无线环境监测模拟装置的设计.docx

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无线环境监测模拟装置的设计

广西科技大学

毕业设计说明书

课题名称无线环境监测模拟装置的设计

系别

专业电子信息科学与技术

班级

学号

姓名

指导教师

2013年5月20日

摘要

近几年，随着科学技术的快速发展，单片机的普及和应用正在得到不断推广和深入，于此同时带动了传统的控制检测技术也得到了日益的更新。

在实时环境检测和自动化控制的单片机应用系统的领域中，单片机在系统中常常以核心部件出现，单方面掌握单片机方面知识是远远不能满足开发需求的，必须要按照具体要求硬件结构软硬件有机结合，加以完善。

无线环境监测模拟装置的系统，无线环境监测模拟装置具有对温度和光亮的检测功能，并且可以通过无线网络传输数据。

不仅能很好的检测环境变化，而且无线传输方便实用。

本设计采用STC12C5A单片机来实现无线环境监测功能的控制，同时采用LCD1602、DS18B20，NRF24L01、光敏电阻以及其它芯片来铺助，从而达到智能控制的功能。

通过STC12C5A芯片的各个端口来控制各个模块的正常工作。

本设计有接受和发送两个模块，各模块都能独立工作，通过无线通信技术进行数据传输。

可实现对发送模块地区的温度与光亮检测，并可在接收模块显示出来。

本系统实用性强、操作简单、扩展性好。

关键词：

单片机；温度；环境；无线；光亮

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,popularizationandapplicationofmicrocontrollerbeingconstantpromotionandin-depth,inwhichthetraditionalcontrolwhiledrivingdetectiontechnologyhasbeenincreasinglyupdates.Inreal-timeenvironmentalmonitoringandautomatedcontrolsystemsinthefieldofmicrocontrollerapplications,themicrocontrollerinthesystemcorecomponentsoftenoccurunilaterallymastermicrocontrollerknowledgeisfarfrombeingabletomeetdevelopmentneeds,mustbeinaccordancewiththespecificrequirementsofthehardwarestructureofhardwareandsoftwareorganiccombinedtobeimproved.

AnalogDeviceswirelessenvironmentalmonitoringsystems,wirelessenvironmentalmonitoringanalogdevicehasatemperatureandlightdetectionfunction,andcantransmitdataoverthewirelessnetwork.Notonlycanwelldetectenvironmentalchanges,andwirelesstransmissionconvenientandpractical.ThedesignusesasinglechiptoachieveSTC12C5Awirelessenvironmentalmonitoringfunctioncontrol,whileusingLCD1602,DS18B20,NRF24L01,photoresistor,andotherchipshophelptoachieveintelligentcontrolfunctions.STC12C5Achipthroughtheportstocontrolthenormaloperationofeachmodule.Designedtoreceiveandsendthetwomodules,eachmodulecanworkindependently,viawirelesscommunicationtechnologyfordatatransfer.Thetransmissionmodulecanrealizethetemperatureandlightdetectingregion,andisdisplayedinthereceivingmodule.

Thesystemispractical,simple,andgoodscalability.

Keywords:

microcontroller;temperature;environment;wireless;bright

目录

1绪论-1-

2课题的设计要求和设计方案-2-

2.1设计要求-2-

2.1.1题目概述-2-

2.1.2设计任务-2-

2.1.3设计要求-2-

2.2设计方案-2-

2.2.1供电方案-2-

2.2.2无线通信方案-3-

2.2.3显示方案-4-

2.2.4温度检测方案-4-

2.2.5光线检测方案-5-

3芯片的介绍及应用-6-

3.1STC12C5A60S2系列单片机简介-6-

3.1.1STC12C5A60S2系列单片机的引脚及功能-6-

3.1.2单片机最小系统的设置-10-

3.2LCD1602芯片介绍及应用-10-

3.2.1液晶显示器的介绍-10-

3.2.2LCD1602的显示原理-10-

3.2.3LCD1602的基本参数及引脚功能-11-

3.2.4LCD1602的特性-11-

3.2.5LCD1602的使用方法-12-

3.2.5LCD1602的控制指令-13-

3.3DS18B20芯片介绍及应用-13-

3.3.1DS18B20引脚功能-13-

3.3.2DS18B20读写说明-14-

3.4NRF24L01芯片介绍及应用-15-

3.4.1NRF24L01芯片的介绍-15-

3.4.2NRF24L01芯片的引脚功能-15-

3.4.3NRF24L01的固件编程的基本思路-15-

4程序的设计流程-17-

4.1DS18B20模块流程图-17-

4.2无线通讯接收模块流程图-17-

4.3无线通讯发送模块流程图-18-

4.4LCD1602模块流程图-19-

5软硬件的调试-20-

5.1硬件原理图-20-

5.2硬件实物图-21-

结论-22-

致谢-23-

参考文献-24-

附录-25-

1绪论

由于人们生活环境的不断恶化，人们对环境问题的认识伴随着人类社会的发展进程也在不断地加深。

环境保护正日益被重视起来，随之环境监测市场也不断扩大。

然而现阶段的环境监测站却不能满足社会的环境监测需求的增长，随着国家政策对环境监测领域的支持，环境监测基础建设得到了快速的发展。

环境监测的前景不可忽视。

环境问题以是当今国际社会的普遍问题，环境污染这一问题在我国尤为突出，因此环境监测逐渐被人所重视。

环境检测，是一项技术性很强的新兴行业。

环境检测的介质对象大致可分为水质检测、空气检测、土壤检测、固体废物检测、生物检测、噪声和振动检测、电磁辐射检测、放射性检测、热检测、光检测、卫生（病原体、病毒、寄生虫等）检测等。

环境检测的对象以及环境复杂多变，因此尤为需要不同的环境监测设备以代替人为的去对环境的检测。

环境监测技术是环境污染控制的眼睛，是研究环境质量变化趋势的重要手段，是环境保护的基础。

随着社会经济的发展，各个国家对环境保护的意识都在加强。

对于一些比较恶劣的环境，很难人工进行检测，因此，检测环境的仪器就显得更为重要的了。

随着现代工业化的不断发展，人们对工厂的工作环境要求不断提高，尤其是现代工业对环境温度、光照的控制要求越来越高,许多车间在生产特定产品时都需要对车间温度、光照进行监控。

而无线环境检测装置的便捷性使它更受市场的欢迎，无线环境检测装置的商业价值潜力巨大。

无线环境监测模拟装置具有对温度和光亮的检测功能，并且可以通过无线网络传输数据。

不仅能很好的检测环境变化，而且无线传输方便实用。

2课题的设计要求和设计方案

2.1设计要求

2.1.1题目概述

无线环境监测模拟装置是可以检测环境相关指标，并能通过无线传输相应信息的设备，它可以加强环境的检测，节约人力资源，提高环境检测的效率。

它适用于各种环境，各种地势等不同情况下对环境检测的需求，能在人类难以或无法到达的区域进行环境的检测。

2.1.2设计任务

设计并制作一个环境监测，实现对周边温度和光照信息的探测。

该装置由1个监测终端和1个探测节点组成。

监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据的功能。

2.1.3设计要求

1.实现对探测节点周边温度和光照信息的探测。

2．该装置由1个监测终端和1个探测节点组成。

3．监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能。

4．监测终端有显示设备可以显示相关信息。

2.2设计方案

2.2.1供电方案

如果要使本次无线环境监测模拟装置能正常而稳定的工作，就必须要有稳定可靠的电源。

而本次设计涉及到的模块比较多，电源供求量比较大，而且NRF24L01无线模块需要使用3.3V的电源供电，所以本次设计了以下方案：

采用USB转接口5V电压供电，在使用LM1117芯片将5V的电压转换为3.3V的电压。

这样即简单而又可提供稳定的电源。

5V转3.3V供电电路如图2.1：

图2.15V转3.3V电路图

USB-5V供电接口电路如图2.2：

图2.2USB-5V供电接口电路

2.2.2无线通信方案

本无线环境监测模拟装置的设计的无线通信模块采用的是NORDIC公司生产的一款NRF24L01无线通信芯片，其采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst协议。

可以实现点对点或是1对6的无线通信。

无线通信速度可以达到2M（bps）。

电路如图2.3。

图2.3无线通信模块电路

2.2.3显示方案

本无线环境监测模拟装置的设计涉及温度，光亮等显示功能。

基于功能需求，设计考以下方案：

基于LCD1602液晶显示器使用方便且价格便宜，又能很好的符合本次设计的要求，故采用LCD1602液晶显示器来显示，其电路如图2.4所示。

图2.4LCD1602液晶显示器电路

2.2.4温度检测方案

DS18B20温度传感器具有体积小，硬件开消低，具有超强的抗干扰能力，检测精度高，附加功能强，使用简单的优点。

符合本次无线环境监测模拟装置的设计的要求，且经济实用，故使用DS18B20温度传感器作为本次无线环境监测模拟装置的设计的温度检测器件，DS18B20温度传感器电路如图2.5所示。

