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文檔簡介
1、參賽作品:溫濕度無線傳輸系統(tǒng)作者單位:廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè) 計 者:侯耀鈞 黃羽斌 章進(jìn)順指導(dǎo)教師:丘社權(quán) 摘要 本設(shè)計以AT89S52單片機為核心,采用無線收發(fā)模塊,由軟件設(shè)定一種結(jié)構(gòu)簡潔的數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議,組合成一個低功耗無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個中心站和一個基站組成。其中主要用溫度與濕度傳感器采集數(shù)據(jù),單片機處理,由無線收發(fā)芯片向中心站傳輸,中心站通過單片機對溫濕度進(jìn)行監(jiān)控,并用液晶顯示器顯示,可通過鍵盤設(shè)置溫濕度報警閾值。一旦出現(xiàn)跳閾,系統(tǒng)就會發(fā)出警告。采用這種測量方案,不必敷設(shè)電纜,節(jié)省了費用和時間。實踐
2、證明該系統(tǒng)體積小、精度較高、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、功耗低、功能易擴展,適用于林區(qū)、實驗室、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、倉庫等多種應(yīng)用領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞:單片機、無線收發(fā)、通信協(xié)議、監(jiān)測系統(tǒng)引言 溫度、濕度是倉庫、實驗室、氣象、國防、和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域的主要環(huán)境參數(shù),對其進(jìn)行自動、準(zhǔn)確的測量具有重要意義。對于環(huán)境溫濕度的監(jiān)控,如果采用人工定時測量,不但要耗費大量的人力,而且,不夠做到實時監(jiān)控,特別對溫濕度突變要求很嚴(yán)格環(huán)境,可能就會造成不必要的結(jié)果。對于這樣的環(huán)境,我們采用無線電子設(shè)備實時監(jiān)控,降低了網(wǎng)絡(luò)的布線成本,而且體積小、精度較高、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、功耗低、功能易擴展。目前,市場上出現(xiàn)了美
3、國PointSix公司生產(chǎn)的無線高精度溫濕度監(jiān)測儀WOW和離線式溫濕度記錄儀ILogger-THT;國內(nèi)的北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心也開發(fā)出智能網(wǎng)絡(luò)型環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。然而,目前市面上的這些監(jiān)測設(shè)備價格十分昂貴,限制了它的使用。針對上面所述問題,設(shè)計了基于AT89S52單片機的低功耗無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個中心站和一個基站,其中基站能夠采集溫濕度的數(shù)據(jù),通過低功耗的無線射頻收發(fā)模塊向中心站發(fā)送數(shù)據(jù),將無線收發(fā)芯片與單片機系統(tǒng)相結(jié)合,采用抗干擾能力強的射頻收發(fā)芯片實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程通信,并對數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行監(jiān)控,提高了系統(tǒng)的可靠性。用戶還可以通過鍵盤設(shè)定的報警閾值,如果超限則通過報警器報警。該低
4、功耗無線溫濕度傳輸系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便、成本低、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,同時它具有擴展功能,容易實現(xiàn)多點多參數(shù)無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。1 總體方案設(shè)計 該系統(tǒng)分為兩個大模塊:基站采集并發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、中心站接收數(shù)據(jù)并監(jiān)控模塊。1.1基站設(shè)計與實現(xiàn)基站功能包括:采集濕度、溫度數(shù)據(jù),將這兩路數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)定的時間間隔通過無線方式傳送給中心站。根據(jù)這些要求,該基站原理圖如圖1所示。 該基站以單片機AT89S52為核心來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、控制無線收發(fā)芯片工作狀態(tài)等功能。1.2中心站設(shè)計與實現(xiàn)中心站功能包括:接收數(shù)據(jù)、液晶顯示數(shù)據(jù)、鍵盤設(shè)置參數(shù)和蜂鳴監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)這
