PAGEPAGE24摘要隨著我國科技的不斷發(fā)展，無線技術(shù)也不斷發(fā)展并用于不同的行業(yè)。本設(shè)計是基于單片機(jī)的無線溫度檢測系統(tǒng)，利用單片機(jī)結(jié)合溫度對環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，結(jié)合nRF24L01無線傳輸模塊，將檢測到的環(huán)境信息通過無線傳輸模塊自發(fā)送至接收機(jī)，接收機(jī)接收到信息后通過LCD進(jìn)行顯示，并在溫度超過設(shè)置閾值時啟動警報?？傮w設(shè)計以51單片機(jī)為核心，采用模塊化設(shè)計思想。系統(tǒng)硬件由單片機(jī)最小系統(tǒng)、無線收發(fā)電路、報警電路和液晶顯示電路組成。然后,對系統(tǒng)的主程序和各個子程序進(jìn)行了分析和設(shè)計。最后,完成了無線溫濕度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的通信通過nRF24L01無線傳輸模塊實現(xiàn),溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。實驗證明,本文設(shè)計的系統(tǒng)可行性高、簡便、適合推廣。關(guān)鍵詞：nRF24L01無線傳輸模塊；溫濕度檢測；數(shù)據(jù)傳輸TemperatureandHumidityDataTransmissionDesignBasedonSingleChipMicrocomputerAbstract：WiththecontinuousdevelopmentofChina'sscienceandtechnology,wirelesstechnologyhasalsobeendevelopedandusedindifferentindustries.Thisdesignisbasedonthewirelesstemperaturedetectionsystemofthesingle-chipmicrocomputer.Itusesthesingle-chipmicrocomputertocombinethetemperaturetodetecttheambienttemperature.CombinedwiththenRF24L01wirelesstransmissionmodule,thedesignalsotransmitsthedetectedenvironmentalinformationtothereceiverthroughthewirelesstransmissionmodule.Thereceiverreceivestheinformation.ItisthendisplayedthroughtheLCDandanalarmisactivatedwhenthetemperatureexceedsthesetthreshold.Thedesignoftheoverallplanisbasedon51single-chipmicrocomputer,usingmodulardesignideas,thesystemhardwareconsistsoftheminimumsystemofthemicrocontroller,wirelesstransceivercircuit,alarmcircuit,liquidcrystaldisplaycircuit.ThecommunicationbetweenthetransmitterandthereceiverisrealizedbythenRF24L01wirelesstransmissionmodule,andthecollecteddataofthetemperatureandhumiditysensorisdisplayedontheliquidcrystaldisplayLCD1602.Thetestprovesthatthesystemdesignofthispaperisfeasible,simpleandconvenient,andsuitableforpromotion.Keywords:nRF24L01;temperatureandhumiditydetection;datatransmission

1緒論1.1選題概述隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代社會對與生產(chǎn)與生活中息息相關(guān)的各個必要參數(shù)數(shù)值的準(zhǔn)確性與實時測量的便捷性要求越來越嚴(yán)格。溫濕度作為影響人類生產(chǎn)生活的主要環(huán)境數(shù)據(jù)之一，無論是在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植、科研開發(fā)等方面，對溫度和濕度環(huán)境的要求越來越嚴(yán)格。因此如何更加精確、快捷、便利的獲取溫濕度參數(shù)變得至關(guān)重要。溫濕度采集在工業(yè)，農(nóng)業(yè)和日常生活被廣泛使用。在工業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)專業(yè)儀器以及生產(chǎn)環(huán)境需要嚴(yán)格的檢查和監(jiān)控，但是，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員無法長時間留在現(xiàn)場觀察設(shè)備是否正常運作，生產(chǎn)環(huán)境是否滿足要求。在這個時候，我們需要收集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，以解決溫度和濕度的采集問題。