基于無線傳感器的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)-畢業(yè)設(shè)計論文1

1、. PAGE 18 . PAGE 4 信息工程學(xué)院 綜合課程設(shè)計報告書題目: 基于無線傳感器的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班 級： 10班 學(xué) 號： 030941012 學(xué)生： 夏鵬程 2012年 10 月 25 日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生夏鵬程學(xué) 號030941012成 績設(shè)計題目基于無線傳感器的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計容用電源，上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)組成。電源包括LM7805，四節(jié)5號AA電池和一個10K電阻。上位機包括無線收發(fā)模塊PTR2000，MA*232，PC。下位機包括無線收發(fā)芯片PTR2000，AT89S52單片機，溫濕度傳感器SHT11，光照強度傳感器TSL2

2、561等設(shè)計一個無線傳感器的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計要求 系統(tǒng)由溫濕度傳感器SHT11、光照傳感器TSL2561，AT89S52單片機，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊PTR2000，PC和電源模塊組成。傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點逐跳進展傳輸，傳輸?shù)斤@示模塊進展數(shù)據(jù)顯示。 參考資料1 宋文.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用，2002，9(3):5-72 Endress+Hauser.Nivosonic/Prosonic.endless.3 華邦A(yù)T89S52的單片機資料EB/OL.dz51.,20064STR-15型微功率無線數(shù)傳模塊技術(shù)手冊EB/OL.sendbow.,2006.5

3、賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù).：東南大學(xué)，2000.6 何希才.傳感器及其應(yīng)用電路.：電子工業(yè)，20017 徐仁貴,廖哲智.單片微型計算機應(yīng)用技術(shù).:機械工業(yè),2001.8Jack Blitg and GeoffSimpson.Ultrasonic Methods of Nondestructive Testing. Chapman&Hall, 1996 前 言 我國是世界上設(shè)施栽培面積最大的國家，而且近幾年國產(chǎn)連棟溫室每年以新增100150萬公頃的面積快速開展。引導(dǎo)溫室用戶根據(jù)作物的要求進展環(huán)境因子的調(diào)節(jié)以獲得作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，是溫室環(huán)境因子調(diào)控決策支持系統(tǒng)的主要目標(biāo)和方向。然而，目前的溫室

4、測控系統(tǒng)大多采用有線布網(wǎng)、人工測量，導(dǎo)致現(xiàn)場安裝困難，工作效率偏低，測量精度差，這不僅大大增加了電氣工程施工費用，也導(dǎo)致施肥等工作困難；此外，系統(tǒng)中的每個監(jiān)控點沒有自組織功能和自愈能力，維護工作量大，也不利于系統(tǒng)升級。因此，為了實現(xiàn)溫室農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效，開發(fā)和研制一種新型的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)是十分必要的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個學(xué)科的綜合。把無線傳感器剛絡(luò)技術(shù)引入到溫室大棚生產(chǎn)中來，農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心，依賴于孤立的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式。從而實現(xiàn)溫室信息采集自動部署、自組織傳輸和智能

5、控制、大幅度提高單位面積的勞動生產(chǎn)率和資源產(chǎn)出率、改善溫室等設(shè)施工作環(huán)境和工作條件、提高工作效率、保障農(nóng)民身體安康、提高農(nóng)民生活質(zhì)量，有助于解決“三農(nóng)問題，對實現(xiàn)溫室作物生產(chǎn)的可持續(xù)開展具有重要意義。1無線傳感器系統(tǒng)概述1.1無線傳感器技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域部或附近的大量廉價的、具有通信、感測及計算能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織構(gòu)成的“智能測控網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值，被認(rèn)為是未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 1.2 研究背景隨著無線技術(shù)的快速開展和