5、些要求,該中心站原理圖如下所示(圖2)。 該中心站以單片機AT89S52為核心,由無線收發(fā)芯片收發(fā)數(shù)據(jù),鍵盤模塊設(shè)置報警系統(tǒng)的參數(shù),從而監(jiān)控基站溫濕度的工作,并由液晶顯示模塊顯示數(shù)據(jù),一旦溫濕度超出設(shè)置的參數(shù),蜂鳴報警系統(tǒng)就會響應(yīng)。2 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 協(xié)議設(shè)計本作品軟件設(shè)計中首要解決的問題是基站與中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸方式、保持同步的傳輸協(xié)議。首先對本作品功能分析得出,初步作品實現(xiàn)的功能在于基站向中心站發(fā)送采集的溫濕度數(shù)據(jù),所以先采用通信電子中的單工通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)構(gòu)示意圖如下: 在此單工通信方式下,必須設(shè)定一種基本的兩機通信協(xié)議實現(xiàn)兩機間的數(shù)據(jù)傳輸。
6、這里稱為¬自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這里所說的數(shù)據(jù)協(xié)議是建立在物理層之上的通信數(shù)據(jù)包格式。所謂通信的物理層就是指我們通常所用到的RS232、RS485、紅外、光纖、無線等等通信方式。本作品使用的便是無線收發(fā)的通信方式。在這個層面上,底層軟件提供兩個基本的操作函數(shù):發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)、接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)協(xié)議全部建立在這兩個操作方法之上。通信中的數(shù)據(jù)往往以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳送的,我們把這樣的一個數(shù)據(jù)包稱作為一幀數(shù)據(jù)。類似于網(wǎng)絡(luò)通信中的TCP/IP協(xié)議一般,比較可靠的通信協(xié)議往往包含有以下幾個組成部分:幀頭、地址信息、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)塊、校驗碼、幀尾。本作品數(shù)據(jù)信號傳輸采用的通信
7、協(xié)議主要由以下幾部分組成:引導(dǎo)碼、原數(shù)據(jù)、原數(shù)據(jù)反碼、校驗、結(jié)束碼。我們可以通過圖11示例直觀的了解本設(shè)計的基本通信協(xié)議方式。圖11 傳輸數(shù)據(jù)整體合成引 導(dǎo) 碼:要進(jìn)行發(fā)射數(shù)據(jù)前要先發(fā)引導(dǎo)碼,當(dāng)接收機受到正確的引導(dǎo)碼后就會準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)原碼:確定接收的引導(dǎo)碼后發(fā)送數(shù)據(jù)原碼。數(shù)據(jù)反碼:發(fā)送完原碼緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)反碼。校 驗:在接收機端,將接收到的原碼和反碼進(jìn)行對比確定數(shù)據(jù)是否受到噪音干擾。結(jié) 束 碼:一楨數(shù)據(jù)信號傳輸結(jié)束標(biāo)志。編碼思路:因為無編碼收發(fā)模塊只能收發(fā)電平信號,進(jìn)行通信時要軟件編碼,而單片機的外部中斷中可以用邊沿觸發(fā)中斷,所以考慮用外
8、部中斷來實現(xiàn)編碼。將接收模塊的數(shù)據(jù)腳與接收機的P3.2腳連接,而發(fā)射模塊與發(fā)射機的I/O口連接。對發(fā)射機編程,使與發(fā)射頭相連的I/O口產(chǎn)生周期為8ms的矩形波從而產(chǎn)生了引導(dǎo)碼,接收機的P3.2腳遇到負(fù)跳變時向CPU請求中斷,中斷服務(wù)程序進(jìn)行解碼,并置數(shù)據(jù)接收位有效,準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接收。當(dāng)產(chǎn)生周期為1ms的矩形波時,接收機解碼并辨別數(shù)據(jù)類型為邏輯“0”存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),當(dāng)產(chǎn)生0.5ms低電平1ms高電平的矩形波時,接收機解碼為邏輯“1”并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)傳輸時可能會因外界因素影響而出錯,為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,想到了數(shù)據(jù)反碼的校驗,當(dāng)傳完數(shù)據(jù)后就接著傳數(shù)據(jù)的反碼,最后等所有信號傳輸完畢后接收機就對接收
9、回來的信息進(jìn)行校驗處理。圖12是對數(shù)據(jù)中引導(dǎo)碼、邏輯“1”、 邏輯“0”的電平表示的示意圖。圖12 幾種單元信號說明 以上給出的是本作品通信系統(tǒng)運作的基本雛形,雖然簡單,但是可行。實際的通信系統(tǒng)中協(xié)議比這個要復(fù)雜,而且涉及到數(shù)據(jù)包響應(yīng)、命令錯誤、延時等等一系列的問題,在這樣的一個基礎(chǔ)上可以克服這些困難并且實現(xiàn)出較為穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)。 在實際系統(tǒng)中,問題會出現(xiàn)在任何地方,有些特別的問題需要特別的方法才能夠?qū)Υ?。如何實現(xiàn)一個強壯的通信系統(tǒng)還需要繼續(xù)深入的研究。接下去圍繞確定的通信方式,我們繼續(xù)基站和中心站的軟件設(shè)計。3.2基站軟件設(shè)計
