1、陕西理工学院毕业设计多参数无线温湿环境记录仪的设计摘要设计一个多参数无线温湿环境记录仪，该装置通过 数字式温湿度传感器 SHT11 对环境温度和湿度进行采集，然后将采集到的数据按照一定的协议 通过无线模块发送出去，接收方接收到数据后解包，计算出温度，并显示在液晶屏上。系统发射部分以 STC89C52 单片机为内核，包括温度采集，无线发射，液晶显示。接收部分以 STC89C52 为核心，将无线接收，液晶显示结合起来，通过适当的软、硬件抗干扰处理，设计出实用、小型的温湿环境记录仪。 关键词 温湿度；无线；PTR2000；89c52；sht11；lcd12864。wireless temperatu
2、re and humidity recorderAbstract：has designed a wireless temperature and humidity recorder device, the device through the digital temperature and humidity sensor SHT10 collecting temperature, and then collected the data according to certain protocol sent by the wireless module, the receiver unpack r
3、eceived data to calculate the temperature and humidity,displaying on the LCD screen. The systems transmitter to STC89C52 microcontroller core, including temperature collection, wireless transmitters, liquid crystal display. Receiving part to STC89C52 as the core, the wireless receiver, liquid crysta
4、l display combined with appropriate software and hardware anti-jamming processing,Design a practical, small-scale wireless multi-point temperature acquisition system.Key words ：temperature and humidity, wireless, PTR2000, 89c52, sht10,lcd12864.陕西理工学院毕业设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，
5、是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不
6、以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 陕西理工学院毕业设计学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学
7、位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日陕西理工学院毕业设计目录1 前言 .12 系统设计方案 .22.1系统功能描述 .22.2 方案论证 .22.2.1 主控制器选择 .22.2.2主控芯片部分选择 .22.2.3 传感器选择 .22.3系统方案 .33 无线温湿环境记录仪系统硬件设计 .33.2无线模块 .43.3.1无线收发模块 PR2000的结构及特点 .43.3.2PTR2000的工作时序 .53.3.3无线模块的电路设计 .63.3数字
8、式温度传感器电路设计 .73.31 数字式传感器 SHT11的结构 .73.4显示模块 .73.4.1液晶显示模块结构特点 .73.4.2 读、写操作时序 .83.4.3 单片机与液晶模块电路设计 .94 系统软件设计 .104.1 软件设计流程图 .10陕西理工学院毕业设计4.1.1温湿度传感器软件设计 .104.1.2 无线通信软件设计 .115 系统测试及检测设计 .135.1 系统的性能测试 .135.2 传输距离测试 .146 结术语 .15附录 A： .17附录 B： .18附录 C： .19附录 D： .41附录 E： .42陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 44 页1 前言随
9、着现代信息技术的飞速发展，温湿度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色。在我们的日常生活中许多场合都需要对环境的温湿度进行限定，如药房，粮仓，温室大棚等。大棚温室种植已经是现今的潮流，受到市场的欢迎。市面上大量的反季蔬菜就是通过大棚种植而来的，大棚中的温湿度、光照强度以及二氧化碳浓度等都直接影响到作物的生长速度以及最终而对产量，对于温室环境中的这几项参数的检测可以通过使用农业环境检测仪对各参数的检测，再通过相应的方法进行对各参数的调节，为植物生长创造最佳的环境。温室环境记录仪有多个检测项目，最多可以检测：温度、湿度、光照强度、光合有效辐射、风向风速、雨量、CO2浓
10、度、土壤温度、土壤水分、土壤 PH、土壤 EC 电导十一个检测项目，而最少也能够检测：温度、湿度、光照强度、CO2 浓度这四个最常规的检测项目。因此，在这些特定环境下，安装环境温室环境记录系统是非常有必要的。基于这点，设计环境温室环境记录仪非常必要，该仪器测试精确，调试方便，可实时记录报警信息，方便工作人员排故，并可广泛应用条件恶劣，人员不便进入的场合。同时，在粮库测温系统、冷库测温系统、智能化建筑控制系统、中央空调系统等多种系统中都需要多点温度测量系统，并且需要对温度值进行集中处理，所以温度采集控制系统的设计与研究非常有实用性。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生
11、新的变化和进步，目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输以及运作控制和数据处理，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、
