蔬菜大棚智能数据采集系统的设计.doc

学 号__ _

毕 业 论 文（设计）

课 题 蔬菜大棚智能数据采集系统设计

学生姓名 徐 飞

院 部 电气工程学院

专业班级 自动化一班

指导老师 杨 路
二 〇 一 五 年 五 月

摘 要

伴随经济快速发展，大家对蔬菜需求大幅度提升，大棚蔬菜种植技术在中国快速发展起来，现在即使生产规模巨大，但蔬菜大棚设备陈旧，数据采集方法落后，自动化、智能化水平低，不利于蔬菜大棚推广和蔬菜产量提升，也不利于中国农业长远发展。
温度、空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度等控制因子是蔬菜大棚种植环境关键参数，蔬菜生长速度、品质和这些参数有着亲密关系，有效控制这此因子可提升蔬菜产量和质量 ，达成省时省力和增产增收目标。
本系统以STC89C52单片机为主控芯片，采取了无线通信模块nRF24L01模块，利用DHT11传感器检测温度、湿度、BH1750fvi传感器检测光照强度、红外二氧化碳传感器检测CO2浓度，经过nRF24L01模块进行无线传输采集数据，从而实现了对环境原因正确采集。
关键字：单片机；STC89C52；无线传输；nRF24L01；DHT11；BH1750fvi

Abstract

With the rapid development of economy, people of vegetable of the substantial increase in demand, greenhouse vegetable planting technology develops rapidly in our country, at present although the production scale is huge, but vegetable greenhouses obsolete equipment, backward and the way of data collection, automation, intelligent level low adverse in greenhouse vegetable promotion and vegetable yield increase, is not conducive to the long-term development of China's agriculture.
Temperature, air humidity, light Zhao intensity and carbon dioxide concentration control factor is the main parameters of greenhouse cultivation environment, vegetable growth speed, quality, and these parameters have close relationship, and effectively control the factor can improve the yield and quality of vegetables, achieve the goal of saving time and increase production.
The system to STC89C52 microcontroller as the main control chip, the wireless communication module nRF24L01 module, using DHT11 sensor detects the temperature, humidity, illumination intensity, infrared carbon dioxide sensor for the detection of CO2 concentration BH1750fvi sensor detection and by module nRF24L01 wireless transmission data acquisition, so as to realize the accurate acquisition of environmental factors.
Key word: MCU；STC89C52；wireless transmission；nRF24L01；DHT11

目录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 - 1 -
1.1课题起源 - 1 -
1.2 国外研究概况 - 1 -
1.3 中国蔬菜大棚潜在问题及其需求分析 - 2 -
1.4 本文关键研究工作 - 2 -
第2章 系统方案分析和选择论证 - 3 -
2.1 系统方案设计 - 3 -
2.1.1 主芯片选择方案 - 3 -
2.1.2 无线通信模块方案 - 3 -
2.1.3 湿度、温度传感器方案 - 4 -
2.1.4光照传感器选择方案 - 4 -
2.1.5 气体传感器选择方案 - 4 -
2.1.6 显示模块选择方案 - 5 -
2.2 系统最终方案 - 5 -
第3章 系统硬件模块设计 - 6 -
3.1 单片机控制模块 - 6 -
3.1.1主控芯片概述 - 6 -
3.1.2 单片机控制模块电路 - 7 -
3.2 单片2.4GHz nRF24L01无线模块 - 8 -
3.2.1 nRF24L01芯片概述 - 8 -
3.2.2 引脚功效及描述 - 9 -
3.2.3 工作模式 - 9 -
3.2.4 增强型ShockBurstTM工作原理 - 10 -
3.2.5 nRF24L01模块原理图 - 11 -
3.3数字湿温度传感器DHT11电路 - 12 -
3.3.1 DHT11概述 - 12 -
3.3.2 DHT11电路 - 13 -
3.4光强度传感器BH1750fvi电路 - 13 -
3.4.1BH1750fvi概述 - 14 -
3.5红外传感器C20电路 - 14 -
3.6 LCD12864电路 - 15 -
3.7 Max232串口转换电路 - 15 -
3.8 报警电路 - 16 -
第4章 系统软件设计 - 16 -
4.1 nRF24L01无线射频模块 - 17 -
4.2 DHT11温湿度数据采集模块 - 22 -
4.2.1 DHT11通讯过程 - 22 -
4.2.2 DHT11数据采集步骤图 - 22 -
4.2.3 DHT11部分代码 - 23 -
4.3 BH1750fvi光照强度数据采集模块 - 24 -
4.3.1 BH1750fvi步骤图见图 - 24 -
4.3.2 BH1750fvi部分代码 - 25 -
4.4 AMPIRE12864液晶显示器 - 26 -
4.4.1 LCD12864程序步骤图 - 26 -
4.4.2 LCD12864部分代码 - 27 -
4.5 蜂鸣器程序代码 - 28 -
总结和展望 - 28 -
参考文件 - 29 -
致谢 - 30 -