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，無論是溫室溫度監(jiān)測還是糧倉管理，大多采用人工測量記錄的方法，不僅增大工作人員的工作量，而且是測量數(shù)據(jù)的可靠性也不高。在當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)水平上，無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得溫度的采集和測量變得準(zhǔn)確和容易。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會選擇安裝室內(nèi)溫濕度采集控制系統(tǒng)，用于更換的生活舒適感和實時掌握自己的生活環(huán)境、但是，目前我國對于溫濕度數(shù)據(jù)的采集大部分仍然以定時巡查、人工讀取數(shù)值為主。傳統(tǒng)的測量方法難以滿足科學(xué)合理的檢測要求，效率低下，費時費力，不利于實現(xiàn)即時的數(shù)值讀取，很大程度上限制了工農(nóng)業(yè)與科技發(fā)展的效益。因此有必要研制開發(fā)操作簡便，成本低廉，實用簡單的溫濕度檢測設(shè)備。1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)進(jìn)入了智能社會，這極大提升了人們對優(yōu)質(zhì)生活的追求。20世紀(jì)70年代初，國外已經(jīng)開始開發(fā)探測溫度和濕度的技術(shù)。首先，使用模擬儀器收集測試現(xiàn)場的信息，并對其進(jìn)行記錄和監(jiān)測。分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代末。目前，計算機(jī)數(shù)據(jù)采集集成控制系統(tǒng)正在開發(fā)中。目前，世界各國的溫濕度測量和控制技術(shù)發(fā)展迅速。一些國家正在朝著完全自動化、無人化和智能化的方向發(fā)展。我國溫濕度測量與控制技術(shù)的研究起步較晚，始于20世紀(jì)80年代?；诎l(fā)達(dá)國家的溫濕度測量和控制技術(shù)，我國工程師和技術(shù)人員掌握了室內(nèi)計算機(jī)溫濕度控制技術(shù)?？偟膩碚f，我國溫濕度監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用正經(jīng)歷著從消化吸收、簡單應(yīng)用到實踐綜合應(yīng)用的轉(zhuǎn)變和發(fā)展中。技術(shù)上主要采用單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)，目前并沒有發(fā)展到?jīng)]有真正的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)。與發(fā)達(dá)國家相比，這一差距仍然很大。我國溫度和濕度的測量和控制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實現(xiàn)工業(yè)化。在生產(chǎn)實踐中，還存在設(shè)備配套能力差、產(chǎn)業(yè)化程度低、環(huán)境控制落后、軟硬件資源共享不足、可靠性差等問題。由于各種新技術(shù)的出現(xiàn)，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)正處于技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新的階段。環(huán)境監(jiān)測信息技術(shù)是環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的大趨勢之一。市場對環(huán)境監(jiān)測的需求日益增長，對環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的需求日益增長。目前，環(huán)境監(jiān)測正朝著便捷化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的方向發(fā)展。20世紀(jì)90年代中期結(jié)合微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)研發(fā)出了智能溫濕度傳感器（數(shù)字溫濕度傳感器）。目前，各種智能溫度和濕度傳感器產(chǎn)品已在世界各地開發(fā)。智能溫度和濕度傳感器由溫度和濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器和接口電路組成。有些產(chǎn)品甚至有高級功能，如多路選擇器、中央控制器、隨機(jī)訪問存儲器和只讀存儲器。智能溫度傳感器能夠輸出溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度控制量，并能適應(yīng)各種微控制器，通過軟件控制和監(jiān)控數(shù)據(jù)，溫度濕度計越來越智能化。常用的溫度濕度傳感器有DHT系列、AD590、DS18B20等。隨著溫濕度傳感器的發(fā)展，溫室監(jiān)測系統(tǒng)越來越成熟，為人們提供了更好的服務(wù)。國內(nèi)外對溫度和濕度檢測的研究，從復(fù)雜的模擬檢測到智能的數(shù)字檢測，該技術(shù)已經(jīng)越來越成熟。目前，溫度和濕度檢測系統(tǒng)正朝著小型化、低功耗和智能化的方向發(fā)展。