温湿度监测无线网络系统的设计

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第 - 1 - 页 1 引言

1.1 研究背景

现代的工农业生产中应用到的温湿度监测系统很多，在大型的生产活动中，对生产环境的温湿度进行精确的监测是必要的。传统的监测装备大多是有线的，线路多，布置起来比较复杂。所以，此时利用无线通信系统来构建新型的监测系统显得的必要，无线通信监测系统特点是利用多节点来自动组网，布线简单，成本较低。

在电子信息领域中，单片机的利用率是很高的，其有较高的稳定性，应用也比较广泛，在生产生活中也比较常见。

单片机的特点是体积小，有较高的集成性，内部可以有多种连接组成方式，外部也可以有较大的扩展，组成用户需要的系统，并且具有较强的处理能力，所以在该无线网络监测系统中利用单片机可以处理传感器传输的温湿度数据。

对于温湿度，温度显而易见是指空气的温度，湿度的概念即为水蒸气在空气中的含量，通常用绝对湿度、相对湿度和露点表示。绝对温度是指单位体积空气中实际所含水蒸气的重量，单位为g/m3；相对湿度为空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比，当相对湿度为100%时，空气是饱和的；当相对湿度为1%并且空气为饱和的时候，蒸发和沉积处于平衡状态，到达平衡说明的蒸发增加的数量作为水分沉淀物；在0°C以上，气压和水汽含量不变时，空气中水蒸气因降低温度，使空气达到水汽饱和，开始发生凝结时的温度，称为露点，也叫露点温度。科学家们一般使用相对湿度来形容空气中水汽的多少，在我们的日常生活中提到的湿度也是指相对湿度，明显的，湿度高的空气中水蒸气含量就高。

1.2 温湿度的测量方法

温湿度的测量一般都要结合物理和化学理论的支撑和分析，其在原理上划分有30种左右，这里就讨论一些比较常见的方法。常见的测量方法分为动态和静态。

（1） 双压、双温法：这种方法是根据热力学中P、V、T平衡的原理来测量的，由于有现代的先进测控手段，设备比较精密，测量精度高，但是成本太贵。此方法属于动态法。

（2） 饱和盐法：总体来说这种测量方法比较简单，但是对液体、气体的平衡要求很严，对环境温度的稳定性要求也高，要花费很长时间来等待这个平衡状态；此方法属于静态法的一种。

（3） 露点法： 测量湿空气达到饱和时的温度，较准确，其范围也大，精度达到±0.2°皖西学院本科毕业论文

第 - 2 - 页 C或者更高，一般和其他测试器一起使用。

（4） 干湿球法：干球温度就是一般温度传感器所量到的温度，而湿球温度则是在温度传感器绑上湿布，再泡在一小杯水中，让水分包裹整个传感器，由于空气中的相对湿度一定小于等于100% (空气中的水蒸气未达饱和)，所以湿球的水份会被蒸发，在蒸发的同时将热量给带走，造成湿球温度下降(干球温度是真正的空气温度)，意即干湿球温度计读数相差愈大，水的蒸发愈旺盛，空气中的相对湿度变愈小，只要测出了干湿球分别的温度，再对照[相对湿度表]就可以知道当时环境的相对湿度了。这样的方法精度不高，只有5%~7%RH。

（5） 电子式湿度传感器法：该种方法是充分的利用了现代的科学技术，用

了传感器的智能性来测量。

这里，露点法、干湿球法和电子式湿度传感器既不是动态法也不是静态法。

1.3 监测温湿度的重要性

如上所述，温湿度是人们日常生活中衡量空气质量的一项重要指标，而空气的质量又直接或间接影响生产生活。温湿度控制不好有可能对产品的品质和生产环境的安全造成严重的影响。例如，在生活方面，空气湿度太小的话，人们会感觉到不适，有的会出现口唇干裂，鼻孔出血等情况；在生产方面，芯片的封装、设备的养护、工厂的装配环境都离不开温湿度的测量。所以，对温湿度的监测就显得至关重要。使用一些简单的智能型系统，如使用自动温湿度控制装置可以对生产生活中的环境进行全方面的监测，这样可以提高人们的生活环境质量以及生产中的效率。

2. 对无线网络系统整体的构建

图 1.1 温湿度监测无线网络系统原理构建图 温度参数

湿度参数 温

湿

度

传

感

器 数

据

采

集

模

块 控制器

模块 显示模块

无

线

传

输

模

块 无

线

传

输

模

块 上

位

机 皖西学院本科毕业论文

第 - 3 - 页 2.1无线网络系统的工作原理

该无线网络系统的主体是单片机和GSM通信模块，由温湿度信号的采集电路、控制模块的电源电路、温湿度报警电路、GSM通信模块电路以及显示电路等组成。该无线网络系统是通过温湿度传感器对环境中的温湿度进行数据采集，然后经过A/D转换将数据信号传输到单片机中，单片机再对数据信号进行分析、处理，同时将得到的信号传输到显示模块，将数值显示出来，如果该数值大于设定的范围，单片机则会向蜂鸣器发送警报指令，警报器报警。所以，整个无线网络系统包含了监测、显示、报警功能。具体如下：