插图清单

图1 -1 日常生活中蔬菜大棚 - 1 -
图2 -1 系统硬件结构框图 - 5 -
图3 -1 主控芯片管脚分布图 - 7 -
图3 -2 主控芯片最小系统 - 8 -
图3 -4 AMS117降压电路 - 8 -
图3 -5 nRF24L01引脚封装 - 9 -
图3 -6 SPI读操作 - 11 -
图3 -7 SPI 写操作 - 11 -
图3 -8 单端50Ω射频输出电路图 - 12 -
图3 -9 nRF24L01射频模块和主控芯片管脚连接图 - 12 -
图3 -10 DHT11管脚封装分布图 - 13 -
图3 -11 DHT11和主控芯片连接电路图 - 13 -
图3 -12 BH1750fvi和MCU连接电路图 - 14 -
图3 -13 CO2浓度传感器管脚分布图 - 15 -
图3 -14 AmpireLCD12864电路连接图 - 15 -
图3 -15 Max232串口转换电路 - 16 -
图3 -16 蜂鸣器连接电路图 - 16 -
图4 -1 nRF24L01PTX和PRX步骤图 - 17 -
图4 -2 总体框架步骤图 - 18 -
图4 -3 nRF24L01时序图 - 19 -
图4 -4 DHT11通讯过程 - 22 -
图4 -5 DHT11程序步骤图 - 23 -
图4 -6 BH1750fvi程序步骤图 - 25 -
图4 -7 LCD12864程序步骤图 - 27 -

表格清单

表3 -1 关键功效特征 - 6 -
表3 -2 nRF24L01关键特征 - 9 -
表3 -3 nRF24L01引脚功效 - 9 -
表3 -4 nRF24L01工作模式 - 10 -
表3 -5 常见配置寄存器 - 11 -
表3 -6 性能指标和特征 - 13 -
表3 -7 数据包 - 13 -
表3 -8 产品特点 - 14 -

第1章 绪论
1.1课题起源
中国大棚种植约始于1965年，现在技术设备已经更新好几代，大棚面积也已经稳居世界前列，同时伴伴随科技快速发展，使得农作物栽培不受地域、季节限制，蔬菜成为了十二个月四季大家餐桌食物，中国蔬菜大棚也逐步走向自动化、无人化和信息化。
现在，中国温室关键是在温室和塑料大棚，温室管理关键是人工，在很大程度上造成了人力资源和原材料巨大浪费，且效率不高。伴随国民经济快速发展和现代化工业生产迫切要求，大家在日常生活方方面面越来越多见到利用无线传输方法进行数据采集和传输。在过去，因为蔬菜大棚全部是采取了分区采样人工方法，取得数据十分不可靠、人工工作强度大、检测目标分散，以往方法也逐步落伍，极难满足现代农业快速发展，而很多复杂系统依靠无线数据传输技术快速发展，其采集检测数据能力愈加正确可靠，操作上愈加简便易行。

