畢業(yè)設計（論文）游輪客房濕度無線采集電路的設計

1、游輪客房濕度無線采集電路的設計摘要 本文介紹了無線通信技術(shù)在濕度采集電路上的應用。在濕度無線采集電路的設計上，本文主要從以下四個模塊作出詳盡分析，分別是濕度測量模塊、無線傳輸模塊、濕度顯示模塊、超限報警模塊。濕度測量模塊利用濕敏傳感器hs1101和模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片adc0809測量游輪客房濕度，無線傳輸模塊采用短距離無線傳輸技術(shù)（zigbee技術(shù)）向上位機傳輸數(shù)據(jù)，濕度顯示模塊采用lcd顯示器顯示濕度數(shù)據(jù)，而簡單的聲光報警單元作為超限報警模塊主要部分。從全文看，本文側(cè)重相關硬件連接和整體仿真調(diào)試。 關鍵詞 無線通信；濕度測量；超限報警；聯(lián)合調(diào)試 design of humidity wirele

2、ss acquisition circuit in cruise room abstract in this paper, it applies wireless communication technology to the circuit of humidity measurement . in the design of wireless measure circuit , it explains the 4 main modules in detail, including humidity measurement module and wireless communication m

3、odule and humidity display module and transfinite alarm module. humidity measurement module uses wet sensor named hs1101 and a/d converter called adc0809 to measure the humidity in cruise room. the humidity data is transported to cpu by the wireless communication technology (zigbee technology) in wi

4、reless communication module . and the data is showed on the lcd in humidity display module .the sound and light alarm is the main part of the transfinite alarm module . as a whole , the paper emphasis on related hardware connection and joint debugging .key words wireless communication; humidity meas

5、urement ;transfinite alarm ;joint debugging 目錄0 引言-11 濕度測量模塊-1 1.1 濕度傳感器簡介-1 1.2 濕度傳感器頻率輸出回路-1 1.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介-1 1.4 濕度傳感器硬件設計-12 無線傳輸模塊-1 2.1 無線傳輸技術(shù)概況-1 2.2 zigbee技術(shù)特點及協(xié)議框架-1 2.3 硬件設計-1 2.4 3 濕度顯示模塊-1 3.1 lcd芯片簡介-1 3.2 顯示模塊硬件設計-1 3.3 -14 超限報警模塊-1 4.1 報警模塊硬件設計-1 4.2 報警模塊程序設計-15 聯(lián)合仿真調(diào)試-1結(jié)論-1致謝語-1參考文獻-10

6、 引言本文主要介紹了無線通信技術(shù)在游輪客房濕度采集上的具體運用。不論是濕度采集電路的設計，還是無線傳輸技術(shù)的運用，前人都做了詳盡的研究。但是，濕度采集電路主要集中在sht11芯片上，對hs 1101芯片涉及的相對較少；而針對當前情況，對室內(nèi)濕度采集的方法主要采用有線方式，結(jié)合游輪空間小、線路復雜等特點，無線采集技術(shù)運用到船舶上有很大的發(fā)展空間。將無線通信技術(shù)和濕度采集電路結(jié)合運用到船舶上有其創(chuàng)新意義和現(xiàn)實意義。1 濕度測量模塊濕度測量模塊主要是對游輪客房濕度采集與測量。包括對濕敏傳感器hs1101芯片的測濕方法、特點、性能的介紹，對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊adc0809芯片的介紹以及測濕綜合電路的硬件設計

7、。1.1 濕度傳感器簡介濕度傳感器分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品基本形式都是在基片涂覆感濕材料形成感濕膜。感濕材料吸附空氣中的水蒸氣后，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大變化，因此利用這一變化過程來測量濕度。9而當然市場對電容式濕度傳感器越來越重視，主要源于它的相關性能能滿足要求。比如：全互換性，在標準環(huán)境下不需校正；長時間飽和下快速脫濕；高可靠性與長時間穩(wěn)定性；快速反應時間等。14濕敏傳感器hs1101相對濕度與電容的關系如圖1所示。目前，濕敏電容主要由法國humirel公司生產(chǎn)。圖1 濕敏傳感器hs1101相對濕度電容響應曲線1.2濕敏傳感器頻率輸出回路濕敏傳感器頻率輸出回路如圖2所示。圖2 hs

