温度检测-湿度检测-毕业论文.doc

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 33 页 共 33页
1 引 言
1．1 论文研究的背景和意义
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中、小规模,要在大棚内引人自动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，本次毕业设计将设计一套低成本的温室大棚环境报警系统。
温湿度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程，温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题，因此对温度的检测的意义很重要。同时在一些农业大棚中，大棚中的温度对植物的生长有些很大的影响，对大棚温度的采集和传输存在的一定的重要性。但是在很多场合使用都是有线传输方式，但是有线传输排线复杂而且在线路损坏时修复难。随着射频、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现更容易，数据传输速率更快，抗干扰能力更强。无线数据传输与有线数据传输相比，有诸多优点：一是成本低，省去大量布线；二是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线；三是适应性好，可应用于某些特殊环境；四是扩展性好，只需将设备与无线数据传输模块相连接，在进行后期设备添加时不需太多的线路布置和软件配置。无线传输是一种将有效数据传输至远方的一种有效方法，所以使用无线传输的测温系统可以对生产环境的温度进行无线采集并且能够使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况。
1．2 研究现状
在现代的温度测量系统设计中,往往采用DS1820新型单总线数字温度传感器，这种类型的温度传感器采用3脚(或8脚)封装，从DS1820读出或写入数据仅需要一根I/O口线，而且测量精度达到12位，最低精确到小数点后4位有效数字。用这种智能化数字式传感器的优胜显而易见。现代湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。
随着无线通信技术的发展，无线数据的采集与传输的应用领域在不断地扩大。在工业测控方面，有些测量点比较分散使得有线线路的铺设及维护均需较高的代价，或者对于运动构件上的传感器信号的采集，使得有线传输数据不可靠、甚至不可能，因此采用无线数据传送技术进行数据通信是现代测控数传系统的发展趋势。从点对点传输的红外技术，到短距离、点对多点个人局域网（如蓝牙和ZigBee），不同种类的技术随着需求的不同而不断发展完善，形成了巨大的市场潜力。随着无线通讯网络的不断成熟，加之其高效、快捷、准确、费用低廉、受环境影响小的特点，使得短消息逐渐被应用于工业控制，尤其是分布式远程数据采集和监控系统。通过无线通信模块，可以随时随地采用短消息的方式接受现场的终端设备状态，使采集控制更具有实时性，便于集中管理和远程管理。目前，大多数现代温室报警均采用工控系统，工控系统虽然能实现温室环境的实时监测与控制功能，但价格昂贵，难以满足设施农业对低成本的要求。同时，由于采用集中式管理，其可靠性和稳定性的要不能得到很好的保证。近年来，单片机在我国的许多领域均得到了广泛的应用，而温室的环境监测是以经济实效为核心的，单片机优良的性价比特别适合于温室是建设要求。
1．3 本文研究的主要内容
1.3.1 本系统所要完成的任务
(1)人性化的设计。界限温度值及湿度值能够由用户根据不同植被的各种生长需求由键盘输入并通过显示器显示。
(2) 能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。
(3)通过采集温度及湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，及时的启动报警装置（包括警报灯的提示功能以及提示音等）进行报警，并采取相应的方案。
(4)能够根据植被在不同时间段内对温湿度的不同要求，用户可随机更改温度及湿度值，以满足用户不同的需求。
1.3.2 总体方案
(1)温度监控：对温室温度进行测量，并通过升温或降温达到植被的最佳温度。
(2)湿度监控：对温室湿度进行测量，并通过喷雾或去湿达到植被的最佳湿度。
(3)控制处理：当温度、湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制。