图2.5DS18B20温度传感器电路

2.2.5光线检测方案

本次无线环境监测模拟装置的设计只对光线的有无做监测，电路相对简单，故采用光敏电阻和可变电阻作为光线检测及其灵敏度的的调节部件。

光检测模块只输出高电平或低电平。

光线检测电路如图2.6所示。

图2.6光线检测电路

3芯片的介绍及应用

3.1STC12C5A60S2系列单片机简介

单片机是简称单片微型计算机，同时又称为微控制器、嵌入式微控制器等，它属于第四代电子计算机。

STC2C5A60S2系列单片机是STC公司生产的低功耗/高速/超强抗干扰的单时钟/机器周期（1T）的新一代8051单片机，兼容传统8051的指令代码,其速度是传统8051的速度快8-12倍。

STC2C5A60S2系列单片机内部集成了2路PWM，MAX80专用复位电路,8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒）。

[9]

STC2C5A60S2系列单片机是增�型的8051CPU，具有单时钟/机器周期的特点其工作温度范围：

-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级），工作电压在5.5V-3.5V范围内，工作频率范围：

0～35MHz，相当于传统8051单片机的0～420MHz。

STC2C5A60S2系列的单片机片上集成1280字节RAM，用户应用程序空间有8K/6K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等多种类型，方便用户选择。

并且具有EEPROM功能。

其内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地），其内部共有4个16位的定时器：

两个16位定时器/计数器T0和T1，加上2个独立波特率发生器可实现2个16位定时器。

具有3个时钟输出端口：

P3.4/T0、P3.5/T1、P1.0。

单片机里有10位精度ADC，共8路，A/D转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）[8]。

3.1.1STC12C5A60S2系列单片机的引脚及功能

STC12C5A60S2系列单片机的引脚图如图3.1所示，引脚及功能如表3.1、表3.2、表3.3所示。

图3.1STC12C5A60S2系列单片机引脚图

表3.1单片机的引脚说明1[8]

管脚

管脚编号

说明

LQFP44

LQFP48

PDIP40

PLCC44

QFN40

P0.0~P0.7

37-30

40~33

39-32

43~36

34~27

P0:

P0口既可作为输入/输出口，也可作为地

址/数据复用总线使用。

当P0口作为输入/输出

口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电

阻，无需外接上拉电阻。

当P0作为地址/数据复

用总线使用时，是低8位地址线[A0~A7]，数据线

的[D0~D7]。

P1.0/ADC0/CLKOUT2

40

43

1

2

36

P1.0

标准I/O口PORT[0]

ADC0

ADC输入通道-0

CLKOUT2

独立波特率发生器的时钟输出

可通过设置WAKE_CLKO[2]位/BRT-

CLKO将该管脚配置为CLKOUT2

P1.1/ADC

4

44

2

3

37

P1.1

标准I/O口PORT[]

ADC

ADC输入通道-1

P1.2/ADC2/ECI/RxD2

42

45

3

4

38

P1.2

标准I/O口PORT[2]

ADC2

ADC输入通道-2

ECI

PCA计数器的外部脉冲输入脚

RxD2

第二串口数据接收端

P1.3/ADC3/CCP0/TxD2

43

46

4

5

39

P1.3

标准I/O口PORT[3]

ADC3

ADC输入通道-3

CCP0

外部信号捕获（频率测�或当外部中

断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制

输出

TxD2

第二串口数据发送端

P1.4/ADC4/CCP/SS

44

47

5

6

40

P1.4

标准I/O口PORT[4]

ADC4

ADC输入通道-4

CCP

外部信号捕获（频率测�或当外部中

断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制

输出

SS

SPI同步串行接口的从机选择信号

P1.5/ADC5/MOSI

1

2

6

7

1

P1.5

标准I/O口PORT[5]

ADC5

ADC输入通道-5

MOSI

SPI同步串行接口的主出从入（主器件

的输出和从器件的输入）

P1.6/ADC6/MISO

2

3

7

8

2

P1.6

标准I/O口PORT[6]

ADC5

ADC输入通道-6

MISO

SPI同步串行接口的主入从出（主器件

的输入和从器件的输出）

P1.7/ADC7/SCLK

3

4

8

9

3

P1.7

标准I/O口PORT[7]

ADC7

ADC输入通道-7

SCLK

SPI同步串行接口的时钟信号

表3.2单片机的引脚说明2[8]

管脚

管脚编号

说明

LQFP44

LQFP48

PDIP40

PLCC44

QFN40

P2.0~P2.7

8-25

9-23

2-28

24~3

6~23

Port2:

P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出

26-28

P3.0/RxD

5

6

10

11

5

P3.0

标准I/O口PORT3[0]

RxD

串口1数据接收端

P3.1/TxD

7

8

11

3

6

P3.1

标准I/O口PORT3[]

TxD

串口1数据发送端

P3.2/INT0

8

9

12

4

7

P3.2

标准I/O口PORT3[2]