12、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。随着单片机的性能越来越高，功能越来越强大。用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。因此，掌握单片机的相关知识是非常流行且实用的。而开发这样一款环境温室环境记录系统不仅贴近生活，具有非常强的实用性，而且锻炼了自己的单片机开发能力，又熟练了自己对于单片机的知识。是一劳多得的。同时开发单片机系统所使用的 C 语言是当下流行的编程语言，它具有
13、模块化的设计思想和现成的流程套路可以套用。通过开发设计，可以锻炼和提高自己驾驭 C 语言的能力。这为今后 C+ 的学习打下了实用基础，也给我将来的发展起到非常重要的作用。因此，这次毕业设计无论对于现在还将来都具有非常大的意义。当前，环境参数测量在工业，农业都得到了长足的发展和广泛的应用。国外和国内都研制了大量的各种环境参数测量传感器，例如瑞士的 SHTXX 系列的温湿度传感器，DS18B20 温度传感器，国内有 DHT11 温湿度传感器等。相比较：SHTXX 系列单片机的尺寸更小，测量误差也最小，但价格比较贵。DHT11 温湿度传感器价格便宜，性能适中，是一款物美价廉，很有实用型的模块化数字温
14、湿度传感器。随着各种小型化，功能强大的测试芯片模块相继诞生，在众多的温度测量仪中以温度无线采集与传输应用最为广泛，它具有传输距离远、价格低廉、体积小、安装方便、可靠性强等优点。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，使用了抗干扰能力较强的新型数字温湿度传感器 SHT10 组成核心测量网络实现多点温度的测量，进一步提高了测量仪器的性价比，并且使得的可视界面更为友好，人性化。由于 SHT10 的转换精度高，可直接将温度数据进行编码使系统结构简单，准确性高，通信方便，传输距离较远且抗干扰力较强，与传统的模拟信号温度计组成的多点测温系统相比电路简单，集成度高，扩展性能好，抗干扰能力强，同时还有很高重复
15、利用价值。因此具有很好的经济效益和实用性。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 44 页2 系统设计方案2.1系统功能描述无论是工农业生产中，还是日常生活中，对温度的检测都是必不可少的，对于温度的检测通常是采用热敏电阻再通过 A/D（模 /数）转换得到数字信号，但由于信号的采集对整个系统的影响很大，如果采样精度不高，会使这个系统准确性下降，而本系统将采用新一代的技术实现此项任务。本系统可分为发射部分和接收部分，发射部分采集温度信息，通过无线设备将数据信息传到（接收部分）手持终端。操作者可以在手持终端选择测试点，也可按测试点的序号连续采集。接收到的多路温度数据经过处理在手持终端的显示屏上显示，也可
16、传入 PC 机进行更进一步的分析处理。2.2 方案论证2.2.1 主控制器选择方案一：此方案采用 PC 机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是 PC 机输出信号不能直接与 SHT10 通信。需要通过 RS232 电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC 机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！方案二：此方案采用 STC89C52 八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多 SHT10 控制工作，
17、还可以与 PC 机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机（ PC 微型计算机） ，下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外STC89C52 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。2.2.2主控芯片部分选择方案一：采用专用的内嵌处理器的无线射频收发芯片nRF9E5 是一款工作频率为 433868915MHz 的射频芯片，该芯片采用 1.9V3.6V 单电源供电，32 脚 QFN 封装(55mm)，发射功率为 10dBm，接收灵敏度 100dBm，在低功耗时电流仅2.5A，特别适合采用电池供电，适用于无线键盘、
18、无线电话、无线耳机、产业无线感测器、遥控器和无线警报器。使用此芯片可以独立实现无线射频的收发，与其他器件构成的系统外围电路简单、结构简单美观，但内部操作比较复杂，开发环境也比较昂贵，贴片式芯片更不容易进行调试。方案二：采用单片机和无线收发模块构成本系统本方案采用常用的 STC 系列单片机，及由 nRF401 无线收发芯片构成的无线模块，nRF401 是挪威 Nordic 公司最新推出的数传频段 433MHz 单片无线收发一体芯片。该芯片集成了高频发射、高频接收、PLL 合成、FSK 调制、FSK 解调、多频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nRF401 构成的模块的外围元件很
19、少，没有调试部件，给研制和生产带来了极大的方便。而且此无线模块与单片机是串口通信，实现简单，易于调试。综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足具有简单的硬件结构，但其开发周期较长，费用较大，而且相关学习资料较少；而方案二为较为常用，技术更成熟，因此我们选择方案二来作为本设计的控制核心。2.2.3 传感器选择方案一：采用热敏电阻，可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测 1 摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35 等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过 A/D 转换后才能送给计算机,这样就使得