8、1101頻率輸出回路如圖，測濕電路主要是由555定時芯片和一些阻容元件組成。5hs1101濕敏電容接到555電路的2和6引腳上，引腳7用作電阻r4短路接地。工作原理分析如下:電源通過r2和r4對hs1101濕敏電容進行充電，至電壓上升至門限電壓0.67vcc，充電時間記做t(充電)；然后hs1101濕敏電容通過r2放電，直到電壓下降至0.33vcc，放電時間記做t（放電）；再接著充電、放電并以此循環(huán)。14根據(jù)其原理可以計算出輸出頻率，其中主要參數(shù)計算公式如下： t(充電)=c*(r2+r4)*ln2 （1） t(放電)=c*r2*ln2 （2） f(輸出頻率)=1/（t(充電)+t(放電)）=

9、1/（c（r4+2*r2）*ln2） （3） d(占空比)=t（充電）*f=（r4+42）/（r4+2*r2） （4）其中，t表示充放電時間；f表示555電路輸出頻率；c表示hs1101電容容抗；r2、r4分別表示相應的電阻阻值；d表示輸出圖像的占空比。為了使循環(huán)時間降低50%，與r2相比，r4應該很小，但是不應低于最小值。電阻r3是為了短路保護，555必須為cmos。555電路的非平衡電阻r1是做內(nèi)部溫度補償，目的是為了引入溫度效應，使它與hs1101的溫度效應匹配。r1必須像所有的rc時鐘電阻的要求一樣，1%的精度，最大的溫度效應應小于100ppm。14但是，不同型號的555電路內(nèi)部的溫度

10、補償有所不同。在25下輸出頻率與相對濕度的關系如圖3所示。圖3 hs1101相對濕度與頻率的對應關系根據(jù)頻率與相對濕度的關系，從而可以得出客房的相對濕度的實時數(shù)據(jù)。1.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介基于單片機的工作原理，濕敏傳感器電路測量的濕度信號為模擬信號，而模擬信號需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能被單片機讀入。因此在濕度測量模塊中需要添加一塊a/d轉(zhuǎn)換芯片，這里采用adc0809芯片。adc0809是ad公司采用cmos工藝生產(chǎn)的一種8位逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。adc0809的轉(zhuǎn)換時間為100us,輸入電壓范圍為05v，片內(nèi)有8通道模擬開關，可接入8個模擬量輸入。13由于芯片內(nèi)有輸出

11、數(shù)據(jù)鎖存器，輸出的數(shù)字量可以直接連接到cpu數(shù)據(jù)總線相連，而無需附加接口電路。10圖4 adc0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.4測濕電路硬件設計結(jié)合hs1101頻率輸出回路和adc0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，濕度測量模塊的整體電路硬件設計也基本完成。adda、addb、addc3個地址控制端直接接地從而選通in0輸入端，從而使hs1101頻率輸出回路的輸出端可以直接與adc0809的in0輸入端相連。adc0809的輸出端直接與單片機的數(shù)據(jù)傳輸口（pi）相連,電源端和接地端分別接電源和地?？刂贫私榻B如下：start為啟動脈沖輸入線，由cpu送來正脈沖；eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，高電平表示轉(zhuǎn)換已結(jié)束；oe為允許輸

12、出線；clock為時鐘輸入線，可提供時鐘脈沖序列；vref(+)和vref(-)為參考電壓線。7濕度測量模塊的硬件連接圖如圖5所示。圖5 濕度測量模塊線路連接圖其中，在圖5中，555電路的輸出回路的輸出端與adc0809的in0端口相連，adc0809的oe端、ale端、eoc端、start端、clock端的信號均由單片機給出并控制，標識符為addr0、addr1、addr2、addr3。實際仿真和測試中，單片機需要附加另外的晶振電路和復位電路。2 無線傳輸模塊2.1 無線傳輸技術(shù)概況無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。目前廣泛使用的無線傳輸技術(shù)有藍牙

