基于单片机的仓储环境检测系统设计

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概要

  系统以单片机 STC89C52ＲC 作为控制处理核心，采用芯片 nＲF905 为无线传输模块， HS1100 /HS1101 传感器采集湿度信号，同时运用基于单片机AT89C52的温湿度计，设计了一种无线仓储湿度检测仪。经实验测试表明: 系统湿度检测范围为 10% ＲH ～ 100% ＲH; 精度达 ± 1% ＲH，数据无线传输距离 200 米。设计的系 统符合预期要求，可在仓储日常管理、气象、酒厂等不易布线，且需要实时监测湿度参数的场 合推广应用。
关键词： STC89C52ＲC 单片机; HS1100 /HS1101 传感器; 单片机AT89C52 ; MAX232 通信模块

一、研究的主要内容

  STC89C52RC单片机是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器。具有以下标准功能: 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构)，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

  器件参数如下：

1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.[1]
2. 工作电压:5.5V_{3.3V(5V单片机)/3.8V}2.0V(3V 单片机)
   3.工作频率范围:0~40MHz，相当于普通8051 的0~80MHz，实际工作 频率可达48MHz
3. 用户应用程序空间为8K字节
4. 片上集成512 字节RAM
5. 通用I/O 口(32 个)，复位后为:P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。
6. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程 序，数秒即可完成一片
7. 具有EEPROM 功能
8. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2
   10.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒
9. 通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART
10. 工作温度范围:-40_{+85℃(工业级)/0}75℃(商业级)
11. PDIP封装

二、系统总体方案设计

2.1 系统整体方案设计思路

  系统采用 nＲF905 模块无线数据传输模块，系 统分为上位机微处理器控制系统和下位机测量系统 两部分。上位机微处理器控制系统是控制系统的核 心，是负责与下位机通信并完成信息收集和与计算机串口通信功能的，上位机部分主要组成硬件有 nＲF905 无 线 收 发 芯 片、STC89C52ＲC 单 片 机 和 MAX232; 下位机测量系统负责对测量点的湿度测量，DS18B20数字温度传感器负责对测量点的温度测量，并根据上位机的控制要求，把测量点的信息返回 给上位机控制系统，其具体由无线收发芯片，单片机，湿度测量设备来完成。下位机湿度信号采集由 HS1100 /HS1101 传感器完成、并由 555 谐振电路、 STC89C52ＲC 单片机、nＲF905 无线收发芯片，系统 整体方案如图 1 所示。555 谐振电路转换成频率信号，经过经下位机处理由 nＲF905 发射，再由上位机 的 nＲF905 接收，传输上位机的 STC89C52ＲC 单片 机中，然后再由 MAX232 将数据传输至 PC。

2.2 系统的实现原理

  本系统中使用了一套的温湿度测量系统，此系统是由温湿度传感器和单片机组成。不同位置采集设备温湿度传感器环境温湿度、单片微型计算机的温湿度、处理使当前环境达到相对稳定的温湿度，温湿度传感器对温湿度变化敏感。它能够把测得的温湿度信号经过整合变成一串的电路信号，显示系统识别电路信号将其测得的温湿度值显示出来。下文中我们将会使用DS18B20传感器和HS1100 /HS1101 传感器。

2.3 系统的实现方案分析

  DS18B20对于学单片机的学生而言，并不是什么陌生的元件，之所以不陌生是因为它的性能卓越，价格低廉，所以它深受广大师生的喜爱。DS18B20精准的高甚至可以达到0.5摄氏度，而且最大工作时间为750毫秒，而且最为方便的是它有单独的接口，就是说只需要一个接线口就可以完成单片机与本身之间的双向通信。而本设计需要的测温湿温湿度为-20℃-120℃。DS18B20的测温范围已包含，足以完成本次的设计要求。
结合以上的描述我认为在本系统中采用DS18B20作为测量温度的工具。

三、硬件设计

  

