无线环境传感器检测.docx
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无线环境传感器检测.docx
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无线环境传感器检测
题目:
无线传感器环境监测
学生姓名:
陈宇星
所属院系:
信息科学与工程学院
专业:
电子信息科学与技术
班级:
电子10-1
完成日期:
2013年3月1日
声明
本人郑重声明:
此处所提交的学士学位论文《指纹识别系统的设计与实现》,是本人在导师指导下,在新疆大学取得学士学位前夕同小组成员一起进行研究所取得的研究成果。
据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
论文作者签名:
日期
摘要
摘要:
本文研究了基于NRF24L01实现的无线传感器环境监测。
主要以环境监测节点和数据接收终端组成。
能够通过各种不同的传感器对环境进行实时监测。
通过以AT89C51芯片为核心控制部件,实现了对区域内环境参数的监测。
关键词:
NRF24L01C51单片机环境监测
目录
第一章引言1
1.1无线传感器环境监测系统简介1
1.2本设计的主要研究工作1
1.3本设计的意义1
第二章系统分析和总体设计2
2.1对无线传感器系统的要求2
2.2系统组成及工作原理2
2.2.1系统组成2
2.2.2工作原理3
第三章硬件电路的设计与实现3
3.1AT89C51单片机介绍3
3.1.1单片机各个引脚及其功能介绍3
3.1.2单片机系统板原理图5
3.2NRF24L01无线收发模块6
3.2.1NRF24L01介绍及其引脚功能6
3.2.2NRF24L01与单片机控制电路的连接8
3.3DHT11数字温湿度传感器9
3.4光敏传感器和MQ-5烟雾传感器10
3.4.1光敏传感器介绍10
3.4.2光敏传感器电路设计12
3.5MQ-5传感器介绍13
3.6ADC0809数模转换芯片15
1.主要特性15
2.内部结构15
3.外部特性(引脚功能)15
3.7LCD液晶显示模块16
第四章软件设计与实现18
4.1NRF24L01接收端与发送端的连调18
4.1.1NRF24L01基本配置18
4.1.2NRF24L01多对一的设置20
4.2数字DHT11程序设计22
4.3模数转换程序设计25
4.4LCD液晶显示程序设计26
第五章系统整体调试及结果28
5.1发送与接收总体原理图28
5.2PCB图30
5.3实物展示32
第一章引言
1.1无线传感器环境监测系统简介
无线传感器技术是基于计算机技术,通信技术,微机电技术(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、片上系统(SystemonChip,SoC)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN),并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点,通过无线通信方式形成的一个多跳组织网络。
无线传感器技术广泛的应用于军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
1.2本设计的主要研究工作
本设计的主要工作是构造一个简单的实时无线环境监测系统,具体内容包括:
1.对NRF24L01无线收发器进行数据传输的研究。
2.基于C51单片机对各个模块进行控制的研究。
3.实现一个能实现2对1的传感器节点网络。
1.3本设计的意义
无线传感器网络是一种开创的新兴技术,当前传感网络,传感技术已经被认定为当今世界上最重要的研究之一,无线传感器各个节点的稳定运行是整个网络系统的保障。
随着节能的倡导,对于研究无线传感器低功耗低成本的研究将成为工作的重点。
其次,无线传感器的应用非常广泛,随着人们生活水平的提高,对环境要求也越来越高,一些工作单位对温度湿度还有其它指标都有严格的要求,所以无线传感器网络将越来越多的应用于我们的生活之中。
第二章系统分析和总体设计
2.1对无线传感器系统的要求
系统由温湿度传感器DHT11,烟雾传感器MQ_5,LCD液晶显示模块FM12864,光照传感器,AT89C51单片机,无线数据传输模块NRF24L01,稳压模块组成。
传感器节点分为发送和接收节点。
实现两个采集点一个接收节点
主要技术指标
(1)通信:
由两个发送端和一个接收端构成的简易通信网络
(2)通信频段:
2.4GHz~2.5GHzISM
(3)借点可靠通信范围:
200m;
(4)传感器精度:
温度0.3℃(25℃时),湿度:
2.0%RH(20—80%RH),光照强度:
1lx。
对液化气,天然气探测范围300-5000ppm。
2.2系统组成及工作原理
2.2.1系统组成
系统由电源,传感器模块,无线收发模块,控制模块,显示液晶模块组成。
电源由LM7805,9V电池,AMS117构成。
传感器模块由DHT11,光敏电阻,MQ_5,以及模数转换芯片ADC0809组成,NRF24L01组成无线收发模块,FM12864组成的液晶显示模块。
整个系统由AT89C51单片机控制。
系统框图:
2.2.2工作原理
本项目是基于AT89C51单片机设计的无线环境监测系统用来对周边环境温湿度进行监测,设计接收端与发送端之间点对点的连接。
连接方式是由无线传输模块NRF24L01芯片控制。
数据采集端由DHT11数字温湿度传感器采集,接收端由无线模块接收并由FM12864LCD液晶显示模块显示数据。
第三章硬件电路的设计与实现
总
体硬件电路主要包括:
AT89C51单片机控制电路设计、NRF24L01硬件电路设计,稳压电路设计,FM12864液晶显示控制电路设计,DHT11控制电路设计,光敏电阻及MQ-5控制电路设计。
3.1AT89C51单片机介绍
3.1.1单片机各个引脚及其功能介绍
图3-1单片机外形及引脚排列
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,俗称单片机。
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。
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(计时器0外部输入)
P3.5T1(计时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.2单片机系统板原理图
