基于单片机的无线环境监测课程设计报告.doc

. .物联网系统设计综合实践项目名称 无线环境监测装置模拟 专业班级 物联网112班 学生学号 2011133056 学生 王海超 指导教师 惠鹏飞 2014年 11月 23 日29 / 35题目：无线环境监测装置模拟：王海超 班级：物联网112指导老师：惠鹏飞本设计用18D02温度传感器在探测端采集周围环境的温度数据，经过单片机处理，由NRF24L01无线模块发射传输至监测端，实时显示到液晶屏上。同时，在监测端连接一个蜂鸣器，当俩无线模块连接出现问题时，蜂鸣器提示报警。这样确保了对环境的实时监测。摘要在科技飞速发展的今天，环境监测已经逐渐向现代化、自动化、科技化、科学化等发展，在农业、工作环境方面就显得尤为重要，特别是环境监测方面，怎样才能提高作物的产量、怎样的环境才是作物适应的，作物生长需要的什么样的温度、湿度，需要的光照度是多少；怎样才能在危险的区域施工而不用担心事故发生和减少因为外界环境变化而引起的事故。这些信息我们怎样来获得，这就需要我们用科学的力量来解决这个问题，也正因如此，本课题就应运而生了。本系统采用单片机为主控制器。设计的主要思路是通过传感器监测环境温度、湿度的变化和光照的有无，并将采集的数据传输给单片机AT89S52进行初步处理，再通过带有自定义无线传输协议的电路传送给控制终端，并在控制终端上显示采集到的环境信息。本课题主要由AT89S52单片机和NRF24L01无线传输模块制作一个监测探测，基于DS18B20、HS1101传感器与光敏电阻的温湿度和光强的自动检测系统，监测探测可以分别于各探测节点直接监测，并能传输当前探测到的环境温度、湿度和光照信息给终端节点，配合终端硬件设计完成整个终端部分的软件设计，目的是利用毕业设计的这段时间学习一种利用AT89S52型单片机对环境进行控制的方法。关键词：单片机，NRF24L01，DS18B20，HS1101； AbstractIn technology rapid development today, environment monitoring has gradually to modernization and automation, technology and scientific development, such as in agriculture, working environment is particularly important, especially environment monitoring, how to increase crop yield, how to adapt to the environment is the crop, crop growth need what kind of temperature, humidity, need what is the light; How to in dangerous area construction and dont worry accidents and less because of external environment change and cause accidents. The information we can get, this needs we use the power of science to solve this problem, also because of this, this topic is made.This system mainly adopts single-chip microcomputer controller. Design of the main ideas is through the sensor to monitor the environment temperature, humidity changes and illumination, and will have collected data transmission give monolithic integrated circuit AT89S52 preliminary treatment and then through wireless transmission agreement with custom send control circuits, and in control terminals terminal display on environmental information collected.This thesis mainly by NRF24L01 AT89S52 SCM and wireless transmission module making a monitoring based on DS18B20, HS1101 detection, the temperature and humidity sensor and photoconductive resistance of light intensity, automatic test system for the difference in the monitoring detection can detect nodes directly, monitor, and detects to transmit the current environmental temperature, humidity and light information to the terminal node, with terminal hardware design to complete the whole terminal part of the software design, the purpose is to use of graduation design this time learning a use of AT89S52 SCM control type of environment method.