温湿度无线采集毕业设计.docx

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温湿度无线采集毕业设计

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建议：

1.图中的表和图的表示方法存在问题，比如是第2章的第一个图，那么表示应该是图3-2程序流程这样类似的，不能出现图2，图5这样字样。

2.框图的有些部分应该居中来弄。

文章基本就这样了，但是需要修改格式第1章1.1.1

毕业设计

光明养鸡场的测控系统的设计

姓名

系别、专业

导师姓名、职称

完成时间

摘要

温湿度是养殖业生产中常见的和最基本的参数之一，利用现代技术进行温湿度检测，数字显示，实时监控，对于提高生产效率和产品质量有重要的作用。

本文结合单片机，传感器和无线通信技术设计了养鸡场温湿度监控系统。

传统有线方式监控养鸡场温湿度，需要铺设大量电缆，面对养鸡场面积大且布局分散导致布线困难，采用短距离无线通信方式是实时监测养鸡场温湿度的一种有效方法，具有低成本，低功耗，效率高的特点。

系统以嵌入STC29C52单片机的单片射频收发芯片NRF24L01为核心，采用温度传感器DS18B20及湿度传感器DHT11，应用传感技术和无线收发技术，实现多点温湿度数据的采集和短距离无线传输。

系统的无线传输速率高，可达到2Mbps，空中传输时间短，低功耗，低成本，可以实现短距离内准确的获取，传送信息，并具有一定的抗干扰能力。

关键字：

NRF24L01芯片，温度传感器DS18B20，湿度传感器DHT11，养鸡场

ABSTRACT

Temperatureandhumiditytothebreedingproductionincommonandoneofthemostbasicparameters,theuseofmoderntechnologyfortemperatureandhumiditytesting,digitaldisplay,real-timemonitoring,toimproveproductionefficiencyandproductqualityhasanimportantrole.Basedonmicrocomputer,sensorandwirelesscommunicationtechnologyfowl-runtemperatureandhumiditymonitoringsystemisdesigned.Traditionalwayistousecablestoachickenfarmtopayamonitoringtemperatureandhumidity,tolayalargenumberofcable,thefaceofchickenfarmareaislargeandscatteredlayoutwiringdifficultiescaused,bywayofshortdistancewirelesscommunicationisaneffectivemethodtoachickenfarmtopayareal-timemonitoringoftemperatureandhumidity,withlowcost,lowpowerconsumption,highefficiencycharacteristics.,andtheuseofdigitaltubedisplaythecollectedtemperaturedisplayintheacquisitionterminal,andwirelesstransmissiontothereceivingmoduleisused1620LCMliquidcrystaldisplay.

SystemtoembeddedSTC29C52MCUNRF24L01monolithicrftransceiverchipasthecore,UsingDS18B20temperaturesensorandhumiditysensorDHT11,applicationofsensortechnologyandwirelesstransceivertechnology,torealizemultipointtemperatureandhumiditydataacquisitionandshortdistancewirelesstransmission.Systemofthewirelesstransmissionrateishigh,canbeupto2MBPS,airtransporttimeisshort,lowpowerconsumption,lowcost,canrealizeaccurateovershortdistances,transmitinformation,andhascertainanti-interferenceability.

Keywords:

NRF24L01,DHT11,DS18B20,wirelessdatatransmission

1系统概述

1.1课题的背景

二十一世纪是科技高速发展的信息时代，伴随着科学技术和养殖业的不断发展，智能化的养殖场越来越受到了关注。

过去的养殖场都是环境差，场地构建不合理，而且利用的是有线传输，鸡场厂房大，要传输的数据量大，传输信息不稳定易丢失数据。

而且有线传输的布线工程也不方便，施工周期长，维修起来也很复杂。

大大的增加了养鸡场的成本，降低了经济效益。

而无线传输刚好摆脱了这种束缚，综合成本低，只需要一次性的投入，安装周期短，维护方便，组网灵活，是未来信息化智能化养殖场的发展趋势。

传统的养鸡场还是以人工监管为主，人工监管不免存在着许多的问题。

从经济上来讲，有人就需要开支，增加开销，这又是一笔成本。

在管控上，避免不了人为因素，比如测量不到位，测量时间不均匀，或者漏掉某些不易测量点。

这些都容易对鸡造成影响，使鸡体质变弱，易得病。

比如现在正在肆意的禽流感，正是由于监管不到位引起的。

采用了无线监控可以减少人员的调用，只需一两个人就可以对一家养鸡场进行监控，而且传输数据准确性高，可以定时定点进行检测，避免了以上问题。

现在世界上许多发达国家都在采用这种无线技术，也越来越多的被发展中国家所接受，这种技术手段必然会成为现代化养殖场的标准化之一。

1.2国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果

上世纪五十年代，伴随着现代工业向养殖业的渗透，机械化生产在全球迅速崛起，尤其是在一些发达国家，像美国，日本等，这已然形成了一个巨大的产业支柱。

现在发达国家早已具备了规范的生产，成套的技术，完善的设施，能够保质保量的稳定生产。

智能化又是养殖业发展的方向，利用机器智能代替人类智能，从而解决人为因素的不足，所以养殖业正不断向智能化方向发展。

中国农场机械化发展水平与发达国家还有一定差距。

随着国民经济实力的不断增强，传统养殖业将逐步向现代化转变，养殖业基础设施建设投入力度将进一步加大，摆脱繁重体力劳动将进一步增强，这必然扩大对农机化的需求。

现在，智能化生产已逐步取代传统的生产。

智能化养殖业生产已是社会发展的必然趋势，计算机的运用日益加剧。

1.3选题意义

对于一个养鸡场最后重要的是提高生产商的经理效益，提高经济效益的最好方法是控制好鸡所生活的环境。

对于养鸡场最主要的就是控制它的温湿度。

如果温度过低，鸡容易因为着凉而引起感冒或产生呼吸道疾病等；有时小鸡会扎堆取暖，这样容易影响小鸡进食和活动，严重的话会造成大批量死亡。

我们知道湿度也起到相当重要的作用，据了解除了鸡场进雏后的前七天要保证70％的湿度外，其他时间都要保持在50％以下，确保鸡舍的干爽。

随着时代的进步我们对智能化的需求是越来越多了，联想到养鸡场的厂房比较大，每天要传输的数据很多，如果使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，不仅浪费资源，占用空间，可操作性差，而且出现错误换线也是困难的。

还有当需要采集的数据是处于运动状态（比如小鸡的跑动），又或者有的地方无法铺设电缆时，数据无法传输，就需要人工的进行数据采集。

解决综上这些问题的最好方法当然就是无线通信啦。

当然光采集数据是远远不够的，我们还需要无线通信进行相关设备的控制，比如利用无线技术与鸡舍中的暖风扇或通风设备相连接，当温度超过或低于设定温度时，自动打开或关闭相关设备。

1.4系统设计任务分析

本系统的设计采用的是Nordic公司最近生产的NRF24L01射频芯片，该芯片工作于2.4GHz频段，可以实现多点的无线通信。

无线通信速度可达到2M。

该设计有成本低、功耗低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。

整个系统有发送和接收二部分，通过NRF24L01无线数据通信收发模块来实现无线数据传输。

发送部分以单片机STC89C52为核心，使用温度传感器DS18B20实时采集温度，使用温湿度传感器DHT11实时采集湿度。

将采集的温湿度无线传送给接收部分，然后再在液晶屏上显示，通过蜂鸣器继电器实现对温湿度过高或过低进行报警和控制。

本系统的核心控制芯片选用的是STC89C52。

单片机在各个技术领域中的迅猛发展，正朝着多功能，高性能，低电压，低功耗，大存储量，强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。

STC89C52完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能，并且本身带有2K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便的优点。

可以为控制系统提供更灵活，低成本的解决方案。

对STC89C52可以制作两个最小系统，一个控制发送端，一个控制接受部分。

2总体方案设计

本温湿度无线采集控制电路设计采用美国DALLAS半导体公司生产的温度传感器DS18B20作为温度检测元件，DHT11作为湿度检测元件。

DS18B20测温范围为-55～125℃，最高分辨率可达0.0625℃。

DHT11测湿范围为20%～90%RH,湿度测量精度为±5.0%RH。

发射与接收电路采用Nordic公司生产的NRF24L01作为发射与接收元件，传输距离理论上可达100m。

DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点，DHT11可直接将采集到的湿度以数字方式传输，采用单总线通信，利用DHT11的通信接口与单片机的一个I/O端口连接，NRF24L01具有自动重发功能、数据包识别及CRC校验功能，增强型ShockBurstTM模式可同时控制应答及重发功能而无需增加MCU的工作量。

按照系统设计功能的要求，确定系统由6个模块组成：

主控制器、测温电路、测湿电路，发送电路、接收电路、显示电路和报警控制电路。

温湿度无线采集报警系统结构框图如图1所示：

（下面的图字体不一样，把那个粗线换成细线）

图1温湿度无线采集报警系统结构框图

3硬件系统的设计与实现

温湿度检测在工程实践中经常用到，随着生活水平和科学技术的不断进步，对检测温湿度数据的精度要求也越来越苛刻。

传统的温度测量装置很难满足现在的要求，本设计采用DS18B20作为温度采集元件，DHT11作为湿度采集元件。

DS18B20具有测量精确性高，可靠性高，功耗低的特点，配合低功耗单片机的使用就可以很好地弥补传统上的不足。

DHT11具有具有响应快，抗干扰能力强，性价比高的优点，对湿度进行精确地校准，信号传输距离可达20米以上。

而且本文采用nRF24L01模块对采集到的温度和湿度数据进行无线传输，打破了传统操作中距离受限的问题，使测温湿操作更易实现。

本设计采用STC89C52作为主控CPU，外加DS18B20温度采集模块、DHT11湿度采集模块、nRF24L0l无线收发模块和数码显示模块组成整个系统，如图2所示。