图1-1 日常生活中蔬菜大棚
1.2 国外研究概况
现在部分发达国家已含有了相当成熟蔬菜大棚技术，早在1970年，国外开始采取模拟式仪表，搜集、保留和分析了大棚内若干环境参数，到1990年左右，计算机技术为关键分布式控制系统开始崭露头角。现在国外蔬菜大棚自动控制系统研究已经有了极大进步和发展，部分发达国家正在朝着信息化、智能化、自动化目标挺进。世界园艺强国荷兰大棚控制技术一直处于世界领先水平，堪称是欧美经典代表，因为荷兰温差很小，其大棚内温湿度等难题考量不多，从而侧重对于光照强度采集和控制，荷兰大棚隔热技术、调整CO2技术和人工补光技术一直处于世界前列；以色列现代温室大棚技术可经过计算机网络对本身环境参数进行自动检测及调整来完成植物本身对外界参数不一样要求，优异滴管和微喷管系统进行浇灌和施肥，从而实现温室农作物常年高效生产；另外美国、加拿大等还利用人为增加光强度，由机器手或机器人进行移植栽培，选择计算机网络技术和无线通信技术进行温室远距离监测和控制，从而很大程度上提升了生产效率和植物产量，极大提升了农业信息化水平。
1.3 中国蔬菜大棚潜在问题及其需求分析
存在问题：
1） 蔬菜大棚系统仍然使用过去有线通信方法。蔬菜大棚传统上采取RS485等总线方法，这类有线通信方法使得系统可靠性降低，线路错综复杂安装维护繁杂，不利于大规模无人化生产，在实际应用空间上含有不足。伴随计算机技术快速发展，无线通信数据采集和处理在工农业生产中快速得到了广泛应用，蔬菜大棚系统也需要更新。
2） 中国蔬菜大棚生产管理关键依靠经验和单因子定性控制，调整控制能力差，总体机械化程度低，关键仍是依靠人工体力作业。

需求分析：中国经过30多年改革开放，伴伴随社会经济快速发展，工业化和城市化不停提升，用于农业生产土地面积不停降低，这也迫切要求发展和提升中国农业现代化水平，其中关键就是蔬菜大棚技术。本设计经过采集大棚内光照强度、湿度、温度、CO2浓度相关数据，立即了解和调整蔬菜大棚内农作物生长环境4种关键参数，使其在最适宜环境下生长，我们致力于在有限土地占有面积上进行高效农业生产，提升农业生产效率，使得中国农业朝着高效化、信息化和智能化方向发展[1]。
1.4 本文关键研究工作
本文设计了由STC89C52控制nRF24L01和DHT11、BH1750fvi、C20三种传感器组成了无线数据通信系统。整个系统可分为两大部分，其中发送部分以STC89C52为主控芯片，使用DHT11采集温湿度、BH1750fvi采集光照强度、C20采集CO2浓度并由nRF24L01无线射频模块将采集到多种数据传送给接收部分；接收部分以STC89C52为主控芯片，经过nRF24L01接收温湿度、光照强度、CO2浓度数据然后在LCD12864上显示。

