空氣濕度監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)+開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　空氣濕度監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p

2、><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　

3、　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用十多個領(lǐng)域，近年來成為國內(nèi)外傳感器技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。它是在特定的背景下以一定的網(wǎng)絡(luò)模型規(guī)劃的一組傳感器節(jié)點(diǎn)的集合，傳感器節(jié)點(diǎn)是為傳感器網(wǎng)絡(luò)特別設(shè)計(jì)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在整個網(wǎng)絡(luò)體系中處十重要的地位。</p><p>　　本文主要以環(huán)境監(jiān)測為背景，設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。論文完成的主要工作如下:</p><p>　　(

4、1)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起源和發(fā)展、研究現(xiàn)狀，以及幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的了解，探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研制的基本原則和思想。</p><p>　　(2)在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析后，本文采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將濕度傳感器節(jié)點(diǎn)分布在需要測量的現(xiàn)場,執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送的功能。濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂乒?jié)點(diǎn)后再通過232串口總線發(fā)送到監(jiān)測中心主機(jī),實(shí)時顯示每個濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的信息。</p><

5、p>　　(3)論文工作中對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室環(huán)境監(jiān)測的一些技術(shù)做了一些研究，并在此基礎(chǔ)上提出了一套用于溫室的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。</p><p>　　面向環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已開發(fā)完成，實(shí)踐證明該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)能夠滿足溫室各種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，取得了較好的效果。系統(tǒng)功能獨(dú)立，其中下位機(jī)既可單獨(dú)運(yùn)行控制，也可通過串口由PC機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。經(jīng)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，整個系統(tǒng)配置合理，操作方便，一易于擴(kuò)展，可靠性好，通

6、用性強(qiáng)，適合于中小型溫室環(huán)境的自動監(jiān)控</p><p>　　關(guān)鍵詞：空氣溫濕度；傳感器；單片機(jī)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Wireless Sensor Network (WSN) is a hot research subject in sensor technology are

7、 a recent years, which is widely used in many fields as a new information technology of acquisition and processing. It is a certain network planning model in the specific context, which is consisted of a collection of s

8、ensor nodes. Sensor node is a micro-computer system.It plays an important role in It is specifically designed for wireless sensor networks. It plays an important role in the whole network.</p><p>　　In this p

9、aper, to environmental monitoring as the background, designed a wireless sensor network node. It achieves the main jobs:</p><p>　　(1)The dissertation carried out a sound study on the development，Present stat

10、us，some key technique，as well as the basic Principles and Philosophy of WSN.</p><p>　　(2)In this dissertation,we used Star topology,the humidity sensor nodes Distributed in the field to be measured, Perform

11、data collection, processing, transmission function. Humidity data to the control node and then sent via 485 to the monitoring center console, real-time display of information for each humidity sensor node.</p><

12、;p>　　(3)The work also studied the technology of environment monitoring in coal WSN, and a monitoring system is build for monitoring the environment information of humidity in coal mine.</p><p>　　Wireless

13、sensor network nodes for environment monitoring has been developed and is proven that the node is designed to meet the down-hole monitoring of various environmental parameters, and achieved good results.By the test of si

14、mulate trial, we find that the system have many characteristics such as reasonable configuration, operating easily, easy to expand, good reliability ,better universal property and ete. It is suitable for the monitor and

15、control system of medium and small-scale greenhouse</p><p>　　Keyword: Air Temperature and humidity；Sensors; SCM;wireless sensor network</p><p>　　空氣濕度監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)I</p><p><b>　　

16、摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p>　　第一章 緒論1</p><p>　　1.1研究背景和意義1</p><p>　　1.2 研究發(fā)展和現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.1空氣濕度測量技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀3</p><p>　　

17、1.2.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究的發(fā)展4</p><p>　　1.2.3現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)5</p><p>　　1.3本課題的主要內(nèi)容6</p><p>　　1.4課題研究的主要步驟7</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及芯片選擇7</p><p><b>　　2.1引言7</b

18、></p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)要求8</b></p><p>　　2.3系統(tǒng)總體方案8</p><p>　　2.4主要元器件的選取9</p><p>　　2.4.1傳感器的選取9</p><p>　　2.4.2單片機(jī)的選取10</p><p>　

19、　2.4.3無線模塊的選取11</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1空氣溫濕度傳感器介紹12</p><p>　　3.2顯示電路14</p><p>　　3.3報(bào)警電路16</p><p>　　3.4無線模塊電路17</p><p>　　3.5串口

20、通訊接口電路19</p><p>　　第四章 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2傳感器數(shù)據(jù)傳輸子程序20</p><p>　　4.3數(shù)據(jù)濾波子程序22</p><p>　　4.4標(biāo)度變換子程序23</p><p>　　4.5無

21、線傳輸子程序23</p><p>　　4.6顯示子程序24</p><p>　　4.7報(bào)警子程序24</p><p>　　第五章 串口通訊軟件設(shè)計(jì)（附）25</p><p>　　5.1通訊協(xié)議約定25</p><p>　　5.2串口的基本特點(diǎn)25</p><p>　　第六章 結(jié)論與建

22、議25</p><p>　　6.1主要結(jié)論25</p><p>　　6.2系統(tǒng)改進(jìn)和擴(kuò)展的建議26</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附件30</b></p>&

23、lt;p>　　附錄（一）:傳感器數(shù)據(jù)傳輸子程序30</p><p>　　附件（二）：數(shù)據(jù)濾波子程序35</p><p>　　附錄（三）：標(biāo)度變換子程序:37</p><p>　　附錄（四）：無線通信子程序40</p><p>　　附錄（五）：超限報(bào)警程序56</p><p><b>　　第一章

24、 緒論</b></p><p>　　1.1研究背景和意義</p><p>　　空氣濕度是表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取?。 空氣濕度在許多方面有著重要的用途，在大氣學(xué)、氣象學(xué)和氣候?qū)W中它是理論中的一個重要值，在實(shí)際生活中也有很大的用途。在醫(yī)學(xué)上空氣的濕度與呼吸之間的關(guān)系

25、非常緊密。在建筑物理中露點(diǎn)也是一個非常重要的量，而一般人在45-55%的相對濕度下感覺最舒適。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的信息采集技術(shù)。在現(xiàn)在這個信息時代日益受到國內(nèi)外科研工作者的高度重視。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，指的是在環(huán)境中布置傳感器節(jié)點(diǎn)，并以無線通信方式組織成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)完成一些數(shù)據(jù)采集工作，節(jié)點(diǎn)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，并最終由特定的應(yīng)用接收。</p><p&

