大棚溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計作者姓名：XXXXX專業(yè)名稱：通信工程指導教師：XXXXXX摘要隨著改革開放的的開展，中國的現代化程度不斷提高，中國的農業(yè)的開展必然走現代化農業(yè)這條道路，隨著國民經濟的飛速開展，我國是農業(yè)大國，農業(yè)研究和應用越來越受到重視特別是溫室大棚已經成為高效農業(yè)的一個重要組成局部。如何提高大棚溫室作物的產量成為急需解決的問題，科學監(jiān)控大棚內各項環(huán)境參數已成為現代農業(yè)開展的趨勢。本設計運用C8051F340單片機、DHT11溫濕度傳感器、TGS4160二氧化碳傳感器、nRF24L01無線通信模塊，設計了溫度、濕度、二氧化碳濃度信息采集顯示系統(tǒng)運用無線通信模塊實現數據遠距離傳輸，終端通過PC機顯示。實現了溫室大棚中溫度、濕度、二氧化碳濃度的監(jiān)測系統(tǒng)，解決了溫室大棚人工經驗評判的誤差大、反響周期長等問題。該系統(tǒng)運行可靠，本錢低。系統(tǒng)通過對溫室內的溫度與濕度參量的采集，并將獲得參數即時顯示到PC機屏幕上，到達了溫室大棚環(huán)境參數的監(jiān)測目的。為科學及時獲取大棚內各項環(huán)境參數提供了精確有效的依據，借此及時改善大棚內環(huán)境條件，從而提高溫室大棚的產量，帶來很好的經濟效益和社會效益。關鍵詞:C8051F340單片機nRF24L01無線通信模塊環(huán)境監(jiān)測監(jiān)測AbstractWiththedevelopmentofreform,openingup,andmodernizationofChina'sincreasingly,agricultureandmodernizationofChina'sagriculturaldevelopmentmustgothisroad,alongwiththerapiddevelopmentofthenationaleconomy,Chinaisaagriculturalcountry,agriculturalresearchandtheapplicationofmoreandmoreattention,particularlygreenhousehasbecomeanimportantcomponentofefficientagriculture.Howtoincreasegreenhousegreenhousecropproductionbecomepressingproblems,scientificmonitoringandcontrolingreenhouseenvironmentalparametershasbecomethetrendofthedevelopmentofmodernagriculture.ThisdesignusesC8051F340MCU,DHT11,TGS4160,carbondioxidesensor,temperatureandhumiditysensorsnRF24L01modulewirelesscommunication,designinformationcaptureanddisplayoftemperature,humidityandcarbondioxideconcentrationdatalong-distancetransmissionsystemusingwirelesscommunicationmodules,TerminalthroughthePCdisplay.Inachievinggreenhousemonitoringsystemoftemperature,humidity,carbondioxideconcentration,solvegreenhousehumanexperienceissuessuchaserror,longreactionperiodofevaluation.Thesystemreliable,lowcost.Systemsthroughthecollectionofparametersoftemperatureandhumidityinthegreenhouse,andwillreceivetheparametersdisplayedonthePCscreen,reachesthegreenhouseenvironmentparametersformonitoringpurposes.TimelyaccessforSciencegreenhouseenvironmentalparameterswithinanaccuratebasisforeffective,takethistimetoimproveenvironmentalconditionsinthegreenhouse,soastoimprovetheyieldofgreenhouse,bringagoodeconomicbenefitandsocialbenefit.Keywords:C8051F340microcontroller,nRF24L01radiocommunication,environmentalmonitoring前言1.1課題的背景及主要內容隨著改革開放的的開展，中國的現代化程度不斷提高，中國的農業(yè)的開展必然走現代化農業(yè)這條道路，隨著國民經濟的飛速開展，我國是農業(yè)大國，農業(yè)研究和應用越來越受到重視特別是溫室大棚已經成為高效農業(yè)的一個重要組成局部。現代化農業(yè)生產中最重要的一環(huán)是對農業(yè)生產環(huán)境的重要參數進行檢測和控制。在農業(yè)種植中，適當的室內環(huán)境與綠色植物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關。合理的控制室內環(huán)境，綠色植物的光合作用將發(fā)揮很大的潛力，使農作物到達優(yōu)質、高產、高效的栽培目的。大棚室內環(huán)境的監(jiān)控在以溫室大棚為代表的現代農業(yè)設施中發(fā)揮著巨大的作用。國外的溫室設施已經到達了比擬完備的程度，并且形成了一些標準，但是價格非常昂貴。在我國，當今對大多數溫室環(huán)境因素的檢測和控制都采用人工管理，這樣不可防止測控精度低、勞動強度大，還存在測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結果不但大大增加了本錢，浪費了人力資源，還沒有到達預期的效果。因此，為了實現高效農業(yè)生產的科學化并提高農業(yè)研究的準確性，推動我國農業(yè)的開展，必須大力開展設施農業(yè)。對大棚中環(huán)境參數的科學管理是多種環(huán)境因素中極為重要的一局部，是高效農業(yè)必不可少的環(huán)節(jié)。目前，在我國蔬菜大棚的數量極多，并且還在迅速增長，人們對齊性能的要求也越來越高，對大棚的自動化程度也越來越高。由于單片機及其電子器件的性價比不斷提高，我國這方面的技術也逐步成熟，這些要求都將可以實現。本文提出一種以C8051F340單片機為控制核心的環(huán)境見測系統(tǒng)，主要對溫室大棚中溫濕度、CO2濃度進行有效、可靠的檢測。