1、 题 目 外界环境检测仪的设计 学生姓名 赵俊杰 学号 1113024078 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 工 程 专 业 1103 班 指导教师 李翠华 完成地点 物 理 与 电 信 工 程 学 院 实 验 室 2015 年 6 月 5 日外界环境检测仪的设计赵俊杰（陕西理工学院通信 1103 班 陕西 汉中 723000）指导教师：李翠华【摘要】外界环境检测仪是对外界环境所涉及到的变量进行检测，例如、温度、湿度、光照强度、灰尘浓度等，使人们方便及时的了解外界环境的状况，也可用于航海宇航等工业领域。本次设计利用单片机控制实现了传感器对温度、湿度、光照强度及灰
2、尘浓度的检测与无线传输，实现了人们在室内及时了解外界环境的变化。本系统具有功能强大、成本低、工作稳定、传输数据及时、准确的优点。【关键词】：温度、湿度、光照强度、灰尘浓度、无线传输。IThe design of the external environment detectorZhao junjie（Grade11,Class1103,Major Communication ，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Li CuihuaAbstract:External environment detecto
3、r is involved to the outside environment variables, such as, temperature, humidity, light intensity, dust concentration, etc.,which make people convenient and timely understanding of the external environment condition ,and used for navigation aerospace and other industrial fields. This design used s
4、ingle-chip microcomputer to control of temperature, humidity, light intensity，dust concentration measurement and wireless transmission finally in order to understand the change of external environment in a timely manner for people indoors . the system has powerful function, low cost, stable work, th
5、e advantages of accurate and timely data transmission.Key Words: Temperature, humidity, light intensity, dust concentration, wireless transmission. II目 录1 绪论 .11.1 研究背景及意义 . 11.2 设计指标及要求 .12.方案设计 .22.1 器件选型 .22.1.1 传感器简介 .22.1.2 短距离无线传输模块简介 .32.1.3 LCD1602 显示: .42.2 本系统设计方案 .52.2.1 传感器选型 .52.2.2 无线模
6、块方案论证 .52.2.3 显示模块方案论证 .53.系统硬件电路的设计 .63.1 设计思路与总体框图. .63.2 传感器电路设计 .73.3 无线传输模块 .83.4 显示电路 .94 系统软件设计 .124.1 主程序 .124.2 传感器信息采集 .154.3 无线射频 nRF24L01 .164.3.1 无线发射程序流程文字详叙 .194.3.2 无线接收程序流程文字详叙 .194.4 LCD1602 显示模块设计 .195 软硬件调试 .235.1 软件调试 .235.2 硬件电路调试 .24致谢 .26参考文献 .27附录 A.28附录 B.30附录 C.32附录 D.51附录
7、 E.52陕西理工学院毕业设计第 页 共 52 页01 绪论1.1 研究背景及意义在人们的日常生活中，出行、旅游、行程安排都离不开对环境状况提前的预知，传统的有线检测，受制于地理环境位置，和自由约束性太大，故而追求一种不受位置环境限制的实时检测检测仪。目前我国的环境检控系统大都采用有线检控系统，由于有线检控系统受地域和环境因素的影响难以实施全面、灵活的监测，在外界环境特殊的情况下事故发生率仍然较高。因此用无线检控系统取代有线检控系统，将大大提高监测与预警水平。无线技术有多种，然而适合于无线电缆短距离传输的外界环境有效的方法之一是利用 RF24L01（射频技术）和Zigbee 技术（无线短距离传
8、输技术） 。本次设计基于无线 SPI 协议组建的网络外界环境检测系统，为外界环境监测提供了新方法思路。RFL2401 技 术 具 有 低 成 本 、 低 功 耗 和 低 速 率 无线 传 输 的 特 点 ， 适用于长短各种距离小范围的组网协议，尤其是在控制领域中得到快速的发展与应用。国外研究现状和发展趋势无线传感器网络的研究起始于美国，在20世纪90年代末期只有美国在无线传感器网络上有所研究，直到21世纪开始，美国和欧洲相继开启了无线传感器网络的研究计划，2003年美国自然科学基金委员会制定的无线传感器网络的研究计划。美国的一些研究机构和高级计划局投入了大量资金支持高校和科研机构研究无线传感器
