毕业设计论文外界环境实时检测及无线传输系统设计

陕西理工学院毕业设计外界环境实时检测及无线传输系统设计作 者：（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1204班，陕西 汉中 723000）指导老师：摘要：外界环境主要包括温度、湿度、光照强度和灰尘浓度等，这些因素都会影响人们的生活，实时了解外界环境很有必要。本文主要采用主控芯片AT89S52对温湿度传感器DHT11，光敏电阻以及PM2.5传感器GP2Y1010AU的控制，实现对外界环境的检测，数模转换器采用的是ADC0832，然后通过NRF24L01的无线模块对采集的数据进行无线传输，最后显示在1602LCD屏上。该设计能够实现温度、湿度光照强度的实时检测，液晶屏上能准确显示出当前的数据。关键字：AT89S52，DHT11，光敏电阻，GP2Y1010AUIReal time Detection and Wireless Transmission System DesignAuthor:Wu Xumin(Grade 2012,Class 4,Major of Communication Engineering,School of Physics and Telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723003,Shaanxi)Tutor: Li CuihuaAbstract: The external environment mainly includes temperature, humidity, light intensity and dust concentration, etc.These factors will affect peoples lives，it is very necessary to understand the real-time of the external environment .This text mainly uses the chip AT89S52 to control these chips,such as the temperature and humidity sensor DHT11, the photosensitive resistance as well as the PM2.5 sensor GP2Y1010AU, to achieve the detection of the external environment .Digital to analog converter using ADC0832,And then through the NRF24L01 wireless module to collect the data for wireless transmission, and finally displayed on the 1602LCD screen. The design can realize the real-time detection of temperature and humidity light intensity, and the current data can be displayed on the LCD screen.Keywords:AT89S52,DHT11,Photosensitive resistance,GP2Y1010AUII目 录1 绪论12 方案论证22.1 显示电路方案22.2 无线传输方案22.3 系统总体方案设计23 硬件电路设计43.1 控制部分43.2模数转换部分63.3 信息采集部分73.3.1 温湿度采集73.2.2 光照强度采集83.2.3 灰尘浓度采集83.3 无线传输部分93.4 显示电路部分104 软件设计124.1 软件的总体设计124.1.1 无线发送模块124.1.2 无线接收模块134.2 软件的分步设计144.2.1 温湿度检测软件设计144.2.2 无线发送模块软件设计154.2.3 无线接收模块软件设计154.3 1602显示部分164.4 ADC模数转换部分165 系统调试196 总结20致谢21参考文献22附录A23附录B32附录C33附录D41IV1 绪论数字温度传感器（ 温度传感器）是在20世界90年代中期出现的。它是由微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）组成的芯片。目前，国际上已研发出很多数字智能温度传感器系列产品芯片。数字智能温度传感器的内部主要包含温度传感器、信号处理器、A/D转换器、存储器（或寄存器）和接口电路等。有的芯片还自带多路选择器、随机存取存？储器中央控制器、只读存储器。数字智能温度传感器的特点是输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器；并且在一定的基础上通过软件来实现测试功能的，它的检测智能化程度由软件开发水平来决定。20世界90年代中期，最先产生的数字智能温湿度传感器用的是8位A/D转换器，其测试温度精度较低、分辨力较差，会产生很大的误差。现在国内外已陆续推出多种高精度、高分辨力的智能数字温度传感器，其用的是912位A/D转换器。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力的数字智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125度，测温精度为2度，为了提高多通道的智能温度传感器的转换速率，有的芯片采用高速逐近逼近式A/D转换器。