(4)显示：LCD就地显示输入值和相应的温湿度，数码管摆放在生产现场用于显示当前的温湿度。
1.3.3 实施措施
(1)实际环境温度与给定界限比较，执行加热/制冷措施。
(2)实际环境湿度与给定界限比较，执行加湿/去湿措施。
(3)越限报警：当温湿度越限时声光报警。
(4)键盘显示：负责用户的输入及相关数据的显示，其中包括LED和LCD显示。
本课题主要是进行无线大棚报警系统的设计，本系统由无线传输模块、单片机控制单元、液晶显示模块、蜂鸣器报警模块和上位机远程监测五部分组成。
本课题将新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居、工业控制等领域中布线不便时对室内生活环境、工业测控现场温度等指标数据的采集。
本课题提出了一种有效的数据采集分析方案，设计并实现了一种基于基于无线射频收发模块XL24L01跟STC89C52RC单片机为核心，以低功耗和模块化为设计原则的温度数据采集无线传输系统。设计出具有体积小，功耗低，数据传输稳定可靠及成本低的无线测温测湿系统。
(1)针对实际应用需求设计系统总体方案，完成了温度数据无线数据传输的结构设计。
(2)以低功耗和模块化为选择元器件的原则，选取了合适的单片机、无线收发模块。
(3)设计无线收发方案，并通过软件控制nRF24L01无线传输模块工作模式等方式实现系统的低功耗设计。
(4)完成无线数据发收模块调试及相关配置。主要包括无线射频模块的接口设计以及单片机与PC通信的接口设计。
本课题旨在通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。对系统硬件的工作原理进行了分析描述，并进行系统硬件设计。具体实现数码管动态显示、STC89C52RC及nRF24L01等器件外接电路接口的软、硬件调试。
本系统是通过单片机控制无线传输来实现对温度数据的接受,利用可视化编程技术实现远程监控，是STC89C52RC单片机为控制单元，以nRF24L01无线传输模块为温度数据接受单元，实现温度的接受、显示、控制，同时用串口连接到PC机上实现温度的实时监控如可显示实时温度、历史温度，就是一套通过无线方式实现温度的接受显示系统。
基于无线收发芯片nRF24L01的温度测量系统主要由六个模块构成，分别为无线收发模块、单片机控制模块、掉电告警模块、蜂鸣器报警模块、液晶显示模块以及PC机监测模块。
2 系统总体方案设计
经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计，硬件系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据。
主机与主要部件的选择：
根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用STC89C52单片机为主机，满足上面的要求而且设计方便，不需要再存储扩展。
数据存储片内设有128B，外部有8279的256B，而由于存入的数据是随时更新的且不计小数位，存入 8个16进制数字，其总共需要的容量只有16B，已经够用。
温室温湿度控制系统是以STC89C52单片机作为中央控制装置，风扇，加热设备，加湿设备，排潮设备，键盘显示芯片等，其功能和原理如下：
一、STC89C52单片机作为中央控制装置，负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。
二、四路采样温度信号采样简单平均处理，温度保存为整数。
三、四路采样湿度信号采样简单平均处理，温度保存为整数。
四、键盘显示芯片：用8729识别键盘，负责用户的输入及相关的数据的LCD显示。
五、风扇：负责系统的降温工作。
六、加热设备：负责系统的加热工作。
七、喷雾设备：负责系统的加湿工作。
八、排潮设备：负责系统的去湿工作。
九、双色灯，音效模块：负责系统的报警功能。如果当前的温度超过用户设定的界限值时系统将自动报警，双色灯在74LS273的控制下有规律的闪烁，同时音效模块发出报警声，通知用户采取相应的措施。
温湿度报警系统能完成数据采集和处理、显示、无线通信、输出控制信号等多种功能。由数据采集、数据调理、单片机、控制等4个大的部分组成。该测控系统具有实时采集（检测温室大棚内的温湿度）、实时处理（对监测到的温湿度值进行比较分析，决定下一步控制进程）、实时控制（根据处理的结果发出控制指令，指挥被控对象动作）的功能。主要硬件包括温度传感器，湿度传感器，STC89C52单片机、数据采集电路、LCD液晶显示器、A/D转换器、无线通信模块等。其原理框图如图1-1所示。