10、0; 基站的主要功能是采集溫濕度并將齊調(diào)制成數(shù)字信號發(fā)射出去?;拒浖O(shè)計主要就是從這三個功能入手。首先構(gòu)造這三個功能的主要流程圖(圖13)如下:圖13站主程序接著設(shè)計主程序中的溫度采集發(fā)送子程序。本設(shè)計硬件電路中采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該集成電路能將采集的模擬量直接轉(zhuǎn)換成串行傳輸?shù)臄?shù)字量。單片機的主要作用就是接收這部分?jǐn)?shù)字信號,再利用編好的通信協(xié)議在原始數(shù)據(jù)上加入引導(dǎo)碼反碼等進(jìn)行發(fā)送。溫度采集軟件設(shè)計子程序流程圖如下:圖14 溫度采集流程圖采集完溫度后是調(diào)用濕度信號采集子程序。硬件電路設(shè)計中,濕度傳感器是模擬信號的采集。由于單片機只采集數(shù)字信號,所以設(shè)計中先將該模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換
11、后再進(jìn)入單片機中。溫度采集子程序的流程圖如下圖所示:圖15濕度采集流程圖基站溫濕度采集是主要的信息源。而采集完成后進(jìn)行編譯、發(fā)送需要從單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后再送入無線傳輸模塊。該傳輸流程圖如下所示:圖16 發(fā)射信號流程圖引導(dǎo)碼作用是一個標(biāo)志位,當(dāng)接收端接收到這個設(shè)定好周期的引導(dǎo)碼時開計數(shù)器進(jìn)行接收信號。引導(dǎo)碼后面分別發(fā)射原碼以及原碼的反碼。同時在一個信號里間斷發(fā)射原碼、反碼的目的在于對發(fā)射信號進(jìn)行驗證。這是一種防止信號受噪音干擾的方法。3.3 中心站軟件設(shè)計中心站的主要功能是接收溫濕度傳輸信號,再將其數(shù)值顯示于液晶顯示屏中;利用鍵盤可以設(shè)定溫濕度的安全監(jiān)控范圍;利用設(shè)定的監(jiān)控范圍可以實時監(jiān)控,待
12、溫濕度超出該監(jiān)控范圍時產(chǎn)生報警聲。根據(jù)這幾個主要功能,可以設(shè)計中心站的主要軟件流程如下:圖17 中心站主要流程圖首先,對于接收無線溫濕度傳輸信號,發(fā)送端是分時段計數(shù)信號量,在一個周期中分時段將信號傳送出去。所以接收端需要設(shè)定與發(fā)送端同步進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。接收與發(fā)射端之間采用操作簡單的編碼進(jìn)行通信。具體是在基站中將測量到的數(shù)據(jù)在前端加上一個大于7.5ms小于8.5ms的矩形信號周期作為引導(dǎo)碼。當(dāng)接收端接收到信號時,先對第一個信號進(jìn)行計時,當(dāng)屬于引導(dǎo)碼時間范圍時才開啟計數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。而每個周期內(nèi)的信號長度是有限的,判斷接收到的信號長度達(dá)到設(shè)定后就可以關(guān)閉接收數(shù)據(jù)端口。本設(shè)計采用外部中斷計時器T1進(jìn)
13、行信號的采集工作。單片機接收該無線信號的流程如下所示:圖18中心站接收信號子程序流程圖接通電源開始工作后,基站的信號發(fā)送都是連續(xù)進(jìn)行沒有間斷。所以在接收子程序上,我們設(shè)定了接收信號的最小期限值。若在這個期限內(nèi)還沒有接收到信號,則認(rèn)定為無信號接收,無信號接收時調(diào)用顯示子程序在液晶上顯示無接收信號字幕。在此期限內(nèi)有接收到基站的發(fā)射信號,則轉(zhuǎn)為調(diào)用分析信號子程序。分析信號子程序主要功能是(流程圖見圖19:將接收到的信號進(jìn)行解碼;解碼完成分離出溫度信號與濕度信號;將兩個信號分別送入各自的量化大小程序中進(jìn)行數(shù)值分析。中心站分析完數(shù)據(jù)后的任務(wù)就是將分析好的數(shù)據(jù)調(diào)用顯示子程序進(jìn)行實時顯示。并將溫濕度數(shù)值與鍵
14、盤設(shè)定值進(jìn)行對比,超過限定值啟動報警程序。這里采用的報警裝置是蜂鳴器作為超過限定值報警響應(yīng)。(顯示與報警子程序流程圖見圖20)圖19中心站分析信號子程序流程圖圖20顯示與報警子程序流程圖3系統(tǒng)功能溫濕度無線傳輸系統(tǒng)的溫度測量范圍為-55125,分辨率最高可達(dá)0.0625。測量誤差 0.5;濕度測量范圍為0100%RH,測量誤差 5%RH。低功耗的溫濕度傳感器融溫度、濕度測量于一體,具有數(shù)字式傳輸、數(shù)據(jù)儲存、無線通信、信息顯示等多種功能,結(jié)構(gòu)緊湊,使用方便,價格低廉,具備了一般智能化儀器的基本功能,可以作為單獨的溫濕度測量儀器使用,也可以很方便地用于其它智能設(shè)備。4設(shè)計總結(jié)在設(shè)計制作本系統(tǒng)的過程中,我們深切體會到,實踐是理論運用的最好檢驗。本次設(shè)計是對我們長時間所學(xué)知識的一次綜合性檢測和考驗,無論是動手能力還是理論知識運用能力都得到了提高,同時加深了我們對網(wǎng)絡(luò)資源認(rèn)識,大大提高了查閱資料的效率,使我們有充足的時間投入到電路設(shè)計當(dāng)中。本系統(tǒng)的
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