該系統(tǒng)具有檢測精度高、使用簡單、本錢低和工作穩(wěn)定的特點。1.2國內外的應用現狀及趨勢國外的研究現狀西方興旺國家在現代化溫室測控技術起步較早，借助其興旺的科技力量，已實現了溫室測控的自動化、智能化，并且應用到多個領域。1949年，美國建成了第一個植物人工氣候室，開展了植物對自然環(huán)境的適應性和抵抗能力的根底及應用的研究。20世紀60年代，生產型的高級溫室開始應用與西方農業(yè)生產，70年代以后荷蘭、日本、美國、以色列等國家的溫室技術迅猛開展，溫室設計應用到農業(yè)生產、畜牧業(yè)和水產養(yǎng)殖多個領域。隨著計算機和電子技術的飛速開展，近年來，溫室大棚的自動監(jiān)控和管理技術不斷提高，在世界各地都得到了長足的開展。目前，國外的溫室的內部設計已經到達了比擬完備的程度，并且形成了一些標準。溫室的各種環(huán)境因子大多有計算機集中控制，各種傳感器都比擬齊全和成熟，不僅對溫度、濕度、CO2濃度和光強進行檢測，還可以對作物的營養(yǎng)液濃度等多種條件進行檢測，各種控制技術也非常成熟，傳感器和執(zhí)行機構的結合程度非常高。一些國家在實現自動化的根底上正在向著完全自動化和無人化的方向開展。國內的開展現狀我國的溫室技術起步較晚，20世紀70年代以前我國根本還停留的農業(yè)完全人工作業(yè)，70年代以后，國家大力開展以溫室大棚為主的設施農業(yè)，促進農村經濟開展和環(huán)節(jié)蔬菜季節(jié)性短缺的矛盾。經過20多年的開展，我國的溫室大棚已經具有規(guī)?；?、專業(yè)化、管理水平高的特點，但是我國設施農業(yè)的自動化程度不高，走科學種植的道路卻要人工實現，全國大多數大棚不具有自動控制設備，這與我國的經濟條件所決定。近年來我國大力開展農業(yè)現代化，一批生產自動化農業(yè)設施的廠家應運而生，但是現在這些設備還沒有普及，原因又很多，農民自身知識水平不高不相信科學是一方面，經濟水平也決定了我國的溫室大棚自動化的道路任重而道遠。總體上說，我國自行開發(fā)的溫室測控系統(tǒng)其技術水平和調控能力與西方興旺國家相比還有一定的差距。而我國的綜合環(huán)境控制技術的研究剛剛起步，目前仍停留在研究單個或者幾個環(huán)境因素調控技術的階段，而實際上溫室環(huán)境中的溫度、濕度、CO2濃度、光強等環(huán)境因子，都是在互相影響、互相制約的狀態(tài)下影響植物的生長的，環(huán)境因素的時間變化、空間變化都很復雜。因此，我國的現代化設施農業(yè)任重而道遠。1.3選題背景在人類的生活環(huán)境中，溫濕度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度和濕度打著交道。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)開展與是否能掌握溫濕度有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫濕度的因素。溫濕度不但對于工業(yè)如此重要，在農業(yè)生產中溫度的監(jiān)測與控制也有著十分重要的意義。我國人多地少，人均占有耕地面積更少。因此，要改變這種局面，只靠增加耕地面積是不可能實現的，因此我們要另辟蹊徑，想方法來提高單位畝產量。溫室大棚技術就是其中一個好的方法。溫室大棚就是建立一個模擬適合生物生長的氣候條件，創(chuàng)造一個人工氣象環(huán)境，來消除溫度對生物生長的約束。而且，溫室大棚能克服環(huán)境對生物生長的限制，能使不同的農作物在不適合生長的季節(jié)產出，使季節(jié)對農作物的生長不再產生過度影響，局部或完全擺脫了農作物對自然條件的依賴。由于溫室大棚能帶來可觀的經濟效益，所以溫室大棚技術越來越普及，并且已成為農民增收的主要手段。隨著大棚技術的普及，溫室大棚數量不斷增多，溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測便成為一個十分重要的課題。傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測是在溫室大棚內部懸掛溫度計和濕度計，通過讀取溫度值和濕度值了解實際溫濕度，這些操作都是在人工情況下進行的，消耗了大量的人力物力。另外俗稱氣肥的二氧化碳對農作物影響是雙面的過高過低都會使作物生長受到影響，傳統(tǒng)大棚種植經驗缺乏對二氧化碳的關注?，F在，隨著國家經濟的快速開展，農業(yè)產業(yè)規(guī)模的不斷提高，農產品在大棚中培育的品種越來越多，對于數量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測措施就顯現出很大的局限性。為溫室大棚的建設對環(huán)境監(jiān)測技術也提出了越來越高的要求。今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機的小電腦在為我們效勞。單片機在工業(yè)控制、尖端武器、通信設備、信息處理、家用電器等各測控領域的應用中獨占鰲頭。時下，家用電器和辦公設備的智能化、遙控化、模糊控制化已成為世界潮流，而這些高性能無一不是靠單片機來實現的。采用單片機來對溫度、濕度二氧化碳濃度進行監(jiān)測，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以及時科學、精確的監(jiān)測到溫室大棚內各項環(huán)境因素變化的技術指標，從而能夠為及時調整、控制室內環(huán)境提供科學依據，大大提高產品的質量和數量。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化和各個測控領域中必不可少且廣泛應用的器件，尤其在日常生活中也發(fā)揮越來越大的作用。因此，單片機對溫濕度的控制問題是一個工農業(yè)生產中經常會遇到的問題。因此，本課題圍繞基于單片機的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)展開了應用研究設計工作。1.4選題的現實意義隨著單片機和傳感技術的迅速開展，自動檢測領域發(fā)生了巨大變化，溫室環(huán)境自動監(jiān)測控制方面的研究有了明顯的進展，并且必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的溫濕度控制措施.但是，目前應用于溫室大棚的溫濕度檢測系統(tǒng)大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關、A/D轉換器及單片機等組成的傳輸系統(tǒng)。這種溫濕度度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內布置大量的測溫電纜，才能把現場傳感器的信號送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，本錢也高。同時線路上傳送的是模擬信號，易受干擾和損耗，測量誤差也比擬大。另外目前的監(jiān)測設施的終端都設在棚附近查看數據不方便不便于集中管理。