粮仓温湿度检测系统.docx
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粮仓温湿度检测系统
xxxx职业技术学院
（2012届）
专科毕业设计（论文）
粮仓温湿度检测系统
学院（部）：
专业：
应用电子技术
学生姓名：
xxxx
班级：
电子0902
学号xxxx
指导教师姓名：
xxxx
职称讲师
最终评定成绩
2012年5月
摘要
此粮仓温度系统是由从机、主机构成，从机是由DHT11温湿度传感器、液晶显示屏1602、无线发送模块NRF24L01构成；主机是由NRF24L01接受模块、液晶显示屏1602构成。
从机对温度、湿度分别进行测量，并通过液晶显示屏1602进行显示。
然后经无线传输模块传给主机。
再在主机液晶显示屏上显示。
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。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
采用NRF24L01无线模块传送数据，稳定性高。
系统具有不需的连接线，安放范围可以扩大，可读性高，反应速度快，测量值准确的特点。
关键词：
AT89S52，DHT11,NRF24L01
Abstract
Thebarntemperaturesystemismadefromamachine,host,fromthemachineistheDHT11temperatureandhumiditysensor,LCDdisplayscreen1602,wirelesstransmissionmoduleNRF24L01form;HostisbyNRF24L01acceptmodule,LCDdisplayscreen1602form.
Frommachinetotemperature,humiditymeasurementrespectively,andthroughtheliquidcrystaldisplaythatis1602.Thenbywirelesstransmissionmoduletothehost.AgaininthehosttheLCDscreendisplay.DHT11digitaltemperatureandhumiditysensorisadigitalsignaloutputcontainingalreadycalibrationthetemperatureandhumidityofthecompositesensor.Itusedthedigitalmoduleforacquisitiontechnologyandtemperatureandhumiditysensortechnologytoensurethatproductswithhighreliabilityandexcellentlong-termstability.SensorsincludingaresistivearewetcomponentsandaNTC（temperaturesensor,andwithahighperformanceeightsinglechipconnected.Sotheproducthasexcellentquality,superfastresponse,anti-jammingability,extremelycost-effectivehigheradvantages.EachDHT11sensorsintheextremelypreciselyhumiditycalibrationchambertotheequipment.IntheformofcalibrationcoefficientprogramstoredinmemoryofaOTP,sensordetectionsignalprocessingininternalprocesswecallthesecalibrationcoefficient.Wiredsystemserialinterface,makethesystemintegrationbecomesimpleandquick.Supersmallvolume,lowpowerconsumption,signaltransmissiondistanceis20metersabove,makeitbecomethemostdemandingofofallkindsofapplicationandeventhebestselectedapplications.Theproductis4singleneedlepinsencapsulation.Joinsconvenient,specialpackagingformaccordingtocustomers'demandandsupply.TheNRF24L01wirelessdatatransmissionmodule,highstability.Systemhasnotrequiredforthelinks,putrangecanexpand,readable,reactionspeed,thecharacteristicsoftheaccuratemeasurements.
Keywords:
AT89S52devices,DHT11,NRF24L01
第一章绪论
1.1选题背景
近几年据海关统计结果显示，我国粮食进出口同比均呈下降趋势，我国粮食供求开始进入紧平衡阶段。
在粮食供给能力逐渐弱化的情况下，我们必须注意到贮存粮食的科学性和有效性。
贮粮仓库的现代管理也是当前粮食系统改造的重大项目之一。
而在粮仓管理过程当中，最重要的是控制仓内的温度和湿度，温湿度会直接影响粮食的贮存量。
而温湿度检测传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的场所进行通风、去湿和降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大，因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度监测系统。
1.2设计目标
1.2.1基本功能
1.能对某一粮仓内的多处温湿度进行检测并集中显示。
要求能检测50*50*50M3大小粮仓的温湿度，采用无线方式传送集中显示。
2.精度高、系统稳定。
1.2.2主要技术参数
温度检测范围：
-10℃-+50℃
测量精度：
2℃
湿度检测范围：
0-90%RH
检测精度：
5%RH
显示方式：
主机：
液晶显示屏1602从机：
液晶显示屏1602