26、gt;　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平面結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐條地進(jìn)行傳輸，在傳輸?shù)倪^程中數(shù)據(jù)可能被多個中間節(jié)點(diǎn)處理。經(jīng)過多條路由后，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，最后通過Internet或者衛(wèi)星將收集到的數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)端用戶，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。</p><p>　　圖1-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖</p>

27、<p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可分為兩種:普通的傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)，一般為一個微型的嵌入式系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)簡單，它的處理能力、存儲能力和通信能力都相對較弱，使它的工作時間收到了很大的限制。匯聚節(jié)點(diǎn)，可以是一個具有增強(qiáng)功能的普通節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。節(jié)點(diǎn)處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng)。</p><p>　　在

28、分簇結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成，這些簇頭組成高一級的網(wǎng)絡(luò)。簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，簇頭則負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，分工合作，大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制的信息量，因此具有很好的可擴(kuò)充性。簇頭可以預(yù)先指定，也可以通過分簇算法選舉產(chǎn)生。由于簇頭可以通過選舉隨時產(chǎn)生，所以分簇結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和抗毀性，維護(hù)分簇結(jié)構(gòu)需要節(jié)點(diǎn)執(zhí)行分簇算法。</p><p>　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)性，使其應(yīng)用

29、領(lǐng)域與普通通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著的區(qū)別，其主要包括以下幾類：</p><p>　　(1)災(zāi)害，保護(hù)區(qū)監(jiān)測</p><p>　　在發(fā)生了地震、暴雪或遭受嚴(yán)重自然災(zāi)害打擊后，固定的通信設(shè)施被大面積摧毀，對于搶險(xiǎn)救災(zāi)來說這將造成很多困難，這時就需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，來完成通信網(wǎng)絡(luò)的組建。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方便快速展開和自組織特點(diǎn)，是這些場合通信的最佳選擇。</p>

30、<p><b>　　(2)戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)控</b></p><p>　　軍事應(yīng)用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。由于其特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以迅速在指定戰(zhàn)區(qū)布置完成，及時掌握戰(zhàn)場資訊，使戰(zhàn)場更加單方面透明，而且它的生存性相當(dāng)出色，不用擔(dān)心維護(hù)問題。由于以上原因無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為數(shù)字無人戰(zhàn)場無線數(shù)據(jù)通信的首選技術(shù)，是軍隊(duì)在敵對區(qū)域中獲取情報(bào)的重要

31、技術(shù)手段。在軍事上有著非常廣的應(yīng)用，因此許多國家不惜巨資進(jìn)行相關(guān)研究。</p><p>　　(3) 實(shí)時監(jiān)測和預(yù)報(bào)環(huán)境因子</p><p>　　隨著人們生活水平的提高，越來越多的人開始關(guān)注人類自身生存的環(huán)境，這就為環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品的興起提供了契機(jī)。目前的大部分環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還停留在工業(yè)時代，也就是如果工作人員需要知道環(huán)境參數(shù)，只能實(shí)地測量記錄，這樣既浪費(fèi)人力，時效性也差，不能實(shí)時監(jiān)測，遇到突發(fā)事

32、件反映速度會很慢，完全不能滿足現(xiàn)代社會的需求。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的目的就是建設(shè)一個實(shí)時濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)直接送到管理員的顯示器上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，實(shí)時顯示，實(shí)時管理。由于技術(shù)，人員，資金，時間的限制，本設(shè)計(jì)只能做一個簡易的模型。但我相信未來這種系統(tǒng)一定會有很大的發(fā)展，這種系統(tǒng)一定會更加微型化，智能化，為我們的生活提供便利和舒適。</p><p>　　1.2 研

33、究發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1空氣濕度測量技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p>　　濕度測量的原理有：干濕球測量法，露點(diǎn)濕度測量法，利用物質(zhì)幾何尺寸變化測量法，氣象色譜法，化學(xué)物質(zhì)電特性法等。</p><p>　?。?）干濕球濕度計(jì)：由兩只溫度計(jì)組成。一支包濕潤網(wǎng)套，另一支不包。當(dāng)網(wǎng)套表面水分蒸發(fā)時，會吸走一部分熱量使網(wǎng)套溫度降低。于是，這一支溫度計(jì)所指示

34、的溫度，就比另一支不包網(wǎng)套的溫度計(jì)所指示的溫度低?？諝獾南鄬穸仍降?，網(wǎng)套蒸發(fā)水分的速度越快，因而溫度降低的幅度越大。根據(jù)此溫度差和干球溫度，可從儀器所附的對照表中查出周圍氣體的相對濕度。這種濕度計(jì)結(jié)構(gòu)相對較為簡單，主要用于氣象測量和室內(nèi)空氣濕度測量。</p><p>　　相對濕度的計(jì)算：F=e/F×100%</p><p>　　式中：F——相對濕度（%）；</p>

35、<p>　　e——空氣中的水汽壓；</p><p>　　E——干球溫度條件下的飽和水汽壓。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)相對濕度接近100%RH時，可以得到較高的準(zhǔn)確度。盡管若濕球溫度計(jì)被污染或使用不當(dāng)時會帶來誤差，但由于該裝置比較簡單，使得維修費(fèi)用非常低。主要用于室溫高于100℃的場合，是基本測量，穩(wěn)定性好，簡單，便宜，成本低。 </p><p>　　

36、缺點(diǎn)：測量結(jié)果很難做到精確，并需要進(jìn)行計(jì)算才能得到最終結(jié)果。結(jié)果產(chǎn)生影響的因素還有溫度測量誤差、風(fēng)速、輻射誤差等。在20℃時，干濕球溫度差的誤差為0.1℃時，相對濕度的誤差為1%RH。</p><p>　?。?）冷鏡式露點(diǎn)儀：當(dāng)被測濕氣進(jìn)入露點(diǎn)測量室時掠過冷鏡面，當(dāng)鏡面溫度降至濕氣露點(diǎn)溫度時，鏡面上開始結(jié)露，光照在鏡面上出現(xiàn)漫反射，亮度減弱，光電傳感器感應(yīng)到的反射信號隨之減弱，此變化經(jīng)控制回路比較、放大后調(diào)節(jié)熱電