1.3設(shè)計的主要內(nèi)容本設(shè)計是一種基于單片機(jī)的無線溫濕數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。利用單片機(jī)、顯示模塊、無線模塊、溫度濕度傳感器等實現(xiàn)溫度濕度數(shù)據(jù)的采集、無線傳輸、接收和顯示設(shè)計由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。發(fā)射機(jī)通過無線模塊將傳感器收集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)傳輸給接收機(jī)。接收端接收到的數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊上，可根據(jù)設(shè)定的報警值閾值進(jìn)行報警。本文主要針對無線溫濕度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的進(jìn)行了研究和設(shè)計，主要目標(biāo)包括：（1）根據(jù)系統(tǒng)功能分析，制定無線溫濕度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并且對方案中的關(guān)鍵器件進(jìn)行比較論證，選擇最適合本設(shè)計的器件方案。（2）采用模塊化的硬件設(shè)計思路，分別對硬件電路中的單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、無線模塊、液晶顯示電路等進(jìn)行了原理圖設(shè)計，并最后在電路原理設(shè)計完成后進(jìn)行了總體的PCB設(shè)計。（3）根據(jù)系統(tǒng)總體方案的功能需求和基本的硬件電路接口，對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，包括各模塊子程序以及系統(tǒng)主程序。（4）通過實物研制，對現(xiàn)場的溫度采集和發(fā)送，結(jié)果表明本文設(shè)計的正確性。熟悉單片機(jī)在實際開發(fā)中的應(yīng)用，學(xué)會累計并查找資料，確定系統(tǒng)的方案，并且從這些方案中選擇最佳的設(shè)計方案。學(xué)習(xí)并掌握如何開發(fā)系統(tǒng)，在實際中發(fā)現(xiàn)問題解決問題。本次設(shè)計運用的軟件，主要使用原理圖PCB繪制軟件AltiumDesigner、程序編程軟件Keil等。購買所需元器件，制作電路板，根據(jù)電路板原理圖，對焊接好的電路板進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，進(jìn)行硬件調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試，直至系統(tǒng)所需的預(yù)定功能實現(xiàn)。2系統(tǒng)整體設(shè)計及方案選擇設(shè)計由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。發(fā)射機(jī)通過無線模塊將傳感器收集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)傳輸給接收機(jī)。接收端接收到的數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊上，可根據(jù)設(shè)定的報警值閾值進(jìn)行報警。圖2-1單片機(jī)控制系統(tǒng)整體框圖根據(jù)上述系統(tǒng)整體設(shè)計方案，進(jìn)行如下方案選擇分析。2.1單片機(jī)方案選擇方案一:采用STC89C52單片機(jī)STC89C52是一款低功率、高性能的CMOS8位單片機(jī)，經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核和8k可編程閃存。在單個芯片上，STC89C52具有靈活的8位CPU和可編程閃存。它也適用于傳統(tǒng)的編程器，這也使STC89C52能夠為許多設(shè)計應(yīng)用提供更靈活有效的解決方案。就性能而言，STC89C52具有8K字節(jié)的閃存、256字節(jié)的隨機(jī)存取存儲器、32個輸入/輸出端口、看門狗定時器、4個外部中斷和4KB的EEPROM。工作電壓范圍為3到5V，工作頻率在0到40兆赫茲之間，實際工作頻率高達(dá)48兆赫茲。此外，STC89C52也可以簡化為零赫茲的靜態(tài)邏輯操作，在這種情況下它可以支持兩種節(jié)能模式的選擇。在空閑模式下，只允許隨機(jī)訪問內(nèi)存、計時器/計數(shù)器和串行端口中斷繼續(xù)工作，中央處理器停止工作。在停電保護(hù)模式下，所有工作停止，隨機(jī)訪問內(nèi)存內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，直到下一個中斷或硬件重置后才開始重新工作。STC89C52可以直接使用串口進(jìn)行程序燒錄和下載。方案二：采用MSP430系列單片機(jī)德州儀器開發(fā)生產(chǎn)的msp430系列單片機(jī)是一種16位單片機(jī)。它采用了RISC（精簡型型指令集）結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方法，簡單的核心指令，以及大量的模擬指令。這些都保證了MSP430系列單片機(jī)具有能夠編譯高效源程序的特點。MSP430系列單片機(jī)的工作電壓范圍只有1.8V～3.6V。MSP430系列單片機(jī)的最大亮點是功耗極低，在頻率為1MHz的條件下運行時，單片機(jī)的最低功耗僅為165uA，隨機(jī)存取存儲器保持模式下最低功耗僅為0.1uA。