基于单总线的多点无线温湿度检测.docx
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基于单总线的多点无线温湿度检测
摘要
随着科学技术的日新月异，人类社会取得了长足的进步。
在居家生活、工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境中的温度和湿度进行测量和控制。
本设计设计了一个智能化的温湿度测量应用系统。
本系统采用技术成熟的DHT11作为测量温度和湿度的传感器。
控制系统芯片采用技术成熟、功能强大价位低廉的大众化的AT89S52单片机。
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符合传感器。
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原件和一个NTC测温原件，并与一个高性能8位单片机相连接。
每个DHT11传感器都在精确的温度校验箱中进行校准。
校准系数以程序的形式存在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，使系统集成变得简易快捷。
LCD显示电路，报警电路都有AT89S52单片机控制。
系统设计了各个功能部分的软件程序。
由本设计课题做成的温湿度检测系统结构简单、价格便宜、量程宽，具有较高的可靠性、安全性及实用性。
关键词：
温湿度检测单总线无线网络
MultipointTemperatureDetectionBasedOnSingleBus
WanShaoguang
（CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China）
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,humansocietyhasachievedgreatprogress.Inthelifethatoccupythehome,industry,agriculture,nationaldefense,weather,environmentalprotectionandscientificresearchdepartments,suchasaerospace,oftenneedtotheenvironmenthumidityandtemperaturemeasurementandcontrol.Thedesignofanintelligenthumiditymeasuringtheapplicationsystems.ThesystemadoptsthetechnologyDHT11asmeasuringthehumidityandtemperaturesensor.Controlsystemchipadoptmaturetechnology,powerful,pricecheappopularAT89S52.EachDHT11sensorsareaccuratecalibrationofhumidityincalibration.Intheformofcalibrationcoefficientoftheprogrammemory,OTPstoredinsensorsignaldetectionintheinternalprocesstocallthesecalibrationfactor.Wiredsystem,systemintegrationserialinterfacebecomeseasy.LCDdisplaycircuit,soundalarmcircuitcontrolledbyAT89S52.Thedesignofthesystemsoftwareprogrameachfunction.Bythisdesigntasktomakethetemperatureandhumidityofthedetectionsystemstructureissimple,cheap,widerange,highreliability,safetyandpracticality.
Keywords:
temperatureandhumiditydetectionsinglebuswireless
目录
1前言6
1.1设计意义6
1.2设计依据6
1.3设计内容6
1.4文献综述7
2总体方案确定7
2.1设计要求7
2.2方案比较7
2.3方案确定8
2.4主要技术参数10
3理论分析及设计10
3.1主要元器件选择10
3.1.1温湿度传感器DHT1110
3.1.2无线通信模块nRF24L0110
3.1.3液晶显示器160210
3.1.4单片机AT89S5211
3.2系统、配件及硬件设计11
3.2.1温度检测部分11
3.2.2无线模块部分12
3.2.3显示部分13
3.2.4报警电路14
3.2.5串口UART15
3.2.6主机键盘16
3.2.7从机物理地址配置16
3.3程序设计17
3.3.1主机主程序17
3.3.2温度采集18
3.3.3显示温湿度18
3.3.4键盘扫描19
3.3.5自动切换监控点21
3.3.6报警程序21
3.3.6串口通信22
3.3.7从机主程序22
3.3.8无线发射23
3.3.9无线接收23
3.4系统操作界面组成与说明24
4测试与试验分析24
4.1模型制作和加工24
4.1.1布线方式的选择24
4.1.2模型制作25
4.2调试、出现问题和原因分析25
4.2.1调试过程25