第2章 系统方案分析和选择论证
2.1 系统方案设计
2.1.1 主芯片选择方案
方案一：选择STC89C52作为主控芯片。此芯片有以下优点：效率高、功效强、应用简便、低功耗、低成本、高稳定性、高速度、体积小、集成度高且易于扩展。
方案二：选择TI（德州仪器）企业研发含有16位总线外设和内存统一编码内置高速12位ADC超低功耗、集成度高单片机MSP430F149作为主控芯片。寻址范围可达64K、支持ISP、便于系统开发和设计，含有很强大功效，但其价格比较贵，又因为它封装形式连接不便于电路焊接，所以大大增加了开发成本和时间周期。
方案三：选择ATMEL企业生产，现在主流高性能、性价比高、低功耗8单片机8位AVRATmega16，含有优异RISC结构、非易失性程序和数据存放器、JTAG 接口(和IEEE 1149.1标准兼容)。含有丰富指令集和32个通用工作寄存器。因为其优异指令集和单时钟周期指令实施时间，ATmega16数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而能够缓减系统在功耗和处理速度之间矛盾。但因为本系统对运算要求不高，且AVR单片机价格较高，不宜本设计要求。
因为蔬菜大棚内环境常年湿度较高，轻易使得电子产品腐蚀。所以从成本上要求主控芯片必需价格低廉且性能可靠。同时，为了便于系统安装和维护，我们期望单片机性能优良、集成度高，本系统选择方案一。
2.1.2 无线通信模块方案
方案一：选择高速、低功耗、抗干扰能力强nRF24L01无线射频模块进行通信，它是是一款最高工作速率为2Mbps、高效GFSK调制、内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制无线通信模块，因为模块采取SPI总线通信模式，所以操作比较方便、价格低廉，尤其适合工业控制场所，
方案二：选择美国TI（德州仪器）企业开发使用ZigBee总线方法CC2430无线通信模块，它含有很显著耗电少、接收灵敏度高、传输距离远、成本低和强大抗干扰性等优势，而ZigBee通信协议对于初学者来说较为复杂，一时难以掌握，另外CC2430模块价格较贵。
方案三：选择GSM模块进行通讯，抗干扰能力强，状态稳定，在覆盖地域通信质量高，能够支撑多个业务、有效地保护用户权利和加密传输讯息，但它需要需要内置SIM卡，编码质量不够高，编码速度只有13kb/s,且通信过程中需要收费，后期成本较高。
总而言之，我们采取方案一中nRF24L01作为本系统数据通信模块[2]。
2.1.3 湿度、温度传感器方案
方案一：选择HS1101检测蔬菜大棚内湿度，DS18B20检测大棚内温度。DS18B20因为其电路接线简单、易编程、体积小、持久耐用、封装种类丰富，所以广泛应用于设备要求狭小空间。HS1101因为含有高可靠性和长时间稳定性,可应用在需要湿度赔偿各类场所。 
方案二：模拟输出型温湿度传感器，它输出信号信号是微弱模拟电信号，且响应时间慢、热惯性大、线性差、需要多种赔偿，适适用于温湿度良好环境中，如办公室、医院等。
方案三：数字型温湿度复合传感器，其中以DHT11、SHT11系列为代表，其特征就是输出为数字信号、不需要A/D变换、外围电路接线简单、外部抗干扰能力很强、无需外部放大电路。
方案四：逻辑输出型温湿度传感器，这类传感器以LM56等为代表，关键是判定温度、湿度是否超出了设定范围，一旦超出原设定范围，就会发出警告。
综合以上四种方案，本系统选择方案三数字型传感器DHT11。
2.1.4光照传感器选择方案
方案一：光照传感器，它能够依据光照强度调整亮度，其测量范围广，分辨率高，无需设计外围复杂电路。其中代表就是一个以两线式串行总线进行通信数字光照强度传感器BH1750FVI，它工作时对光源依靠较弱而且支持IIC总线接口通信。
方案二：光敏传感器，它是一个敏感波长在红外线波长和紫外线波长之间利用光敏元器件将光照强度信号经过A/D变换成为电平信号设备，它广泛应用在对光探测和组成其它传感器探测元器件，但它受温度影响较大、响应速度慢且延迟时间又受到入射光光照度影响。
综合以上两个方案，采取以BH1750fvi为代表方案一。
2.1.5 气体传感器选择方案
方案一：红外式传感器，它是利用了不一样波长光线能够被不一样种类元素吸收光学原理作为检测气体浓度依据，优点是线性转换度好、响应速率快、能够适应恶劣环境、稳定性好等特点。
方案二：电解质气体传感器，它是在通电情况下利用不一样浓度被测气体和某种固体电解质电极间发生化学反应，进而引发其电极正负电位改变，依据被测气体和电极电位改变量成正百分比关系，能够得出电位和气体浓度改变。
方案三：金属氧化物半导体式传感器，它对湿度、温度、光照强度等多种原因全部很敏感，外界原因一点改变全部会引发半导体材料载流子改变，经过采集其材料物理改变，能够推出它所处CO2浓度。
综合以上气体传感器特点，因为方案二、三中传感器存在温度漂移、零点漂移等缺点，本系统采取方案一中灵敏度高、线性好、响应时间短、测量时受外界环境影响小红外CO2传感器C20。
2.1.6 显示模块选择方案
方案一：选择能够显示较多汉字和ASCII码LCD12864，因为它低电压低功耗、连接方法灵活简便、操作指令简单等显著特点，可设计出全汉字人机交互图形界面，最大程度完成图形显示。
方案二：选择点阵型液晶模块LCD1602，它价格廉价易控制，且可显示字母、数字、符号，但只可显示固定每行16个字符2行字符，所以不能显示位图图形。
方案三：选择LED数码显示管，它成本即使少，不过只能够显示数字和少数字符和符号。
本系统选择了LCD12864显示器。点阵图形液晶模块、点阵字符液晶模块和数显液晶模块是3种最为常见液晶显示模块，本系统选择主控芯片为KS0108不带字库AMPIRE12864液晶显示器，是因为汉字不能像英文那样用字符模块就能够显示，显示汉字必需用图形模块，这也是图形液晶模块在中国应用范围最为广泛关键原因。
2.2 系统最终方案
本系统以89C52作为主控芯片，外接光照采集模块、温湿度采集模块、CO2浓度采集模块和无线射频模块，4种数据经过I/O接口保留到存放单元中，接着将nRF24L01模块初始化，89C52经过接口将采集到数据传送到nRF24L01中TX_FIFO缓冲区内，在发送模式下CE拉低,直至数据成功发送完成，从而开启待机模式，紧接着接收端等候接收数据，假如收到超出预先设定数据范围，则蜂鸣器报警，延迟一段时间后，传感器重新采集数据。