无
线
通信模块
无
线
通信模块

单片机
温湿度采集模块

上位机
报警电路

温湿度控制模块
-
复位电路

显示模块

图1-1 硬件电路原理框图
首先充分考虑气候、环境因素对植物的影响，并根据温室大棚内植物保持正常状态所需的温度和湿度，设计出温湿度参考值预先存储于单片机中。系统的数据采集部分是将温湿度传感器置于温室内部，测出室内的温湿度值，经过放大、A/D转换为数字量之后送入STC89C52单片机中，然后LCD显示出温湿度测量值。单片机将预设的参考值与测量值进行比较，根据比较结果做出判断。
上位机对温湿度的上下限值和预置值进行输入，在无线通信模块中构成多点无线温湿度采集模块，实现数据的统一管理和分析。该系统具有快速展开、稳定可靠、可维护性好等特点。从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。系统下位机设在种植植物的大棚内，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过LCD液晶显示屏进行实时显示。同时与原先内部设定的参数值进行比较处理，如果环境的实时参数超越上下限值，温湿度报警模块将进行报警，直到温湿度状态处于上下限值以内为止。如果有预置初值，且与当前状预设值相等为止。
本课题设计分为上位机和下位机，均采用单片机STC89C52 ，系统下位机设在种植植物的大棚内，下位机中的温湿度传感器DHT11对大棚内的温湿度进行采集处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后经过无线通信模块将数据送到上位机，此时，上位机接收到温湿度数据，如果温湿度在误差氛围内超过了预设的值，则蜂鸣报警器发出报警声。之后，经过温湿度控制系统使温湿度保态不相等时，系统也会启动执行机构动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与持在最适宜的氛围内。
3 系统单元模块硬件设计
对于本次设计的系统而言，主要由温湿度采集模块、无线通信模块、单片机主控模块、显示模块、报警模块、控制单元和电源模块六部分组成。接收模块nRF24L01接收温湿度数据，通过SPI接口将数据传给单片机，进行LCD液晶显示，在温湿度数据超过一定值时蜂鸣器进行报警，同时将数据上传给上位机，实现远程控制的功能。
3．1 温湿度采集模块设计
温湿度采集模块的设计有以下几种方案。
方案一：采用AD590是美国ANALO G DEV ICES 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。采用HS1101用作湿度的采集，湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，具有长时间饱和下快速脱湿、可以自动化焊接，包括波峰或水浸、高可靠性与长时间稳定性、专利的固态聚合物结构等特点。
方案三：采用温湿度一体化的传感器DHT11采集温湿度数据，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。
考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案三，即用DHT11作为本系统的温湿度采集模块。
3.1.1 DHT11数据传送格式
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。
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，延时等待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。数据发送过程如图3-1所示。

图3-1 数据发送过程
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，延时等待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。数据接受过程如图3-2所示。

图3-2 数据接受过程
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。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。
3.1.2 DHT11引脚说明
DHT11引脚说明如表3-1所示
表3-1 DHT11引脚说明
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
3.1.3 温湿度采集模块设计
DHT11的硬件设计也极其简单，就只有4个引脚，其中还有一个空脚悬空的，引脚2与单片机的P3.2口相接。实际上其设计与DS18B20是一样的。DHT11的工作电流是0.2—1mA之间，漏极开路，内部没有拉高电路，当输出0是就是低电平，但输出1时实际上是悬空的，所以要接上拉电阻，满足电流需要，故选择上拉电阻为5K，电流为1mA ,具体的设计图，如图3-3所示。