（1） 可以了解环境的温湿度状况

（2） 可以通过显示模块的显示装置来实时的显示采集的温湿度值

（3） 通过键盘电路来更改温湿度范围的设定值

（4） 检测的数值和设定的范围值进行比较，来判断是否传输报警指令

2.2 无线网络系统设计的方案

对于本系统设计方案的不同，个人主要认为是在温湿度采集的方式选择上。

方案一：

采用温度和湿度独立采集数据的方式，分别将各自采集到的温度、湿度数据通过各自的模数转换电路进行信号转换，然后传输给单片机进行处理。该方案应用一些辅助电路，复位、电源、键盘等电路。结构图为

图 2.1 无线网络系统设计方案一 复位电路

电源电路

键盘控制

温度采集

湿度采集 模数转换

模数转换 单

片

机 显示电路

报警电路

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第 - 4 - 页 方案二：

采用集成式电子传感器来监测环境的温湿度，将数据传输给单片机进行处理，这样可以提高监测的数据精度。其框架图为，

图 2.2无线网络系统设计方案二

2.3 对于方案的选择

就温湿度监测的两方面而言，湿度的监测要比温度复杂的多。目前的湿敏传感器多为电容式传感器，通过在不同湿度下介质的介电常数变化引起电容值的变化来测量湿度。传统的湿度传感器需设计信号调理电路并要经过复杂的校准、标定过程，比且测量的精度不稳定。

对于方案一，温度湿度分别采集提高了采集效率，但是进行模数转换则要为两个采集装置匹配各自的模数转换电路，使整个系统的电路设置变的复杂；对于方案二，利用集成的电子传感器则有效的避免了方案一的麻烦，并且把系统的电路结构变的简单，它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还具有存贮、记忆、自补偿、自诊断等多种功能，还能保证监测的精度。

3． 系统中硬件模块的设计

温湿度无线网络系统的设计主体有两部分，一个是外围环境的数据采集部分，另一个是中心的监测部分。数据采集部分主要由单片机、传感器和无线通信模块来组成。传感器采用集温湿度一体的数字式传感器，把它作为收集温湿度数据的主体。单片机主要是控制传感器和无线通信模块有序的正常工作，它可以进行用户权限认定，还可以将收到的无线信号转换为短信模式，同时要控制通信模块来向中心站发送短信。通信模块准备选择tc35i来进行无复位电路

电源电路

键盘控制

温湿度采集电路 单

片

机 显示电路

报警电路

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第 - 5 - 页 线通信传输, 它可以向用户监测终端发送检测到的实时环境数据，也可以接收送到用户监测终端发来的命令消息；显示模块采用LCD显示；报警电路则是用三极管和蜂鸣器组成，数值超过设定值时，蜂鸣器则会发出响声来提醒附近的人注意；键盘就采用独立式的键盘控制，这样可以方便的来完成设定功能。

整个电路采用AT89S52 结合外同电路实现对温湿度的数据采集和监控。系统循环监控环境，若出现问题，单机片立即通过 AT 命 令 RS232 异步串行接口与 GSM 收发模块进行通信，

并利用该模块向手机终端或计算机监控中心发送短信息。 监测者可用短信命令设置智能模块， 或发送短消息查询命令查询其监控情况，从实现到无线监测。该方式无需拨号，短信收发模块直接把传输的内容和终端号码传送给 SMSC，再由SMSC 发送给接收终端。如果发送失败，网络保留消息重新发送。

3.1 控制模块的设计

控制模块的设计即是对单片机的选择，单片机是一种集成在电电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

在我国使用最多的是英特尔公司的MCS-51系列单片机，51系列的单片机能够完成数据处理、控制显示模块和整个系统的运行，在我国被多数人熟悉。AT89S52系列单片机为MCS-51系列的新一代产品，其内部组织基本相同，除保留了MCS-51单片机的所有特性外，还增设了空闲和掉电两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式，主要技术特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器完善的控制功能。

3.2 显示模块的设计

显示模块主要就是显示监测系统中温湿度传感器测得的温湿度数据，所以记录数据也不多。

本次设计中，所需要显示的数据主要有温度值、湿度值以及时间，也即所需显示的数据不多，而LCD1602可以总共显示32个字符，因此，采用LCD1602完全能够满足显示要求，这也是液晶显示电路设计中采用LCD1602的缘故。

液晶显示模块以其功耗、体积小、显示内容丰富、模块化、接口电路简单等诸多优点，在电器设备、仪器、仪表中得到广泛应用。液晶显示模块分字符型和点阵型两种，