图2-1 系统硬件结构框图
第3章 系统硬件模块设计
3.1 单片机控制模块
3.1.1主控芯片概述
STC89C52是宏晶科技企业推出利用高密度非易失性存放器技术制造低功耗、高速、超强干扰MPU，指令编码完全和过去MCS-51单片机相兼容。STC89C52含有片上在系统可编程Flash，便使得它广泛应用在很多工业过程控制和嵌入式控制中。SC89C52为满足不一样产品需求，开发了3种封装形式PDIP、TQFP和PLCC。它工作电压在5.5V～3.3V，工作频率范围0～40MHHz，本设计采取比较常见PDIP封装形式。STC89C52关键功效特征如表3-1所表示，管脚分布图3-1所表示。
表3-1 关键功效特征
兼容MCS-51指令系统
8K可反复擦写Flash ROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中止
时钟频率0-24MHz
2个串行中止
全双工UART串行中止口线
2个外部中止源
共6个中止源
2个读写中止口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功效
看门狗（WDT）电路
灵活ISP字节和分页编程

图3-1 主控芯片管脚分布图
3.1.2 单片机控制模块电路
STC89C52最小系统组成单片机控制模块，其中最小系统包含STC89C52芯片，时钟电路、复位电路和电源电路[3]。
（1）时钟电路
89C52管脚19（X1）和18（X2）外接一个晶体和内部一个高增益反相放大器组成了1个振荡器，单片机时钟连接方法能够分为内部时钟方法和外部时钟方法时钟，本系统采取内部时钟方法。在单片机管脚18和19接一只12MHz或6MHz晶振振荡器和两只30pF（<47pF即可）电容就组成了单片机外部时钟电路，其中两个电容在电路中起到了对振荡频率微调作用，单片机工作时间基准就是由时钟电路决定[4]。
(2)复位电路
本系统采取上电+按键复位方法，其中复位端等于0时有效。复位信号是高电平有效，高电平有效连续时间为2个机器周期以上，倘若本设计采取12MHz晶振，那么复位脉冲宽度最少是2us。单片机最小系统图3-2所表示。

图3-2 主控芯片最小系统
（3） 电源电路
通常，我们使单片机时，为了降低直流供电电源对上位复电影响，单片机复位必需以稳定电源作为前提，市电220V电源先经过变压器降压后，再经过二极管全波整流，接着电容滤波，最终再经过三端稳压器LM7805进行稳压，输出为稳定5V电压，具体电路图图3-3所表示，这么就能够降低单片机供电电源、复位电路结构、按键按键导线干扰影响。
AMS1117是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V。它分为固定输出版本和可调版本，内部集成了过热保护和限流电阻，是电池供电和便携式计算机最好选择。本设计采取固定输出版本，图3-4，它输入为5V，为nRF24L01提供输出为3.3V电压[5]。

