无线温度湿度采集系统的设计(2)

1 绪论

1.1 引言

温度湿度在工农业生产中占有很重要的地位，是工农业生产的重要组成数据。温湿度过高会造成粮食发霉长芽，还会引起大棚蔬菜一系列的病害。因此，对其适时准确的测量就显得尤为重要。而一般的测量过程较为复杂繁琐，误差还大。比如现在所使用的水银，酒精温度计进行温度检测和用传统的物理模拟量的方法进行的湿度检测，这些温湿度检测计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。本设计以STC89S52为主要芯片，利用数字式温湿度传感器DHT10采集温湿度，把收集到的数据传给单片机AT89S52，再用无线发射模块NRF24L01将经过处理的数据发射出去。单片机通过模拟SPI口跟NRF24L01之间传送数据。同时，NRF24L01具有接收功能，接收模块的NRF24L01将接收到的数据传给STC89S52，最后用数字显示屏LCD1602将经过单片机处理后的数据显示出来。单片机体积小，价格低，且稳定性较强，操作灵活简单，误差较小，具有很高的应用价值。

1.2 选题背景及意义

温湿度的测量控制在农业生产，工业制造，仓库管理，科学研究等方面都有广泛的应用。然而，温度和湿度却是最不易保障的指标。由于温湿度控制不当，可能会导致无法估计的损失。传统的测量方法是有线测控法，实施起来不仅难度大，成本比较高，系统灵活性较差，而且维护起来也比较困难。针对这一情况，研制可靠且实用的温度和湿度检测与控制系统就显得非常重要。

如今，随着科技的进步，无线通信技术日趋成熟，如果将无线通信技术应用到温湿度的测量系统中，通过无线传输将传感器收集到的温湿度信息传送到控制显示终端，这样设计系统具有结构简单，采样点可灵活设置，系统适应性强等特点。符合向智能化，小型化方向的发展。另外此系统不需要A/D转换器将电信号转换成数字信号，而使用DHT10直接得到数字量，减去了不必要的麻烦。由此为出发点，根据自己所学的专业知识，用新型智能温度传感器DHT10，无线发射模块NRF24L01,单片机STC89S52，数字液晶显示器件LCD1602等主要元件设计这套无线温度湿度采集系统。

1.3 国内外现状及发展趋势

随着科技的飞速发展和普及，高性能设备也越来越多，各行各业对温湿度的要求也越来越高。 传统的温湿度监测模式是以人为基础，依靠人工轮流值班，人工巡回查看等方式来测量和记录环境状况信息。在这种模式下，不仅效率低下，还浪费

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无线温度湿度采集系统的设计

大量人才资源及财力资源，而且缺乏科学性，许多重大事故都是因为人为因素造成的，人工维护缺乏完整的管理系统。而无线监控系统就可以解决这样人才资源浪费，管理不及时的问题，这是由于它的智能化设计所决定的。它的工作步骤如下：感应环境温湿度；单片机判断感应到的温湿度是否异常；若感应到的温湿度异常，实行措施进行调节；判断异常是否超过预设时间，若超过预设时间，则输出异常信号报警；判断异常是否处理完毕，若处理完毕，解除报警。这样就可以利用控制器对机房温湿度进行监控，从而实现环境温湿度管理的实时性和有效性。故本次设计对于类似项目还具有普遍意义

智能温度传感器(亦称数字温度传感器）在20世纪90年代中期问世。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，温度计也越来越智能化。跟电子温度计一样湿度计随着湿度传感器的发展趋于成熟。现在常用的温度传感器AD590，DS18B20湿度传感器HMxx’系列，HS1xx系列，DHT系列随着温湿度计的发展温室监控系统也越来越成熟，更好的为人们服务。对于国内外对温湿度检测的研究，从复杂模拟量检测到现在的数字智能化检测越发的成熟，现在的对于温湿度研究，检测系统向着智能化、小型化、低功耗的方向发展。在发展过程中，以单片机为核心的温湿度控制系统发展为体积小、操作简单、量程宽、性能稳定、测量精度高，等诸多优点在生产生活的各个方面实现着至关重要的作用。

