无线环境监测装置正文已修改.docx

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无线环境监测装置正文已修改

无线环境监测装置

摘要

摘要：

本无线环境检测装置采用单片机为主控制器。

设计的主要思路是通过传感器监测环境温度的变化和光照的有无，并将采集的数据传输给单片机（MCU）进行初步处理，再通过带有自定义无线传输协议的电路传送给控制终端，并在控制终端上显示采集到的环境信息。

关键字：

无线传输；传输协议；传感器

；

目录

1引言1

2方案设计1

2.1各模块电路的方案选择与论证1

2.1.1主机控制模块1

2.1.2显示模块1

2.1.3温度光照检测模块1

2.1.4无线收发模块2

2.2模块的最终选择2

3系统电路分析2

3.1发射电路分析2

3.2其他电路请见附表

3

4硬件的设计与实现3

4.1无线收发模块3

3.2温度与光照的检测部分3

3.3显示模块3

4软件设计3

4.1子程序流程图3

4.2主程序流程图4

5系统测试4

5.1测试方法与仪器4

5.1.1测量方法4

5.1.2测量用到的仪器4

5.2测试的结果4

5.3结果分析5

6结论5

参考文献6

附录1：

电路图图纸7

附录2：

程序清单9

1引言

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，本作品能满足市场对这类产品的需求。

本作品用光电三极管、温度传感器收集环境数据，用单片机控制无线发射模块发射数据，无线接收模块接收，同时用单片机将传送的数据显示在液晶显示屏上。

软件采用C语言编程。

本作品具有能耗低、传播距离远、探测灵敏度高等优点。

2方案设计

根据题目要求本作品可以分为以下几部分：

显示模块、主机控制模块、无线收发模块和环境温度光照检测模块，如图2.1所示。

图2.1系统方案设计模块图

2.1各模块电路的方案选择与论证

2.1.1主机控制模块

方案一：

采用51单片机控制系统。

单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，能满足题目要求。

方案二：

采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。

由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。

但其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。

根据以上具体分析选择方案一。

2.1.2显示模块

方案一：

采用液晶显示屏。

液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。

方案二：

采用四位七段数码显示管分别显示光照的有无、温度的百、十、个位。

数码管具有：

低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。

同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。

根据题目要求选择方案一。

2.1.3温度光照检测模块

温度传感器的选择方案:

