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1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二一 年 月天津职业技术师范大学本科生毕业设计多传感器数据采集与传输电路设计Design of A Circuit for Multiple Sensors Data Acquisiton and Transmission专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学 院： 自动化与电气工程学院201 年 0 月摘 要在工业、农业和生活中，对温度和湿度数据的监测具有非常重要的实际应用。人们生活水平的改善和科技的不断进步，无论是农业还
2、是工业或日常生活中对温度和湿度数据监测都有越来越高的要求。本课题的设计基础是基于nRF24L01通信模块的无线多路温湿度数据采集与传输电路系统的设计，主要应用于特殊环境或工农业现场的温湿度采集与监测。系统采用无线通信技术和无线温湿度传感器采集技术，利用无线数据的通信技术能够在很大程度上降低空间布线所带来的施工难度和施工成本。本系统选用STM32单片机作为主控芯片，系统包括无线数据通信模块，DHT11温湿度传感器，LCD液晶显示模块，蜂鸣语音报警模块，以及模拟继电器LED指示等外围电路。系统由主机-从机-从机的结构体系组成，主机系统可同时对多个传感采样节点进行数据的汇集。传感器节点通过从机将实时
3、温湿度数据采集到单片机，经过数据运算再通过nRF24L01模块发送给主机，主机接收到从机的数据之后需要对数据进行测量和处理，与程序设定的上限值进行比对，判断监测传感节点的参数是否达到预警值，并对报警电路和模拟继电器模组进行相应的控制。最后经过实际的软硬件测试之后，本作品实现了STM32单片机采集多节点温湿度传感器数据，通过nRF24L01模块及特殊通讯协议进行一定距离的传输，最后在主机的LCD12864液晶上显示出来的模型。关键词：单片机；nRF24L01；传感器；主机；LCD液晶屏ABSTRACTIn the industry, agriculture and life, the monit
4、oring of the temperature and humidity has a very important practical application.The improvement of peoples living standards and the continuous improvement of technology, whether it is the agricultural or industrial or daily life of the temperature and humidity data monitoring are increasingly high
5、requirements.The basis for the design of the subject is based on nRF24L01 communication module of multi-channel wireless temperature and humidity data acquisition and transmission circuit system design, mainly used in special environment or agriculture and industry field of temperature and humidity
6、data acquisition and monitoring.System uses wireless communication technology and wireless temperature and humidity sensor technology, the wireless data communication technology can reduce the wiring space brought about by the construction difficulty and the construction cost in a great extent.The s
7、ystem use STM32 microcontroller as the main control chip. The system comprises a wireless data communication module, temperature and humidity sensor DHT11, LCD liquid crystal display module, buzzer voice alarm module, and LED indicator relay simulation and other peripheral circuits.The system consis
