基于单片机的温湿度采集管理系统.docx
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基于单片机的温湿度采集管理系统
基于单片机的温湿度采集管理系统
摘要1
第1章绪论1
1.1系统开发背景1
1.2课题设计目的和意义2
1.3课题研究内容2
第2章无线温湿度采集管理系统总体设计3
2.1系统的总体设计3
2.2系统设计的功能4
第3章无线温湿度传输系统硬件设计4
3.1nRF905高频头通信模块5
3.1.1nRF905概述5
3.1.2nRF905无线模块硬件结构5
3.1.3nRF905天线6
3.1.4nRF905频率调制6
3.1.5nRF905输出频率6
3.1.6高频头输出接口电路7
3.2AT89S52单片机8
3.2.1单片机与nRF905通信9
3.2.2单片机与主机通信11
3.2.3单片机程序下载模块12
3.3DS18B20温度传感器12
3.3.1温度传感器概述12
3.3.2温度传感器构成及原理12
3.3.3温度传感器寄生电源13
3.3.4传感器温度测量14
3.4DHT11传感器14
3.4.1DHT11温湿度传感器概述14
3.4.2DHT11构成及其工作原理15
3.4.3测量分辨率16
3.5系统电源模块16
第4章无线温湿度传输系统软件（下位机）设计16
4.1无线温湿度传输系统软件总体设计17
4.2单片机串口通信18
4.2.1SBUF数据缓冲寄存器19
4.2.2SCON串行口控制寄存器19
4.2.3PCON特殊功能寄存器20
4.2.4串口通信波特率选择20
4.2.5IE中断允许控制寄存器21
4.3nRF905与单片机通信21
4.3.1nRF905的数据发送21
4.3.2nRF905的数据接收22
4.3.3掉电模式24
4.3.4Standby模式24
4.4DS18B20数据采集24
4.4.1DS18B20初始化24
4.4.2DS18B20读时序25
4.4.3DS18B20写时序25
4.5异常情况处理25
第5章温湿度采集管理系统的设计25
5.1数据管理中心（上位机）软件系统的总体设计25
5.1.1系统功能模块设计25
5.1.2数据库逻辑结构设计27
5.1.3系统开发及运行环境27
5.1.4系统管理方法27
5.2温湿度管理系统各功能模块介绍27
5.2.1MSComm控件注册模块28
5.2.2数据采集模块29
5.2.3数据统计分析模块31
5.2.4历史记录模块34
5.2.5异常处理模块35
5.2.6帮助模块35
5.3“温湿度采集管理系统”管理软件的特点36
第6章结论36
6.1系统特点37
6.2需要进一步完善的工作37
6.3无线RF传输技术应用前景37
参考文献37
致谢39
附录一41
（1）数据采集传输代码41
（2）nRF905程序43
（3）DS18B20程序44
（4）DHT11程序45
（5）主程序46
附录二实物图48
基于单片机的温湿度采集管理系统
***
南京信息工程大学滨江学院电子工程系，南京210044
摘要：
本课题提出并设计基于AT89S52单片机的nRF905无线传输温湿度采集管理系统。
系统主要包括无线温湿度数据传输系统和温湿度采集管理系统两个部分：
在无线温湿度数据传输系统中，MCU处理器读取DHT11、DS18B20传感器采集的数据，nRF905无线射频收发模块实现数据的发射接收，二者通过模拟SPI接口进行通信；而在温湿度采集管理系统中，系统将通过RS232串口采集的数据存放到数据库中并对数据进行管理、备份、存储、查询以及分析处理。
系统通过了模拟调试，方案设计合理，应用效果较好，是一种很有推广性的无线数据采集管理系统。
关键词:
RF射频技术；SPI时序；串口通信；温湿度管理；数据库技术
第1章绪论
1.1系统开发背景
我国是世界上自然灾害发生十分频繁、灾害种类甚多，造成损失十分严重的少数国家之一。
每年由于干旱、洪涝、台风、暴雨、冰雹等灾害危及到人民生命和财产的安全，国民经济也受到了极大的损失。
对于局部区域（校园、企业、公共场所、科研场所等），尤其是对于气候要求比较严格的地区，实时的检测周围的环境变化（温度、湿度、能见度），能够及时的发现各种异常情况发生。
