1、无线环境监测模拟装置摘要: 本文介绍了一种用于对环境信息进行实时监测的无线环境监测模拟装置的设计方法,系统运用了传感器技术、通信技术和单片机技术, 实现了对环境温度、光照度等数据的准确测量，温度分辨率达 0.0625，能够实时地与单片机进行无线通信并可靠传输, 产品成本低廉，监测灵敏度高，满足对环境参数实时监测的要求，经试验，该装置探测时延不大于 5s 的条件下，使探测距离D+D1超过 50cm，体现了传感器系统数字化、智能化、无线化的优点。关键词：环境参数采集、无线传感器系统、温度、光照毕业设计（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），是我个人在指导教
2、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；在不以赢利为目的前提
3、下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 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 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库
4、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1 方案比较与设计1.1 控制电路方案比较与选择：方案 1：采用通用的 51 单片机作为主控器，完成数据处理，键盘扫描，显示部分的控制等。但 51 单片机没有 AD 转换，需外接 AD 芯片来转换采集到的电压信号，使电路的硬件、软件变得复杂。 方案 2：采用 STC89C51RC 单片机，该单片机在本设计方案中具有以下优点：1、只需提供 3.82V 的电压；2、工作频率范围：040MHz,相当于普通 8051 的 080Hz，实际工作频率可达 4
5、8MHz；3、用户应用程序空间 4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K 字节；4、低功耗，宽电压范围，抗干扰能力强；5、共有 3 个 16 位定时器/计数器，其中定时器 0 还可以当做 2 个 8 位定时器使用；比较上述 2 种方案，方案 2 电路简单、软件简洁、功能强，本课题中我们采用方案 2。1.2 显示电路方案比较与选择：方案 1：采用数码管显示，成本低、亮度高、醒目。但在显示较多的项目时，硬件电路复杂，功耗大。方案 2：采用 1602LCD 液晶屏显示，显示内容较多，方便组合，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省了软件中断资源。课题中需要同时显示
6、温度，光照等信息等，要求显示内容丰富。比较上述2 种方案，方案 2 电路简单、显示信息量大、能很好的满足题目要求，我们采用方案 2。13 无线收发模块的选择无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数据通信、机器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中。方案 1：采用用 DF 无线数据收发模块。DF 无线发射模块通讯方式为调频AM，工作频率为 315MHz，为 ISM 频段，发射频率500mW。DF 超再生式接收模块通讯方式为调频 AM，接收灵敏度高，用示波器观察输出波形干净，抗干扰能力强。系统中为保证稳定，采用芯片 PT2262,PT2272M4 进行数据编解码，由于数
7、据传输量较小，而且传输频率达 315MHz，与题目要求不符合，因此我们放弃了此方案。方案 2：TX-2/ RX-2B 是一对专用的发射接收大规模集成电路，工作电压为1.55.0V，CMOS 结构保证了极低的功耗，外围元件少，发射接收能力强，适用于低频电路应用，符合本课题低功耗的要求，因此我们选择此方案。1.4 时钟模块的选择方案 1：采用 MCU 的定时器进行软件编程实现。考虑到 MCU 的资源很紧缺，而且大量的中断必然会影响定时的准确性，编程难到加大，因此放弃此方案。方案 2：采用专用时钟芯片 DS1302。DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时
8、时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM数据。具有主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力，长时间保证时钟正常，因此采用此方案。1.5 温度模块方案 1：采用 AD590。AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，精度很高，但需要辅助的 AD 转换电路以及进行软件的校正，增加了线路的复杂程度，此方案不可行。方案 2：采用 DS18B20 作为测温电路的温度传感器。DS18B20 的数字温度输出通过
9、 1-Wire 总线，又称为“ 一线 ”总线（ 1-Wire 是一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线），这种独特的方式，可以使多个 DS18B20 方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。DS18B20 直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择此方案。1.6 方案设计与论证1.61 整体电路组成电路部分主要有：温度检测电路，光检测
10、电路，控制电路，显示电路，无线传输检测电路，创新部分电路等模块组成。1.62 总体电路组成框图图 1 总体电路组成框图2 电路设计、理论分析与计算2.1 主要电路模块的分析计算与设计根据要求设计制作无线传输载波频率低于 30MHz，调制方式自定。监测终端和探测节点不使用除规定天线外的其他耦合方式。无线收发电路需自制，不得采用无线收、发成品模块。光照有无的变化，采用遮挡光电传感器的方法实现。2.1.1 无线发射接收电路这部分电路是整个电路的核心部分，主要由发射电路，接收电路组成，经计算接发收频率为 27MHz，具体设计电路如图 2、图 3 所示。图 2 发射电路原理图图 3 接收电路原理图采用
11、TX 一 2/RX 一 2 系配套专用遥控集成芯片作为编解码芯片。它能组成具有五路红外遥控或无线电遥控等功能的独立控制电路，可对遥控玩具汽车进行遥控。小车驱动结构采用 H 桥电路驱动电机控制方式。TX-5B/RX-5 是专用的CMOS 专用集成电路，有五根数据线。特点：有较宽的工作电压范围，较低的待机电流，外围元件少，内置 3.6V稳压管。2.1.2 温度检测电路温度检测主要采用DS18B20组成，DS18B20是一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串
12、行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。 2.1.3光照测量模块光 照 测 量 模 块 主 要 由 光 敏 电 阻 和 电压比较器 LM324 组成。1） 光 敏 电 阻 及 其 原 理光 敏 电 阻 器 又 叫 光 感 电 阻 ， 是 利 用 半 导 体 的 光 电 效 应 制 成 的 一 种 电 阻 值随 入 射 光 的 强 弱 而 改 变 的 电 阻 器 ； 入 射 光 强 ， 电 阻 减 小 ， 入 射 光 弱 ， 电 阻
