基于Arduino無線溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)[共62頁]

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1、沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘 要 溫濕度控制已經(jīng)成為了21世紀(jì)熱門研究。無論是從生產(chǎn)還是生活，溫濕度都與我們?nèi)祟惗际窍⑾⑾嚓P(guān)的。而智能化的溫濕度控制系統(tǒng)的發(fā)展方向已成為一種必然趨勢。我們思維方式不可能一直原地不動，不能再堅(jiān)守舊時(shí)代利用大量人力資源來控制溫度和濕度的變化。這樣不但浪費(fèi)大量的人力財(cái)力資源，而且控制系統(tǒng)功能也比較單一化，適用場合也有很大的局限性。而使用自動的智能控制的方式，既節(jié)省了人力財(cái)力，更加體現(xiàn)出了與時(shí)俱進(jìn)的辯證思想，世界在進(jìn)步，而這種進(jìn)步就該體現(xiàn)在生活中的各個(gè)細(xì)節(jié)方面。傳統(tǒng)的溫濕度測量方法周期長，效率低，管理很不方便，發(fā)生故障時(shí)，更要花費(fèi)大量人力物力來查找。尤其是用于溫

2、室采樣數(shù)據(jù)頻繁情況條件下，采用無線傳輸系統(tǒng)更顯現(xiàn)出他的優(yōu)越性。該系統(tǒng)可對溫度實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和遠(yuǎn)程智能化在線檢測和預(yù)警。該系統(tǒng)在測溫精度上達(dá)到了一定的水平。而在溫度采集速度上，由于使用了獨(dú)立的溫度補(bǔ)償電路，有效地提高了溫度測量的靈敏度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。另外，由于使用了存儲芯片，可以保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的可靠性，是一種價(jià)格低廉方便實(shí)用的系統(tǒng)，可在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。 為了實(shí)現(xiàn)這種對環(huán)境狀況監(jiān)測，于是設(shè)計(jì)了一種基于Arduino的環(huán)境狀況監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino UNO為研究重點(diǎn)、編寫出Arduino UNO程序、實(shí)現(xiàn)將傳感器數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測平臺。以及用計(jì)算機(jī)作為客服端查看連接到Arduino UNO

3、上的傳感器數(shù)值。實(shí)驗(yàn)表明、這種設(shè)計(jì)能夠以經(jīng)濟(jì)、高效的方式實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集、可用于境狀況的快速監(jiān)測。 關(guān)鍵詞：Arduino；程序設(shè)計(jì)；環(huán)境狀況監(jiān)測 Abstract Temperature and humidity control has become a hot research in the 21st century. Both in terms of production and life, our human beings are closely linked to temperature and humidity. And the development direc

4、tion of intelligent temperature and humidity control system has become an inevitable trend. The way of our thinking can be changed. We are unable to stick to control the change of temperature and humidity with so many people in old stage. It is not only waste a lot of manpower resource, but also the

5、 function of control system is simplified and it is applied in occasion significant limitations. While using auto intelligent control not only save manpower but also reflects the dialectical thought of keeping pace with the time. The world has changed . This progress should be reflected in every det

6、ail of life. The traditional method of temperature and humidity measurement cycle is long, the efficiency is low and the management is not very convenient. When a failure occurs, people should spend a lot of manpower material resources to find it. Especially for greenhouse under the working conditio

7、ns of frequent sampling data, using wireless transmission system showed his superiority. The system can be achieved on the temperature field and remote intelligent on-line detection and warning. The system on temperature measurement accuracy achieves a certain level. Due to the speed, the temperatur

8、e measurement sensitivity is improved effectively and stability with the use of independent temperature compensation circuit. In addition, with the use of memory chips that can save the real-time data and improve the reliability of the system. It is a kind of low cost, convenient and practical syste

9、m that can be applied in the production. In order to realize environmental condition monitoring system based on Arduino was designed. Focused on Arduino UNO , we programed the Arduino UNO for sending the sensor data to public server. Tests show that this kind of design provide environmental conditi

10、on monitoring system more economy and convenient. Keywords: Arduino UNO;Programming;Environmental condition monitoring 目 錄 1 緒 論 1 1.1 課題研究背景 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 1.3 軟件技術(shù)的發(fā)展 2 1.4 無線通信技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 3 1.4.1 IEEE802．11 3 1.4.2 藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù) 3 1.4.3 NRF2401 4 1.5 論文的主要內(nèi)容 4

11、2 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì) 6 2.1 系統(tǒng)方案的確定 7 2.1.1 傳感器方案 7 2.1.2 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案 8 2.1.3 無線傳輸方案 9 2.1.4 數(shù)字式溫濕度傳感器選擇 10 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 13 3.1 溫濕度采集部分電路設(shè)計(jì) 13 3.1.1 關(guān)于單總線的說明 14 3.1.2 傳輸數(shù)據(jù)的格式 14 3.1.3 數(shù)據(jù)時(shí)序圖及傳送接收的步驟 15 3.2 環(huán)境因素對器件性能的影響 18 3.3 無線收發(fā)模塊NRF2401的配置 18 3.3.1 NRF2401 狀態(tài)機(jī) 20 3.3.2 NRF24L01

12、固件編程的基本思路 20 3.4 主從機(jī)系統(tǒng)電路接口設(shè)計(jì) 23 3.4.1 硬件抗干擾措施 24 3.4.2 小結(jié) 25 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 26 4.1 溫濕度測量子程序 28 4.2 小結(jié) 30 5 結(jié)論與展望 31 致 謝 32 參考文獻(xiàn) 33 附錄A 英文原文 34 附錄B 漢語翻譯 42 IV 1 緒 論 1.1 課題研究背景 進(jìn)入21世紀(jì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)，移動互聯(lián)網(wǎng)，乃至物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，推動了整個(gè)工業(yè)界對環(huán)境的監(jiān)測發(fā)展，為了保證工廠生產(chǎn)的順利進(jìn)行，首要問題是必須加強(qiáng)工廠車間內(nèi)部的溫濕度監(jiān)測，傳統(tǒng)的方式是通過干濕度表