现如今也采用了各种手段来应对这种情况，比如，气象自动站通信系统通过RE232有线、无线微波、GPRS、气象短信等方式采集气象要素，用于统计分析和处理。
在本校实验楼的走廊里，全部安装了烟雾传感器，当烟雾达到一定浓度时（即发生火灾等情况），各节点会同时喷出水来解决异常情况。
这些所有的烟雾传感器都是采用有线连接，对于难于布线、相对较偏区域，布局成本明显提高。
RF无线传输技术，由于具有传输距离远、信息量大、传输速度快、信息传输精确、频带免费使用等优点，非常适合无线数据传输系统。
RFID是射频识别技术的英文（Radio Frequency Identification）的缩写。
RFID技术作为一项能够快速、实时、准确采集并处理信息的高新技术，是20世纪90年代开始兴起的一种非接触的自动识别技术。
该技术在世界范围内正被广泛的应用。
RFID技术在国外迅速发展。
RFID技术的发展是基于多项技术的发展，它所涉及的关键技术有芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁波传播技术。
RF905系列射频无线传输涉及天线技术、数据变换与编码技术、电子波传播技术等，广泛应用于无线数据传输、警报与安全系统、家庭自动化系统、远程控制系统、监控系统、汽车、遥感探测等领域。
1.2课题设计目的和意义
数据采集系统是现代测控的基础，用于获取各种现场测量数据。
在计算机控制系统或计算机信息管理系统中，需要采集各种信息并将其送入计算机内进行处理。
因此作为获取信息的重要工具，数据采集系统目前正广泛地用于生产、科研的各个领域。
数据采集系统由信息转换、数据通信和信息处理三部分组成，其中数据通信系统是其中最重要的组成部分，本文对这一部分将进行重点讨论。
现阶段数据通信方式总线采集方式、无线微波电台、无线GPRS、GSM、气象短信等。
还包括人工采集方式。
由于现有这种方式的通信方式已经大规模投入使用，故本文采用RF射频无线通信方式进行通信，下表1是对各种数据通信方式进行比较。
表1各种通信方式比较
数据采集方式
通讯距离
通信载体
消费
优缺点
人工采集
人工消费
无实时性、有误差
RS232有线
0-20M
总线
布线费用
传输距离小
RS485有线
0-1000M
总线
布线费用
布线麻烦
无线微波电台
0-1000M
微波
占用频带费用
气候地形影响通信
无线GPRS
不限
网络
网络流量计费
时延
无线GSM
不限
网络
网络流量计费
时延、距离不限
气象短信
不限
网络
短信计费（较高）
时延、费用高
无线射频
0-3000M不同芯片决定
电磁波
免费
受外在因素影响，可改善
RFID技术本身的完善及其独特的优势，使得RF射频传输技术在我国拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。
可以传输几百米到上千米，且无需网络传输，传输速度快，可以应用于，偏僻，粉尘、油污等高污染环境和放射性环境。
另外，nRF905功耗低的特点，使得其作为终端设备具备长期作业的能力。
所以，本课题提出并设计基于AT89S52单片机的nRF905无线传输系统的温湿度管理系统及其软件开发。
使得系统应用更灵活广泛。
1.3课题研究内容
研究课题是基于nRF905无线射频模块和AT89S52可编程控制器的温湿度管理系统。
研究的内容如下：
1.设计温湿度管理系统的总体结构。
2.AT89S52与nRF905无线射频模块、计算机与AT89S52之间的串行通信。
3.根据温湿度采集管理的控制要求设计温湿度采集管理系统。
4.在Access2007数据库环境下，用Delphi开发温湿度采集管理信息。
在温湿度管理系统中，基于AT89S52的nRF905无线收发系统是快速、实时、准确的发射接收数据的设备。
DS18B20、DHT11传感器能够准确的采集数据，通过AT89S52单片机处理器对数据进行处理，然后通过模拟SPI接口将数据发送给nRF905无线模块，由nRF905无线模块实现数据的发射接收，从而实现了数据的无线传输。
计算机与nRF905控制器之间采用RS232连接，构成温湿度采集管理上位机系统。
采集管理系统是基于可视化编程语言Delphi和Access数据库技术系统由数据采集模块、数据维护模块、统计分析模块、异常处理模块和使用帮助模块等五大模块组成。