6、日趨成熟，無線通信也開展到一定的階段，其開展的技術(shù)越來越成熟，方向也越來越多，越來越重要，大量的應(yīng)用方案開場采用無線技術(shù)進展數(shù)據(jù)采集和通信。 微機電系統(tǒng)和低功耗高集成數(shù)字設(shè)備的開展，使得低本錢、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點得以實現(xiàn)。這樣的節(jié)點配合各類型的傳感器，可組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)。廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測和大區(qū)域的目標(biāo)追蹤等領(lǐng)域。傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大、更換非常困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計準(zhǔn)則之一，因此，它迫切需

7、要對傳統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用開發(fā)進展更新和改良，需要精心設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)，以使其可靠而耐用。2003年,美國“技術(shù)評論“雜志論述未來新興十大技術(shù)時,WSN被列為第一;美國“今日防務(wù)“雜志更認(rèn)為WSN的應(yīng)用和開展將引起一場劃時代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭的變革?？梢灶A(yù)測,WSN是信息感知和采集的一場革命,是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一2。低功耗無線傳感模塊，便是組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。此方面的研究由來已久，是計算機應(yīng)用的擴展，采用了大規(guī)模集成電路和嵌入式技術(shù)，使用智能微處理器對采集到的信息進展處理和加工?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于社會建立的各個層面和人們的日常生活當(dāng)中。但過去的研究有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但

8、是功耗太大。 因此，在無線傳感技術(shù)應(yīng)用如此廣泛的今天，在保證無線傳感模塊性能的同時又能實現(xiàn)其低功耗具有一定的理論和現(xiàn)實意義。1.3研究目的當(dāng)前對于無線傳感技術(shù)的研究仍然處在一個高速開展的階段，低功耗就是其開展方向之一，而低功耗與高性能的結(jié)合實現(xiàn)還不完全。因此，為了更好的實現(xiàn)無線傳感模塊的功能，增加模塊的可靠性和使用壽命，通過對無線傳感節(jié)點的硬件功耗的分析，確定無線傳感模塊各單元的根本功率消耗，并進展相應(yīng)比較，確定需重點降耗的單元，在此根底上結(jié)合當(dāng)前對低功耗無線傳感模塊的研究，通過比照分析選擇適宜的芯片完成對低功耗無線傳輸模塊的自主設(shè)計和制作。并輔助軟件開發(fā)人員完成各子模塊的驅(qū)動編寫，實現(xiàn)低功耗

9、無線傳感模塊的整體通信功能。1.4研究意義 無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種開創(chuàng)了新應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)。當(dāng)前，傳感技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被認(rèn)定為最重要的研究之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障。低功耗無線傳感模塊研究具有極其重要的學(xué)習(xí)和研究價值，其功能的實現(xiàn)具有極其重要的理論和現(xiàn)實意義。首先，現(xiàn)有的眾多研究中，將性能和低功耗相結(jié)合的較少，有的只考慮低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。本文綜合了性能和低功耗的共同需求，經(jīng)過深入的分析和對芯片的數(shù)據(jù)比較，提出了低功耗無線傳感模塊的硬件設(shè)計思路。其次，增加無線傳感模塊的應(yīng)用。無線傳感模塊應(yīng)用已非常廣泛，除去組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用外，

10、無線傳感技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，如車間溫濕度、壓力等；短距無線通信等。實現(xiàn)了無線傳感模塊的低功耗，其對電能的需求就會更小，應(yīng)用的圍將會進一步的擴大。2 系統(tǒng)分析和總體設(shè)計2.1 對無線傳感器系統(tǒng)的要求系統(tǒng)由溫濕度傳感器SHT11、光照傳感器TSL2561，AT89S52單片機，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊PTR2000，PC和電源模塊組成。傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點逐跳進展傳輸，傳輸?shù)斤@示模塊進展數(shù)據(jù)顯示。主要技術(shù)指標(biāo)1通信與組網(wǎng)：負責(zé)監(jiān)測環(huán)境信息的傳感器節(jié)點自組織搭建無線網(wǎng)絡(luò)，并向管理和根底效勞層提供效勞支持；2通信頻段：2.4-2.4835Hz；3采用通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