13、，毛發(fā)濕度計(jì)，溫濕度試紙和溫度計(jì)等測試器材，通過人工去進(jìn)行監(jiān)測，對于不符合溫濕度要求的車間進(jìn)行通風(fēng)，去濕度等措施，這種人工方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且效率低下，并且得到的數(shù)據(jù)往往誤差大。隨著電氣技術(shù)，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，工廠的監(jiān)測，車間控制與管理的自動化已經(jīng)迫在眉睫，尤其是近年來車間生產(chǎn)的空間不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要，建立一種管理科學(xué)，操作簡便，運(yùn)行可靠的高效率的控制系統(tǒng)是必需的。在產(chǎn)品競爭日趨激烈化的當(dāng)下，產(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)境決定了產(chǎn)品的質(zhì)量以及后續(xù)產(chǎn)品的市場，對生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測凸顯了更加重要的地位。目前國內(nèi)一些基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫濕度采集雖然可以測量多個(gè)參數(shù)，但是大多數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，

14、價(jià)格昂貴，難以獲得廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)主要監(jiān)測工廠車間的溫濕度參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)車間的環(huán)境情況，通過控制器分析處理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制，達(dá)到恒溫，恒濕的狀態(tài)。從而提高工廠車間的科學(xué)管理化，控制自動化水平。如果使用一般有線的控制布線，則施工勞動強(qiáng)度大，投資大。本次擬改用科技創(chuàng)新的觀點(diǎn)，擬采用基于無線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思路，通過Arduino 硬件處理，軟件算法完成上述所需要的功能。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 溫濕度監(jiān)測屬于監(jiān)控系統(tǒng)的范疇，近年來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路和通信技術(shù)的發(fā)展，使監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，因此，溫濕度監(jiān)測技術(shù)的研究在軟硬件等方面都有了一定的進(jìn)展。

15、早期工廠車間溫濕度監(jiān)測主要采用溫度計(jì)測量法，他是將溫濕度放入特定的地點(diǎn)，根據(jù)不同地點(diǎn)的采集，管理人員往來于不同的地點(diǎn)，讀出的示數(shù)決定結(jié)果。這種人工的方法去監(jiān)測工廠車間的溫濕度具有一定的作用，但是由于溫濕度的精度，人工讀數(shù)的人為因素等原因，溫濕度監(jiān)測不僅速度慢，而且精度低，抽樣不徹底，局部溫濕度差別過大不容易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致監(jiān)測不準(zhǔn)確影響了生產(chǎn)的效率時(shí)有發(fā)生。 隨著科技的發(fā)展，從1978年開始，采用了電阻式溫度傳感器，采樣器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，報(bào)警器等組成的工廠車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)，他可對各生產(chǎn)車間的各個(gè)測溫點(diǎn)進(jìn)行巡回監(jiān)測，監(jiān)測速度，精度大大提高，降低了勞動強(qiáng)度，但由于電阻傳感器的靈敏度低，致使監(jiān)測精

16、度，系統(tǒng)可靠性還不夠理想。至1990年，工廠車間的溫濕度監(jiān)測有了很大的改善和提高，系統(tǒng)在布線上采用矩陣式布線技術(shù)，簡化了數(shù)據(jù)采集部分的線路，從而減少了傳輸線根數(shù)；現(xiàn)如今采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并采用各種手段提高數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)測速度，通過軟硬件技術(shù)的結(jié)合，監(jiān)測精度和可靠性較前有很大提高。但溫度傳感器的線性度差，系統(tǒng)的監(jiān)測精度仍不理想，無法大面積推廣。近年來，隨著單片機(jī)功能的日益強(qiáng)大和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，溫濕度監(jiān)測的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性，要求越來越高。尋找最佳配置和最好的性價(jià)比成為工廠車間監(jiān)測研究的熱點(diǎn)。 國外在溫濕度監(jiān)測技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到了很成熟的地步，高科技數(shù)字式傳感器廣泛應(yīng)用于溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。這種傳感器

17、采用了半導(dǎo)體集成電路與微控制器最新技，在一個(gè)管芯上集成了半導(dǎo)體溫濕度監(jiān)測芯片，數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換芯片，計(jì)算機(jī)接口芯片，存儲芯片等，除了完成溫濕度監(jiān)測功能外，還可以完成預(yù)置范圍溫度，報(bào)警，多路A/D轉(zhuǎn)換，溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。由于?shù)字溫濕度傳感器直接傳出數(shù)字量，從而解決了溫度信號長距離傳輸問題以及傳輸過程中干擾和衰減而導(dǎo)致的精度降低等問題。 目前，國內(nèi)出現(xiàn)了豐富的數(shù)字傳感器配套產(chǎn)品，如遠(yuǎn)程控制模塊，中繼器，按插器，分線器等，技術(shù)也比較成熟。數(shù)字傳感技術(shù)，通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)成為當(dāng)今信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。 1.3 軟件技術(shù)的發(fā)展 近年來，各種計(jì)算機(jī)開發(fā)平臺有了

18、很大的發(fā)展，特別是Windows環(huán)境下的visual c ++，Java的不斷升級，數(shù)據(jù)庫功能增強(qiáng)，能夠使用ODBC驅(qū)動程序訪問各種數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并可使用ADO、DAO等各種應(yīng)用程序開發(fā)接口，操縱數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，管理數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫對象與結(jié)構(gòu)，方便地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、打印、查詢、自動控制等操作，為高性能的測控軟件設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。 1.4 無線通信技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 無線通信技術(shù)已經(jīng)在我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，目前應(yīng)用廣泛的短距離無線通信技術(shù)主要有IEEE802、WLAN、藍(lán)牙、ZigBee、NRF2401、微功率短距離無線通信技術(shù)等。與目前已經(jīng)具備相當(dāng)規(guī)模的無線長距離通信網(wǎng)