新型数字智能温度传感器的测试功能也在不断增强，另外，智能数字温度传感器正从单通道向多通道的转换，这就为研发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器的总线技术也达到了标准化、规范化的标准，它所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBvs总线和SPI总线。所谓外界环境，主要指的是温度，湿度，灰尘浓度，光照强度等。这些因素对人们的出行与生活产生重大影响，实时了解外界环境的状况在生活中很必要。温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来测量温度，通过人工操作来加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有采用半导体二极管作温度传感器的，但由于其互换性差，效果也不理想，在某些行业中对温度的要求较高，也不能很好的实现温度的实时检测和传输，由于工作环境不合理而引发的事故时有发生，对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全，因此，对传感器的要求也越来越高。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。本设计采用的是AT89S52单片机作为核心的微处理器，通过单片机控制温湿度传感器实现外界的温度湿度的检测，利用光敏电阻实现对光照强度的检测，利用PM2.5传感器实现对灰尘浓度的检测。无线模块采用的NRF24L01，实现对温湿度、光照强度、灰尘浓度的传输，各个指标的显示采用的是1602液晶屏。由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。通过对外界环境的检测让人们直观的看到各种情况下的影响，并找出最佳的外界环境，对种植大棚蔬菜有重大意义，以及观察各种生物的最佳的生活状态有重大影响。比如温室大棚蔬菜，通过对温度湿度光照等的观察，找出蔬菜的最佳的生长环境。 这次的设计主要分为五部分，首先就是课题研究的背景意义目的等的简介；其次就是方案的选择和对比，以及各种方案的优劣势等；第三部分就是本次设计的重点了，硬件电路设计，包括主要的控制芯片单片机，采集数据所用的各种传感器，传输数据的无线模块，以及最后显示数据的显示模块；第四部分是软件设计流程，根据各个模块的工作原理和工作顺序对系统的软件进行设计，最后主要是对整个设计的硬件电路进行调试了。2 方案论证本此设计中单片机的检测电路需要完成的基本任务有：数据自动采集，传感器将外界环境中的温湿度、光照强度、灰尘浓度的数据检测到，直接送给单片机需经过A/D转换和专门的数据采集部分；实时监测：在24小时内是实时地检测出外界环境的数据；自动显示：有数码管自动地显示检测的数据；无线传输：将接收的数据通过无线模块进行传输。2.1 显示电路方案方案一：采用数码管动态显示使用七段LED数码管，采用动态显示的方法来显示各项指标，此方法虽然价格成本低，但是显示单一，且功耗较大。方案二：采用LCD液晶显示采用1602 LCD液晶显示，此方案显示内容相对丰富，且价格不高，接口简单。综合上述原因，采用方案二，使用LCD液晶作显示电路。2.2 无线传输方案 方案一：nRF24L01无线芯片； nRF24L01是一款新型单片射频收发器件的芯片,工作频段在2.4 GHz2.5 GHz 之间。内部含有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。 nRF24L01主要特性如下： 真正的GFSK调制 硬件集成OSI链路层; 具有自动应答和自动再发射功能; 片内自动生成报头和CRC校验码; 数据传输率为l Mb/s或2Mb/s; SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s; 拥有125个频道：与其他nRF24系列射频器件相互兼容; QFN20引脚4 mm4 mm封装; 供电电压为1.9 V3.6 V。 nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISOIRQ引脚可接 STC 89C52的任意端口，但需在软件编程时注意 nRF24L01工作模式 通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式， 待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。 在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 方案二：nRF905无线芯片； nRF905无线芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1GHz无线数传芯片，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段。芯片内包括频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。非常适合于低功耗、低成本的系统设计。