1、本科毕业设计论文题目：智能温控器在智能家居中的应用及 硬件实现 作者姓名 指导教师 专业班级 综合自动化 学 院 信息工程学院 提交日期 2015 年 6 月 18 日浙江工业大学本科毕业设计论文智能温控器在智能家居中的应用及硬件实现作者姓名：XXX指导教师：XXXXXX浙江工业大学信息工程学院2015 年 6 月Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technologyfor the Degree of BachelorApplication And Hardware Implementation Of Intelligent Te
2、mperature Controller InSmart HomeStudent: XXXXAdvisor: XXXXXXXXXCollege of Information EngineeringZhejiang University of TechnologyJune 2015浙 江 工 业 大 学本科生毕业设计（论文、创作）任务书专 业 班 级 学生姓名/学号 一、设计（论文、创作）题目： 智能温控器在智能家居中的应用及硬件实现 二、主要任务与目标：设计智能温控器并提出其在智能家居中的应用方案，实现精确定位功能，精确温度检测功能，以及实时通讯功能，并实现通过温度感知对电机的控制 三、主要内
3、容与基本要求：1.完成智能温控器的设计，设计各模块电路，画出原理图 2.做出样机，完成应用方案设计 3. 撰写毕业论文和提交相关设计文挡、图纸、程序流程图等 四、计划进度：2014.12.202015.3.1 收集相关资料文献，学习相关传感器基础知识，完成市场调研；完成外文翻译、文献综述；熟悉课题，做好开题准备，有初步设计方案； 2015.3.23.15 完成开题报告，参加开题交流； 2015.3.164.30 完成智能温控器在智能家居中的应用方案制定，制作样机，接受中期检查； 2015.5.15.31 样机测试与改进，做出最终设计成品。撰写毕业论文初稿； 2015.6.16.20 论文修改，
4、毕业答辩，提交相关文档资料。 五、主要参考文献：1葛虓.智能楼宇电采暖综合控制系统. 哈尔滨工业大学工学硕士论文, 2011. 2胡永红, 杜美霞, 崔家慎.无人机机载终端机智能温控器设计J. 计算机测量与控制 , 2013. 3 Biljana Risteska Stojkoska, Andrijana Popovska Avramova, and Periklis Chatzimisios. Application of Wireless Sensor Networks for Indoor Temperature Regulation J. International Journal o
5、f Distributed Sensor Networks, 1-10, 2014. 任务书下发日期 2014 年 12 月 20 日设计（论文、创作）工作自 2014 年 12 月 20 日 至 2015 年 6 月 20 日设计（论文、创作）指导教师 系主任（专业负责人） 主管院长 浙江工业大学本科毕业设计论文0智能温控器在智能家居中的运用及硬件实现摘 要 温湿度对人们来说是一个非常重要的物理参数，它表征物体的冷热程度。与人类生活、工农业生产和科学研究之间的关系密切，许多生产过程和科学研究都会有温湿度测量或检测的相关要求。控制温湿度对人类具有极其重要的现实意义。与此同时，智能家居作为家庭信
6、息化的实现方式，已成为社会信息化发展的重要组成部分。相对于普通家居，智能家居可以更多地提供全方位人机间的信息交互功能，甚至还能节能环保，节省各种资源。通过对温控器市场的调研，我们得知该项目的应用以及市场都非常广泛，竞争激烈。本文设计了一种简单低功耗并配有无线传输功能的温湿度采集系统。主要介绍了该系统配合四旋翼飞行器，通过飞行器在空中的航行轨迹，记录下飞行器在飞行过程中周围环境的温湿度，并把实时数据通过蓝牙无线技术传输到电脑端。本文详细阐述了该系统的硬件设计，包括单片机、温湿传感器、无线收发传输模块、电源模块的选取等。实现了低功耗，低成本，体积小（可以安装在小型四旋翼飞行器上），工作稳定等诸多优