图3-1单片机小系统原理图
3.2NRF24L01无线收发模块
3.2.1NRF24L01介绍及其引脚功能
引脚
名称
引脚功能
描述
1
CE
数字输入
RX或TX模式选择
2
CSN
数字输入
SPI片选信号
3
SCK
数字输入
SPI时钟
4
MOSI
数字输入
从SPI数据输入脚
5
MISO
数字输出
从SPI数据输出脚
6
IRQ
数字输出
可屏蔽中断脚
7
VDD
电源
电源(+3V)
8
VSS
电源
接地(0V)
9
XC2
模拟输出
晶体振荡器2脚
10
XC1
模拟输入
晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚
11
VDD-PA
电源输出
给RF的功率放大器提供的+1.8V电源
12
ANT1
天线
天线接口1
13
ANT2
天线
天线接口2
14
VSS
电源
接地(0V)
15
VDD
电源
电源(+3V)
16
IREP
模拟输入
参考电流
17
VSS
电源
接地(0V)
18
VDD
电源
电源(+3V)
19
DVDD
电源输出
去耦电路电源正极端
20
VSS
电源
接地(0V)
NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4—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。
nRF24IJDl功耗低。
在以一6dB的功率发射时,工作电流也只有9mA;接收模式工作电流12.3mA。
工作模式:
通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式,如表所示:
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
-
发射模式
1
0
1
数据在TXFIFO寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式,直至数据发送完
待机模式2
1
0
1
TXFIFO为空
待机模式1
1
-
0
无数据传输
掉电
0
-
-
-
待机模式1主要用于降低电流损耗,在该模式下晶体振荡器仍然是工作的;
待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式;
待机模式下,所有配置字仍然保留。
在掉电模式下电流损耗最小,同时nRF24L01也不工作,但其所有配置寄存器的值仍然保留。
3.2.2NRF24L01与单片机控制电路的连接
如图所示
NRF24L01的CE,CSN,SCK,MOSI,MISO,IRQ分别于单片机的I\O口相连,51单片机通过稳压模块将电压降至3.3V与VCC,GND引脚相连。
3.3DHT11数字温湿度传感器
引脚及功能介绍:
引脚号
引脚名称
类型
引脚说明
1
VCC
电源
正电源输入,3V-5.5VDC
2
Dout
输出
单总线。
数据输入/输出引脚
3
NC
空
空脚。
扩展未用
4
GND
地
电源地
图DHT11与单片机连接图
DHT11的1引脚和4引脚分别与电源的正极和负极相连。
2引脚数据端上拉个5k电阻保持高电位输出和单片机的I\0口相连。
3.4光敏传感器和MQ-5烟雾传感器
3.4.1光敏传感器介绍
光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流
暗电流:
光敏电阻在室温条件下,全暗(无光照射)后经过一定时间测量的电阻值,称为暗电阻。
此时在给定电压下流过的电流。
亮电流:
光敏电阻在某一光照下的阻值,称为该光照下的亮电阻。
此时流过的电流。
光电流:
亮电流与暗电流之差。
光敏电阻的暗电阻越大,而亮电阻越小则性能越好。
也就是说,暗电流越小,光电流越大,这样的光敏电阻的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ,而亮电阻则在几kΩ以下,暗电阻与亮电阻之比在102~106之间,可见光敏电阻的灵敏度很高。
光敏电阻的光照特性
下图表示光敏电阻的光照特性。
在一定外加电压下,光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。
不同类型光敏电阻光照特性不同,但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件,这是光敏电阻的不足之处。
一般在自动控制系统中用作光电开关。
光敏电阻的伏安特性
在一定照度下,加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。
图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。
由曲线可知,在给定偏压下,光照度较大,光电流也越大。
在一定的光照度下,所加的电压越大,光电流越大,而且无饱和现
象。
但是电压不能无限地增大,因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。
超过最高工作电压和最大额定电流,可能导致光敏电阻永久性损坏。
光敏电阻的温度特性
其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。
随着温度的升高,其暗电阻和灵敏度下降,光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。
硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。
有时为了提高灵敏度,或为了能够接收较长波段的辐射,将元件降温使用。
例如,可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。
光敏电阻的工作原理和结构
当光照射到光电导体上时,若光电导体为本征半导体材料,而且光辐射能量又足够强,光导材料价带上的电子将激发到导带上去,从而使导带的电子和价带的空穴增加,致使光导体的电导率变大。
为实现能级的跃迁,入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg,即
式中ν和λ—入射光的频率和波长。
一种光电导体,存在一个照射光的波长限λC,只有波长小于λC的光照射在光电导体上,才能产生电子在能级间的跃迁,从而使光电导体电导率增加。
光敏电阻的结构如图所示。