性能参数：422.4473.5MHz工作频段，通讯频道512个，满足多点通讯、分组、跳频等应用需求，通道切换时间6us 发射功率可设置为：10dBm、6dBm、-2dBm和-10dBm通过SPI接口与MCU连接支持50kbps传输速率ShockBurst传输模式，自动生成前导码和CRC校验码工作电压范围：1.9V3.6V，待机模式下电流仅为12.5A工作温度范围：-4085综合考虑，采用方案一，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案一。2.3 系统总体方案设计 综合以上的分析可知，基于单片机的外界环境的检测系统比起传统的检测系统有着非常明显的优势。首先在测量精度方面比起传统的温度计和湿度计大大地提高了其测量精度。在测量准度方面比起传统的温度计和湿度计有着抗干扰的能力。在显示方面基于单片机的温湿度检测系统是实时的自动显示而传统的温度计和湿度计还必须从仪器上面用肉眼读出来。随着智能检测系统的飞速发展，基于单片机的温湿度检测系统将多传感器系统结合在一起。如何把多传感器集中于一个检测控制系统，综合利用来自多传感器的信息，获得对被测对象的可靠了解和解释，以利于系统做出正确的响应、决策和控制，是智能检测控制系统中需要解决的首要问题。在温湿度要求严格的场合，利用多传感技术可以提高系统的可靠性和精度，亦可以提高系统的时间空间的覆盖范围。集成数字传感器具有较高的可靠性和稳定性。 本设计是用新型的智能集成温温度传感器DHT11主要实现检测温度、湿度的检测，用GP2Y1010AU PM2.5传感器主要实现对灰尘的检测，光敏电阻实现对光照强度的检测，将上述信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号，再运用单片机STC89C52进行数据的分析和处理，然后再通过nRF24L01无线模块传输并在LCD1602上显示当前数据。根据上述方案比较，结合题目要可以将系统分为采集发送模块和接收显示模块，其框图如2.1、2.2所示：图2.1 采集发送方案图2.2 接收显示方案3 硬件电路设计 3.1 控制部分CPU是整个控制部分的核心。在考虑经济性和满足需求的前提下，本系统选用ATMEL公司生产的8位AT89S52单片机作为整个系统的控制中心。AT89S52是ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，它集Flash存储器既可在线编辑（ISP）也可用传统方法进行编辑及通用8位微处理器于单片芯片中，功能强大AT89S52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。在本系统中，AT89S52单片机内部的功能单元已经能够满足系统设计需要，不需要系统扩展。AT89S52具有以下的特点: 8031 CPU与MCS-51 兼容 寿命：1000写/擦循环 8K字节可编程FLASH存储器 全静态工作：0-24MHz 三级程序存储器保密锁定256*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟。AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案2。AT89S52引脚功能 AT89S52 单片机为40 引脚芯片见图3.1图3.1 AT89S52引脚图（1）口线：P0、P1、P2、P3 共四个八位口。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。 P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。 （2）其他引脚说明：RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。 （3）控制或复位引脚RESET 此脚为高电平时（约2个机器周期）可将单片机复位。RST/VPD当出现两个机器周期高电平时，单片机复位。复位后，P0P3输出高电平；SP寄存器为07H；其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。如图3.2所示。 图3.2 复位电路 AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。 单片机的现状及发展方向：单片机是为了工业控制需要满足而诞生的，是自动控制系统的核心部件，因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小，功能多、价格低、使用方便、系统设计灵活等优点，应用领域不断扩大，除了工业控制，智能化仪表，通讯，家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，高温，强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，这决定了单片机CPU于通用微机CPU具有不同的技术特征和发展方向：（1）可靠性高；(2) 控制功能往往很强，数值计算交叉；(3) 指令系统比通用微处理器慢的多；(4) X系列芯片取代；(5) 抗干扰性强，工作温度范围宽。3.2模数转换部分 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用 ADC0832 可以使我们了解 A/D 转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。 ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间需要32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择4。 本设计中ADC0832输入信号来自光敏电阻和GP2Y1010AU,然后与单片机的P10、P11、P12连接。ADC0832 主要特点: 8位分辨率； 双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为15mW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C；管脚图如图3.3：图3.3 ADC0832管脚图 CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0 电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用。（见图 3）当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。在第 2、3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能，其功能项见表。表3.1 ADC0832功能图MUX AddressChannelSGL/DIFODD/SIGN0110+11+ 如表3.1所示，当此 2 位数据为“1”、“0”时，只对 CH0 进行单通道转换。当 2 位数据为“1”、“1”时，只对 CH1 进行单通道转换。当 2 位数据为“0”、“0”时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输。单通道模拟信号输入时 ADC0832 的输入电压是 05V 且 8 位分辨率时的电压精度为 19.53mV。如果作为由 IN+与 IN-输入的输入时，可以将电压值设定在某一个较大范围之内，通过转换可以提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与 IN-的输入时，如果 IN-的电压大于 IN+的电压，则转换后的数据结果始终为00H。3.3 信息采集部分3.3.1 温湿度采集 DHT11数字智能温湿度传感器是一款含有已校准的数字信号输出的温湿度复合传感器。它具有专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品芯片具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供3。它的性能说明如下表3.2所示：表3.2 DHT11性能说明参数条件MinTypMax单位湿度分辨率111%RH16Bit重复性1%RH精度254%RH0505%RH互换性可完全互换量程范围03090%RH252090%RH502080%RH响应时间1/e(63%)25，1m/s 空气61015S迟滞1%RH长期稳定性典型值1%RH/yr温度分辨率111161616Bit重复性1精度12量程范围050响应时间1/e(63%)630S接口说明 ：建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。串行接口 (单线双向)：DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高3。3.2.2 光照强度采集光照强度的采集用的是光敏电阻传感器模块，光敏电阻模块对环境光线最敏感，一般用来检测周围环境的光线亮度，触发单片机或继电器模块等；模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，D0端输出高电平当外界环境光线亮度超过设定阈值时，D0端输出低电平；D0输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光线亮度改变；达到检测光照强度的目的。 模块特色：1、采用灵敏型光敏电阻传感器；2、比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过 15mA；3、配可调电位器可调节检测光线亮度；4、工作电压 3.3V-5V ； 5、输出形式 ：数字开关量输出（0 和 1）； 6、设有固定螺栓孔，方便安装；7、小板 PCB 尺寸：3.2cm x 1.4cm ； 8、使用宽电压 LM393 比较器。产品接线说明：1、VCC 接电源正极 3.3-5V； 2、GND 接电源负极；3、DO TTL 开关信号输出。3.2.3 灰尘浓度采集 灰尘传感器GP2Y1010AU0F是SHARP品牌。 GP2Y1010AU0F 是灰尘传感器由光学传感制度。 一个红外发光二极管（IRED）和一个光电晶体管对角布置成这样的设备。 它检测在空气中的尘埃的反射光。尤其是,它可以有效地检测到非常细的颗粒像香烟烟雾。 此外,它可以从房屋灰尘烟雾区别通过输出电压的脉冲模式。工作电压是：0.3-7 V工作电流是;20MA 工作温度是;-10-65度. 有效接收距离是;15MM 接收角度是; 正负60度.能分辨微小物品.灰尘传感器属光学传感器。由红外发光二极管和光电晶体管及放大电路组成。侧面安装型。它通过光学的反射原理可以检测到空气中的尘埃，特别是它能有效的检测非常微细的颗粒，如香烟烟雾。此外，它可以区分屋内烟尘。适用于空气净化器，空调，空气监测等。输出脉冲模式的电压信号。超声波传感器主要应用于物体位置的监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域。