37、泵激勵，使其制冷功率適當(dāng)減小。最后，鏡面溫度保持在樣氣露點(diǎn)溫度相同。鏡面的溫度由一緊貼在冷鏡面下方的鉑電阻溫度傳感器感應(yīng)，并顯示在顯示窗上。 </p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：屬基本測量，測量準(zhǔn)確，并且儀器比較穩(wěn)定無漂移，目前準(zhǔn)確度最高的儀器可達(dá)±0.1℃。 </p><p>　　缺點(diǎn)：價格較高，對操作人員的要求較高，并需進(jìn)行維護(hù)。對污染物敏感。在-20℃~0℃范圍內(nèi)有時會有過冷水存在

38、，因此要特別小心區(qū)分過冷水和霜。</p><p>　?。?）氧化鋁電容式濕度計(jì)</p><p>　　氧化鋁電容式濕度計(jì)是一個電容器，通過將一薄層孔狀的氧化鋁沉積在導(dǎo)電的基體上，然后再在氧化鋁薄層上涂敷一層薄金。導(dǎo)電基體和金薄層就形成電容器的電極。水蒸氣穿過金薄層被孔狀的氧化鋁吸收，這個電容器的阻抗與水分子個數(shù)，即水汽分壓成一定的比例。通過測量該電容器的阻抗或電容可獲得水汽分壓，通過換算可得

39、到露點(diǎn)值。該儀器形式繁多，例如便攜式電池操作的、顯示多參數(shù)的等等。 </p><p>　　它的感應(yīng)范圍很廣，位于鋁和金電極之間的氧化鋁薄層在10-3Pa(約相當(dāng)于-110℃露點(diǎn))到水的飽和汽壓的整個范圍內(nèi)都有響應(yīng)。由于其對水的強(qiáng)烈的親和力，再加上水的較大的介電常數(shù)，使得這類儀器對水有高度的選擇性，而對其它普通氣體及有機(jī)氣和液體沒有響應(yīng)。 </p><p>　　準(zhǔn)確度也較高，在中高濕范圍其準(zhǔn)

40、確度一般為±1~±2℃，低濕范圍，比如-100℃時，準(zhǔn)確度一般為±2~±3℃。該類傳感器不與烴類氣體、CO、CO2、含氯氟烴氣體發(fā)生反應(yīng)，但對于不同的氣體其漂移不同。對于某些腐蝕性氣體，例如氨、SO3以及氯，則會損壞傳感器，因此應(yīng)盡量避免。 </p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：較寬的響應(yīng)范圍，從1μL/L(ppmv)到80%RH，可以遠(yuǎn)程安裝，可以現(xiàn)場使用，相對穩(wěn)定，響應(yīng)較快，溫度

41、系數(shù)較小，與流量變化無關(guān)，對水分有較高的選擇性，可以在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)使用，日常維護(hù)量較小，體積小。 </p><p>　　缺點(diǎn)：該方法是間接測量，在較高的溫度下操作或某些氣體會引起漂移，受腐蝕性氣體的影響，必須定期校準(zhǔn)以克服老化、滯后及污染。由于響應(yīng)值非線性，因此需對每只傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，不能通用。 </p><p>　　以上介紹的都是些市面上比較常見的空氣濕度計(jì)的基本原理和各自的優(yōu)

42、缺點(diǎn)。一些不常用的這里就不介紹了。本次設(shè)計(jì)所用的是數(shù)字溫濕度傳感器DHT21（AM2301），在后面的器件說明中將詳細(xì)介紹。</p><p>　　1.2.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究的發(fā)展</p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究開發(fā)方面，傳感器節(jié)點(diǎn)的研究在國內(nèi)方面，中科院計(jì)算所研制出了具有國外同類產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的軟件平臺。如圖1-3所示。除了串口的接入節(jié)點(diǎn)外，中科院計(jì)算所還推出了USB接口的接

43、入節(jié)點(diǎn)，使用起來更加方便，USB設(shè)備不但可以充當(dāng)與PC之間的通信接口，需要的情況下還可以對節(jié)點(diǎn)電池進(jìn)行充電。</p><p>　　圖1-3 GAINS節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖</p><p>　　隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，并且很多應(yīng)用方面有較高的實(shí)時性要求，這些特點(diǎn)已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，約束著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。</p><p>　　1.2.3現(xiàn)在無線傳感

44、器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)</p><p>　　常見的無線網(wǎng)絡(luò)包括移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等，與這些網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn):</p><p><b>　　(1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最主要的一個特點(diǎn)就是動態(tài)拓?fù)湫浴９?jié)點(diǎn)可以隨處移動;一個節(jié)點(diǎn)可能會因?yàn)楣收?，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行;一個節(jié)點(diǎn)也可能由于工作的需要被添加到網(wǎng)絡(luò)中，這

45、些都會使網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，不管哪種情況，網(wǎng)絡(luò)都要能正常工作。</p><p><b>　　(2) 自組織性</b></p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動地組成一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。</p><p><b>　　(3)無中心性<

46、/b></p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)是一個對等網(wǎng)絡(luò)，沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)有平等地位。傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有強(qiáng)的生存性。</p><p><b>　　(4) 多跳路由</b></p><p>　　由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，一般在幾百米范圍內(nèi)，所以節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居進(jìn)行直接通信。固定

47、網(wǎng)絡(luò)的多跳路由使用網(wǎng)關(guān)和路由器來實(shí)現(xiàn)，沒有專門的路由設(shè)備，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的。這樣每個節(jié)點(diǎn)是信息的發(fā)起者，同時也是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。</p><p>　　(5) 電源容量有限</p><p>　　電池作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電部分，容量較小。而無線網(wǎng)絡(luò)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了在使用過程中，很難更換電池，一旦能量用完，這個節(jié)點(diǎn)也就失去了作用。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中，節(jié)能

48、都是技術(shù)和協(xié)議的重點(diǎn)。</p><p>　　(6) 硬件資源有限</p><p>　　傳感器節(jié)點(diǎn)普遍受到價格、體積和功耗的限制，其計(jì)算能力、程序空間和內(nèi)存空間相對于普通的計(jì)算機(jī)功能要弱很多。</p><p>　　(7)節(jié)點(diǎn)數(shù)多，密度大</p><p>　　要對一個區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)，往往需要大量傳感器節(jié)點(diǎn)分布到該區(qū)域。傳感器節(jié)點(diǎn)分布密集，利用節(jié)