可以实现数据备份、数据删除、保存数据和报表打印等；对终端进行时时记录、监测，然后通过统计曲线图将数据趋势时时显示出来；实时分析特定期段的最高温度、最低温度等；数据异常处理等功能。
第2章无线温湿度采集管理系统总体设计
2.1系统的总体设计
基于AT89S52的温湿度采集管理系统是集RF技术、计算机管理技术、数据采集技术于一体的实时采集温湿度的管理系统。
系统主要由无线温湿度传输系统和温湿度采集管理系统两部分组成。
系统采用半双工的通信模式，可实现两节点之间的双向收发。
无线温湿度数据采集系统主要通过MCU与PC机串口通信，MCU处理器与RF控制器进行通信，传感器通过单片机控制机将采集的数据通过nRF905模块向外发送数据，接收端通过nRF905模块将来实现接收发送端发来的数据，再由接收端单片机通过RS232串口传递给接收端PC机，从而实现将采集的温湿度数据通过无线通信传到管理系统，温湿度管理系统由Delphi开发的软件管理模块和后台数据库组成，时时采集数据信息，更有效的对温湿度的管理，系统整体设计图如图1。
图1系统整体设计结构图
上述系统结构中只有一个数据采集终端，即点对点通信，推广之，对于实际的具体应用，会需要多个数据监测点，即点对多点通信。
而nRF905无线收发模块有170个频道，可满足多点通讯和跳频通讯需求，从而实现组网通讯（TDMA-CDMA-FDMA），具体的温湿度管理系统如图2。
图2点对多点系统通信管理图
2.2系统设计的功能
基于AT89S52的温湿度管理系统主要是对某一特定区域的温湿度实现智能化、自动化的管理，其基本功能包括计算机管理功能、数据自动采集功能、数据精确传输功能、应急预警功能、数据反馈功能。
1.计算机管理功能。
计算机管理是整个管理系统的核心，由计算机、温湿度管理系统、通信线路等组成。
主要完成通过串口实现计算机与RF控制器之间的通信；数据统计、处理、分析；数据存储、记录；数据备份打印；控制子系统等功能。
2.数据自动采集功能。
根据用户的需求及控制，控制器能够定时实时的自动采集到由温湿度传感器提供的数据。
3.数据精确传输功能。
采用nRF905无线传输模块，在空旷通讯距离可达300米左右，室内通信3-6层可实现可靠通信，抗干扰性能强，很强的扰障碍穿透性能。
对于600米左右的距离，可采用PA（功率放大器），以确保数据的正确传输。
4.应急预警功能。
当温度湿度出现异常情况时，比如，发生某设备温度过高、火灾等，则系统会向用户发出预警，比如，鸣笛，灯光闪烁等。
5.控制子系统功能。
用户通过计算机管理系统，可以对监测的节点进行相关的控制，比如停止检测节点工作，解除检测节点的警报等。
第3章无线温湿度传输系统硬件设计
无现温湿度传输系统可以分为数据采集终端和数据接收终端。
数据采集终端，即采集终端（RTU）安装于各个监测点，主要由传感器单元、单片机（下位机）、nRF905无线模块数据发送终端和天线构成。
数据采集终端（RTU）系统的功能框图如图3。
数据接收终端主要是用来接收由各个监测点监测的数据，并通过RS232串口传到PC机。
同时也用来作为用户发布相关控制命令至各监测点。
图3数据采集终端（RTU）系统总体框图
3.1nRF905高频头通信模块
3.1.1nRF905概述
nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道（可以免费使用）。
nRF905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。
ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。
3.1.2nRF905无线模块硬件结构
nRF905单片射频发射芯片及其工作原理图如图4所示。
整个nRF905模块由ATN1和ATN2管脚与天线构成天线输出模块，高频头输出模块包括数字输入、数字输出、SPI接口三部分构成，发射芯片采用16Ｍ晶振提供系统时钟，工作电压为3.3V。
下面从RF外围一些模块做详细说明。
图4nRF905单片射频发射芯片硬件结构图
3.1.3nRF905天线
ANT1和ANT2输出脚给天线提供稳定的RF输出。
这两个脚必须连接到VDD_PA的直流通路。
