无线环境监测模拟装置的设计.docx
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无线环境监测模拟装置的设计
广西科技大学
毕业设计说明书
课题名称无线环境监测模拟装置的设计
系别
专业电子信息科学与技术
班级
学号
姓名
指导教师
2013年5月20日
摘要
近几年，随着科学技术的快速发展，单片机的普及和应用正在得到不断推广和深入，于此同时带动了传统的控制检测技术也得到了日益的更新。
在实时环境检测和自动化控制的单片机应用系统的领域中，单片机在系统中常常以核心部件出现，单方面掌握单片机方面知识是远远不能满足开发需求的，必须要按照具体要求硬件结构软硬件有机结合，加以完善。
无线环境监测模拟装置的系统，无线环境监测模拟装置具有对温度和光亮的检测功能，并且可以通过无线网络传输数据。
不仅能很好的检测环境变化，而且无线传输方便实用。
本设计采用12C5A单片机来实现无线环境监测功能的控制，同时采用1602、18B20，24L01、光敏电阻以及其它芯片来铺助，从而达到智能控制的功能。
通过12C5A芯片的各个端口来控制各个模块的正常工作。
本设计有接受和发送两个模块，各模块都能独立工作，通过无线通信技术进行数据传输。
可实现对发送模块地区的温度与光亮检测，并可在接收模块显示出来。
本系统实用性强、操作简单、扩展性好。
关键词：
单片机；温度；环境；无线；光亮
,,.,,.
a,.,.a12C5A,1602,18B20,24L01,,.12C5A.,,.,.
,.
:
;;;;
1绪论-1-
2课题的设计要求和设计方案-2-
2.1设计要求-2-
2.1.1题目概述-2-
2.1.2设计任务-2-
2.1.3设计要求-2-
2.2设计方案-2-
2.2.1供电方案-2-
2.2.2无线通信方案-3-
2.2.3显示方案-4-
2.2.4温度检测方案-4-
2.2.5光线检测方案-5-
3芯片的介绍及应用-6-
3.112C5A60S2系列单片机简介-6-
3.1.112C5A60S2系列单片机的引脚及功能-6-
3.1.2单片机最小系统的设置-10-
3.21602芯片介绍及应用-10-
3.2.1液晶显示器的介绍-10-
3.2.21602的显示原理-10-
3.2.31602的基本参数及引脚功能-11-
3.2.41602的特性-11-
3.2.51602的使用方法-12-
3.2.51602的控制指令-13-
3.318B20芯片介绍及应用-13-
3.3.118B20引脚功能-13-
3.3.218B20读写说明-14-
3.424L01芯片介绍及应用-15-
3.4.124L01芯片的介绍-15-
3.4.224L01芯片的引脚功能-15-
3.4.324L01的固件编程的基本思路-15-
4程序的设计流程-17-
4.118B20模块流程图-17-
4.2无线通讯接收模块流程图-17-
4.3无线通讯发送模块流程图-18-
4.41602模块流程图-19-
5软硬件的调试-20-
5.1硬件原理图-20-
5.2硬件实物图-21-
结论-22-
致谢-23-
参考文献-24-
附录-25-
1绪论
由于人们生活环境的不断恶化，人们对环境问题的认识伴随着人类社会的发展进程也在不断地加深。
环境保护正日益被重视起来，随之环境监测市场也不断扩大。
然而现阶段的环境监测站却不能满足社会的环境监测需求的增长，随着国家政策对环境监测领域的支持，环境监测基础建设得到了快速的发展。
环境监测的前景不可忽视。
环境问题以是当今国际社会的普遍问题，环境污染这一问题在我国尤为突出，因此环境监测逐渐被人所重视。
环境检测，是一项技术性很强的新兴行业。
环境检测的介质对象大致可分为水质检测、空气检测、土壤检测、固体废物检测、生物检测、噪声和振动检测、电磁辐射检测、放射性检测、热检测、光检测、卫生（病原体、病毒、寄生虫等）检测等。
环境检测的对象以及环境复杂多变，因此尤为需要不同的环境监测设备以代替人为的去对环境的检测。
环境监测技术是环境污染控制的眼睛，是研究环境质量变化趋势的重要手段，是环境保护的基础。
随着社会经济的发展，各个国家对环境保护的意识都在加强。
对于一些比较恶劣的环境，很难人工进行检测，因此，检测环境的仪器就显得更为重要的了。
