基于RF2401的家居环境无线监测系统毕业设计论文.docx

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基于RF2401的家居环境无线监测系统毕业设计论文

毕业设计（论文）

题目基于RF2401的家居环境无线监测系统

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摘要

为了提高环境参数采集的自动化水平，提高效率，设计了无线传感系统。

本系统运用了传感技术、通信技术和单片机技术，实现了对环境温度、湿度、光照度以及可燃性气体浓度等参数的检测。

它能够实时地与上位机进行无线通信，满足对环境参数实时监测的要求。

传感器技术与通信技术、计算机技术组合构成的智能传感器以其较高的精度、良好的可靠性、功能多样性等特点在过程控制以及信号检测中得到人们的关注，已成为当今国内外研究的一大热点。

本文设计了一种用于对环境信息进行实时监测的无线传感系统，在实际应用中能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输，体现了传感系统数字化、智能化、无线化的优点。

该系统以RF2401无线通信芯片为核心，配置AT89S52单片机及其单片机控制的DHT11温度传感器，可实时地对所测环境的温度、湿度、光照强度、有害气体浓度等参数进行测量处理。

采用多节点采集无线传输功能，避免了布线的繁琐，该系统结构简单、可靠、功耗较低、成本低，是一种俱佳的无线传感器的解决方案。

关键字：

RF2401芯片AT89S52单片机温度湿度光照强度无线传输

Abstract

Inordertoimprovetheautomationlevelofenvironmentalparameteracquisition,improvetheefficiencyofwirelesssensingsystemisdesigned.ThissystemUSESthesensortechnology,communicationtechnologyandmicrocomputertechnology,implementationoftheenvironmentaltemperature,humidity,light,andtheconcentrationofcombustiblegas,andotherparametersofthetest.

Itcanreal-timewirelesscommunicationwithPC,meettherequirementsofparametersreal-timemonitoringtotheenvironment.Sensortechnologyandcommunicationtechnology,computertechnologyconstitutetheintelligentsensorforitshighprecision,goodreliability,functionaldiversityandothercharacteristicsintheprocesscontrolandsignaldetectiontogettheattentionofpeople,hasbecomeahotspotintoday'sdomesticandforeignresearch.Thispaperdesignedakindofusedforreal-timemonitoringofenvironmentalinformationofwirelesssensingsystem,intheactualapplicationcancarryontheaccuratemeasurementofenvironmentalparametersandreliabletransmission,embodiestheadvantagesofdigital,intelligent,wirelesssensingsystem.RF2401wirelesscommunicationchipasthecore,thesystemconfigurationofAT89S52singlechipmicrocomputerandsinglechipmicrocomputercontrolDHT11temperaturesensor,canbeinrealtimeonthemeasuredenvironmenttemperature,humidity,lightintensity,theconcentrationofharmfulgases,andotherparametersmeasured.

Multi-nodeacquisitionwirelesstransmissionfunctionisadoptedtoavoidthecumbersomewiring,thesystemstructureissimple,reliable,lowpowerconsumption,lowcost,isakindofthebestwirelesssensorsolutions.

Keywords:

RF2401chip；AT89S52single-chipmicrocomputer；DHT11temperature；humidity；lightintensity；wirelesstransmission.

1绪论

1.1课题背景

室内环境一般泛指家庭、办公室等半封闭空间。

据统计，人一生中70%左右的时间要在室内度过，人均日吸入空气12立方米，而城市居民每天约60%~90%的时间在各种室内度过，为此，人们的生活环境安全是极为重要的。

然而，传统的室内环境监测设备是极为昂贵的，一般的家庭、企业单位不愿意购买，只有专业的检测机构和从事室内环境质量监测的公司才会购买，同时，价格不菲的检测费用使得很多家庭不愿意做室内环境质量的检测。

此外，传统的室内环境质量检测设备多为独立的单台设备，难以实现对环境的多点实时监测，设备利用率低，使用也不方便，这使得家庭、办公室以及电影院、餐厅、商场、车、船客舱等公共场所的环境质量的监测成为盲区，因此，开发一种低成本并能实现多点监测的室内环境监测系统的需求十分迫切，也具有广阔的市场前景。