為了克服這些缺點，本設計采用數字傳感模塊采集數據、通過單片機處理后經無線收發(fā)模塊實現數據遠距離傳輸到達“遙感〞的目的解決了上述問題。本系統(tǒng)能夠對大棚內的溫度、濕度、二氧化碳濃度進行采集，利用溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器將溫室大棚內溫度、濕度、二氧化碳濃度的變化，變換成數字量，其值由單片機處理，再由單片機去驅動無線收發(fā)模塊，最后通過USB與PC機連接來顯示溫室大棚內的實際溫度、濕度和二氧化碳濃度。這種設計方案實現了溫濕度實時測量、顯示。該系統(tǒng)抗干擾能力強，具有較高的測量精度，不需要任何固定網絡的支持，安裝簡單方便，性價比高，可維護性好。這種溫濕度測控系統(tǒng)可應用于農業(yè)生產的溫室大棚，實現對室內環(huán)境數據的實時監(jiān)測，是一種比擬智能、經濟的方案，適于大力推廣，以便促進農作物的生長，從而提高溫室大棚的畝產量，以帶來很好的經濟效益和社會效益。2系統(tǒng)整體方案與硬件選擇2.1本案系統(tǒng)概述本設計是基于單片機對數字信號的高敏感和可控性；溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器可以產生數字信號；無線收發(fā)模塊可以實現數據無線傳輸的性能。此設計是以C8051F340單片機根本系統(tǒng)為核心，以無線數據傳輸為亮點的一套監(jiān)測系統(tǒng)。其中包括溫濕度監(jiān)測、二氧化碳濃度監(jiān)測、單片機、無線傳輸電路、USB傳輸電路、PC顯示窗口設計、電源電路設計等。系統(tǒng)總體方框圖如圖2.1。圖2.1系統(tǒng)總體框圖本設計由數據采集、數據處理、數據傳輸、數據顯示死局部構成的。數據采集由DHT11、TGS4160組成；數據處理由單片機C8051F340根本系統(tǒng)組成；數據傳輸由單片機C8051F340和NRF24L01組成；數據顯示由USB、PC顯示窗口組成。本系統(tǒng)中DHT11是溫濕度傳感器采集大棚室內溫度、濕度信息。輸出數字信號。TGS4160是二氧化碳傳感器采集大棚室內二氧化碳信息輸出數字信號。C8051F340〔I〕單片機驅動DHT11、TGS4160兩個傳感器進行信息采集并對采集到的信息進行處理，驅動無線發(fā)送模塊NRF24L01將處理后的信息發(fā)送出去。NRF24L01〔A〕是無線發(fā)送模塊對C8051F340〔I〕所給的信號進行發(fā)送前處理并在C8051F340〔I〕的驅動下將適合在信道傳輸的信號發(fā)送出去。NRF24L01〔B〕為無線接收模塊其作用是在單片機C8051F340〔II〕的驅動下接收、處理NRF24L01〔A〕所發(fā)送的信號。單片機C8051F340〔II〕驅動USB線纜傳輸最后所得信息并驅動PC顯示窗口顯示實時監(jiān)測數據。本系統(tǒng)電源模塊為傳感器、單片機供電，無線收發(fā)模塊供電由單片機3.3V輸出端提供。下面將一一介紹簡單硬件根本資料和選擇該硬件具體原因?！灿捎诒惧X原因二氧化碳傳感器用電位器代替〕2.2單片機的選擇單片機概述單片微型計算機簡稱單片機，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器葉數器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器(MCU)代替單片微型計算機(SCM)這一名稱?！拔⒖刂破鳕暩芊从硢纹瑱C的本質，但是由于單片機這個名稱已經為國內大多數人所接受，所以仍沿用“單片機〞這一名稱。1、單片機的主要特點有:(1)具有優(yōu)異的性能價格比。(2)集成度高、體積小、可靠性高。(3)控制功能強。(4)低電壓，低功耗。2、單片機的主要應用領域:(1)工業(yè)控制(2)儀器儀表(3)電信技術(4)辦公自動化和計算機外部設備(5)汽車和節(jié)能(6)制導和導航(7)商用產品(8)家用電器因此，在本設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，采用單片機來實現。在單片機選用方面，由于C8051F340系列單片機與MCS-51系列單片機兼容，所以，本系統(tǒng)中選用C8051F340單片機。2.2.2、C8051F340介紹C8051F340器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，下面列出了一些主要特性：·高速、流水線結構的8051兼容的微控制器內核〔可達48MIPS〕·全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口〔片內〕·通用串行總線〔USB〕功能控制器，有8個靈活的端點管道，集成收發(fā)器和1KFIFORAM·電源穩(wěn)壓器·真正10位200ksps的單端/差分ADC，帶模擬多路器·片內電壓基準和和溫度傳感器·片內電壓比擬器〔兩個〕·精確校準的12MHz內部振蕩器和4倍時鐘乘法器·多達64KB的片內FLASH存儲器·多達4352字節(jié)片內RAM〔256+4KB〕·硬件實現的SMBus/I2C、增強型UART〔最多兩個〕和增強型SPI串行接口·4個通用16位定時器·具有5個捕捉/比擬模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列〔PCA〕·片內上電復位、VDD監(jiān)視器和時鐘喪失檢測器·多達40個端口I/O〔容許5V輸入〕具有片內上電復位、VDD監(jiān)視器、電壓調整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節(jié)省功耗。片內SiliconLabs二線〔C2〕開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU進行非侵入式〔不占用片內資源〕、全速、在系統(tǒng)調試。調試邏輯支持觀察和修改存儲器和存放器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。兩個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調試功能不占用封裝引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度范圍〔-45℃到+85℃〕內用2.7V-5.25V的電壓工作。電源電壓大于3.6V時，必須使用內部穩(wěn)壓器。對于USB通信，電源電壓最小值為3.0V。端口I/O和/RST引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用48腳TQFP封裝或32腳LQFP封裝。CIP-51TM微控制器核1與8051完全兼容C8051F340/1/2/3/4/5/6/7系列器件使用SiliconLabs的專利CIP-51微控制器內核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，包括4個16位計數器/定時器、兩個具有擴展波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、多達4352字節(jié)的內部RAM、128字節(jié)特殊功能存放器〔SFR〕地址空間及多達40個I/O引腳。