11、：ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；4借點可靠通信圍：200m；5傳感器精度：溫度0.325時，濕度：2.0%RH2080%RH，光照強度：1l*。2.2 系統(tǒng)組成及工作原理2.2.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)由電源，上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)組成。電源包括LM7805，四節(jié)5號AA電池和一個10K電阻。上位機包括無線收發(fā)模塊PTR2000，MA*232，PC。下位機包括無線收發(fā)芯片PTR2000，AT89S52單片機，溫濕度傳感器SHT11，光照強度傳感器TSL2561。PTR2000AT89S52SHT11TSL2561 電源模塊 圖2.1 傳感器節(jié)點系統(tǒng)框圖2.2.2工作原理多個無線傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一

12、個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，其中的節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)依照最近路線逐個傳遞到離監(jiān)測中心最近的傳感器節(jié)點，再從節(jié)點發(fā)送到監(jiān)測中心。由檢測中心的PC中Labview8.6軟件開發(fā)出的監(jiān)測界面顯示數(shù)據(jù)曲線圖。 監(jiān)測軟件界面圖 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1上位機系統(tǒng)圖3.1 上位機系統(tǒng)框圖Fig.3.1 Block diagram of the host system上位機采用PTR2000，PTR2000主要有以下幾個特點3:該器件將接收和發(fā)射合接為一體； 工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433MHZ； 采用FSK調(diào)制/解調(diào)，可直接進入數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合； 采用DDS直接數(shù)據(jù)合成+PLL頻

13、率合成技術(shù)，因而頻率穩(wěn)定性極好； 靈敏度高達105bBm; 工作電壓低2.7V，功耗小，接收待機狀態(tài)電流僅為8A； 具有兩個頻道，可滿足需要多信道工作的場合； 工作速率最高達20kbit/s(也可在較抵速率下工作，如9600bps); 超小體積，約40275mm; 可直接與MCU的串口進展連接如8031，也可以通過MA*232與計算機接口，軟件編程非常方便； 標(biāo)準(zhǔn)的DIR引腳間距更適合于趼、嵌入式設(shè)備； 由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏的設(shè)計，因此使用時無需申請許可證，開闊地時的使用距離最遠可達1000米。引腳排列及功能PTR2000模板的引腳排列如圖1所示。各引腳的功能說明如下；VCC1腳；

14、下輸入端，電壓圍為2.75.25V； CS2腳：頻道選擇端。CS=0時，選擇工作頻道1， 即433.92MHz；CS=1時選擇工作頻道2，即434.33 MHz DI3腳：數(shù)據(jù)輸入端DO4腳：數(shù)據(jù)輸出端； PWR5腳：節(jié)能控制端。當(dāng)PWR=1時，模塊處于正常工作狀態(tài)，PWR=0時，模塊處于待機微功耗狀態(tài)； T*EN6腳：發(fā)射/接收控制端。當(dāng)T*EN=1時，模塊為發(fā)射狀態(tài)；當(dāng)T*EN=0時，模塊被設(shè)置為接收狀態(tài)。 GND7腳：電源地 PTR2000可與所有單片機如80C31、2051、68HC08、PIC、Z8等配合使用，可直接接單片機的串口或I/O口，也可與計算機串口進展通訊，此時需要在中間簡

15、單地接在一個RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，如MA*232等。 3.2下位機系統(tǒng) 下位機電路圖3.2.1微處理器模塊AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。主要性能：與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容； 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器； 1000次擦寫周期； 全靜態(tài)操作：0H

16、z-33MHz； 三級加密程序存儲器； 32個可編程I/O口線； 三個16位定時器/計數(shù)器； 六個中斷源； 全雙工UART串行通道； 低功耗空閑和掉電模式； 掉電后中斷可喚醒； 看門狗定時器； 雙數(shù)據(jù)指針； 掉電標(biāo)識符 。引腳說明AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提

17、 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷構(gòu)造，全雙工串行口， 片晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停頓工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機一切工作停頓，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏 輯電平。對

18、P0端口寫“1時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0不具有部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗 時，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個具有部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1時，部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流IIL。 此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入P1.0/T2和定時器/計數(shù)器2 的