19、絡(luò)相比，短距離無線通信系統(tǒng)在基本結(jié)構(gòu)、服務(wù)范圍、應(yīng)用層次及通信業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)、話音)上，均有很大的不同。 1.4.1 IEEE802.11 802.11是個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802．1ib技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是無線局域網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，自發(fā)布之日起就得到了廣泛的應(yīng)用，迄今為止仍是應(yīng)用熱點(diǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)工作在2.4GHz的頻段上，采用了補(bǔ)碼鍵控(CCK)調(diào)制技術(shù)和直接序列調(diào)頻(DSSS)技術(shù)，最大傳輸速率可達(dá)11Mbit/S，并且可以根據(jù)情況的變化，在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s的不同速率之間自動切換，且在2Mbit/s、lMbit/s的速率時(shí)與802.11兼容，

20、它從根本上改變了WLAN的設(shè)計(jì)和應(yīng)用現(xiàn)狀，擴(kuò)大了WLAN的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在，大多數(shù)廠商生產(chǎn)的WLAN產(chǎn)品都基于802.11標(biāo)準(zhǔn)。 802.1la標(biāo)準(zhǔn)與802.11b同年制定，它工作在5GHz頻段上，使用OFDM(Orthogonal Frequeney Division Multiplexing)調(diào)制技術(shù)，支持6、9、12、18、24、36、48和54Mbit/s的傳輸速率。802.1lb與802.1la兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。802.1lb的優(yōu)勢在于價(jià)格低廉，但速率較低(最高11Mbit/s)：而802.1la優(yōu)勢在于傳輸速率快(最高54Mbit/s)且受干擾少，但價(jià)格相對較高。另外，

21、802.1lb與802.1la工作在不同的頻段上，不能工作在同一接入點(diǎn)(AP)的網(wǎng)絡(luò)里．，因此802.1lb與802.1la互不兼容。 為了解決上述問題，IEEE802．II工作組開始定義新的物理層標(biāo)準(zhǔn)802.1lg。802.119標(biāo)準(zhǔn)與以前的802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相比有以下兩個(gè)特點(diǎn)：在2.4GHz頻段使用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸速率提高到20Mbit/s以上：能夠與802.1lb的Wi-Fi系統(tǒng)互相連通，共存于同一AP的網(wǎng)絡(luò)里，保障了后向兼容性，延長了802.1lb產(chǎn)品的使用壽命，降低了用戶的投資。 1.4.2 藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù) 藍(lán)牙是由愛

22、立信、東芝、諾基亞、英特爾和國際商用機(jī)器公司等公布的一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，開發(fā)于上世紀(jì)90年代中后期。它是一種用于短距離的、點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)和語音傳輸?shù)纳漕l規(guī)范。開發(fā)該技術(shù)的目的是以近距離、無線為基礎(chǔ)為固定與移動終端建立臨時(shí)對等連接。藍(lán)牙的傳輸距離在1m到l0m之間，增加發(fā)射功率或配置專用的放大器后可使傳輸距離達(dá)到100m。 目前，藍(lán)牙設(shè)備在無線耳機(jī)、無線鍵盤等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但其國內(nèi)市場的推廣仍然十分不夠，其最大障礙是成本依然很高，藍(lán)牙模塊購買價(jià)格昂貴。 1.4.3 NRF2401 NRF2401（最新版本為NRF2401A，NRF2401AG為無鉛工藝版本）是

23、由Nordic公司出品的單芯片無線收發(fā)芯片，工作于2.4GHz～2.5GHz的全球免申請（ISM）頻率。芯片包括一個(gè)完全集成的頻率合成器，功率放大器，晶體振蕩器和調(diào)制器。發(fā)射功率和工作頻率等工作參數(shù)可以很容易的通過3線SPI端口完成。極低的電流消耗，在-5dBm的輸出功率時(shí)僅為10.5mA，在接收模式時(shí)僅為18mA。掉電模式可以很容易的實(shí)現(xiàn)低功耗需求。 1.5 論文的主要內(nèi)容 在傳統(tǒng)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于Arduino的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。對于溫濕度測量來說，一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)就是對環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償，對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。另外該系統(tǒng)屬于無線通信系統(tǒng)，因此也需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行驗(yàn)

24、證。主要研究內(nèi)容 包括以下幾方面： （1）選用溫濕度傳感器時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性、信號易于處理、傳送，便于多路測量，安裝方便，維護(hù)簡單，環(huán)境溫度補(bǔ)償容易的器件。 （2）在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)要盡量簡單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)盡量使用各種總線技術(shù)，以節(jié)約系統(tǒng)有限的I/O資源，并使系統(tǒng)電路盡量簡單。同時(shí)在硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，一定要增加抗干擾措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （3）軟件設(shè)計(jì)必須要有完善的思路，要充分考慮到各傳感器和無線收發(fā)器的時(shí)序，做到程序簡單，調(diào)試方便，盡量降低無線數(shù)傳的誤碼率。 （4）環(huán)境溫度和各種隨機(jī)噪聲都會對溫濕度數(shù)據(jù)的測量產(chǎn)生影響

25、，因此需要對環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償和誤差修正。 2 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì) 在工廠車間中，選取一個(gè)參考點(diǎn)，作為此次監(jiān)測的原型，溫濕度是主要的參數(shù)，將一個(gè)傳感器放置在車間的任意一個(gè)位置，溫濕度傳感器實(shí)際是一個(gè)終端設(shè)備，用于測量現(xiàn)場的溫度和濕度，并將監(jiān)測的溫度濕度值發(fā)送到另一塊模塊上，在終端上顯示出監(jiān)測的溫濕度值，以便進(jìn)行監(jiān)視管理和采取進(jìn)一步措施。 溫濕度對精密電子產(chǎn)品生產(chǎn)的車間來說尤其重要，否則會產(chǎn)生靜電以及水分侵蝕電子產(chǎn)品，導(dǎo)致不良率提高，因此，必須要控制在一個(gè)相對合適的溫濕度

