基于單片機(jī)的無線多路環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u141061緒論 2287171.1課題研究的目的與意義 2100671.2國內(nèi)外研究現(xiàn)況 2245621.3課題的研究內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo) 2195382無線多路環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3294862.1系統(tǒng)組成 3283082.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖 3206392.3模塊功能介紹 43083系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4125493.1主機(jī)模塊電路設(shè)計(jì) 4194143.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 4286183.1.2DS1302時(shí)鐘模塊 533683.1.3報(bào)警模塊 597393.1.4NRF接收模塊 687933.2從機(jī)模塊電路設(shè)計(jì) 7191303.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 7253813.2.2DHT11溫度傳感器模塊 8268613.2.3液晶顯示模塊 980433.2.4人體感應(yīng)模塊 10178213.2.5煙霧光敏模塊 11211083.2.6繼電器模塊 12226213.2.7電源模塊 123254系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 13222304.1主程序設(shè)計(jì) 1393994.2發(fā)送與接收模塊程序設(shè)計(jì) 14207435系統(tǒng)仿真 16177125.1Protues軟件介紹 1632245.2系統(tǒng)仿真 16238496實(shí)物焊接與檢測 17327116.1實(shí)物焊接與調(diào)試 172366.2實(shí)物功能調(diào)試 194276參考文獻(xiàn) 21摘要：在電子集成電路上面從總體而言可以把它劃分成較為五個(gè)大的部分,傳感器的溫度感應(yīng)與溫濕感適度的部分,無線控制信號的接收發(fā)射和分析接收部分,中央控制信號的發(fā)射分析與接收顯示部分,還有電子信息的發(fā)射接收與分析顯示部分。通過連接DHT11傳感器控制模塊在其上采集檢測得到的空氣溫濕度控制信號、PCF8951監(jiān)測光強(qiáng)和煙霧濃度以及HC-SR501感應(yīng)人體溫度最后通過連接NRF24l01無線信號發(fā)射控制模塊將無線信號數(shù)據(jù)發(fā)射給STC89C52,經(jīng)過無線接收模塊將控制數(shù)據(jù)發(fā)射給LCD1602液晶顯示模塊和DS1302時(shí)鐘模塊從而顯示數(shù)據(jù),并通過軟件編寫的程序來設(shè)置溫濕度的范圍,然后通過蜂鳴器自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并反饋給繼電器降溫。關(guān)鍵詞：AT89C52；DHT11；NRF24L01；LCD1602；PCF8951；HC-SR501；DS13021緒論1.1課題研究的目的與意義隨著互聯(lián)網(wǎng)和電子科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用方法也在不斷地完善和改進(jìn),尤其特別是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件為主要基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測工具,使其操作更加簡單、快捷,廣泛地適用于各類農(nóng)業(yè)、溫室的控制及日常居民生活。。我們都已經(jīng)知道,農(nóng)作物的根在生長發(fā)育過程中會(huì)隨時(shí)受到各種諸如自然光照、溫度、濕度和水壓強(qiáng)等各種多重環(huán)境因素的共同作用影響,而且在各種溫室里我們還甚至可以實(shí)時(shí)通過直接借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)時(shí)模擬各種水生植物所共同生長的自然氣候變化狀況,提供最好的植物生長生態(tài)環(huán)境以及有效避免由于受到外界惡劣的自然氣候等不利因素的共同干擾和變化影響,進(jìn)而大大增加各種農(nóng)作物的生產(chǎn)量。