19、觸發(fā)輸入P1.1/T2E*。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能： P1.0 T2定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入，時鐘輸出 P1.1 T2E*定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制 P1.5 MOSI在系統(tǒng)編程用 P1.6 MISO在系統(tǒng)編程用 P1.7 SCK在系統(tǒng)編程用 P2 口：P2 口是一個具有部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1時，部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流IIL。 在訪問外部程序存儲器或用1

20、6位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器例如執(zhí)行MOV* DPTR 時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強的部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址如MOV* RI訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的容。 在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個具有部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個 TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1時，部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流IIL。 P3口亦作為AT89S52特殊功能第二功能使用，如下表所示。 在fla

21、sh編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能： P3.0 R*D(串行輸入口) P3.1 T*D(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時/計數(shù)器0) P3.5 T1(定時/計數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE地址鎖存允許輸出脈沖用于鎖存地址的低8位

22、字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖PROG。如有必要，可通過對特殊功能存放器SFR區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可制止ALE操作。該位置位后，只有一條MOV*和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE制止位無效。 PSEN：程序儲存允許PSEN輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲器取指令或數(shù)據(jù)時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖

23、，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器地址為0000H-FFFFH，EA端必須保持低電平接地。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平接Vcc端，CPU則執(zhí)行部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 *TAL1：振蕩器反相放大器和部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 *TAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.2.2溫濕度傳感器SHT11SHT11是瑞士Ssirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。

24、該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領(lǐng)域。共主要特點如下：高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、AD轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上；提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高； 測量精度可編程調(diào)節(jié)，置AD轉(zhuǎn)換器(分辨率為812位，可以通過對芯片部存放器編程米選擇)；測量準(zhǔn)確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點計算功能；封裝尺寸超小(7.62 mm5.08mm2.5 mm)，測量和通信完畢后，自動轉(zhuǎn)入低功耗模式；高可靠性，采用CMOSens工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中。2 SHT11的引腳功

25、能SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)外表貼片封裝形式，接口非常簡單，引腳名稱及排列順序如圖1所示。各引腳的功能如下：腳1和4-信號地和電源，其工作電壓圍是2.45.5 V；腳2和腳3-二線串行數(shù)字接口，其中DA-TA為數(shù)據(jù)線，SCK為時鐘線；腳58-未連接。3 SHT11的部構(gòu)造和工作原理溫濕度傳感器SHT11將溫度感測、濕度感測、信號變換、AD轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上，其部構(gòu)造如圖2所示。該芯片包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先進入微弱信號放大器進展放大；然后進入一個14位的AD轉(zhuǎn)換器

26、；最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。SHT11在出廠前，都會在恒濕或恒溫環(huán)境巾進展校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲在校準(zhǔn)存放器中；在測量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會自動校準(zhǔn)來自傳感器的信號。此外，SHT11部還集成了一個加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11的溫度升高5左右，同時功耗也會有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗證兩個傳感器元件的性能。在高濕(95RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時縮短響應(yīng)時間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會略有差異。微處理器是通過二線串行數(shù)字接口與SHT11進展通信的。通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的

27、，因此需要用通用微處理器IO口模擬該通信時序。微處理器對SHT11的控制是通過5個5位命令代碼來實現(xiàn)的，命令代碼的含義如表1所列。 4 SHT11應(yīng)用設(shè)計 微處理器采用二線串行數(shù)字接口和溫濕度傳感器芯片SHT11進展通信，所以硬件接門設(shè)計非常簡單；然而，通信協(xié)議是芯片廠家自己定義的，所以在軟件設(shè)計中，需要用微處理器通用IO口模擬通信協(xié)議。4.1 硬件設(shè)計SHT11通過二線數(shù)字串行接口來訪問，所以硬件接口電路非常簡單。需要注意的地方是：DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時鐘線SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對SCK最低頻率沒有要求；當(dāng)工作電壓高于4.5V