图3-3 温湿度采集模块设计
3．2 主控模块设计
主控模块的设计有以下几种方案。
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STC89C52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。
考虑到此系统需要用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案三，即用STC89S52作为本系统的主控芯片。
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机最小模块包括两部分：时钟电路和复位电路。
3.2.1 STC89C52单片机与外部电路的连接
VCC：STC89C52 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一30PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。
RESET：STC89C52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，STC89C52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“External Access”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（Open Drain）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）。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LS TTL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。
3.2.2 时钟电路设计
时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度。目前51系列单片机都采用CMOS工艺，允许的最高频率是随型号而变化的，本系统采用12MHz的晶振，则其一个机器周期为1us。因为本设计需要I/O口来模拟SPI时序，以及DS18B20和DHT11都需要严格的时间控制，所以取整数周期，有利于时间的计算。
STC89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该放大器的输入端和输出端，在XTAL1、 XTAL2上外接晶振和电容组成振荡器。
外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性，所以本设计采用12MHz的晶体振荡器和30pF的电容。时钟电路设计，如图3-4所示。

图3-4 时钟电路设计
3.3.3 复位电路设计
单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态，此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平，RST上输入返回低电平以后，退出复位，单片机从初始状态开始工作。
人工复位就是将一个按钮开关并联于上电复位电路，按一下开关，就在RST端就出现一段时间的高电平，即使器件复位。由于单片机复位端有内接电阻，所以复位电路设计，如图3-5所示。
按下开关后，电容充电，到达稳定后，电容相当于开路，其两端电压为5V，电路的时间常数为R*C，本设计取R=200Ω、C=10uF,经计算时间常数为2ms，而两个机器周期只有2us，所以该设计完全满足要求。

图3-5 复位电路设计
3.2.4 单片机硬件电路设计
P1口直接和无线模块XL24L01相连；P1.0与TX_EN相连，为接收使能，主要决定无线接收模块是否进行数据接收；；P1.1与PWR_UP相连，为模块上电使能；；P1.2与CD相连，为载波监听，监听是否有数据传到无线模块上；P1.3与CSN相连，为SPI使能，无线模块与单片机进行数据传输的使能端；P1.4与AM相连，为地址匹配信号；P1.5与MOSI相连，P1.6与MISO相连，为单片机与无线模块进行SPI数据传输端口；P1.7与SCK相连，提供给无线模块时钟信号；P3.3和P3.2分别和nRF905的DR及TRX_CE相连，实现单片机与nRF905的数据通信；P2.7口与蜂鸣器相连。
单片机在上电初始化后，将P1.1和P3.2输出为高电平，P1.7输出给无线模块时钟信号；P1.0为低电平，当P1.3和P1.5为高电平时，输入SPI指令，通过SPI口P1.5和P1.6读取无线模块传输给单片的温度数据。
3．3 无线通信模块设计
无线通信模块的设计有以下几种方案。
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。
方案二：采用XL24L01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。
XL24L01-D01X 是采用挪威NORDIC 公司的nrf24L01p 2.4G 无线收发IC 设计的一款高性能2.4G 无线收发模块，采用GFSK调制，工作在2400‐2483MHz的国际通用ISM频段，最高调制速率可达2MBPS。XL24L01P-D01X 集成了所有与RF 协议相关的高速信号处理部分，如：自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，模块的SPI 接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机的I/O 口进行模拟，内部有FIFO 可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。XL24L01的实物图如图3-6所示。

图3-6 XL24L01的实物图
3.3.1 无线模块工作原理
发射数据时，首先将XL24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便再次重发；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。
3.3.2 无线传输模块性能
(1) 433Mhz 开放 ISM 频段免许可证使用；
(2) 最高工作速率 50kbps，高效 GFSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业 控制场合；
(3) 125 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，待机模式下状态仅为 2.5uA；
(6) 收发模式切换时间 < 650us；
(7) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据，可直接接各种单 片机使用，软件编程非常方便；
(8) TX Mode：在+10dBm 情况下，电流为 30mA； RX Mode：12.2mA；
(9) 标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用。
3.3.3 无线模块与单片机的接口设计
XL24L01各个管脚说明如表3-2所示
表3-2 XL24L01管脚说明
管脚
名称
管脚功能
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
引脚1接地；引脚2输入电源（3.0—3.3V）；引脚3接单片机的P3.4，用作选择无线模块的工作方式为接受RX还是发送TX；引脚4为SPI使能端，接单片机的P1.2，低电平有效；引脚5为SPI时钟端，接单片机的P1.4；引脚6和引脚7分别为SPI的输入端和输出端，接单片机的P1.3和P3.3；引脚8为中断输出端，接单片机P3.2。