20、测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。方案二：陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 44 页在测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行 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，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片 SHT10 测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，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，此元件线形较好。在 0100 摄氏度时，最大线形偏差小于
21、 0.5 摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计 DS1820 和微控制器 AT89C52 构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于 AT89C52可以带多个 SHT10,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。采用温湿度芯片 SHT10 测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也
22、是顺应这一趋势。根据以上分析，为了使设计的成本低、抗干扰强，系统动态性能与稳态性能好，本系统的设计方案主控部分采用单片机和无线收发模块构成，传感器部分采用数字式温湿度传感器是 SHT10。2.3系统方案总体结构框图如图 2.1 所示。系统主要包括多点温度湿度信息采集，无线模块发射、接收，及数据处理显示。从机框图 主机框图 图 2.1 系统框图系统的发射部分通过传感器将多点温度和湿度信息采集到单片机内，然后在单片机内按照一定的协议和检错机制构成帧，通过无线模块发射出去。系统的接收部分以串行中断方式接收每帧信息，然后对接收的帧信息进行错误检测，判断是否有误码信息。如果没有误码，提取出数据位，计算出
23、温、湿度值，并显示在液晶显示屏上。3 无线温湿环境记录仪系统硬件设计为节省成本与体积，系统分为上位机和下位机两个模块。上位机系统通过单片机 STC89C52 来实现，主要包括单片机与两从机的温度传感器的通信，单片机对无线收发模块的控制，单片机对液晶屏以及按键控制。由于从机部分较为简单，包括 2 个单片机对 2 个温度传感器的通信，单片机对无线收发模块的控制和单片机对液晶屏；下面对硬件电路作具体的设计。3.1处理器简介为提高系统的传输速率与抗干扰性，主控机采用 STC 系列单片机。 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用
24、高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52 具有以下标准功能：8k 字节Flash， 256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52 可降至 0Hz 静陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 44
25、 页态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash。STC89C52引脚图如下图 3.1 所示。图 3.1 STC89C52PDIP 封装3.2 无线模块3.3.1 无线收发模块 PR2000 的结构及特点本系统选用超小型、超低功耗的 PTR2000 作为无线收发模块， PTR2000 是基于 NRF401 芯片开发 12，PTR2000 兼有 NRF401 的优点，
26、NRF401 是一种应用广泛，优点突出的无线数据传输芯片，工作在 433MHz 国际通用的 ISM 频段，FSK 调制和解调，抗干扰能力强；采用 PLL 频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达-105dBm ，最大发射功率达到 +10dBm；数据速率可达 20Kbit/s；可方便地嵌入各种测量和控制系统中; 在仪器仪表数据采集系统、无线抄表系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。NRF401 具有两个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；可直接与微控制器接口；低工作电压(2.7V 3.6V)，功耗低，发射时电源电流 5mA，接收时电源电流250A，接收待机状态仅为 5A；仅需外接
27、一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器，电路模块尺寸为 30x22x6mm。NRF401 采用 20 脚 SSOIC 封装。NRF401 芯片能和串口直接相连，且简单的单片机口输出可直接控制无线收发，芯片的收发工作，无线通信系统设计简便。（2）PTR2000 的引脚说明如图 3.2所示。PCB图如下:图 3.2 PTR2000引脚图陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 44 页（1）无线收发模块 PTR2000 的内部结构（NRF401）如图 3.3。图 3.3 NRF401的结构图管脚说明如表 3.1 所示。表 3.1 PTR2000 的引脚说明管脚 名称 描述1 TXE
28、发送数据和接收选择开关2 PWR 模块上电使能，可以让模块进入低功耗模式3 GND 电源地线4 DI 模块数据输入，接单片机串口的数据输出脚5 DO 模块数据输出，接单片机串口的数据输入脚6 CS 频率选择，建议上拉到 VCC7 VCC 电源，2.7V-5.25V（3）PTR2000 模块工作模式如表 3.2。表 3.2 PTR2000 模块工作模式模块相应管脚的电平状态模块工作状态 模块相应管脚的电平状态模块工作状态 模块相应管脚的电平状态TXEN CS PWR 工作通道# 模块状态0 0 1 1 接收0 1 1 2 接收1 0 1 1 发射1 1 1 2 发射X X 0 待机(注:当工作通道为 1 通道时,传输频率为 433.92MHZ，当工作通道为 1 通道时,传输频率为434.33MHZ)3.3.2PTR2000的工作时序PTR2000 是一款 FSK 调制无线通讯模块，有最大 20KBPS 速率通讯带宽，实际上最大值在