7、点。关键词：单片机，蓝牙，温控器，温湿度传感器，数据采集浙江工业大学本科毕业设计论文1APPLICATION AND HARD IMPLEMENATION OF INTELLIGENT TEMPERATURE CONTROLLER IN SMART HOMEABSTRACTTemperature is very important for people, which is used to measure the hot or cold of objects. It is strongly related with human life, industrial and agricultural
8、production, and scientific research.Many production processes and scientific research require measurements of temperature and humidity. Temperature control has practical significance for humanity. At the same time, smart home, as the implementation of information technology to a family, has become a
9、n important part of the development of information society. Compared with the ordinary way, smart home can provide more comprehensive information interactivity between human and machines, and can also help to save energy and protect the environment, so as to decrease the cost of different aspects.We
10、 did a survey for the market of temperature controller, and found that the market is quite extensive and full of competition. In this thesis, we design a simple temperature and humidity acquisition system with low power consumption and wireless transmission function. We use a four-rotor aircraft to
11、carry the acquisition system. We record the aircraft flight trajectory as well as the temperature and humidity when it is flying, and data is transferred via Bluetooth to the computer. We finish the hardware design for the system, including how to select micro controller, temperature and humidity se
12、nsors, wireless transmission module, voltage regulator modules. Our design has several advantages, such as low power consumption, low cost, small size (can be carried by a small four-rotor aircraft), and stable.Key Words: MCU, Bluetooth, Thermostat, Temperature and humidity sensor, Data Collection浙江