28、時，SCK頻率最高為10 MHz，而當(dāng)工作電壓低于4.5 V時，SCK最高頻率則為1 MHz。硬件連接如圖3所示。4.2 軟件設(shè)計 圖5SHT11濕度測試時序圖SHT11濕度測試時序如圖5所示。其中，陰影局部為SHT11控制總線。主機發(fā)出啟動命令，隨后發(fā)出一個后續(xù)8位命令碼，該命令碼包含3個地址位(芯片設(shè)定地址為000)和5個命令位；發(fā)送完該命令碼，將DATA總線設(shè)為輸入狀態(tài)等待SHT11的響應(yīng)；SHT11接收到上述地址和命令碼后，在第8個時鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為從機的ACK；在第9個時鐘下降沿之后，從機釋放DATA(恢復(fù)高電平)總線；釋放總線后，從機開場測量當(dāng)前濕度，測量完畢后

29、，再次將DATA總線拉為低電平；主機檢測到DATA總線被拉低后，得知濕度測量已經(jīng)完畢，給出SCK時鐘信號；從機在第8個時鐘下降沿，先輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在第9個時鐘下降沿，主機將DATA總線拉低作為ACK信號。然后釋放總線DATA；在隨后8個SCK周期下降沿，從機發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來的SCK下降沿，主機再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號；最后8個SCK下降沿從機發(fā)出CRC校驗數(shù)據(jù)，主機不予應(yīng)答(NACK)則表示測量完畢。由于微處理器通過二線串行數(shù)字接口訪問濕度傳感器SHT11，而訪問協(xié)議是芯片生產(chǎn)商白定義的，所以需要用通用IO口模擬該通信協(xié)議。我們選用Atmel公司的微處理器ATme

30、ga128。通過對IO口存放器的編程，該處理器的IO口可以根據(jù)需要設(shè)置成輸入、輸出、高阻等狀態(tài)。這為模擬該通信協(xié)議提供了條件。在軟件實現(xiàn)過程巾，通過宏定義來實現(xiàn)IO口狀態(tài)的改變。3.2.3光照傳感器TSL25611TSL2561簡介TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。該芯片可廣泛應(yīng)用于各類顯示屏的監(jiān)控，目的是在多變的光照條件下，使得顯示屏提供最好的顯示亮度并盡可能降低電源功耗；還能夠用于街道光照控制、平安照明等眾多場合。該芯片的主要特點如下： 可編程配置許可的光強度上下閾值，當(dāng)實際光照度超過該閾值時給出中斷信號； 數(shù)字輸出符合標(biāo)準(zhǔn)的S

31、MBus(TSL2560)和I2C(TSL2561)總線協(xié)議； 模擬增益和數(shù)字輸出時間可編程控制； 1.25 mm1.75 mm超小封裝，在低功耗模式下，功耗僅為0.75 mW； 自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動。2TSL256*的引腳功能 TSL256*有2種封裝形式： 6LEAD CHIPSCALE和6LEAD TMB。封裝形式不同，相應(yīng)的光照度計算公式也不同。圖1為這兩種封裝形式的引腳分布圖。 圖1TSL256*封裝各引腳的功能如下：腳1和腳3： 分別是電源引腳和信號地。其工作電壓圍是2.73.5V。腳2： 器件訪問地址選擇引腳。由于該引腳電平不同，該器件有3個不同的訪問地址。訪

32、問地址和電平的對應(yīng)關(guān)系如表1所列。表1器件訪問地址和引腳2電平的對應(yīng)關(guān)系腳4和腳6： I2C或SMBus總線的時鐘信號線和數(shù)據(jù)線。腳5： 中斷信號輸出引腳。當(dāng)光強度超過用戶編程配置的上或下閾值時，器件會輸出一個中斷信號。3TSL256*的部構(gòu)造和工作原理 TSL256*是第二代周圍環(huán)境光強度傳感器，其部構(gòu)造如圖所示。通道0和通道1是兩個光敏二極管，其道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A/D轉(zhuǎn)換器對流過光敏二極管的電流進展積分，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換完畢后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入芯片部通道0和通道1各自的存放器中。當(dāng)一個積分周期完成之后，積分式A/D轉(zhuǎn)換器將自動開場下一個積分轉(zhuǎn)換過