报警方式：
三极管驱动的蜂鸣音报警
第二章设计方案及论证
2.1总体方案设计
经分析，此粮仓温度系统将分为从机和主机两部分，从机又分为三部分，一是由温湿度传感器组成的检测部分，二是由单片机和LCD1602液晶组成的控制与显示部分，三是由无线NRF24L01发送模块通信部分；主机又分为两个部分，一是由单片机和1602液晶组成的主控与显示部分，二是由无线NRF24L01发送模块通信部分。
如下图所示从机由DHT11温湿度检测电路将检测到的数送到单片机，单片机对接收到的数据进行处理并送到LCD1602显示，并通过无线NRF24L01发送模块把数据传送给主机显示，主从机均采用5V稳压电源供电。
总体框图如图2-1所示。
图2-1粮仓温湿度检测系统结构框图
2.2系统主要单元的选择与论证
2.2.1单片机控制模块的选择论证
方案一：
采用XC9000系列的FPGA。
该类器件具有并行处理能力，能快速的响应外部的各种数字信号，但在数据处理方面过于复杂，而且芯片价格较昂贵。
方案二：
采用单片机作为控制核心，单片机数学运算功能较强。
在程序相互调用方面，处理方便灵活，性能稳定，适合实际应用。
且单片机技术发展较为成熟，价格便宜。
基于以上分析，采用单片机控制可更为简便灵活地实现系统功能，故拟采用方案二。
2.2.2温度湿度检测模块的选择与论证
方案一：
采用温敏元件和湿敏元件把温、湿度的变化转化为模拟电信号，再通过模数变换器，将模拟信号变为数字信号，以供CPU进行分析和处理。
方案二：
采用一体化变换器模块DHT11完成数据的采集，通过总线通信协议，将数据读入CPU进行处理。
采用温、湿敏元件进行变换，需要用到模数转换器和放大器，所得到的数值，不能直接使用。
还要考虑抗干扰问题，需要专业的仪器对采集的数据建立数据表，还要进误差处理，及数据校准。
电路结构复杂，程序算法复杂，开发周期长，成本高。
而采用一体化变换器，电路简单，处理器不需要管理数据变换问题，直接通过按照总线时序将数据读出，对数据稍做处理就可以了，系统结构变得简单，可以减少系统的体积，从而提高系统的稳定性，不需要专业的测试仪器，容易实现，开发周期短，价格适中，综上所述，采用方案二。
2.2.3显示模块的选择与论证
方案一：
采用12864液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数，但12864液晶模块价格昂贵，接线复杂，故不采用。
方案二：
采用1602液晶模块显示所测数据，1602液晶接线简单方便，同时也能满足显示需要，价格远低于12864液晶。
因此，本方案为首选方案。
综上所述，显示模块选择方案二。
2.2.4无线通信模块的选择与论证
方案一：
采用超再生接收和ASK发送，用PT2262和PT2272进行协议处理。
方案二：
采用NRF24L01无线传输模块。
通过实验，采用超再生接收和ASK发送，用PT2262和PT2272进行协议处电路，作为遥控器还是非常不错，作数据传输，速度慢，误码率高，而NRF24L01无线传输模块2.4Ghz全球开放ISM频段免许可证使用最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合,126频道满足多点通信和跳频通信需要内置硬CRC检错和点对多点通信地址控制,高速无线传输由模块内部处理，容易实现。
综上所述，显示模块选择方案二。
第三章系统硬件设计
3.1单片机主控电路设计
单片机主控模块包括了振落电路、复位电路，同时为接入各个模块的配置接口，保证了整个系统的灵活性。
单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。
硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能。
这种设计方法可以降低系统设计的复杂性。
控制电路的核心器件采用是由美国Atmel公司生产的AT89S52单片机，属于MCS-51系列。
AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；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、有效的解决方案；价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强。
因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中。
主控部分原理图如图3-1所示。
图3-1单片机主控原理图
3.2温湿度电路设计
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。
原理图如图3-2所示。
图3-2温湿度原理图
3.2.1电源引脚
DHT11的供电电压为3－5.5V。
传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。
电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
3.2.2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。
1.通讯过程如图3-3所示
图3-3通讯过程图
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。
DHT11接收到主机的开始信号后,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。
如图3-4所示。
图3-4通讯过程图
总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
数字0信号表示方法如图3-5所示。
图3-5数字0信号表示方法图
数字1信号表示方法.如图3-6所示。
图3-6数字1信号表示方法图
3-2-3电气特性
VDD=5V，T=25℃，除非特殊标注
表4-1电气特性
参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
mA
平均
0.2
1
mA
待机
100
150
uA
采样周期
秒
1
次
3-2-4封装信息
封装如图4-7所示。
图3-7封装图
3-2-5DHT11引脚说明
表3-2DHT11引脚说明表
Pin
名称
注释
1
VDD
供电3－5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