另外,室內(nèi)空氣的潔凈質(zhì)量也在很大一定程度上對整個(gè)人們的日常工作和我們?nèi)粘Ｉ疃家呀?jīng)產(chǎn)生了重大的不良影響,適宜的室溫濕度才真的能夠真正帶給每個(gè)人一種舒適的睡眠感覺,而有害化學(xué)氣體的快速擴(kuò)散卻嚴(yán)重地直接損害了我們?nèi)梭w健康。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)況國外針對企業(yè)環(huán)境溫室監(jiān)視和質(zhì)量控制溫室技術(shù)的理論研究比較早,就對于我國企業(yè)進(jìn)行環(huán)境溫室管理來說,開始于我國上個(gè)世紀(jì)70年代。從自動(dòng)組合多種儀表,采集、記錄、控制以及等待實(shí)時(shí)監(jiān)視和自動(dòng)檢測資源地的自動(dòng)信息,到80年代后期初期的自動(dòng)分布式控制管理系統(tǒng),再到目前正在用于生產(chǎn)和應(yīng)用研發(fā)當(dāng)中的基于個(gè)人電腦和移動(dòng)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集以及綜合應(yīng)用管理監(jiān)控系統(tǒng)。在早期我們普遍采用的方法是低溫實(shí)驗(yàn)室該方法是用來深入分析當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的變化狀況,由于對環(huán)境數(shù)據(jù)的深入分析還還是需要相當(dāng)長的研究時(shí)間,所以該分析方法的實(shí)時(shí)性相對來說較差。隨著電子傳感器控制技術(shù)和數(shù)字信息處理等高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用與不斷發(fā)展,室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控的技術(shù)手段已經(jīng)走向了一個(gè)嶄新的時(shí)代,監(jiān)控管理系統(tǒng)更為智能化,實(shí)時(shí)性得到了大幅度的提高。1.3課題的研究內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)電路上總體分為四大大部分,傳感器感應(yīng)溫濕度部分,中央分析部分,信息接收顯示部分還有報(bào)警部分。傳感器模塊在系統(tǒng)中采集了數(shù)據(jù)之后把這些數(shù)據(jù)發(fā)送給1602液晶顯示模塊從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警,并通過該軟件編寫的程序設(shè)定了系統(tǒng)中測量范圍,然后經(jīng)由蜂鳴器自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并反饋給繼電器打開風(fēng)扇降溫。基本要求如下是:(1)通過一個(gè)傳感器來檢測環(huán)境中各種參數(shù)值,并直接發(fā)送給單片機(jī)(2)單片機(jī)把所檢測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,并且把檢測得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD1602顯示屏(3)用1602液晶顯示屏來完成檢測得到的環(huán)境中數(shù)據(jù)再次進(jìn)行顯示(4)蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警并反饋給繼電器進(jìn)行降溫。

2無線多路環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)組成在本次的軟件設(shè)計(jì)中主要工作是通過煙霧光敏模塊、溫濕度模塊、人體感應(yīng)模塊將感應(yīng)到的煙霧濃度、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、人體表溫度傳輸給單片機(jī)再通過NRF電路發(fā)送給接收電路，最后通過LCD電路顯示出來。如果超過預(yù)定值LED電路和蜂鳴器電路將報(bào)警提醒，同時(shí)打開風(fēng)機(jī)降溫。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖主機(jī)模塊由NRF接收模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、單片機(jī)、液晶顯示模塊、報(bào)警模塊組成，如下圖2-1所示；從機(jī)模塊由電源模塊、溫濕度模塊、煙霧光敏模塊、人體感應(yīng)模塊、單片機(jī)時(shí)鐘電路、液晶顯示模塊、NRF發(fā)送模塊、繼電器模塊組成，如下圖2-2所示。