13、工业大学本科毕业设计论文2目 录摘 要 1ABSTRACT 2第 1 章 绪 论 51.1 什么是温控器 51.2 温控器在智能家居中的应用 51.3 温控器项目研究意义及发展背景 61.4 本论文主要研究内容和章节安排 8第 2 章 F450 四旋翼飞行器系统架构 92.1 F450 四旋翼飞行器的基本结构 92.2 F450 四旋翼飞行器的工作原理 102.3 F450 四旋翼飞行器的搭建与调试 112.4 F450 实地试飞 132.5 本章总结 14第 3 章 温湿度采集系统的硬件设计 153.1 温湿度采集系统的各部分硬件选取 153.1.1 STC89C51 单片机 153.1.2
14、 HC-05 主从机一体蓝牙模块 .173.1.3 DHT11 温湿度传感器 183.1.4 LED1602 液晶屏 193.2 无线温湿度采集系统的硬件设计 213.3 无线温湿度采集系统的硬件连接实物图及说明 233.4 本章总结 23第 4 章 基于 DHT11 温湿度采集系统的软件驱动设计 .244.1 DHT11 的时序 244.2 程序设计流程图 254.3 温湿度读取程序（C 语言） 254.4 电脑端串口助手接收测试 284.5 本章总结 29第 5 章 温湿度显示系统与 PC 端软件对接测试 .305.1 温湿度显示系统人机软件界面简介 305.2 温湿度采集与显示系统测试
15、315.2.1 软件界面温湿度数据显示测试 .315.2.2 软件界面温湿度曲线绘制测试 .31浙江工业大学本科毕业设计论文35.2.3 软件界面 GPS 数据显示测试 325.2.4 软件数据导出生成 Excel 文档测试 335.2.5 上位机软件整体测试结果 .335.3 本章总结 34第 6 章 论文总结 356.1 论文工作总结 356.2 论文研究的展望与不足 35参 考 文 献 36附 录 DHT11 传感器性能说明 38致 谢 39浙江工业大学本科毕业设计论文4第 1 章 绪 论1.1 什么是温控器温度是一个基本的物理常量，是工业对象的主要被控参数之一 1。例如工业中的报警器
16、2、装有温控器的微波炉 3等，甚至涂覆装备中也涉及到温控器的运用 4。温控器，英文名为 Thermostat，字面上很容易理解，顾名思义就是温度控制器，主要是用来调节温度的装置。例如冰箱上的温控是控制压缩机启动与停止的，设定的温湿度到了，压缩机停转，加热装置上的温控器是控制加热与保温的。或是通过温度保护器将温度传到控制器，通过发出相关的调试命令，从而控制设备的运行以达到人们想要的温度及节能效果，从上述举例中很好容易看出其具有非常广泛的应用范围非常广泛和发展前景，各种不同类型的温控器根据自身种类的特点分别应用在家庭电器、电机类、制冷或制热等众多产品中。目前，市面上很多温控器也包含湿度的测量，因此
17、在后续章节，我们提到的温控器统一指温湿度的测量和控制设备。同时，不仅仅在工业上的应用，在智能家居中，温控器也发挥着很大的作用，尤其是以房屋住宅为平台，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术等与家居生活有关的各种 IT 技术，和温控器有机地结合在一起，建造出一种强大的智能房屋温湿度控制综合管理系统 5。这种方法将改变整个房屋的安全和舒适性能，使我们的生活更加方便轻松，而且还能起到节能减排的环保作用。1.2 温控器在智能家居中的应用智能家居是计算机技术、自动控制技术、网络通信技术三大系统向传统楼宇、建筑、房屋等渗透的产物，与物联网技术之间有着紧密的联系。想象一下，在人们刚刚回到家里的时候
18、，大门锁被开启之后，房屋中的智能安防系统自动解除原先设定的室内警戒状态，走廊里的灯慢慢地开启，室内温控系统自动启动，自己常听的流行音乐在耳边轻轻响起。只要身在屋中，控制家中所有的电器仅仅一个遥控器就够了。到了晚上的时候，所有的窗帘都会按照设定好的时间自动关闭。入睡前，床头边的面板上，只要一个按钮就可以通过声音控制室内所有需要关闭的灯光和电器设备，同时安防系统自动开启警戒模式。智能家居作为家庭信息化的实现方式，已成为社会信息化发展的重要组成部分 6。浙江工业大学本科毕业设计论文5相对于普通家居，智能家居可以更多地提供全方位的人机信息交互功能，甚至还能节能环保，从而节省开支。智能家居的概念很早就已