MSP430系列MCU整合了豐富的內(nèi)部資源。例如，WDT（看門狗）、模擬比較器A、計時器_A0、計時器_A1、計時器_B0、通用異步收發(fā)器、串口外部接口，硬件乘數(shù)，輸入和輸出端口，基本定時器，實時時鐘和許多其他周邊模塊。這些部件的設(shè)計為系統(tǒng)和其他設(shè)計提供了豐富而簡單的解決方案。本文設(shè)計的系統(tǒng)只需要兩個無線模塊就可以實現(xiàn)兩個單片機(jī)之間的通信、溫濕度數(shù)據(jù)的收集和傳輸以及溫濕度的顯示。根據(jù)需求來選擇，只需要選擇一般的8位單片機(jī)便可實現(xiàn)，結(jié)合自己在以前的實習(xí)中使用的單片機(jī)，在本文中，選擇可以實現(xiàn)設(shè)計功能、性價比高，對自己來說相對熟悉的STC89C52單片機(jī)。2.2無線模塊方案選擇方案一：使用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸nRF24L01無線模塊是一個無線收發(fā)器芯片，在ISM波段運行。工作頻率為2.4Ghz~2.5Ghz，工作電壓為1.9V~3.6V。傳輸功率有四種選擇：0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm。輸入可承受5V以下的電壓輸入。內(nèi)部包括一個頻率發(fā)生器，一個增強型SchockBurst控制器，一個功率放大器，一個晶體振蕩器和一個調(diào)制解調(diào)器。目前nRF24L01的功耗很低。在0dBm的傳輸模式下，功率的消耗量只有11.3mA，而在接收模式下則只有12.3mA。在待機(jī)和關(guān)機(jī)模式下，它甚至更低。nRF24L01提供三種通訊頻率選項：250Kbps、1Mbps和2Mkbs。nRF24L01可以通過SPI接口與微處理器連接。從而設(shè)置輸出功率頻道和協(xié)議，完成傳輸工作。方案二：利用藍(lán)牙模塊HC-05實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸HC-05藍(lán)牙模塊是一款可用于各種具有藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)等設(shè)備終端的高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊。工作波特率范圍為4800～1382400，TTL電平，兼容3.3V、5V的單片機(jī)。有效傳輸距離理論上為10m，基帶傳輸速率可達(dá)1Mbps，能到支持語音以及較大數(shù)據(jù)的單獨和同時傳輸。通過AT指令集對藍(lán)牙模塊進(jìn)行操作和設(shè)置。通過比較、分析所提出的兩種方案，傳輸數(shù)據(jù)僅為溫濕度，數(shù)據(jù)量較小，基于比較兩者的功能性、便捷性、實用性、推廣性，本文最終選擇方案一。2.3溫濕度采集模塊方案選擇方案一:采用單總線DS18B20溫度傳感器DS18B20主要性能描述：（1）獨特的單線接口方式，DS18B20只需一條線即可與單片機(jī)連接，實現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20的雙向通信；（2）可測量范圍溫度為-55～125攝氏度，但在溫度測量時，測量數(shù)據(jù)會有1攝氏度的固定誤差；（3）使用時不需要外圍組件；（4）電源可由數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0～5.5V；（5）通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式；（6）負(fù)壓特性，當(dāng)電源正負(fù)極性接反時，傳感器不會因發(fā)熱過高而燒毀，但是不能正常工作。方案二:采用具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的DHT11溫濕度傳感器DHT11主要性能描述：（1）相對濕度和溫度測量；（2）全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；（3）卓越的長期穩(wěn)定性；（4）無需額外部件；（5）超長的信號傳輸距離；（6）超低能耗；（7）4引腳安裝；（8）完全互換。通過實際分析，對兩種不同型號的傳感器對比，方案一選用的DS18B20傳感器只能對溫度值進(jìn)行測量，濕度的測量需要另行設(shè)計電路，且有1℃的固有測溫誤差。在第二個方案中選擇的DHT11溫濕度傳感器是一個經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出的復(fù)合溫度和濕度傳感器。采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫度濕度傳感技術(shù)，保證產(chǎn)品具有極高的可靠性和優(yōu)良的長期穩(wěn)定性。該傳感器內(nèi)部由NTC溫度測量元件和電阻式濕度傳感元件構(gòu)成，可直接與單片機(jī)I/O連接。該產(chǎn)品具有性價比高、響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。通過兩種方案的對比，方案二更加合適本系統(tǒng)設(shè)計。2.4顯示電路方案選擇方案一:采用LCD1602液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)LCD1602工業(yè)字符型液晶是一種圖形點陣顯示器，一行可以顯示16個字符，共兩行，能夠同時顯示16×2即32個字符。LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過對電壓的控制從而達(dá)到不同的顯示效果，即可以顯示出字母、數(shù)字、符號等圖形。它由若干個點陣字符位組成，每個單獨的點陣字符位都可以顯示一個字符，字符位與字符位之間都有一定間隔的間距，行與行之間也是如此，這些間距起到字符間距和行間距的作用。LCD1602可編程行高，使用簡單可靠，但是相對數(shù)碼管的成本稍高些。方案二:采用數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)傳統(tǒng)的數(shù)碼管由多個封裝在一起的發(fā)光二極管構(gòu)成，連接引線已在內(nèi)部連接完成，在使用時只需引出它們的“筆劃”和公共電極即可。具有低功耗、耐老化、亮度高、成本低、易于維護(hù)等特點。數(shù)碼管多用于顯示數(shù)字，字母等，顯示內(nèi)容過于單一，不適用顯示復(fù)雜的內(nèi)容。通過對比，數(shù)碼管顯示效果亮度高，壽命長，成本低，可是顯示內(nèi)容有限，對于字符顯示效果遠(yuǎn)不如液晶顯示，使用LCD1602液晶顯示遠(yuǎn)遠(yuǎn)比數(shù)碼管的優(yōu)勢大，而且其顯示效果更好，顯示內(nèi)容更為豐富。因而，本系統(tǒng)設(shè)計選擇的是顯示內(nèi)容豐富，顯示效果較好的LCD1602。2.5設(shè)計方案確定通過以上四個方案的對比選擇，最后，確定了本設(shè)計中主要部件的選擇。本設(shè)計方案為：本設(shè)計以ST89C52單片機(jī)為控制核心，采用nRF24L01無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，溫濕度傳感器DHT11收集溫度和濕度數(shù)據(jù)，LCD1602顯示接收到的數(shù)據(jù)。3系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)上一章節(jié)的方案選擇，本文設(shè)計的整體思路為：使用STC89C52單片機(jī)，LCD1602液晶顯示模塊，nRF24L01無線模塊，溫濕度傳感器DHT11等元件完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集、無線傳輸、數(shù)據(jù)接收與顯示。3.1單片機(jī)硬件電路控制部分的核心是單片機(jī)。STC89C52是STC公司在51系列單片機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)從而生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的8位的微控制器。該芯片具有多鐘功能特性可滿足設(shè)計需求,如:復(fù)位電路，看門狗定時器，32個雙向輸入輸出端口，3個16位的定時器,全雙工串行接口，4個外部中斷，還有8K字節(jié)的Flash可讀程序存儲器,512字節(jié)的可寫程序存儲器,內(nèi)部還設(shè)置了4K的可擦除可讀程序存儲器。3.1.1單片機(jī)引腳介紹 本文只介紹了系統(tǒng)設(shè)計使用到的引腳，引腳功能如下表：表1單片機(jī)引腳功能表引腳編號名稱引腳功能1～8P1.0～1.7P1口是8位準(zhǔn)雙向輸入輸出端口。在EPROM編程和程序驗證時，它輸入低8位地址。P1口能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。在本設(shè)計中，P1口在文中作為輸入端口，P1.7口接溫濕度傳感器，P1.1口、P1.2口、P1.3口、P1.4口、P1.5口連接nRF24L01無線模塊。9RST復(fù)位輸入端，連接按鍵的一端，用來完成單片機(jī)復(fù)位初始化操作，使整個系統(tǒng)重新運行。10～17P3.0～3.7P3口在本文中用到其管腳的特殊功能，在本設(shè)計中，使用到了串行口P3.0、P3.1。18XTAL2在本設(shè)計中，它被用作反向振蕩電路放大器的輸出端，接晶振的另一端。19XTAL1在單片機(jī)內(nèi)部，它作為反相放大器的輸入端，構(gòu)成片內(nèi)振蕩器，接晶振的一端20GND接地端21～28P2.0～P2.7P2口是8位準(zhǔn)雙向輸入輸出端口。P2.6、P2.7、P2.8分別接LCD1602的使能端、讀寫信號線、寄存器選擇端。31EA/VPP是內(nèi)、外可讀存儲器端。如果EA端為高電平，那么在訪問CPU的同時也開始進(jìn)行執(zhí)行內(nèi)部ROM指令操作；但是當(dāng)程序計數(shù)器的值超過4KB時，則中斷內(nèi)部ROM的一些操作，開始對外部ROM的程序的執(zhí)行操作。如果EA端為低電平，則CPU會直接忽略掉內(nèi)部ROM部分操作，只進(jìn)行訪問，但是進(jìn)行對外部程序存儲器指令的操作。32～39P0.0～0.7P0口是一個8位雙向輸入輸出端口。當(dāng)訪問片外存儲器時，它提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。在EPROM編程時，從P0口接收指令字節(jié)；驗證程序時需要外部上拉電阻。在本設(shè)計中，液晶顯示屏LCD1602使用了P0引腳，用于液晶顯示器連接，完成顯示的工作。40VCC電源引腳圖3-2STC89C52引腳結(jié)構(gòu)圖3.1.2最小單片機(jī)系統(tǒng)最小單片機(jī)系統(tǒng)由STC89C52芯片、晶振電路、復(fù)位電路組成。其中晶振電路為系統(tǒng)工作提供所需的振蕩頻率。