8、ts of a host computer architecture, and the host system can collect data from multiple sensing nodes simultaneously.Sensor nodes through from the machine will be real-time temperature and humidity data acquisition to the microcontroller, after data processing by nRF24L01 module to send to the host h
9、ost receives the need to deal with the data measured from the data on the machine, and procedures set upper limit value for comparison, judgment parameters monitoring sensor node whether it reaches the warning value and the alarm circuit and analog relay module were corresponding control.Finally aft
10、er the actual hardware and software testing, this work realized STM32 MCU acquisition multi node temperature and humidity sensor data, transmits a certain distance through the nRF24L01 module and special communication protocol, finally in the host LCD12864 liquid crystal display model.Key Words：CPU；
11、nRF24L01；Sensor；Host；LCD screen目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 课题的研究背景及意义11.3 国内外研究状况及发展趋势2第2章 系统总体设计32.1 系统总体方案设计32.1.1 系统功能32.1.2 系统方案32.2 系统各模块设计与选择42.2.1 温湿度传感器模块设计与选择42.2.2 无线数据传输模块的设计与选择52.2.3 电源的设计与选择52.2.4 单片机最小系统设计与选择62.2.5 显示电路设计与选择6第3章 硬件电路设计73.1 系统硬件组成73.2 CPU主控模块73.3 温湿度传感检测模块83.4 无线数据收发通讯模块93.5 L
12、CD液晶显示模块113.6 蜂鸣语音报警模块及模拟继电器LED指示模块113.7 电源驱动模块12第4章 系统软件设计144.1 软件的总体设计144.1.1 发送部分144.1.2 接收部分144.2 部分软件设计154.2.1 传感节点温湿度检测的软件设计154.2.2 无线发射模块软件设计154.2.3 无线接收模块软件设计164.2.4 LCD12864显示模块软件设计16第5章 系统的调试及实验结果185.1 调试步骤185.2 测试数据分析18结 论20参考文献21附录A：作品实物图22附录 B：STM32F103C8T6最小系统原理图23附录 C：无线收发模块电路图及LCD128
13、64电路图24附录 D：主函数及无线收发部分程序25致 谢34 35天津职业技术师范大学201 届本科生毕业设计第1章 绪论1.1 引言在现代测量控制系统中，均需要采集被测点传感器的数据，而且在数据的采集与处理过程中，往往都需要上位机对采集到的数据进行处理或加以统计。在检测点相对集中的地方，可以采用有线连接的通信方式进行数据的检测与收集。但是在一些特殊的环境下有线连接却不能满足实际需求。在测量点相对分散且分布不均匀的情况下，如果采用个有线数据采集的方式往往需要高昂的工程。例如具有腐蚀性的环境、无法在现场实施明线安装或者为了避免危险等许多特殊条件下，通过有线传输方式进行数据的采集，如通过 CAN