33、程。微控制器和TSL2560可通過標(biāo)準(zhǔn)的SMBus( System Management Bus) V1.1或V2.0實現(xiàn)，TSL2561則可通過I2C總線協(xié)議訪問。對TSL256*的控制是通過對其部的16個存放器的讀寫來實現(xiàn)的，其地址如表2所列。圖2TSL256*部構(gòu)造圖4TSL256*應(yīng)用設(shè)計TSL256*的訪問遵循標(biāo)準(zhǔn)的SMBus和I2C協(xié)議，這使得該芯片軟件和硬件設(shè)計變得很簡單。這兩種協(xié)議的讀寫時序雖然很類似，但仍存在不同之處。下面僅以TSL2561芯片為例，說明TSL256*光強傳感器的實際應(yīng)用。4.1硬件設(shè)計 TSL2561能夠通過I2C總線訪問，所以硬件接口電路很簡單。假設(shè)所選用

34、的微控制器帶有I2C總線控制器，則將該總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線直接和TSL2561的I2C總線的SCL和SDA分別相連；假設(shè)微控制器部沒有上拉電阻，則還需要再用2個上拉電阻接到總線上。假設(shè)微控制器不帶I2C總線控制器，則將TSL2561的I2C總線的SCL和SDA和普通I/O口連接即可；但編程時需要模擬I2C總線的時序來訪問TSL2561，INT引腳接微控制器的外部中斷。硬件連接如圖3所示。圖3微控制器和TSL2561的硬件連接圖4.2軟件設(shè)計微控制器能夠通過I2C總線協(xié)議對TSL2561進展讀寫。寫數(shù)據(jù)時，先發(fā)送器件地址，然后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)。TSL2561的寫操作過程如下： 先發(fā)送一組器件地址；

35、然后寫命令碼，命令碼是指定接下來寫存放器的地址00h0fh和寫存放器的方式，是以字節(jié)、字或塊幾個字為單位進展寫操作的；最后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，根據(jù)前面命令碼規(guī)定寫存放器的方式，能夠連續(xù)發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，部寫存放器會自動加1。對于I2C協(xié)議具體的讀寫時序，能夠參考相關(guān)資料，在此不再贅述。TSL2561的軟件設(shè)計流程如圖4所示。圖4軟件設(shè)計流程電源用LM7805一塊，10K電阻一個，5號AA電池4節(jié)構(gòu)成+5V穩(wěn)壓電源。電路圖如下：4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 編程思路及流程圖PTR2000思路：單片機開場需將無線數(shù)據(jù)傳輸模塊PTR2000設(shè)置處于承受狀態(tài)，通過串口中斷識別由PC用過無線信道傳輸來的指令，根據(jù)承

36、受指令的容采集數(shù)據(jù)并啟動發(fā)送。發(fā)送前需將PTR2000模塊設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，且等待5ms才可發(fā)送，發(fā)送完畢后，向PC機端發(fā)送“發(fā)送完畢指令，并將PTR2000重設(shè)為承受狀態(tài)，下列圖為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。 基于單片機的PTR2000無線傳輸流程圖ORG 0000H AJMP STARTORG 0200HSTART：SETB P1.0 ；PTR2000的Pin6置1SETB P1.1 ；PTR2000的Pin7置1MOV SP，#80H ；設(shè)置數(shù)據(jù)指針的位置MOV SCON，#40H ；串口工作方式1MOV TMOD，#20H ；定時器工作方式1MOV TL1，#OFDH ；設(shè)定波特率9600MOV