或者通过RF扼流圈，或者通过天线双极的中心点。
在ANT1和ANT2之间的负载阻抗应该在200-700U范围内。
通过简单的匹配网络或RF变压器（不平衡变压器）可以获得较低的阻抗。
3.1.4nRF905频率调制
nRF905的调制采用高斯频移键控（GFSK），调制在100kbps。
频率偏离在
。
高斯频移键控（GFSK）调制教普通的频移键控在更宽的带宽传输连接有效。
数据在内部进行曼切斯特编码（TX）和曼切斯特解码（RX）。
就是说，有效地符号连接速率为50kbps。
通过采用内部曼切斯特编解码，微控制器不需要制定编码解码规则。
3.1.5nRF905输出频率
nRF905的RF工作频率由配置寄存器中的CH_NO和HFREQ_PLL设置。
工作频率计算公式如下：
当HFREQ_PLL=“0”，通道频差为100KHz，当HFREQ_PLL=“1”，通道频差为200KHz，应用工作频率的选择必须使用Shock范围内，其具体的工作频率对应的设置如表2。
表2nRF905工作频率的设置表
工作频率
HFREQ_PLL
CH_NO
433.0MHz
[0]
[001001100]
433.1MHz
[0]
[001101011]
433.2MHz
[0]
[001101100]
433.7MHz
[0]
[001111011]
868.0MHz
[1]
[001010110]
868.2MHz
[1]
[001110101]
868.4MHz
[1]
[001110110]
868.8MHz
[1]
[001111101]
902.2MHz
[1]
[100011111]
902.4MHz
[1]
[100100000]
902.8MHz
[1]
[110011111]
3.1.6高频头输出接口电路
nRF905模块引出的高频头引出的管脚接口及实物图如图5所示。
图5nRF905模块引出的高频头管脚接口及实物图
nRF905模块各管脚说明如表3，其中VCC脚接电压范围为3.3V~3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块，本系统采用3.3V。
除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。
若硬件上没有SPI的单片机，可以用普通单片机IO口模拟SPI，不需要单片机SPI模块介入，只需添加代码模拟SPI时序即可。
表3nRF905高频头管脚说明图
管脚
名称
管脚功能
说明
1
VCC
电源
电源+3.3~3.6VDC
2
TX_EN
数字输入
TX_EN=1TX模式TX_EN=0RX模式
3
TRX_CE
数字输入
使能芯片发射或接收
4
PWR_UP
数字输入
芯片上电
5
uCLK
时钟输出
本模块该脚废弃不用，向后兼容
管脚
名称
管脚功能
说明
6
CD
数字输出
载波检测
7
AM
数字输出
地址匹配
8
DR
数字输出
接收或发射数据完成
9
MISO
SPI接口
SPI输出
10
MOSI
SPI接口
SPI输入
11
SCK
SPI时钟
SPI时钟
12
CSN
SPI使能
SPI使能
13
GND
地
接地
14
GND
地
接地
3.2AT89S52单片机
At89S52单片机有8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
单片机外围电路首先由复位电路、晶振电路，使能信号置高构成最小系统，保证其正常运行，在P0口处，加上了10K的上拉电阻，并从P0口外接部分开关和发光二极管，nRF905高频头的引脚与单片机相连，串口连接MAX232最终连接到主机串口，P2.0连接温度传感器dq引脚，其具体的连接方式如图6所示。
图6单片机硬件连接原理图
3.2.1单片机与nRF905通信
单片机与nRF905高频头通信模块是本系统中硬件电路的核心元件，由单片机的I/O口分别控制nRF905模块状态连接口（AM、DR、CD）、模式接口（PWR_UP、TRX_CE、TX_EN）、和SPI接口（CSN、SCK、MIOS、MOSI）。
其连接方式为如下表4。
表4nRF905和单片机连接方式
Nrf905
AT89S51
状态连接口
AM
P1^5
DR
P1^4
CD
P1^6
