多传感器数据采集与传输电路设计毕业论文(编辑修改稿)

多传感器数据采集与传输电路设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的严格 考验。 虽然 蓝牙的通讯速率不是很高， 但是在这个发展迅速的信息化和智能化时代 ， 也有 可能会对它的发展有 一定的 影 响。 经过对比 nRF24L01 无线收发模块有较强的抗干扰能力，并且其稳定性和可靠性都优于蓝牙模块。 为了实现系统的功能要求，本设计的无线传输模块最终选用nRF24L01 芯片。 系统供电 电源 的 选 型 方案一： 通过单 相变压器 将 AC220V 的交流电降压到 AC12V 之后， 再经 过由单向不可控二极管搭建的 桥式整流 电路对其进行进一步的电压整流处理，然后再将整流后的电压通过三端 稳压电源芯片 和相关滤波电路对其电压进行进一步的处理。 例 如 可以 LM7805 稳压芯片 实现稳压功能 ， 该芯片 的 3 脚可以 将整流后的 12V 电压通过稳压芯 片内部的稳压整流电路转换为 DC5V 的电压传输给系统供电 ， 这个稳压电路的搭建相对简单，但是其稳定性和转换精度不高。 方案二：采用电源 适配器 ， 电源适配器能够很好的输出较为平稳的直流电压，其输出电流也相对稳定，并且电源适配器有塑料外壳能够起到电源芯片的防尘和防爆作用，其内部电路的功耗较低，稳定性也相对比较好，携带也比较方便。 电源 适配器 一般都具有 多种自我 保护功能，使用更加安全可靠。 经过对以上两种方案的对比，最终选择方案二作为本系统的供电方式，因为方案一在整个电路搭建过程比较复杂，成本较高，而且稳定性和安全性都低 于电源适配器。 天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 6 单片机 系统 的 选 型 方案一： STM32F103C8T6 单片机，工作电压为 ，且含有 32 位的 高速 处理芯片。 其运算 和 运行速度 都非常 快， 编程环境是 Keil uVision4，编程界面较为简单并且改控制器的强大之处在于其代码的移植非常方便，能够很好的进行编程。 CortexM3系列的单片机的内部资源和接口非常强大，拥有多路串口、 A/D 接口、 SPI 接口及外部中断，能够很好的应用到系统中，并且该单片机的 价格 便宜 ， 工作也稳定。 方案二： AT89C51 单片机， 该单片机的外部 IO 资源和内部 寄存器的资源相对较少，是目前市场上功能较为落后的一款控制芯片，但是该芯片是上市比较早的一款高性能的 8 位微处理器芯片，并且该芯片的市场价位相对较低，比较适合用于对系统稳定性和精度要求不是很苛刻的场合，而且该芯片的编程方法比较简单，非常适合刚开始接触微控制器的初学者。 该该芯片的运算速度相对 于 STM32 单片机 来说有一定的差距 ，而且其外部 IO 资源和寄存器较少 ， 与 STM32 单片机相比 较 显得有些不足。 经过对本系统的功能分析 ， 因为 本系统 在整个工作过程中需要不断地对数据通过SPI 接口发送和接收，对系统的运算速度有很高的 要 求， 并且还用到了很多内部定时器及中断资源，因此选用 STM32F103C8T6 单片机作为 系统的 控制 器 芯片。 人机 显示 模块的选型 方案一： 人机交互界面在每个系统中都有很重要的作用， LCD12864 液晶 显示就是一种常见的 人机界面显示 方式， LCD12864 的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符号都可以通过编程的方式在液晶屏上显示出来， LCD12864 液晶屏 与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。 并行连接的数据显示和传输速度快，适合 对显示速度要求高的场合，但是 IO 资源占用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其 IO 资源占用较少，对显示速度要求不高的场合可以选用串行方式连接。 并且 LCD12864 液晶屏 的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。 方案二：选用 数码管对数据显示。 数码管一般都是七段数码管，分为共阴极数码管和共阳极数码管，其编程方式采用循环扫描将不同的数据和变量在数码管上显示出来，数码管的市场价格相对便宜，而且编程简单，但是该模块只能显示简单的英文字母和阿拉伯数字，其显示效果相对 较差，并且外围电路的搭建较为复杂，需要配合595 等类型的锁存器使用，较为复杂。 