1.4 研究内容

设计以STC89S52基本系统为核心的一套检测系统。由温湿度采集、数据分析、数据处理三个部分。包括单片机系统，复位电路，温度检测，湿度检测，显示部分等模块。

该系统包括了硬件组成和软件的设计，该系统在硬件设计上主要是通过温湿度传感器对温湿度进行采集，通过A/D转换器，将模拟信号转化为对应的数字温度信号电压。其硬件设计中最为核心的器件是单片机STC89S52，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字温湿度电压值经计算机处理得到相应的温度值和相对湿度值，送到LCD显示器，以数字形式显示测量的温度和湿度。可以直观的看到测量点的温湿度。整个系统的软件编程就是通过c语言程序对单片机STC89S52实现控制功能。再通过NRF24L01整个发射出去。系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性能价格比高，较好的满足了现代生

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产和科研的需要。

2 系统总体设计方案

无线温度湿度采集系统是基于一种射频技术的无线温湿度检测的装置。

温湿度传感器液晶显示MCU无线发射无线接收MCU液晶显示图1 系统通讯方式及总体框图

2.1 温湿度传感器的选择

温度检测采用最基本的热电偶，热电偶应用广泛，虽然其价格便宜而且耐用。种类多，能够覆盖非常宽的温度范围，但是其非线性、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。湿度检测采用湿敏元件，其主要分为电阻式和电容式。湿敏电阻的种类多，灵敏度高，但是起线性度和产品的互换性差。湿敏电容灵敏度高，响应速度快，偏于实现产品小型化和集成化，但精度一般比湿敏电阻要低一些。综合湿敏元件，其线性度可抗污染性差，在湿度的检测环境中湿敏元件需要时刻在检测环境中，很容易受到环境污染从而影响其测量精度和持续的稳定性。

数字式传感器DHT10是sensiron公司生产的智能化温湿度传感器。体积与火柴头大小相似。不仅能够测量温度，还能同时测量相对湿度。所以能把SHT10作为温湿度检测的一个整体。DHT10作为典型的温湿度传感器，在测量过程中可对相对温湿度进行自动校准，准确的测量温湿度。产品互换性好，相应速度快，抗干扰性强。 由上可知，DHT10与温湿敏元件的温湿度测量相比，数字温湿度传感器低成本，内部集成复杂，在测量过程中可对相对温湿度进行自动校准，准确的测量温湿度。而且能够提供数字输出，简化外部测量电路，精度高，适用广泛的测量范围，并且本设计的温湿度检测系统相适合。因此，选择温度湿度传感器SHT10作为此次设计中的测量元件。

2.2 无线发射模块的元器件选择

本设计发射模块采用单片射频收发芯片NRF24L01,该芯片工作于433MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以10dBm 的功率发射时工作电流仅有 30mA，接收时工作电流

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无线温度湿度采集系统的设计

只有 12.5mA，多种低功率工作模式，待机模式下电流仅为12.5μA，节能设计更方便。其ShockBurst技术可在通讯时自动生成前导码和CRC校验位。nRF905适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、报警及安全系统、家庭自动化、遥感监测。

2.2.1 NRF24L01主要包括三种接口

（1）模式控制接口

该接口由PWR、TX_EN、TRX_CE组成控制由NRF24L01组成的高频头的四种工作模式：掉电和SPI编程模式；待机SPI编程模式 ；发射模式；接收模式。

（2）SPI接口

SPI 接口由 CSN、SCK、MOSI以及MISO组成。在配置模式下单片机通过SPI接口配置高频头的工作参数；在发射/接收模式下单片机SPI接口发送和接收数据。

(3）状态输出接口

提供载波检测输出CD，地址匹配输出AM，数据就绪输出DR。

表1 NRF24L01各个引脚的功能及说明

管脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 名称 管脚功能 电源 数字输入 数字输入 数字输入 时钟输出 数字输出 数字输出 数字输出 SPI接口 SPI接口 SPI时钟 SPI使能 地 地 说明 电源+3.3—3.6V DC TX_EN=1 TX模式 TX_EN=0 RX模式 使能芯片发射或接收 芯片上电 本模块该引脚废弃不用，向后兼容 载波检测 地址匹配 接收或发射数据完成 SPI输出 SPI输入 SPI时钟 SPI使能 接地 接地 VCC TX_EN TRX_CE PWR_UP uCLK CD AM DR MISO MOSI SCK CSN GND GND 2.2.2 NRF24L01的工作模式

NRF24L01有两种节能模式和两种工作模式。两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式。

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