摘要和目录统一编页码：为，Keywords:Microcontroller, NRF24L01, DS18B20, HS1101, photoconductive resistance目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 概述11.2 无线环境监测技术的研究现状11.2.1 温度传感器的概况11.2.2无线传输模块NRF24L01的概况21.3 本文研究的意义2第2章 方案设计42.1方案介绍42.2传感器模块42.3 主机控制模块52.4 显示模块52.5 无线收发模块5第三章 系统软件设计631系统通信软件设计主机CPU程序框图632系统通信软件设计从机CPU程序框图733温度模块的设计8第四章 无线模块设计114.1发射模块114.2接收模块13第五章 硬件设计17结论18参考文献19第1章 绪论1.1 概述环境监测是一项复杂而又十分细致的工作，温度、湿度、光强、风速、风向监测的工作量很大，一般不允许出错，如果实行手工操作，须人手进行大量复杂的工作，这就会耗费工作人员大量的时间和精力，计算机进行监测控制时，不仅能够保证温湿度等准确无误、而且快速与时，便于工作人员进行随时的监督与控制。1.2 无线环境监测技术的研究现状进入21世纪后，无线环境监测系统网络迎来了新一轮的大规模研究和开发，出现了众多的用于军事的研究项目。例如美国陆军的“灵巧传感器网络通信”项目、“无人值守地面传感器群”项目、“战场环境侦察与监视系统”项目，还有美国海军的“传感器组网系统”项目、“网状传感器系统”项目等。这些项目的研究使得美国陆军和海军提高了作战能力，极其显著的是，军队的情报侦察和获取水平产生了质的飞跃。我们可以看到无线环境监测系统网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。1.2.1 温度传感器的概况最早的温度计是近代科学之父伽利略于1597年提出的，它是利用空气热膨胀原理的温度计。然而这种温度计使用不便，因此开发了利用酒精和水银热膨胀的热体温度计，这就是最初机械温度计。随着测量技术的发展，出现了温度传感器，例如热电偶，它是基于塞贝克发现热电势效应而制成的。还有热敏电阻，它是根据金属和半导体的电阻随温度的变化而变化的原理而制成的传感器。这些都属于基于物理原理的传感器。而后，又出现了基于模拟电子技术的PN结传感器，晶体温度传感器等等嘲。当今，由于用于感温的敏感材料越来越多，温度传感器的种类也越来越多。特别是随着计算机技术和电子技术的发展，各种集成式、电子式的温度传感器相继出现，使温度传感技术已经相当成熟。我们用的DS18B20就是数字温度的一个传感器，DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。1.2.2无线传输模块NRF24L01的概况近年来， 随着无线通信技术的发展， 无线通讯设备的集成化越来越高。本文介绍了一种选用高性能、低功耗的传输模块。nRF24L01建立一个完整的系统所需的外部元件是晶振、电阻、电容和低成本的MCU,MCU和nRF24L01通过异步串行口或同步串行口连接。nRF24L01 嵌了ANT协议,可以方便地组建无线网络。ANT是一个无线个人局域网（PAN）通讯技术,可以确保连接数据完整性,并是一个低成本、低功耗无线网络协议。该协议调制方式是采用GFSK调制,支持星型和端对端等多种组网形式,支持的节点是2到数千个以上所以,它不但威胁到蓝牙应用还威胁到Zigbee 应用。NRF24L01 是NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用FSK 调制，部集成NORDIC 自己Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是1 对6 的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模块的GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5 个GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU 系统构建无线通信功能。1.3 本文研究的意义无线环境监测系统网络有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。以下简要介绍传感器网络的一些应用。在农业生产方面也有重要的应用，最新的农作物环境监测系统，可以对农作物长势、农业灾害和土壤墒情、气候变化等进行监测，从而确保农作物正常生长。在农作物环境监测系统中，每个无线农作物环境监测节点有单片机构成，在每个节点上配置了不同的传感器，包括温度、湿度、光照、盐碱度等。节点间的距离可以达到百米以上，几百个这样的无线节点组成的无线网络，可覆盖百亩以上的土地。每个节点既实时监视该点附近的温度、湿度等情况，同时也无线双向中转信息，将信息传输到天线围的其他节点上，这样即使某节点故障，附近的节点也可以建立新的通信链路，确保通信畅通。这样的一套智能无线网络系统，不仅可以自动监视农作物环境，而且能在环境气候发生灾害性变化时与时发出警报。另外，如果加装相应功能的传感器，还可以为高价值农业产品提供防盗功能。在工业方面，由于现场生产环境恶劣，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，工作人员可以在这里将控制指令传输给现场执行模块进行各种操作。