26、范圍內(nèi)。這就要每個(gè)設(shè)備在監(jiān)控的同時(shí)必須能夠?qū)崟r(shí)更新。 同時(shí)該系統(tǒng)由Arduino 來完成，實(shí)時(shí)顯示，打印溫濕度的值。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為： （1）溫濕度監(jiān)測點(diǎn)若干（以實(shí)際需求為準(zhǔn)）； （2）測溫范圍：-30℃～+100℃； （3）測溫誤差：≤±0.5℃； （4）測溫重復(fù)誤差：≤±0.1℃； （5）測濕范圍：20-99%RH； （6）測濕誤差：≤±3％RH； （7）測濕重復(fù)誤差：≤±0.5％RH； （8）系統(tǒng)工作環(huán)境：-40℃～+85℃20～，20～99％RH，AC220V±15％. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 圖2.1 設(shè)計(jì)框圖 整個(gè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為兩層：由微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成上位

27、機(jī)用戶監(jiān)控層，Arduino系統(tǒng)構(gòu)成主控機(jī)控制層和分機(jī)測量層。主控機(jī)與分機(jī)采用主從式分布結(jié)構(gòu)，通過無線通信方式進(jìn)行通信。 2.1 系統(tǒng)方案的確定 本監(jiān)測系統(tǒng)采用近幾年來成熟的各種溫濕度傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理控制技術(shù)和功能化模塊來構(gòu)造基本的系統(tǒng)功能。 總的設(shè)計(jì)思路是：從車間入手，根據(jù)車間布局，選擇合適的傳感器、溫度測量模塊、通訊端口、電纜、上位機(jī)等，根據(jù)車間的規(guī)格，確定檢測點(diǎn)設(shè)置幾層、每層多少個(gè)檢測點(diǎn)等，以決定選取電纜的長度、每根電纜上傳感器的個(gè)數(shù)，通訊端口、溫度檢測模塊需要的數(shù)量，上位機(jī)的規(guī)格等，實(shí)現(xiàn)一個(gè)車間溫濕度的自動檢測。因此，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)想為溫濕度采集模

28、塊、短距離無線通信模塊、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊等幾大部分。系統(tǒng)方案在溫濕度數(shù)據(jù)采集部分主要有三種構(gòu)想：一是溫濕度傳感器選用傳統(tǒng)的模擬式器件，二是選用集成式器件，三是選用數(shù)字式傳感器；在無線通信部分主要有三種構(gòu)想：一是采用藍(lán)牙技術(shù)，二是采用紅外線技術(shù)，三是選用無線數(shù)傳模塊（NRF）：在系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理部分也有兩種構(gòu)想：一是采用Arduino平臺作為控制系統(tǒng)，二是采用DSP進(jìn)行處理。 2.1.1 傳感器方案 實(shí)際使用的傳感器主要分為模擬式傳感器與數(shù)字式傳感器。傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。但是模擬傳感器的模擬信號處理過程復(fù)雜，且模擬信號在傳輸過程中，容

29、易受到電磁干擾而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。在多點(diǎn)溫濕度檢測的場合，各被測點(diǎn)到測試裝置之間引線距離往往不同，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全清除。另外，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度也不可能很高，存在一定非線性，互換性較差。 采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。數(shù)字式傳感器能把被測模擬量直接換成數(shù)字量輸出，可以直接與數(shù)字設(shè)備(計(jì)算機(jī)、數(shù)字顯示系統(tǒng)等)相聯(lián)，用DSP或計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號的處理。它的信號具有極高的抗干擾能力。數(shù)字式傳感器具有高的測量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號易于處理、傳送和自動控制，便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。雖然存在反應(yīng)速度較慢，

30、溫度測量的范圍不寬的缺點(diǎn)，數(shù)字式傳感器技術(shù)的發(fā)展仍受到人們越來越多的重視。 考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，確定溫濕度傳感器采用集成一體的數(shù)字式的。 2.1.2 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案 溫濕度數(shù)據(jù)在采集后通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對測控系統(tǒng)的控制。對于一般的工業(yè)測量與控制，多采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測控。專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立完整的功能實(shí)體，用Arduino或DSP來控制整個(gè)系統(tǒng)。最主要的特征是系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模完全根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求配置，獨(dú)立性、可擴(kuò)展性好，因此系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。根據(jù)微處理器的不同，專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

31、可分為DSP應(yīng)用系統(tǒng)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 DSP和單片機(jī)都是構(gòu)成專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心芯片，DSP主要用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理，DSP芯片中具有各種特殊功能的計(jì)算模塊，采用流水線結(jié)構(gòu)，提高了DSP的運(yùn)行速度。由于DSP主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部I/O接口比較少，不便于系統(tǒng)擴(kuò)展，因此多數(shù)DSP系統(tǒng)還要通過單片機(jī)來進(jìn)行外部接口擴(kuò)展，這導(dǎo)致了DSP的成本較高，另外，DSP具有一定的專用性，開發(fā)過程比較復(fù)雜，不便于通用。 而本系統(tǒng)采用的Arduino平臺作為溫濕度數(shù)據(jù)的處理和系統(tǒng)的控制。要了解Arduino就先要了解什么是單片機(jī)，Arduino平臺的基礎(chǔ)就是AVR指令集的單片機(jī)。Arduino是一

32、個(gè)能夠用來感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具。 它由一個(gè)基于單片機(jī)并且開放源碼的硬件平臺，和一套為Arduino板編寫程序 的開發(fā)環(huán)境組成。Arduino可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。Arduino項(xiàng)目可以是單獨(dú)的，也可以在運(yùn)行時(shí)和你電腦中運(yùn)行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）進(jìn)行通訊。Arduino板你可以選擇自己去手動組裝或是購買已經(jīng)組裝好的；Arduino開源的IDE可以免費(fèi)下載得到。Arduino的編程語言就像似在對一個(gè)類似于物理的計(jì)算平臺進(jìn)行相應(yīng)的連線，它基于處理多媒體的編程環(huán)境。

33、 為什么要使用Arduino？有很多的單片機(jī)和Arduino平臺都適合用做交互式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。例如：Parallax Basic Stamp， Netmedia’s BX-24，Phidgets，MIT’s Handyboard 和其它等等提供類似功能的。 所有這些工具，你都不需要去關(guān)心Arduino編程繁瑣的細(xì)節(jié)，提供給你的是一套容易使用的工具包。 Arduino同樣也簡化了單片機(jī)工作的流程，但同其它系統(tǒng)相比Arduino在很多地方更具有優(yōu)越性，特別適合老師，學(xué)生使用。成本低廉， 和其它平臺相比，Arduino板算是相當(dāng)便宜了。最便宜的Arduino版本可以自己動手制作，即使是組裝好的成品，

