1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

随着时代的发展，社会的进步，人们收入水平的不断提高，对物质生活有了越来越高的要求。”名以食为天”，对于饮食方面的要求就尤为突出。为了保证食材的品质以及满足人们在一年四季都能吃上新鲜安全食品，大棚蔬菜，大棚水果就脱颖而出，成为大众的新宠。大棚技术的发展也一跃千里。在保证食材品质的问题上，对于大棚内湿度的监控尤为重要。因此，为了满足市场的需求，各种各样的湿度检测器层出不穷。我的毕业设计就是一款湿度无线采集及显示系统，这是贴近现实的一种实践，也是对大学四年来所学过知识的一次应用，意义颇深。

九十几年前，”滴”、”滴”、”滴”三声微弱而短促的的讯号，通过电波传过2500公里的大西洋对岸，从此向世界宣布了无线电的诞生。19世纪30年代以后，伴随着科学技术的发展，军事通信技术和手段产生了一系列根本性的革命。”摩斯码”、”无线电通信实验”、”二战”等等有关军事行业的推动，使得无线电技术的发展日新月异。20世纪90年代以来，无线电技术越来越多的应用的人们的日常生活中。”手机”、”小灵通”、”GPS”、”wifi”的相继问世，使得无线电技术更加成熟可靠。在我本次的毕业设计中，将采用无线电技术，将采集到的湿度信息，通过电磁波，有发送端发射出去，并在接收端接受信号并采集，在手持终端上显示出来。本设计中，将涉及到湿度监测模块，无线收发模块和显示模块。

图1 系统框架

下面对每个模块、器件以及整个系统的框架结构进行介绍。

一、 湿度监测模块

1、湿度传感器的类型

湿度传感器是监测湿度的仪器，它的种类繁多，应用的领域也不相同。大致分为：碳膜湿度传感器、金属氧化物陶瓷湿度传感器、电解质湿度传感器、高分子湿度传感器、红外湿度传感器、微波湿度传感器、超声波湿度传感器等等。

2、湿度传感器的选择

由于本次毕业设计中所涉及的湿度传感器是采集大棚内的湿度，精确度要求不是那么高，所以应当选择价格适中，应用面广泛的湿度传感器！有上述考虑之后，决定选择DHT11。

图2 DHT11与单片机的链接图

3、湿度传感器DHT11介绍

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，这边主要是湿度监测。它应用专用的的数字模块采集技术和湿度传感技术，确保产品具有可靠性和卓越的长期的稳定。它的工作电压是3.3V-5.5V，测量范围是湿度20-90%RH,测量精(-5%RH)-( 5%RH)。

表1 引脚功能说明

二、无线传输模块

1、无线收发模块的类型

无线收发模块的种类很多，有nRf24L01、TTL、RS232、RS485、CC1101、SI4432等等，由于应用领域不同，信号强度、传输距离也不相同，导致价格以及使用人群也不一样。

2、无线收发模块的选择

根据本次毕业设计的要求，决定需要选这一款价格适中，应用面很广，开发环境相对来说较为成熟的模块，这样一来就有迹可循。综合了各方面的原因，我决定选取nRf24L01模块，其工作频率为2.4GHz-2.5GHz。

3、nRF24L01无线收发模块

nRF24L01是一款工作频率在2.4-2.5GHz之间，并且在世界通用ISM频段的单片无线收发芯片，最大发射功率0dBm，免许可证使用。nRF24L01模块的工作电压范围为1.9~3.6V，能够实现最大2Mbps的速率发送数据，在空中传输的时间很短，且极大地降低了无线传输中的碰撞现象。nRF24L01支持六路通道的数据接收，可支持125频点满足点到多点通信和跳频通信的需要。当工作在发射模式下，发射功率为-6dBm时，电流消耗为9.0mA,接收模式时电流消耗为12.3mA,掉电模式和待机模式下，电流消耗更低，满足低功耗的要求。

nRF24l01内置频率发生器、增强型SchockBurst TM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道的选择和协议的设置都可以通过SPI接口进行设置。nRF24L01的功能模块如图2所示。

图3 nRF24L01功能模块

图4 nRF24L01引脚图

图5 引脚功能

4、ASM1117-3.3芯片

由于nRF24L01的工作电压范围是1.9#8212;3.6V，而AT89S52的工作电压在4.5V-5.5V，考虑到整个系统的低功耗，因而用一片电源转换芯片AMS1117-3.3，把5V的电压转换成3.3V的电压，这样就降低了系统的能耗。AMS1117-3.3芯片具有价格便宜，外围电路简单等优点，非常适合电压转换的控制。

5、单片机的选择

单片机同样是种类繁多，按数据位分，有8位的、16位的、32位的，按厂家分，有moto罗拉、philips、st、nxp等等，经典的有51单片机、61单片机、AVR单片机、PIC单片机等等，根据不同的要求和使用环境，选取适当的单片机。在这里我选用的是AT89S52单片机。

