1、 学号 14112101* 毕业设计 (论文 ) 题目 : 基于单 片机的无线温湿度检测系统的设计 作 者 * * * 届 别 2015届 院 别 信息与通信工程学院 专 业 自动化 指导教师 职 称 完成时间 2015年 5月 18日 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) I 摘 要 温湿度测量在工业生产中有着广泛的应用，是人们日常生活中常见的物理量，工业生产、机械制造、制药、烟草、档案的保管、粮食的储存等领域对温度和温度有非常严格的要求。传统的温湿度传感器需通过较复杂的电路才能将温度信号转化为数字信号，且远距离传输会引起很大误差。监控室与现场之间必须敷设大量的电缆，非常麻烦。所以为了适应工农业
2、生产需要、为了满足大型场所的测量、为了能进行方便快捷的维护操作， 文中 设计的系统采用无线温湿度检测的方案，不必敷设电缆，可以节省费用和时间。该采集系统 分为采集 模块和数据处理模块， 以 AT89C52 芯片为主 控芯片 ，利用数字式温湿度传感器 DHT11 进行 温度和湿度的数据采集 ， 采用 nRF24L01无线传输模块进行无线通信 ， 显示屏 LCD1602 对温湿度进行显示。 使用 Keil C51 编程软件 对系统进行软件设计，最后完成 实物 制作 并对 实物 进行测试 。测试结果显示，系统 能够 将采集到的数据经 无线传输后在 LCD1602 上实时 显示， 可 实现 温湿度采集
3、 、无线传输和显示 功能，并能 在温度或者湿度在超过报警上限时发出警报 ， 因此具有 一定 的应用价值 和应用前景 。 关键词 ： 温湿度测量； AT89C52；温湿 度传感器；无线传输 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) II Abstract Temperature and temperature requires strict very much in industrial production, machinery manufacturing, pharmaceutical, tobacco, file storage, grain storage and other fields. T
4、he traditional temperature and humidity sensors required by the complex circuit to make temperature signal into digital signal, it will cause big error for the remote transmission. Its very troublesome to lay a number of cables between the control room and the scene. In order to adapt to the industr
5、ial and agricultural production, the needs of large places measurement, maintain and operation convenient. This system is based on wireless transmission so it can save cost and time and without cable. The acquisition system is divided into the acquisition module and the data processing module, based
6、 on AT89C52, Temperature and humidity data acquisition of the digital temperature and humidity sensor DHT11, Wireless communication with nRF24L01 wireless transmission module, Temperature and humidity display LCD1602. Using Keil C51 to design the software of the system, then complete the physical pr
7、oduction and test it. Test results shows that the system can display the collected data after the wireless transmission and can be displayed on LCD1602 in real time., Temperature and humidity, wireless transmission and display functions can be achieved, And it can issue an alert when temperature or