34、其價(jià)格也不會超過200元?？缙脚_ － Arduino軟件可以運(yùn)行在Windows，Macintosh OSX，和Linux操作系統(tǒng)。大部分其它的單片機(jī)系統(tǒng)都只能運(yùn)行在Windows上。簡易的編程環(huán)境 － 初學(xué)者很容易就能學(xué)會使用Arduino編程環(huán)境，同時(shí)它又能為高級用戶提供足夠多的高級應(yīng)用。對于老師們來說，一般都能很方便的使用Processing 編程環(huán)境，所以如果學(xué)生學(xué)習(xí)過使用Processing 編程環(huán)境的話，那他們在使用Arduino開發(fā)環(huán)境的時(shí)候就會覺得很相似很熟悉。軟件開源并可擴(kuò)展，Arduino軟件是開源的，對于有經(jīng)驗(yàn)的程序員可以對其進(jìn)行擴(kuò)展。Arduino編程語言可以通過C++

35、庫進(jìn)行擴(kuò)展，如果有人想去了解技術(shù)上的細(xì)節(jié)，可以跳過Arduino語言而直接使用AVR C 編程語言（因?yàn)锳rduino語言實(shí)際上是基于AVR C的）。類似的，如果你需要的話，你也可以直接往你的Arduino程序中添加AVR-C 代碼。硬件開源，可擴(kuò)展 Arduino板基于 Atmel 的ATMEGA8 和ATMEGA168/328 單片機(jī)。Arduino基于Creative Commons 許可協(xié)議，所以有經(jīng)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)需求設(shè)計(jì)自己的模塊，可以對其擴(kuò)展或改進(jìn)。甚至是對于一些相對沒有什么經(jīng)驗(yàn)的用戶，也可以通過制作試驗(yàn)板來理解Arduino是怎么工作的，節(jié)約開發(fā)成本，加快了產(chǎn)品開發(fā)的速度

36、。 對于不要求高速的一般的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采用DSP是不經(jīng)濟(jì)的方案。在Arduino能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，無異是首選的信息處理單元；當(dāng)然，也可以采取嵌入式的單片機(jī)。 2.1.3 無線傳輸方案 無線溫濕度測控系統(tǒng)中要解決的關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)通信的問題，因而溫濕度測控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也隨著各種通信方式的發(fā)展而不斷發(fā)展起來。根據(jù)通信方式的不同，目前國內(nèi)外主要有有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸常用的是同軸傳輸。在一般小范圍的監(jiān)控中，由于傳輸距離近，使用同軸電纜傳輸，對信號質(zhì)量損傷不大，施工方便，造價(jià)低。所以早期同軸電纜傳輸方式在監(jiān)控行業(yè)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。后來因?yàn)閭鬏?/p>

37、距離增加，直接使用同軸電纜傳輸，導(dǎo)致信號質(zhì)量無法保證。同軸傳輸優(yōu)點(diǎn)：近距離傳輸，施工簡單，布線方便，易于安裝調(diào)試。同軸傳輸缺點(diǎn)：受環(huán)境氣候影響，不能遠(yuǎn)距離傳輸，抗干擾能力差。無線傳輸是現(xiàn)在監(jiān)控系統(tǒng)常用的傳輸方式。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收發(fā)芯片。短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界干擾。射頻芯片一般采用FSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)

38、議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離，確定該部分電路設(shè)計(jì)使用無線收發(fā)芯片。無線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，通訊協(xié)議簡單透明，技術(shù)成熟。使用該種方案無線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)簡單。無線射頻收發(fā)芯片是

39、整個(gè)無線通信模塊單元的核心部件，在設(shè)計(jì)中選擇合適的芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本可以使研發(fā)過程少走彎路，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場。基于本系統(tǒng)的實(shí)際需求，應(yīng)該選用成本低、體積小、芯片發(fā)射功率較高、功耗低、集成度高、兼容性強(qiáng)、外圍元件少、抗干擾能力強(qiáng)、接口簡單、開發(fā)方便的無線射頻收發(fā)一體芯片。 常用無線射頻收發(fā)芯片主要有NRf2401、NRF2905、NRF2915等。其中NRF2401集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。NRF2401的外圍元件很少，僅10個(gè)左右。只包括一個(gè)4MHz基準(zhǔn)晶振(可與MCU共

40、享)、一個(gè)PLL環(huán)路濾波器和一個(gè)VCO電感，收發(fā)天線合一，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。 本系統(tǒng)選用NRF2401作為無線數(shù)據(jù)傳輸芯片。 2.1.4 數(shù)字式溫濕度傳感器選擇 數(shù)字溫濕度傳感器是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種數(shù)字溫度傳感器系列產(chǎn)品。在如此眾多的產(chǎn)品中如何選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負(fù)載能力如何，能否滿足多點(diǎn)測溫的需要；占用MCU的I/0引腳數(shù)情況如何，因?yàn)镸CU的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道

41、有限，多點(diǎn)溫度測量時(shí)，如果測量的點(diǎn)數(shù)超過了輸入通道時(shí)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時(shí)間，應(yīng)盡量節(jié)約；與MCU的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡單，溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有Philips公司的12C總線，Motorola公司的SPI總線，National Semiconductor公司的。Microwireplus總線，Dallas Semiconductor公司的1-Wire總線和Siemens公司的Profibus總線等。 （1）AD7418是是美國模擬器件公司(ADI)推出的單片溫度測量與控制用集成電路。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10位

42、A/D轉(zhuǎn)換器。測溫范圍為-55℃一+125℃，具有10位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為0.25℃，精度為±2℃，轉(zhuǎn)換時(shí)間為15一30ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)。AD7418可以級聯(lián)至多8片在同一個(gè)12C總線上。 （2）LM74是美國國家半導(dǎo)體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、△一Σ型A/D數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有SPI/Microwire兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。LM74具有休眠模式，在休眠時(shí)消耗的電流不超過10 Il A，適用于對功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。LM74在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá)0．0625℃的