1.2无线通信技术发展概况

随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。

在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。

由于厂房大、需要传输数据多，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，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。

而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。

在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。

如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。

在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。

凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。

为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。

本系统的设计采用了Nordic公司新推出的工作于2.4GHz频段NRF24L01射频芯片，由AT89S52单片机控制实现短距离无线数据通信。

该接口设计具有成本低、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AT89S52为核心，使用温湿度传感器DHT11实时采集温度、湿度并通过nRF24l01将采集的温湿度信息无线传送给接收部分，并通过串口发送到PC机上显示，通过TGS813可燃气体传感器实现对火灾等突发状况进行报警。

1.3设计要求与设计内容

设计要求：

（1）完成基于RF2401通信芯片的无线环境监测系统的设计；

（2）具备被检测环境的温度（-20~99度）、光照（有、无），湿度（0~99）、天然气浓度（0%~5%）、非法侵入等状态的监测功能；

（3）具备多节点采集、状态显示功能；具备节点转发以及数据汇集功能；

（4）单节点通信距离大于50m，数据速率大于500kbps。

设计内容：

（1）基于无线传感网络的远程数据监测系统的应用前景分析；

（2）无线传感网络的数据传输原理及应运；

（3）环境多状态采集传感电路的设计；

（4）按键及显示电路的设计；

（5）系统软件的设计。

2系统总体方案设计

2.1系统方案选择

2.1.1主控芯片方案

方案一：

采用传统的AT89S52单片机作为主控芯片。

此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。

方案二：

采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。

此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。

但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。

方案三：

采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。

此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。

而且价格适中。

考虑到此系统需要不用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用AT89S52作为本系统的主控芯片。

2.1.2无线通信模块方案

方案一：

采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。

方案二：

采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。

但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。

方案三：

采用NRF24L01无线射频模块进行通信，NRF24L01是一款高速低功耗的无线通信模块。

他能传输上千米的距离（加PA），而且价格较便宜、，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。

考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。

2.1.3显示模块方案

方案一：

选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。

12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。

方案二：

采用字符液晶LCD1602显示信息，1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。

方案三：

采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。

综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为接收端的显示。

发送端用7段数码管显示。

2.1.4温湿度传感方案

方案一：

采用AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。

方案二：

采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

经济，方便。

使用DS18B20线路简单，编程容易，但是比AD590精度低。

AD590还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大，但是温度精确。

考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案二，即用DS18B20作为本系统的温度传感器。

方案三：

为图器性能的综合应用，最终选择了I2C总线的DHT11数字温湿度传感器，其是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，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。

综合以上方案，我们选择经济方便的DS18B20作为温度传感器，并选择DHT11作为湿度传感器，作为温湿度采集模块。

2.1.5可燃气体传感方案

方案一：

采用日本费加罗FIGARO制作的半导体气体传感器TGS813传感器，它具有以下特点：

后期电路简单；长寿命，低功耗；对甲烷、乙烷、丙烷等可燃气体的高敏感度。

方案二：

采用MQ2气体传感器，它是一种具有广泛探测范围、高灵敏度、优越稳定性和驱动电路简单的普敏型气体传感器，可用于工厂和家庭以实现对特种成分气体浓度的检测。

综合以上方案，我们选用半导体气体传感器TGS813为可燃气体传感模块。

2.1.6单片机与PC机通信模块

采用MAX232来完成TTL-EIA（美国电子工业联合会）双向电平转换。

MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5V电源便可工作，使用十分方便，其与AT89S52连接时可以采用最简单的方式连接,MAX232的T1IN引脚与89S52的串行输入口线P3．1TXD相连，R1OUT引脚与89S52的串行输入口线P3．0RXD相连，MAX232的T1OUT、R1IN分别于与RS232的2、3引脚相连。

