制。
DO数据信号输出，转换数据输出。
CLK芯片时钟输入。
Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。
（见图3）当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。
在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表。
表3.1ADC0832功能图
MUXAddress
Channel
SGL/DIF
ODD/SIGN
1
+
如表3.1所示，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。
当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。
当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输。
单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0—5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。
如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可以将电压值设定在某一个较大范围之内，通过转换可以提高转换的宽度。
但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压，则转换后的数据结果始终为00H。
3.3信息采集部分
3.3.1温湿度采集
DHT11数字智能温湿度传感器是一款含有已校准的数字信号输出的温湿度复合传感器。
它具有专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品芯片具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
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DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供[3]。
它的性能说明如下表3.2所示：
表3.2DHT11性能说明
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率
%RH
16
Bit
重复性
±
精度
25℃
4
0－50℃
5
互换性
可完全互换
量程范围
0℃
30
90
20
50℃
80
响应时间
1/e（63%）25℃，1m/s空气
6
10
15
S
迟滞
长期稳定性
典型值
%RH/yr
温度
℃
2
50
1/e（63%）
接口说明：
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
串行接口（单线双向）：
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高[3]。
3.2.2光照强度采集
光照强度的采集用的是光敏电阻传感器模块，光敏电阻模块对环
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