4.2.2出现的主要问题、原因分析及解决26
4.3实地测试结果27
4.3.1室内测试27
4.3.2室外测试28
5结论28
5.1总结28
5.2结语28
参考文献29
附录30
附录1主机程序代码30
附录2从机程序代码80
附录3设计主要电路图89
致谢90
毕业论文（设计）成绩评定表
1前言
1.1设计意义
科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。
我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的一个主流，广泛地深入到研究和应用工程的哥哥领域。
温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响。
因此对温度的测量至关重要。
其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。
随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输相互处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。
分布式温度传感器在电力工业、煤矿、森林、火宅、高层建筑、航空、航天飞行器等有着重要的应用前景，引起研究人员的广泛关注。
近年来，已经有不少分布式温度传感器的报道，包括哦基于光纤非线性效应的拉曼温度传感器等，但由于其昂贵的成本而无法得到广泛的应用。
如果设计出一款集成本低廉、系统稳定、监控范围广于一身的产品，那将会在民生方面产生极大的效益。
1.2设计依据
1、华南农业大学毕业设计要求
2、《基于单总线的多点温度检测》题目设计要求
3、单总线通讯协议
4、SPI总线通讯协议
1.3设计内容
本设计使用型号DHT11的传感器，因为其集成了温度和湿度传感，且数据以单总线的形式进行传输，硬件结构简单。
唯一的缺点是其测量范围较少，为0～50摄氏度、相对湿度10%～90%，但是对于一般民用的温湿度检测、自动控制已经有很好的效果。
以AT89S52单片机作为控制核心，提出了一种基于DHT11分布式温湿度传感系统，多个温湿度传感器节点通过nRF24L01无线模块组成广域监控网络，形成大范围的分布式系统。
单片机实时监控温湿度的变化，通过1602液晶显示各节点的温湿度数值，当温湿度超出允许范围时，报警器开始报警，从而远程实现对整个温湿度系统的管理和控制。
这种分布式温湿度测量系统具有成本低廉、系统稳定、监控范围广、易于管理等优点。
1.4文献综述
通信工程、测控技术、空间科学等电子技术在科技领域的应用起着龙头作用（康华光，2006），随着“信息时代”的到来，国内外已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一（陈建元，2007），大兴生产企业的生产线，通常采用大量现金的智能仪器和自动测试系统，电子测量技术与仪器室电子技术、通信技术、控制欲检测等领域必不可少的部分，功能单一的传统测量仪器逐步向智能仪器和模块式自动测试系统发展（张大彪，2011,电子测量技术与仪器）。
本文针对无线传感器节点的信号传输方式进了模型仿真研究，并在24层高的大厦中进行了实际测量。
2总体方案确定
2.1设计要求
1、基本要求：
1、温度检测并显示
2、基于单总线技术
3、实现多点检测
2、扩展功能：
1、湿度检测并显示
2、以无线通信方式实现
3、过限报警
4、串口输出
2.2方案比较
方案一：
温度传感器和湿度传感器分离
温度传感器：
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。
主要根据应用场合的不同而改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。
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。
元件优点：
精度0.5度，测温的范围在-55~155度左右，与单片机的接口简单。
元件缺点：
编程比较复杂，单只使用比较简单，多只单总线使用涉及到ROM搜索的程序，涉及到数据结构的二叉树部分。
湿度传感器：
HS1101基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。
元件优点：
测量范围RH0~100%RH。
响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准和完全互换。
元件缺点：
要外接555非稳态电路才能使用的二脚器件，非单总线传输，与题目不符合。
（注：
现没有单纯的基于单总线的湿度传感器）
方案二：
温度传感器和湿度传感器集成
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉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和卓越的长期稳定性。
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传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型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，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