19、经被提出，只是那时还没出现一个实际存在的案例。直到 1984 年美国的联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化的概念应用在了美国康涅狄格州哈特佛市的 City Place Building 时，才出现了世界第一栋“智能型建筑”，才出现了世界第一栋“智能型建筑”，从此开启了人们争相建造智能家居房屋的时代 7。1.3 温控器项目研究意义及发展背景智能家居从起源至今已有三十多年的历史。目前，美国已经拥有全球最高端的智能化房屋住宅区，其占地约 3359 公顷，其中大约有 8000 栋小别墅。此外，在欧州、日本等地区，智能家居也已开始
20、稳步发展。温湿度对人们来说是一个非常重要的物理参数，它表征物体的冷热和潮湿程度。它与人类生活、工农业生产和科学研究之间的关系相当紧密，几乎所有的生产过程和科学研究都会有温湿度检测的相关要求 8。控制温湿度也对人类具有极其重要的现实意义。以前很多都是人为进行温湿度控制，这样不仅浪费人力，同时还增加了很多不稳定性 9。温湿度控制涉及大到工业设备小到人们正常生活中的家用电器等方方面面。那么很显然，温湿度的控制在智能家居中的应用也占据着非常重要的地位。随着智能家居的成果在整个世界上的日渐兴起，智能家居在上个世纪末就已经悄然走进了中国人的生活照中。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑
21、、网络通信、信息家电、设备自动化，提供全方位的信息交互功能，甚至为各种能源费用节约资金。文献10 中详细介绍了物联网在智能家居中的发展。结合前两段不难看出，智能温湿度控制系统已经在智能家居中占据了很重要的地位。尤其是物联网系统、远程监控等将唱主角。近年来随着新的温控器企业的不断涌入，各企业都在承受着成本不断攀升，产品利润日益微薄的压力。使温控器中小企业扎堆，竞争激烈，透支市场。再加上国内劳动力成本的上升，原材料价格的上涨，多方作用，种下的苦果是部分竞争力不强的产品几乎进入纯成本竞争阶段。到现在看来，温控器的市场还没有实现统一化，规范划，面对竞争压力，国内众多的温控器打起了价格战，反而忽略了没产
22、品的质量。对比中浙江工业大学本科毕业设计论文6小企业，或者是新进入市场的企业，一些龙头企业在中高端市场优势明显，同时还有更多精力和能力完成技术创新，并拓展到多领域。业内人士预测，强者愈强，弱者被淘汰的局面，在未来 10 年内表现更加激烈 11。现如今很多带有温湿度控制产品中，有冷链监测(物联网)系统 12、冷链温湿度控制器、温湿度记录仪、冷库电气控制箱、温湿度环境测量仪、空气能热泵控制器、车用空调控制器等，这些都应用于不同领域和处所。控制温湿度的主要目的是解决基于冷链的运行需要，实现对冷链各个环节的温湿度进行精准监控，温湿度异常报警;各种厨房柜、饮料柜、展示柜、医疗柜、冷冻冷藏柜等制冷系统的温
23、湿度控制等。然而对于零距离温湿度的控制是远远不够的，因此在温湿度控制中加入远程监控功能，即无线传输系统是必然的。有一种远程监控是通过通信模块和控制器把互联网和设备连成物联网，并可用于集中监控，无需网络。其特点是提供设备运行控制，预警，报警，记录等功能。通过互联网可以对设备进行实时监测和实时控制，无需再在多个工地奔走劳碌。定时记录运行和操作参数，给维护和性能分析提供数据依据，让任何问题都有证可循。通过手机 13和网页两种方式及时发送设备故障信息，极大降低人工运维成本，减少损失和赔偿。无需另外安装软件，只需能上网的计算机或手机，即可乐享远程监控的带给您的便利。因此，文献14 中的工业温湿度控制器，
24、完全可以加以改进，添加无线传输系统，并运用到智能家居中。添加相应的报警功能，当某电器或者室温超过原有所规定范围外时可以启动报警器甚至可以远程传输给房子主人的手机或者电脑。实现人们虽然远离房屋，但任然对房屋中的状况一清二楚，方便快捷。使原本静止的家居环境变为可移动的智慧的智能化住宅。再细致化到家庭用于养鱼观赏用的鱼缸中的智能温控调节系统,在文献15中采用的是工业中最常用的 PID 控制算法。通过改进，房屋主人即使不在家中，也可以对家中观赏鱼的周围环境了如指掌，养鱼会变得方便多了。还可以根据不同鱼的习性设置不同的温湿度，并通过移动终端或者互联网随时随地控制。在欧洲绝很多情况的温控器被用于壁挂炉必配