特别在超声波测距和汽车倒车防撞装置方面得到广泛的应用。具有工作可靠，安装方便，防水型，发射角度小，灵敏度高等优点；距离测量传感器是由红外LED、位灵敏度检测器和信号处理电路组成的传感器，可测距离4550cm。 产品特点: 1.小型薄型封装（46.030.017.6毫米）；2.低功耗电流（Icc:20mA最大）； 3.可以通过被检测到的灰尘的存在只用一个脉冲的测光 ；4.使从房屋灰尘烟雾区别 ；5.无铅兼容指令和RoHS； 应用：1.在空气中检测到的灰尘。 2.例如:空气净化器,空调,空气监测 它用来检测烟雾和烟草空气中的灰尘，灰尘检测原理该传感器适用于使用作为空气净化器，如空气或空调清洗功能的自动操作的传感器。由狭缝和透镜，光从（发光二极管）的发光元件是在被缩小到如A图的光的方面。另外，由于受光元件（光电二极管）也切成尽可能不需要的光，在接收有效地检测光，并通过狭缝和透镜以及光发射部推掉。这些光轴的交叉是在检测区域。输出电压，当你收到不必要的光线，即使在没有灰尘。我们期待的输出电压在一个无尘（VOC）的输出电压的规格在这个时候。这是因为光接收元件接收由从壳体内壁的发光元件的各种路由反射的光。输出电流正比于从光接收元件获得的接收光的光量，并输出为一个（脉冲输出）的模拟电压由这是成正比的粉尘浓度放大器电路放大。3.3 无线传输部分 无线传输部分采用的是nRF24L01,nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。 nRF24L01主要特性如下： GFSK调制；硬件集成OSI链路层； 具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头和CRC校验码； 数据传输率为l Mb/s或2Mb/s； SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s； 125个频道： 与其他nRF24系列射频器件相兼容；QFN20引脚4 mm4 mm封装； 供电电压为1.9 V3.6 V。 nRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISOIRQ引脚可接 STC 89C52的任意端口，但需在编程时注意。 nRF24L01工作模式 通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式， 待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的； 待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式； 待机模式下，所有配置字仍然保留。 在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 nRF24L01的封装及引脚排列如3.4图所示。图3.4 nRF24L01的封装及引脚排列 CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通nRF24L01过此引脚配置。 各引脚功能如下： IRQ： 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1.8 V； ANT1,ANT2：天线接口； IREF：参考电流输入。 电路中NRF24l01为3.3V模块，而单片机为5V，接口需要加限流电阻。模块数据口分别接了单片机的P20,P21，P22，P25，P26，P27端口。NRF24L01通过AMS117-3.3将5V电压转换成3.3V进行供电，如图3.5所示：图3.5 nRF24L01电压转换3.4 显示电路部分 1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，丰富的指令可以完成液晶的时序控制、工作方式式设置和数据显示等。 显示部分采用的是1602LCD,1602共16个管脚，但是编程用到的主要管脚不过三个，分别为：RS(数据命令选择端),R/W（读写选择端）,E（使能信号）;以后编程便主要围绕这三个管脚展开进行初始化，写命令，写数据。以下具体阐述这三个管脚：RS为寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器；R/W为读写选择，高电平进行读操作，低电平进行写操作；E端为使能端，后面和时序联系在一起。除此外，D0D7分别为8位双向数据线。显示动态效果：显示动态效果包括让一个字符或字符串原位置闪烁，或者前后移动等等。其实动态效果原理很简单，就是简单的利用延时。例如让字符原位置闪烁，可以认为是先让1602显示字符，延时一段时间后，可以显示空格或者直接清屏操作都可以达到让字符消失不见的效果，再延时一段时间后再让1602显示这个字符。同理，让字符前后移动也是这样，例如让字符在第一个位置显示，延时一段时间后让其在后面第二个位置显示，只要显示地址加1，然后显示即可。字符串也是同样的道理。在这里补充一点就是如何让字符串从1602第16个地址外进入，动态向前移动。其实可以通过显示地址表我们知道起始位置开始后1602一行只能显示16个字符，但是一行的地址却远远不止16个。大家可以看到第一行显示地址是从0027，然而能显示在1602可见范围的只有000F，后面的位置其实就是起到一个缓冲的作用，你完全可以让字符数据存在在10地址后的RAM中，只不过，我们无法看到就是了，如果存在10前的地址我们就能看到显示。