37、 TH1，#OFDHMOV PCON，#00HSETB TR1 ；開啟定時器1MOV DPH，#50H ；指針指向數(shù)據(jù)塊MOV DPL，#00HVIN： MOV Rl，#LEN1 ；發(fā)送VIN碼ACALL T*SUBUSER： MOVE R1, #LEN2 ；發(fā)送用戶名稱ACALL T*SUB COUNT： MOV RA，#LEN3 ；發(fā)送用戶水電氣數(shù)據(jù)ACALL T*SUBCLR Pl.0 ；將PTR2000置接收狀態(tài)CLR Pl.l ；將PTR2000置待機狀態(tài)ORG 0400HT*SUB： PUSH ACC ；保護ACCPUSH PSW ；保護PSWCLR Tl ；清TlT*DD： CL

38、R AMOVC A， A+DPTR ；從數(shù)據(jù)塊中取數(shù)MOV SUBF，A ；從串口發(fā)送JNB Tl，$ ；等待發(fā)送完CLR TlINC DPTR ；取下一個數(shù)DJNT RI，T*DD ；數(shù)據(jù)為發(fā)送完，繼續(xù)POP PSW ；彈出PSWPOP ACC ；彈出ACCRET()RG 0500H ；數(shù)據(jù)塊DVIN： DB1234567890IEN1 DATA10USER： DBABDEFGLEN2 DATA 7DCOUNT：DB8740 3365 4200LEN3 DATA 12SHT11思路：開場微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。該二線串

39、行通信協(xié)議和I2C協(xié)議是不兼容的。在程序開場，微處理器需要用一組啟動傳輸時序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?，如圖4所示。當(dāng)SCK時鐘為高電平時，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平；緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖剑辉赟CK時鐘為高電平時，DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。SHT11初始化啟動SHT11等待上位機發(fā)送指令測溫濕度溫濕度計算計算結(jié)果發(fā)送到上位機復(fù)位#ifndef _SHT11_H_#define _SHT11_H_/*SHT11相關(guān)命令*/#define TEM_TEST 0*03/溫度檢測命令#define HUM_TEST 0*05/濕度檢測命令#define REG_READ 0*07/讀存放器#de

40、fine REG_WRITE 0*06/寫存放器#define FUNCTION_SET0*01/設(shè)置SHT11的工作精度為8位/濕度 12位溫度/*SHT11端口定義*/sbit SHT11_DATA=P20;sbit SHT11_SCK=P22;uchar flag_tempeture=0; /顯示溫度位置的標(biāo)志uchar flag_humidity=0; /顯示濕度位置的標(biāo)志uchar code str1= 0*10,0*06,0*09,0*08,0*08,0*09,0*06,0*00;/溫度圖標(biāo)uchar code str6_sht11=%RH ; uchar code str4_sh

41、t11=humi=;uchar code str2_sht11=temp=;uchar code str7_sht11= ;/去除沒不要的顯示/*函數(shù)名稱:Delay()函數(shù)功能:SHT11部延時*/void Delay();/*函數(shù)名稱:Delay_Ms()函數(shù)功能:SHT11檢測等待延時函數(shù)說明:11ms/55ms/210ms 分別對應(yīng)8位/12位/14位 測量結(jié)果對應(yīng)的形參為N 則延時Nms*/void Delay_Ms(uint ms)uint i,j;for(i=ms;i0;i-)for(j=112;j0;j-);/*函數(shù)功能:SHT11啟動時序*/void SHT11_Start(

42、)SHT11_SCK=1;SHT11_DATA=1;Delay();SHT11_DATA=0;Delay();SHT11_SCK=0;Delay();SHT11_SCK=1;Delay();SHT11_DATA=1;/*函數(shù)名稱：SHT11_Sendbyte(uchar dat)函數(shù)功能: 向SHT11發(fā)送8bite數(shù)據(jù)*/void SHT11_Sendbyte(uchar dat)uchar i;SHT11_SCK=0;Delay();for(i=0;i8;i+)if(dat&0*80)SHT11_DATA=1;Delay();elseSHT11_DATA=0;Delay();dat=dat

