无线环境监测装置
摘要
摘要：本无线环境检测装置采用单片机为主控制器。设计的主要思路是通过传感器监测环境温度的变化和光照的有无，并将采集的数据传输给单片机（MCU）进行初步处理，再通过带有自定义无线传输协议的电路传送给控制终端，并在控制终端上显示采集到的环境信息。
关键字：无线传输；传输协议；传感器
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目录
1 引言 (1)
2方案设计 (1)
2.1 各模块电路的方案选择与论证 (1)
2.1.1 主机控制模块 (1)
2.1.2 显示模块 (1)
2.1.3 温度光照检测模块 (1)
2.1.4 无线收发模块 (2)
2.2 模块的最终选择 (2)
3系统电路分析 (2)
3.1 发射电路分析 (2)
3.2其他电路请见附表 ............................ 错误!未定义书签。4硬件的设计与实现.. (3)
4.1 无线收发模块 (3)
3.2 温度与光照的检测部分 (3)
3.3 显示模块 (3)
4 软件设计 (3)
4.1子程序流程图 (3)
4.2主程序流程图 (4)
5 系统测试 (4)
5.1测试方法与仪器 (4)
5.1.1 测量方法 (4)
5.1.2 测量用到的仪器 (4)
5.2测试的结果 (4)
5.3结果分析 (5)
6 结论 (5)
参考文献 (6)
附录1：电路图图纸 (7)
附录2：程序清单 (9)
1 引言
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，本作品能满足市场对这类产品的需求。本作品用光电三极管、温度传感器收集环境数据，用单片机控制无线发射模块发射数据，无线接收模块接收，同时用单片机将传送的数据显示在液晶显示屏上。软件采用C语言编程。本作品具有能耗低、传播距离远、探测灵敏度高等优点。
2方案设计
根据题目要求本作品可以分为以下几部分：显示模块、主机控制模块、无线收发模块和环境温度光照检测模块，如图2.1所示。
图2.1 系统方案设计模块图
2.1各模块电路的方案选择与论证
2.1.1主机控制模块
方案一：采用51单片机控制系统。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，能满足题目要求。
方案二：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。但其成本偏高，引脚较多，硬件电路布线复杂。
根据以上具体分析选择方案一。
2.1.2显示模块
方案一：采用液晶显示屏。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。
方案二：采用四位七段数码显示管分别显示光照的有无、温度的百、十、个位。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。
根据题目要求选择方案一。
2.1.3温度光照检测模块
温度传感器的选择方案:
方案一：采用热敏电阻，此元件虽然价格便宜，但是其非线性特性会影响系统精度。
方案二：选用美国Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。此器件具有体积小、抗干扰强、价格便宜、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求
根据以上分析选择方案二。
因为只需检测光的有无，所以可以选择灵敏度较好的光敏三级管。
2.1.4 无线收发模块
方案一：非编码方案
采用模拟信号发送，模拟信号传输，模拟信号接收。此方案的特点是使用元件简单，价格便宜，但是与数字电路的融合性差，对数据处理带来很多不变。
方案二：编码方案
采用专业的无线信号编解码芯片，从而实现数字信号的输入，模拟信号的传输，数字信号的输出。因本设计采用MCU 做主控芯片，为了便于信息的处理，故选择方案二。
2.2 模块的最终选择
根据以上分析并结合具体的条件，最终选择如下模块：
1. 主机控制模块采用51单片机用以实现对LCD 显示、信息的传送、温度的采集、光照的探测。
2. 显示模块用液晶显示器用来显示实时温度及光照的有无。
3. 光照检测模块采用光敏三极管，温度探测模块采用采用数字温度传感器DS18B20。
4. 无线收发模块采用TX-2B/RX-2B 芯片作为编解码芯片。
3 系统电路分析 3.1 发射电路分析
根据题目要求，本系统的载波频率低于30MHz ，考虑到电路设计和调试的方 便，采用石英晶体作为振荡器。石英晶体的等效为静态电容和电感、电阻、电容并联起来的电路。忽略电阻的影响，可以看出石英晶体具有俩个谐振频率：一个是由电感、电阻、电容串联谐振频率：