14、 总线、MAX485等方式等已经远远不能满足数据采集和传输的要求，如果采用无线数据通信的方式就体现出巨大的优势，因为无线数据传输不会受到地理环境、时间、季节、气候等外部条件的限制，具有相当广阔的应用和发展前景。1.2 课题的研究背景及意义由于社会的不断进步和工业生产的需求，采用无线数据通讯的方式进行传感监测节点数据的采集与传输已经广泛应用到我们的生活的各个方面。在一些工业现场的生产环境非常恶劣，工作人员无法长时间在现场观察生产设备的运行是否正常，此时就需要通过采集现场的某些运行数据并传输到一个相对较好的操控室，那么就会出现数据传输方式的问题。由于车间大、设备分布不均匀、需要传输数据较多，若使用
15、有线数据传输的方式需要铺设大量的通讯线，不仅浪费资源，占用空间，而且可操作性差，若出现问题或设备位置变动，就会需要重新布线，操作非常繁琐，不仅费时费力，更加大了生产成本。而且，如果数据采集点是处于运动状态、所处的环境比较特殊不允许或根本无法铺设电缆时，甚至数据无法传输，此时就需要通过无线传输技术进行数据采集与传输。在农业生产上，无论是对温室大棚内不同位置点的温湿度监测，还是粮仓的大范围监测管理，传统方法都是通过人工进行分区取样的方法，不仅工作量非常大，可靠性差，而且温室大棚或粮仓的占地面积大，检测位置比较分散，检测点较多，使用传统的方法已经无法满足当前农业发展的需要。在当前的先进科技水平下，无
16、线通讯技术的快速发展，使得远程无线温湿度采集测量的方法，不仅测量精确，而且简便易行。在日常生活中，随着社会的进步和人们生活水平的逐步提高，居住环境也逐渐变得更加智能化。现在很多的家庭都已经安装了室内温湿度采集控制系统，其主要原理就是通过无线通信技术采集室内环境的温湿度数据，并根据室内温湿度的情况进行遥控通风等安全操作，不仅可以自动调节室内温湿度，而且能够更好地改善人们的居住环境。以上简单列举了几个在实际应用场合的例子，在我们的日常生活中，无线温湿度采集与传输系统已经被逐渐应用于工农业的环境监测、军事国防和机器人控制等许多领域。目前在一些布线繁琐或不允许有明线的特殊场合都能够通过无线通信技术方案
17、解决。因此，就需要设计相应的通信接口系统，来控制无线射频模块的工作，一边完成可靠并且稳定的无线数据通信系统。1.3 国内外研究状况及发展趋势近年来，伴随着计算机技术的发展，无线射频通信技术在近几年也得到了迅猛的发展，目前国内的无线射频技术也逐渐成熟，很多公司开研发出种类齐全的射频无线数据传输模块和芯片。并且这些无线射频芯片不仅传输速率很快而且灵敏度也很高。如今此类的射频芯片正向着集成化和微型化的方向发展，很大程度降低了使用成本，因此无线射频芯片在嵌入式产品的研发中具有非常大的应用前景。目前，国内外很多知名厂商都很重视无线射频芯片技术研究，以及更好的应用到射频芯片的嵌入式系统中。随着射频技术的快
18、速发展，无线传输芯片的体积和尺寸也越来越微型化，功能也越来越丰富，加上辅助电路在性能上更加的优越，传输距离也越来越远，信号更加的稳定性，拥有更快点的传输速率和更强的抗干扰能力，特别适用于复杂的工业控制场合。目前Nordic公司已经成功推出一款nRF24L01芯片，同时国内很多公司也相继推出基于nRF24L01的无线传输模块。nRF24L01无线通信模块是目前市场上应用较为普遍的无线收发器件，其工作频段在2.4 GHz至2.5 GHz 之间。nRF24L01无线通信模块可以通过软件程序对通讯的通道及输出功率进行配置，不仅内部融合了ShockBurst技术，而且内部继承了多种功能模块，包括频率合成
19、电路、功率放大器及振荡器和解调器等。nRF24L01模块功率损耗特别低，在以-6dBm的功率发射时，模块的测试工作电流在9mA左右；模块工作在接收模式时，也只有12.3mA的工作电流，该模块的掉电模式和空闲模式等多种低功率工作模式使节能设计更加方便。目前这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。目前无线射频通信技术已经在很多工业和农业系统中得到了广泛的推广和实际应用，对施工成本和系统稳定性都的到了很大的提高：例如无线数据远程监测系统，粮仓温湿度检测系统，远程抄表系统，工业现场的无线数据检测系统，机器人控制等多种应用场合。这些先进技术的进步与发展以及实际应用给我们的日常生活带来了很大的便利。第2章
20、 系统总体设计2.1 系统总体方案设计2.1.1 系统功能温湿度的检测技术在日常生活和工程现场都会经常用到，由于科技的不断进步和生活水平的提高，对温湿度检测系统的检测精度有了越来越高的要求，传统的温湿度测量装置已经很难满足检测精度的要求，本设计采用DHT11作为温湿度传感器，使用低功耗STM32单片机。而且本课题采用nRF24L01无线模块对单片机采集到的温湿度数据进行近距离的无线传输，避免了传统的通讯线传输所带来的布线困难，成本高等问题。本设计采用STM32F103C8T6单片机作为主控CPU，外加DHT11温湿度采集模块、nRF24L01无线收发模块和数码显示模块组成整个系统，系统结构示意