2速度提高CIP-51采用流水線結構，與標準的8051結構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為12-24MHz。而對于CIP-51內核，70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。CIP-51共有111條指令。下表列出了指令條數與執(zhí)行時所需的系統(tǒng)時鐘周期數的關系執(zhí)行周期122/333/444/558指令數265051673121表2.2-13增加的功能C8051F340/1/2/3/4/5/6/7SoC系列MCU在CIP-51內核和外設方面有幾項關鍵性的改良，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。擴展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供16個中斷源〔標準8051只有7個中斷源〕，允許大量的模擬和數字外設中斷微控制器。一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預，因而有更高的執(zhí)行效率。在設計一個多任務實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。C8051F340/1/2/3/4/5/6/7有多達9個復位源：上電復位電路〔POR〕、片內VDD監(jiān)視器〔當電源電壓低于VRST時強制復位〕、USB控制器〔USB總線復位或VBUS狀態(tài)變化〕、看門狗定時器、時鐘喪失檢測器、由比擬器0提供的電壓檢測器、軟件強制復位、外部復位輸入引腳和FLASH讀/寫錯誤保護電路復位。除了POR、復位輸入引腳及FLASH操作錯誤這三個復位源之外，其他復位源都可以被軟件禁止。在一次上電復位之后的MCU初始化期間，WDT可以被永久性使能。高速內部振蕩器在出廠時已經被校準為12MHz±1.5%。時鐘恢復電路允許內部振蕩器與4倍時鐘乘法器配合，提供全速方式USB時鐘源。內部振蕩器還被用作低速方式下的USB時鐘源。外部振蕩器也可以與4倍時鐘乘法器配合使用。器件內集成了一個低頻振蕩器，可以在功耗關鍵的應用中使用。器件內還集成了外部振蕩器驅動電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部CMOS時鐘源產生系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)時鐘可以被配置為使用內部振蕩器、外部振蕩器或時鐘乘法器輸出二分頻。如果需要，可以在CPU運行時切換系統(tǒng)時鐘振蕩源。低頻內部振蕩器或外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率〔節(jié)電〕的時鐘源運行，當需要時再周期性地切換到高速時鐘源。C8051F340結構1.結構框圖和系統(tǒng)框圖圖2.2-2C8051F340系統(tǒng)框圖2、C8051F340的最小系統(tǒng)圖圖2.2-3C8051F340最小系統(tǒng)圖C8051F340內部含有數字和模擬資源可以通過40個I/O引腳使用，每個端口引腳都可以被定義為通用I/O〔GPIO〕或模擬輸入。P0.0～P3.7可以被分配給內部數字資源。設計者完全控制數字功能的引腳分配，只受I/O引腳數的限制。這種資源分配的靈活性是通過使用優(yōu)先權交叉開關譯碼器實現的。不管交叉開關的設置如何，端口I/O引腳的狀態(tài)總是可以被讀到相應的端口鎖存器。本設計采用的是單片機C8051F340，該芯片內部有12M的內部高頻振蕩器，在出廠時已經校準，所以不需外接晶振，本系統(tǒng)只有單片機的P4口有外接上拉電阻，其他的都不外接上拉電阻，P0.0～P3.7可以通過跳過交叉端口來實現上拉。2.3無線收發(fā)模塊選擇nRF24L01是由NORDIC出品的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst〞模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。極低的電流消耗：當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時電流消耗為11.3mA，接收模式時為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。性能參數小體積，QFN204x4mm封裝寬電壓工作范圍，1.9V~3.6V，輸入引腳可承受5V電壓輸入工作溫度范圍：-40℃～+80℃工作頻率范圍：2.400GHz～2.525GHz發(fā)射功率可選擇為0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm。數據傳輸速率支持1Mbps、2Mbps。低功耗設計，接收時工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時11.3mA，掉電模式時僅為900nA。126個通訊通道，6個數據通道，滿足多點通訊和調頻需要增強型“ShockBurst〞工作模式，硬件的CRC校驗和點對多點的地址控制。數據包每次可傳輸1～32Byte的數據。4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達8Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡單?？赏ㄟ^軟件設置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數據包長度MCU可通過IRQ引腳快判斷是否完成數據接收和數據發(fā)送。兼容性nRF24L01可以兼容nRF2401A、nRF24L01+、nRF24LE1、nRF24LU1等無線模塊。nRF24L01+nRF24L01+〔或稱nRF24L01P〕是nRF24L01的低功耗優(yōu)化版，同時增加了250Kbps通訊速率的支持。nRF24L01與nRF24L01+之間可互用代碼〔除極少局部需要修改外〕和互相通訊nRF2401AnRF2401A與nRF24L01和nRF24L01+之間可完成相互通訊，前提是它們之間必須工作在相同的工作模式下。比方工作頻率、傳輸速率、地址、數據包長度和CRC校驗方式。nRF24LE1nRF24LE1、nRF24LU1也可以同nRF24L01之間完成通訊。通訊建立條件同nRF2401A。結合本系統(tǒng)實際情況本案選用nRF24L01無線收發(fā)模塊。2.4溫濕度某塊選擇DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準熟悉信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在即為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為給類應用甚至最為苛刻的應用場合的最正確選擇。