25、件 16,17，而且配备的温控器大多是智能型温控器。而在国内，已安装在运行和正在安装调试准备投入使用的壁挂炉近 95%的都有配备各种各样的简易型的或智能型的温湿度控制器。而房间温湿度采集系统中配备的温控器尤其是智能温控器，是节能温湿度采集综合体系中一个极为突出的最重要的环节。浙江工业大学本科毕业设计论文7总结：由以上内容分析，适合国内的温湿度采集系统需要具备的性能有温湿度的采集，无线传输，节能环保，数据的实时收集和分析。本文将着重这几个性能来设计一套完整的无线温湿度采集系统。1.4 本论文主要研究内容和章节安排本论文主要实现基于DHT11传感器的温湿度实时采集的硬件电路设计及软件驱动设计。该温
26、湿度采集系统使用搭载四旋翼飞行器的方式，可以用来动态测量整个楼宇区域的温湿度分布，为整个楼宇或是测量区域提供可靠的温湿度数据，促进楼宇采暖系统的智能化和精准化，论文包括以下六个章节。第一章：绪论该章重点介绍智能温湿度控制器的研究背景与意义、国内外温控器当前的发展情况和具体应用案例，并给出本论文的主要章节安排。第二章：F450 四旋翼飞行器系统架构该章主要讲述了飞行器组成结构、飞行原理、飞行测试，搭建样机过程中遇到的问题以及解决方案。第三章：温湿度采集系统的硬件设计该章详细介绍了温湿度采集与显示系统的硬件实现方案、电路设计思想以及各个电子元器件的选择与优点。实现温湿度的采集，数据的包装和发送，基
27、于蓝牙的无线传输，电脑终端接收实时数据等。同时也介绍了硬件实现中所遇到的问题以及解决方案。第四章：基于DHT11 温湿度采集系统的软件驱动设计该章详细说明了DHT11 温湿度采集系统的软件驱动，其中包括DHT11传感器的时序介绍，程序流程图以及基于C语音的温湿度读取程序。第五章：温湿度显示系统人机软件界面简介该章简单阐述了温湿度采集与显示系统软件部分的设计思想、功能模块以及具体实现过程。基于C#开发语言，设计串口通信程序，实现数据接收、显示、绘图、导出等功能，细化到各个功能模块具体实现方式。第六章：总结总结本论文所做的工作，讨论当前设计的不足和展望后续可能实现的功能。浙江工业大学本科毕业设计论
28、文8浙江工业大学本科毕业设计论文9第 2 章 F450 四旋翼飞行器系统架构本文使用四旋翼飞行器为平台，搭载温湿度采集系统，用来更方便地动态测量整个被测量空间的温湿度数值。2.1 F450 四旋翼飞行器的基本结构对于经典的四旋翼飞行器，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，对角的两个旋翼的旋转方向必须一致，处于邻角位置的两个旋翼的旋转方向必须相反（其原因将在2-3中详细介绍）。四个电机对称地安装在飞行器的支架端，支架中间的空间安放飞行控制器和外部设备。结构形式如图2-1所示。图 2-1 F450 四旋翼飞行器结构框图相比较传统直升机而言
29、，F450四旋翼飞行器大大简化了整体机械构造，加强了用户实际操作性能，具有响应快、效率高、速度快等特色，保证F450四轴飞行器实现垂浙江工业大学本科毕业设计论文10直升降、空中悬停、倒飞等固定翼飞行器所无法实现的功能。常用于各类航拍项目如高压电线检测、电视节目拍摄等。图2-2为四旋翼飞行器的遥控器和无线数传。图 2-2 遥控器与无线数传2.2 F450 四旋翼飞行器的工作原理四旋翼飞行器通过控制四个电机的旋转速度来改变旋翼（螺旋桨）的旋转速度，实现四个旋翼升力的不同变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但由于该飞行器以四个输入力，控制着六个状态输出，所以它又
30、属于欠驱动系统类型。 四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。在图2-1 中，电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于
31、飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。（2）俯仰运动：在图2-3（b）中，电机1的转速上升，电机3 的转速下降（改变浙江工业大学本科毕业设计论文11量大小应相等），电机2、电机4的转速保持不变。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。 （3）滚转运动：与图2-3（b）的原理相同，在图2-3（c）中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与