图3-3 供电电源电路图

图3-4 AMS117降压电路
3.2 单片2.4GHz nRF24L01无线模块
3.2.1 nRF24L01芯片概述
nRF24L01是一款由Nordic企业研发在2.4 GHz～2.5 GHz 工作世界通用ISM频段低功耗无线射频收发器芯片,其中由增强型晶体振荡器、ShockBurstTM模式控制器、解调器、调制器、频率发生器、功率放大器等共同组成了无线收发器,通信协议、频道选择和输出功率可经过SPI命令进行配置。nRF24L01B（PCB板载天线）和RF24L01SE（外置天线）是nRF24L01无线模块两个型号，本系统选择RF24L01B。它拥有 ShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种收发模式，其中器件配置字决定收发模式，本系统经过选择Enhanced ShockBurstTM收发模式。
表3-2 nRF24L01关键特征
GFSK调制
硬件集成了OSI链路层
含有自动应答和自动在发射功效
片内自动生成报头和CRC校验码
数据传输速率为1Mb/s或2Mb/s
SPI速率为0Mb/s~10Mb/s
125个频道
和其它NRF24系列射频器件相兼容
3.2.2 引脚功效及描述
nRF24L01引脚封装图3-5所表示。各引脚功效如表3-3所表示。

图3-5 nRF24L01引脚封装
表3-3 nRF24L01引脚功效
CE
使能发射或接收
CSN、SCK、MOSI、MISO
SPI引脚，为处理器经过此引脚配置nRF24L01
IRQ
中止标志位
XC2、XC1
晶体振荡引脚
VDD_PA
为功率放大器供电输出为1.8V
ANT1、ANT2
天线接口
IREF
参考电流输入

3.2.3 工作模式
我们能够经过设置寄存器可将nRF24L01设置为发射、接收、待机和掉电4种工作模式，见表3-4所表示。

表3-4 nRF24L01工作模式
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
—
发射模式
1
0
1
数据在TX_FIFO寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式，直至数据发送完
待机模式1
1
0
1
TX_FIFO为空
待机模式2
1
—
0
无数据传输
掉电模式
0
—
—
—

当系统在待机模式1和2时，寄存器中配置字内容仍然保留，在待机模式1下，晶体正常工作，此模式下能够确保快速开启且降低nRF24L01模块平均消耗电流，当CE=1且TX_FIFO寄存器为空时，系统进入待机模式2。在待机模式2中，其中一部分时钟缓冲器还在工作模式。寄存器中PWR_UP位就是来控制掉电模式，当PWR_UP位为0时，进入掉电模式，此时nRF24L01各个功效关闭，电流消耗最低，nRF24L01停止工作，但全部配置寄存器内容保持不变。
3.2.4 增强型ShockBurstTM工作原理
1．增强型ShockBurstTM发送过程：
1）配置寄存器PRIM_RX位设置为0，进入发送模式；
2） 当采集到数据要发送时，先经过SPI接口向接收节点地址（TX_ADDR）和有效数据（TX_PLD）根据时序写入FIFO，其中在CSN=0时TX_PLD连续写入，TX_ADDR只需一次写入即可；
3） 设置CE为高（最少10μs），激发nrf24L01进行Enhanced shockBurstTM发射，无线系统上电，装配含有字头和CRC校验码数据包，130μs后发送数据；
4） 假如ACK应答许可，则nRF24L01在发射数据后立即使得PRIM_RX由0变为1 ，从而进入接收模式，接收应答信号，收到应答后TX_DS=1，且在TX_FIFO中清除TX_PLD。
2．增强型ShockBurstTM接收过程：
1） 配置要接收数据包长度大小和当地地址；
2） 将nRF24L01设置CE等于高电平，开启接收模式；
3） 145μs后进入接收状态，开始检测空气中数据信息；
4） 当接收到含有有效信息数据包（地址匹配、CRC检测正确）时，就将数据包存放在RX_FIFO缓冲区中（字头、地址和CRC校验位已移去），且RX_DR（中止标志位）=1，IRQ=0，产生中止信号，通知微处理器去取数据。假如此时开启是自动应答，接收方则同时进入发送模式发送应答确定信号。最终接收完成时，能够清除STATUS寄存器，nRF24L01能够进入任意模式。
进入待机模式或掉电模式才能够写寄存器。nRF24L0l全部设置全部在配置寄存器中，我们能够经过配置寄存器状态来决定配置字，全部配置寄存器均是经过SPI口进行设置。SPI相关指令在使用时由MOSI输入，对应状态和数据信息是从MISO输出给MCU。图3-6和3-7，给出SPI操作读写时序图。