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。第2章 方案设计当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.1方案介绍 根据题目要求本作品可以分为以下几部分：显示模块、主机控制模块、无线收发模块和环境温度光照检测模块，如图2.1所示。2.2传感器模块 在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样，然后进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输、多点测量切换与放大电路零点漂移等造成的误差问题。采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化，便于控制，省去传统的测温方法的很多外围电路，且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，测温系统的电路就比较简单，体积也不大，TMS320LF2407 DSP评估板只需要一个I/O就可以带驱动多个DS18B20，容易实现多点测量，轻松的组建传感器网络。2.3 主机控制模块 方案一：采用51单片机控制系统。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，能满足题目要求。方案二：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。但其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。根据以上具体分析选择方案一。2.4 显示模块方案一：采用液晶显示屏。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以与影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。方案二：采用四位七段数码显示管分别显示光照的有无、温度的百、十、个位。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。因此原则方案一2.5 无线收发模块NRF24L01 是NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用FSK 调制，部集成NORDIC 自己Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是1 对6 的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模块的GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5 个GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU 系统构建无线通信功能。第3章 系统软件设计系统软件包括主机软件和从机软件，主机和从机软件都是采用C语言编写，固化在程序存储器中。随着科技自动化水平的迅速提高，智能控制开始在环境变化的领域得到应用，人们对环境自动化的要求越来越高，环境变化规模的增大和种类繁多的控制设备在环境领域的应用，使得传统的控制软件己无法满足用户的各种需求。在开发传统的环境控制软件时，当被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长：已开发成功的控制软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵：正是由于环境控制采用了无线监测的结构，所以对主机控制软件要求能够针对不同的温度下，能够收到从机传来的环境的变化并作出判定报警。31系统通信软件设计主机CPU程序框图(1)主程序框图单片机通过中断方式接收和发送数据。用定时计数器1作为波特率发生器，同从机一样，波特率取9600b/s。一帧数据包括一个起始位、8个数据位、一个地址数据判断位和一个停止位。定时器Tl采用工作方式2，串口采用方式3通信。图3-1系统通信软件设计主CPU主程序框图（2）主中断程序框图如下：图3-2系统通信软件设计主机CPU中断程序框图32系统通信软件设计从机CPU程序框图(1)主程序框图系统通信软件设计从机CPU与主机CPU采用RS-232进行串行通信，串行口均设为工作方式3，晶振频率为12MHz，波特率为2400b/s，采用中断方式进行串行通信。图3-3系统通信软件设计从机CPU主程序框图(2)中断服务程序框图系统通信从机CPU中断程序框图如图4-4所示。图3-4系统通信软件设计从机CPU中断程序框图33温度模块的设计软件功能：启动温度采集，并对采集到的数据进行显示前处理。硬件连接：DS18B20是单总线数字温度器件，所以外围电路设计十分简单，3脚接电源， 1脚接地2脚为单总线数据端接一个上拉电阻与单片机的P27口相连接。器件介绍： DS-18B20采用独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。