49、點(diǎn)之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯性和生存性，提高系統(tǒng)的生存能力。</p><p>　　1.3本課題的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題擬以ATMEL公司生產(chǎn)的SCT89C52單片機(jī)為核心，同時結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套適合中小型溫室的以溫度，空氣相對濕度為主要控制對象的溫室自動監(jiān)測系統(tǒng)。課題研究的主要內(nèi)容有:</p><p>　　1.總體設(shè)計(jì)：根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系

50、統(tǒng)的應(yīng)用場合，工作環(huán)境，控制對象，資金技術(shù)等確定合理的設(shè)計(jì)方案。合理利用資源，仔細(xì)劃分軟件部分和硬件部分各自應(yīng)完成的功能，形成系統(tǒng)的研究模型。</p><p>　　2.硬件設(shè)計(jì)：目前市場上各種芯片種類繁多，產(chǎn)品也在不斷推陳出新，高性能的新產(chǎn)品不斷地進(jìn)入市場，但我們不能盲目的追求高端產(chǎn)品，那將得不償失。因此必須按照系統(tǒng)要求，選擇既適合于本系統(tǒng)，又運(yùn)行可靠的芯片和元器件，從而實(shí)現(xiàn)最合理的硬件電路。但由于時間較緊，本設(shè)

51、計(jì)的單片機(jī)是已經(jīng)做好的成品，后面將對它做簡單的介紹。</p><p>　　3.軟件設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)使用的是模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)應(yīng)用程序按照整體功能，劃分為若干個相對獨(dú)立的程序模塊，并繪制了程序流程圖，各個模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)，利用C語言編程。</p><p>　　4.與PC機(jī)的通訊：本設(shè)計(jì)采用串口接口電路的設(shè)計(jì)，通訊協(xié)議的確定以及通訊軟件的編程。</p><p>　　5

52、.程序的調(diào)試與運(yùn)行：在單片機(jī)開發(fā)板上，用調(diào)試軟件對程序進(jìn)行調(diào)試，查錯和修改，然后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，在線仿真，最后組裝樣機(jī)，脫機(jī)運(yùn)行，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，如有錯誤重復(fù)以上過程。</p><p>　　1.4課題研究的主要步驟</p><p><b>　　圖1-1研究框圖</b></p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及芯片選擇</p>&l

53、t;p><b>　　2.1引言</b></p><p>　　單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱，它通過將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化，使之集成在一塊芯片上的微機(jī)。單片機(jī)內(nèi)部含有CPU,ROM,RAM，并行I/O口，定時計(jì)數(shù)器，中斷控制，時鐘系統(tǒng)及總線等。它是工業(yè)控制和職能化控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種模塊。這種模塊的最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己的實(shí)際需要進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)一個單片機(jī)系統(tǒng)，更加方便，更加靈活，

54、成本更低。其基本方法是在單片機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行接口的擴(kuò)展，如，用于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的A/D. D/A接口， LED和LCD接口，用于人機(jī)對話的鍵盤處理接口，以及用于輸出控制的電機(jī)接口等。然后開發(fā)一些相應(yīng)的軟件就可組成完整的單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種功能。</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　(1)空氣溫濕度檢測范圍:由于測量環(huán)境的變換，溫度和濕

55、度的變化幅度很大，為了盡可能的擴(kuò)大檢測范圍，使不同的用戶能夠根據(jù)實(shí)地的需要進(jìn)行監(jiān)測，本系統(tǒng)可測量空氣溫度范圍：-40℃一+80℃，相對濕度范圍：O%RH--99%RH。水的冰點(diǎn)溫度是0℃，人最容易中暑的溫度是40℃，故系統(tǒng)預(yù)置溫度下限為0℃，預(yù)置溫度上限為40 C ,預(yù)置濕度上限為80%RH，預(yù)置濕度下限為30%RH。</p><p>　　(2)實(shí)時顯示溫度，濕度值。</p><p>　　

56、(3)當(dāng)溫室里環(huán)境因子參數(shù)超過所設(shè)定的上下限時，能夠發(fā)出紅光報(bào)警信號，同時啟動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。</p><p>　　(4)能夠隨時設(shè)置參數(shù)的上下限。</p><p>　　(5)能夠通過上位計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測環(huán)境空氣溫濕度。</p><p><b>　　2.3系統(tǒng)總體方案</b></p><p>　　本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心C

57、PU，通過串口與計(jì)算機(jī)通訊，既可以放置在溫室里獨(dú)立運(yùn)行，又可以在野外進(jìn)行室外監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)受計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。從總體上講，本系統(tǒng)初步劃分為三個功能模塊:</p><p>　　(1)數(shù)據(jù)采集模塊：主要由傳感器，XL52-RF無線模塊等組成。傳感器用來感應(yīng)環(huán)境溫濕度的變化，并把非電量的變化轉(zhuǎn)化為電信號。由于本設(shè)計(jì)使用的傳感器是數(shù)字溫濕度傳感器，輸出的是數(shù)字信號，所以傳感器采集到的信號可以直接傳送到無限模塊上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳

58、輸。</p><p>　　(2)無線發(fā)射模塊：由兩個XL52-RF無線模塊組成，一個負(fù)責(zé)將傳感器采集到的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)射出去，另一個則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)傳給顯示器或者上傳到PC機(jī)，兩個無線模塊就形成了簡單的無線網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)只是論證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可行性，所以只有一收一發(fā)，如果需要的話可以進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。</p><p>　　(3)顯示模塊：該模塊的主要功能有:</p&

59、gt;<p>　　a.通過LCD數(shù)碼管實(shí)時顯示參數(shù)值。</p><p>　　b.通過鍵盤設(shè)定參數(shù)上下限。</p><p>　　c.通過LED管實(shí)現(xiàn)報(bào)警。</p><p>　　d.通過單片機(jī)與PC機(jī)的通信，將接收到的數(shù)據(jù)顯示在PC機(jī)上，也可通過PC機(jī)來遠(yuǎn)程遙控設(shè)置參數(shù)上下限。</p><p>　　以上就是本設(shè)計(jì)的主要模塊。如果需要