43、分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間為425ms。 （3）MAX6575L/H是美國MAXIM公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡單，調(diào)試容易，使用方便。測溫范圍為-40～+125℃，其誤差范圍：在25℃時(shí)優(yōu)于±3℃，在85℃時(shí)優(yōu)于±4.5℃，在125℃時(shí)優(yōu)于±5℃。但是MAX6575L/H在其測溫范圍內(nèi)非線性誤差較MAX6575L的遠(yuǎn)距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在5m以內(nèi)，超過此范圍將采集不到被測溫度數(shù)據(jù)，這也是這種器件的一個(gè)弊端。 （4）DSl8820是美國Dallas半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至

44、上百個(gè)數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，而且，可以通過總線供電，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。DSl8820的測溫范圍-55～+125℃，固有測溫分辨率±0.5℃，由于每一個(gè)DSl8820出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號并存入其ROM中，因此CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。 （5）DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長

45、期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位Arduino板子相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。 由于DTH11獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測溫時(shí)有明顯的優(yōu)勢，占用M

46、CU的I/0引腳資源少，和MCU的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以，選用DTH11作為溫濕度測量的傳感器。 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構(gòu)想，下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總 體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。 圖3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)由溫、濕度數(shù)據(jù)采集、無線收發(fā)、Arduino數(shù)據(jù)接收處理及微機(jī)數(shù)據(jù)顯示幾部分組成。數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分主要以Arduino作為核心主機(jī)，以單片智能化濕度、溫度傳感器作為從機(jī)加上數(shù)據(jù)無線發(fā)送模塊。Arduino接收數(shù)據(jù)并通過串行口將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。

47、 3.1 溫濕度采集部分電路設(shè)計(jì) （1）典型應(yīng)用電路中建議連接線長度短于20米時(shí)用5.1K上拉電阻，大于20米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況降低上拉電阻的阻值。 （2）使用3.3V電壓供電時(shí)連接線長度不得大于100cm。否則線路壓降會導(dǎo)致傳感器供電不足，造成測量偏差。 （3）每次讀出的溫濕度數(shù)值是上一次測量的結(jié)果，欲獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),需連續(xù)讀取兩次，但不建議連續(xù)多次讀取傳感器，每次讀取傳感器間隔大于5秒即可獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 圖3.2 溫濕度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路框圖 3.1.1 關(guān)于單總線的說明 DHT11器件采用簡化的單總線通信。單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制

48、均由單總線完成。設(shè)備（主機(jī)或從機(jī)）通過一個(gè)漏枀開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線，而讓其它設(shè)備使用總線；單總線通常要求外接一個(gè)約 5.1kΩ的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。由于它們是主從結(jié)極，只有主機(jī)呼叫從機(jī)時(shí)，從機(jī)才能應(yīng)答，因此主機(jī)訪問器件都必須嚴(yán)格遵循單總線序列，如果出現(xiàn)序列混亂，器件將不響應(yīng)主機(jī)。 單總線傳送數(shù)據(jù)位定義：DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。 3.1.2 傳輸數(shù)據(jù)的格式 8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù) + 8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù) +

49、 8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)位。 注：其中溫濕度小數(shù)部分為0。 （1）校驗(yàn)位數(shù)據(jù)定義：“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù) + 8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù) + 8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”8bit校驗(yàn)位等于所得結(jié)果的末8位。 （2）示例一：接收到的40位數(shù)據(jù)為： 0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1101 濕度高8位 濕度低8位 溫度高8位 溫度低8位 校驗(yàn)位 計(jì)算：0011 0101+0000 0000+0001 1000+0000 0000= 0100 1101 接收數(shù)據(jù)正確：濕度：0011 0101=35H=53%

50、RH；溫度：0001 1000=18H=24℃ 示例二：接收到的40位數(shù)據(jù)為： 0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1001 濕度高8位 濕度低8位 溫度高8位 溫度低8位 校驗(yàn)位 計(jì)算：0011 0101+0000 0000+0001 1000+0000 0000＝ 0100 1101 01001101不等于0100 1001 本次接收的數(shù)據(jù)不正確，放棄，重新接收數(shù)據(jù)。 3.1.3 數(shù)據(jù)時(shí)序圖及傳送接收的步驟 用戶主機(jī)（MCU）發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT

51、11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信采集。信號發(fā)送如圖3.3所示： 圖3.3 數(shù)據(jù)時(shí)序圖 注：主機(jī)從DHT11讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測量值，如兩次測間隔時(shí)間很長，請連續(xù)讀兩次以第二次獲得的值為實(shí)時(shí)溫濕度值。 外設(shè)讀取步驟 主機(jī)和從機(jī)之間的通信可通過如下幾個(gè)步驟完成（外設(shè)（如微處理器）讀取DHT11的數(shù)據(jù)的步驟）。 步驟一： DHT11上電后（DHT11上電后要等待 1S 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間不能發(fā)送任何指令），測試環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，同時(shí) DHT11的DATA數(shù)據(jù)線由上拉電阻拉高一直保持高電平；此時(shí) DHT11的 DATA 引腳

52、處于輸入狀態(tài)，時(shí)刻檢測外部信號。 步驟二： 微處理器的I/O設(shè)置為輸出同時(shí)輸出低電平，且低電平保持時(shí)間不能小于18ms，然后微處理器的I/O設(shè)置為輸入狀態(tài)，由于上拉電阻，微處理器的I/O即DHT11的DATA數(shù)據(jù)線也隨之變高，等待DHT11做出回答信號，發(fā)送信號如圖3.4所示： 圖3.4 主機(jī)發(fā)送起始信號 步驟三： DHT11的DATA引腳檢測到外部信號有低電平時(shí)，等待外部信號低電平結(jié)束，延遲后DHT11的DATA引腳處于輸出狀態(tài)，輸出 80微秒的低電平作為應(yīng)答信號，緊接著輸出 80 微秒的高電平通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，微處理器的 I/O 此時(shí)處于輸