而復(fù)位電路則是防止單片機(jī)在運行時程序出錯導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，將系統(tǒng)重新開始運行。最小單片機(jī)系統(tǒng)如圖3-3所示圖3-3最小單片機(jī)系統(tǒng)晶體振蕩電路是由:晶振和C2、C3兩個電容、單片機(jī)內(nèi)部的反相放大器組成。Y1端接接反相放大器的輸入、輸出端XATL1、XATL2，構(gòu)成晶體振蕩電路，為系統(tǒng)工作提供所需的時鐘頻率。復(fù)位電路的復(fù)位原理：在單片機(jī)啟動的瞬間，電解電容C1開始速度極快地充電，根據(jù)歐姆定律，此時電阻R2兩端的電壓約為0V，RST正處于低電平，系統(tǒng)運行正常。當(dāng)按下按鍵K2時，此時電解電容C1開始快速放電操作，電阻兩端的電壓開始增大為3.5V，甚至更大，此時RST接收到高電平，單片機(jī)復(fù)位。3.2無線模塊nRF24L013.2.1無線模塊nRF24L01nRF24L01是一款射頻收發(fā)器，工作在ISM頻段，工作頻率范圍為2.4GHz至2.5GHz。內(nèi)部包括頻率合成器，功率放大器，晶體振蕩器，調(diào)制器和其他功能模塊，并采用增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信通道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01具有低功耗。在-6dBm下工作時，電流消耗僅為9mA。接收數(shù)據(jù)時，工作電流僅為12.3mA。各種低功耗工作模式（掉電模式和空閑模式）可實現(xiàn)節(jié)能設(shè)計。使用更加方便簡單。nRF24L01主要特性如下：GFSK調(diào)制；硬件集成OSI鏈路層；具有自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能；片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼；數(shù)據(jù)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系列射頻器件互相匹配的，無干擾現(xiàn)象；QFN20引腳4mm×4mm封裝；供電電壓為1.9V～3.6V。3.2.2引腳功能及描述nRF24L01的封裝及引腳排列如圖3-4所示。各引腳功能如表1所示。圖3-4nRF24L01引腳封裝圖表1引腳功能表引腳名引腳功能CE使能發(fā)射或接收CSN，SCK，MOSI，MISOSPI端口，單片機(jī)可通過這些引腳端口配置nRF24L01IRQ中斷標(biāo)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，輸出電壓為1.8VANT1,ANT2天線接口IREF參考電流輸入3.2.3工作模式通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作狀態(tài)，如表2所示。表2nRF241L01工作模式配置模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在TXFIFO寄存器中發(fā)射模式101→0停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式2101TXFIFO為空待機(jī)模式11-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦?待機(jī)模式1：主要用于降低電流損耗，在該狀態(tài)下晶體振蕩器仍然工作；待機(jī)模式2：在當(dāng)FIFO寄存器為空，且CE=1時進(jìn)入此模式；待機(jī)模式下，所有配置數(shù)據(jù)仍然保留。在掉電模式時電流消耗最小，同時nRF24L01不在工作，但其所有配置寄存器內(nèi)的值仍然保留。3.2.4工作原理在數(shù)據(jù)傳輸中，nRF24L01的運行狀態(tài)首先被配置為傳輸模式，然后接收信號地址和有效數(shù)據(jù)按照發(fā)出的控制信號的時間序列通過SPI端口寫入nRF24L01緩存區(qū)域。必須在CSN低時，TX_PLD連續(xù)地寫。TX_ADDR在發(fā)射時只需寫入一次，然后將CE設(shè)為高并保持至少10μS，然后在延遲130μS后發(fā)送數(shù)據(jù)；如果nRF24L01開啟自動響應(yīng)模式，它會在發(fā)送數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收狀態(tài)并接收響應(yīng)信號。如果收到響應(yīng)，通信成功，TX_DS被置高，TX_PLD從TXFIFO刪除信息；如果沒有收到響應(yīng)信號，在已經(jīng)啟用自動轉(zhuǎn)發(fā)模式的前提下，數(shù)據(jù)將自動轉(zhuǎn)發(fā)。如果重復(fù)次數(shù)達(dá)到上限，MAX_RT設(shè)置高電平，并保留TXFIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行再傳輸；當(dāng)設(shè)置了MAX_RT或TX_DS為高時，IRQ設(shè)置低，中斷被啟動，并通知MUC。最后，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果CE設(shè)置為低位，nRF24L01進(jìn)入空閑模式1狀態(tài)；如果發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高位，則直接進(jìn)入下一個數(shù)據(jù)傳遞；如果發(fā)送棧上沒有數(shù)據(jù)，而CE較高，則進(jìn)入空閑模式2狀態(tài)。