方案一：

采用热敏电阻，此元件虽然价格便宜，但是其非线性特性会影响系统精度。

方案二：

选用美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20。

DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。

可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。

此器件具有体积小、抗干扰强、价格便宜、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求

根据以上分析选择方案二。

因为只需检测光的有无，所以可以选择灵敏度较好的光敏三级管。

2.1.4无线收发模块

方案一：

非编码方案

采用模拟信号发送，模拟信号传输，模拟信号接收。

此方案的特点是使用元件简单，价格便宜，但是与数字电路的融合性差，对数据处理带来很多不变。

方案二：

编码方案

采用专业的无线信号编解码芯片，从而实现数字信号的输入，模拟信号的传输，数字信号的输出。

因本设计采用MCU做主控芯片，为了便于信息的处理，故选择方案二。

2.2模块的最终选择

根据以上分析并结合具体的条件，最终选择如下模块：

1.主机控制模块采用51单片机用以实现对LCD显示、信息的传送、温度的采集、光照的探测。

2.显示模块用液晶显示器用来显示实时温度及光照的有无。

3.光照检测模块采用光敏三极管，温度探测模块采用采用数字温度传感器DS18B20。

4.无线收发模块采用TX-2B/RX-2B芯片作为编解码芯片。

3系统电路分析

3.1发射电路分析

根据题目要求，本系统的载波频率低于30MHz，考虑到电路设计和调试的方

便，采用石英晶体作为振荡器。

石英晶体的等效为静态电容和电感、电阻、电容并联起来的电路。

忽略电阻的影响，可以看出石英晶体具有俩个谐振频率：

一个是由电感、电阻、电容串联谐振频率：

（3.1.1）

另一个是由电感、电阻、电容并联谐振频率：

（3.1.2）

这样使得等效电感的电抗曲线非常陡峭，故采用此电路。

3.2其他电路请见附表

4硬件的设计与实现

4.1无线收发模块

该模块是系统中除单片机外的核心模块，TX-2B/RX-2B内部已含有编码和解码电路，无需在后续的电路中对接收到的信号进行软件编程解码，因此硬件电路简单。

RX-2B包括内置放大器、运算器及锁存器等。

振荡输入输出端外接100欧电阻形成RC振荡器，与发射电路的频率匹配。

RX-2B接收信号后，经解码后将温度和光照信息由和TX-2B相对应的引脚输出，传给单片机。

具体电路请参考附录。

3.2温度与光照的检测部分

本系统光照检测采用光敏三级管，当具有光敏特性的PN节受光照射时，形成光电流，由此产生的光电流由基极进入发射极，从而在集电极得到一较大电流。

由于题目只要求检测光的有无，因此要求电路比较灵敏，能检测到光照强度较小的光。

在制作这部分电路时，改变电路中的电阻，比较各电阻所得的结果，从中选出能较好满足题目要求的电阻。

温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，DS18B20体积小，适用电压宽，测量温度范围及测量精度都能满足题目要求，直接输出数字量，并且可以直接与单片机通信，简化了电路的设计。

从站同时安装34063升压芯片，此芯片将3V电压升到5V，同时为无线收发模块及温度与光检测模块供电，简化了电路设计。

测温、光检及升压电路如附录1图3.2所示。

3.3显示模块

本系统显示电路，我们采用单片机STC89C58作为电路的控制核心，用12864液晶显示屏显示从站的编号、环境的温度、光的强度。

为了实现题中提出能扩展到256个从站的能力。

显示时：

按键S1控制复位电路，按键S2用来翻屏，按键S3、S4分别用来翻页。

单片机XTAL1、XTAL2接十二MHZJ晶振，提供时钟基值。

具体电路图见附录1图3.3。

4软件设计

4.1子程序流程图

图4.1子程序流程图

4.2主程序流程图

5系统测试

5.1测试方法与仪器

5.1.1测量方法

根据题中要求及本作品具体特点可以分别测量发射的距离、系统误差、响应时间四项。

一、发射距离的测量:

根据本作品具体的特点，先将发射模块与接收模块分开8cm，打开电源，使发射模块发射信息，看接收模块是否能接收到信息。

以2cm的间隙增大发射距离，直至接收模块不能接收信息为此，记录测量的数据。

二、系统误差的测量：

本系统要求温度测量绝对误差小于2℃。

将系统放在一空调房中，将空调通电，改变室内温度，用温度计测量室内温度作实际温度，同时将系统通电将液晶显示器显示温度作测量温度，记录测量的数据。

三、响应时间的测量：

按下电源按钮，用秒表记录按下电源按钮的时刻，眼睛观测液晶显示器直至其上显示的数据稳定，用秒表记下数据稳定时的时刻，采用多次测量取平均值的方法，并分别记录这两个时刻。