图6 AT89S52的管脚排列

AT89S52是一种低功耗、高性能的CM0S8位微控制器，具有8K在线系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单片芯上，它拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash的功能，使得AT89S52为众多嵌入式控制系统提供灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。与此同时，AT89S52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。AT89S52采用PDIP、PLCC以及TQFP三种40脚封装结构，具有集成度高、功能强、外围电路简单等优点。

三、显示模块

1、显示屏的选择

由于如今显示屏多种多样，天花乱坠，对于本次毕业设计而言，只需要显示数据和文字信息，所以只需一款廉价切性能一般的显示器即可。所以，我选择了OCMJ 4*8 液晶显示屏。

2、OCMJ 4*8 液晶显示屏介绍

OCMJ 4X8是金鹏奥可拉公司生产的128*64点阵式中文液晶图形显示模块。该模块由于内含中文字库而使得汉子显示异常方便，并且硬件接口电路简单，易于连接操作，这对于硬件资源十分紧张的单片机来说是非常有用的。OCMJ4*8液晶显示模块非常实用于显示汉子信息量较大的智能仪表以及家用电器。

该模块具有如下几个优点：

(1)内含GB2312标准的16*16点阵图标一级简单汉字库。

(2)内含ASCII码8*8（半高）及8*16（全高）点阵英文字库。

(3)输入区位码或ASCII码即实现汉字或字符显示。

(4)具有位点阵和字节点阵两种图形显示功能。

四、湿度无线采集及显示系统的原理图

图7 湿度无线采集与显示系统原理图

大棚1-10号内所有的湿度进行采集汇总，然后再把采集到的信息通过发射模块发射，然后接收模块进行接收，最后将采集到的信息显示在手持终端上，轮流显示。

五、nRF24L01模块收发模式的工作流程图

nRF24L01的工作模式如表1所示：

表2 nRF2401工作模式

工作模式	PWR_UP	PRIM_RX	CE	FIFO寄存器状态
接收模式	1	1	1	-
发送模式	1	0	1	数据在TX FIFO寄存器中
发送模式	1	0	1 0	停留在发送模式
待机模式II	1	0	1	TX FIFO为空
待机模式I	1	-	0	无数据传输
掉电模式	0	-	-	-

本设计采用的nRF24L01无线收发模块有四种工作模式，分别为：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式，本设计中采的用最主要的模式是收发模式。而在收发模式中分为直接收发模式和ShockBurstTM模式。在本设计中主要使用增强型的ShockBurst TM模式，所以在此重点介绍增强型ShockBurstTM下的收发模式：

ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器MCU送入，但高速（1Mbps）发射，这样尽可能的节约能量。因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发送速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大优势：（1）节能性优越（2）系统费用低（3）数据在空中停留的时间短，抗干扰性强。

ShockBurst TM技术同时也能减小整个系统的工作电流。在这种收发模式下，自动处理字头CRC校验码。在接收数据时自动把字头和CRC校验码移去。发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送数据完成之后，数据准备好，引脚通知微处理器数据发送完毕。

ShockBurst TM 技术可以使得双向链接协议执行起来更加容易、有效。双向链接的含义为：发送方要求终端设备在接收到数据信息后有应答信号，以便发送方检测到发送无误，无数据丢失，一旦丢失则通过重传机制将丢失的数据恢复。增强型的 ShockBurst TM 模式可以同时控制应答以及重传功能，而不需要增加CPU的工作量。

六、湿度无线采集及显示系统软件设计

软件设计采用模块化得设计思想，系统由各主要模块都通过独立的程序与MCU进行通信和数据传输。功能模块程序包括：初始化程序、16进制数转ASCII码程序、nRF24L01无线收发模块的配置程序和收发数据控制程序、液晶显示器显示程序等。其中最主要的是nRF24L01无线收发模块的收发配置和控制程序。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题主要研究：

本设计中采用at89s52单片机（mcu）以及nrf24l01无线收发模块设计一个无线收发传输系统，制作主要包含三个重要部分：湿度监测部分、液晶显示器显示部分、无线收发模块射频收发部分。单片机at89s52配置nrf24l01的工作模式为shockbursr tm，nrf24l01将射频数据打包，然后高速发送。当有数据发送过来，nrf24l01将会检测发送数据的地址是否正确无误，如果是正确的地址就会接受数据包并进行crc检测，crc校验正确，mcu将会取出数据包。当收到完整无误的信息数据之后，通过软件系统，将收集到的信息显示在液晶显示屏上，并轮流显示。当然本系统需要实现无线收发功能，这就需要我们建立一个无线通信协议。本设计中采用的nrf24l01工作在2.4ghz的ism波段，支持多点间通信，有125个频道可供选择，可满足多频和跳的需要。nrf24l01没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，选用同种产品即可实现自由的通信，即支持点到多点的无线数据传输。

本课题主要研究途径：