图3-6 SPI读操作

图3-7 SPI 写操作
表3-5列出了nRF24L01 常见配置寄存器，它总有25个配置寄存器。
表3-5 常见配置寄存器
地址（H）
寄存器名称
功效
00
CONFIG
设置24L01工作模式
01
EN_AA
设置接收通道及自动应答
02
EN_RXADDR
使能接收通道地址
03
SEUP_AW
设置地址宽度
04
SETUP_RETR
设置自动重发数据时间和次数
07
STATUS
状态寄存器，用来判定工作状态
0A~0F
RX_ADDR_P0~P5
设置接收通道地址
10
TX_ADDR
设置发送地址
11~16
RX_PW_P0~P5
设置接收通道有效数据宽度

3.2.5 nRF24L01模块原理图
图3-8显示是nRF24L01单端匹配网络，主控芯片和nRF24L01射频模块之间由4个I/O连接后通信，经由SPI同时串行外设，全部寄存器完成数据传输和交流，具体引脚接线图3-9所表示

图3-8 单端50Ω射频输出电路图

图3-9 nRF24L01射频模块和主控芯片管脚连接图
3.3数字湿温度传感器DHT11电路
3.3.1 DHT11概述
DHT11是广州奥松企业应用数字采集技术和传感技术生产一个含有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件数字复合传感器，它只用一个I/O口就能够经过单总线数据格式实现和一个高性能8位MCU间通信，采集到湿度和温度数据一次性以每5Byte传输给微处理器，在检测信号过程当中需要调用保留在程序中校准系数，数据校验是经由校验和方法进行，从而有效地确保了数据采集和传输可靠性和正确性。因为它封装只有4个管脚、采取了单总线通信，使得接线简单、系统集成更为便捷可靠，另外它还有低功耗、响应超快、体积超小、抗干扰能力强、性价比极高等优点，性能指标和特征见表3-6。

表3-6 性能指标和特征
工作电压范围：3.5V-5.5V
工作电流：平均 0.5mA
湿度测量范围：20－90％RH
温度测量范围：0－50℃
湿度分辨率：1％RH(8位)
温度分辨率：1℃(8位)
采样周期：1s
单总线结构、和 TTL 兼容（5V）
DHT11数字湿温度传感器数据包由5字节组成，其中一次完整数据传输共有40bit，数据分小数部分和整数部分，高位先出，数据格式中校验和为前四个字节数据相加之和，具体格式见表3-7。注意：因为传感器输出是没有被编码二进制数据，我们需要分开处理采集到各个数据整数和小数，管脚封装分布图3-10。
表3-7 数据包
Byte4
Byte3
Byte2
Byte1
Byte0
整数
小数
整数
小数
校验和
湿度
温度
校验和

图3-10 DHT11管脚封装分布图
3.3.2 DHT11电路
DHT11 电路连接方法很简单，图3-11所表示，管脚1接电源正极，管脚4接地，管脚2接P1.0，管脚3悬空不用。通常在数据端和电源正之间接一只5K上拉电阻是为了提升其稳定性。注意当连接线长度短于20m时用5K上拉电阻，大于20m时能够依据实际情况选择合适上拉电阻[6]。