產品為4針單排引腳封裝，連接方便。DHT11性能供電電壓：3.3~5.5VDC輸出：單總線數字信號測量范圍：濕度20-90%RH，溫度0~50℃測量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2℃分辨率：濕度1%RH，溫度1℃互換性：可完全互換，長期穩(wěn)定性：<±1%RH/年相對濕度和溫度測量全部校準，數字輸出卓越的長期穩(wěn)定性無需額外部件超長的信號傳輸距離超低能耗4引腳安裝完全互換DHT11溫濕度傳感器集成了溫度傳感器、濕度傳感器，集成度更高，使用方便本錢較低。很大程度上簡化了系統(tǒng)設計流程。因此本案選用DTH11溫濕度傳感模塊。2.5二氧化碳傳感器模塊選擇ＴＧＳ４１６０二氧化碳傳感器是ＦＩＧＡＲＯ〔弗加羅〕公司生產的固態(tài)電化學型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點外，同時還具有耐高濕低溫的特性可廣泛用于自動通風換氣系統(tǒng)或是ＣＯ２氣體的長期監(jiān)測等應用場合。但是，由于ＴＧＳ４１６０的預熱時間較長〔一般為２小時〕，所以，該器件比擬適合于在室溫下長時間通電連續(xù)工作。此外，為了方便客戶使用，ＦＩ-ＧＡＲＯ公司還專門設計了帶溫度補償的傳感器處理模塊ＡＭ－４。該模塊采用微處理器進行控制，ＣＯ２氣體濃度的輸出信號電平為０．０～３．０Ｖ，相當于０～３０００ｐｐｍ的濃度，并有中繼轉接控制口，可輸出高、低兩種門限信號以供外接控制使用。TGS4160傳感器的主要技術參數如下：測量范圍：０～５０００ｐｐｍ；使用壽命：２０００天；加熱器電壓：５．０±０．２ＶＤＣ；加熱器電流：２５０ｍＡ；加熱器功耗：１．２５Ｗ；內部熱敏電阻〔補償用〕：１００ｋΩ±５％；使用溫度：－１０～＋５０℃使用濕度：５～９５％ＲＨ；產品尺寸：最大外徑Φ２４ｍｍ，高２４ｍｍ，引腳長５．８ｍｍ。TGS4160二氧化碳傳感器是一種內含熱敏電阻的混合式CO2敏感元件。該元件在兩個電極之間充有陽離子固體電解質。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網做圓柱型封裝。元件的內層采用１００目雙層不銹鋼網套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層６０目的不銹鋼網。為了到達降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內外兩層不銹鋼網之間還填充有吸附材料〔沸石〕。傳感器的６個引腳通過０．１ｍｍ的箔導線與內部相連。其等效的內部結構見圖１所示。圖中，陽極與傳感器的第３腳Ｓ〔＋〕相連，陰極與傳感器的第４腳Ｓ〔－〕相連，Ｐｔ加熱器與傳感器的第１，６腳相連，內部熱敏電阻與傳感器的第２，５腳相連。內部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測環(huán)境溫度，以便對該傳感器進行溫度補償，從而使校正后的測量值更加準確。圖1TGS4160等效內部結構結合本設計實際情況本案選用TGS4160模塊。2.6終端數據傳輸方案本案中終端數據傳輸是指數據接收終端〔PC下位機〕到顯示設備之間的數據傳輸。方案一：采用串口傳輸方案二：采用USB線纜傳輸考慮到USB接口設備的優(yōu)點是即插即用、支持熱插拔、傳輸速度快、可通過擴展連接多達127個USB設備，不用擔憂USB加密鎖與打印機等外設的沖突。使用更方便。綜合本案特點所以選用方案二采用USB傳輸數據。2.7終端顯示方案本案中的終端顯示是指本系統(tǒng)的實時監(jiān)測數據顯示。方案一：采用液晶屏顯示方案二：利用PC機窗口顯示顯示PC機窗口顯示具有造價低、使用方便、維護簡單〔比方可以多窗口顯示便于系統(tǒng)集成等利于綜合管理等〕本錢低廉等特點。綜合考慮本案采用PC機窗口顯示方案。2.8系統(tǒng)電源模塊考慮到c8051f單片機的供電電壓要求是2.7V~4.2V，NRF24L01的供電電壓要求是1.9V～3.6V。為了盡量的節(jié)省本錢提高電源效率和系統(tǒng)的低功耗。因此本方案采取以下供電方案數據采集端采用AS1117_3.3V穩(wěn)壓芯片為整個系統(tǒng)供電〔包含24L01〕數據接收端采用USB_5V經AS1117_3.3V穩(wěn)壓芯片為整個系統(tǒng)供電AD轉換電路模塊1、AD的原理及結構〔此處DAC改為ADC〕D/A轉換器的作用是把數字量信號轉換成于此數字量成正比的模擬信號，為單片機在模擬環(huán)境中的應用提供了一種數據轉換接口。目前單片機使用的D/A轉換電路多是以集成D/A芯片的形式出現的，其轉換時間一般在幾十納秒到極為秒之間，轉換精度按芯片位數分為8位，10位，12位，16位等。下文以ADC0809簡單介紹ADC工作的原理ADC0809是目前應用較為廣泛的8位D/A轉換芯片之一，單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作，電流建立時間為1us，CMOS工藝，低功耗20mW，可雙緩沖、單緩沖或直接數字輸入。具有與微機接口簡便，轉換控制容易，使用靈活等優(yōu)點。以下為ADC0809與單片機之間的借口與時序操作圖圖5從它的借口圖與時序看到ADC0809工作是需要接外部振蕩器與門非門等外圍器件，采用該方案會造成系統(tǒng)過于復雜增加系統(tǒng)本錢降低抗干擾能力。加上其分辨率只有8位因此本設計方案中不采用該ADC采用C8051F內部ADC。2.2.6C8051F內部ADCC8051F系列內部都有一個ADC子系統(tǒng)。除C8051F230/1/6之外由逐次逼近型ADC多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成ADC工作在100ksps的最大采樣速率時可提供真正的8位10位或12位精度ADC完全由CIP-51通過特殊功能存放器控制系統(tǒng)控制器還可以關斷ADC以節(jié)省功耗。其內部還有一個可編程增益放大器?？删幊淘鲆娣糯笃髟鲆婵梢杂密浖O置從0.5到16以2的整數次冪遞增當不同ADC輸入電壓信號范圍差距較大或需要放大一個具有較大直流偏移的信號時可編程增益放大器是非常有用的。。A/D轉換可以有4種啟動方式軟件命令定時器2溢出定時器3溢出或外部信號輸入允許用軟件事件硬件信號觸發(fā)轉換或進行連續(xù)轉換一次轉換完成后產生一個中斷或者用軟件查詢來判斷轉換結束在轉換完成后數據字被鎖存到特殊功能存放器中對于10位或12位ADC可以用軟件控制數據字為左對齊或右對齊格式由上可知C8051F的內部ADC最高分辨率為10為而ADC0809只有8位而且采用內部ADC無需復雜的外圍電路設計加上其多種靈活的ADC觸發(fā)轉換方式為系統(tǒng)的低功耗設計提供了可能，這種有點特別是對工作在復雜環(huán)境中的移動設備具有重要意義。2.3無線收發(fā)模塊選擇2.3.1無線通信技術介紹圖2.3-53.短距離無線通信的特征低本錢、低功耗和對等通信，是短距離無線通信技術的三大重要特征和優(yōu)勢[3]。