21、图如图2-1所示。图2-1 系统结构示意图2.1.2 系统方案本系统包括：一个主机、两个从机、无线通讯模块、温度采集、湿度采集、继电器模组、报警电路、定时中断等子程序。开机时系统显示系统时间并复位，从机采集一组环境的实时温湿度数据，通过无线通讯模块将传感检测节点周围的温湿度数据发送给主机并在液晶上显示出来，主机通过程序判断是否达到预警值，并控制报警电路等相关模组工作的程序流程。本设计是以STM32F103C8T6单片机为CPU，以nRF24L01无线数据模块为通信方式的一套多传感器数据采集与传输系统，其中涉及到单片机与nRF24L01无线数据模块、温度与湿度检测、蜂鸣器语音报警、模拟继电器驱动
22、LED指示、LCD显示等部分电路的设计。整个系统的结构框图如图2-2所示。图2-2 系统结构框图2.2 系统中功能模块的选型2.2.1 温湿度检测模块的选型方案一：数字式温度传感器的选择在目前很多工农业场合很多采用DS18B20作为系统的测温元器件，由于该测温元件的输出信号为数字信号，能很好的与微控制器进行命令和数据的传输，并且该测温元件的外围电路要求简单，稳定性也相对不错，能够很大程度上简化硬件电路的设计，但其检测范围仅限于温度测量，检测功能单一，需要搭配湿度检测器件才能满足本设计要求，因此，该器件不适用于本系统的设计。方案二：DHT11传感器是一款能够输出温度和湿度的数字式温湿度一体传感器
23、，并且该传感器的输出信号已经经过校准后输出给控制器。为了确保该传感器的可靠性和稳定性，传感器内部采用了专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术。该传感器采用单总线的数据传输方式，并且其体积小，功耗低，传输距离能达到20米以上，能够很好的与单片机进行连接并嵌入到系统中。DS18B20与DHT11相比，在功能和检测精度上都低于DHT11温湿度传感器，因此本设计选用方案二作为环境数据的检测器件。2.2.2 无线数据传输模块的选型方案一：NRF24L01的工作频率在2.42.5GHz范围，是目前通用的一种基于ISM频段的无线数据收发器芯片。nRF24L01无线通信模块可以通过软件程序对通讯的通道及输出功
24、率进行配置，不仅内部融合了ShockBurst技术，而且内部继承了多种功能模块，包括频率合成电路、功率放大器及振荡器和解调器等。并且可以通过SPI通讯协议进行模块的驱动，编程方法简单，稳定性高。方案二：蓝牙模块是一种目前近距离数据传输比较常用的一种方式，蓝牙模块的数据传输距离在10cm10m左右，如果外加相关功率放大电路或某些外设，蓝牙的传输距离可以达到几十米。目前蓝牙技术虽然被描述的前景非常广阔，但是蓝牙技术现在还不是非常的成熟，其稳定性能不是很好，并且抗干扰能力也比较差，因此该技术还需要实际应用的严格考验。虽然蓝牙的通讯速率不是很高，但是在这个发展迅速的信息化和智能化时代，也有可能会对它的
25、发展有一定的影响。经过对比nRF24L01无线收发模块有较强的抗干扰能力，并且其稳定性和可靠性都优于蓝牙模块。为了实现系统的功能要求，本设计的无线传输模块最终选用nRF24L01芯片。2.2.3 系统供电电源的选型方案一：通过单相变压器将AC220V的交流电降压到AC12V之后，再经过由单向不可控二极管搭建的桥式整流电路对其进行进一步的电压整流处理，然后再将整流后的电压通过三端稳压电源芯片和相关滤波电路对其电压进行进一步的处理。例如可以LM7805稳压芯片实现稳压功能，该芯片的3脚可以将整流后的12V电压通过稳压芯片内部的稳压整流电路转换为DC5V的电压传输给系统供电，这个稳压电路的搭建相对简
26、单，但是其稳定性和转换精度不高。方案二：采用电源适配器，电源适配器能够很好的输出较为平稳的直流电压，其输出电流也相对稳定，并且电源适配器有塑料外壳能够起到电源芯片的防尘和防爆作用，其内部电路的功耗较低，稳定性也相对比较好，携带也比较方便。电源适配器一般都具有多种自我保护功能，使用更加安全可靠。经过对以上两种方案的对比，最终选择方案二作为本系统的供电方式，因为方案一在整个电路搭建过程比较复杂，成本较高，而且稳定性和安全性都低于电源适配器。2.2.4 单片机系统的选型方案一： STM32F103C8T6单片机，工作电压为3.3V，且含有32位的高速处理芯片。其运算和运行速度都非常快，编程环境是Ke
27、il uVision4，编程界面较为简单并且改控制器的强大之处在于其代码的移植非常方便，能够很好的进行编程。Cortex-M3系列的单片机的内部资源和接口非常强大，拥有多路串口、A/D接口、SPI接口及外部中断，能够很好的应用到系统中，并且该单片机的价格便宜，工作也稳定。方案二： AT89C51单片机，该单片机的外部IO资源和内部寄存器的资源相对较少，是目前市场上功能较为落后的一款控制芯片，但是该芯片是上市比较早的一款高性能的8位微处理器芯片，并且该芯片的市场价位相对较低，比较适合用于对系统稳定性和精度要求不是很苛刻的场合，而且该芯片的编程方法比较简单，非常适合刚开始接触微控制器的初学者。该该