随着现代工业化的不断发展，人们对工厂的工作环境要求不断提高，尤其是现代工业对环境温度、光照的控制要求越来越高,许多车间在生产特定产品时都需要对车间温度、光照进行监控。
而无线环境检测装置的便捷性使它更受市场的欢迎，无线环境检测装置的商业价值潜力巨大。
无线环境监测模拟装置具有对温度和光亮的检测功能，并且可以通过无线网络传输数据。
不仅能很好的检测环境变化，而且无线传输方便实用。
2课题的设计要求和设计方案
2.1设计要求
2.1.1题目概述
无线环境监测模拟装置是可以检测环境相关指标，并能通过无线传输相应信息的设备，它可以加强环境的检测，节约人力资源，提高环境检测的效率。
它适用于各种环境，各种地势等不同情况下对环境检测的需求，能在人类难以或无法到达的区域进行环境的检测。
2.1.2设计任务
设计并制作一个环境监测，实现对周边温度和光照信息的探测。
该装置由1个监测终端和1个探测节点组成。
监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据的功能。
2.1.3设计要求
1.实现对探测节点周边温度和光照信息的探测。
2．该装置由1个监测终端和1个探测节点组成。
3．监测终端和探测节点均含一套无线收发电路，要求具有无线传输数据功能。
4．监测终端有显示设备可以显示相关信息。
2.2设计方案
2.2.1供电方案
如果要使本次无线环境监测模拟装置能正常而稳定的工作，就必须要有稳定可靠的电源。
而本次设计涉及到的模块比较多，电源供求量比较大，而且24L01无线模块需要使用3.3V的电源供电，所以本次设计了以下方案：
采用转接口5V电压供电，在使用1117芯片将5V的电压转换为3.3V的电压。
这样即简单而又可提供稳定的电源。
5V转3.3V供电电路如图2.1：
图2.15V转3.3V电路图
5V供电接口电路如图2.2：
图2.25V供电接口电路
2.2.2无线通信方案
本无线环境监测模拟装置的设计的无线通信模块采用的是公司生产的一款24L01无线通信芯片，其采用调制，内部集成自己的协议。
可以实现点对点或是1对6的无线通信。
无线通信速度可以达到2M（）。
电路如图2.3。
图2.3无线通信模块电路
2.2.3显示方案
本无线环境监测模拟装置的设计涉及温度，光亮等显示功能。
基于功能需求，设计考以下方案：
基于1602液晶显示器使用方便且价格便宜，又能很好的符合本次设计的要求，故采用1602液晶显示器来显示，其电路如图2.4所示。
图2.41602液晶显示器电路
2.2.4温度检测方案
18B20温度传感器具有体积小，硬件开消低，具有超强的抗干扰能力，检测精度高，附加功能强，使用简单的优点。
符合本次无线环境监测模拟装置的设计的要求，且经济实用，故使用18B20温度传感器作为本次无线环境监测模拟装置的设计的温度检测器件，18B20温度传感器电路如图2.5所示。
图2.518B20温度传感器电路
2.2.5光线检测方案
本次无线环境监测模拟装置的设计只对光线的有无做监测，电路相对简单，故采用光敏电阻和可变电阻作为光线检测及其灵敏度的的调节部件。
光检测模块只输出高电平或低电平。
光线检测电路如图2.6所示。
图2.6光线检测电路
3芯片的介绍及应用
3.112C5A60S2系列单片机简介
单片机是简称单片微型计算机，同时又称为微控制器、嵌入式微控制器等，它属于第四代电子计算机。
2C5A60S2系列单片机是公司生产的低功耗/高速/超强抗干扰的单时钟/机器周期（1T）的新一代8051单片机，兼容传统8051的指令代码,其速度是传统8051的速度快8-12倍。
2C5A60S2系列单片机内部集成了2路，80专用复位电路,8路高速10位转换（250，即25万次/秒）。
[9]
2C5A60S2系列单片机是增�型的8051，具有单时钟/机器周期的特点其工作温度范围：
-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级），工作电压在5.5V-3.5V范围内，工作频率范围：
0～35，相当于传统8051单片机的0～420。
2C5A60S2系列的单片机片上集成1280字节，用户应用程序空间有8K/6K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等多种类型，方便用户选择。
并且具有功能。
其内部集成810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地），其内部共有4个16位的定时器：