9、网络。美国英特尔公司，微软公司和其他信息产业巨头也开始对无线传感器网络进行研究，同时还有其他科技发达国家也开始了无线传感器网络的研究工作。经过几年的研究，不断的利用和改进，现在无线传感器采集系统主要应用在城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等控制领域。所以，越来越多的公司和厂家重视无线传感网络的研究与发展。1.2 设计指标及要求外界环境的好坏和人们的生活密切相关，本设计要求设计一外界环境检测仪，可以实现对外界环境温度，湿度，光照，灰尘颗粒浓度的检测，检测到的数据可以实现无线传输，使人们可以在家中随时了解外界环境的状况。1. 画出总体设计框图，用以说明检测仪由哪些相对独
10、立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系。并以文字对原理作辅助说明，具有检测温度，湿度，光照，灰尘浓度的功能。2. 设计各个功能模块的电路图，总电路具有无线传输的功能； 。3. 选择合适的元器件，在开发板上接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在确定电路充分正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。4. 在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和布线进行合理布局，试验样机一套。陕西理工学院毕业设计第 页 共 52 页12.方案设计2.1 器件选型本设计涉及到的主要问题是：（1）传感器选型（2）信息传输核心芯片的选型和模块的设计（
11、3）无线传输模块的辩论（4）显示模块的设计及液晶显示的选型。2.1.1 传感器简介光敏电阻光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。另一种是电阻会随光的减弱而减小。本次设计是选用前者作为光强采集元件。图 2.1 光敏电阻光照强度 L 采集，通过光敏电阻由于它的电气特性影响所在电路支路的电流，进而改变模拟电压，ADC0832 内部的电路在时钟频率下，每隔一段时间对模拟量进行 16 分频采集，采集到的电压，用比较电路将其与参考进行比较进而编为 0/1 代码,（此次过程也量化编码的过程）在内部逻辑的控制
12、下将其以一个字符为单位送入锁存寄存器，进行锁存，于此同时等待单片机中断的到来。其结果可直接用于单片机的识别。数字温湿度传感器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，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，校准系数以程序的形式存在 OTP 内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。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，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。4针单排引脚封装，连接方便。图 2.2 数字温湿度传感器MQ211 型气敏元件特点：这是一种通
13、用性较强的气敏元件，气敏传感器的敏感元件是气敏电阻器，气敏电阻器的阻值随吸附气体的浓度变化而变化，利用这一特性检测气体浓度。适用于一般可燃气体（如陕西理工学院毕业设计第 页 共 52 页2氢气、液化石油气、煤气、一氧化碳、烷烃类等及酒精、乙醚、汽油、烟雾等有害气体的检测，是制作换气扇、脱排油烟机自动开关、气体报警器，防止环境污染的理想气体敏感器件） 。MQ211气敏传感器管脚排列如下图所示： 图2.3 气敏传感器可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太
14、高(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。2.1.2 短距离无线传输模块简介传输方式有多种多样，传输方式可选择 nRF24L01 技术（无线电射频技术） 、zigbee 技术、蓝牙技术、红外技术、等。这些传输方式都有自己的优点，通过方案的比较，结合实际的应用情况，选择一种最佳的传输方式作为本设计的通信方式。无线电射频技术联网标准是在 1988 年，是由 Proxi
15、m、西门子、摩托罗拉等信息技术巨头组建的。其起始研发目的是为家庭无线联网提供一种组网方便、易于使用、成本低的通用性标准。采用工作频率是 2.4G 的 ISM 频段，传输速率达到 1-2Mbps，主要应用在家庭无线组网上，可连接设备 127 台，由于早期技术未进行公开，只有少数公司支持，在抗干扰方面与其他技术相比存在很多问题，后续研发迟缓，因此未能得到广泛的发展与应用但其技术已够成熟。SPI 通信协议：主单片机与从单片机的 SPI9 位移位寄存器连接成一个循环的 16 位寄存器。当主单片机程序向 SPDAT 写入一个字节时，立即启动一个连续的 8 位移位通讯过程：主单片机的 SCLK 脚向从单片
16、机的 SCLK 脚发出一串脉冲在这串脉冲的驱动下，主单片机 SPI8位移位寄存器中的数据移动到了从单片机的 SPI 8 位移位寄存器中；于此同时，从单片机SPI 8 位移位寄存器中的数据已到了主单片机的 SPI 8 位移位寄存器中。利用这样的数据交换机制，主单片机即可向从单片机发送数据，又可读从机单片机中的数据。陕西理工学院毕业设计第 页 共 52 页3Zigbee 技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术，其 PHY 层（物理层）和 MAC 层（介质访问控制层）协议为 IEEE 802.15.4 标准协议，NWK 层（网络层）由 Zigbee 技术联盟限定，APL 层（应用层）的开发应用根