但是数码管的显示对单片机的初学者能起到很好的编程思路学习，但是本系统设计要求较高，不适应用数码管进行显示。 经过对系统分析，最终选择方案一作为本系统的人机交互显示方式的模块。 天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 7 第 3 章 系统 硬件电路设计 硬件系统 的 组成 本课题的 硬件系统 由一个主机和两个从机硬件电路组成，主机系统的 电路 由七部分组成 ，分别 包括： CPU 主控模块 、 DHT11 温湿度一体传感器 、 nRF24L01 通讯模块 、LCD12864 液晶显示模块、蜂鸣语音报警模块、模 拟继电器 LED 指示模块以及电源驱动模块。 两个从机电路与主机电路有一定的差异，从机电路设计由五个电路模块组成，分别包括：单片机主控模块 、 温湿度传感检测模块 、 无线数据收发通讯模块 、 模拟继电器 LED 指示模块以及电源驱动模块。 主机与从机的主要区别在于主机系统有人机显示界面，能够通过主机上的 LCD12864 液晶模块监控从机一和从机二所检测的传感节点位置的当前环境参数，起到整个系统的监控作用。 CPU 主控模块 此次设计的芯片采用的是 STM32F103C8T6 单片机，由于 STM32 系列基于ARM CortexM3 内核的高性能单片机，其工作频率高达 72MHz，芯片内部集成有高速存储器，丰富的 I/O 接口。 内部包括多路 ADC 接口、串口、中断定时器、硬件 SPI、CAN 通信以及外部中断等多种资源接口。 STM32F103C8T6 单片机的温度工作范围很宽，能够在零下 40 摄氏度到零上 105 摄氏度的范围里面正常工作。 并且该单片机的工作电压一般在 左右就能正常工作，其功耗非常低，因此能够很好的嵌入到大部分系统中。 STM32 单片机的系统原理图如图 31 所示。 在单片机系统的设计过程中，设计者都非常注重复位电路的设计，因为复位系 统是保证单片机系统在启动之后能否正常工作的一个重要过程，如果复位电路设计的不合理，甚至不正确，那么系统就无法正常启动，更无法运行后续的程序设计，导致整个系统程序停止，因此在系统复位电路的设计非常重要的一部分。 复位电路设计如图31 右下图所示。 STM32 单片机晶振电路 是 CPU 工作的心脏，所以在设计系统的晶振电路时一定要对单片机的内部机构性能有非常详细的了解，才能保证单片机能够正常的在系统中起到核心控制的作用， STM32 单片机有两个晶振时钟源，一个是系统时钟源工作电路，该电路采用 8M 频率的晶振作为起振电路，外 接两个 22pF 的电容辅助晶振电路的正常工作；另一个时钟源是 STM32 单片机特有的 RTC 时钟源，该单片机内部集成有 RTC 时钟电路，能够较容易的使用程序驱动内部 RTC 时钟的工作，使系统在对实时时间的程序编写及硬件电路的设计简化了很多问题。 天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 8 图 31 STM32F103C8T6 最小系统 原理图 温湿度传感检测模块 DHT11 传感器是一款能够输出温度和湿度的数字式温湿度一体传感器，并且该传感器的输出信号已经经过校准后输出给控制器。 为了确保该传感器的可靠性和稳定性，器内部采用了 专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术。 该传感器采用单总线的数据传输方式，并且其体积小，功耗低，传输距离能达到 20 米以上，能够很好的与单片机进行连接嵌入到系统中。 DHT11 温湿度传感器的湿度检测范围是 20％ ~90％RH； 177。 5％ RH 的测量精度；温度检测的范围是 0~50℃ ， 177。 2℃ 的测量精度，其额定供电电压在 至 均可，供电范围较宽，响应时间短，最长不超过 5 秒， DHT11温度传感器有 4 个外接引脚，给传感器上电后，需要经过一秒钟左右的预热时间，因为刚上电会有一个不稳定过程，所以在这段时间内控制器不需要发送 任何指令个传感器。 DHT11 实物如图 32 所示。 图 32 的三个引脚中有两个是电源引脚，有一个是输出数据的引脚，只需要给模块供上正常的电压，然后就可以通过单片机的某个 IO 口从 DHT11 的输出引脚采集到所需要的温湿度数据。 