5.1.2测量用到的仪器

根据测量方法，所用到的仪器有：

电压表、电流表、直尺、温度计、秒表、空调。

5.2测试的结果

表5.2.1发射距离的测试结果

发射的距离/cm

8

10

…

80

82

能否接收

能

能

能

能

不能

表5.2.2系统误差的测试结果

实际温度/℃

25.1

27.2

29.1

30.2

32.0

测量温度/℃

25.4

26.6

29.2

30.0

31.7

系统误差/℃

0.3

0.4

0.1

0.2

0.3

平均系统误差0.26℃

表5.2.3响应时间的测量结果

通电时刻/s

0

0

0

0

显示温度时刻/s

2.4

2.6

2.5

2.7

时间差/s

2.4

2.6

2.5

2.7

平均时间/s

2.55

5.3结果分析

从以上测试结果可以看出本作品基本上能满足题目要求的基本部分，及部分发挥部分。

从上表中可以看出，无线通信距离远远于题中要求；由于DS18B20测温灵敏度高、稳定，随意系统误差也较小；响应时间虽有人为误差但也能满足题中要求的5秒以内。

6结论

通过设计本产品，我们加深了对DS18B20数字温度传感器、光敏三极管、TX-2B/RX-2B芯片的认识，熟练了单片机的编程及无线通信的相关知识。

本作品基本上完成了题中要求的基本部分，对发挥部分的第一点及第三点要求也完成的很好。

本作品能很好的监控环境温度的变化及光照的有无，但还有许多值得改进的地方如无线通信模块较复杂，通信距离随能满足体重要求还是相对较短。

综上所述本作品还是能很好的完成题中要求，且具有电源能耗低、发射距离较远、系统误差小等优点。

参考文献

《单片机原理及应用》，李建忠著，西安：

西安电子科技大学，2002年；

《高频电子线路》，胡宴如、耿苏燕著，北京：

高等教育出版社，2004年；

《模拟电子技术基础简明教程》，清华大学电子学教研组，杨素行著，北京：

高等教育出版社，2005年；

《数字电子技术基础》，阎石著，北京：

高等教育出版社，1997年；

《无线发射与接收电路设计》，黄智伟著，北京：

北京航空航天大学出版社，2004年；

附录1：

电路图图纸

图3.1.1发射部分电路图

图3.1.2接收部分电路图

图3.2光照温度检测模块电路图

图3.3显示模块电路图

附录2：

部分程序清单

主机程序：

include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitLcd_rs=P1^1;

sbitLcd_en=P1^0;

sbitDown=P1^2;

sbitUp=P1^3;

sbitFunction=P1^4;

ucharNum=1;

ucharTable[8]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

ucharcodeTable1[]="编号:

";

ucharcodeTable2[]="温度:

";

ucharcodeTable3[]="光照信息:

";

ucharcodeTable4[]="联机状态:

";

sbitClk=P3^2;

sbitData=P3^6;

/***********************

**函数名称:

Delayms

**功能描述:

延时，单位毫秒

**输　入:

延时毫秒数

**输出:

无

**全局变量:

无

**调用模块:

无

************************/

voidDelayms（uintk）

{

ucharj;

for（;k>0;k--）

for（j=125;j>0;j--）;

}

voidDelayus（uintus）

{

while（us--）;

}

/*****************************

**函数名称:

Lcd_WCom

**功能描述:

液晶写指令函数

**输　入:

指令

**输出:

无

**全局变量:

无

**调用模块:

延时函数Delayms（）

******************************/

voidLcd_WCom（ucharcom）

{

P0=com;

Lcd_rs=0;

Lcd_en=0;

Delayus（5）;

Lcd_en=1;

Delayus（5）;

Lcd_en=0;

}

/*****************************

**函数名称:

Lcd_WDate

**功能描述:

液晶写字符函数

**输　入:

输入一个要显示字符，

**输出:

无

**全局变量:

无

**调用模块:

延时函数Delayms（）

******************************/

voidLcd_WDate（uchardate）

{

P0=date;

Lcd_rs=1;

Lcd_en=0;

Delayus（5）;

Lcd_en=1;

Delayus（5）;

Lcd_en=0;

}

/*****************************

**函数名称:

Disp_string

**功能描述:

在液晶上显示字符。

**输　入:

p欲字符的指针

Posit显示的位置

**输出:

无

**全局变量:

无

**调用模块:

Lcd_WDate

******************************/

voidDisp_String（char*p,ucharPosit）

{

Lcd_WCom（0x30）;

Lcd_WCom（Posit）;

while（*p!

=0）

{

Lcd_WDate（*p）;

p++;

}

}

/*****************************

**函数名称:

LcdClearTXT

**功能描述:

文本区清全屏

**输　入:

无

**输出:

无

**全局变量:

无

**调用模块:

Lcd_WDate

******************************/

voidLcdClearTXT（void）

{

uchari;

Lcd_WCom（0x30）;//8BitMCU,基本指令集合

Lcd_WCom（0x80）;//AC归起始位

for（i=0;i<64;i++）

Lcd_WDate（0x20）;

}

/*****************************

**函数名称:

DToB

**功能描述:

十进制转二进制

**输　入:

Deci

**输出:

无

**全局变量:

无

**调用模块:

无

******************************/

voidDToB（ucharDeci）

{

uchari,j,k;

j=0;

i=Deci;

while（i>1）

{

j++;

Table[8-j]=i%2;

i=i/2;

}

Table[7-j]=i;

for（k=7-j;k>0;k--）

Table[k-1]=0;

}

/*****************************

**函数名称:

Init

**功能描述:

系统初始化，包括液晶，

中断。

**输　入:

无

**输出:

无

**全局变量:

无

**调用模块:

Lcd_WCom

******************************/

voidInit（）

{

Lcd_WCom（0x38）;

Lcd_WCom（0x0c）;

Lcd_WCom（0x01）;

Lcd_WCom（0x80）;

Lcd_WCom（0x80）;

Delayms（100）;

Disp_String（Table1,0x80）;

Disp_String（Table2,0x90）;

Disp_String（Table3,0x88）;

Disp_String（Table4,0x98）;

}