圖2-1主機(jī)模塊框圖圖2-1從機(jī)模塊框圖2.3模塊功能介紹煙霧光敏模塊用來檢測煙霧濃度和光照強(qiáng)度；溫濕度模塊用來檢測溫度和濕度；LCD1602顯示模塊用來顯示數(shù)據(jù)；報(bào)警模塊用來在溫度過高時(shí)報(bào)警；人體感應(yīng)模塊用來監(jiān)測人體表溫度；DS1302時(shí)鐘模塊用來顯示時(shí)間；繼電器模塊用來在溫度過高時(shí)打開風(fēng)扇進(jìn)行降溫；電源模塊組成系統(tǒng)電源連接模塊。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1主機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的32個(gè)數(shù)控管腳放在IO口中,P0端口分別直接一起是32~39管腳,P1端口分別直接一起是1~8管腳,21~28腳分別直接一起構(gòu)成了一個(gè)大型數(shù)控單片機(jī)的1端口和一個(gè)P2口,能有效地通過增加和優(yōu)化擴(kuò)展一個(gè)大型單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)儲存數(shù)據(jù)空間,可以儲存長度最高達(dá)到256個(gè)單位字節(jié),也就是說它通常可以被我們稱為高8位的數(shù)據(jù)地址或者一個(gè)數(shù)據(jù)包的信息。10~17個(gè)串口管腳直接組合起來構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)的一個(gè)P3口,P3口在當(dāng)它們組合做為一個(gè)I/O口時(shí)的主要功能及其作用工作電路原理與FPGA的P1口一樣。而且更為關(guān)鍵的一點(diǎn)是該該P(yáng)3口徑還具備了自動(dòng)復(fù)位保護(hù)功能。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-1-1所示。圖3-1-1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖3.1.2DS1302時(shí)鐘模塊工作頻率補(bǔ)償范圍為2.5V-5.5V。它不僅采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，而且可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號或RAM的數(shù)據(jù)。該模塊用來顯示時(shí)間，DS1302實(shí)物圖如下圖3-1-2所示，電路圖如圖3-1-3所示。圖3-1-2DS1302實(shí)物圖圖3-1-3DS1302電路圖3.1.3報(bào)警模塊蜂鳴器報(bào)警是該報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警電路采用的主要方式，當(dāng)主機(jī)接通一個(gè)音頻電源后,多諧諧波振蕩器系統(tǒng)開始自動(dòng)起振,輸出1.5~2.5khz的高清音頻輸出信號,阻抗電壓匹配器自動(dòng)促使一個(gè)壓電信號蜂鳴片自動(dòng)產(chǎn)生漏電響應(yīng)以此為頻率范圍內(nèi)同時(shí)發(fā)出漏電警報(bào)。該模塊在溫度過高是報(bào)警，其中的結(jié)構(gòu)實(shí)物圖電路結(jié)構(gòu)如下圖3-1-4所示,電路結(jié)構(gòu)框圖中的結(jié)構(gòu)方式如下圖3-1-5所示。圖3-1-4蜂鳴器實(shí)物圖圖3-1-5蜂鳴器電路圖3.1.4NRF接收模塊NRF24L01是工作在2.4GHz-2.5HGz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。該模塊用來將發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)控制。NRF實(shí)物圖如下圖3-1-6所示，電路圖如下圖3-1-7所示。圖3-1-6NRF24L01實(shí)物圖圖3-1-7NRF24L01電路圖3.2從機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行的三種溫度測量指標(biāo):-40~+85℃和0~75℃。在基于單片機(jī)PDIP組件封裝的應(yīng)用模式中,斷電停止控制方法模塊誕生是因?yàn)樾滦偷闹袛鄵p耗系數(shù)<0.1μa,完全用戶可以通過直接使用外部的初始中斷控制方法組件來自動(dòng)進(jìn)行中斷工作,當(dāng)初始中斷的數(shù)據(jù)原路被自動(dòng)撤回時(shí),該應(yīng)用程序就可能會(huì)通過繼續(xù)中斷進(jìn)行一個(gè)新的工作在初始中斷狀態(tài)。休息運(yùn)動(dòng)模塊它也是一種新型2ma。在正常電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)模式下的一個(gè)典型電機(jī)損耗功率范圍大約為:4ma~7ma。