首先，低本錢是短距離無線通信的客觀要求，因為各種通信終端的產銷量都很大，要提供終端間的直通能力，沒有足夠低的本錢是很難推廣的。其次，低功耗是相對其他無線通信技術而言的一個特點，這與其通信距離短這個先天特點密切相關，由于傳播距離近，遇到障礙物的幾率也小，發(fā)射功率普遍都很低，通常在1毫瓦量級。短距離無線通信技術的范圍很廣，在一般意義上，只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，并且傳輸距離限制在較短的范圍內，通常是幾十米內，就可以稱為短距離無線通信。目前幾種主流的短距離無線通信技術包括：高速WPAN技術；UWB高速無線通信技術，包括MB-OFDM、DS-UWB；WirelessUSB是一個全新無線傳輸標準，可提供簡單、可靠的低本錢無線解決方案，幫助用戶實現無線功能。因此低速WPAN技術和IEEE802.154\Zigbee，Zigbee是一種低速短距離無線通信技術。它的出發(fā)點是希望開展一種拓展性強、易建的低本錢無線網絡，強調低耗電、雙向傳輸和感應功能等特色。ZigbeePHY和MAC層由標準定義。IEEE802.15.4a是作為的一個補充，其物理層的標準可能采用低速UWB技術。藍牙底層PHY層和MAC層協(xié)議的標準版本為，大多數標準的制訂工作還由藍牙開發(fā)小組SIG負責[4]。RFID是一種非接觸的自動識別技術，其根本原理是利用射頻信號和空間耦合〔電感或電磁耦合〕傳輸性來實現對被識別物體的自動識別。RFID技術的開展得益于多項技術的綜合開展，包括芯片技術、天線技術、無線技術、電磁傳播技術、數據交換與編碼技術等。一套典型的RFID系統(tǒng)有電子標簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。電子標簽與讀寫器配合完成對被識別對象的信息采集功能；信息處理系統(tǒng)那么根據需求承當相應的信息控制和處理工作。高速WPAN，目前主要應用于連接下一代便攜式消費和通信設備。它支持各種高速率的多媒體應用、高質量聲像配送、多兆字節(jié)音樂和圖像文檔傳送等。低速WPAN，主要用于家庭、工廠與倉庫的自動控制，平安監(jiān)視、保健監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)視，軍事行動、消防隊員操作指揮，貨單自動更新、庫存實時跟蹤以及游戲和互動玩具等方面的低俗應用。2.3.2無線收發(fā)模塊概述無線數據傳輸廣泛地運用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網絡、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數據采集系統(tǒng)、無線標簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數據終端、平安防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線232數據通信、無線485/422數據通信、數字音頻、數字圖像傳輸等領域中。主要技術指標：1。通訊方式：調幅AM2。工作頻率：315MHZ/433MHZ3。頻率穩(wěn)定度：±75KHZ4。發(fā)射功率：≤500mW5。靜態(tài)電流：≤0.1UA6。發(fā)射電流：3～50mA7。工作電壓：DC3～12VnRF24L01概述1.主要參數nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊,并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設計更方便。nRF24L01主要特性如下：GFSK調制；硬件集成OSI鏈路層;具有自動應答和自動再發(fā)射功能;片內自動生成報頭和CRC校驗碼;數據傳輸率為lMb/s或2Mb/s;SPI速率為0Mb/s～10Mb/s;125個頻道：與其他nRF24系列射頻器件相兼容;QFN20引腳4mm×4mm封裝;供電電壓為1.9V～3.6V。2.引腳功能及描述nRF24L01的封裝及引腳排列如下圖。各引腳功能如下：圖圖2.3-6nRF24L01封裝圖CE：使能發(fā)射或接收;CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01：IRQ：中斷標志位；VDD：電源輸入端；VSS：電源地；XC2，XC1：晶體振蕩器引腳;VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8V；ANT1,ANT2：天線接口；IREF：參考電流輸入。3.工作模式通過配置存放器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表所示。表2.3-3：模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO存放器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數據在TX

FIFO

存放器中發(fā)射模式101→0停留在發(fā)送模式，直至數據發(fā)送完待機模式2101TX

FIFO

為空待機模式11-0無數據傳輸掉電0---待機模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；待機模式2那么是在當FIFO存放器為空且CE=1時進入此模式；待機模式下，所有配置字仍然保存。在掉電模式下電流損耗最小，同時nRF24L01也不工作，但其所有配置存放器的值仍然保存。4.工作原理發(fā)射數據時，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數據TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數據;假設自動應答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數據后立即進入接收模式，接收應答信號〔自動應答接收地址應該與接收節(jié)點地址TX_ADDR一致〕。如果收到應答，那么認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TX

FIFO中去除;假設未收到應答，那么自動重新發(fā)射該數據(自動重發(fā)已開啟)，假設重發(fā)次數(ARC)到達上限，MAX_RT置高，TX

FIFO中數據保存以便在次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時,假設CE為低那么nRF24L01進入空閑模式1;假設發(fā)送堆棧中有數據且CE為高，那么進入下一次發(fā)射;假設發(fā)送堆棧中無數據且CE為高，那么進入空閑模式2。接收數據時,首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進入接收狀態(tài)等待數據的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數據包存儲在RX

FIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產生中斷，通知MCU去取數據。假設此時自動應答開啟，接收方那么同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應答信號。最后接收成功時，假設CE變低，那么nRF24L01進入空閑模式1。在寫存放器之前一定要進入待機模式或掉電模式。如下列圖，給出SPI操作及時序圖：圖2.3-7SPI讀操作圖圖2.3-8SPI寫操作5.配置字SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10Mb/s，傳輸時先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關的指令共有8個，使用時這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應的狀態(tài)和數據信息是從MISO輸出給MCU。nRF24L0l所有的配置字都由配置存放器定義，這些配置存放器可通過SPI口訪問。nRF24L01的配置存放器共有25個，常用的配置存放器如表2所示。表2.3-4：常用配置存放器地址〔H〕存放器名稱功能00CONFIG設置24L01工作模式01EN_AA

設置接收通道及自動應答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW設置地址寬度04SETUP_RETR設置自動重發(fā)數據時間和次數07STATUS狀態(tài)存放器，用來判定工作狀態(tài)0A~0FRX_ADDR_P0~P5設置接收通道地址10TX_ADDR設置接收接點地址11~16RX_PW_P0~P5設置接收通道的有效數據寬度6.nRF24L01應用原理框圖圖圖2.3-9NRF24L01接線圖圖圖2.3-10與單片機相連接線圖2.4溫濕度傳感器.概述DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最正確選那么。產品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。.應用領域?暖通空調?測試及檢測設備?汽車?數據記錄器?消費品?自動控制?氣象站?家電?濕度調節(jié)器?醫(yī)療?除濕器.傳感器性能說明表2.4—12.4.4.接口說明建議連接線長度短于20米時用5K上拉電阻,大于20米時根據實際情況使用適宜的上拉電阻圖2.4-12.4.5.電源引腳DHT11的供電電壓為3－5.5V。傳感器上電后，要等待1s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳〔VDD，GND〕之間可增加一個100nF的電容，用以去耦濾波。2.4.6.串行接口(單線雙向)DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數據格式,一次通訊時間4ms左右,數據分小數局部和整數局部,具體格式在下面說明,當前小數局部用于以后擴展,現讀出為零.操作流程如下:一次完整的數據傳輸為40bit,高位先出。數據格式:8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數+8bit溫度小數數據+8bit校驗和數據傳送正確時校驗和數據等于“8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據〞所得結果的末8位。用戶MCU發(fā)送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉換到高速模式,等待主機開始信號結束后,DHT11發(fā)送響應信號,送出40bit的數據,并觸發(fā)一次信號采集,用戶可選擇讀取局部數據.從模式下,DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號,DHT11不會主動進行溫濕度采集.采集數據后轉換到低速模式。通訊過程如圖2.4-2所示圖2.4-2總線空閑狀態(tài)為高電平,主機把總線拉低等待DHT11響應,主機把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開始信號后,等待主機開始信號結束,然后發(fā)送80us低電平響應信號.主機發(fā)送開始信號結束后,延時等待20-40us后,讀取DHT11的響應信號,主機發(fā)送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可,總線由上拉電阻拉高。如2.4-3所示。圖2.4-3總線為低電平,說明DHT11發(fā)送響應信號,DHT11發(fā)送響應信號后,再把總線拉高80us,準備發(fā)送數據,每一bit數據都以50us低電平時隙開始,高電平的長短定了數據位是0還是1.格式見下面圖示.如果讀取響應信號為高電平,那么DHT11沒有響應,請檢查線路是否連接正常.當最后一bit數據傳送完畢后，DHT11拉低總線50us,隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態(tài)。數字0信號表示方法如圖圖2.4-4所示圖2.4-4數字1信號表示方法.如圖2.4-5所示圖2.4-52.4.7.測量分辨率測量分辨率分別為8bit〔溫度〕、8bit〔濕度〕。電氣特性VDD=5V，T=25℃，除非特殊標注表2.4-2應用信息9.1工作與貯存條件超出建議的工作范圍可能導致高達3%RH的臨時性漂移信號。返回正常工作條后，傳感器會緩慢地向校準狀態(tài)恢復。要加速恢復進程/可參閱7.3小節(jié)的“恢復處理〞。在非正常工作條件下長時間使用會加速產品的老化過程。9.2暴露在化學物質中電阻式濕度傳感器的感應層會受到化學蒸汽的干擾，化學物質在感應層中的擴散可能導致測量值漂移和靈敏度下降。在一個純潔的環(huán)境中，污染物質會緩慢地釋放出去。下文所述的恢復處理將加速實現這一過程。高濃度的化學污染會導致傳感器感應層的徹底損壞。9.3恢復處理置于極限工作條件下或化學蒸汽中的傳感器，通過如下處理程序，可使其恢復到校準時的狀態(tài)。在50-60℃和<10%RH的濕度條件下保持2小時〔烘干〕；隨后在20-30℃和>70%RH的濕度條件下保持5小時以上。9.4溫度影響氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于溫度。因此在測量濕度時，應盡可能保證濕度傳感器在同一溫度下工作。如果與釋放熱量的電子元件共用一個印刷線路板，在安裝時應盡可能將DHT11遠離電子元件，并安裝在熱源下方，同時保持外殼的良好通風。為降低熱傳導，DHT11與印刷電路板其它局部的銅鍍層應盡可能最小，并在兩者之間留出一道縫隙。9.5光線長時間暴露在太陽光下或強烈的紫外線輻射中，會使性能降低。9.6配線考前須知DATA信號線材質量會影響通訊距離和通訊質量,推薦使用高質量屏蔽線。2.4.10.封裝信息圖2.4-6DHT11引腳說明表2.4-3焊接信息手動焊接，在最高260℃的溫度條件下接觸時間須少于10秒?？