因此，我们可以先把显示起始地址设在10地址后的某一个位置，然后让字符显示地址每次加1，当加到0F时，我们就可以看到字符串第一个字符出现在1602的最末一位，然后继续向前移动。采用的LCD1602液晶模块是标准16针插座，接口电路如图3.6所示：图3.6 1602的接口电路4 软件设计 keil软件介绍：Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil 的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。KEILC51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS）。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。使用独立的Keil仿真器时的注意事项: 仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上晶振插孔中换插其他频率的晶振。仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。本次设计运用的软件较多，如用proteus进行仿真，用AD画PCB电路图，但是最主要的主控是用单片机控制，因此keil软件是最基本的，也是最重要的，所以对它进行了简单的介绍。4.1 软件的总体设计 本设计主要是用单片机控制温湿度传感器、光敏电阻和PM2.5传感器GP2Y1010AU0F,传感器将读取的数据传入单片机内处理，然后将数据通过无线模块发送，另一边的无线模块接收发送的数据接收，通过单片机的作用，将接收到的数据通过单片机显示在1602的显示屏上，其中，光敏电阻和GP2Y1010AU0F需要模数转换模块，将模拟信号转换成单片机能够识别处理的数字信号；无线模块采用的是最常用的nRF24L01，它是真正的GFSK单片式收发芯片，2.42.5GHz 世界通用 ISM 频段的单片无线收发器芯片，125个可用频道。在使用它时，无线传输部分需要先配置NRF24l01。然后在读取各种数据，然后在传输那些数据。 4.1.1 无线发送模块 对于发送模块系统的设计是一个循环的系统，系统不停的重复着同样的工作。具体步骤如下，先定义NRF24L01无线模块的每个端口，配置NRF24L01无线模块各种参数，进行NRF24L01无线模块初始化。其次分别进行温湿度传感器DHT11、光敏电阻、PM2.5传感器GP2Y1010AUOF的设置，对于DHT11，分为DHT11温湿度传感器的复位函数，DHT11温湿度传感器写入函数，再进行DHT11温湿度传感器读函数，最后是单片机读取温湿度，温湿度处理，主函数调动子函数进行最后的处理，发送温湿度数据和显示数据；对于光敏电阻和PM2.5传感器GP2Y1010AUOF，除了上述的各个步骤，还需要添加一个模数转换模块ADC0832,它们内部没有自带模数转换，从外界检测出的数据是物理信号（模拟信号），单片机不能直接处理，需要模数转换，将模拟信号转换成能够被单片机处理识别的数字信号。具体流程图如4.1所示。图4.1 无线发送流程图4.1.2 无线接收模块 对于接收模块系统的设计也是一个循环的系统，系统也是不停的重复着同样的工作。设计的总体步骤是这样的，首先还是定义无线模块NRF24L01的端口，初始化无线NRF24L01.其次进入循环模式判断状态寄存器是不是有接收到中断信号，如果寄存器确定有中断信号，那就让程序读出二进制形势的数据。最后由单片机将二进制转换为十进制，通过单片机连接1602显示屏将数据显示出来，其流程图如图4.2所示。图4.2 无线接收流程图4.2 软件的分步设计 4.2.1 温湿度检测软件设计 对于温湿度检测模块的软件设计中，使用DHT11温湿度传感器来检测时必须严格遵守单总线协议，从而保证准确的通讯数据。在单片机对其控制中，利用时序来实现对DHT11温湿度写入和读出操作，其中包括对DHT11的初始化、写0、写1、读0、读1等控制。在对DHT11复位以后，当接收到相应的信号时，就会跳过读ROM中的序列号，然后开始对温湿度进行数据转换，等到转换完成后将数据保存。同样的方式重复执行，断电后温湿度传感器才会停止工作，其流程图如图4.3所示，所涉及的程序见附录。图4.3 DHT11检测据流程图4.2.2 无线发送模块软件设计 首先进行各端口的初始化操作，其中初始化内容分为配置单片机的I/O口，使之和对应的NRF24L01无线模块正常通信，接着是相关寄存器的设置，最终要实现的就是NRF24L01无线模块和单片机按需要正常通信。其次就是通过SPI总线来控制NRF24L01无线模块需要的工作状态。当模块需要的发送数据时，就要将NRF24L01无线模块的工作方式设置为发送方式，再将需要发送的数据目的址写入NRF24L01无线缓冲区，等到程序延时后将数据发送出去，这里的目的地址包含了数据地址包含了数据地址和目标地址。其流程图如下4.4所示，软件发送程序见附录，图4.4 无线发送流程图4.2.3 无线接收模块软件设计当模块需要的是接收数据时，就要将NRF24L01无线模块的工作方式设置为接收方式。具体时间方法如下，首先推迟系统进入接收状态时间，等待着数据的传输。其次当接收端检测到有效的地址和CRC后，就会在接收堆栈中存入数据包，将高电平给予状态寄存器中的中断位，产生中断信号使得IRQ端口以低电平工作，最后通过判断允许MCU去读出温度数据。