圖3-2-1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖單片機(jī)的32個(gè)數(shù)控管腳放在IO口中,P0端口分別直接一起是32~39管腳,P1端口分別直接一起是1~8管腳,21~28腳分別直接一起構(gòu)成了一個(gè)大型數(shù)控單片機(jī)的1端口和一個(gè)P2口。10~17個(gè)串口管腳直接組合起來構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)的一個(gè)P3口,P3口在當(dāng)它們組合做為一個(gè)I/O口時(shí)的主要功能及其作用工作電路原理與FPGA的P1口一樣。而且更為關(guān)鍵的一點(diǎn)是該該P(yáng)3口徑還具備了自動(dòng)復(fù)位保護(hù)功能。表3-1-1P3口的第二功能管腳名稱說明10P3.0串行口的輸入（RXD)11P3.1串行口的輸入（TXD)12P3.2外部中斷0(INT0)13P3.3外部中斷114P3.4定時(shí)/計(jì)數(shù)器015P3.5定時(shí)/計(jì)數(shù)器116P3.6外部數(shù)據(jù)儲存器寫操作17P3.7外部數(shù)據(jù)儲存器讀操作3.2.2DHT11溫度傳感器模塊多采用有線鏈路的方式進(jìn)行采集和傳輸,為了更好地滿足無線測溫的需要,我們必須要求溫度傳感器能夠在完全滿足測量精確度的前提下,對測溫整個(gè)過程中的溫度信號進(jìn)行處理比較簡易。但是模擬溫度傳感器隨著環(huán)境的改變線性化學(xué)和傳動(dòng)穩(wěn)定性能并非很高,為了保證其在各種條件下均能夠滿足數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率和無線傳送的方便,所以可考慮采用數(shù)字型溫度傳感器DHT11。DHT11如圖3-2-2所示，電路圖如圖3-2-3所示，引腳圖如下表3-2-4所示。圖3-2-2DHT11元器件圖圖3-2-3DHT11電路圖引腳名稱說明1VDD正電源輸入，3V-5VDC2DATA單總線，數(shù)據(jù)輸入輸出引腳3NC空腳4GND電源接地表3-2-4DHT11引腳說明3.2.3液晶顯示模塊在LCD1602上的第1腳之間進(jìn)行接地;第2腳之間接+5v的發(fā)光電源;第3腳之間接2k光源電阻用以控制兩個(gè)液晶屏在顯示器上的對比度。第4腳與一個(gè)單片機(jī)引腳P1.0相連直接選擇,高電平時(shí)直接選擇一個(gè)數(shù)據(jù)信號寄存器、低到高電平時(shí)直接選擇指令寄存器。第5腳中的R/W為數(shù)據(jù)讀寫時(shí)的信號輸出電路線,與通用單片機(jī)的輸入電路P1.1相連,高水平電讀,低或高電平時(shí)可讀寫。第6腳也是有個(gè)可作為液晶使用智能控制端,當(dāng)由5v的高電平穩(wěn)壓跳閘轉(zhuǎn)變成低穩(wěn)壓電平時(shí),液晶模塊就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行命令,與單片機(jī)P1.2相連[8]。第7~14腳為8位雙向的的串行控制數(shù)據(jù)線與一個(gè)通常用于連接單片式主機(jī)用的帶有一個(gè)P0.0至P0.7共8個(gè)數(shù)據(jù)腳的終端IO口等串口控制設(shè)備之間進(jìn)行連接相連,單片控主機(jī)以此兩個(gè)設(shè)備相連用于向一個(gè)液晶電視顯示屏終端輸出大量數(shù)據(jù)。第15腳背兩側(cè)腳部光源亮度為負(fù)或負(fù)至正極,第16腳背兩側(cè)腳部光源為正或正至負(fù)極。該模塊主要顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，硬件鏈接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯示如下圖3-2-5、3-2-6所示。圖3-2-5LCD1602元器件圖圖3-2-6液晶顯示電路連接圖3.2.4人體感應(yīng)模塊紅外線傳感器的工作原理紅外線傳感器是一種利用傳感器釋放出來的紅外線信號進(jìn)行檢測和處理的傳感器,紅外線傳感器靈敏度很高,驅(qū)動(dòng)設(shè)備會(huì)自動(dòng)控制紅外線傳感器的工作和運(yùn)行。人體紅外感應(yīng)開關(guān)主要是根據(jù)人體溫度做出判別的人體熱釋電紅外傳感系統(tǒng)。人體在正常情況下都有恒定不變的體溫，一般在36℃到37℃，本設(shè)備檢測到溫度在36℃~37℃時(shí)會(huì)釋放信號給單片機(jī)。本設(shè)計(jì)主要采用的是HC-SR501紅外傳感器的硬件實(shí)物電路結(jié)構(gòu)如下圖3-2-7所示，硬件結(jié)構(gòu)如圖3-2-8所示。