产品为4针单排引脚封装，连接方便。
元件优点：
供电电压范围大（3.3~5.5VDC）与单片机兼容，可完全互换，长期稳定性<±1%RH/年。
温湿度集成，单总线输出温湿度值，无需校准。
元件缺点：
测量范围湿度20-90%RH，温度0~50℃，测量精度湿度+-5%RH，温度+-2℃，分辨率湿度1%RH，温度1℃。
参数方面较方案一差，无内部地址，无法单总线挂载多个。
2.3方案确定
综合比较方案一与方案二，虽然方案一的参数优于方案二，但是方案一需要为两个器件分别配置硬件电路，编程方面也要分别配置，而且HS1101并非单总线器件不符合题目要求。
方案二电路配置简单，编程也只需针对一个器件，虽然参数方面略差，但一般民用已经足已，更为适合于本设计系统对于温湿度检测的选择。
图1.方案总体框图
以AT89S52单片机作为控制核心，基于DHT11的分布式温湿度传感系统，多个温湿度传感器节点通过nRF24L01无线模块组成广域监控网络，形成大范围的分布式系统。
2.4主要技术参数
温度检测范围：
0－50摄氏度
温度测量精度：
1摄氏度
相对湿度测量范围：
10%－90%
相对湿度测量精度：
1%
显示方式：
四位显示
报警方式：
三极管驱动蜂鸣器报警，各报警线报警声音不同
3理论分析及设计
3.1主要元器件选择
3.1.1温湿度传感器DHT11
供电电压范围大（3.3~5.5VDC）与单片机兼容，可完全互换，长期稳定性<±1%RH/年。
温湿度集成，单总线输出温湿度值，无需校准。
测量范围湿度20-90%RH，温度0~50℃，测量精度湿度+-5%RH，温度+-2℃，分辨率湿度1%RH，温度1℃。
参数方面一般民用已经足够。
3.1.2无线通信模块nRF24L01
nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、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,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，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。
3.1.3液晶显示器1602
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。
3.1.4单片机AT89S52
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。
3.2系统、配件及硬件设计
3.2.1温度检测部分
1、硬件连接
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。
图2.DHT11管脚连接图
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。
2、引脚说明：
Pin
名称
功能
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
表1.DHT11引脚说明
3.2.2无线模块部分
1、硬件连接
图3.XL24L01模块引脚连接
图4.XL24L01模块电源配置
由于nRF24L01的工作电压在1.9V-3.6V之间，at89s52的工作电压与其不匹配，需要额外配置3.3V左右的电源。
为了方面电源对单片机和无线模块统一供电，选择了LM317三端可调稳压芯片对5V直流电源降压稳压。
无线模块信号、控制引脚可直接单片机相连，只要电流在<10mA就可以了，各信号、控制引脚与单片机之间串接1K的电阻（详见附录3：
电路原理总图）。
2、引脚说明：
Pin
名称
功能
1
GND
电源地（方形焊盘）
2
VIN
输入电源（3.0—3.3V）
3
CE
工作模式选择，RX或TX模式选择
4
CSN
SPI使能,低有效
5
SCK
SPI时钟
6
MOSI
SPI输入
7
MISO
SPI输出
8
IRQ
中断输出
表2.XL24L01模块引脚说明
3、模块引脚
图5.无线模块引脚图
3.2.3显示部分
1、硬件设计
图6.LCD1602模块与单片机连接图
直接访问方式接口电路。
直接访问方式是单片机把字符型液晶显示模块作为存储器或I/O设备直接挂载单片机的总线上。
上图中8位数据总线与at89s52的数据总线连接，E信号由单片机直接控制。
图中的电位器为液晶驱动电压，提供了可调的驱动电压，用以调节液晶模块的显示对比度。
常温型字符液晶模块的液晶驱动电压的参考值VO=0.2V。
宽温型的字符液晶模块的液晶驱动电压一般为负值，参考值根据具体型号而定。
图中所示模块为常温型模块。
2、引脚说明
Pin
名称
功能
1
GND
电源地
2
VCC
电源正
3
VEE
对比度电压
4
RS
数据/指令输入
5
RW
读/写
6
E
使能
7
DB0
8位数据总线
8
DB1
9
DB2
10
DB3
11
DB4
12
DB5
13
DB6
14
DB7
15
A
背光灯电源正
16
K
背光灯电源地
表3.LCD1602引脚说明
3.2.4报警电路
1、硬件连接
图7.报警电路
蜂鸣器由PNP型三极管驱动其开关，根据单片机引脚（Beep）输出不同频率的矩形脉冲，可以改变蜂鸣的频率，以达到改变报警声音的目的。
用PNP三极管的目的是单片机可以用低电平驱动，以提高驱动能力。
3.2.5串口UART
1、硬件连接
图8.串口连接图
MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专门RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。
电容器应选择1μF的电解电容。
由于PC的逻辑电平与单片机的不同，所以在PC与单片机之间进行通信就需要进行逻辑电平的快速转换。
注意，由于RS232电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁max232，所以在使用中应尽量避免热插拔。
3.2.6主机键盘
1、硬件连接
图9.主机键盘
键盘按钮设有5个功能键，分别为：
确认、返回、向上、向下和菜单。
由于功能键的数目不多，顾采用了连接方式较为简单的独立式键盘。
当按钮按下时，单片机引脚为低电平；按钮未按下时，由于单片机已接上拉电阻，顾引脚为高电平。
当单片机检测到引脚为低电平时，判为按键已按下，响应操作。
3.2.7从机物理地址配置
1、硬件连接
图10.从机物理地址设置原理
从机的P2.0-P2.4引脚接单刀双掷开关，一端接上拉电阻，另一端接地，打到相应位置时对应相应高低电平。
P2.5-P2.7已经接地，默认为零，即从机物理地址范围为：
00000000-11111000，共32个可变地址，即一台主机最多可以同时检测32个不同的点。
这样设置是基于本设计的。
本设计默认设置主机最多检测26+1个点，从机从A到Z+主机，一般民用已经足够有余，若要增加从机的个数可以把P2.5-P2.7的连接方式改为P2.0的连接方式，这样一台主机最多可以同时检测256+1个点。
3.3程序设计
3.3.1主机主程序
图11.主机主程序流程图
3.3.2温度采集
图12.温度采集程序流程图
3.3.3显示温湿度
图13.显示程序流程图
3.3.4键盘扫描
图14.键盘扫描流程图1
图15.键盘扫描流程图2
3.3.5自动切换监控点
图16.自动切换监控点程序流程图
3.3.6报警程序
图17.警报监控程序流程图
3.3.6串口通信
图18.串口通信程序流程图
3.3.7从机主程序
图19.从机主程序流程图
3.3.8无线发射
图20.无线发射程序流程图
3.3.9无线接收
图21.无线接收程序流程图
3.4系统操作界面组成与说明
图22.系统界面构成
4测试与试验分析
4.1模型制作和加工
4.1.1布线方式的选择
PCB布线固然使系统稳定、美观，但需要曝光、显影、刻蚀、钻孔等复杂步骤和相关仪器工具。
由于条件不允许，作者制作本设计的模型采用了万能板走线的方式。
其优点是制作工具简单，只需要一个烙铁就可以。
其缺点是系统稳定性低，布线苛刻需要比较多的飞线，费时等。
4.1.2模型制作
1、发射从机2台
其构成为：
单片机最小系统+DHT11外围+地址配置电路+LM317降压电路+nRF24L01无线模块。
2、主接收机1台
其构成为：
单片机最小系统+DHT11外围+LM317降压电路+nRF24L01无线模块+LCD1602模块+UART串口模块+键盘外围。
3、调试用led板
其构成为：
8路红色led串联1K电阻，共阳连接，作为调试模块使用。
所有模型的相关接口、引脚都预留排针供调试使用。
4.2调试、出现问题和原因分析
4.2.1调试过程
1、单片机最小系统调试
首先单片机内部程序写入P0=0x0f，P1=0xf0，P2=0x0f，P3=0xf0，使四个主要IO口输出预定电平。
把led测试模块分别连接在各个IO口预留出的排针上，led显示正常。
然后四个IO口都分别输出周期为一秒的方波，led测试模块闪烁正常。
判定各模块最小系统正常工作。
2、LCD1602调试
编写完相关配置函数后，在开发板上对1602编写了一个简单的开机画面（程序详见附录3：
主机程序代码），画面显示正常，无闪屏，对比度稳定，无乱码。
对1602的对比度调节电阻进行调节，对比度变化明显，无特别问题。
长时间（>6小时）通电后，液晶显示正常。
判定LCD1602运行正常
3、DHT11传感器调试
在开发板上编写完相关配置函数后，将DHT11的DQ引脚连接到P1.6上进行数据读取并用调试过的LCD1602进行数值显示。
其值与室内温度计之间误差1摄氏度，判断为正常误差。
用口对着DHT11吹气，湿度值变化明显（实际测试时：
从72%跳至83%），判定DHT11工作正常。
4、LM317降压电路调试
稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25（1+R2/R1）。
为免烧坏无线模块的芯片，作者决定将电压从5V降至3V（无线模块最高工作电压3.3V），R1使用250欧姆的电阻，R2则采用10K可调电阻。
焊接前，把10K可调电阻调至350欧姆。
焊接完成后，接入5V电源（实测4.96V），测得LM317开路输出电压为3.27V。
略微调小R2之后，输出电压实测2.96V，后无调整。
5、nRF24L01无线模块调试
焊接上无线模块后，其信号、控制引脚经1K电阻连接至开发板P1.0~P1.5（6只引脚）。
编写完相关配置函数后，单片机用指令SPI_Read_Buf（STATUS,a,1）;读取其状态寄存器的值送至a[]数组。
查表得nRF24L01状态寄存器上电复位后的值为0EH。
将其读到的值a[0]送至P2口输出，并用调试用led模块连接。
Led亮灭情况为00001110，即十六进制的0E，无线模块与单片机接口定义和连接正常，模块已正常工作。
然后单片机用指令SP
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