接收數(shù)據(jù)時，首先將nRF24L01設(shè)置為接收模式狀態(tài)，延遲130μs后進(jìn)入接收狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)到達(dá)。當(dāng)接收器檢測到有效地址和CRC時，它將數(shù)據(jù)信息存儲在RXFIFO中。同時，中斷標(biāo)志位RX_DR置為高電平，IRQ置為低電平，產(chǎn)生中斷，并通知微控制器獲取數(shù)據(jù)。如果此時自動應(yīng)答被開啟，則接收端同時進(jìn)入發(fā)送工作狀態(tài)并發(fā)送響應(yīng)信號。當(dāng)最后接收成功時，如果CE變?yōu)榈碗娖?，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1狀態(tài)。3.2.5配置寄存器SPI端口為同步串行通信接口，它的最高傳輸速度為10Mb/s，傳輸時先傳送低字節(jié)，再傳送高字節(jié)。但針對單位個數(shù)字節(jié)來說，與前者截然相反，首先要發(fā)送高位再發(fā)送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個，使用時這些控制指令信號由nRF24L01的數(shù)據(jù)輸出線輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從數(shù)據(jù)輸入線輸出給單片機(jī)。nRF24L0l的所有配置都是由配置寄存器進(jìn)行設(shè)置，這些配置寄存器都可以通過SPI口進(jìn)行訪問。nRF24L01共有25個配置寄存器，常用的配置寄存器如表3所示。表3nRF241L01常用的配置寄存器地址（H）寄存器名稱功能00CONFIG設(shè)置24L01工作模式01EN_AA設(shè)置接收通道及自動應(yīng)答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW設(shè)置地址寬度04SETUP_RETR設(shè)置自動重發(fā)數(shù)據(jù)的時間與次數(shù)07STATUS狀態(tài)寄存器，用來判定工作狀態(tài)0A～0FRX_ADDR_P0～P5設(shè)置接收通道地址10TX_ADDR設(shè)置接收接點地址11～16RX_PW_P0～P5設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度3.2.6無線模塊部分電路STC89C52單片機(jī)的I/O口輸出電壓為5V，而nRF24L01的正常工作電源為1.9～3.6V，如果將nRF24L01的VCC直接接入單片機(jī)VCC，可能使nRF24L01無線模塊出現(xiàn)問題，造成損壞，因此要對輸入nRF24L01無線模塊的電壓進(jìn)行降壓處理，這里選用二極管IN4007進(jìn)行壓降，將輸入電壓降到無線模塊工作電壓后就可以將模塊各個引腳接入單片機(jī)的I/O端口。無線模塊部分電路如圖3-5所示：圖3-5無線模塊部分電路3.3溫濕度傳感器DHT113.3.1DHT11引腳介紹電源引腳：DHT11的正常工作電壓范圍為3～5.5V，再將DHT11通電之后，需要等待大約1s的時間，傳感器才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。串行接口：DATA主要是用于溫濕度傳感器DHT11與單片機(jī)之間的通信與同步，它以單線（單線雙向）的方式進(jìn)行信息的傳遞，其數(shù)據(jù)由小數(shù)和整數(shù)兩部分，5個字節(jié)（40位）為一個完整的數(shù)據(jù)傳輸，高位先出，其格式由高到低分別是濕度的1個字節(jié)的整數(shù)數(shù)據(jù)和8位小數(shù)數(shù)據(jù)，溫度的1個字節(jié)的整數(shù)數(shù)據(jù)和8位小數(shù)數(shù)據(jù)、8位校驗和。當(dāng)數(shù)據(jù)正確時，其校驗和數(shù)據(jù)為溫濕度整數(shù)、小數(shù)之和的末8位。3.3.2溫濕度采集電路上述DHT11溫濕度傳感器采用簡化的單總線式，使用時只需一個端口與單片機(jī)的I/O口相連接，就可以完成數(shù)據(jù)的交換、控制。與單片機(jī)連接電路如圖3-6：圖3-6溫濕度采集電路3.4液晶顯示LCD1602在第2章已經(jīng)簡單介紹了LCD1602液晶顯示屏。該模塊內(nèi)部存儲了160個不同的點陣數(shù)字圖案,這些包括了:數(shù)字、字母、常用的字符等,每一個字符都有一個固定的代碼。LCD1602引腳圖如圖3-7、電路圖如圖3-8：圖3-7LCD1602引腳圖圖3-8LCD1602部分電路圖表4引腳功能表引腳符號功能說明1GND接地2VDD接電源（+5V）3V0對比度調(diào)節(jié)在接上電源時對比度最小,接地電源時對比度最高(對比度太高的情況就出現(xiàn)圖形不清楚,導(dǎo)致顯示不清楚)。4RSRS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。5RWRW為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。6EN使能端，下降沿使能。