13、、wifi和zigbee技術(shù)。但是三種技術(shù)各有特點。以單片機發(fā)送數(shù)據(jù)作為發(fā)送端口，顯示器（pc）接收數(shù)據(jù)作為接收端口，則無線傳輸結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。圖6 無線傳輸結(jié)構(gòu)簡圖2.2 zigbee技術(shù)特點及協(xié)議框架zigbee一詞源于蜜蜂間基于zigzag舞蹈的“無線通信”交流，中文稱為紫蜂技術(shù)。zigbee技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的無線網(wǎng)絡方案，它由zigbee聯(lián)盟和ieee802.15.4工作組共同制定的一種通信標準。2 它的主要特點集中在數(shù)據(jù)傳輸速率低、低功耗、低成本、網(wǎng)絡容量大、時延短、數(shù)據(jù)安全、工作頻段靈活等方面。具體表現(xiàn)為：zigbee無線設備采用2.4ghz的ism頻段，傳輸距離

14、為10100m，傳輸速率為250kb/s，時延30ms，16個信道。zigbee協(xié)議棧由應用層、應用匯聚層（安全層）、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，如圖7所示。另外該協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。11圖7 zigbee協(xié)議棧物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是基于電氣電子工程師協(xié)會ieee802.15.4標準，安全層和網(wǎng)絡層則是由zigbee聯(lián)盟定義，而應用層可以由用戶定義各種類型的業(yè)務。安全層把不同的應用映射到zigbee網(wǎng)絡層上，網(wǎng)絡層的功能包括拓撲管理、mac管理、路由管理和安全管理。2數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、介質(zhì)訪問和差錯控制，物理層負責載波頻率產(chǎn)生、信號的調(diào)制解調(diào)等

15、工作。11zigbee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)主要有星型、網(wǎng)絡型、混合型，如圖8所示。圖8 zigbee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為了保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，zigbee協(xié)議采用了ack確認機制（即發(fā)送應答ack幀確認收到數(shù)據(jù)）和載波檢測多址接入/碰撞避免（csma/ca）的介質(zhì)訪問控制機制,以保證通信安全。2.3 硬件設計3 濕度顯示模塊3.1 lcd芯片簡介液晶顯示器具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕的特點。液晶顯示器不僅可以顯示數(shù)字、字符，還可以顯示各種圖形符號以及少量自定義符號，并且可以實現(xiàn)屏幕的上下左右滾動、文字的閃爍等功能。12本文采用以hd44780為控制器的lm016l液晶顯示器。lm016l的引腳圖如圖10所示。圖

16、10 lm016l引腳圖各引腳功能如圖11所示。圖11 lm016l引腳功能其中,rs為高電平時，讀寫數(shù)據(jù)；rs為低電平時，讀寫狀態(tài)。r/w為高電平時，選擇讀入；r/w為低電平時，選擇寫出。不論rs、r/w為高電平或者低電平，使能信號端，均為高電平有效。通過對hd44780控制器寫入控制指令，hd44780產(chǎn)生顯示驅(qū)動信號來驅(qū)動lm016l。該控制器由兩個8為寄存器、指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、顯示數(shù)據(jù)、字符發(fā)生器等組成。它的控制指令主要有：清除顯示、地址歸為、輸入模式設定、功能設定等指令。123.2 顯示模塊硬件設計結(jié)合單片機和lm016l相關引腳和功能，顯示模塊的線路連接圖，如圖12所示。圖1

17、2 濕度顯示模塊線路連接圖在圖12中，lm016l的rs、e控制端分別和單片機中的p2.0、p2.2對應端口相連。而r/w直接接地表示單片機向lm016l寫出數(shù)據(jù)，供lm016l顯示。需要特別注意的是，與顯示器相互連接的單片機的輸出口需要上拉電阻，以保證能夠提供充足的高電平輸入電流，提高信號穩(wěn)定程度，增加其抗外界干擾的能力。4 超限報警模塊4.1 報警模塊硬件設計報警模塊采用簡單的聲光報警。本文中只需通過單片機來控制是否需要聲光報警。因此，報警模塊的結(jié)構(gòu)簡圖如圖13所示。圖13 報警模塊的結(jié)構(gòu)簡圖其中，聲光報警裝置由發(fā)光二極管（led）、蜂鳴器、三極管放大電路和一些電阻元件構(gòu)成。具體的聲光報警