60、進(jìn)行實(shí)時控制的話，還可以添加一個控制模塊，但由于時間，資金和技術(shù)的限制，在這里我們就不做了。</p><p>　　2.4主要元器件的選取</p><p>　　2.4.1傳感器的選取</p><p>　　智能監(jiān)測系統(tǒng)最重要的元件之一就是傳感器，對整個智能測控系統(tǒng)至關(guān)重要。因?yàn)閭鞲衅魈幱跍y控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，其質(zhì)量與性能的好壞，直接影響著整個測控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。傳感器是一

61、種轉(zhuǎn)換器件，它以一定的精度將被測非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系并易于測量的電量。它一般由敏感元件，轉(zhuǎn)換元件和信號調(diào)理電路三部分組成。傳感器的主要性能指標(biāo)為:線性度，靈敏度，遲滯性，重復(fù)性與分辨率。在選擇傳感器時，不必要求這幾項(xiàng)指標(biāo)均最優(yōu)，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，在保證主要性能指標(biāo)滿足要求的前提下，使整機(jī)性價比達(dá)到最優(yōu)。由于溫室內(nèi)環(huán)境條件較惡劣，而且傳感器用量較大，因此在選擇時應(yīng)考慮我國當(dāng)前農(nóng)村的實(shí)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。</p><p

62、>　　常用的溫度計(jì)可分為三類:一類利用物體熱脹冷縮原理來測量溫度，如水銀溫度計(jì)，壓力式溫度計(jì)等。二類利用物體的電阻隨溫度的變化而發(fā)生變化的特性來檢測溫度，如熱電偶，熱敏電阻等。三類利用物體表面熱輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系來檢測溫度，如輻射溫度計(jì)，光學(xué)高溫計(jì)等。濕度傳感器按照濕度傳感元件的不同，可分為干濕球，電解質(zhì)和半導(dǎo)體，冷鏡式三大系列。比如常見的：干濕球濕度計(jì)，氯化鋰濕度計(jì)，冷鏡式露點(diǎn)儀等。</p><p>　

63、　本設(shè)計(jì)所用的溫濕度傳感器是濟(jì)南聯(lián)誠創(chuàng)發(fā)科技有限公司生產(chǎn)的數(shù)字溫濕度傳感器DHT21(AM2301),它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感應(yīng)元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連。因此該產(chǎn)品具有超快響應(yīng)，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高等優(yōu)點(diǎn)。可以更加準(zhǔn)確的反應(yīng)環(huán)境的溫濕度關(guān)系。單線制串口接口，使系統(tǒng)集成變

64、得簡易快捷。超小的體積，極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。其主要技術(shù)參數(shù)為:</p><p>　　·供電電壓:3.3-5.5VDC</p><p>　　·準(zhǔn)確度:溫度為士0.5 ℃ (0--50 ℃);</p><p>　　濕度為：士3%RH（lO%RH--100%RH ） </p><p>

65、　　·工作溫度:-40℃---+80℃</p><p>　　·長期穩(wěn)定性:溫度<0.10C/年;濕度<1%RH/年</p><p>　　·響應(yīng)時間:6-20s</p><p>　　·輸出信號:4-20mADC</p><p>　　2.4.2單片機(jī)的選取 </p><p&g

66、t;　　目前國內(nèi)的單片機(jī)按照其基本操作處理的位數(shù)可分為:1位機(jī)、4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)等。其中1位機(jī)和4位機(jī)是最早出現(xiàn)的單片機(jī)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，但指令不豐富，且編程復(fù)雜，可用于簡單的控制; 目前國內(nèi)流行的主要是8位單片機(jī)，它小巧靈活，指令豐富，整個單片機(jī)市場的60%以上份額，可以說8位單片機(jī)將在今后一段時間內(nèi)仍是工業(yè)檢測控制的主流機(jī)型。新出現(xiàn)的16位機(jī)和32位單片機(jī)集成度高，性能優(yōu)越，但是其價格目前比較貴，從而

67、限制了它們廣泛的應(yīng)用;目前世界上比較著名的單片機(jī)生產(chǎn)廠家有美國INTEL公司，MOTOROLA公司，TI公司，ATMEL公司等。</p><p>　　最近幾年隨著美國ATMEL公司的AT89單片機(jī)的推出和C語言的廣泛應(yīng)用，MCS-51單片機(jī)有又了進(jìn)步的活力。AT89系列以MCS-51為內(nèi)核，兼容了MCS-51的硬件和軟件的優(yōu)點(diǎn)，其主要特點(diǎn)在于:片內(nèi)的程序存貯器采用閃存技術(shù)，具有電可擦除，電可編程，且編程和擦除時間

68、短，并可反復(fù)編程，數(shù)據(jù)不易丟失，而且加密功能也大大增強(qiáng)了，能有效的防止用戶程序被復(fù)制，盜用。時鐘頻率也得到了很大的提高，使運(yùn)算速度相應(yīng)的加快了。它采用20腳封裝形式，使體積變得更小，更具應(yīng)用靈活性，可以更加方便的應(yīng)用于家電產(chǎn)品及小型設(shè)備儀器中。AT89系列單片機(jī)主要產(chǎn)品類型和特點(diǎn)如下表:</p><p>　　表2-1 AT89系列芯片</p><p>　　綜合性能，價格，設(shè)計(jì)需要等多方面考

69、慮，本設(shè)計(jì)采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的STC89C52型單片機(jī)，此種機(jī)型是該公司近幾年推出的一種新機(jī)型，其市場價僅19元/片左右，性價比高，性能優(yōu)異，所以一經(jīng)推出就得到了廣大用戶的青睞，其主要特點(diǎn)是:與MCS-51系列單片機(jī)全兼容。</p><p>　　由于STC89C52單片機(jī)含有豐富片內(nèi)資源，有8Kbit的閃爍存貯器，而本設(shè)計(jì)的采集模塊程序由C語言編寫，編譯的代碼簡短，效率高，8K字節(jié)的程序空間足夠使用，剩余

70、的程序存貯空間可作為將來擴(kuò)展系統(tǒng)所用，所以選此機(jī)型可以不必在外部再擴(kuò)展程序存貯器，這樣可以簡化系統(tǒng)電路，降低系統(tǒng)成本。</p><p>　　2.4.3無線模塊的選取</p><p>　　無線模塊的任務(wù)是將傳感器測量到的數(shù)據(jù)通過無線傳送給遠(yuǎn)端的接受設(shè)備。目前市場上的無線模塊種類繁多，好壞也參差不齊。本設(shè)計(jì)采用的是比較先進(jìn)的XL24LD01型無線收發(fā)模塊。XL24LD01是采用挪威NORDIC