图2系统总体架构图

3.1温度采集模块

该模块采用美国DALLAS公司推出的数字测温芯片DS18B20，该芯片具有体积小，多种封装形式，独特的单线接口等优点。

测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度，拥有可以选择的9到12位温度数据分辨率，可以工作在寄生电源模式，另外还可自定义温度告警设置。

本系统中多个温度传感器的输出脚I/O直接与单片机的P0.0引脚相连，外接4.7KΩ的上拉电阻到电源。

DS18B20芯片封装如图3所示。

图3DS18B20芯片封装

3.1.1DS18B20的管脚配置和内部结构

引脚定义：

（1）DQ为单数据总线，是数字信号输入/输出端；

（2）GND为电源地；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

内部结构如图4所示。

图4内部结构图

（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

3.1.2单总线介绍

1－WIREBUS单总线是Maxim全资子公司Dallas的一项专有技术。

与目前多数标准串行数据通信方式,如SPI/IIC/MICROWIRE不同,它采用单根信号线,既传输时钟,又传输数据,而且数据传输是双向的。

它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。

3.1.3DS18B20的工作原理

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。

18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

（1）ROM只读存储器，用于存放DS18B20的ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20共64位ROM。

（2）RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。

控制器对18B20操作流程：

<1>复位：

首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480μS的低电平信号。

当18B20接到此复位信号后则会在15~60μS后回发一个芯片的存在脉冲。

<2>存在脉冲：

在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60μS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。

至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。

如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。

<3>控制器发送ROM指令：

双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。

ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。

其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。

诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：

此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。

<4>控制器发送存储器操作指令：

在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。

操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。

存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。

<5>执行或数据读写：

一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。

如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。

如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。

数据的读写方法将有下文有详细介绍。

当主机收到DSl8B20的响应信号后，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如下：

SkipROM（跳跃ROM指令）

这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。

如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。

ReadScratchpad（从RAM中读数据）

此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9，完成整个RAM数据的读出。

芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。

ConvertT（温度转换）

收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。

此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。

在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持500MS，来维持芯片工作。

与DS18B20的所有通讯都是由一个单片机的复位脉冲和一个DS18B20的应答脉冲开始的。

单片机先发一个复位脉冲，保持低电平时间最少480μs，最多不能超过960μs。

然后，单片机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲。

DS18B20在接受到复位脉冲后等待15～60μs才发出应答脉冲。

应答脉冲能保持60～240μs。

单片机从发送完复位脉冲到再次控制总线至少要等待480μs。

读时隙需15～60μs，且在2次独立的读时隙之间至少需要1μs的恢复时间。

读时隙起始于单片机拉低总线至少1μs。

DS18B20在读时隙开始15μs后开始采样总线电平。

以单片机读取2B的数据为例。

写时隙需要15～75μs，且在2次独立的写时隙之间至少需要1μs的恢复时间。

写时隙起始于单片机拉低总线。

3.2湿度采集模块

该模块采用的是DHT11数字温湿度传感器，由于测量的温度精度不符合本设计，本设计只采用DHT11测量湿度部分，把DHT11当成湿度传感器用。

DHT11数字温湿度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。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，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。

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。

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。

DHT11电路如下图XXX所示：

VDDVDD

5K1pin

2pin

4pin

GND

图xxxDHT11应用电路

3.2.1DHT11引脚配置和技术参数及封装信息

（1）引脚介绍：

Pin1:

（VDD），电源引脚，供电电压：

3~5.5V。

Pin2：

（DATA），串行数据，单总线。

Pin4：

（VDD），接地端，电源负极。

（2）参数介绍：

供电电压：

3~5.5V。

测量范围：

湿度20-90%RH。

测量精度：

湿度1%RH。

分辨率：

湿度1%RH。

互换性：

可完全互换。

长期稳定性：

<±1%RH/年。

（3）封装信息：

1234

图DHT11封装图

3.2.2测湿原理

微处理器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发送相应信号，送出数据，一次完整的数据传输为40bit,数据高位在前低位在后。

数据格式为：

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据8bit+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+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位为正确的传送数据。

传送数据完成后出发一次信号采集，采集数据后转换到低速模式。

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。

3.2.3多点湿度采集设计

DHT11也是用单总线传输数据，单片机发送起始信号，DHT11返回应答信号并发送数据，起始阶段需要将总线置为低电平，再拉为高电平，所以同样需要上拉电阻，阻值为5KΩ。

数据接口采用单线制串行接口，电源正与地跟单片机电源正和地相连结，3路数据接口分别接5K上拉电阻与单片机P1口接。

如图XXX所示：

U3DHT11U5DHT11

………

12341234

R35.1KR55.1K

VOC5V

DAT1GNDVOC5VDAT3GND

图XXX名称下面都是的

3.2.4时序介绍：

DHT11与单片机主机通讯过程时序如图3所示（所有的图都是如图1-2（第一个1代表第一章，第二个1代表某章中放入第2个图），不要图3，图2的），总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低大于18ms等待DHT11响应，等开始信号结束后，延时等待