基于arduino无线温湿度测控系统设计毕业设计

基于arduino无线温湿度测控系统设计毕业设计内容摘要：

机等，根据车间的规格，确定检测点设置几层、每层多少个检测点等，以决定选取电缆的长度、每根电缆上传感器的个数，通讯端口、温度检测模块需要的数量，上位机的规格等，实现一个车间温湿度的自动检测。 因此，系统的总体结构可以构想为温湿度采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块等几大部分。 系统方案在温湿度数据采集部分主要有三种构想：一是温湿度传感器选用传统的模拟式器件，二是选用集成式器件，三是选用数字式传感器；在无线 通信部分主要有三种构想：一是采用蓝牙技术，二是采用红外线技术，三是选用无线数传模块（ NRF）：在系统控制和数据处理部分也有两种构想：一是采用 Arduino平台作为控制系统，二是采用 DSP进行处理。 传感器方案 实际使用的传感器主要分为模拟式传感器与数字式传感器。 传统的模拟式传感器具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。 但是模拟传感器的模拟信号处理过程复杂，且模拟信号在传输过程中，容易受到电磁干扰而导致误差产生。 在多点温湿度检测的场合，各被测点到测试装置之间引线距离往往不同，各敏感元件参数 的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。 另外，模数转换系统的精度也不可能很高，存在一定非线性，互换性较差。 采用具有直接数字量输出的传感器能够避免上述问题。 数字式传感器能把被测模拟量直接换成数字量输出，可以直接与数字设备 (计算机、数字显示系统等 )相联，用 DSP或计算机进行信号的处理。 它的信号具有极高的抗干扰能力。 数字式传感器具有高的测量精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及多路测量，沈阳理工大学学士学位论文 8 读数直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。 虽然存在反应速度较慢，温度测量的范围不宽的缺点，数字式传感器技术的发展仍受到人们越来越多的重视。 考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况，确定温湿度传感器采用集成一体的数字式的。 系统控制及数据处理模块方案 温湿度数据在采集后通常要进行数据处理，以实现测量数据的记录、显示和对测控系统的控制。 对于一般的工业测量与控制，多采用专用计算机系统进行测控。 专用计算机系统是把采集系统作为一个独立完整的功能实体，用 Arduino或 DSP来控制整个系统。 最主要的特征是系统软、硬件规模完全根据应用系统的要求配置，独立性、可扩展性好，因此系统具有较高的性价比。 根据微处理器的不同，专用计算机应用系统可分为 DSP应用系统和 单片机 应用系统。 DSP和 单片机 都是构成专用计算机系统的核心芯片， DSP主要用于复杂的数字信号处理， DSP 芯片中具有各种特殊功能的计算模块，采用流水线结构，提高了 DSP 的运行速度。 由于 DSP主要应用于高速数据处理，因此外部 I/O接口比较少，不便于系统扩展，因此多数 DSP 系统还要通过 单片机 来进行外部接口扩展，这导致了 DSP 的成本较高，另外， DSP具有一定的专用性，开发过程比较复杂，不便于通用。 而 本系统采用的 Arduino平台作为温湿度数据的处理和系统的控制。 要了解 Arduino就先要了解什么是 单片机 ， Arduino 平台的基础就是 AVR 指令集的单片机。 Arduino 是一个能够用来感应和控制现实物理世界的一套工具。 它由一个基于单片机并且开放源码的硬件平台，和一套为 Arduino板编写程序 的开发环境组成。 Arduino可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。 Arduino 项目可以是 单独的，也可以在运行时和你电脑中运行的程序（例如： Flash， Processing， MaxMSP）进行通讯。 Arduino板你可以选择自己去手动组装或是购买已经组装好的； Arduino 开源的 IDE 可以免费下载得到。 Arduino 的编程语言就像似在对一个类似于物理的计算平台进行相应的连线，它基于处理多媒体的编程环境。 为什么要使用 Arduino。 有很多的单片机和 Arduino平台都适合用做交互式系统的设计。 例如： Parallax Basic Stamp， Netmedia’s BX24， Phidgets， MIT’s Handyboard 和其沈阳理工大学学士学位论文 9 它等等提供类似功能的。 所有这些工具，你都不需要去关心 Arduino编程繁琐的细节，提供给你的是一套容易使用的工具包。 Arduino同样也简化了单片机 工作的流程，但同其它系统相比 Arduino在很多地方更具有优越性，特别适合老师，学生使用。 成本低廉 ， 和其它平台相比， Arduino 板算是相当便宜了。 最便宜的 Arduino 版本可以自己动手制作，即使是组装好的成品，其价格也不会超过 200 元。 跨平台 － Arduino 软件可以运行在 Windows， Macintosh OSX， 和 Linux操作系统。 大部分其它的单片机系统都只能运行在 Windows上。 简易的编程环境 － 初学者很容易就能学会使用 Arduino编程环境，同时它又能为高级用户提供足够多的高级应用。 对于老师们来说，一般都能很方便的使用 Processing 编程环境，所以如果学生学习过使用 Processing 编程环境的话，那他们在使用 Arduino 开发环境的时候就会觉得很相似很熟悉。 软件开源并可扩展 ， Arduino 软件是开源的，对于有经验的程序员可以对其进行扩展。 Arduino 编程语言可以通过 C++库进行扩展，如果有人想 去了解技术上的细节，可以跳过 Arduino语言而直接使用 AVR C 编程语言（因为 Arduino语言实际上是基于 AVR C的）。 类似的，如果你需要的话，你也可以直接往你的 Arduino 程序中添加 AVRC 代码。 硬件开源， 可扩展 Arduino 板基于 Atmel 的 ATMEGA8 和 ATMEGA168/328 单片机。 Arduino基于 Creative Commons 许可协议，所以有经验的电路设计师能够根据需求设计自己的模块，可以对其扩展或改进。 甚至是对于一些相对没有什么经验的用户，也可以通过制作试验板来 理解 Arduino是怎么工作的，节约开发成本，加快了产品开发的速度。 对于不要求高速的一般的数据采集与处理系统，采用 DSP 是不经济的方案。 在Arduino 能够满足系统对数据处理速度要求的情况下，无异是首选的信息处理单元；当然，也可以采取嵌入式的 单片机。 无线传输方案 无线温湿度测控系统中要解决的关键问题是数据通信的问题，因而温湿度测控系统中数据采集系统也随着各种通信方式的发展而不断发展起来。 根据通信方式的不同，目前国内外主要有有线传输和无线传输。 有线传输常用的是同轴传输。 在一般小范围的 监控中，由于传输距离近，使用同轴电缆传输，对信号质量损伤不大，施工方便，造价低。 所以早期同轴电缆传输方式在监控行业内得到广泛的应用。 