7D0雙向數(shù)據(jù)總線8D1雙向數(shù)據(jù)總線9D2雙向數(shù)據(jù)總線10D3雙向數(shù)據(jù)總線11D4雙向數(shù)據(jù)總線12D5雙向數(shù)據(jù)總線13D6雙向數(shù)據(jù)總線14D7雙向數(shù)據(jù)總線15BLA背光電源正極16BLK背光電源負(fù)極表5寄存器選擇控制表RSR/W操作說明00寫入指令寄存器（清除屏等）01讀忙碌和讀取位址計數(shù)器（D0～D6）值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)3.5蜂鳴器警報電路設(shè)計蜂鳴器的原理是通過電磁線圈的電流使電磁線圈產(chǎn)生磁場，帶動鼓膜的振動產(chǎn)生聲音，因此需要一定的電流來驅(qū)動線圈，產(chǎn)生磁磁場。但由于單片機(jī)I/O口的電流太小，無法滿足電路的驅(qū)動要求。因此，有必要增加一個放大電路。利用三極管連接單片機(jī)的I/O口，對蜂鳴器進(jìn)行放大驅(qū)動。原理圖如圖3-8：圖3-8蜂鳴器警報電路如上所示，將其的“+”極連接到電源，“-”極連接三極管的發(fā)射極，其基極通過R9后由單片機(jī)的P3.6控制。當(dāng)P3.6輸出高電平時，三極管關(guān)閉，此時沒有電流流過線圈，報警電路不響。當(dāng)P3.6發(fā)送出的電平為低時，處于通路狀態(tài),流過蜂鳴器的電流成回路，電磁線圈產(chǎn)生磁效應(yīng),蜂鳴器發(fā)出聲音。4系統(tǒng)程序設(shè)計4.1發(fā)送部分設(shè)計發(fā)送部分主要由STC89C52單片機(jī)、nRF24L01無線模塊，DHT11溫濕度傳感器和外部電路組成。發(fā)送機(jī)將DHT11采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過nRF24L01發(fā)送到接受機(jī)。4.1.2nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)初始化nRF24L01無線模塊和溫濕度傳感器DHT11后，單片機(jī)讀取從DHT11收集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并通過調(diào)用nRF24L01無線模塊將溫度和濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。發(fā)送部分流程圖如圖4-1：開始開始初始化nRF24L01循環(huán)采集溫濕度數(shù)據(jù)是數(shù)值轉(zhuǎn)換通過無線傳輸數(shù)據(jù)否圖4-1發(fā)送部分流程圖4.1.2DHT11溫濕度采集設(shè)計將溫濕度傳感器采集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)。首先，DHT11通過發(fā)送啟動信號和采集數(shù)據(jù)來判斷DHT11是否正常工作。如果DHT11工作正常，將檢查收集的數(shù)據(jù)。如果檢查結(jié)果正確，所采集的溫濕度數(shù)據(jù)將由單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行處理，然后送到LCD1602顯示。DHT11溫濕度采集流程圖如下：開始開始給DHT11上電延時保持高電平檢測記錄信號輸出低電平延時輸出低電平數(shù)據(jù)輸出圖4-2DHT11溫濕度采集流程圖4.2接收部分程序設(shè)計接收部分主要由STC89C52單片機(jī)、nRF24L01無線模塊、LCD1602液晶顯示器、蜂鳴器報警和外部電路組成。接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)通過nRF24L01無線模塊發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)，然后由LCD1602顯示接收到的數(shù)據(jù)，并可以設(shè)置溫濕度閾值，當(dāng)超過設(shè)定值時，蜂鳴器警報。4.1.2nRF24L01接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)時，nrf24l01無線模塊在初始化后配置為接收模式。延遲之后，變?yōu)榻邮諣顟B(tài)并等待數(shù)據(jù)的到來。延遲開始初始化nRF24L01延遲開始初始化nRF24L01配置為接收模式是否中斷接收數(shù)據(jù)是否圖4-3nRF24L01接收數(shù)據(jù)流程圖4.1.2LCD1602顯示數(shù)據(jù)LCD1602液晶顯示模塊在處理指令的過程相對于單片機(jī)的處理速度慢很多。因此當(dāng)LCD1602正在處理單片機(jī)向其發(fā)送的指令時，如果MCU立即發(fā)送下一個新的指令，但是因為LCD1602沒有完成之前的指令，它無法接收來自單片機(jī)的新指令，導(dǎo)致新指令丟失。因此，有必要確定LCD1602是否繁忙，以及它是否能夠接收到單片機(jī)的新指令。LCD1602數(shù)據(jù)處理流程如圖4-4、圖4-5所示。否開始否開始LCD是否忙碌RS=1，RW=0EN=0，P0=cmd延時EN=1延時EN=0結(jié)束是圖4-4寫數(shù)據(jù)流程否開始否開始LCD是否忙碌RS=0，RW=0EN=0，P0=cmd延時EN=1延時EN=0結(jié)束是圖4-5寫指令流程在本設(shè)計接收機(jī)中，顯示流程圖如下圖4-6：開始開始初始化LCD1602LCD是否忙碌否是否接收到數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)顯示返回是等待重新接收否是圖4-6LCD1602顯示數(shù)據(jù)流程圖