程序设计：/*初始化ds1820*/bit Init_DS18B20(void) DQ = 1 ; /DQ复位 Dey(8) ; /稍做延时 DQ = 0 ; /单片机将DQ拉低 Dey(90) ; /精确延时 大于 480us DQ = 1 ; /拉高总线 Dey(8) ; presence=DQ ; /如果=0则初始化成功 =1则初始化失败 Dey(100) ; DQ = 1 ; return(presence) ; /返回信号，0=presence,1= no presence /*读一个字节*/unsigned char ReadOneChar(void)unsigned char i = 0 ;unsigned char dat = 0 ;for (i = 8 ; i 0 ; i-) DQ = 0 ; / 给脉冲信号dat = 1 ; DQ = 1 ; / 给脉冲信号 if(DQ) dat |= 0x80 ;Dey(4) ;return(dat) ;/*写一个字节 */void WriteOneChar(unsigned char dat)unsigned char i = 0 ;for (i = 8 ; i 0 ; i-)DQ = 0 ;DQ = dat&0x01 ;Dey(5) ; DQ = 1 ;dat=1 ; /*读取温度*/void Read_Temperature(void) Init_DS18B20() ; WriteOneChar(0xCC) ; / 跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44) ; / 启动温度转换 Init_DS18B20() ; WriteOneChar(0xCC) ; /跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0xBE) ; /读取温度寄存器 temp_data0 = ReadOneChar() ; /温度低8位 temp_data1 = ReadOneChar() ; /温度高8位 /*温度数据转换*/void Disp_Temperature()display4=temp_data0&0x0f ;display0=ditabdisplay4+0x30 ; /查表得小数位的值display4=(temp_data0&0xf0)4)|(temp_data1&0x0f)4) ;display3=display4/100+0x30 ;display1=display4%100 ;display2=display1/10+0x30 ;display1=display1%10+0x30 ; if(display3=0x30) /高位为0，不显示 display3=0x20 ; if(display2=0x30) /次高位为0，不显示display2=0x20 ; 第4章 硬件设计4.1发射模块模块功能：接收探测端模块采集的数据，发送给检测端。程序设计：/*发射模块引脚定义*/sbit CE = P17;sbit CSN = P12;sbit SCLK = P16;sbit MOSI = P11;sbit MISO = P15;sbit IRQ = P10;/*发射模块宏定义*/#define TX_ADDR_WITDH 5/发送地址宽度设置为5个字节#define TX_DATA_WITDH 6/发送数据宽度6个字节/*发射模块相关函数*/unchar NRFACK();unchar NRFSPI(unchar date);unchar NRFReadReg(unchar RegAddr);unchar NRFWriteReg(unchar RegAddr,unchar date);unchar NRFReadRxDate(unchar RegAddr,unchar *RxDate,unchar DateLen);unchar NRFWriteTxDate(unchar RegAddr,unchar *TxDate,unchar DateLen);unchar NRFRevDate(unchar *RevDate);void NRFSetTxMode(unchar *TxDate);void NRF24L01Int();unchar CheckACK();/unchar bdata sta;/*NRF设置为发送模式并发射*/void NRFSetTxMode(unchar *TxDate)/发送模式 CE=0; NRFWriteTxDate(W_REGISTER+TX_ADDR,TxAddr,TX_ADDR_WITDH);/写寄存器指令+接收地址使能指令+接收地址+地址宽度NRFWriteTxDate(W_REGISTER+RX_ADDR_P0,TxAddr,TX_ADDR_WITDH);/为了应答接收设备，接收通道0地址和发送地址一样NRFWriteTxDate(W_TX_PAYLOAD,TxDate,TX_DATA_WITDH);/写入数据 /*下面有关寄存器配置*/ NRFWriteReg(W_REGISTER+EN_AA,0x01); / 使能接收通道0自动应答 NRFWriteReg(W_REGISTER+EN_RXADDR,0x01); / 使能接收通道0 NRFWriteReg(W_REGISTER+SETUP_RETR,0x0a); / 自动重发延时等待250us+86us，自动重发10次 NRFWriteReg(W_REGISTER+RF_CH,0x40); / 选择射频通道0x40 NRFWriteReg(W_REGISTER+RF_SETUP,0x07); / 数据传输率1Mbps，发射功率0dBm，低噪声放大器增益NRFWriteReg(W_REGISTER+CONFIG,0x0e); / CRC使能，16位CRC校验，上电 CE=1;/led=0; /发送指示灯亮Delay(5);/保持10us秒以上/*检测应答信号*/unchar CheckACK() /用于发射sta=NRFReadReg(R_REGISTER+STATUS); / 返回状态寄存器if(TX_DS|MAX_RT) /发送完毕中断 / led=1;/发送指示灯灭 NRFWriteReg(W_REGISTER+STATUS,0xff); / 清除TX_DS或MAX_RT中断标志 CSN=0; NRFSPI(FLUSH_TX);/用于清空FIFO ！关键！不然会出现意想不到的后果！