3.1 系统的总体结构

本文的系统中的模块大致可以分为上位机和下位机。图3-1为系统总体设计图，如下所示。

图3-1 系统总体结构图

3.2 湿度测量电路

  系统采用电容传感器 HS1100 /HS1101，其功能 类似可调电容，在这里电容量大小的变化是随着所 测湿度的变化而变化，系统将该电容传感器作为 555 定时器振荡电路中谐振元件，通过 555 定时器 谐振电路将电容量的变化转换为与其成反比的频率 信号，该频率信号单片机可直接识别［6］。图 2 为 555 定时器构成的信号检测电器。555 芯片外接电 阻 Ｒ1、Ｒ2 与湿敏电容 C，构成了对 C 的充电回路; 555 芯片 7 引脚通过芯片内部的晶体管对地短路又 构成了对 C 的放电回路，并将引脚 2、6 引脚相连引 入到片内比较器，便构成一个多谐振荡电路，即方波 发生器，电路中 Ｒ1 用于平衡湿度系数，Ｒ3 为输出短 路保护电阻。方波发生器输出信号频率为: f = 1． 44 /( Ｒ1 + 2Ｒ2 ) Cx 式中，Cx 为电容传感器 HS1100，环境湿度的变化通 过 Cx 转换成电容量的变化，再经 555 测量电路又将 转换成频率信号，该频率信号与空气湿度呈反比，其 送单片机处理即可得到湿度值。

3.3 下位机接口电路设计

  图3 为下位机接口电路。在下位机系统中，主 要分为湿度采集和数据发送两个模块。nＲF905 是 采用 SPI 口实现与 STC89C52ＲC 单片机的双向通信 的，nＲF905 具有灵敏度较高。根据 STC89C52ＲC 单片机的特点和 nＲF905 的接口设计要求，单片机的P1． 1、P3． 4、P1． 0 分别和 nＲF905 的 PWＲ _UP、 TＲX_CE、TX_EN 连接实现对 nＲF905 的工作模式控 制。P1． 2 接 nＲF905 的 CD，由此判断 nＲF905 是否 检测到载波; P1． 4 接 nＲF905 的 AM 端，由此判断发 送方的发送目的地址是否与本机地址相同; 外部中 断 1 接 nＲF905 的 DＲ 端; nＲF905 的 SPI 端口接单 片机对应端口连接，实现对 nＲF905 的工作配置和 数据传输。

3.4 上位机接口电路设计

  图 4 为上位机部分 STC89C52ＲC 与 nＲF905， MAX232 的 接 口 电 路。上位机主要实现单片机 STC89C52ＲC 与 PC 机之间的串口通信以及射频信 号接收，按照功能主要分为数据接收、LCD 显示、及 与 PC 机接口三个模块。nＲF905 是利用 SPI 口实现 与单片机 SCT89C52 的双向通信的，有四个 SPI 接 口: MISO( 主 SPI 输入、从 SPI 输出) 、MOSI( 主 SPI 输出、从 SPI 输入) 、CSN( SPI 使能) 、SCK( SPI 串行 时钟) ［8］，SPI 口能进行的操作主要有: 收、发地址和 数据的读写，通过 SPI 口对射频配置。

3.5
  图 5 为 PC 机与单片机 STC89C52ＲC 的接口电 路。因单片机 STC89C52ＲC 识别的数据为 TTL 电 平，与 PC 机的串行 ＲS － 232C 标准的接口不兼容， 必须经 MAX232 芯片，以实现 ＲS － 232C 接口电平和 TTL 电平之间的转换［9］。采用了三线制连接串 口，计算机的 9 针串口只连接其中的 3 根线，即第 2 脚的 ＲXD、第 3 脚的 TXD、第 5 脚的 GND。连接方 法: MAX232 的第 10 脚和单片机的 11 脚连接，第 9 脚和单片机的 10 脚连接，另外，再配以通信软件，就 可实现 PC 机和 STC89C52ＲC 之间的串行通信。

3.6 温湿度检测电路模块

  本设计中的温湿度传感器使用的是DS18B20数字温湿度传感器。 原因是该芯片硬件组装简易快捷，操作方便，很容易新手上手。

具体的温湿度检测电路图如下图3-12所示：

图3-12 温湿度检测电路

四、 电路图

五、 文章目录

目录
基于单片机的仓储环境检测系统设计 2
第一章 绪论 3
1.1 课题背景 3
1.2 课题研究的目的和意义 3
1.3 国内外测温湿技术对比 3
1.4 单片机介绍 4
第二章 系统总体方案设计 4
2.1 系统整体方案设计思路 4
2.2 系统的实现原理 4
2.3 系统的实现方案分析 5
第三章 硬件设计 5
3.1 系统的总体结构 5
3.2 系统硬件设计 13
3.4.1 湿度测量电路 13
3.4.2 下位机接口电路设计 13
3.4.3 上位机接口电路设计 14
3.4.4 无线模块 16
3.4.5 温度检测电路模块 16
第四章 软件设计 17
4.1数据发送部分 17
4.2数据接收部分 19
第五章 软硬件调试 24
第六章 总结与致谢 30
参考文献 31