两个16位定时器/计数器T0和T1，加上2个独立波特率发生器可实现2个16位定时器。
具有3个时钟输出端口：
P3.40、P3.51、P1.0。
单片机里有10位精度，共8路，转换速度可达250（每秒钟25万次）[8]。
3.1.112C5A60S2系列单片机的引脚及功能
12C5A60S2系列单片机的引脚图如图3.1所示，引脚及功能如表3.1、表3.2、表3.3所示。
图3.112C5A60S2系列单片机引脚图
表3.1单片机的引脚说明1[8]
管脚
管脚编号
说明
44
48
40
44
40
P0.0~P0.7
37-30
40~33
39-32
43~36
34~27
P0:
P0口既可作为输入/输出口，也可作为地
址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出
口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电
阻，无需外接上拉电阻。
当P0作为地址/数据复
用总线使用时，是低8位地址线[A07]，数据线
的[D07]。
P1.002
40
43
1
2
36
P1.0
标准口[0]
0
输入通道-0
2
独立波特率发生器的时钟输出
可通过设置[2]位
将该管脚配置为2
P1.1
4
44
2
3
37
P1.1
标准口[]
输入通道-1
P1.222
42
45
3
4
38
P1.2
标准口[2]
2
输入通道-2
计数器的外部脉冲输入脚
2
第二串口数据接收端
P1.3302
43
46
4
5
39
P1.3
标准口[3]
3
输入通道-3
0
外部信号捕获（频率测�或当外部中
断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制
输出
2
第二串口数据发送端
P1.44
44
47
5
6
40
P1.4
标准口[4]
4
输入通道-4
外部信号捕获（频率测�或当外部中
断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制
输出
同步串行接口的从机选择信号
P1.55
1
2
6
7
1
P1.5
标准口[5]
5
输入通道-5
同步串行接口的主出从入（主器件
的输出和从器件的输入）
P1.66
2
3
7
8
2
P1.6
标准口[6]
5
输入通道-6
同步串行接口的主入从出（主器件
的输入和从器件的输出）
P1.77
3
4
8
9
3
P1.7
标准口[7]
7
输入通道-7
同步串行接口的时钟信号
表3.2单片机的引脚说明2[8]
管脚
管脚编号
说明
44
48
40
44
40
P2.0~P2.7
8-25
9-23
2-28
24~3
6~23
2:
P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出
26-28
P3.0
5
6
10
11
5
P3.0
标准口3[0]
串口1数据接收端
P3.1
7
8
11
3
6
P3.1
标准口3[]
串口1数据发送端
P3.20
8
9
12
4
7
P3.2
标准口3[2]
0
外部中断0,下降沿中断或低电平中断
P3.3
9
10
13
5
8
P3.3
标准口3[3]
外部中断1,下降沿中断或低电平中断
P3.400
10
11
14
16
9
P3.4
标准口3[4]
T0
定时器/计数器0的外部输入
定时器0下降沿中断
0
定时器/计数器0的时钟输出
可通过设置[0]位
0将该管脚配置为0
P3.5
11
12
15
17
10
P3.5
标准口3[5]
T
定时器/计数器1的外部输入
定时器1下降沿中断
定时器/计数器1的时钟输出
可通过设置[]位
将该管脚配置为
P3.6
12
13
16
18
11
P3.6
标准口3[6]
外部数据存储器写脉冲
P3.7
13
14
17
19
12
P3.7
标准口3[7]
外部数据存储器读脉冲
P4.0
17
18
23
P4.0
标准口4[0]
同步串行接口的从机选择信号
P4.1
28
3
34
P4.1
标准口4[]
计数器的外部脉冲输入脚
同步串行接口的主出从入（主器件
的输出和从器件的输入）
P4.20
39
42
1
P4.2
标准口4[2]