INT0

外部中断0,下降沿中断或低电平中断

P3.3/INT

9

10

13

5

8

P3.3

标准I/O口PORT3[3]

INT

外部中断1,下降沿中断或低电平中断

P3.4/T0/INT/CLKOUT0

10

11

14

16

9

P3.4

标准I/O口PORT3[4]

T0

定时器/计数器0的外部输入

INT

定时器0下降沿中断

CLKOUT0

定时器/计数器0的时钟输出

可通过设置WAKE_CLKO[0]位

/T0CLKO将该管脚配置为CLKOUT0

P3.5/T/INT/CLKOUT

11

12

15

17

10

P3.5

标准I/O口PORT3[5]

T

定时器/计数器1的外部输入

INT

定时器1下降沿中断

CLKOUT

定时器/计数器1的时钟输出

可通过设置WAKE_CLKO[]位

/TCLKO将该管脚配置为CLKOUT

P3.6/WR

12

13

16

18

11

P3.6

标准I/O口PORT3[6]

WR

外部数据存储器写脉冲

P3.7/RD

13

14

17

19

12

P3.7

标准I/O口PORT3[7]

RD

外部数据存储器读脉冲

P4.0/SS

17

18

23

P4.0

标准I/O口PORT4[0]

SS

SPI同步串行接口的从机选择信号

P4.1/ECI/MOSI

28

3

34

P4.1

标准I/O口PORT4[]

ECI

PCA计数器的外部脉冲输入脚

MOSI

SPI同步串行接口的主出从入（主器件

的输出和从器件的输入）

P4.2/CCP0/MISO

39

42

1

P4.2

标准I/O口PORT4[2]

CCP0

外部信号捕获（频率测�或当外部中断

使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出

MISO

SPI同步串行接口的主入从出（主器件

的输入和从器件的输出）

表3.3单片机的引脚说明3[8]

管脚

管脚编号

说明

LQFP44

LQFP48

PDIP40

PLCC44

QFN40

P4.3/CCP/SCLK

6

7

12

P4.3

标准I/O口PORT4[3]

CCP

外部信号捕获（频率测�或当外部中

断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制

输出

SCLK

SPI同步串行接口的时钟信号

P4.4/NA

26

29

29

32

24

标准I/O口PORT4[4]

P4.5/ALE

27

30

30

33

25

P4.5

标准I/O口PORT4[5]

ALE

地址锁存允许

P4.6/EX_LVD/RST2

29

32

31

35

26

P4.6

标准I/O口PORT4[6]

EX_LVD

外部低压检测中断/比较器

RST2

第二复位功能脚

P4.7/RST

4

5

9

10

4

P4.7

标准I/O口PORT4[7]

RST

复位脚

P5.0

24

标准I/O口PORT5[0]

P5.1

25

标准I/O口PORT5[1]

P5.2

48

标准I/O口PORT5[2]

P5.3

1

标准I/O口PORT5[3]

XTAL

15

16

19

21

14

内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的

一个引脚。

当直接使用外部时钟源时，此引脚是

外部时钟源的输入端。

XTAL2

14

15

18

20

13

内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振

的另一端。

当直接使用外部时钟源时，此引脚可

浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟�行输

出。

VCC

38

41

40

44

35

电源正极

Gnd

16

17

20

22

15

电源负极，接地

3.1.2单片机最小系统的设置

本次无线环境监测模拟装置系统的设计的单片机最小系统设置的如图3.2所示，其包括：

晶振电路，复位电路和单片机。

图3.2STC12C5A60S2系列单片机最小系统图

3.2LCD1602芯片介绍及应用

3.2.1液晶显示器的介绍

液晶显示器也称为LCD（LiquidCrystalDisplay）。

液晶是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物。

把液晶加热后，其会呈现出透明状的液体状态，而把液晶冷却后则会出现出结晶颗粒状的混浊固体状态，具有液体和晶体的固有特性，所以称为“液晶”。

液晶显示的原理，是使液晶将置于两个电极之间通电，在电极通电的液晶分子的排列顺序发生改变，从而使透射光的光路改变，这样便可以控制影像。

通过对影像的控制，便可以组成各种各样的图形。

这样，我们就可以使用液晶显示器观看到美丽的画面了[9]。

其特点有：

机身薄，节省空间；省电，不产生高温；低辐射，益健康。

3.2.2LCD1602的显示原理

LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

每个液晶模块由5X7个显示单元组成，也就是说每个显示出来的字符或数字是由5X7个点阵明暗分布显示出来的。

向LCD1602内置的DDRAM的不同地址写入不同的字符或数据的代码，即可显示出相应的字符或数字[9]。

3.2.3LCD1602的基本参数及引脚功能

LCD1602分为带