图3-11 DHT11和主控芯片连接电路图
3.4光强度传感器BH1750fvi电路
3.4.1BH1750fvi概述
BH1750fvi芯片是飞利浦企业研发含有16位串行输出、光谱灵敏度高且遵照标准IIC通询协议数字型光强度传感器，它是经过光线强度来调整液晶或键盘背景灯亮度，采取两线式串行总线通信，广泛应用在液晶电视，移动电话，笔记本电脑，液晶显示器，数码相机，数码摄像机，便携式游戏机，汽车定位系统，产品特点见表3-8。
表3-8 产品特点
支持 IIC BUS 接口
靠近视觉灵敏度光谱灵敏度特征
输出对应亮度数字值
对应广泛输入光范围(相当于 1-65535lx)
经过降低功率功效,实现低电流化
经过50Hz/60Hz 除光噪音功效实现稳定测定
支持 1.8V 逻辑输入接口
.无需其它外部件
有两种可选 IIC slave 地址
.受红外线影响很小
可计算1.1 lx到100000 lx马克斯/分钟范围
可调测量结果影响较大原因为光入口大小
光源依靠性弱
最小误差变动在±20%

3.4.2 BH1750fvi电路
因为BH1750fvi精度和灵敏度很高即使读出结果是上一次测量结果，不过我们能够认为显示数据就是实数据，具体电路连接图图3-12所表示，其中SDA接管脚P1.1，SCL接管脚P1.2。

图3-12 BH1750fvi和MCU连接电路图
3.5红外传感器C20电路
本系统选择CO2传感器是英国GSS采取长寿命发光体LED和和之相匹配光电二极管、工作在4.26μm 窄带区窄带NDIR红外技术生产C20，红外CO2传感器特征是高精度、功耗低、集成式、立即感应、防水、抗震动。C20因为其体积小且防水，在零下25℃~55℃天气下芯片有一定温度赔偿，所以适合在长久湿度较大场所使用，它管脚从右至左为：+5V电压、串行输出（用于发送数据）、串行输入（用于接收数据）、接地，本系统中管脚2接STC89C52P3.2，管脚3接P3.3。
图3-13 CO2浓度传感器管脚分布图
3.6 LCD12864电路
本系统在接收端部分采取无字库图形点阵液晶显示器AmpireLCD12864，它采取驱动控制器KS0108组成了128列×64行全点阵液晶显示器，LCD12864有5条位控制总线管脚、8位并行数据总线输入输出管脚、1个复位端管脚和4个电源相关管脚共18个管脚，接口方法有2线或3线串行和4位或8位并行，其中本设计中引脚9～16顺次接主控芯片P0.0～P0.7，E（引脚8）接P2.0，R/W（引脚7）接P2.1，RS（引脚6）接P2.2，CS2(引脚2)接P2.3，CS2（引脚3）接P2.4，具体连接电路图3-14所表示。

图3-14 AmpireLCD12864电路连接图
3.7 Max232串口转换电路
因为89C52串口电平和计算机串口电平不相同，故必需将程序下载到主控芯片中，本系统主控芯片采取是Max232串口下载，Max232芯片内部含有电压倍增电路和转换电路，转换接口电路图3-14所表示，管脚11（T1 in）接89c52串行输入线P3.1，管脚12（R1 out）接P3.0,管脚13（R1 in）、管脚14（T1 out）分别和RS232 管脚3、2相连接，其中图3-15中C7、C8、C9须是0.1uF。

图3-15 Max232串口转换电路
3.8 报警电路
若外界环境参数中温湿度、CO2浓度和光照强度超出了原先设定范围时，本系统会驱动蜂鸣器发出报警信号，从而引发管理人员注意，提醒工作人员进行对应故障检验和参数调整。蜂鸣器电路和89C52管脚P2.6相接，蜂鸣器电路图3-16所表示。

图3-16 蜂鸣器连接电路图

第4章 系统软件设计
4.1 nRF24L01无线射频模块
系统发送端采取3种传感器采集CO2、光强度、温湿度，经STC89C52搜集存放数据后，再发送到接收端，其中包含DHT11、BH1750fvi等传感器初始化配置，数据存放及nRF24L01发射频率配置、发射地址配置等。
本系统我们仅模拟单点一发一收情况，步骤图图4-2，其中接收机由通道1、2、3、4接收。因为在自动ACK模式下接收端会在成功接收完数据后会向发送端发送应答信号，发送端以其通道0、1、2、3接收该信号，所以发送端通道0、1、2、3也必需设置为和