28、芯片的运算速度相对于STM32单片机来说有一定的差距，而且其外部IO资源和寄存器较少，与STM32单片机相比较显得有些不足。经过对本系统的功能分析，因为本系统在整个工作过程中需要不断地对数据通过SPI接口发送和接收，对系统的运算速度有很高的要求，并且还用到了很多内部定时器及中断资源，因此选用STM32F103C8T6单片机作为系统的控制器芯片。2.2.5 人机显示模块的选型方案一：人机交互界面在每个系统中都有很重要的作用，LCD12864液晶显示就是一种常见的人机界面显示方式，LCD12864的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符号都可以通过编程的方式在液晶屏上显
29、示出来，LCD12864液晶屏与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。并行连接的数据显示和传输速度快，适合对显示速度要求高的场合，但是IO资源占用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其IO资源占用较少，对显示速度要求不高的场合可以选用串行方式连接。并且LCD12864液晶屏的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。方案二：选用数码管对数据显示。数码管一般都是七段数码管，分为共阴极数码管和共阳极数码管，其编程方式采用循环扫描将不同的数据和变量在数码管上显示出来，数码管的市场价格相对便宜，而且编程简单，
30、但是该模块只能显示简单的英文字母和阿拉伯数字，其显示效果相对较差，并且外围电路的搭建较为复杂，需要配合595等类型的锁存器使用，较为复杂。但是数码管的显示对单片机的初学者能起到很好的编程思路学习，但是本系统设计要求较高，不适应用数码管进行显示。经过对系统分析，最终选择方案一作为本系统的人机交互显示方式的模块。第3章 系统硬件电路设计3.1 硬件系统的组成本课题的硬件系统由一个主机和两个从机硬件电路组成，主机系统的电路由七部分组成，分别包括：CPU主控模块、DHT11温湿度一体传感器、nRF24L01通讯模块、LCD12864液晶显示模块、蜂鸣语音报警模块、模拟继电器LED指示模块以及电源驱动模
31、块。两个从机电路与主机电路有一定的差异，从机电路设计由五个电路模块组成，分别包括：单片机主控模块、温湿度传感检测模块、无线数据收发通讯模块、模拟继电器LED指示模块以及电源驱动模块。主机与从机的主要区别在于主机系统有人机显示界面，能够通过主机上的LCD12864液晶模块监控从机一和从机二所检测的传感节点位置的当前环境参数，起到整个系统的监控作用。3.2 CPU主控模块此次设计的芯片采用的是STM32F103C8T6单片机，由于STM32系列基于ARMCortex-M3内核的高性能单片机，其工作频率高达72MHz，芯片内部集成有高速存储器，丰富的I/O接口。内部包括多路ADC接口、串口、中断定时
32、器、硬件SPI、CAN通信以及外部中断等多种资源接口。STM32F103C8T6单片机的温度工作范围很宽，能够在零下40摄氏度到零上105摄氏度的范围里面正常工作。并且该单片机的工作电压一般在3.3V左右就能正常工作，其功耗非常低，因此能够很好的嵌入到大部分系统中。STM32单片机的系统原理图如图3-1所示。在单片机系统的设计过程中，设计者都非常注重复位电路的设计，因为复位系统是保证单片机系统在启动之后能否正常工作的一个重要过程，如果复位电路设计的不合理，甚至不正确，那么系统就无法正常启动，更无法运行后续的程序设计，导致整个系统程序停止，因此在系统复位电路的设计非常重要的一部分。复位电路设计如
33、图3-1右下图所示。STM32单片机晶振电路是CPU工作的心脏，所以在设计系统的晶振电路时一定要对单片机的内部机构性能有非常详细的了解，才能保证单片机能够正常的在系统中起到核心控制的作用，STM32单片机有两个晶振时钟源，一个是系统时钟源工作电路，该电路采用8M频率的晶振作为起振电路，外接两个22pF的电容辅助晶振电路的正常工作；另一个时钟源是STM32单片机特有的RTC时钟源，该单片机内部集成有RTC时钟电路，能够较容易的使用程序驱动内部RTC时钟的工作，使系统在对实时时间的程序编写及硬件电路的设计简化了很多问题。图3-1 STM32F103C8T6最小系统原理图3.3 温湿度传感检测模块D