17、据用户的应用需要，对其进行开发利用，该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。Zigbee 2007 规范定义了 zigbee 和 zibee PRO 两种基本特性，该规范比 Zibee 2006 协议更具有应用前景。蓝牙技术经过多年的研究和开发，现已广泛应用于移动电话的无线耳机，尤其是推出蓝牙 V1.2 协议后。蓝牙技术是一种替代便携式或固定电子设备上的电缆或无线连接，短距离无线传输技术。其工作频率为 ISM 2.4G，采用扩频调制技术 ，蓝牙设备的最大发射功率有三个等级：100mw（20dBm） 、2.5mw（4dBm） 、lmw（0dBm） 。当蓝牙设备功率为最低等级 lmw 时，其传输
18、距离仅有 0.110m。当发射源接近或是远离，蓝牙设备会根据接收到的电波强弱变化来自动地调整发射功率。当发射功率提高到 10mw 时，其传输距离可以达到 100m。传输速率也从原有的 720kbps 提高到 3Mbps。 红外技术，一般是利用 850nm 的红外光进行传输。而该传输方式必须要求设备之间的信道无障碍，通信距离不超过 10m，通信的角度在 30之内，但是红外技术在数据传输速率上非常快，最初的红外技术传输速率为 4Mbps，而到现在已经提高到 16Mbps。红外技术的工作原理很简单，功耗低，成本低。由于它在传输距离上受限制、传输方向要求强，因此只能在一定领域受到使用，得不到广泛的发展
19、。表 2.1 几种短距离无线通信技术性能比较 技术名称 工作频段 传输速率 最大功耗 链接设备数应用Zigbee 896/915MHZ 20kbp，40kbps， 1-3mw 6500 家庭网络，传感器网络2.4GHZ 250kbpsBluetooth 2.4GHZ 1-3Mbps 1-100mw 7 个人网络Infrared 820nm 520kbps,4Mbps, 1-10mw 2 透明可见范围内的数据传输16MbpsHomeRF 2.4GHZ 1-2Mbps 100mw 127 家庭无线局域网2.1.3 LCD1602显示:工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符（16
20、 列 2 行） 。1602 液晶也图 2.4 字符型液晶陕西理工学院毕业设计第 页 共 52 页4叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好） 。1602LCD 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字） 。2.2 本系统设计方案2.2.1 传感器选型方案一、将温度传感器和湿度传
21、感器分开，分别采用温度传感器 DS18B20，湿度传感器采用 HS1101。温度传感器 DS18B20 具有体积小、精度高、测量范围广等优点，湿度传感器HS1101 具有误差小、精度高的特性，还具有不需校准的完全互换性，稳定性也相对较高。方案二、采用温湿度一体化传感器 DHT11。环境要求不高，稳定性高，使用简便，成本低廉，性价比相对较高。综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其在性价比以及应用的方便性上还是方案二稍占优势，因此，我选择方案二来作为本次设计的温湿度采集模块。2.2.2 无线模块方案论证 方案一、采用双向无线数据传输模块 nRF401。该模块以芯片 n
22、RF401 为核心，具有高速率，低功耗，应用简便等特点，但费用太高，不太符合本次设计实际情况。 方案二、采用无线射频收发芯片 nRF24L01。它具有自动应答及自动重发功能，数据传输率为 1 或 2Mbps，极低的晶振要求也是它的特点。成本较为低廉，应用也相对简单。相对于方案一来说，nRF24L01 虽然在性能上要比 nRF401 略逊一筹，但考虑到实际经济和应用问题，本次设计选用方案二。2.2.3 显示模块方案论证方案一、使用数码管显示。数码管在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都具优势。它具有低功耗，寿命长，防潮，防晒，防高（低）温等优点，对外界环境要求也比较低，易于维护，精确较为可靠
23、，操作也简单。但是其体积较大，而且显示位数有限制，不适用于显示数字信息量大的情况。 方案二、采用液晶显示温度和湿度。LCD 具有更薄、更亮、更清晰的优点。而且还有低功耗、无辐射危险的特性，它在平面显示以及稳定性方面也具有优势。而且现在很多液晶都自带字符库，应用方便。基于上述分析，考虑到本次设计的实际情况，拟订方案二。 陕西理工学院毕业设计第 页 共 52 页53.系统硬件电路的设计3.1 设计思路与总体框图.外界环境检测仪由；4 大数据采集模块、无线发射接受模块、显示模块、报警模块、信息处理模块（上下位机进行控制） ，DHT11 传感器所感应的温度信号经过其数据传输引脚(因为其具有自带 A/D
24、 转换模块故而输出的数字信号，单片器可以处理)传送给单片机，单片机将所接收到的温度信号经过处理，传给 nRF24L01 模块，经调制，无线射频将其以高频载波的方式送往接受模块，接受模块的射频电路对模拟信号进行解调，将其转换的数字信号送至上位（STC89C52)单片机，进而单片机对显示器 LCD1602 进行操作显示其它传感器信息传送基本一致只是其加了 AD 转换而已。除此外能够通过独立按键设置温度报警值，若温度处于报警上限和下限之外，报警电路工作。检测系统设计框图如下图所示。该系统包括数据采集模块、nRFL2401 无线发送模块、nRFL2401 无线接收模块、LCD 显示模块、蜂鸣器报警模块、报警 LED 指示模块及上位机显示。如图 3.1 为检测系统设计框图。RF241L0 射频RF24L01 射频STC89C52STC89C52DHT11 温湿度采集(带有A/D)光敏电阻采集、MQ-2 采集灰尘浓度A/D 转换按键复位LCD 显示四项指标报警电路图 3.1 设计思路与总体框图
