基于nRF2401的多点温湿度采集系统的设计本科毕业设计.docx

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基于nRF2401的多点温湿度采集系统的设计本科毕业设计

长江大学工程技术学院毕业设计（论文）任书

系信息系专业测控技术与仪器班级60901班

学生姓名xxx指导教师/职称xxx/讲师

1.毕业设计题目：

《基于nRF2401的多点温湿度采集系统的设计》

2.毕业设计起止时间：

2012年9月15日～　2013年6月8日

3.毕业设计所需资料及原始数据（指导教师选定部分）

[1]谭浩强《MCS-51单片机应用教程》清华大学出版社2004年

[2]张振荣《MCS-51单片机及实用教程》人民邮电出版社2000年

[3]康华光《电子技术基础》高等教育出版社2000年

[4]谭维瑜编《电机与电气控制》机械工业出版社2007年

[5]吴新杰《AVR单片机项目教程：

基于C语言》北京航天航空大学出版社2011年

[6]王环张亚宁《单片机程序设计实例》清华大学出版社2003年

[7]张先庭《单片机原理、接口与C51应用程序设计》人民邮电出版社2011年

[8]李学海《PIC单片机实用教程：

基础篇》人民邮电出版社2007年

[9]徐爱钧《单片机原理与应用：

基于Proteus虚拟仿真技术》机械工业出版社2010年

[10]邸敏艳《电机与控制》电子工业出版社2003年

4.毕业设计应完成的主要内容

（1）方案的选用与设计

（2）硬件电路设计

（3）掌握在keil下如何对程序进行编译和执行。

（4）掌握nRF2401传输的原理和过程

（5）实现对温湿度采集。

（6）能将采集到的数据在液晶显示器上实时显示出来。

（7）能够通过nRF2401实现多点温湿度采集

5．任务书下达日期2012年9月15日指导教师（签字）

基于nRF2401的多点温湿度采集系统设计

学生：

许倩

指导教师：

xxx

一、题目来源

题目来源于生产/社会实际

二、研究目的和意义

本文综合应用现代传感器、电路与系统、智能控制及数据传输技术等相关知识，完成了系统前端的空气温度、空气湿度等参数数据采集单元的研制，利用单片机实现对所采集的数据进行当地数据处理，存储和显示。

传感器无疑是测量与控制系统中重要的组成部分，但是伴随着传感器而来的是布局布线的复杂和不便，大量的数据线缆还存在着短路、断线隐患，成本高、易老化等问题，给系统的调试和维护增加了难度。

传统的温湿度传感器系统不仅要设计信号调理电路，还要经过复杂的校准和标定工程，其测量精度难以得到保证。

在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制而不便架设线路的情况下，给温湿度的数据采集带来了很大的麻烦。

要想监测到实时的温湿度数据，就必须采用无线传输的方式对数据进行采集、发送、接收，并监测设备的运行情况，减少不必要的线路设备开支。

无线数据通信技术以其组网简单、使用方便、扩展性强的优点在实际应用中被广泛采用。

为此，设计了一种以内嵌增强型51单片机的无线收发芯片nRF2401为核心的多点无线温湿度测量系统。

该系统实现了多点温湿度的检测和采集并实现了无线通信，满足了实时监测的要求，提高了对环境温湿度数据采集的自动性和高效性，具有很好的现实意义及应用前景。

三、阅读的主要参考文献及资料名称

[1]谭浩强.MCS-51单片机应用教程.清华大学出版社,2004年

[2]张振荣.MCS-51单片机及实用教程.人民邮电出版社,2000年

[3]康华光.电子技术基础.高等教育出版社,2000年

[4]谭维瑜.电机与电气控制.机械工业出版社,2007年

[5]吴新杰.AVR单片机项目教程：

基于C语言.北京航天航空大学出版社,2011年

[6]王环,张亚宁.单片机程序设计实例.清华大学出版社,2003年

[7]张先庭.单片机原理、接口与C51应用程序设计.人民邮电出版社,2011年

[8]李学海.PIC单片机实用教程：

基础篇（第2版）.人民邮电出版社,2007年

[9]徐爱钧,单片机原理与应用：

基于Proteus虚拟仿真技术.机械工业出版社,2010年

[10]邸敏艳.电机与控制.电子工业出版社,2003年

四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

随着科学技术的发展，数字化、智能化、无线化传感器得到有效的发展，在当今的工农业生产中，需要进行温湿度采集的场合越来越多，准确方便地测量温湿度变得至关重要。

在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制而不便架设线路的情况下，给温湿度的数据采集带来了很大的麻烦。

