无线数据传输系统设计说明书.docx

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无线数据传输系统设计说明书

吉林化工学院毕业设计说明书

基于单片机的无线数据传输系统设计

DesignoftheWirelessDataTransmissionSystemBasedonChipMicrocomputer

学生学号：

11510225

学生姓名：

高海昌

专业班级：

自动1102

指导教师：

李楠

职称：

讲师

起止日期：

2015.03.09～2015.06.26

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

摘要

温湿度测量在工业生产中有着广泛的应用。

通常，要实现温湿度测量和自动控制，监控室与现场之间必须敷设大量的电缆，这是一个麻烦的问题。

然而采用单片机的无线传输系统，则可以节省费用和时间。

该采集系统是以AT89C51为主控芯片，利用数字式温湿度传感器DHT11进行温湿度采集，单片机AT89C51控制无线发送模块nRF24L01将数据发射出去，经过一定距离的通信，接受模块通过nRF24L01将数据传给单片机AT89C51，单片机经处理后将数据传给显示屏，完成无线数据采集与发送。

单片机无线数据传输系统的设计采用模块化的设计思想，从而使整个系统的功能更完善、灵活、协调。

能对现场的温湿度进行实时监控，当温湿度超出设定值时，进行声光报警。

关键词：

单片机；nRF24L01；传感器

Abstract

Themeasurementoftemperatureandhumidityhasbeenwidelyusedinindustrialproduction.Ingeneral,inordertoachievethemeasurementoftemperatureandhumidityandautomaticcontrol,itmustlayalargenumberofcablesbetweenthecontrolroomandfield,andthisisatroublesomeproblem.However,adoptingwirelesstransmissionsystemofsinglechipmicrocomputercansavecostandtime.TheacquisitionsystemisbasedonAT89C51asmaincontrolchip,anditproceedsthetemperatureandhumidityacquisitionbydigitaltemperatureandhumiditysensorDHT11.SinglechipmicrocomputerAT89C51transmitsthedatabycontrollingwirelesssendingmodulenRF24L01.Afteracertaindistanceofcommunication,thereceivemoduletransmitsthedatatothesinglechipmicrocomputerAT89C51throughnRF24L01.Afterprocessing,singlechipmicrocomputertransmitsthedatatothedisplayscreensothatitcancompletewirelessdataacquisitionandsending.

Thedesignofsinglechipmicrocomputerwirelessdatatransmissionsystemadoptsmodulardesignideassothatitcanmakethefunctionofthewholesystemmoreperfect,flexibleandcoordinated.Anditcanproceedreal-timemonitoringoftemperatureandhumidityonsite.Whenthetemperatureandhumidityarebeyondthesetdata,soundandlightwillalarm.

KeyWords：

Singlechipmicrocomputer；NRF24L01；Sensor

第1章绪论

1.1课题来源及选题的目的和意义

温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。

随着生产的发展，一个低成本和具有较高精度的温湿度测量仪在许多领域会代替人工操作，环境温湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。

无线数据采集特别适用于复杂地形条件、高腐蚀性、建筑群、爆炸等场合，或者被采集对象是运动、旋转等情况。

随着数字电路和射频电路制作工艺、低功耗电路、高能电池、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。

无线传输越来越多的被应用在工业及民用的数据采集上，解决了一些布线复杂、甚至无法布线的情况。

无线传输介质采用的是电磁波，节省了架设电缆所需的占地和各种花费及其其他建筑的建设带来的不便，应用起来更加方便；在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制。

具有电路简单、功耗小、体积小、成本低等优点，设计设施都很简便适合更换场合反复利用。

1.2本课题所涉及的内容国内外研究现状综述

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

集成温度传感器是目前应用范围最广，使用最普及的一种全集成化传感器。

其种类很多，大致可分为5类有模拟集成温度传感器、智能温度传感器、通用智能温度控制器、模拟集成温度控制器、微机散热保护专用的智能温度控制器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

然而湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。

湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel

公司、Philips公司、Siemens公司等。

以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。

当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF-202pF。

温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。

除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。

进入二十一世纪，由于微电子技术和信号处理技术的进步，无线通信的实现越来越方便，无线技术得到了很大的发展，深入了工业控制、民用通信和家居应用等各个行业，相关技术和种类也有了长足的进步，并建立起一系列技术标准，目前的主要有：