8、humidity exceeds the limit of the alarm, So, it has certain application value and application prospect. Key Words : Temperature and humidity measurement; AT89C52; humidity sensor; wireless transmission 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) III 目 录 摘 要 . I Abstract. II 第一章 绪 论 . 1 1.1 温湿度检测技术的简介 . 1 1.2 温湿度检测技术的发展历程与意义 .
9、 1 1.2.1 温湿度检测技术的发展历程 . 1 1.2.2 单片机的发展 . 2 1.2.3 温湿度检测技术研究的意义 . 3 1.3 论文的组织结构 . 3 第二章 温湿度检测系统的基本原理和设计方案的选择 . 4 2.1 系统的基本原理概述 . 4 2.1.1 系统功能 . 4 2.1.2 系统总体功能设计 . 4 2.2 系统设计方案选择 . 5 2.2.1 主控芯片选择 . 5 2.2.2 温湿度传感器的 选择 . 5 2.2.3 无线模块选择 . 5 2.2.4 显示模块选择 . 6 2.3 设计要求 . 6 2.4 本章小结 . 6 第三章 系统硬件设计 . 7 3.1 总体结
10、构设计 . 7 3.2 数据采集模块设计 . 7 3.2.1 单片机控制模块 . 7 3.2.2 温湿度采集模块 . 10 3.2.3 无线传输模块 . 12 3.3 数据处理模块 . 15 3.3.1 单片机控制模块 . 15 3.3.2 数据处理模块中的 无线传输模块 . 16 3.3.3 LCD1602 液晶 显示 模块 . 16 3.6 本章小结 . 18 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) IV 第四章 系统软件设计 . 19 4.1 编程环境 . 19 4.1.1 编程环境介绍 . 19 4.1.2 编程语言 . 19 4.2 系统软件设计 . 19 4.2.1 数据采集模块软件设计
11、 . 19 4.2.2 数据处理模块软件总体设计 . 21 4.3 无线收发模块软件设计 . 22 4.3.1 无线发射模块软件设计 . 22 4.3.2 无线接收模块软件设计 . 22 4.4 本章小结 . 23 第五章 系统性能测试 . 24 5.1 软件调试 . 24 5.1.1 件调试工具 . 24 5.1.2 软件调试原理及结果 . 25 5.2 硬件调试 . 26 5.2.1 所设计出来的硬件 . 26 5.2.2 硬件调试方案 . 27 5.2.3 测试结果 . 27 5.3 本章小结 . 29 第六章 总 结 . 30 参考文献 . 31 致 谢 . 33 附录一 检测发送模块
12、原理图 . 34 附录二 接收显示模块原理图 . 35 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 1 第一章 绪 论 1.1 温湿度检测技术 的简介 无线温 湿 度检测器是一种用于仓库和蔬菜大棚等具有温 湿 度检测、无线传输、温 湿 度显示和超限报警功能的仪器。 系统 由发送端和接收端两部分组成。发送端 将 温度传感器检测到的温度值经单片机进行数据处理后， 通过 无线收发模块无线发送，接收端将接收到的数据信息显示在液晶屏上，并附加温度限设置和超限报警功能。 无线检测系统需实现参数信息实时且快速 有效 的检测，其 服务模式是向人们提供 一个更高效 ，更快捷 、更全面 服务。由于当前 的检测技术 比较滞后
13、，检测 过程 中 会遇到很多困难和难题 ， 本论文便着手研究 更好的检测方案 ， 利用 现有的 无线检测 技术 ，在 传统 的 检测方法 里寻找突破 ， 努力让 检测水平 达到一个新的高度，提供 科学 可靠的检测数据，使用无线检测网络，可以大大降低布线和管理的难度 ， 也可以大幅减少物力、人力、资金的投入，从而降低成本。 无线检测系统具有 不借助外部网络、快速安装、抗毁性强等特点，可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量的、可靠的数据信息。 1.2 温湿度检测 技术的 发展历程与意义 1.2.1 温湿度检测 技术 的 发展历程 温度测量是现代检测技术非常重要的组成部分，在保证产品的质
14、量、节约能源和生产安全等方面起着尤其关键的作用。在温度测量方面 1，各个国家都有着自己的研究成果，前苏联研究出了分辨能力达到了 0.0001的 压电石英频率温度计，具有温度与频率线性特性 温度范围而在 -40 230之间 ， 理论上可达0.00001。 美国的 25 欧标 准铂电阻温度计 ， 分辨 率 甚至有 0.00002， 我国生产的石英温度检测 器 误差在 0.05以内， 分辨率高达 0.0001。我 国航天工业总公司研制的 5901(STP-1000)型粘贴式测温片，静态测温精度为 0.5%，快速响应时间小于 0.013s。 人类 在 18 世纪 就发明了干湿球湿度计，这种湿度计的准确