要想监测到实时的温湿度数据，就必须采用无线传输的方式对数据进行采集、发送、接收并对无线采集来的数据通过上位机进行处理，以控制并监测设备的运行情况，减少不必要的线路设备开支。

同时本系统也在相关的不同的领域得到广泛的应用（如工农业生产、气象、环保、医疗等领域）。

基于nRF2401来设计无线温湿度采集控制系统。

该系统采用低功耗、高性能单片机STC12C5A08S2和温湿度传感器DHT11来构成多点、实时温湿度监测系统，最后在PC机上完成配置、显示和报警等功能。

该系统使用方便，扩展十分容易。

五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

5.1主要研究内容：

1、掌握在keil下如何对程序进行编译和执行。

2、掌握nRF2401传输的原理和过程。

3、实现对温湿度采集。

4、能将采集到的数据在液晶显示器上实时显示出来。

5.2需重点研究的关键问题：

1．nRF2401传输的原理和过程。

2．DHT11温湿度采集。

3．将采集到的数据在液晶显示器上实时显示。

4．对温湿度的实时监控。

5.3解决思路：

1、温顾所学的51单片机知识，查找最小系统。

2、查找有关nRF2401的有关资料，了解其传输原理及过程。

3、熟悉字符型LCD液晶显示接口技术,LED数码管接口技术，键盘接口技术。

4、实现对温湿度的采集并传输显示。

六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法

6.1所必须具备的工作条件：

51单片机书籍：

《手把手教你学51单片机》、《单片机C语言应用100例》、《数字电子技术》、《模拟电子技术》。

实验设备：

一台PC机器、稳压直流电源、三块51单片机实验开发板、程序下载线、3个nRF2401模块、电机模块、LCD1602一块、4*4键盘、L297若干、L298若干、万用表一台、示波器一台、电阻、电容、导线、红外线接收解码一体化芯片HS0038、红外发射管、共阳极7段数码管、发光二极管。

编程及仿真软件：

《KeilCuVision3》、《Proteus7.4》、《程序在线下载软件》

6.2解决的办法

在校图书馆借阅相关图书资料，向学校实验室借用实验设备。

七、工作的主要阶段、进度与时间安排

主要分为以下几个阶段：

2012年9月15日～2012年12月25日：

查阅资料、完成开题报告；

2012年12月25日～2013年1月25日：

查看相关资料及进行方案论证，做好计划；

2013年1月26日～2013年2月25日：

研究51单片机的硬件结构和编程方法及最小系统；字符型LCD液晶显示接口技术；LED数码管接口技术；键盘接口技术；nRF2401的传输原理及过程；实现对温湿度的采集；实现对温湿度的控制；器件的选型；