2.2系统最终方案

为提高系统的可靠性以及减小设计、开发周期，本系统由一个主节点和多个子节点组成，电路上均采用集成化设计。

子节点负责采集环境参量，通过无线通信模块将数据以多跳方式逐级传递给主节点；主节点除具备基本的参量采集功能外，主要负责将汇集来的各子节点数据通过GPRS网络发送给用户手机。

系统主节点组成如图2-1所示，可见在硬件结构上，任何一个子节点都可以通过与GPRS模块相连而变成主节点。

图2-1系统设计方案

发送端：

发送端由温度传感器DS18B20，,湿度传感器DHT11，AT89S52单片机，NRF2401无线射频模块，TGS813可燃气体传感器采集，外设继电器，LED7段数码管组成。

图2-2发送端系统方案框图

接收端：

接收端由AT89S52单片机，NRF2401无线射频模块，报警电路，GPRS模块LCD1602显示模块组成。

图2-3接收端系统方案框图

3系统硬件设计

3.1系统控制模块

单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。

总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：

集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。

单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。

然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。

它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能

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在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

引脚图如图3-1所示。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

图3-1AT89S52单片机管脚图

（1）主要功能特性:

·兼容MCS-51指令系统

·8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

·32个双向I/O口

·4.5-5.5V工作电压

·2个16位可编程定时/计数器

·时钟频率0-33MHz

·全双工UART串行中断口线

·256x8bit内部RAM

·2个外部中断源

·低功耗空闲和省电模式

·中断唤醒省电模式

·3级加密位

·看门狗（WDT）电路

·软件设置空闲和省电功能

·灵活的ISP字节和分页编程

·双数据寄存器指针

（2）AT89S52单片机引脚介绍:

引脚如图3.1所示，以下是各引脚的说明。

VCC：

AT89S52电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

XTAL1：

单芯片系统时钟的反向放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统皆可以工作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：

AT89S52的重置引脚，高电平工作，当要对晶片重置时，只要对此引脚点评提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp：

“EA”为英文“ExternalAccess”的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当引脚为低电平后，系统会调用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。

如果使用8751内部程序空间时，引脚要接成高电平。

此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

PORT0（P0.0―P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路电极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0―A7）及数据总线（D0―D7）。

设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0―A7，再配合端口2所送出的A8―A15合成一个完整的16位地址总线，而定位地址到64K的外部存储器空间。

PORT1（P1.0―P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，若将端口1的输出设为高电平，使是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部缓冲输入脚，而P。

1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发引脚。

PORT2（P2.0―P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，同样地，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8―A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT3（P3.0―P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：

RXD,串行通信输入。

P3.1：

TXD,串行通信输出。

P3.2：

INT0,外部中断0输入。

P3.3：

INT1,外部中断1输入。

P3.4：

T0，计时计数器0输入。

P3.5：

T1，计时计数器1输入。

P3.6：

WR,外部数据存储器的写入信号。

P3.7：

RD,外部数据存储器的读取信号。

3.1.1单片机控制模块

单片机控制模块由AT89S52最小系统组成，其中包括单片机，晶振电路和复位电路。

（1）、晶振电路

晶振电路由两个30pF电容和一个12MHz晶体振荡器构成，接入单片机的X1、X2引脚。

（2）、复位电路

单片复位端低电平有效。

图3-2单片机最小系统

3.2无线传输模块

3.2.1NRF2401芯片概述

NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、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。

芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。

其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。

nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

NRF2401主要特性如下：

GFSK调制；

硬件集成OSI链路层；

具有自动应答和自动在发射功能；

片内自动生成报头和CRC校验码；

数据传输率为1Mb/s或2Mb/s；

SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；

125个频道；

与其他NRF24系列射频器件相兼容；

QFN20引脚4mm×4mm封装；

供电电压为1.9V～3.6V；

3.2.2芯片结构、引脚说明

1.芯片结构

NRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。

QFN24引脚封装，外形尺寸只有5×5mm。

nRF2401的功能模块如图3-3所示

图3-3