0
外部信号捕获（频率测�或当外部中断
使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出
同步串行接口的主入从出（主器件
的输入和从器件的输出）
表3.3单片机的引脚说明3[8]
管脚
管脚编号
说明
44
48
40
44
40
P4.3
6
7
12
P4.3
标准口4[3]
外部信号捕获（频率测�或当外部中
断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制
输出
同步串行接口的时钟信号
P4.4
26
29
29
32
24
标准口4[4]
P4.5
27
30
30
33
25
P4.5
标准口4[5]
地址锁存允许
P4.62
29
32
31
35
26
P4.6
标准口4[6]
外部低压检测中断/比较器
2
第二复位功能脚
P4.7
4
5
9
10
4
P4.7
标准口4[7]
复位脚
P5.0
24
标准口5[0]
P5.1
25
标准口5[1]
P5.2
48
标准口5[2]
P5.3
1
标准口5[3]
15
16
19
21
14
内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的
一个引脚。
当直接使用外部时钟源时，此引脚是
外部时钟源的输入端。
2
14
15
18
20
13
内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振
的另一端。
当直接使用外部时钟源时，此引脚可
浮空，此时2实际将1输入的时钟�行输
出。
38
41
40
44
35
电源正极
16
17
20
22
15
电源负极，接地
3.1.2单片机最小系统的设置
本次无线环境监测模拟装置系统的设计的单片机最小系统设置的如图3.2所示，其包括：
晶振电路，复位电路和单片机。
图3.212C5A60S2系列单片机最小系统图
3.21602芯片介绍及应用
3.2.1液晶显示器的介绍
液晶显示器也称为（）。
液晶是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物。
把液晶加热后，其会呈现出透明状的液体状态，而把液晶冷却后则会出现出结晶颗粒状的混浊固体状态，具有液体和晶体的固有特性，所以称为“液晶”。
液晶显示的原理，是使液晶将置于两个电极之间通电，在电极通电的液晶分子的排列顺序发生改变，从而使透射光的光路改变，这样便可以控制影像。
通过对影像的控制，便可以组成各种各样的图形。
这样，我们就可以使用液晶显示器观看到美丽的画面了[9]。
其特点有：
机身薄，节省空间；省电，不产生高温；低辐射，益健康。
3.2.21602的显示原理
1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
每个液晶模块由5X7个显示单元组成，也就是说每个显示出来的字符或数字是由5X7个点阵明暗分布显示出来的。
向1602内置的的不同地址写入不同的字符或数据的代码，即可显示出相应的字符或数字[9]。
3.2.31602的基本参数及引脚功能
1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。
1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，本次设计采用16脚（带背光）来显示各种信息[9]。
各引脚接口说明如表3.4所示。
表3.41602引脚接口说明表[8]
编号
符号
电平
输入/输出
引脚说明
1
电源地
2
电源正极
3
液晶显示偏压
4
0/1
输入
数据/命令选择
5
0/1
输入
读/写选择
6
E
0/1
输入
使能信号
7
0
0/1
输入/输出
数据总线0
8
1
0/1
输入/输出
数据总线1
9
2
0/1
输入/输出
数据总线2
10
3
0/1
输入/输出
数据总线3
11
4
0/1
输入/输出
数据总线4
12
5
0/1
输入/输出
数据总线5
13
6
0/1
输入/输出
数据总线6
14
7
0/1
输入/输出
数据总线7
15
A
背光正极
16
K
接地
背光负极
3.2.41602的特性
1、+5V电压，对比度可调
2、内含复位电路