后来因 为传输距离增加，直接使用同轴电缆传输，导致信号质量无法保证。 同轴传输优点：近距离传输，施工简单，沈阳理工大学学士学位论文 10 布线方便，易于安装调试。 同轴传输缺点：受环境气候影响，不能远距离传输，抗干扰能力差。 无线传输是现在监控系统常用的传输方式。 随着大规模集成电路技术的发展，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。 短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片 ，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。 所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。 射频芯片一般采用 FSK 调制方式，工作于 ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。 新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方 便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。 考虑系统的经济性、传输距离，确定该部分电路设计使用无线收发芯片。 无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。 使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。 无线射频收发芯片是整个无线通信模块单元的核心部件，在设计中选择合适的芯片可以提高产品开发周期、节约成本可以使研发过程少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。 基于本系统的实际需求，应该选用成本低、体积小、芯片发 射功率较高、功耗低、集成度高、兼容性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体芯片。 常用无线射频收发芯片主要有 NRf240 NRF290 NRF2915 等。 其中 NRF2401集成了高频发射、高频接收、 PLL合成、 FSK调制、 FSK解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。 NRF2401 的外围元件很少，仅 10 个左右。 只包括一个 4MHz基准晶振 (可与 MCU共享 )、一个 PLL环路滤波器和一个 VCO 电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。 本系统选用 NRF2401作为无线数据传输芯片。 数字式温湿度传感器选择 数字温湿度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术 (ATE)的结晶。 目前，国际上已开发出多种数字温度传感器系列产品。 在如此众多的产品中如何选择出合适的沈阳理工大学学士学位论文 11 器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用 MCU的 I/0引脚数情况如何，因为 MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测 量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与 MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。 目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips 公司的 12C 总线， Motorola 公司的 SPI 总线， National Semiconductor 公司的。 Microwireplus 总线， Dallas Semiconductor 公司的 1Wire总线和 Siemens 公司的 Profibus总线等。 （ 1） AD7418是是美国模拟器件公司 (ADI)推出的单片温 度测量与控制用集成电路。 其内部包含有带隙温度传感器和 10 位 A/D 转换器。 测温范围为 55℃ 一 +125℃ ，具有10位数字输出温度值，分辨率为 ℃ ，精度为 177。 2℃ ，转换时间为 15一 30ms。 具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境干扰等优点。 AD7418 可以级联至多 8片在同一个 12C总线上。 （ 2） LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、 △一 Σ型 A/D数转换器，并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。 具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。 LM74 具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过 10 Il A，适用于对功率消耗有严格限制的系统。 LM74 在其有效工作范围内可达0． 0625℃ 的分辨率，转换时间为 425ms。 （ 3） MAX6575L/H是美国 MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。 测温范围为 40～ +125℃ ，其误差范围：在 25℃ 时优于 177。 3℃ ，在 85℃ 时优于 177。 4 .5℃ ，在 125℃ 时优于 177。 5℃。 但是MAX6575L/H 在其测温范围内非线性误差较 MAX6575L 的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在 5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。 （ 4） DSl8820 是美国 Dallas 半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。 DSl8820的测温范围 55～ +125℃ ，沈阳理工大学学士学位论文 12 固有测温分辨率 177。 ℃ ，由于每一个 DSl8820出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此 CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。 （ 5） DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。 传感器包括 一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8位 Arduino板子 相连接。 因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。 每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。 校准系数以程序的形式储存在 OTP。