32、转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图2-3（d）中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。 图 2-3 四旋翼飞行器眼各自由度的运动浙江工业大学本科毕业设计论文122.3 F45
33、0 四旋翼飞行器的搭建与调试因多旋翼飞行器构造简单，相对直升机调试容易，对飞手基础知识要求大大降低，导致近年航模在拍摄领域的流行。与此同时，因为飞行门槛降低，很多不具备足够经验的新手在安装多旋翼飞行器过程中缺乏相关知识，摔机事故频发。某些调试盲点甚至是已入模多年的模友也难以避免。通常，在组装调试四旋翼无人机的过程中应注意以下几点。首先，螺旋桨要采用正反桨的方式。这主要是由于四旋翼飞行器需要安装4个旋翼，在组装过程中，处于对角的两个旋翼的旋转方向必须一致，处于邻角位置的两个旋翼的旋转方向必须相反，这样可以保证F450四旋翼飞行器实现垂直升降、空中悬停、倒飞等固定翼飞行器所无法实现的功能。其次是电
34、调，电调充当了变压器的作用，将11.1V 的电压变为5V 为飞控板和接收器供电。电调的品牌有好盈、银燕、新西达、中特威等，电调的做工精确度对飞行有重要影响。然后是电池，一块电池飞行时间大概10-15分钟（悬停省电，做动作会耗电），属于易耗品。选好所有配件安装完成后（如表2-1四旋翼飞行器配件），飞控接上电也并不是马上可以起飞的，通常需要解锁，这是出于安全考虑的特殊设计。通上电，飞控板上的灯处于关闭状态，可以听到电调发出的滴滴声，这时将油门打到最低（注意油门方向，需要实现确定是设置的向上为最低，还是向下为最低），然后方向舵向右扳到底，飞控板的灯就会亮，电调也不会再继续发声，说明飞行器已准备好起飞
35、。表 2-1 四旋翼飞行器配件配件名称 型号 数量机架 DJI 风火轮 F450 机架 1电调 好盈 Hobby 铂金 Platinum 30A 4机架-高脚架 Dji 风火轮 F450 机架- 原装脚架 6电机 Sunnysky X2212 KV980 4T 插头 公母 防滑 T 插 10锂电池 格式 ACE 2200mAh 3S 11.1V 25C 2浙江工业大学本科毕业设计论文13PIXHAWK 飞控 PIXHAWK 飞控套餐五 1正反螺旋桨 APC 1047 4我们在搭建过程中遇到如下几个问题，针对各个问题查找资料，分别找到了相应的解决方案。第一个遇到的问题是F450四轴飞行器通过US
36、B 数据线连接地面站后，GPS无法正常定位。其解决方案是发现学校室内信号较差，拿到空旷的露天场地后完美解决；第二个问题是F450 组装完成后在进行陀螺仪校准时，无法校准成功。其解决方案是由于PixHawk飞控内置有GPS，所以进行校准时，可以只选一个GPS，本次课题设计中，我们选用外接GPS模块；第三个问题是F450 四轴飞行器解锁后起飞时立即倒向一边，无法正常起飞。我们发现这是由于固件版本不能完美兼容造成的。其解决方案是给PixHawk 飞控重新载入最新的固件，从而解决该问题。图2-4 四旋翼无人机搭建过程2.4 F450 实地试飞在实际试飞前，将指南针、陀螺仪进行校准，敏感度调整、电调参数
37、、遥控器一并设置好，先在电脑上进行软件模拟试飞（防止第一次实际试飞出错），熟悉遥控器操作后选择一个空旷地（本次测试在浙工大向日葵花地）进行实地试飞，轻推油门，F450 四旋翼飞行器平稳起飞，并依据遥控器指令完成悬停、定高飞行、升高飞行等操作，并拍下视频，基本完成课题要求。图 2-5 为四旋翼飞行器定点悬停，图 2-6 为浙江工业大学本科毕业设计论文14F450 飞行器静态图。图 2-5 450 实地试飞定高悬停图 2-6 450 实地试飞静态图2.5 本章总结本章节介绍了 F450 四轴飞行器的基本结构和工作原理，完成了搭建与调试四旋翼飞行器，通过遇到问题、解决问题的方式，加强了自身对四旋翼飞
38、行器具体运作的认浙江工业大学本科毕业设计论文15识，积累了实际经验，增加了动手能力。浙江工业大学本科毕业设计论文16第 3 章 温湿度采集系统的硬件设计3.1 温湿度采集系统的各部分硬件选取该温湿度采集系统既可以使用电池供电，也可以使用固定电源供电，例如在使用USB 接口的情况下可以由电脑供电也可使用手机充电器或是移动电源供电。本无线温湿度采集系统选用了 STC89C51 单片机、HC-05 主从机一体蓝牙模块、 DTH11 温湿度传感器、LCM1602 液晶显示屏 4 个主要元器件。这 4 个元器件属于低功耗器件，这样的选取保证了温湿度采集系统在工作时采集到的数据更加精确标准，降低了电池的消