18、裝置構(gòu)成圖如圖14所示。圖14 報警裝置構(gòu)成圖在圖14中，整個系統(tǒng)采用5v直流電壓直接供電。led和蜂鳴器是并聯(lián)關系，當單片機發(fā)送報警指令時，兩者同時動作。單片機的某一輸出端口通過電阻與npn型的三極管的基極相連。根據(jù)電路圖可知，當單片機發(fā)出指令“p0.7=1”時，三極管導通，發(fā)光二極管、蜂鳴器、電源、地和三極管構(gòu)成閉合回路，發(fā)出聲光報警；當單片機發(fā)送指令“p0.7=0”時，三極管截止，發(fā)光二極管和蜂鳴器都不動作。而正常情況下，聲光報警處于不動作的狀態(tài)，也就是三極管處于截止狀態(tài)。4.2 報警模塊程序設計報警模塊的程序設計源于單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)比較的結(jié)果。濕度超限報警功能可以通過報警函數(shù)實現(xiàn)。具體

19、來說，單片機先從濕度測量模塊讀取濕度數(shù)據(jù)，而后在單片機內(nèi)部做簡單處理：如果當前讀取信號在規(guī)定的濕度范圍（40%-60%）內(nèi)，那么單片機不響應聲光報警動作；如果當前讀取數(shù)據(jù)超過規(guī)定的濕度范圍的上限值或者低于規(guī)定的濕度范圍的下限值，那么單片機相應管腳輸出高電平，并通過三極管放大電路驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管，從而啟動聲光報警。5 聯(lián)合仿真調(diào)試綜合上述濕度測量模塊、無線傳輸模塊、濕度顯示模塊和超限報警模塊四大模塊，系統(tǒng)的整體電路圖可以通過proteus的模擬仿真調(diào)試來檢測設計濕度測量電路的有效性。但是由于proteus中的芯片沒有全部涉及到本設計電路所要的芯片，因此在proteus的模擬仿真中需要用某些

20、芯片代替上述芯片。在濕度測量模塊中，555頻率輸出回路以及adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路被濕敏傳感器sht11代替。因為sht11濕敏傳感器不需要外部模擬電子電路，可以直接被微控制器訪問，因此不需要以adc0809為主的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。模擬調(diào)試中，只需要通過濕敏傳感器sht11上的“+”、“-”來改變需要測量的客房濕度數(shù)據(jù)，以此模擬客房濕度的實際變化。需要注意的是，與單片機相連的濕敏傳感器sht11的 sck和data端均需外加上拉電阻，以提高其抗干擾能力。在無線傳輸模塊中，整個無線模塊直接用虛擬串口代替，下位機用compim代替發(fā)送數(shù)據(jù)，而上位機用vb視圖來顯示接收的數(shù)據(jù)。在本次模擬中，通過增加串

21、口com3、com4來收發(fā)濕度數(shù)據(jù)。其中，基于數(shù)據(jù)收發(fā)原理，單片機的rxd和txd端分別于compim的rxd和txd端相連，compom作為com3發(fā)送端，vb作為com4接收端，接收數(shù)據(jù)。串口的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖15所示。圖15 串口結(jié)構(gòu)簡圖設計濕度測量電路的模擬仿真圖如圖16、17所示，圖16為下位機濕度測量圖，圖17為上位機vb界面濕度顯示圖。圖16 下位機濕度測量圖圖17 上位機vb界面濕度顯示圖結(jié)論本文把整個濕度無線采集電路分為四大模塊，并在此基礎上做了詳細的分析與說明。各個模塊的硬、軟件設計都能很好的體現(xiàn)電路的各方面的性能。四大模塊整合的無線濕度采集電路通過proteus的仿真調(diào)試，基本上滿足電路設計相關性能的要求。 致謝語本文得到了王榮杰老師的細心指導，特別是在前期的資料收集、電路設計、寫作構(gòu)思以及后期的論文修改中給予我莫大的幫助