3、提供各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能
4、有80字节显示数据存储器
5、内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器
6、8个可由用户自定义的5X7的字符发生器
3.2.51602的使用方法
1602内置了（显示数据存储）、（字符存储）和（用户自定义）。
就是显示数据，用来寄存待显示的字符代码。
共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如表3.5：
表3.51602内置存储器的地址和屏幕的对应关系1
显示位置
1
2
3
4
5
6
7
……
40
地址
第一行
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
……
27H
第二行
40H
41H
42H
43H
44H
45H
46H
……
67H
想要在1602屏幕的第一行第一列显示一个“L”字,就要向的00H地址写入“L”的代码。
一行有40个地址，但在1602中只用前16个就行了。
第二行也一样用前16个地址。
地址与显示位置的对应关系：
1602液晶模块的内部字符发生存储器（）存储了160个不同的点阵字符图形（有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等），每一个字符都有相应的代码，如下表所示。
表3.61602内置存储器的地址和屏幕的对应关系2
3.2.51602的控制指令
对的内容和地址操作，44780的指令集及其设置说明，共有11条，其基本操作时序指令如下：
读状态 输入：
，，
输出：
0～7=状态字
写指令 输入：
，，下降沿脉冲，0～7=指令码
输出：
无
读数据 输入：
，，
输出：
0～7=数据
写数据 输入：
，，下降沿脉冲，0～7=数据
输出：
无
3.318B20芯片介绍及应用
生产的单线数字温度传感器18B20是新一代的“一线器件”，具有体积更小、适用电压更宽、更经济的优点。
其一线总线独特和经济实惠的特点，使其可以轻松地组建传感器网络。
18B20温度传感器支持“一线总线”接口，可测量 -55°125°C范围内的温度,精度为±0.5°C。
数据采用“一线总线”的数字方式进行传输，可以大大提高系统的抗干扰性。
适合于各种恶劣环境下进行温度测量。
18B20可以在35.5V的电压范围内正常工作，使其使用起来更为灵活、方便，加上其便宜，体积小等特点，使其成为理想的测温模块[10]。
3.3.118B20引脚功能
18B20芯片的外部引脚分配如图3.3所示。
图3.318B20的外部引脚分配
:
为外接供电电源输入端，电源供电；
:
为数字信号输入/ 输出端；
：
为电源地；
3.3.218B20读写说明
18B20 单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，如果出现序列混乱，1 器件将不响应主机，因此读写时序很重要。
系统必须按照协议对 18B20 温度传感器进行操作。
按照 18B20 的协议的规定，单片机控制 18B20 温度传感器来完成温度的转换必须经过以下 4 个步骤 [10]：
1）每次读写前要对 18B20 温度传感器进行复位初始化操作。
复位要求主 将数据线下拉 500 ，然后释放， 18B20 温度传感器收到信号后等待 1660 左右，然后发出 60240 的存在低脉冲，主 收到此信号后表示复位成功。
2）发送一条 指令，如下表所示：
表3.718B20的指令集
3）发送存储器指令，如下表所示：
表3.818B20的存储器指令集
4）进行数据通信。
3.424L01芯片介绍及应用
3.4.124L01芯片的介绍
24L01是公司生产的一款无线通信通信芯片，其采用调制，内部集成协议。
可以实现点对点或是1对6的无线通信。
无线通信速度可以达到2M（）[11]。
3.4.224L01芯片的引脚功能
24L01的引脚如所示，从单片机控制的角度来看，只需要关注图的右面的六个控制和数据信号，分别为、、、、、。
图3.424L01芯片的引脚图
:
芯片的片选线，为低电平芯片工作。
:
芯片控制的时钟线（时钟）
:
芯片控制数据线（）
:
芯片控制数据线（）
:
中断信号。
无线通信过程中主要是通过与
升级会员 