2013年2月26日～2013年3月25日：

完成外文翻译

2013年3月26日～2013年4月30日：

编程、仿真、搭建硬件电路、进行软件硬件调试与系统调试；

2013年5月1日～2013年5月20日：

完成毕业论文初稿；

2013年5月21日~2013年6月5日：

毕业论文及相关文档定稿、审查、评阅；

2013年6月6日~2013年6月8日：

毕业设计答辩。

八、指导教师审查意见

基于nRF2401多点温湿度采集系统的设计

学生：

许倩，信息系

指导教师：

xxx，长江大学工程技术学院

[摘要]温湿度是一个非常重要的参数。

在工业、医疗、军事和生活等许多地方，都需要用到测温装置来检测温度。

传统直接布线测量不满足要求，特别是在某些环境恶劣的工业环境和户外环境，通过直接布线测量不现实，因此采用无线传输温湿度检测尤为必要。

该系统主要由两个温湿度检测终端和一个温湿度主控终端两大部分组成。

温湿度检测终端主要由单片机最小系统、nRF2401无线数传模块、LCD显示模块、DHT11温湿度模块和报警模块五个部分组成。

温湿度检测终端主要完成以下几项工作：

1、采集现场的温湿度数据，经过单片机最小系统处理后，实时显示在LCD模块上；2、能将采集到的温湿度信息通过nRF2401无线数传模块发送到温湿度控制终端；3、如果采集到的温湿度信息超过系统设定的上限值或者低于系统设定的下限值，则启动报警模块；4、温湿度检测终端接收来自温湿度主控终端发送过来的指令信息，并按指令信息进行相应的处理。

温度度主控终端主要由单片机最小系统、nRF2401无线数传模块、LCD显示模块和DHT11温湿度模块四个部分组成。

温湿度主控终端主要完成以下几项工作：

1、接收来自温湿度检测终端发送过来的信息，并进行相应的判断，如果确实是温湿度检测终端发来的温湿度信息，则显示在LCD显示模块，否则就不显示；2、能够发送相应的指令信息到温湿度检测终端，实现对温湿度检测终端的控制。

[关键词]单片机；AT89C51；DHT11；无线传输；nRF2401；

ThedesignofmultipointtemperatureandhumidityacquisitionsystembasedonnRF2401

Student:

XuQian,DepartmentofInformation

Tutor:

ZhuRongTao,Engineering&TechnologyCollegeofYangtzeUniversity

[Abstract]Temperatureandhumidityisanimportantparameter.Intheindustrial,medical,militaryandlifeandmanyotherplaces,weneedtousetemperaturemeasuringdevicetodetecttemperature.Directmeasurementofconventionalwiringdoesnotmeetrequirements,particularlyinsomeharshindustrialenvironmentsandoutdoorenvironments,measuredbydirectwiringunrealistic,sotheuseofwirelesstransmissiontemperatureandhumiditytestingisparticularlynecessary.

Thesystemconsistsoftwotemperatureandhumidityandatemperatureandhumiditydetectionterminalmasterterminaltwomajorcomponents.

Mainlybytemperatureandhumiditydetectionterminalsmallestsingle-chipsystem,nRF2401wirelessmodule,LCDdisplaymodule,DHT11temperatureandhumidityandalarmmodulesoffiveparts.Temperatureandhumiditydetectionterminalwascompletedthefollowingtasks:

1,temperatureandhumiditydatacollectedon-site,throughthesmallestsingle-chipsystemprocessing,real-timedisplayontheLCDmodule;2,temperatureandhumiditycancollectinformationthroughthewirelessmodulenRF2401sendtotemperatureandhumiditycontrolterminal;3,ifthetemperatureandhumidityinformationcollectedexceedstheupperlimitsetbythesystemorbelowthelowerlimitsetbythesystem,thenstartthealarmmodule;4,temperatureandhumiditydetectionterminalreceivesfromthetemperatureandhumiditycommandssentfromthemasterterminalinformation,pressthecommandinformationfortheappropriatetreatment.

Temperaturedegreesmaster,nRF2401wirelessdatatransmissionterminalismainlycomposedofsinglechipmicrocomputerminimumsystemmodule,LCDdisplaymoduleandDHT11temperatureandhumiditymodulefourparts.Temperatureandhumiditycontrolterminalismainlycompleted,thefollowingwork:

1,receivemessagesfromthetemperatureandhumiditydetectionterminalsenttocomeover,andmakecorresponding

judgement,ifitwasfrominformationoftemperatureandhumidity,temperatureandhumiditydetectionterminalisdisplayedontheLCDdisplaymodule,otherwiseitdoesnotdisplay;2,cansendcommandinformationcorrespondingtothetemperatureandhumiditydetectionterminaltorealizethecontroloftemperatureandhumiditydetectionterminal.