卫星技术、蜂窝技术和2.4G无线技术。

卫星技术由于成本高昂，目前还不是被广泛应用的技术；蜂窝技术由于被用于普遍使用的无线电话，发展非常迅猛，它提供语音和数据的双向通信，目前主要有GSM/GPRS/CDMA等；2.4G由于传输速率较快且功耗很低，采用开放式网络协议，在价格上有绝对优势，所以在日常家居生活中得到了广泛的应用。

无线通信系统总是倾向于采用更高的频率（更短的波长），以取得更大的信息传输容量。

正是在这种原动力推动下，导致了无线电、电视、雷达和微波通信的产生，现在也同样推动了光通信技术的发展，光是频率更高的无线电波，因此光通信是有特殊意义的无线通信。

自然界中的光波性质比较复杂，很难满足通信要求．但是激光技术的出现，使人们采用相干光源进行通信成为可能。

现代光纤的发明，将光通信推向了新的高度。

光纤通信以其极高的通信码率得到了广泛的应用，但与微波通信相比，光纤通信是有线通信，缺乏一定的灵活性。

无线激光通信以激光束作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，直接在太空、大气或水下传输，融合了微波通信和光纤通信的优点，早期的应用研究主要是在军用和航天上，随着各个单元技术的不断发展，近年来也已逐渐应用于商用的地面通信，并且各个单元技术仍在逐步完善和继续发展。

无线激光通信正越来越受到各方面的重视。

无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。

无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。

无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。

已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

2002年，美国Intel公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。

今后，Intel将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。

英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。

学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。

国内研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对传感器网络进行了跟踪研究。

中国计算机学会青年计算机科技论坛于2004年在北京召开了中国第一次关于WirelessSensorNetwork的专题报告会。

讨论了WirelessSensorNetwork技术及其在中国的发展问题。

毋庸置疑，跟踪国外传感器网络技术的发展，并做出开创性的研究工作，对我们国家国防现代化的发展也具有重要的意义。

1.3研究内容

设计一个基于单片机的无线数据传输系统，完成温、湿度的自动检测、记录、显示等功能。

通过键盘可以设定上下报警值，当采集到的温、湿度值超出设定值时，发出声光报警提示操作人员进行必要的处理。

第2章整体方案的设计

通过温湿度传感器对温湿度进行数据采集，然后从机控制无线发送芯片将数据发送出去。

同样，接收端主机控制接收芯片将无线传输过来的数据接收，在通过液晶将接收到的数据显示出来，从而实现对温湿度采集、无线传输、以及显示。

图2-1系统结构框图

2.1方案论证

温湿度检测系统共同的特点有环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。

若采用一般的温湿度传感器则需要设计信号调理电路、AD转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。

这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差，又因为检测环境复杂、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。

所以温湿度检测无线传输系统的设计的关键在于两个部分：

温湿度传感器的选择和主控单元的设计。

1．温湿度传感器

方案一：

采用热敏电阻，可满足40℃至90℃测量范围，随环境温度的变化，它的组织也发生线性变化，用处理器采集电阻两端的电压，然后根据摸个公式就可以计算出当前的环境温度，饭热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。

方案二：

采用单片机模拟量的温湿度传感器，比如AD590，LM35等。

但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给单片机，不能进行多点测量。

即使实现也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。

方案三：

采用DHT11数字温湿度传感器，它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与卓越的长期稳定性。

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。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

采用DHT11数字温湿度传感器，使系统集成变得简易快捷，搭建电路和焊接电路时更快。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

