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
2、的改善和科技的不断进步，无论是农业还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
3、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； nRF24L
4、01； 传感器 ； 主机； LCD 液晶屏 ABSTRACT In the industry, agriculture and life, the monitoring 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 d
5、aily life of the temperature and humidity data monitoring are increasingly high 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 s
6、pecial environment or agriculture and industry field of temperature and humidity 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 abou
7、t by the construction difficulty and the construction cost in a great extent. The system 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,
8、 and LED indicator relay simulation and other peripheral circuits. The system consists 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 t
9、o the microcontroller, after data processing by nRF24L01 module to send to the host host 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
10、 and the alarm circuit and analog relay module were corresponding control. Finally after 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 communicat
11、ion protocol, finally in the host LCD12864 liquid crystal display model. Key Words： CPU； nRF24L01； Sensor； Host； LCD screenI 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 课题的研究背景及意义 . 1 1.3 国内外研究状况及发展趋势 . 2 第 2 章 系统总体设计 . 3 2.1 系统总体方案设计 . 3 2.1.1 系统功能 . 3 2.1.2 系统方案 . 3 2.2 系统各模块设计与选择 . 4 2.2.1 温湿度传感器模块设计与选择 . 4
12、2.2.2 无线数据传输模块的设计与选择 . 5 2.2.3 电源的设计与选择 . 5 2.2.4 单片机最小系统设计与选择 . 6 2.2.5 显示电路设计与选择 . 6 第 3 章 硬件电路设计 . 7 3.1 系统硬件组成 . 7 3.2 CPU 主控模块 . 7 3.3 温湿度传感检测模块 . 8 3.4 无线数据收发通讯模块 . 9 3.5 LCD 液晶显示模块 . 11 3.6 蜂鸣语音报警模块及模拟继电器 LED 指示模块 . 11 3.7 电源驱动模块 . 12 第 4 章 系统软件设计 . 14 4.1 软件的总体设计 . 14 4.1.1 发送部分 . 14 4.1.2 接
13、收部分 . 14 4.2 部分软件设计 . 15 4.2.1 传感节点温湿度检测的软件设计 . 15 4.2.2 无线发射模块软件设计 . 15 II 4.2.3 无线接收模块软件设计 . 16 4.2.4 LCD12864 显示模块软件设计 . 16 第 5 章 系统的调试及实验结果 . 18 5.1 调试步骤 . 18 5.2 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 LCD12864 电路图 . 24 附录 D：主函数及无线收发部分程序 .
14、 25 致 谢 . 34 天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 1 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 总线、 MAX485
15、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，若使用有线数据传
16、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，无线通讯
17、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，其主要原理天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 2 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
18、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
19、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
20、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 。 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：
21、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。 天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 3 第 2 章 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
22、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
23、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，并控制报警电路主机从机一 从机二LCD 显示天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 4 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 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
24、 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，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