模式接口
PWR_UP
P1^2
TRX_CE
P1^1
TX_EN
P1^0
SPI接口
CSN
P3^4
SCK
P3^3
MISO
P1^7
MOSI
P3^2
对于单片机，可以利用通用的I/O口模拟ISP接口进行通信。
nRF905模块所有配置字都是通过模拟SPI接口送给RF905。
模拟SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置。
当RF905处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作状态。
1.SPI接口寄存器
SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。
状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。
SPI接口由5个内部寄存器组成执行寄存器的回读模式来确认寄存器的内容。
SPI接口只有在掉电模式和Standby模式是激活的。
其原理图如图7。
各寄存器的作用如下：
图7SPI寄存器内部原理图
（1）状态寄存器：
包含数据就绪DR和地址匹配AM状态。
（2）RF配置寄存器：
包含收发器的频率，输出功率等配置信息。
（3）发送地址：
寄存器包含目标器件地址字节长度由配置寄存器设置。
（4）发送有效数据：
寄存器包含发送的有效ShockBurst数据包数据字节长度由配置寄存器设置。
（5）接收有效数据：
寄存器包含接收到的有效ShockBurst数据包数据字节长度由配置寄存器设置在寄存器中的有效数据由数据准备就绪DR指示。
2.SPI接口工作时序
SPI读写时序原理图如图8图9，nRF905与单片机模拟SPI接口通信，对nRF905进行读、写操作时,通过CSN的由高到低的跳变来使能nRF905。
nRF905内置完整的通信协议,软件设计主要集中在实现对nRF905模块的有效初始配置,以及MCU与nRF905模块之间SPI通信的实现。
其中须保证MCU与nRF905模块时序的一致,并充分考虑nRF905模块对时序的要求。
图8SPI读时序操作
图9SPI读时序操作
3.2.2单片机与主机通信
单片机与PC机通信是通过串口TXD、RXD完成，其中包含了TTL电平与RS232电平之间的转换，本系统中，采用MAX232芯片用来做电平转换。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电，其硬件原理图如图10。
MAX232内部结构包括三个部分：
电荷泵电路、数据转换通道、供电。
（1）电荷泵电路由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
（2）数据转换通道由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
（3）供电，15脚DNG、16脚VCC使用5V电压供电。
图10MAX232电平转换硬件原理图
3.2.3单片机程序下载模块
ATMEGA16单片机支持在线编程，因此只需将单片机的对应引脚与ISP下载器相连即可完成单片机的在线编程。
本文使用的ISP下载器的引脚定义如图11所示。
如果用编程器烧写单片机的程序存储器，每修改一次程序就要拔下芯片编程后在插入系统中运行，这样不但麻烦，而且很容易对芯片和电路板造成损伤。
图11ISP下载接口电路图
3.3DS18B20温度传感器
3.3.1温度传感器概述
温度传感器选择新一代产品中性能最好的DS18B20，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
其封装图如图12,共有PR-35和SOSI两种封装方式，本系统采用PR-35封装。
图12DS18B20PR-35和SOSI封装
3.3.2温度传感器构成及原理
DS18B20内部结构主要由三部分构成：
64位激光ROM、温度传感器、非易失性温度警告触发器TH和TL。
器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期
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