39、耗使四旋翼飞行器的续航能力更久，同时减小了整个系统的体积，使其更易安装在四旋翼飞行器上便于飞行器携带，这样的硬件选取在降低成本的同时提高了性价比 18。3.1.1 STC89C51 单片机STC89C51 单片机属于 STC 系列单片机，是美国 STC 公司所推出的新型以 51 为内核的单片机。该单片机采用了 8051 核的 ISP（In System Programming）系统可编程芯片，该芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，充分体现了系统可编程（ISP ）特性，通过配合 PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度
40、更快。该单片机内还包含了 FLASH 存储器、UART、SRAM、AD、SPI、PWM 等模块。并且该器件单片机的基本功能和其它型号的 51 单片机完全兼容。它最高工作的时钟频率为 80MHz，片内含有 8K Bytes 的可以反复擦写 1000 多次的 Flash 只读程序存储器，这给编程和调试带来极大的便利。STC89C51RC 系列单片机不仅是单时钟机器周期 (1T)的兼容 8051 内核单片机，还是高速低功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线精简指令集结构，而且内部集成了MAX810 专用复位电路。STC89C51 引脚图如图 3-1.所示。STC89C51 单片机微控制器系列还
41、具有以下性能特点：无需专用的编辑器即可通过串口(P3.0/P3.1) 用 STC 提供的 STC-ISP.exe 软件进行烧录；增强型的 STC89C 系列单片机在进行 ISP 烧录程序时，可以设置为 6 时钟/ 机器周期(双倍速)或 12 时钟/ 机器周期工作模式，而且通过设置 6 时钟/机器周期（双倍速），可以将外接晶振频率降低一半，能有效降低对外部电磁辐射（EMI）；STC89C 系列单片机中的 RC 系列单片机浙江工业大学本科毕业设计论文17在原有 8052 共 256 字节 RAM 的基础上，又扩展了 256 字节 RAM，共有 512 字节RAM(000H1FFH) ；目前，STC
42、89C51/52/53RC 报价分别为 5.7/6.7/9 元，STC89C54/58/516RD+报价 11/15/17 元，STC89LE54/58/516AD 报价分别为 11/12.5/14元。与市面上类似的芯片相比，有较高的性价比。图 3-1 STC89C51 引脚图初次学习 89c51 单片机时总结的编程注意事项：每次编程时，最好建立单独的文件夹，便于管理和以后运用。步奏为：第一步打开 keil 软件，点击 new project 弹出对话框，写上文件名，点击保存，弹出另一对话框选中 atmel 中 at89c51 点击 OK 然后点击 yes；第二步点击 new file 然后保
43、存（点 save）在弹出对话框中文件名写上 xxx.c 然后保存；第三步在 project 中 target 的 source group 点击鼠标反键点击 add 选中上面保存的文件添加，然后可以编程了；第四步编程完成后，编译运行，无错误后点击 target options 在 output 下选中 creat hex file，然后点 OK，再点击 rebuild，生成 hex 文件。图 3-2 STC89C51 单片机实物浙江工业大学本科毕业设计论文183.1.2 HC-05 主从机一体蓝牙模块HC-05 主从机一体蓝牙模块类型属于串口发送接收模块类型。最大的优点就是它的高性能，只要是带
44、蓝牙功能的智能终端，例如电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等，都可以与其进行配对。该模块兼容 5V 或 3.3V 的电压，因此非常适合与单片机系统的配对，可以很方便与本文设计的温湿度采集系统进行连接，使用起来非常灵活、方便。在空旷地中使用距离为 10 米，工作电压为 3.35V 之间。ATK-HC05 蓝牙模块与单片机系统的典型连接方式如图 3-3 所示：图 3-3 ATK-HC05 模块与单片机系统连接示意图图中实线表示必须连接，虚线则表示可连可不连，这个可以根据具体的需要选择性使用即可。其中图 3-3 中的 RXD、TXD 是 Receive Data ，Transmit Data 的意