13、 增大 。 光 敏 电 阻 器 一 般 用 于 光 的 测 量 、 光 的 控 制 和 光 电 转 换 （ 将 光 的 变 化 转 换为 电 的 变 化 ） 。通 常 ， 光 敏 电 阻 器 都 制 成 薄 片 结 构 ， 以 便 吸 收 更 多 的 光 能 。 当 它 受 到 光 的照 射 时 ， 半 导 体 片 （ 光 敏 层 ） 内 就 激 发 出 电 子 空 穴 对 ， 参 与 导 电 ， 使 电 路中 电 流 增 强 。 一 般 光 敏 电 阻 器 的 结 构 如 图 6所 示 ， 光 照 二 极 管 照 度 电 阻 特性 ， 如 图 7所 示 。图 7 光 照 二 极 管 照 度
14、电 阻 特 性 图 8 电 压 比 较 器 LM324内 部 结 构2)电 压 比 较 器 LM324LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，它的内部结构及引脚排列如图 8 所示，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可如图 8 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与 该输入端的相位相同。由
15、于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。本实验中，通过单片机和光敏电阻的结合实现对光线强弱的检测和判断，并把检测结果用数码管显示。图9在光的照射下，光敏电阻阻值变小，输入比较器同相端得电压变小，输入电压与比较器参考电压比较，如果输入电压比参考电压大，则输出高电平，如果输入电压比参考电压小，则输入低电平，单片机通过高低电平来确定光照的有无，电路如图9所示。2.1.4液晶显示电路1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，如表 1 所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大
16、小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，1602 采用标准的16 脚接口，如图 10 所示。 图10 1602液晶模块接口2.1.5电源供电模块监测终端单片机采用5V稳压电源供电，每个探测点均采用3V（2节干电池）供电。2.1.6 最小应用系统设计STC89C51RC 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用 AT 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。1)时钟电路AT89S51 虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89S52
17、 单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在 XTAL1、XTAL2 引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在 1.2MHZ到 12MHZ 之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2 可在 20pF 到 100pF 之间取值，但在 60pF 到 70pF 时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择 6MHZ,电容选择 65pF。2）复位电路复位电路通常有上电自动
18、复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要 Vcc 的上升时间不超过 1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用 6MHZ 时 C 取 22uF,R 取 1K。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc 接通而实现的。按键手动复位电路见图 11。时钟频率选用 6MHZ时，C 取 22uF,Rs 取 200，R K取 1K。主 机系 统 初 始 化 置 预 置 值发 送 预 置 值接 收 信 息显 示 从 机 信 息NNY
19、Y图 11 AT89S52 最小系统 图 12 主机流程图系 统 初 始 化 置 预 置 值N 发 送 信 息显 示 从 机 信 息Y从 机 A系 统 初 始 化 置 预 置 值N从 机 B发 送 信 息显 示 从 机 信 息Y图 13 从机 A 流程图 图 14 从机 B 流程图2.2 软件设计2.2.1 程序流程图，如图 12、图 13、图 14 所示。2.2.2 主要程序清单（见附录 2）按键控制电路温度检测电路显示电路光照检测电路无线发射接收电路3 测试数据与结果分析本题目制作完成后,对整体电路的主要指标进行了实际测试。实现了对环境温度、光照度等数据的准确测量，温度分辨率达 0.062
20、5。该装置探测时延不大于 5s 的条件下，使探测距离 D+D1超过 50cm，体现了传感器系统数字化、智能化、无线化的优点。3.1 题目要求的测试根据题目基本要求和发挥部分的要求，我们按要求条件反复作了多次测试，记录了测试结果，并对测试结果做了分析、对比。3.1.1 温度的测试温度分辨率达 0.06253.1.2 光照的测试能有效的检测到了光照的有无3.1.3 无线通信测试探测节点有编号预置功能，编码预置范围为 00000001B11111111B。探测节点能够探测其环境温度和光照信息。温度测量范围为 0100，绝对误差小于 2；光照信息也有效的检测到了光的有无。3.2 创新部分测试探测节点
21、B 的探测信息，能自动通过探测节点 A 转发，以增加监测终端与节点 B 之间的探测距离 D+D1。在监测终端电源供给功率1W，无线环境监测模拟装置探测时延不大于 5s 的条件下，使探测距离 D+D1达到 50cm。3.3 结果分析总 结在本次设计的过程中，我们遇到了各种困难和许多没有预想到情况，但通过团队的协作和努力，我们终于克服了困难、解决了问题。系统运用了传感器技术、通信技术和单片机技术, 实现了对环境温度、光照度等数据的准确测量，温度分辨率达 0.0625，能够实时地与单片机进行无线通信并可靠传输, 产品成本低廉，监测灵敏度高，满足对环境参数实时监测的要求，经试验，该装置探测时延不大于 5s 的条件下，使探测距离 D+D1超过 50cm，体现了传感器系统数字化、智能化、无线化的优点。但毕竟我们自身水平有限和时间紧张等因素，本作品在设计上还存在许多值得改进的地方。经过此次电子设计竞赛，我们在电路的设计、调试方面得到了很好锻炼，能力也有了很大的提高，同时也深刻的体会到：实践是理论运用的最好检验，懂得了共同协作和团队精神的重要性，提高了我们分析问题、解决问题的能力。参考资料：1 刘守义单片机应用技术西安：西安电子科技大学出版社，20022 王福瑞单片微机测控系统设计大全北京：北京航空航天大学出版社，