34、HT11传感器是一款能够输出温度和湿度的数字式温湿度一体传感器，并且该传感器的输出信号已经经过校准后输出给控制器。为了确保该传感器的可靠性和稳定性，器内部采用了专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术。该传感器采用单总线的数据传输方式，并且其体积小，功耗低，传输距离能达到20米以上，能够很好的与单片机进行连接嵌入到系统中。DHT11温湿度传感器的湿度检测范围是2090RH；5RH的测量精度；温度检测的范围是050，2的测量精度，其额定供电电压在3.0至5.5V均可，供电范围较宽，响应时间短，最长不超过5秒，DHT11温度传感器有4个外接引脚，给传感器上电后，需要经过一秒钟左右的预热时间，因为刚上
35、电会有一个不稳定过程，所以在这段时间内控制器不需要发送任何指令个传感器。 DHT11实物如图3-2所示。图3-2的三个引脚中有两个是电源引脚，有一个是输出数据的引脚，只需要给模块供上正常的电压，然后就可以通过单片机的某个IO口从DHT11的输出引脚采集到所需要的温湿度数据。DHT11是数字式的温湿度传感器，所以其DATA端可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度数据，由于DHT11是通过单总线的通信方式进行检测数据的输出，所以仅需将MCU的一个IO接口与DHT11的DATA端连接在一起就能够进行实时温湿度数据的采集了，为了保证接收数据的稳定性和正确性一般都会在DHT11的输出端与单片机的连接
36、处焊接一个5K的上拉电阻，该电路的设计相对于其他电路来说比较简单。DHT11传感器典型应用电路如图3-3所示： 图3-2 DHT11实物图 图3-3 DHT11传感器典型应用电路3.4 无线数据收发通讯模块该模块由Nordic公司生产的nRF24L01单片收发芯片及相关外围电路搭建而成。nRF24L01无线通信模块是目前市场上应用较为普遍的无线收发器件，其工作频段在2.4 GHz至2.5 GHz 之间。nRF24L01无线通信模块可以通过软件程序对通讯的通道及输出功率进行配置，不仅内部融合了ShockBurst技术，而且内部继承了多种功能模块，包括频率合成电路、功率放大器及振荡器和解调器等。n
37、RF24L01芯片的功耗低，当该模块的发射功率在-6dBm时，实际的测试的模块电流仅在9mA左右；模块工作在接收模式时，也只有12.3mA的工作电流，该模块的掉电模式和空闲模式等多种低功率工作模式使节能设计更加方便。图3-4 nRF24L01无线通讯模块结构图及实物（1）nRF24L01芯片的引脚排列及各引脚功能描述如下图所示。图3-5 nRF24L01芯片引脚引脚功能说明引脚功能CE使能发射或接收CSN，SCK，MOSI，MISOSPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01IRQ中断标志位VDD电源输入端VSS电源地XC2，XC1晶体振荡器引脚VDD_PA为功率放大器供电，输出为1
38、.8 VANT1,ANT2天线接口IREF参考电流输入（2）nRF24L01模块有四种工作模式，包括发射模式、接收模式、空闲模式及掉电模式，这四种工作模式可以通过配置其内部寄存器进行设置，配置原则如表3.1所示。从表3.1可以看出，当nRF24L01模块工作在待机模式1状态时，没有任何数据的传输，因此其工作的电流损耗将会在最低状态；如果使模块处于待机模式2状态时，需要CE=1且寄存器FIFO内部为空；当模块在掉电模式时，模块将会进入待机模式，虽然此时模块在待机模式，但是仍然会保留寄存器所有的配置的数据，此时模块的电流损耗最小。表3.1 nRF24L01模块的工作模式模式PWR_UPPRIM_R
39、XCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX_FIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0-3.5 LCD液晶显示模块在本系统中LCD12864液晶显示用于显示当前的日期时间、主机周围的温湿度数据以及从机一和从机二周围的温湿度数据。LCD12864的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符号都可以通过编程的方式在液晶屏上显示出来，LCD12864液晶屏与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。并行连接的数据显示和传输速度快，适