DHT11 是数字式的温湿度传感器，所以其 DATA 端可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度数据，由于 DHT11 是通过单总线的通信方式进行检测数据的输出，所以仅需将 MCU 的一个 IO 接口与 DHT11 的 DATA 端连接在一起就能够进行实时温湿度数据的采集了，为了保证接收数据的稳定性和正确性一般都 会在 DHT11 的输出端与单片机的连接处焊接一个 5K 的上拉电阻，该电路的设计相对于其他电路来说比较简单。 DHT11 传感器典型应用电路如图 33 所示： 天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 9 图 32 DHT11 实物图 图 33 DHT11 传感器典型应用电路 无线数据收发通讯模块 该模块由 Nordic 公司生产的 nRF24L01 单片收发芯片 及 相关外围 电路 搭建而成。 nRF24L01 无线通信 模块是 目前市场上应用较为普遍的无线 收发 器件 ， 其 工作 频段在 GHz 至 GHz 之间。 nRF24L01 无线通信 模块 可以通过软件程序对通讯的通道及输出功率进行配置，不仅内部融合了 ShockBurst 技术 ，而且内部继承了多种功能模块，包括 频率合成 电路 、功率放大器 及 振荡器 和解调 器等。 nRF24L01 芯片的功耗低 ， 当该模块的发射功率 在 6dBm时， 实际的测试的模块 电流 仅在 9mA 左右；模块工作在 接收 模式时 ， 也 只有 的 工作电流， 该模块的 掉电模式和空闲模式 等 多种低功率工作模式使节能设计更 加 方便。 图 34 nRF24L01 无线通讯模块结构图及实物 （ 1） nRF24L01 芯片的 引脚排列 及 各引脚功能 描述 如 下图所示。 VCCDATAGNDNCDATA5 KVCC VCCGNDDHT 11C P UnRF 24 L 01STM 3216 M8 M天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 10 图 35 nRF24L01 芯片 引脚 引脚功能说明 引脚 功能 CE 使能发射或接收 CSN， SCK， MOSI， MISO SPI 引脚端，微处理器可通过此引脚配置 nRF24L01 IRQ 中断标志位 VDD 电源输入端 VSS 电源地 XC2， XC1 晶体振荡器引脚 VDD_PA 为功率放大器供电，输出为 V ANT1,ANT2 天线接口 IREF 参考电流输入 （ 2） nRF24L01 模块有四种工作模式，包括 发射 模式 、接收 模式 、空闲 模式 及掉电 模式，这四种工作模式可以通过配置其内部寄存器进行设置 ， 配置原则 如表 所示。 从表 可以看出，当 nRF24L01 模块工作在 待机模式 1 状态时，没有任何数据的传输，因此其工作的电流损耗将会在最低状态；如果使模块处于待机模式 2 状态时，需要 CE=1 且 寄存器 FIFO 内部 为空； 当模块在掉电模式时，模块将会进入待机模式 ，天津职业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 11 虽然此时模块在待机模式，但是仍然会保留寄存器所有的配置的数据，此时模块的电流损耗最小。 表 nRF24L01 模块的 工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 寄存器状态 接收模式 1 1 1 发射模式 1 0 1 数据在 TX FIFO 寄存器中 发射模式 1 0 1→0 停留在发送模式，直至数据发送完 待机模式 2 1 0 1 TX_FIFO 为空 待机模式 1 1 0 无数据传输 掉电 0 LCD 液晶显示模块 在本系统中 LCD12864 液晶 显示 用于显示 当前的日期时间、主机周围的温湿度数据以及从机一和从机二周围的温湿度数据。 LCD12864 的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符 号都可以通过编程的方式在液晶屏上显示出来， LCD12864 液晶屏 与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。 并行连接的数据显示和传输速度快，适合对显示速度要求高的场合，但是 IO 资源占用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其 IO 资源占用较少，对显示速度要求不高的场合可以选用串行方式连接。 并且 LCD12864 液晶屏 的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。 虽然 本系统中单片机接口资源丰富， 但是考虑减轻电路。