其流程图如4.5所示，软件介绍程序见附录，图4.5 无线接收流程图4.3 1602显示部分 1602显示屏是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块。本设计需要同时显示温宿、湿度、光照强度和灰尘浓度，既有字母也有数字，而且需要两排显示，刚好1602可以满足；其中1602显示读、的流程图如4.6所示。 图4.6 1602显示流程图 从流程图上我们可以清楚知道1602是如何将数据读入的。然后将读如的数据在1602内部进行转换，然后将数据再写出来显示，写主要是根据读入的数据输入指令RS=1选择RW=1，然后按照流程图所示的就将1602的写完成了。4.4 ADC模数转换部分 本设计的三个传感器中，只有DHT11自带模数转换器，光敏电阻和GP2Y1010AU都需要模数转换，将光信号和其他的物理信息（模拟信号），通过传感器内部的自己计算方法转换成我们能看懂的数字信号。其中 ADC转换部分流程图如图4.7。图4.7 ADC转换部分流程图 从流程图我们能清楚的看到，ADC0832是怎样将模拟信号转换成数字信号，首先将模拟信号传入芯片里，通过转换程序，将模拟信号转换成数字信号；其中转换程序如下：/获取指定通道的A/D转换结果uchar Get_AD_Result(void) uchar i,dat1=0,dat2=0;CS = 0; _nop_(); _nop_(); /片选使能，低电平有效CLK = 0; _nop_(); _nop_(); /芯片时钟输入DIO = 1; _nop_(); _nop_();CLK = 1; _nop_(); _nop_();/第1个下降沿之前，设DI=1/0/选择单端/差分(SGL/DIF)模式中的单端输入模式CLK = 0;DIO = 1; _nop_(); _nop_();CLK = 1; _nop_(); _nop_();/第2个下降沿之前,设置DI=0/1,选择CHO/CH1CLK = 0;DIO = 0; _nop_(); _nop_(); /通道0 内部电压测试CLK = 1; _nop_(); _nop_();/第3个下降沿之前,设置DI=1CLK = 0;DIO = 1; _nop_(); _nop_(); /第4-11个下降沿读数据(MSB-LSB)for(i=0;i8;i+) CLK = 1; _nop_(); _nop_();CLK = 0; _nop_(); _nop_();dat1 = dat1 MSB)for(i=0;i8;i+)CLK = 1; _nop_(); _nop_();CLK = 0; _nop_(); _nop_(); dat2 = dat2 (uchar)(DIO)LSB和LSB-MSB读取的结果相同,则返回读取的结果,否则返回0return dat1;/return (dat1 = dat2) ? dat1:0;/取消校验5 系统调试 这里说的系统调试主要包括硬件电路的检查和软件程序的调试和下载程序时选择的管脚是否正确，具体步骤如下：1 对焊接完成的硬件进行通电检查，检测硬件是否存在短路，线路有没有接错，再测量供电模块所提供的电压是不是需要3.3V。2 用keil对程序分别进行编译，没有错误后生产HEX文件。再用ISP程序下载器将编译好的程序分别下载到对应模块的单片机中。3 单片机，NRF24L01无线模块分别插入对应的模块（注意引脚顺序）。将系统供电部分通上电。4 系统通电后先将两个模块分别复位了。然后对传感器进行操作，观察接收端显示屏上数据变化5 对调试结果进行拍照记录记录如下：6 总结 本文重点介绍了单片机的原理和功能，并用DHT11、光敏电阻和PM2.5 GY2P1010AU传感器与AT89S52单片机、LCD1602和无线模块NRF24L01组成环境检测及无线传输系统，能够检测温度、湿度、光照强度及灰尘浓度。 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。致谢为期接近半年的毕业设计终于圆满结束了，上学期开始选题以来，大家都一直深深为它牵挂，前期的查找资料，老师给力很多的建议和帮助，让我们从迷茫到现在能够完整的做完毕业设计，除了我们自己的努力，老师更是功不可没。最开始做毕业设计时，李老师帮助我们确定方案，然后提交三月份的开题报告，到四月份上，又对我们采买的元器件提供建议，然后跟我们一起查找资料，选择最合适的元器件，李老师的建议让我们少走了好多弯路，最后终于，我们的验收顺利通过，李老师的攻略不容忽视。在最后的时间里，感谢李老师一直的陪伴和帮助，在此，我表示深深的感谢。 致谢人： 参考文献1 左现刚,贾蒙. 基于微控制器的仓库温度湿度控制系统的设计J. 内江科技,Neijiang Science & Technology, 2010，（2）:61.2王军.基于AT89S51的楼宇供热智能调节系统D.山东科技大学,2009.3祝文静. 基于GPRS无线通讯的便携式气象仪的设计与实现D.安徽理工大学,2013.4吴志祥 基于CDMA2000-1X基站监控防盗节能系统的设计与实现D.电子科技大学,2009.5 吴炜. 基于8031单片机的仓库温度与湿度自动测试仪设计J. 南通航运职业技术学院学报, Journal of Nantong Vocational & Technical Shipping College, 2009，（4）:66-68.6 唐颖主编. 单片机原理与应用及C51程序设计. 北京市：北京大学出版社, 2008.08.7 李志全. 智能仪表设计原理及应用M.国防工业出版社,1998.68 何希才，刘洪梅编著. 传感器应用接口电路M. 北京市：机械工业出版社, 19