43、1;SHT11_SCK=1;Delay();SHT11_SCK=0;/*函數(shù)名稱SHT11_Answer()：函數(shù)功能:檢測SHT11的響應(yīng)信號(在第九個時鐘周期)*/void SHT11_Answer()SHT11_SCK=1;Delay();while(SHT11_DATA=1);SHT11_SCK=0;SHT11_DATA=1;/*函數(shù)名稱：SHT11_Test_Finish()函數(shù)功能:檢測SHT11溫濕度檢測是否完畢*/void SHT11_Test_Finish()while(SHT11_DATA=1);/*函數(shù)名稱：SHT11_Receivebyte()函數(shù)功能:從SHT11接收

44、8bite數(shù)據(jù)*/uchar SHT11_Receivebyte() uchar i;uchar dat;SHT11_SCK=0;Delay();for(i=0;i8;i+)SHT11_SCK=1;Delay();dat=dat2.47V 當(dāng)位6為1時說明VDD2.47V即電量缺乏 位0說明當(dāng)前的測量分辨率 當(dāng)位0為1時說明測量精度：8位/濕度 12位溫度 當(dāng)位0為0時說明測量精度：12位濕度 14位溫度 默認(rèn)為0*/uchar SHT11_Read_Register(uchar mand)uchar dat;SHT11_Start();SHT11_Sendbyte(mand);SHT11_A

45、nswer();dat=SHT11_Receivebyte();SHT11_End();return(dat);/*函數(shù)名稱:SHT11_Measure(uchar mand,uint time);函數(shù)功能:設(shè)置SHT11檢測功能,并返回相應(yīng)的檢測結(jié)果函數(shù)說明:mand形參用于設(shè)定溫度檢測還是濕度檢測,time形參用于設(shè)定檢測過程中的等待時間，以確定檢測結(jié)果的位數(shù)11ms/55ms/210ms 分別對應(yīng)8位/12位/14位 */uint SHT11_Measure(uchar mand,uchar time)uint dat=0;uchar data_high,data_low;SHT11_S

46、tart();SHT11_Sendbyte(mand);SHT11_Answer();Delay_Ms(time);SHT11_Test_Finish();data_high=SHT11_Receivebyte();MCU_Answer();data_low=SHT11_Receivebyte();SHT11_End();dat=(dat|data_high);dat=(dat100.0)flag_tempeture=1;else if(tempeture10.0)flag_tempeture=1;else flag_tempeture=0;return(tempeture1);/*函數(shù)名稱:

47、SHT11_Convert_Humidity(uint dat,float temp)函數(shù)功能:將檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的濕度數(shù)據(jù)函數(shù)說明:相對濕度轉(zhuǎn)換公式RHline=C1+C2*SOrh+C3*SOrh*SOrh(檢測數(shù)據(jù)的線性化 SOrh為單片機接收到的數(shù)據(jù)) RHtrue=(tempeture-25)*(t1+t2*SOrh)+RHline 公式中的參數(shù):C1=-4,C2=0,0405,C3=-0.0000028 t1=0.01,t2=0.00008適用于12位測量精度*/float SHT11_Convert_Humidity12bit(uint dat,float temp)flo

48、at RHline,RHtrue;RHline=-4+0.0405*dat-0.0000028*dat*dat;RHtrue=(temp-25)*(0.01+0.00008*dat)+RHline;if(RHtrue100.0)flag_tempeture=1;elseflag_tempeture=0;return(tempeture1);*/*函數(shù)名稱:SHT11_Convert_Humidity8bit(uint dat,float temp)函數(shù)功能:將檢測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的濕度數(shù)據(jù)函數(shù)說明:相對濕度轉(zhuǎn)換公式RHline=C1+C2*SOrh+C3*SOrh*SOrh(檢測數(shù)據(jù)的線性化 SOrh為單片機接收到的數(shù)據(jù)) RHtrue=(tempeture-25)*(t1+t2*SOrh)+RHline 公式中的參數(shù):C1=-4,C2=0,648,C3=-0.00072 t1=0.01,t2=0.00128適用于12位測量精度float SHT11_Convert_Hum