3.3报警电路设计
报警采用控制器输出脉冲信号经一级放大电路驱动蜂鸣器报警的实现。
电路原理图如图3-8所示。
图3-8报警电路原理图
蜂鸣器额定电流IB≤30mA，而对于AT89S52单片机，P1口的灌电流为1．6mA，拉电流为60μA，由此可见，仅靠单片机的P1口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用集晶体管放大电路，为了使单片机消耗的功率更小，所以使用PNP型晶体管9012。
3.41602液晶显示模块电路设计
显示模块选用1602字符型液晶模块1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经编码后显示内容多样化。
显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低的优点。
显示容量为16×2个字符，芯片工作电压为4.5—5.5V，工作电流为2.0mA（5.0V），
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口。
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
系统采用P0口与液晶数据端口相连接，P2.0-P2.2与液晶的RS、W、E控制引脚相连，电路图如图3-9所示。
图3-91602液晶显示电路原理图如
3.5NRF24L01无线模块电路设计
4.5.1nRF24L01无线模块
nRF24L01性能参数如下：
（1）2.4Ghz全球开放ISM频段免许可证使用。
（2）最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。
（3）126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，待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA。
（6）内置2.4Ghz天线，体积小巧15mmX29mm。
（7）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。
图3-10NRF24L01框图
NRF24L01的框图如图3-10所示，从单片机控制的角度来看，我们只需要关注图3-10的右面的六个控制和数据信号，分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。
CSN：
芯片的片选线，CSN为低电平芯片工作。
SCK：
芯片控制的时钟线（SPI时钟）。
MISO：
芯片控制数据线（Masterinputslaveoutput）。
MOSI：
芯片控制数据线（Masteroutputslaveinput）。
IRQ：
中断信号。
无线通信过程中MCU主要是通过IRQ与NRF24L01进行通信。
CE：
芯片的模式控制线。
在CSN为低的情况下，CE协同NRF24L01的CONFIG寄存器共同决定NRF24L01的状态。
用单片机的P3口做控制，电路原理图如图4-6所示。
图3-11NRF24L01无线模块电路原理图
3.5.2NRF24L01无线模块Tx与Rx的配置过程
NRF24L01无线模块发送与接收的配置如表3-3.3-4所示。
表3-3Tx模式初始化过程
初始化步骤
24L01寄存器
1）写Tx节点的地址TX_
TX_ADDR
2）写Rx节点的地址（主要是为了使能AutoAck）
RX_ADDR_P0
3）使能AUTOACK
EN_AA
4）使能PIPE0
EN_RXADDR
5）配置自动重发次数
SETUP_RETR
6）选择通信频率
RF_CH
7）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率）
RF_SETUP
8）选择通道0有效数据宽度
Rx_Pw_P0
9）配置24L01的基本参数以及切换工作模式
CONFIG
表3-4Rx模式初始化过程
初始化步骤
24L01寄存器
1）写Rx节点的地址RX_
RX_ADDR_P0
2）使能AUTOACK
EN_AA
3）使能PIPE0
EN_RXADDR
4）选择通信频率RF_
RF_CH
5）选择通道0有效数据宽度
Rx_Pw_P0
6）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率）
RF_SETUP
7）配置24L01的基本参数以及切换工作模式Rx
CONFIG
3.6PCB板的绘制和生产
3.6.1ProtelDXP2004简介
ProtelDXP2004是目前印制电路设计应用中最为广泛的软件之一，它具有丰富多样的编辑功能，强大便捷的自动化设计能力，完善有效的检测工具，灵活有序的设计管理手段。
它为用户提供了极其丰富的原理图元件库、PCB元件库及出色的库编辑和库管理。
DXP2004SP2设计分工作空间（Workspace）、工程（Project）和含有具体设计内容的文件（Document）三个层次。
工作空间文件是关于工作空间的文本文件，它起着链接的作用，记录它管辖下的各种文件的有关信息，以便集成环境调用。
工作空间可以包含多个工程，工程分为：
PCB工程、FPGA工程、IntegratedLibrary工程等；不同的工程中又包含着其相应的各种具体内容文件。
界面如图3-12所示。
图3-12DXP界面图
3.6.2PCB制作流程
采用4ProtelDXP2004软件绘制的原理图和PCB板，（原理图和PCB板图见附录二）使用湿膜制作工艺制作具体过程如图4-6所示。
刷油墨
裁板
抛光
烘烤
钻孔
显影
镀锡
烘干
曝光
打印菲林
刷阻焊
退膜
蚀刻
退膜
图3-13PCB制作过程图
第四章系统软件设计
4.1软件设计思路
主机、从机采用模块化设计。
主机主要分为主模块、无线通信模块、显示模块、报警模块。
从机主要分为主模块、测温湿度模块、无线通信模块、显示模块、报警模块。
主机、从机主模块实现对其他模块的管理，主机主模块参考程序流程图如图4-1所示。
从机主模块参考程序流程图如图4-2所示。
开始
是否报警
NRF24L01初始化
是否
本地报警
LCD1602初始化
显示温湿度
接收温湿度数据
键盘扫描
温湿度数据处理
图4-1主机主模块参考程序流程
开始
是否报警
初始化
否
是
本地报警
启动温湿度转换
是否按键按下
读出温湿度数据
Key2
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