图3-7 无线模块的硬件设计
3．4 显示电路设计
显示模块的设计有以下几种方案。
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。
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片，HD44780是带西文字库的液晶显示控制器，用户只需要向HD44780送ASCII的字符码，HD44780就按照内置的ROM点阵发生器自动在LCD液晶显示器上显示出来。所以，HD44780主要适用于显示西文ASCII字符内容的液晶显示。
1602字符型LCD能够同时显示16*2即32个字符(16列2行)。其内置192种字符(160个5*7点阵字符和32个5*10点阵字符)，具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5*8点阵字符或4个5*11点阵字符。
1602通常有14条引脚线或16条引脚线两种，多出来的2条线是背光电源线和地线，带背光的比不带背光的略厚，控制原理与14脚的LCD完全一样，是否带背光在应用中并无差别。本设计中采用带背光16引脚线的。其主要技术参数为：
显示容量：16×2个字符。
芯片工作电压：4.5-5.5V。
工作电流：2.0mA(5.0V)。
模块最佳工作电压：5.0V。
字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm。
LCD1602的16个引脚功能分别为：
VSS：电源地(GND)。
VCC：电源电压(5V)。
V0：LCD驱动电压，液晶显示器对比度调整端。使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。
RS：寄存器选择输入端，选择模块内部寄存器类型信号。RS=0，进行写模块操作时指向指令寄存器，进行读模块操作时指向地址计数器。RS=1，无论进行读操作还是写操作均指向数据寄存器。
R/W：读写控制输入端，选择读/写模块操作信号。R/W=0，读操作；R/W=1，写操作。
E：使能信号输入端。读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效
DB0~DB7：数据输入/输出口，单片机与模块之间的数据传送通道。选择4位方式通讯时，不使用DB0~DB3。
BLA：背光的正端+5V。
BLK：背光的负端0V。
1602模块内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。控制器接受来自MPU的指令和数据，控制着整个模块的工作。主要由显示数据缓冲区DDRAM，字符发生器CGROM，字符发生器CGRAM，指令寄存器IR，地址寄存器DR，忙标志BF，地址计数器AC以及时序发生电路组成。模块通过数据总线DB0~DB7和E、R/W、RS三个输入控制端与MPU接口。这三根控制线按照规定的时序相互协调作用，使控制器通过数据总线接受MPU发来的数据和指令，从CGROM中找到欲显示字符的字符码，送入DDRAM，在LCD显示屏上与DDRAM存储单元对应的规定位置显示出该字符。控制器还可以根据MPU的指令，实现字符的显示，闪烁和移位等显示效果。
CGROM内提供的是内置字符码，CGRAM则是供用户存储自定义的点阵图形字符。模块字符在LCD显示屏上的显示位置与该字符的字符代码在显示缓冲区DDRAM内的存储地址一一对应。
3.4.1 指令设置
一、清屏指令 Clear display
清显示指令将空位字符码20H送入全部DDRAM地址中，时DDRAM中的内容全部清除，显示消失，地址计数器AC=0，自动增一模式。显示归位，光标闪烁回到原点(显示屏左上角)，但不改变移位设置模式。清屏指令码见表3-3。
表3-3 清屏指令码
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
二、进入模式设置指令 Entry mode set
见表3-4，进入模式设置指令用于设定光标移动方向和整体显示是否移动。
表3-4 模式设置指令码
RS
R/W
DB