15、度取 决于干球、湿球两支温度计本身的精度，这种湿度计必须处于通风状态，在 纱布水套、水质、风速都满足一定要求 的时候 ，才能达到规定准确度。 这种 湿度计的准确度一般只有 5 7 RH，只能算是勉强可以用来测量湿度 ，不适用于要求比 较高的场所 。湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 2 随着科技的发展，近几十年来特别是近 20 年电子式湿度传感器发展起迅速，湿度传感器的准确度越来越高，电子式湿度传感器 2准确度可以达 2 3 RH。 湿度传感器研究方面 国外 比 国内起步的要早，目前处于国际领先地位的是德国和 美国，测量精度 可 达 2%RH。近几年，电阻式湿度传感器发展非常快，电阻式陶瓷湿度传
16、感器 在特性方面做了非常大的工作投入，并且在高分子电阻式湿度传感器上做了进一步的研究，这种传感器有出色的稳定性、精度和响应特性，应 当引起足够的重视 。根据工业自动化的控制要求， 为了满足更高精度领域的需要， 国内外正在进行新型湿度传感器的研制与开发。 大规模集成电路技术以及光通信技术的迅速发展，信息的传输和处理技术有着划时代的进展，发展相对比较滞后的传感器技术业得到了世界的普遍重视。所以，今后一个时期传感器技术会成为研究的新方向，有可能会形成较大产业。 1.2.2 单片机的 发展 单片机的发展 3历史 如果以 8 位单片机的推出作为起点的话 大致可分为以下几个阶段 ： （ 1）第一阶段（ 1
17、976-1978）：单片机的探 索阶段。以 Intel 公司的 MCS-48为代表。 它 的推出是在工控领域的探索，参与这一探 索的公司还有 Motorola 、Zilog 等，他们都 取得了 比较 满意的效果。这就是 SCM 诞生 的 年代， “单机片 ”一词也从此为人们所熟知 。 （ 2）第二阶段（ 1978-1982）单片机的完善阶段。 Intel 公司在 MCS-48 的 基础上 ， 推出了 MCS-51 系列单片机 ， 这一系列的单片机 功能 更加完善 、 性能更加稳定 。它为通用总线型单片机体系 奠定了 以下四个方面的 结构。 具有非常 完善的外部总线 结构 。 MCS-51 系列
18、 设置了 8 位 的总线结构，包括 8 位数据总线 结构 和 16 位地址总线 结构 以及 控制总线 和 可 以 拓展的具有更多 通信功能的串行通信 的 接口。 CPU 外围 的 一些 功能单元使用 集中管理 的 模式。 位地址空间 和 位操作方式 具有工控特性 。 指令系 逐渐 统趋于完善，并且 还额外 增加了许多 控制功能的指令。 （ 3）第三阶段（ 1982-1990）： 单片机向微控制器发展 阶段 ， 也就是 8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出 的 阶段 。 MCS-51 系列的 应用 越来越广泛，许多电气厂商都选择 使用 80C51 为 MCU， 逐渐单片机当中用到了 许
19、多测控系统中使用的 接口技术、电路技术、 多通道 A/D 转换模块、 可靠性技术等， 所以 智能控制的特征 得到了强化 ，也能 拓展出更多 外围电路功能 。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 3 1.2.3 温湿度检测技术 研究 的 意义 温度 和湿度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数 。伴随着工业农业中应用的科技飞速发展，对产品在生产过程中温度的测量需求也越来越多，也显得越来越重要。尤其是对温度要求比较严格，但是布线又不方便的情况下，这时就采用无线温度测量。 我国 进入 21 世纪后，特别 是 在加入 世贸组织后 4，国内的温湿度检测系统的产品 面临 着 巨大 的挑战。尤其是传统产业 ，
20、 急需运 用 自动控制技术 、 电子技术对产品 进行改造和提升。例如 在商业中 纺织行业 中 ，纺织品 的 质量 很大程度上受温湿度的影响 ，但 目前一些纺织企业对车间温湿度的测控手段仍然 十分落 后， 甚至有些还 在使用 测温贴片 ，采用人工调节 风机 、 阀门 的方法，其控制效果可想而知。在医学 制药行业 中，由于微生物对温度的要求很高，就需要高精度的温度监测，如果采用无线温度测量的话可以完全保证测温的无菌化 。 在农业中 ， 随着农业向产业化发展，必需摆脱 那些 落后的传统 的养殖 、 耕作 方式， 应该采用现代更加科学的技术来迎接进口农产品所带来的 挑战，同时 打进国外市场。 近年来
21、， 全国各地出现了 越来越多的新型温室大棚， 可以种植反季节花卉 、 蔬菜甚至水果 。 随着调温冷库的大量兴建 ， 温湿度测控技术的研究有了更加广阔的市场 。 1.3 论文的组织结 构 论文分为六章，各章的内容安排如下： 第 1 章 为绪论，主要介绍了 温湿度检测技术的 发展历程和意义； 第 2章 主要介绍了 温湿度检测技术 的基本原理和设计方案 并根据设计要求选取系统的主要功能模块器件。 第 3章 主要介绍了系统的硬件设计，包括 无线检测系统的发射端和接收端的电路设计，根据系统设计要求完成传感器数据采集模块、无线数据通信模块、报警电路、键盘电路、时钟振荡电路和复位电路设计。 第 4章 主要介