40、合对显示速度要求高的场合，但是IO资源占用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其IO资源占用较少，对显示速度要求不高的场合可以选用串行方式连接。并且LCD12864液晶屏的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。虽然本系统中单片机接口资源丰富，但是考虑减轻电路焊接的工作量，所以采用串行传输的方式与LCD12864液晶显示屏连接通讯。LCD12864液晶显示屏实物如图3-6所示。3.6 蜂鸣语音报警模块及模拟继电器LED指示模块由于蜂鸣器是直流电压驱动期间，只需给蜂鸣器供上额定的电压就能驱动蜂鸣器发出响声。单片机驱动蜂鸣器有两种方式：一种是通过
41、单片机输出PWM直接对蜂鸣器进行驱动，另一种是通过单片机的IO电平翻转产生不同的驱动波形对蜂鸣器进行驱动。因为蜂鸣器的工作电流比较大，所以无法直接通过单片机的IO口进行驱动，一般需要通过放大电路才能驱动蜂鸣器发出声响。驱动电路如图3-7所示。图3-6 LCD12864液晶显示屏图3-7 报警驱动电路3.7 电源驱动模块电源适配器能够很好的输出较为平稳的直流电压，其输出电流也相对稳定，并且电源适配器有塑料外壳能够起到电源芯片的防尘和防爆作用，其内部电路的功耗较低，稳定性也相对比较好，携带也比较方便。电源适配器一般都具有多种自我保护功能，使用更加安全可靠。此处我们选用5V-1A的直流输出型电源适配
42、器作为电源驱动模块。这种电源驱动模块安全可靠、运行稳定、工作效率高，并且适配器内部还设计了过流保护，这样就使得整个系统更加稳定。在该系统中还需要提供3.3V的电压作为单片机系统的供电电压，因此还需要设计5V转3.3V的稳压整流电路，系统选择AMS1117-3.3V稳压芯片，通过该稳压芯片的内部整流和稳压电路对输出电压进行精确的降压，保证控制系统电压的稳定性。5V转3.3V的稳压电路图如图3-8所示。图3-8 电源5V转3.3V驱动电路第4章 系统软件设计4.1 软件的总体设计4.1.1 发送部分对于发送部分的总体循环思路，首先对DHT11温湿度传感器进行初始化操作，然后从DHT11读出温度和湿
43、度数据，将得到的温湿度数据的转化成十进制，分别取温湿度数据的高两位（即整数部分）写入TX_buffer发送数据数组，然后初始化nRF24L01，将数据通过无线发送出去，其工作流程图如图4-5所示。4.1.2 接收部分对于接收部分总体思路的设计，首先对nRF24L01模块进行初始化操作，然后程序进入while(1)大循环函数进行扫描是否有接收中断信号的到来。如果检测到中断信号的到来就从RX_buffer读取数据，并将读取到的数据进行数据计算和处理后在LCD12864液晶显示屏上面显示出来，其工作流程图如图4-6所示。图4-5 发射部分总体流程图 图4-6 接收部分总体流程图4.2 部分软件设计4
44、.2.1 传感节点温湿度检测的软件设计为了确保通信数据接收的稳定性和准确性，对于DHT11温湿度检测传感器软件设计的测温原理必须遵循标准的单总线通信协议，单片机通过标准的时序写入和读出DHT11寄存器中的数据，包括初始化命令、等待应答脉冲、发送指令及数据合并计算等操作。传感器复位完成后，需要等待接收应答信号，然后发送扫描命令并启动温度转换，最后等待温度转换完毕后，保存数据。如此反复，完成所有操作，其流程图如图4-1所示。图4-1 DHT11 数据采集程序流程图4.2.2 无线发射模块软件设计首先需要对nRF24L01进行初始化，为了保证nRF24L01模块的正常通信，需要从两个部分进行初始化的
45、操作，一部分是对单片机的IO的设置，另一部分是对单片机硬件SPI内部寄存器的初始化配置。从机的nRF24L01模块需要通过配置SPI的总线将使其进入准确的发送工作模式。在系统进入数据发送阶段时，还需要将数据的目标地址及本机地址写入模块的缓冲区，待延时一段时间后，将数据发送出去。其软件的工作流程图如图4-2所示。图4-2 无线发射软件流程图4.2.3 无线接收模块软件设计主机在接收数据时，需要将nRF24L01模块配置为接收状态的工作模式。然后等待从机所发送数据的到来。当主机检测到有数据发来时，主机需要检测发送端的地址是否为有效地址，若通过有效地址和CRC校验时，模块会将发送端的数据存放到接收堆
46、栈中，然后寄存器发送信号通知单片机进行数据的接收，单片机进入接收中断，对数据进行完整的数据读取。其工作流程图如图4-3所示。4.2.4 LCD12864显示模块软件设计LCD12864显示电路采用串行接口连接方式，串行接口的电路连接方式能够有效节省单片机的IO资源，数据显示采用定时中断循环扫描的方式。PB7、PB8、PB9分别为LCD12864液晶显示的CS、SID、CLK，通过串行时钟与数据指令发送相应函数，依次在LCD上显示当前时间、主机房间的实时温湿度、从机一及从机二的实时温湿度，其流程图如图4-4所示。图4-3 无线接收软件流程图图4-4 LCD12864显示部分软件流程图第5章 系统的调试及实验结果5.1 调试步骤第一步： 设计硬件电路原理图，并完成系统硬件电路的焊接。第二步