71、公司的nrf2401 2.4G無線IC設(shè)計(jì)的一款高性能2.4G無線收發(fā)模塊，采用GFSK調(diào)制，工作在2400-2483M的國際通用ISM頻段，最高調(diào)制速率可達(dá)2MBPS。XL24L01-D01集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分，如：自動重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動產(chǎn)生應(yīng)答信號等，模塊的SPI接口可以利用單片機(jī)的硬件SPI口連接或用單片機(jī)的I/O口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機(jī)。、</p&

72、gt;<p>　　模塊大小32*15.2mm，2,54mm間距的雙排插針接口，使用內(nèi)置PCB天線，開闊地1MBPS速度下，收發(fā)10個字節(jié)的數(shù)據(jù)量，測試最遠(yuǎn)約70米左右。</p><p><b>　　特性：</b></p><p>　　·工作頻率 2400-2483M，共125個工作頻道，符合國際通用ISM法規(guī)。</p><p

73、>　　·FSK/GSK調(diào)制</p><p>　　·支持2M的高速數(shù)據(jù)傳輸，減少發(fā)射時間，降低平均功耗。</p><p>　　·當(dāng)工作在應(yīng)答模式通信時，快速的控制傳輸及啟動時間，極大的降低了平均。</p><p>　　·自動重發(fā)功能，自動檢查和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，重發(fā)時間及重發(fā)次數(shù)可軟件調(diào)節(jié)。</p><

74、p>　　·自動應(yīng)答功能，在收到有效數(shù)據(jù)后，模塊自動發(fā)送應(yīng)答信號，無需另行編輯。</p><p>　　·內(nèi)置硬件CRC檢錯和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制。</p><p>　　·數(shù)據(jù)包傳輸錯誤計(jì)數(shù)器及載波檢測功能可用于調(diào)頻設(shè)置。</p><p>　　·可同時設(shè)置六路接收通道地址，可選擇性的打開接收通道</p><

75、;p>　　·自動存儲未收到的應(yīng)答信號的數(shù)據(jù)包。</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的任務(wù)是完成一個簡易空氣濕度監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 可在無人值守情況下長期監(jiān)測某一區(qū)域的空氣濕度信息。采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將濕度傳感器節(jié)點(diǎn)分布在需要測量的現(xiàn)場,執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送的功能。系統(tǒng)整體框架圖如下圖：</p><p>

76、;<b>　　3-0 系統(tǒng)框架圖</b></p><p>　　下面就各部分主要電路作介紹。</p><p>　　3.1空氣溫濕度傳感器介紹</p><p>　　圖3-1DHT21數(shù)字溫濕度傳感器外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　本設(shè)計(jì)所用的溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT21的供電電壓

77、為5V。傳感器上電后，要等待1S以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VCC,GND）之間可增加一個100nF的電容，用以去耦濾波。DATA用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間5MS左右，具體格式在下面說明，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。</p><p>　　數(shù)據(jù)格式：40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+16bit溫度數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和</p>

78、;<p>　　例子：接收40bit數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110</p><p>　　濕度數(shù)據(jù) 溫度數(shù)據(jù) 校驗(yàn)和</p><p>　　濕度高8位+濕度低8位+溫度低8位=末8位=校驗(yàn)和</p>&

79、lt;p>　　例如：0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110</p><p>　　濕度=65.2%RH 溫度=35.1℃</p><p>　　當(dāng)溫度低于0℃時，溫度數(shù)據(jù)的高位置1.</p><p>　　例如：-10.1℃表示為 1000 0000 0110 0101</p><

80、p>　　用戶主機(jī)（MCU）發(fā)送一次開始信號后，DHT21從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT21發(fā)送相應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集。（注：主機(jī)從DHT21讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測量值，如兩次測量間隔時間很長，需要連續(xù)讀兩次以獲得實(shí)時的溫濕度值）</p><p>　　空閑時是總線為高電平，通信開始時主機(jī)（MCU）拉低總線500us左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸。<

81、;/p><p>　　從機(jī)的相應(yīng)信號是一個80us左右的低電平，隨后從機(jī)在拉高總線80us左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　高電平后就是數(shù)據(jù)位，每1bit數(shù)據(jù)都是由一個低電平時隙和一個高電平組成。低電平時隙就是一個50us左右的低電平，它代表數(shù)據(jù)位的起始，其后的高電平的長度決定數(shù)據(jù)位所代表的數(shù)值，教長的高電平代表1，較短的高電平代表0.共40bit數(shù)據(jù)，當(dāng)最后1bit數(shù)據(jù)傳送完成后

82、，從機(jī)將再次拉低總線50us左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高。如下圖：</p><p>　　圖3-2 DHT21串口連接和上拉電阻</p><p>　　當(dāng)測量溫度超過建議的工作范圍時，可能導(dǎo)致高達(dá)3%RH的臨時漂移信號。返回正常工作條件后，傳感器會緩緩地向校準(zhǔn)狀態(tài)恢復(fù)。如果長期在非正常工作條件下使用，將會加速產(chǎn)品的老化過程。</p><p>　　DHT21引腳說明

83、:</p><p><b>　　3.2顯示電路</b></p><p>　　圖3-2數(shù)據(jù)顯示電路框圖</p><p><b>　　圖3-3供電電源</b></p><p>　　圖3-4數(shù)據(jù)顯示電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用了具有綜合功能的SCT89C52作為擴(kuò)展I/O的

84、芯片。圖中，DO/D7是三態(tài)地址/數(shù)據(jù)線，與SCT89C52的總線PO口直接相連。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中將PA, PB, PC口都用作基本輸出口，不使用定時/計(jì)數(shù)器。本設(shè)計(jì)采用JHD802A作為顯示器。JHD802A是2排8列液晶顯示器。其中第一排用作溫度顯示，第二排用作濕度顯示。液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、

85、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。</p><p>　　JHD802A采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：</p><p>　　第1腳：VSS為電源地</p><p>　　第2腳：VDD接5V電源正極</p>

86、<p>　　第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高。</p><p>　　第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。</p><p>　　第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作。</p><p>　　第6腳：E端為使能端。</p&g

87、t;<p>　　第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。</p><p>　　第15～16腳：15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。</p><p><b>　　3.3報(bào)警電路</b></p><p><b>　　圖3-5報(bào)警電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用P1口作為超限聲光報(bào)