管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。
光导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照的表面薄层,虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去,但扩散深度有
限,因此光电导体一般都做成薄层。
为了获得高的灵敏度,光敏电阻的电极一般采用硫状图案,结构见下图。
光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响,因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。
如果把光敏电阻连接到外电路中,在外加电压的作用下,用光照射就能改变电路中电流的大小,其连线电路如图所示。
光敏电阻具有很高的灵敏度,很好的光谱特性,光谱响应可从紫外区到红外区范围内。
而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜,因此应用比较广泛。
通过光敏电阻的伏安特性,及其光照特性,可用它来测量光照强度。
3.4.2光敏传感器电路设计
如图所示,将光敏电阻与R1相串联在于LM324运算放大器组成输出电路,这样输出端的电压值就是此刻光敏电阻的电压值,将其与数模转换电路相连接,经过运算后就能计算出光强。
3.5MQ-5传感器介绍
3.5.1MQ-5传感器的主要特点
1、模拟量输出0~5V电压,浓度越高电压越高。
2、对液化气,天然气,城市煤气有较好的灵敏度。
3、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
4、快速的响应恢复特性
3.5.2MQ-5传感器灵敏度
ZYMQ-5气敏元件(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内,加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚,其中4个用于信号取出,2个用于提供加热电流。
灵敏度特性曲线:
图3给出了ZYMQ-5型气敏元件的灵敏度特性。
其中:
温度:
20℃、
相对湿度:
65%、
氧气浓度:
21%
RL=20kΩ
Rs:
元件在不同气体,不同浓度下的电阻值。
R0:
元件在洁净空气中的电阻值。
图3ZYMQ-5型气敏元件的灵敏度特性
图4给出了ZYMQ-5型气敏元件的温湿度特性
Ro:
20℃,33%RH条件下,1000ppm氢气中元件电阻。
Rs:
不同温度,湿度下,1000ppm氢气中元件电阻。
.
3.5.3MQ-5电路设计
如图:
MQ-5和运算放大器组成电源比较器,当MQ-5电阻值大于所选电阻值后,LED灯亮,从dout端输出后再接数模转换芯片
3.6ADC0809数模转换芯片
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式A/D模数转换器。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片
1.主要特性
1)8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。
2)具有转换起停控制端。
3)转换时间为100μs(时钟为640kHz时),130μs(时钟为500kHz时)
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW。
2.内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构如图所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。
3.外部特性(引脚功能)
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,如图所示。
下面说明各引脚功能。
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START:
A/D转换启动脉冲输入端,输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位,下降沿启动A/D转换)。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
地
ADC0809与单片机连接图
由于ADC0809时钟信号频率要求500MHZ以上但不能太高,所以把单片机ALE信号通过分频器二分频。
3.7LCD液晶显示模块
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
LCD硬件电路连接:
如图所示:
1、LCD驱动电压即对比度调节电路
ST7920内带倍压电路,生成2倍于VCC的电压。
倍压通过Vout脚引出,引脚叫VEE,通过电位器调节后,从V0引回模块用来驱动LCD。
直接驱动LCD的是V0,V0电压越高,对比度越深。
通过调节电位器来调节V0值以改变对比度。
某些模块没有Vout脚。
Vout电压直接通过降压处理供给V0。
对比度已经锁定。
如果一定要调节对比度,可以通过V0对地接一可调电阻,拉低V0值。
2、PSB电路
PSB接高时选择为并口方式操作,接低时选择串口方式进行操作,因此在这里我们将PSB接地。
其背后LCD有焊盘选择,出场时设为并口,改成串口。
3、RST电路
复位电路是低电位有效,在正常操作时应为高电位
4、RS
在作并口使用时RS的作用是选择进行数据操作还是命令操作,高电位为数据,低电位为命令。
在当串行工作时是做片选CS使用的,高电位可接受数据,低电位锁存。
因为我们只用一个LCD,所以将它接电源正,一直选通。
第四章软件设计与实现
4.1NRF24L01接收端与发送端的连调
4.1.1NRF24L01基本配置
将NRF24L01与AT89C51单片机硬件电路连接好,然后通过keil软件对51单片机进行编程。
如图此为NRF24L01SPI读写操作。
SPI是一种高速的双向的通信总线,只占用四根引脚,分别是CSN片选,SCK时钟信号,MOSI数据输入,MISO数据输出线。
工作原理:
首先CSN片选信号拉低,此时可以向MOSI传输8位数据,传输完毕后
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- 无线 环境 传感器 检测