记绊氈?1)防止結露情況下使用。(2)長期保存條件：溫度10－40℃，濕度60％以下。2.5二氧化碳濃度傳感器2.5.1二氧化碳濃度傳感器TGS4160概述TGS4160二氧化碳傳感器是FIGARO〔弗加羅〕公司生產的固態(tài)電化學型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點外，同時還具有耐高濕低溫的特性，可廣泛用于自動通風換氣系統(tǒng)或是二氧化碳氣體的長期監(jiān)測等應用場合。但是由于TGS4160的預熱時間較長〔一般為2小時〕，所以，該器件比擬適合于在室溫下長時間通電連續(xù)工作。TGS4160傳感器的主要參數如下：·測量范圍：0~5000ppm·使用壽命：2000天·加熱電壓：5.0±0.2V·加熱器電流：250mA·加熱器功耗：1.25W·內部熱敏電阻：100k±5%·使用溫度：-10~+50攝氏度·使用濕度：5~95%RH·產品尺寸：最大外徑24mm，高24mm，引腳長5.8mm。TGS4160的內部結構TGS4160二氧化碳傳感器是一種內含熱敏電阻的混合式二氧化碳敏感元件。該元件在兩個電極之間充有陽離子固體電解質。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網做圓柱型封裝。元件的內層采用100目雙層不銹鋼網套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層60目的不銹鋼網。為了到達降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內外兩層不銹鋼網之間還填充有吸附材料〔沸石〕。傳感器的6個引腳通過0.1mm的箔導線與內部相連。TGS4160內部等效結構圖如圖2.5-1所示。圖圖2.5-1TGS4160等效內部結構圖圖2.5-1中，陽極與傳感器的第3腳S(+)相連，陰極與傳感器的第4腳S(-)相連，Pt加熱器與傳感器的第1，6腳相連，內部熱敏電阻與傳感器的第2，5腳相連。內部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測環(huán)境溫度，以便對該傳感器進行溫度補償，從而使校正后的測量值更加準確。2.5.3TGS4160的工作原理TGS4160型二氧化碳傳感器是一種電化學型氣體的敏感元件，當該元件暴露在二氧化碳氣體環(huán)境中時，就會產生電化學反響。其反響式如下：陰極反響方程：4Li++2CO2+O2+4e-=2Li2CO3陽極反響方程：4Na++O2+4e-=2Na2O總的化學反響方程：Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2作為電化學反響的結果，根據耐斯特方程〔Nernst〕，該過程將產生如下電勢〔EMF〕：EMF=Ec-(RF)/(2F)Ln(PCO2)式中：PCO2為CO2分壓；Ec為常數；R是氣體常數；F是法拉第常數。從上式看出，通過監(jiān)測S(+)、S(-)兩個電極之間所產生的電勢值EMF，就可以測量CO2的濃度值。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應在5.0±0.2V之內。為了保證CO2的準確測量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變化進行溫度補償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值ΔEMF，而不是絕對電勢值EMF，因為ΔEMF與CO2濃度變化之間有一個較好的線性關系。雖然EMF絕對值隨環(huán)境溫度的上升而上升，ΔEMF卻保持常量，而且它在-10℃~50℃溫度范圍內，根本不受溫度的影響。ΔEMF值可由下式求得：ΔEMF＝EMF1－EMF2其中，EMF1為350ppm的CO2中的EMF值；EMF2為所測量的CO2的EMF值。ΔEMF與二氧化碳濃度的關系如圖圖2.5-2所示。二氧化碳濃度圖2.5-2ΔEMF與二氧化碳濃度線性圖二氧化碳檢測電路設計TGS4160在溫度為20℃±2℃、濕度為65±5％RH、加熱電壓為5.0±0.05V、預熱時間為7天或大于7天的條件下，測得傳感器在濃度為350ppm中的EMF值是220~490mV，而ΔEMF在350~3500ppm的CO2濃度中的值是44~72mV，因此在實際測量應用電路中，要根據傳感器的特點要求，除使用高輸入阻抗〔≥100GΩ〕、低偏置電流〔≤1pA〕的運算放大器外，還要對測得的信號進行處理。處理該信號選擇使用費加羅〔FIGARO〕公司的FIC98646專用處理器模塊,AM-4模塊。AM-4二氧化碳傳感器模塊，那么可直接應用于二氧化碳氣體監(jiān)測。該模塊內部帶有A/D轉換器，并已對數據進行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號與二氧化碳濃度值呈線性關系，輸出的電壓信號為0~3.0V，相當于0~3000ppm的二氧化碳濃度。AM-4模塊的輸出電壓為0~3V，需要經過放大處理變?yōu)?~5V傳送給A/D轉化器，才能為單片機傳送更為準確的數字信號。本設計對處理該信號方案如圖圖2.5-3所示。圖圖2.5-3二氧化碳濃度檢測電路2.5.5二氧化碳傳感器TGS4160根本應用利用TGS4160二氧化碳傳感器并通過高輸入阻抗、低偏置電流的運放進行放大，再作一些簡單的運算處理，就可以在ＣＯ２濃度為３００～５０００ｐｐｍ的范圍內測得信號，該信號為０～幾百毫伏的電壓信號，可以供高精度Ａ／Ｄ采樣使用。如果使用費加羅〔ＦＩＧＡＲＯ〕公司提供的ＡＭ－４ＣＯ２傳感器模塊，那么可直接應用于自動通風換氣系統(tǒng)或是ＣＯ２氣體監(jiān)測。該模塊內部帶有Ａ／Ｄ轉換器，并已對數據進行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號與ＣＯ２濃度值呈線性關系，輸出的電壓信號為０～３．０Ｖ，相當于０～３０００ｐｐｍ的ＣＯ２濃度。另外，該模塊還提供有中繼轉接控制信號。當ＣＯ２濃度高于設定值時，輸出的轉接控制信號為高電平５Ｖ，該信號可以使得紅ＬＥＤ點亮；反之，它將轉接控制信號為低電平０Ｖ以使綠ＬＥＤ點亮。但是，該模塊的設定值是分檔的，而不是連續(xù)可調的。共分為四檔〔可通過線路板上的跳線來實現〕，表2.5-1和表2.5-2分別給出了門限開關信號的濃度值及跳線連接方法。表2.5-1門限信號濃度控制信號門限檔次開關Ⅰ800ppm720ppmⅡ1000ppm900ppmⅢ1500ppm1350ppmⅣ2000ppm1800ppm表2.5-2跳線連接連

接

方

式檔次JP5JP6JP7JP8Ⅰ連連連斷Ⅱ連連斷連Ⅲ連斷連連Ⅳ斷連連連第三章系統(tǒng)軟件設計3.1KeilC51軟件介紹單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術的不斷開展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷開展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