88、警的輸出端口。當(dāng)溫室里的環(huán)境參數(shù)超過系統(tǒng)所設(shè)定的上下限范圍時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報(bào)警。圖中，6個LED0-LED3紅色發(fā)光二極管的陽極通過限流電阻分別接到+5V高電平，LED0用作溫度超上限報(bào)警，LED1用作溫度超下限報(bào)警，LED2用作濕度超上限報(bào)警（注，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)使用的DHT21溫濕度傳感器的濕度測量范圍是lO%RH--100%RH,所以上限報(bào)警可以忽略），LED3用作濕度超下限報(bào)警。系統(tǒng)上電后，如果當(dāng)環(huán)境因子處于正常范圍內(nèi)時，P1口輸出

89、高電平，表示正常，發(fā)光二極管不亮。一旦超過上下限，則P1口相應(yīng)的位送出低電平，相應(yīng)的二極管發(fā)出紅光，表示不正常。本設(shè)計(jì)采用一只壓電式蜂鳴器來產(chǎn)生聲音報(bào)瞥，蜂鳴器需要的驅(qū)動電流大約為10mA，所以可用P1.0口通過7404驅(qū)動器接到其負(fù)極，正極則接到+5V高電平。</p><p>　　正常情況下，P1.0口輸出高電平，蜂鳴器也不響。一旦超上下限，P1.0口就輸出低電平，使蜂鳴器兩端獲得5V左右的電壓，從而發(fā)出報(bào)警。

90、當(dāng)溫度參數(shù)超過上限時，蜂鳴器會發(fā)出6聲嘀一嘀短而急促的報(bào)警聲。當(dāng)溫度參數(shù)超過下限時，蜂鳴器會發(fā)出6聲嘀一嘀長而緩慢的報(bào)警聲.以提醒人們注意。</p><p><b>　　3.4無線模塊電路</b></p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，我們將使用2個無線模塊，形成一個小型的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，將溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的單片機(jī)上，并顯示出來，以便于及時的

91、掌握該地區(qū)空氣信息。其結(jié)構(gòu)框圖如下：</p><p>　　上圖中使用的無線模塊是Nrf24L01。NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHZ世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器，增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器，功率放大器，晶振，調(diào)制器，調(diào)節(jié)器。輸出功率，頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　圖3-6 NRF24L0

92、1原理圖</p><p>　　nRF24L01可以設(shè)置為以下幾種主要的模式：</p><p>　　待機(jī)模式Ⅰ在保證快速啟動的同時減少系統(tǒng)的平均能耗。在待機(jī)模式Ⅰ下，晶振正常工作。在待機(jī)模式Ⅱ下，部分時鐘緩沖器處在工作模式。當(dāng)發(fā)送端TX FIFO寄存器為空，并且CE為高電平時，進(jìn)入待機(jī)模式Ⅱ。在待機(jī)模式期間，寄存器配置字內(nèi)容保持不變。</p><p>　　數(shù)據(jù)包有如下

93、幾種處理模式：</p><p>　　·ShockBurst模式</p><p>　　·增強(qiáng)型ShockBurst模式</p><p>　　ShockBurst模式：這種模式下，NRF24L01可以和成本較低的低俗MCU相連。高速信號處理是由芯片內(nèi)部的射頻協(xié)議處理的，NRF24L01提供SPI接口，數(shù)據(jù)率取決于單片機(jī)本身接口速度。ShockBurs

94、t模式通過允許與單片機(jī)低速通信而無線部分高速通信，減小了通信的平均耗能。</p><p>　　在ShockBurst接收模式下，當(dāng)接收到有效地址和數(shù)據(jù)時IRQ通知MCU，隨后MCU可將接收到的數(shù)據(jù)從RX FIFO寄存器中讀出。</p><p>　　在ShockBurst發(fā)送模式下，NRF24L01自動生成前導(dǎo)碼及CRC校驗(yàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后IRQ通知MCU。其內(nèi)部有三個不同的RX FIFO寄

95、存器和三個不同的TX FIFO寄存器。允許SPI接口可以以低速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并且可以用于MCU硬件上沒有SPI接口的情況。</p><p>　　增強(qiáng)型ShockBurst發(fā)送模式：</p><p>　　1，配置寄存器位PRIM_RM為低</p><p>　　2,當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，接收節(jié)點(diǎn)地址（TX_ADDR）和有效數(shù)據(jù)（TXPLD）通過SPI接口寫入NRF24

96、L01。發(fā)送數(shù)據(jù)的長度以字節(jié)計(jì)數(shù)從MCU寫入TX FIFO。當(dāng)CSN為低時數(shù)據(jù)被不斷地寫入。發(fā)送端發(fā)送完數(shù)據(jù)后，將通過0設(shè)置為接收模式來接收應(yīng)答信號，其接收地址（TX ADDR_P0）與接收端地址（TX_ADDR）相同。</p><p>　　3，設(shè)置CE為高，啟動發(fā)射。CE高電平持續(xù)時間最小10US。</p><p>　　4，NRF24L01 ShockBurst 模式：</p>

97、;<p><b>　　·無線系統(tǒng)上電</b></p><p>　　·啟動內(nèi)部16MHZ時鐘</p><p><b>　　·無線發(fā)送數(shù)據(jù)打包</b></p><p><b>　　·高速發(fā)送數(shù)據(jù)</b></p><p>　　5，

98、如果啟動自動應(yīng)答模式，無線芯片立即進(jìn)入接收模式。</p><p>　　6，如果CE置低，則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式Ⅰ。如果不設(shè)置CE為低，則系統(tǒng)會發(fā)送TX FIFO寄存器中下一包數(shù)據(jù)。如果TX FIFO寄存器為空，并且CE為高則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式Ⅱ。</p><p>　　7，如果系統(tǒng)在待機(jī)模式Ⅱ，當(dāng)CE置低后系統(tǒng)立即進(jìn)入待機(jī)模式Ⅰ。</p><p>　　3.5串口通訊接口電路

99、</p><p>　　圖3-7串口通訊接口電路</p><p>　　SCT89C52單片機(jī)片內(nèi)有一個串行I/O口，通過引腳RXD和TXD可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行全雙工的串行異步通信。RS-232C是異步通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C(jī)械方面的規(guī)定，一般用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間的接口。它采用負(fù)邏輯，即:邏輯1為-3V---15V;邏輯0為+3V-+15V。由于單片

