基于单片机的多点温湿度采集与无线传输系统毕业设计.docx
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基于单片机的多点温湿度采集与无线传输系统毕业设计
毕业设计
题目:
基于51单片机的多点温湿度采集和无线传输系统
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日 期:
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日 期:
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日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
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日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
基于51单片机的多点温湿度采集和无线传输系统
摘要:
本系统是基于51单片机的多点温湿度采集和无线传输系统,由两个发射模块与一个接收模块组成。
发射模块利用数字温湿度传感器DHT11采集环境温湿度数据并传送给STC89C52RC单片机,单片机进行数据处理后利用无线传输模块NRF24L01进行无线发送。
同时,NRF24L01具有接收功能,接收模块的NRF24L01将接收到的数据传给STC89C52RC单片机,最后用数字显示屏LCD1602将经过单片机处理后的温湿度数据显示出来。
本系统能够完成同时远距离采集两点温湿度并在系统终端进行显示的功能,以达到监测多点环境温湿度的目的。
结果表明,本系统能够方便、高效、及时地测量出两个采集点的温湿度。
关键词:
STC89C52数据处理无线传输温湿度
Abstract:
Thisisamulti-pointtemperatureandhumidityacquisitionandwirelesstransmissionsystemwhichisbasedon51single-chipmicrocomputer.itincludestwotransmittermodulesandareceivermodule.TransmissionmoduleuseDHT11—digitaltemperatureandhumiditysensortocollecttemperatureandhumiditydataandtransmitthemtoSTC89C52RCmicro-controller.Themicro-controllerprocessthedataanduseNRF24L01—thewirelesstransmissionmoduletotransmitdatawirelessly.Atthesametime,NRF24L01havethefunctionofreception.NRF24L01ofthereceivermodulewilltransmitthereceiveddatatotheSTC89C52RCmicro-controller,andfinallyuseLCD1602—adigitaldisplayscreentodisplaytemperatureandhumiditydataafterthemicro-controllerprocessthereceiveddata.Thesystemcancompletesimultaneouslyandremotelythecollectionoftemperatureandhumidityandthedisplayofdatainterminalfeatures.Itachievedthepurposeofmonitoringmulti-pointtemperatureandhumidity.Theresultsshowthatthesystemcanmeasurethetwocollectionpointsoftemperatureandhumidityconveniently,efficiently,andtimely.
Keyword:
STC89C52dataprocessingwirelesstransmissiontemperatureandhumidity
1绪论
1.1引言
工业农业在国民经济中占据着重要地位,温度和湿度是工农业生产中一项重要的生产指标。
温湿度过低过高会对工农业生产带来非常大的损失,因此,对其进行连续准确的测量就显得尤为重要。
而一般的人工测量过程较为复杂繁琐,误差相对较大,效率极低。
本系统为一个多点温湿度采集与无线传输系统,能够实时监测环境温湿度,极大的方便了工农业生产。
此系统由两个发射模块与一个接收模块组成,可以进行多点温湿度检测。
发射模块利用数字温湿度传感器DHT11采集环境温湿度数据并传送给STC89C52单片机,单片机进行数据处理后利用无线传输模块NRF24L01进行无线发送。
同时,NRF24L01具有接收功能,接收模块的NRF24L01将接收到的数据传给STC89C52单片机,最后用数字显示屏LCD1602将经过单片机处理后的温湿度数据显示出来。
顾名思义,多点无线温湿度测量系统的特点在于多点、无线,这也是其优势所在[1]。
多点是指本系统能够同时对多个监测点的温度、湿度进行测量,无线是指不需要到达监测点,而是在远处对其进行远程的温湿度测量。
多点无线使温湿度测量更加方便高效,是其受到欢迎的重要原因,本论文的重点也放在了多点无线方面上。