22、绍了系统软件方面的介绍， 包 括软件的编程语言和编程环境。 第 5章 主要介绍了系统性能方面的测试，从软件测试和硬件实物测试两方面具 体的进行了验证， 通过对无线检测系统的 实物进行 调试，对系统的数据可靠性、抗干扰能力、通信距离等方面进行测试。证明了系统的理论和实际应用的可行性。 第 6 章 对本论文进行 工作总结 。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 4 第 二 章 温湿度检测系统 的基本原理和设计方案 的选择 2.1 系统 的基本原理 概述 2.1.1 系统功能 根据设计要求，系统的主要内容（功能）如下： （ 1） 实现 温湿度 自动检测，能满足常用工农业环境中的温湿度检测需求 ； （
23、2） 实现无线传输功能 ， （ 3） 用 LCD1602 显示温湿度，温度单位； （ 4） 高温、高湿度自动报警 ，温湿度报警上限可调 ； 2.1.2 系 统总体 功能 设计 温湿度的检测的 方法 多种多样 ， 可以运用的技术和 可供选择的器件 也是 种类繁多 。 所以，系统的总体设计方案可以在满足系统整体性能指标的前提下，结合系统使用的环境，尽量 选择简单实用、容易 实现 的结构，器件的选用尽量满足 参数 合适、 性能 稳定、 功耗 较低、 成本 低廉 以及较好的互换性能 等性能指标 。系统尽量 采用近几年来 比较成熟的 温 湿度传感技术、无线通信技术、数据处理 技术和功能化模块来构造基本的
24、系统功能。 本系统采用 AT89S52 单片机作为主控制器，无线温湿度检测系统是一种基于射频技术的无线湿温度检测装 置。此系统由传感器 、接收机以及显示芯片组成。传感器由数字温湿度 传感器芯片 DHT11，单片机 AT89C52，低功耗射频传输单元 nRF24L01 等组成。如图 2.1 所示，温湿度传感器采集数据，将数据处理后经nRF24L01 发送出去，接收模块经 nRF24L01 接收来自传感器的数据，经处理、保存后在 LCD1602 上显示，若检测出温度超过所设定的 上限值，则发出警报，监测人员也可根据实际需要，设定符合特定场所 需要的温湿度上限值。 单片机对 nRF24L01 的对外
25、接口进行 SPI 读写操作，以此来控制 nRF24l01的工 作模式，将其设置成接收或者 发送数据的模式，从而完成无线数据传输。 温湿度 M nRF24L01 设置 M 液晶显示 传感器 C 无线发射 无线接收 C 电源 U 电源 U 报警 采集模块 接收模块 图 2.1 系统总体 架构 图 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 5 2.2 系统 设计方案 选择 根据硬件连接方式 以及各项功能的实现方法 ，将整个系统划分为信号采集与放大模块、模数转换模块、单片机模块、无线发射模块、液晶显示模块、电源模块。 2.2.1 主控芯片选择 方案一：采用传统的 AT89C525单片机作为主控芯片。此芯片价格
26、便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。 方案二：采用宏晶科技有限公司的 STC12C5A60S2 增强型 51 单片机作为主控芯片。此芯片内置 ADC 和 SPI 总线接口，且内部时钟 不分频，可达到 1MPS。价格适中。 从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用 AT89C52 作为本系统的主控芯片。 2.2.2 温 湿 度传感器的选择 方案一： 由于传感器 DS18B20 价格便宜，硬件简单，传感器直接输出数字信号，便于控制，并且 DS18B20 可以采用单总线传输，一根总线能挂载多个传感器，易于扩展。但是 DS18B20 的温度精度为 0.5C ，对于温度要求很严格的应用领域不大适合，
27、 而且需要自行拓展需要的湿度测量模块，过程相对比较复杂 ，所以 DS18B20 无法满足要求。 方案二： 采用了 高精度温度传感器 DHT11， DHT1167不但实现了温 湿 度的测量，而且灵敏度高、反应时间短，因此可作为此系统 电路的信号检测器。与目前大 多数传感器相比，它具有控 精度高、体积小、无污染、使用方便等优点。 从上述两个方案的对比看出 DS18B20 无法满足系统指标，我们采用 DHT11作为温 温湿度 度传感器。 2.2.3 无线 模块 选择 方案一：采用 GSM 模块进行通信， GSM 模块 功能的 实现， 需要借助 手机卡或者 移动卫星，虽然 能够 进行远距离传输，但是这种 方案的 成本 比较大， 而 且需要内置 SIM 卡，通信过程 需要收 取 费，后期 的 成本 也 比 较高。 方案二 ：采用 TI 公司 CC2430 无线通信模块，此模块 内部集成了高性能的8051 内核，并且 采用 Zigbee 总线模式， 它的 传输速率可 以 达 到 250kbps。但是此模块价格高昂 ， 不适用于此系统的设计， 且 Zigbee 协议相对比较 复杂。 方案三：采用 NORDIC 公司 生产的工作在 2.4GHz2.5GHz 的 ISM 频段的无线射频 收发器芯片 NRF24L0189模块进行通信， NRF24L01 是一款高 性能、