2．CPU处理器

方案一：

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

方案二：

STC89C52RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。

STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机。

方案三：

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

采用AT89C51处理器实用性高而且价格低廉，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

既可以单独对DHT11控制工作，还可以与PC机通信。

编程技术及外围功能电路的配合实用都很熟悉使用比较方便，同时单片机作为传感器节点的控制中心，负责接收传感器上传的数据，并将数据打包处理通过无线模块发收。

综合本次设计的难易程度和系统要求低功耗的特点以及系统设计所需资源，本次设计最终选择AT89C51作为核心CPU。

3．无线传输模块

方案一：

JZ877无线通信模块是高集成度的小功率半双工的无线数据传输模块，其采用TI高性能射频芯片及功能强大的单片机，提供三种不同的接口方式供用户选择。

此模块有16个频道共用户选择，在模块开发过程中生产厂家已经设计了专业的设置软件，这样简化了用户设置参数过程。

使用模块进行数据传输无需对数据进行加密，数据传输程序已经在开发过程中嵌入在模块内部，在使用时不需要使用者重新编写数据传输程序。

方案二：

nRF905无线芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1GHz无线数传芯片，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段。

芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

非常适合于低功耗、低成本的系统设计。

但是nRF905的数据传输速率没有nRF2401高。

方案三：

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。

内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA，接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

采用nRF24L01无线通信模块，价钱便宜，功耗低，数据传输速率高，能够满足题目设计的需求。

所以我选用的无线模块是nRF24L01。

2.2系统框图

综上，我们传感器采用方案三，控制器采用方案三，无线模块采用方案二。

系统框图如下图2-2。

图2-2系统框图

该采集系统是以AT89C51为主控芯片，利用数字式温湿度传感器DHT11进行温湿度采集，从机控制无线发送模块NRF24L01将数据发射出去，经过一定距离的通信，接受模块通过NRF24L01将数据传给主机AT89C51，单片机经处理后将数据传给显示屏，完成无线数据采集、发送和显示。

第3章系统硬件设计

本文基于AT89C51单片机和NRF24L01无线通信模块进行数据采集和无线数据传输系统设计，要求系统能实时采集、显示、存储和传输。

而合理的硬件结构是产品性能的重要保证。

整体系统由单片机最小系统、稳压电源、参数采集电路、数据显示电路、数据存储电路和串口输出电路等几部分组成。

系统中单片机通过温湿度传感器对对现场的温湿度进行采集，完成温、湿度的自动检测、记录、显示等功能。

通过键盘可以设定上限报警值，当采集到的温、湿度值超出设定值时，发出声光报警提示操作人员进行必要的处理。

3.1主控芯片的介绍

单片机是单片微型计算机的简称，也就是把微处理器（CPU）、一定容量的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）、输入/输出接口（I/O）、时钟及其他一些计算机外围电路，通过总线连接在一起并集成在一个芯片上构成的微型计算机系统。

单片机经过几十年的发展，在功能、体积、功耗、价格等个个股方面已经达到非常优异的水平。

在未来的发展中，单片机将趋向实现高性能化、存储器大容量化、接口多样化、集成化、低功耗化等特点。

单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用的计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。

单片机的发展PC系统中的CPU一样历经几代的过程，由于单片机的巨大市场空间和广泛的应用范围，世界各大芯片厂商纷纷推出自己的单片机产品，但是单片机远没有PC中的CPU更新速度快，大体经历了4位机、8位机、16位机、32位机的发展过程，其中8位机在市场上一直是主流产品。

1976年Intel公司率先推出8位机MCS-48系列，1980年又推出了内部功能单元集成度强的8位机MCS-51系列产品，其性能大大超过并取代了MCS-48系列产品。

如计算速度为MCS-48系列的10倍，时钟12MHz时钟指令周期可为1us。

由于8位机可以一次处理一个ASCⅡ码，因而一问世便显示出其强大的生命力，广泛应用于显示、终端键盘、打印、字处理、工业控制等。

虽然再8位机发展应用过程中出现了16位机、32位机，乃至64位机，但是8位机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占领着单片机市场的主导地位。

所以各大芯片生产厂家商纷纷生产与MCS-51兼容或不兼容的单片机产品。

AT89C51单片机一般采用40个引脚，双列直插式封装，用HMOS工艺制造，其外部引脚排列如图3-1所示。

图3-1AT89C51引脚图

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

P0口当访问外部程序和数据存储器时，P0口它也可以被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节，在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节引脚号第二功能。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出）

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

当对P3端口写入“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时它可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：