此系统原理相对简单、成本低廉、功能多样,超高的性价比会使其在生产生活中得到广泛的应用。
本论文着重介绍了多点无线温湿度测量的制作原理和过程。
比如,元器件的选择、介绍、与硬件连接,系统的工作原理,软件的编程与调试。
1.2选题背景及意义
温湿度是我们日常生活中常常提到的词语,时时刻刻的影响着我们的生活,此外,温湿度也是工农业生产中一项重要的生产指标。
但是,温度和湿度却是最不容易保障的指标,如果不能保障适当的温湿度进行工农业生产,便有可能会导致无法估量的损失。
传统的人工测量耗时耗力,而且误差大,满足不了实时性,连续性,多点性。
针对这一情况,研究开发可靠且实用的多点无线温度和湿度测量系统就具有很大意义了。
当今,无线通信技术是科技发展的重要热点,已经成为信息交流的主要方式。
我们自然而然联想到多点无线测量系统中利用无线通信进行数据传输,把多个监测点的温湿度传感器采集到的数据通过无线传输到一个接收模块进行数据处理、显示,这样,便满足了温湿度测量的多点性、无线性,使测量起来更加方便高效。
而且利用无线传输系统结构简单,成本低廉,灵活性高,维护方便,必将在生产生活中得到广泛的应用。
另外此系统不需要额外的A/D转换器将模拟电信号转换成数字信号,而是使用DHT11直接得到温湿度的数字量,减去了不必要的麻烦。
以此为出发点,利用自己所学的专业知识,利用新型智能数字温湿度传感DHT11,无线发射模块NRF24L01,单片机STC89C52RC,数字液晶显示器件LCD1602等主要元器件设计这套多点温度湿度采集和无线传输系统。
1.3国内外现状及发展趋势
随着人们对生活舒适性的要求的提高和工农业生产对于高质量,高效率,高科技的追求,我们对温湿度的测量控制也越来越苛刻。
传统的人工测量模式不仅效率很低,而且还浪费大量的人力资源及物力资源,还有缺乏一定的科学性,许多重大生产事故和损失大部分是人为因素造成的。
人工测量缺乏完整的管理系统,而无线测量系统就可以完美解决这样的人力物力资源浪费,管理不及时的问题,这是此系统的智能化设计所拥有的过人之处。
目前,无线温湿度测量系统已成为热门[2-3]。
国内各行各业的飞速发展对于生产条件也提出了越来越多的要求。
某些行业高效率的生产对于温湿度有更为严格的控制,而且某些行业危险系数较高,测量极为不便,无线温湿度测量系统最近几年应运而生。
多点无线温湿度测量系统是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
当今的多点无线温湿度测量产品,功能单一,价格高,导致各行业的利用率普遍不高,所以仍有很大的发展前景。
现在国内外对于温湿度的测量正在由传统的人工测量向着新型的智能化测量发展,测量系统也正向着功能多样化、产品小型化、功耗极低化的方向发展。
在发展过程中,以单片机为主要单元的无线温湿度测量系统有着体积小、操作简单、量程宽、性能稳定、测量精度高等诸多优点,受到了测量系统开发者的青睐并且在生产生活的各个方面起着越来越重要的作用。
1.4研究内容
本系统是以STC89C52RC单片机为核心的一套多点温湿度采集与无线传输系统。
由温湿度采集、数据传输、数据处理三个部分组成,主要包括单片机系统,无线传输系统,电源电路,复位电路,温湿度检测,显示系统等模块。
系统设计的研究内容包括元器件的选择、电路的设计、程序的构架与编写、系统的调试等。
元器件的选择是一项重要内容,它决定了系统的成本、功能、性能等很多方面[4-5]。
选择元器件必须仔细对比比较,选测出合适的元器件进行系统设计。
电路的设计决定了系统的成败,要根据各个元器件的功能特性,设计出最佳的硬件电路,尽量做到正确无误、简单明了、性能稳定。
本系统发送模块的电路主要是是单片机STC89C52RC最小系统、温湿度传感器DHT11、发射模块NRF24L01的连接。
接收模块的电路是单片机STC89C52最小系统、接收模块NRF24L01,数字显示屏LCD1602的连接。
单片机STC89C52是整个硬件电路的核心,它一方面控制无线传输模块NRF24L01发送、接收数据,另一方面,将接收到的数字温湿度数据送到LCD显示器显示,可以直观的看到测量点的温湿度并进行监测。
整个系统的软件设计就是通过c语言程序对发射机、接收机的单片机STC89C52编程来实现其控制功能。
系统结构简介,功能强大,成本低,效率高,性价比较高,能较好的满足生产生活中对于温湿度的测量监测要求。
2系统架构
多点温湿度采集和无线传输系统是一种基于射频技术的测量装置。
本设计包括发送模块与接受模块,两块之间以无线传输方式进行通信。
发送模块包括发射机A1与发射机A2,接收模块是一个接收机B。
其通讯方式及总体框图如图2.1所示。
图2.1系统通讯方式及总体框图
3系统硬件设计
系统硬件电路设计分为发射机与接收机[6]。
两个发射机A1、A2的硬件电路设计完全相同,主要包括温湿度采集模块、主控模块、无线发射模块。
图3.1所示为发射机各个模块的关系。
图3.1发射机各个模块
接收机B主要包括无线接收模块、主控模块、显示模块。
图3.2所示为接收机各个模块的关系。
图3.2接受机各个模块
下面,将对各个模块的硬件设计进行详细介绍。
3.1主控模块
3.1.1单片机的选择
STC89C52是Atmel公司生产的一种低功耗,高性能CMOS8位微控制器,其价格便宜,功耗较低,完全满足本系统设计的要求,其功能特性如表3.1所示。
表3.1STC89C52的主要功能特性
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8k可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