圖3-2-7HC-SR501實(shí)物圖圖3-2-8HC-SR501電路圖3.2.5煙霧光敏模塊PCF8951是一種可以同時(shí)能夠采用具有I2C和U總線兩個(gè)接口的8位時(shí)鐘A/DD/A接口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的可控制時(shí)鐘芯片,I2C數(shù)字網(wǎng)絡(luò)總線通信系統(tǒng)目前采用的總線方式主要是總線數(shù)字化和串行總線。該模塊用來監(jiān)測煙霧濃度和光照強(qiáng)度，PCF8951元器件如圖3-2-9所示，電路圖如圖3-2-10所示。圖3-2-9PCF8951實(shí)物圖圖3-2-10PCF8951電路圖3.2.6繼電器模塊在信號發(fā)送模塊連接一個(gè)風(fēng)扇，當(dāng)溫度過高時(shí)報(bào)警的同時(shí)風(fēng)扇將收到反饋信息啟動(dòng)，對系統(tǒng)進(jìn)行降溫。繼電器模塊的電路圖如下圖3-2-11所示。圖3-2-11繼電器模塊電路圖3.2.7電源模塊整個(gè)系統(tǒng)的電源連接部分主要由電源濾波和電源指示燈兩個(gè)組成部分共同構(gòu)成；電源綠農(nóng)主要由兩個(gè)電容以及一個(gè)排針組成排針主要與USB接口相連作為整個(gè)系統(tǒng)的電源輸入端，電源濾波的主要作用是將具有高頻電磁干擾的電流阻斷輸入所需正常頻率的電流。指示燈由一個(gè)LED燈以及一個(gè)電阻所構(gòu)成，指示燈的功能就是觀察電路是否能接通電源。電路圖如圖3-2-12所示。圖3-2-12電源模塊電路圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)該報(bào)警系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩個(gè)部分二者硬件部分相似通過軟件修改無線通信參數(shù)來區(qū)分從機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后對它才能執(zhí)行開始自動(dòng)執(zhí)行,所以你需要先對整個(gè)單片機(jī)的一個(gè)主程序文件進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置操作,煙霧光敏傳感器、溫濕度傳感器以及報(bào)警模塊感受到外界變化時(shí)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給NRF發(fā)送模塊，并通過NRF接收模塊在LCD上顯示出來，溫度超過24℃蜂鳴器將報(bào)警反饋給繼電器實(shí)施降溫。流程圖如下圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖4.2發(fā)送與接收模塊程序設(shè)計(jì)圖4-2和圖4-3分別是NRF無線傳輸模塊的信號發(fā)送和信號接收流程圖圖，當(dāng)NRF開始運(yùn)行時(shí)先進(jìn)行初始化再進(jìn)行模式的設(shè)定根據(jù)需求不同可以設(shè)定為發(fā)送和接收兩種模式，之后再將數(shù)據(jù)寫入完成信號的發(fā)送或接收。圖4-2NRF24L01發(fā)送流程圖圖4-3NRF24L01接收流程圖5系統(tǒng)仿真5.1Protues軟件介紹Protues軟件可以實(shí)現(xiàn)EDA等一系列相類似的仿真軟件工具的功能。雖然Protues軟件在中國的推廣才剛剛開始，但是它在教師和科學(xué)家中非常受歡迎。5.2系統(tǒng)仿真由于該設(shè)計(jì)是無線系統(tǒng)無法用仿真進(jìn)行模擬，該仿真沒有NRF24L01發(fā)送與接收模塊，系統(tǒng)仿真圖如圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)仿真圖6實(shí)物焊接與檢測6.1實(shí)物焊接與調(diào)試在基本完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和焊接工作后,下一步就是調(diào)試系統(tǒng)的硬件。所以在進(jìn)行調(diào)試前,應(yīng)當(dāng)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢查。首先,要仔細(xì)地檢查電源線,以確定所做出來的實(shí)物能否正常供電。如果它可以被證明是通路,如果沒有,則證明焊接錯(cuò)誤造成斷路或短路,應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行檢查并修理焊接工程的整體規(guī)劃和工作。實(shí)物圖如圖6-1、6-2所示。圖6-1實(shí)物圖圖6-2實(shí)物圖6.2實(shí)物功能調(diào)試正常運(yùn)行：圖6