53、入狀態(tài)，檢測到 I/O 有低電平（DHT11回應(yīng)信號）后，等待80微秒的高電平后的數(shù)據(jù)接收，發(fā)送信號如圖3.5所示： 圖3.5 發(fā)送信號 步驟四： 由DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)，微處理器根據(jù)I/O電平的變化接收40位數(shù)據(jù)，位數(shù)據(jù)“0”的格式為： 50 微秒的低電平和 26-28 微秒的高電平，位數(shù)據(jù)“1”的格式為： 50 微秒的低電平加70微秒的高電平。位數(shù)據(jù)“0”、“1”格式信號如圖所示： 圖3.6 數(shù)據(jù)格式 結(jié)束信號： DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)后，繼續(xù)輸出低電平50微秒后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)，由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖?。但DHT11內(nèi)部

54、重測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，等待外部信號的到來。 3.2 環(huán)境因素對器件性能的影響 （1）溫度影響 氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于溫度。因此在測量濕度時(shí)，應(yīng)盡可能保證濕度傳感器在同一溫度下工作。如果與釋放熱量的電子元件共用一個(gè)印刷線路板，在安裝時(shí)應(yīng)盡可能將傳感器進(jìn)離電子元件，并安裝在熱源下方，同時(shí)保持外殼的良好通風(fēng)。為降低熱傳導(dǎo)，傳感器與印刷電路板其它部分的銅鍍層應(yīng)盡可能最小，并在兩者之間留出一道縫隙。 （2）光線影響 長時(shí)間暴露在太陽光下或強(qiáng)烈的紫外線輻射中，會使性能降低。 （3）恢復(fù)處理 置于極限工作條件下或化學(xué)蒸汽中的傳感器，通過如

55、下處理程序，可使其恢復(fù)到校準(zhǔn)時(shí)的狀態(tài)。在45℃和<10%RH的濕度條件下保持2 小時(shí)（烘干）；隨后在20-30℃和>70%RH的濕度條件下保持 5小時(shí)以上。 （4）配線注意事項(xiàng) DATA信號線材質(zhì)量會影響通訊距離和通訊質(zhì)量,推薦使用高質(zhì)量屏蔽線。 3.3 無線收發(fā)模塊NRF2401的配置 NRF2401 是NORDIC 公司最近生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，采用FSK 調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC 自己的Enhanced Short Burst 協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或是1 對6 的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模塊的GERB

56、ER 文件可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機(jī)愛好者只需要為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留5 個(gè)GPIO，1 個(gè)中斷輸入引腳，就可以很容易實(shí)現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為MCU 系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能。 圖3.7　NRF24L01功能框圖 NRF24L01 的框圖如3.7所示，從Arduino控制的角度來看，我們只需要關(guān)的六個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號，分別為CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。 （1）CSN：芯片的片選線，CSN 為低電平芯片工作。 （2）SCK：芯片控制的時(shí)鐘線（SPI 時(shí)鐘） （3）MISO：芯片控制數(shù)據(jù)線（Master input slave output） （4

57、）MOSI：芯片控制數(shù)據(jù)線（Master output slave input） （5）IRQ：中斷信號。無線通信過程中MCU 主要是通過IRQ 與NRF24L01 進(jìn)行通信。 （6）CE： 芯片的模式控制線。在 CSN 為低的情況下，CE 協(xié)同NRF24L01 的CONFIG 寄存器共同決定NRF24L01 的狀態(tài)（參照NRF24L01 的狀態(tài)機(jī)）。 圖3.8　NRF2401狀態(tài)機(jī) 3.3.1 NRF2401 狀態(tài)機(jī) NRF24L01 的狀態(tài)機(jī)。主要有以下幾個(gè)狀態(tài) （1）Power Down Mode：掉電模式 （2）Tx Mode：發(fā)射模式 （3）Rx Mod

58、e：接收模式 （4）Standby-1Mode：待機(jī)1 模式 （5）Standby-2 Mode：待機(jī)2 模式 上面五種模式之間的相互切換方法以及切換所需要的時(shí)間參照圖3.8所示。 3.3.2 NRF24L01固件編程的基本思路 （1） 置 CSN 為低，使能芯片，配置芯片各個(gè)參數(shù)。（過程見3.Tx 與Rx 的配置過程） 配置參數(shù)在 Power Down 狀態(tài)中完成。 （2） 如果是 Tx 模式，填充Tx FIFO。 （3） 配置完成以后，通過 CE 與CONFIG 中的PWR_UP 與PRIM_RX 參數(shù)確定24L01要切換到的狀態(tài)。 Tx Mode：PW

59、R_UP=1; PRIM_RX=0; CE=1 (保持超過10us 就可以)； Rx Mode: PWR_UP=1; PRIM_RX=1; CE=1; （4) IRQ 引腳會在以下三種情況變低： Tx FIFO 發(fā)完并且收到ACK（使能ACK 情況下） Rx FIFO 收到數(shù)據(jù) 達(dá)到最大重發(fā)次數(shù) 將 IRQ 接到外部中斷輸入引腳，通過中斷程序進(jìn)行處理。 3 Tx 與Rx 的配置過程 本節(jié)只是敘述了采用ENHANCED SHORT BURST 通信方式的Tx 與Rx 的配置及通信過程，熟悉了24L01 以后可以采用別的通信方式。 表3.1　Tx模式初

60、始化 初始化步驟 24L01 相關(guān)寄存器 寫Tx 節(jié)點(diǎn)的地址TX_ADDR TX_ADDR 寫Rx 節(jié)點(diǎn)的地址（主要是為了使能Auto Ack） RX_ADDR_P0 使能AUTO ACK EN_AA 使能PIPE 0 EN_RXADDR 配置自動重發(fā)次數(shù)SETUP_RETR SETUP_RETR 選擇通信頻率 RF_CH 配置發(fā)射參數(shù)（低噪放大器增益、發(fā)射功率、無線速率） RF_SETUP 選擇通道0 有效數(shù)據(jù)寬度 Rx_Pw_P0 配置24L01 的基本參數(shù)以及切換工作模式 CONFIG （1）寫Tx 節(jié)點(diǎn)的地址 TX_ADDR （2）寫Rx