100、機(jī)輸出的是TTL電平，而PC機(jī)配置的是RS-232C接口，二者的電氣規(guī)范不一樣，因此，要完成PC機(jī)和單片機(jī)的通訊，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用的是MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232芯片來完成電平轉(zhuǎn)換。該芯片包含兩路接收器和兩路驅(qū)動器，并且內(nèi)部含有一個電源電壓變換器，可以將單片機(jī)輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)變成RS-232C所需要的士lOV電壓。圖中DB9九針插頭是RS-232C接口通向外部的標(biāo)準(zhǔn)連接器。

101、</p><p>　　第四章 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)的單片機(jī)軟件程序主要由C語言編寫完成。C語言是一種高級語言，更加符合人的邏輯思維，能夠大大的提高編程效率，便于閱讀使用。同時C語言介于自然語言與機(jī)器語之間，可以方便的轉(zhuǎn)換為機(jī)器語，操作機(jī)器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。本系統(tǒng)軟件由幾個大的主程序模塊組成，大程序塊中還含有一些小的子程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊，在接下來的一章里，我們就來

102、簡單介紹一下本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)程序。</p><p>　　4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　主程序運(yùn)行后，首先進(jìn)行內(nèi)部寄存器的初始化工作，包括堆棧區(qū)首址定義，數(shù)據(jù)存貯區(qū)清零等。然后分別調(diào)用采集，濾波，標(biāo)度變換，無線傳輸，顯示等子程序，完成數(shù)據(jù)的采集，傳輸，顯示工作。并將采集值與設(shè)定值相比較，判斷環(huán)境溫濕度是否超過正常范

103、圍，如果超過，進(jìn)行報(bào)警。</p><p>　　4.2傳感器數(shù)據(jù)傳輸子程序</p><p>　　本設(shè)計(jì)使用的數(shù)字溫濕度傳感器可以自動測量空氣中的溫濕度，并輸出數(shù)字信號，通過串行口發(fā)送給單片機(jī)。當(dāng)空閑時，總線為高電平，通信開始時主機(jī)（MCU）拉低總線500us左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸。從機(jī)的相應(yīng)信號是一個80us左右的低電平，隨后從機(jī)在拉高總線80us左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸。高電平后就是數(shù)據(jù)

104、位，每1bit數(shù)據(jù)都是由一個低電平時隙和一個高電平組成。低電平時隙就是一個50us左右的低電平，它代表數(shù)據(jù)位的起始，其后的高電平的長度決定數(shù)據(jù)位所代表的數(shù)值，較長的高電平代表1，較短的高電平代表0.共40bit數(shù)據(jù)，當(dāng)最后1bit數(shù)據(jù)傳送完成后，從機(jī)將再次拉低總線50us左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高。通過數(shù)據(jù)線發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)的參考程序參見附錄（一）。</p><p>　　4-2 串口程序流程圖</p&

105、gt;<p>　　4.3數(shù)據(jù)濾波子程序</p><p>　　微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，信號經(jīng)常含有大量的噪音。這些噪音會大大的影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。所以要消除這些對我們的實(shí)驗(yàn)不利的因數(shù)。噪音分為周期性和非周期性噪音。周期性的可以通過硬件設(shè)計(jì)得到消除，而非周期性的則需要進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波就是通過程序使信號變的平滑，穩(wěn)定。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所測量的是溫度和濕度，而這兩個量是線性變化量，很難出現(xiàn)跳變。&l

106、t;/p><p>　　本程序采用的是中值濾波法，讓每個通道采集三個數(shù)據(jù)，計(jì)算出中值后放入累加器A中。具體程序參見附錄（二）。</p><p>　　4-3 數(shù)字濾波子程序流程圖</p><p>　　4.4標(biāo)度變換子程序</p><p>　　在測量系統(tǒng)中，各個傳感器生產(chǎn)中的參數(shù)都具有不同的數(shù)值和量綱。為了方便處理顯示，必需對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本

107、系統(tǒng)需要測量的溫度，濕度這些參數(shù)雖然已經(jīng)是數(shù)字量。但也需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一單位，以便于操作人員對其進(jìn)行監(jiān)視，管理。標(biāo)度變換的方法有很多，由于本系統(tǒng)所測量溫度和濕度成一定的正比關(guān)系，線性度較好，所以我們采用線性參數(shù)標(biāo)度變換的方法。</p><p>　　線性參數(shù)標(biāo)度變換是比較常見的標(biāo)度變換方法，其前提條件是被測參數(shù)值之間為線性關(guān)系。線性標(biāo)度變換的公式為:</p><p>　　式中，AO—測量

108、儀表的下限;</p><p>　　Am—測量儀表的上限;</p><p><b>　　Ax—實(shí)際測量值;</b></p><p>　　N0—儀表下限所對應(yīng)的數(shù)字量;</p><p>　　Nm—儀表上限所對應(yīng)的數(shù)字量;</p><p>　　--測量值所對應(yīng)的數(shù)字量。</p><p

109、>　　其中，Am,AO,Nm,NO對于某一固定的被測參數(shù)來說都是常數(shù)，不同的參數(shù)有不同的值。一般把測量儀表的下限AO所對應(yīng)的值置為0，即NO=O。這樣上式可變?yōu)? </p><p>　　在本系統(tǒng)中，=0，對于溫度，Nm=255,Am = 50:對于濕度，Nm=255,Am =100。則根據(jù)上述算式可編制程序。詳細(xì)程序見附錄（三）。</p><p>　　4.5無線傳輸子程序</p

110、><p>　　在這個模塊我們將使用2個無線模塊，形成一個小型的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，將溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的單片機(jī)上。具體操作是：（1），將傳感器采集來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上，再由單片機(jī)處理，并通過無線模塊發(fā)送出去；（2），接收模塊接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，送入單片機(jī)，處理之后，顯示在LCD顯示器上。詳細(xì)程序參見附錄（四）。</p><p><b>　　4.6顯示子程序

111、</b></p><p>　　本程序的數(shù)據(jù)顯示緩沖區(qū)放在40H-47H。 </p><p>　　4-4 顯示子程序流程圖</p><p>　　詳細(xì)程序參見附錄（四）。</p><p><b>　　4.7報(bào)警子程序</b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了超高限報(bào)警子程序和超低限報(bào)警子程