45、思， RXD 为接收数据的引脚，一般表示为自己的发送端，正常通信必须接另一个设备的RXD。 TXD 为发送数据的引脚，一般表示为自己的接收端，正常通信必须接另一个设备的 TXD。正常通信时本身的 TXD 应该连接设备的 RXD。自收自发：正常通信时RXD 应该接其他设备的 TXD，因此如果要接收自己发送的数据顾名思义，也就是自己接收自己发送的数据，即自身的 TXD 直接连接到 RXD，用来测试本身的发送和接收是否正常，是最快最简单的测试方法，当出现问题时首先做该测试确定是否产品故障，也称回环测试。RXD、TXD 属于 DTE 设备，DTE 是指数据终端设备，典型的 DTE 就是计算机和单片机。
46、RS232 串口标准中的 RXD 和 TXD 都是站在 DTE 立场上的串口通信，使用串口通信协议，即发送时将数据拆分为 8 个字节的二进制 ，一位一位的发送（高低电平）。接收时检测接收线的电平，将接收到的高低电平组合还原，那一个字节就接收到了。相对于 51 单片机串口引脚，高低电平的发送细节不需要我们去定。我们只要允浙江工业大学本科毕业设计论文19许串口通信 ，然后给串口通信缓存寄存器要传的字节就可以。模块上带连接状态指示灯，LED 快闪表示没有蓝牙连接，LED 慢闪表示进入 AT命令模式，双闪表示蓝牙已连接并打开了端口。蓝牙配对成功以后使用方式为全双工串口，单只可支持 8 位数据位、1 位
47、停止位、还可设置奇偶校验的通信格式，这种通信方式也是最常用的一种通信格式，不支持其他格式。体积小巧（3.57cm*1.52cm），工厂贴片生产，保证贴片质量。并套透明热缩管，防尘美观，且有一定的防静电能力。支持从 4800bps1382400bps 间的标准波特率，可通过 AT 命令切换为主机或者从机模式，可通过 AT 命令连接指定设备。另外要注意的是千万不能将电源接到信号脚上,会直接烧坏模块。输入电压也绝对不能超过 7V。该模块的优点是低功耗、低成本、高性能无线收发系统，自带通讯协议无需另外编写。3.1.3 DHT11 温湿度传感器DHT11 温湿度传感器，具有品质良好、响应快、抗干扰能力强
48、、性价比高等优点，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用了专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，以确保产品具有极高的可靠性与长期稳定性。每个 DHT11 温湿度传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 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。模块采用单线制串行接口，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 20M 以上，这些优点使其成为各类应用场合的极佳选则。DHT11 温湿度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。该传感器供电电压为 5V，温湿度
49、测量范围为 0-50，湿度范围为 20-90%RH。特别注意的是，在手动焊接时，只能在最高 260的温湿度条件下焊接，且接触时间须少于 10 秒。单片机与 DHT11 之间的通讯采用单总线数据格式传输，单片机发送一次信号后，预示着数据传输的开始。DHT11 将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。对于该温湿传感器的通信协议时序将会在后面章节进行进一步介绍。此外，该温湿传感器有四个引脚，其中一根引脚处于闲置状态。在电路设计时，可以在数据引脚上外加一个 5K 大小的上拉电阻，其作用是传感器在时序浙江工业大学本科毕业设计论文20工作时，数据线引脚电平需由上拉电阻拉高。其上拉电阻电路和封装如图 3-4 所示。图 3-4 DHT11 温湿度传