61、 節(jié)點(diǎn)的地址（主要是為了使能Auto Ack） RX_ADDR_P0 （3）使能AUTO ACK EN_AA （4）使能PIPE 0 EN_RXADDR （5）配置自動重發(fā)次數(shù) SETUP_RETR （6）選擇通信頻率 RF_CH （7）配置發(fā)射參數(shù)（低噪放大器增益、發(fā)射功率、無線速率） RF_SETUP （8 ) 選擇通道0 有效數(shù)據(jù)寬度 Rx_Pw_P0 （9）配置24L01 的基本參數(shù)以及切換工作模式 CONFIG。 表3.2　Rx模式初始化 初始化步驟 24L01 相關(guān)寄存器 寫Rx 節(jié)點(diǎn)的地址RX_ADDR_P0 RX_ADDR_P0 使能AUTO AC

62、K EN_AA 使能PIPE 0 EN_RXADDR 選擇通信頻率RF_CH RF_CH 選擇通道0 有效數(shù)據(jù)寬度 Rx_Pw_P0 配置發(fā)射參數(shù)（低噪放大器增益、發(fā)射功率、無線速率） RF_SETUP 配置24L01 的基本參數(shù)以及切換工作模式CONFIG CONFIG 初始化步驟 24L01 相關(guān)寄存器 （1）寫Rx 節(jié)點(diǎn)的地址 RX_ADDR_P0 （2）使能AUTO ACK EN_AA （3）使能PIPE 0 EN_RXADDR （4）選擇通信頻率 RF_CH （5）選擇通道0 有效數(shù)據(jù)寬度 Rx_Pw_P0 （6）配置發(fā)射參數(shù)（低噪放大器增益、

63、發(fā)射功率、無線速率） RF_SETUP （7）配置24L01 的基本參數(shù)以及切換工作模式 CONFIG。 NRF2401 相關(guān)命令的宏定義 NRF24L01 的基本思路就是通過固定的時(shí)序與命令，控制芯片進(jìn)行發(fā)射與接收 表3.3　SPI指令接口 SPI接口指令 指令名稱 指令格式 操作 R_REGISTER 000AAAAA 讀配置寄存器 AAAAA指出讀操作的寄存器 W_REGISTER 001AAAAA 寫配置寄存器 AAAAA指出寫操作的寄存器地址 只能在掉電模式或待機(jī)模式下操作 R_RX_PAYLOAD 0110 0001 讀RX有效數(shù)據(jù)：1-3

64、2字節(jié) 讀操作全部從字節(jié)0開始 當(dāng)讀RX有效數(shù)據(jù)完成后，F(xiàn)IFO寄存器中有效數(shù)據(jù)被清除 應(yīng)用與接收模式下 W_RX_PAYLOAD 1010 0000 寫TX有效數(shù)據(jù)：1-32字節(jié) 寫操作從字節(jié)0開始 應(yīng)用于發(fā)射模式 FLUSH_TX 1110 0001 除TXFIFO寄存器 應(yīng)用于發(fā)射模式下 FLUSH_RX 1110 0010 清除TXFIFO寄存器 應(yīng)用于接收模式 在傳輸應(yīng)答信號過程中不應(yīng)該執(zhí)行此指令。也就是說，若傳輸應(yīng)答信號過程中執(zhí)行此指令的話將使得應(yīng)答信號不能被完整的傳輸 REUSE_TX_PL 1110 0011 應(yīng)用于發(fā)射端 重新使用上一包發(fā)射的有效

65、數(shù)據(jù) 當(dāng)CE=1時(shí) 數(shù)據(jù)被不斷重新發(fā)送 在發(fā)射數(shù)據(jù)包過程中必須禁止數(shù)據(jù)包重利用功能 NOP 1111 1111 控操作 可用來讀狀態(tài)寄存器 3.4 主從機(jī)系統(tǒng)電路接口設(shè)計(jì) 圖3.9　Arduino與NRF2401的接口 CPU選用基與Atmel 328P 的Arduino平臺，它既接收來自上位機(jī)(PC機(jī))的數(shù)據(jù)，同時(shí)將從PC機(jī)接收數(shù)據(jù)通過NRF2401以廣播形式發(fā)送給每個(gè)子系統(tǒng)。NRF2401的輸入數(shù)字信號DIN端與微處理器Arduino的TXD端相連，需發(fā)射的串行數(shù)據(jù)由DIN輸入；DOUT輸出數(shù)字信號與Arduino的微控制器的RXD相連，NRF2401解調(diào)出

66、來的信號由DOUT輸出到微處理器：PWR-UP為模式選擇與微處理器的P1．1相連，PWR_UP=I時(shí)NRF401正常工作；當(dāng)PWR＿UP=0時(shí)芯片處于待機(jī)模式，此時(shí)工作電流為8uA不能進(jìn)行接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。TXEN為發(fā)射允許控制端與微處理器的P1．0相連，TXEN=I時(shí)nRF401工作在發(fā)射模式，此時(shí)系統(tǒng)向外發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)TXEN=0時(shí)為接收模式。CS為信道選擇輸入，通過微處理機(jī)P1．2端進(jìn)行控制CS=0表示芯片工作在信道0(433．92MHz)，CS=1則工作在信道l(434．33MHz)。 3.4.1 硬件抗干擾措施 本系統(tǒng)的工作環(huán)境往往比較惡劣，系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中可能會遇到一些未知的 干擾，這些干擾有時(shí)會嚴(yán)重破壞系統(tǒng)的器件或程序，造成系統(tǒng)工作不正常，性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，甚至造成系統(tǒng)死機(jī)或崩潰。因此為了保證系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定、可靠的工作，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須周密考慮和解決抗干擾問題。通常抗干擾措施主要有兩種：硬件和軟件。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，硬件方面使用了下面一些方法，來盡量減少可能影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的一些干擾。 主要選擇體積小、集成化程度高、可靠性強(qiáng)并且能夠承受所處工作環(huán)境