大家记住！ CSN=1; return(0);else return(1);4.2接收模块模块功能：接收发射模块发射过来的数据，传送给液晶屏。程序设计：#include#define unchar unsigned char#define unint unsigned int/*引脚定义与声明*/sbit led=P35;sbit buzzer=P32;sbit RS=P27;/7sbit RW=P26;/6sbit EN=P25;/5#define DataPort P0sbit CE =P17;sbit CSN =P12;sbit SCLK =P16;sbit MOSI =P11;sbit MISO =P15;sbit IRQ =P10;unchar code TxAddr=0x34,0x43,0x10,0x10,0x01;unchar bufferdata7;unchar bdata sta;sbit RX_DR=sta6;sbit TX_DS=sta5;sbit MAX_RT=sta4;/*延时函数*/void Delay(unint t)unint x,y;for(x=t;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/* LCM1602写数据函数*/void LCD_Write_Data(unchar date)RS=1;RW=0;Delay(5);EN=1;DataPort=date;EN=0;/* LCM1602显示字符串函数*/void LCD_Write_String(unchar x,unchar y,unchar *str)if(y=0)LCD_Write_Cmd(0x80+x);elseLCD_Write_Cmd(0x80+0x40+x);while(*str!=0)LCD_Write_Data(*str);str+;/*1602显示字符函数*/void LCD_Write_Char(unchar x,unchar y,unchar s)if(y=0)LCD_Write_Cmd(0x80+x);elseLCD_Write_Cmd(0xc0+x); LCD_Write_Data(s);/*NRF24L01初始化函数*/void nRF24L01Int() Delay(2);CE=0;CSN=1;SCLK=0;IRQ=1; /* nRF24L01设置为接收模式并接收数据*/void nRFSetRXMode()CE=0;nRFWriteTxData(W_REGISTER+RX_ADDR_P0,TxAddr,TX_ADDR_WITDH); nRFWriteReg(W_REGISTER+EN_AA,0x01);nRFWriteReg (W_REGISTER+EN_RXADDR,0x01);nRFWriteReg (W_REGISTER+RF_CH,0x40);nRFWriteReg(W_REGISTER+RX_PW_P0,TX_DATA_WITDH); nRFWriteReg(W_REGISTER+RF_SETUP,0x07); nRFWriteReg(W_REGISTER+CONFIG,0x0f);CE = 1;Delay(66);/* nRF24L01接收数据*/void GetData()sta=nRFReadReg(R_REGISTER+STATUS);if(RX_DR) CE=0;nRFReadRxData(R_RX_PAYLOAD,bufferdata,RX_DATA_WITDH);/led=1;buzzer=1;LCD_Write_String(0,0, Tempreture is: );nRFWriteReg(W_REGISTER+STATUS,0xff);CSN=0;nRFSPI(FLUSH_RX);CSN=1;else /led=0;buzzer=0;LCD_Write_String(0,0, INTERRUPT! ); /*主函数*/void main()led = 0;buzzer=0;Delay(200);buzzer=1;led = 1;LCD_Init();Delay(20);nRF24L01Int();*(bufferdata+6)=0;LCD_Write_Char(10,1,C);while(1) nRFSetRXMode();GetData();LCD_Write_String (4, 1, bufferdata);LCD_Write_String(4,1,bufferdata);4.3 实物展示本设计用18D02温度传感器在探测端采集周围环境的温度数据，经过单片机处理，由NRF24L01无线模块发射传输至监测端，实时显示到液晶屏上。同时，在监测端连接一个蜂鸣器，当俩无线模块连接出现问题时，蜂鸣器提示报警。这样确保了对环境的实时监测。探测实物图如下：系统实物图：结论该检测系统以单片机AT89S52为核心实现对温度、湿度、光照的检测与其控制，运行可靠，操作简单，精度高，响应速度快。同时，通过无线传输模块NRF24L01进行传输数据，然后通过LCD液晶显示器直观的显示通过控制系统后的温、湿度值与有无光照的电压值。当出现异常现时，通过报警装置发出警告，与时得到处理。本系统最大的特点是测量准确、结构简单、调试使用方便、性价比高、可以单独使用，也可以和上位机连接。为了确保整个系统运行的稳定性，本系统还用硬件设计上采用了单片机上电复位电路，而在软件设计中则加入了看门狗和中断。该装置运行可靠，测量误差小，具有很好的应用效果，因此，可以广泛应用于农业、工业、医用、军用环境中对温度、湿度与光照有超限报警要求的场合。为仓库管理增强了可靠性从而大大减少人力劳动，还提高了效率完美的保证了储存物资的寿命和工作可靠性。参考文献1何希才，虹敏.传感器应用接口电路机械工业 19972胡学海.单片机原理与应用系统的设