f =
（3.1.1）
另一个是由电感、电阻、电容并联谐振频率：
f f
==（3.1.2）
这样使得等效电感的电抗曲线非常陡峭，故采用此电路。
3.2其他电路请见附表
4硬件的设计与实现
4.1无线收发模块
该模块是系统中除单片机外的核心模块， TX-2B/RX-2B内部已含有编码和解码电路，无需在后续的电路中对接收到的信号进行软件编程解码，因此硬件电路简单。RX-2B包括内置放大器、运算器及锁存器等。振荡输入输出端外接100欧电阻形成RC振荡器，与发射电路的频率匹配。RX-2B接收信号后，经解码后将温度和光照信息由和TX-2B相对应的引脚输出，传给单片机。具体电路请参考附录。
3.2温度与光照的检测部分
本系统光照检测采用光敏三级管，当具有光敏特性的PN节受光照射时，形成光电流，由此产生的光电流由基极进入发射极，从而在集电极得到一较大电流。由于题目只要求检测光的有无，因此要求电路比较灵敏，能检测到光照强度较小的光。在制作这部分电路时，改变电路中的电阻，比较各电阻所得的结果，从中选出能较好满足题目要求的电阻。
温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，DS18B20体积小，适用电压宽，测量温度范围及测量精度都能满足题目要求，直接输出数字量，并且可以直接与单片机通信，简化了电路的设计。
从站同时安装34063升压芯片，此芯片将3V电压升到5V，同时为无线收发模块及温度与光检测模块供电，简化了电路设计。
测温、光检及升压电路如附录1图3.2所示。
3.3显示模块
本系统显示电路，我们采用单片机STC89C58 作为电路的控制核心，用12864液晶显示屏显示从站的编号、环境的温度、光的强度。为了实现题中提出能扩展到256个从站的能力。显示时：按键S1控制复位电路，按键S2用来翻屏，按键S3、S4分别用来翻页。单片机XTAL1、XTAL2接十二MHZJ晶振，提供时钟基值。具体电路图见附录1图3.3。
4 软件设计
4.1 子程序流程图
图4.1 子程序流程图
4.2 主程序流程图
5 系统测试
5.1 测试方法与仪器
5.1.1 测量方法
根据题中要求及本作品具体特点可以分别测量发射的距离、系统误差、响应时间四项。
一、发射距离的测量:根据本作品具体的特点，先将发射模块与接收模块分开8cm，打开电源，使发射模块发射信息，看接收模块是否能接收到信息。以2cm 的间隙增大发射距离，直至接收模块不能接收信息为此，记录测量的数据。
二、系统误差的测量：本系统要求温度测量绝对误差小于2℃。将系统放在一空调房中，将空调通电，改变室内温度，用温度计测量室内温度作实际温度，同时将系统通电将液晶显示器显示温度作测量温度，记录测量的数据。
三、响应时间的测量：按下电源按钮，用秒表记录按下电源按钮的时刻，眼睛观测液晶显示器直至其上显示的数据稳定，用秒表记下数据稳定时的时刻，采用多次测量取平均值的方法，并分别记录这两个时刻。
5.1.2测量用到的仪器
根据测量方法，所用到的仪器有：电压表、电流表、直尺、温度计、秒表、空调。
5.2 测试的结果
表 5.2.3响应时间的测量结果
5.3 结果分析
从以上测试结果可以看出本作品基本上能满足题目要求的基本部分，及部分发挥部分。从上表中可以看出，无线通信距离远远于题中要求；由于DS18B20测温灵敏度高、稳定，随意系统误差也较小；响应时间虽有人为误差但也能满足题中要求的5秒以内。
6 结论
通过设计本产品，我们加深了对DS18B20数字温度传感器、光敏三极管、TX-2B/RX-2B芯片的认识，熟练了单片机的编程及无线通信的相关知识。本作品基本上完成了题中要求的基本部分，对发挥部分的第一点及第三点要求也完成的很好。本作品能很好的监控环境温度的变化及光照的有无，但还有许多值得改进的地方如无线通信模块较复杂，通信距离随能满足体重要求还是相对较短。综上所述本作品还是能很好的完成题中要求，且具有电源能耗低、发射距离较远、系统误差小等优点。
参考文献
《单片机原理及应用》，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年；
《高频电子线路》，胡宴如、耿苏燕著，北京：高等教育出版社，2004年；《模拟电子技术基础简明教程》，清华大学电子学教研组，杨素行著，北京：高等教育出版社，2005年；
《数字电子技术基础》，阎石著，北京：高等教育出版社，1997年；
《无线发射与接收电路设计》，黄智伟著，北京：北京航空航天大学出版社，2004年；
附录1：电路图图纸
图3.1.1 发射部分电路图
图3.1.2 接收部分电路图
图3.2光照温度检测模块电路图
图3.3显示模块电路图