512x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
STC89C52的引脚图如图3.3所示。
图3.3STC89C52引脚图
STC89C52的功能以及引脚完全可以满足本系统对于控制核心的要求,且其成本低,应用广泛,相关技术的使用已经很成熟,开发难度相对不高,所以,选择STC89C52单片机作为发射机、接收机的主控芯片。
3.1.2主控模块的硬件设计
STC89C52RC主控模块主要包括供电电路,晶振电路,复位电路。
1.供电电路
STC89C52RC采用5v电源进行供电,本系统供电电路采用了反接保护,滤波电容,电源指示灯,使电源更加稳定安全,电路图如图3.4所示。
图3.4供电电路
2.晶振电路与复位电路
晶振电路采用12M晶振,18,19引脚各接入2个22pf的电容与其共同组成晶振电路。
复位电路即STC89C52RC的RESET引脚接入一个10k电阻并接地,单片机正常工作时,保证此引脚电平一直处于低电平。
两部分电路图如图3.5所示。
图3.5单片机的晶振电路与复位电路
3.2温湿度采集模块
3.2.1温湿度传感器的选择
温度测量采用的是最基本的应用相对广泛的热电偶。
其优点是价价格便宜而且相当耐用,种类较多,能够测量非常宽的温度范围,但是其缺点是非线性、响应速度慢、精度中等、灵敏度低、稳定性低、高温下容易老化和有线性漂移,并且测量需要参考量。
湿度检测采用的是湿敏元件,主要分为电阻式和电容式。
湿敏电阻的种类多,灵敏度高,但是其线性度和产品的互换性差。
湿敏电容反应灵敏,体积小,但测量精度没有湿敏电阻精确[7-9]。
数字式温湿度传感器DHT11是sensiron公司生产的一款含有已校准数字信号输出的智能化温湿度复合传感器,功能,精度完全能满足本次系统设计的要求,且成本低。
它不仅能够测量温度,还能同时测量相对湿度,所以可以把DHT11作为温湿度检测的一个模块。
DHT11传感器内部含有一个8位的单片机,与之相连的是一个电阻式感湿元件和一个NTC测温原件来分别采集湿度和温度数据。
此传感器体积小,灵敏度高,功耗低,超高的性价比得到了很多场合的广泛应用。
DHT11数字温湿度传感器实物图如图示3.6所示。
图3.6DHT11数字温湿度传感器
由上可知,DHT11与温湿敏元件相比,它成本低,内部集成度高,在测量过程中可以调用储存在OTP内存中的校准系数对相对温湿度进行自动校准,能够更为准确地测量温湿度。
而且能够提供数字输出,不需要再进行A/D转化,简化外部电路,测量精度相对较高,可以测量较宽的温湿度范围。
DHT11数字温湿度传感器有4针单排引脚封装,电路连接简单,焊接方便。
因此,选择数字温湿度传感器DHT11作为本系统中的测量元件。
3.2.2温湿度采集模块的硬件设计
发射机中含有温湿度采集模块,它是指DHT11的硬件连接,本系统所选用的DHT11为4针单排直插封装,4个引脚说明如表3.2所示
表3.2DHT11的引脚说明
pin
名称
注释
1
VDD
供电3-5.5VDC
2
DATA
串行数据,单总线
3
NC
空脚,悬空
4
GND
接地,电源负极
本系统中DHT11的供电与STC89C52RC一样,采用图3.4所示的供电电路进行供电,NC脚在本系统中悬空,DATA引脚应连接STC89C52RC的P17口,用于两者通讯和同步。
DATA引脚是一个单线串行接口,是数字信号的输入输出端。
DHT11的硬件连接图如图3.7所示
图3.7DHT11的硬件连接图
3.3无线传输模块
3.3.1无线传输模块的元器件选择
本系统设计采用无线方式向终端传输温湿度数据。
GSM、蓝牙、zigbee、WLAN等方式均可进行无线传输数据[10]。
但考虑到成本及实用性,本系统无线传输模块采用单片射频收发芯片NRF24L01。
实物图如图3.8所示
图3.8NRF24L01实物图
1.NRF24L01的管脚
NRF24L01有8个引脚,各个引脚的具体说明如表3.3所示。
表3.3NRF24L01各个引脚说明
管脚
名称
管脚功能
方向
pin1
VDD
正电源输入
pin2
CE
工作模式选择,RX或TX
I
Pin3
CSN
SPI片选使能,低电平使能
I
pin4
SCK
SPI时钟
I
pin5
MOSI
SPI输入
I
pin6
MISO
SPI输出
O
pin7
IRQ
中断输出
O
pin8
GND
电源地
2NRF24L01的工作模式
NRF24L01有两种节能模式和两种工作模式。
两种节能模式是关机模式和空闲模式。
两种工作模式分别是接收模式和发送模式。
NRF24L01的工作模式由CE、寄存器内部PWR_UP、PRIM_RX三个引脚决定。
三个引脚决定其工作方式的具体方式见下表3.4。
表3.4NRF24L01的工作模式
工作模式
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
停留在发射模式,直至数据发送完
掉电模式
0
-
-
-
待机模式2
1
0
1
TXFIFO为空
待机模式1
1
-
0
无正在传输的数据
NRF24L01是我们开发设计小型项目的常用无线传输工具,它主要由五部分组成:
频率调制器,带解调器的接收器,功率放大器,晶体震荡器,调节器。
NRF24L01可以进行组网通信,正好满足多点测量的要求。
模块有多种模式可以切换,用此进行无线通信功耗极低,更加节能,有利于降低成本。
其ShockBurst技术可在通讯时自动生成前导码和CRC校验
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