[Keyword]MCU;AT89C51;DHT11;wirelesstransmission;nRF2401;

前言

随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。

图1短距离无线通信的应用

在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。

由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。

而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。

在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。

而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。

当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。

在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。

如今很

多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。

以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种无线温度、湿度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度、湿度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。

凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。

为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。

本系统的设计采用了Nordic公司新推出的工作于2.4GHz频段nRF2401射频芯片，由AT89C51单片机控制实现短距离无线数据通信。

该接口设计具有成本低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。

整个系统有发送和接收二部分，通过nRF2401无线数据通信收发模块来实现无线数据传输。

发送部分以单片机AT89C51为核心，使用温湿度转换芯片DHT11实时采集温湿度并通过nRF2401将采集的温度无线传送给接收部分，然后在LCD1602上显示，通过蜂鸣器实现对温湿度过高或过低进行报警。

基于nRF2401多点温湿度采集系统的设计

1绪论

1.1题目来源

题目来源于生产/社会实际。

1.2研究目的和意义

本文综合应用传感器、电路与系统、智能控制及数据传输技术等相关知识，完成了温度和湿度数据的采集，利用单片机实现对所采集的数据进行当地数据处理，存储和显示。

传感器无疑是测量与控制系统中重要的组成部分，但是伴随着传感器而来的是布局布线的复杂和不便，大量的数据线缆还存在着短路、断线隐患，成本高、易老化等问题，给系统的调试和维护增加了难度。

传统的温湿度传感器系统不仅要设计信号调理电路，还要经过复杂的校准和标定工程，其测量精度难以得到保证。

在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制而不便架设线路的情况下，给温湿度的数据采集带来了很大的麻烦。

要想监测到实时的温湿度数据，就必须采用无线传输的方式对数据进行采集、发送、接收，并监测设备的运行情况，减少不必要的线路设备开支。

无线数据通信技术以其组网简单、使用方便、扩展性强的优点在实际应用中被广泛采用。

为此，设计了一种以内嵌增强型51单片机的无线收发芯片nRF2401为核心的多点无线温湿度测量系统。

该系统实现了多点温湿度的检测和采集并实现了无线通信，满足了实时监测的要求，提高了对环境温湿度数据采集的自动性和高效性，具有很好的现实意义及应用前景。

1.3国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

进入21世纪后，智能温湿度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温湿度控制器和网络温湿度控制器、研制单片温湿度采集控制系统等高科技的方向迅速发展。

1．提高温度控制器的精度和分辨力

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度控制器，采用的是8位A/D转换器，

其测温精度较低，分辨力只能达到2°C。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625°C。

为了提高多通道智能温控器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

2．增加温度控制器测试功能

新型智能温度控制器的测试功能也在不断增强。

例如，采用DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。

DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的EEPROM存储器，可存储用户的短信息。

另外，智能温度控制器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

智能温度控制器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。

对某些智能温度控制器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率，分辨力及最大转换时间。

2方案选择

2.1系统方案设计

2.1.1主控芯片分析选择

方案一：

采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。

此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。

而且价格适中。

方案二：

采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。

此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。

但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。

方案三：

采用传统的AT89C51单片机作为主控芯片。

此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。

考虑到此系统需要不用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案三，即用AT89C51作为本系统的主控芯片。

2.1.2无线通信模块方案

方案一：

采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。

方案二：

采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。

但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。

方案二：

采用nRF2401无线射频模块进行通信，nRF2401是一款高速低功耗的无线通信模块。

他能传输上千米的距离（加PA），而且价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。

考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。

2.1.3温湿度传感方案

方案一：

采用AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。

方案二：

采用美国DALLAS公司生产的DHT11可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

经济，方便。

方案三：

采用DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

使用DS18B20线路简单，编程容易，但是比AD590精度低且只适用于温度采集。

但AD590还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大。

考虑到电路的设计，成本，还有温湿度采集、多点通信，我们选择方案三，即用DHT11作为本系统的温湿度传感器。

2.1.4显示模块方案

方案一：

采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但