摘 要

为解决医院对温湿度测量的需求，本文提出一种可远距离实时监控不同地点温湿度的监控系统设计。设计以STC89C52单片机为核心，利用多个DHT22温湿度传感器采集数据，通过nRF24L01无线通信模块进行数据传输，由LabVIEW制作的上位机程序实现数据的显示、处理及保存。旨在远程实时测量多点温湿度，并通过上位机判断分析，发出相应控制信号至下位机以控制器件运作。解决传统测量低效，布线复杂的问题，实现高效可靠的温湿度监控。

关键词：STC89C52单片机；DHT22数字式温湿度传感器；nRF24L01无线通信模块

Abstract

In order to solve the problem that hospitals need to measure temperature and humidity in many places, this paper presents a design of monitoring system which can monitor temperature and humidity in different places in real time and at a long distance. The design takes micro controller STC89C52 as the core, uses several temperature and humidity sensors DHT22 to collect data, transmits data through wireless communication module nRF24L01, and realizes data display, processing and preservation by the upper computer program produced by LabVIEW. The aim is to measure multi-point temperature and humidity remotely and real-time, and to send corresponding control signals to the lower computer to control the operation of the device through the judgment and analysis of the upper computer. It solves the problems of low efficiency and complex wiring in traditional measurement, and realizes efficient and reliable temperature and humidity monitoring.

Key Words: micro controller STC89C52;temperature and humidity sensors DHT22;wireless communication module nRF24L01

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 课题目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 课题研究内容 2

第2章 系统方案设计 3

2.1 基本内容和目标 3

2.2 硬件选型 3

2.2.1 单片机选择方案 3

2.2.2 无线模块选择方案 3

2.2.3 传感器选择方案 4

2.2.4 上位机选择方案 4

2.2.5 控制器方案 4

2.2 方案设计 5

第3章 硬件设计 7

3.1 单片机最小系统 7

3.2 DHT22数字式温湿度传感器 7

3.2.1 性能介绍 7

3.2.2 工作原理 9

3.3 nRF24L01无线通信模块 11

3.3.1 nRF24L01简介 11

3.3.2 nRF24L01配置 14

3.3.3 nRF24L01工作原理 14

3.3.4 电源转换 15

3.4 继电器模块 15

第4章 软件设计 17

4.1 从机采集功能的软件设计 17

4.2 主机的软件设计 18

4.3 从机控制功能的软件设计 19

4.4 DHT22传感器软件设计 19

4.5 无线发送软件设计 21

4.6 无线接收软件设计 22

4.7 上位机软件设计 22

4.7.1 串口设计 23

4.7.2 数据显示 24

4.7.3 范围设置 25

4.7.4 存储功能 26

第5章 系统制作与调试 28

5.1 硬件制作与调试 28

5.2 软件编程与调试 28

第6章 数据分析 30

6.1 传感器标定 30

6.2 误差分析 35

第7章 结论 36

参考文献 37

致 谢 39

附件A 从机程序 40

附件A.1 从机(采集)程序 40

附件A.2 从机(控制)程序 42

附件B 主机程序 45

附件C DHT22程序 48

附录D nRF24L01模块程序 52

第1章 绪论

1.1 课题背景

在现代的医疗行业中，温度、湿度是决定医疗品质，影响医疗发展的重要参数。就医人群的健康管理，各类药物的保存管理，医疗设备的环境管理，医学测试的条件管理等众多医学活动，都需要合适的温湿度环境。为此需要实时且数量庞大的多点测量。但是传统的温湿度计测量方法，效率低下，人工操作过多，而且在大量测量点数的条件下成本昂贵，不利于医院的环境管理，也不利信息化程度的提高。

医疗是人类生活幸福的重要保障，也是决定一个国家发达程度的重要指标。医疗行业的发展不仅体现在医疗技术的发展，也体现在医疗环境管理的发展上，高效，实时的自动化多点温湿度监控不仅可以保障人类健康，也能够促进医疗技术的飞速发展，实现医疗行业的现代化及智能化。

1.2 课题目的及意义

温湿度监控是医学活动中的一个重要环节，为实现温湿度测量的自动化及智能化，使用单片机和传感器是多点温度和湿度数据的采集，并对所采集的数据进行当地数据处理的最佳选择。

与传统人工测量不同，使用传感器和单片机测量必伴随着布线复杂程度的新问题，并且根据医院规模程度，布线也更为更为复杂。此外，大量使用数据线缆还存在着短路、断线等隐患，针对这些隐患还需要对已定型的复杂接线进行定期维护，成本高昂也不利于长期使用。

为了减轻布线复杂程度，得到稳定的温湿度数据，可以使用无线技术来替代线缆数据传输。这样不仅可以减少使用大量线缆的成本，也可以简化医院的布线环境，使得更容易维护管理。而现代无线技术也日益发达，使用更加方便灵活，性能也越来越强大。因此，使用无线技术代替有线数据传输进行多点温湿度测量，不仅解决大量测量点数的布线问题，也有助于数据快速稳定的传输，实现实时多点监控的目的。

1.3 国内外研究现状

国外针对温湿度监控的研究相对于国内要早。一开始是使用不同功能仪器来组合使用，在现场进行温湿度的测量并控制。但传统的温湿度监控方式已经不能满足高精度，高效率的控制要求了，因此现在国际上主要是以单片机为核心的温湿度监控系统,且随着传感器以及微型技术的发展，温湿度监控系统正向具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等方面发展。

我国在温湿度监控方面的研究较晚，我国技术人员在国外研究的基础上，掌握了温湿度室内微机控制技术，但是仅限于对温湿度的单项环境因子的监控。随着时代发展，我国温湿度监控技术进入了过渡阶段，与国际标准还有一定差距，但是，由于各种新型技术的出现，国内各企业的技术创新，温湿度监控的市场需求日益增长，对温湿度监控技术的要求也越来越高^[1]。

如今温湿度监控技术研究中，多点测量是一个主流趋势。多点温湿度采集与监控系统是用来对多个地点的温湿度进行分散采集和控制的系统。这种分散控制包括对温湿度的检测及运算处理、控制策略的实现、控制信息的输出以及实时控制等，实现各回路长期可靠地、无人干预地自动进行，该系统的另一个特点是集中管理，即将各点工作状态、设定值、控制参数等信息上传给管理计算机，以实现对各点的实时监控，且能对多址的温湿度进行实时巡检^[2]。

1.4 课题研究内容

设计以单片机为核心，测量多点温湿度数据，并能无线收发数据，通过上位机实现报警和显示功能。具体设计内容如下：

1. 选择符合设计要求的传感器，查阅相关资料手册；
2. 研究单片机对多个温湿度传感器的驱动方式；
3. 选择能符合设计条件的数据传输类型的无线通信模块，查阅相关资料手册；
4. 研究大量实时数据传输给上位机方式；
5. 研究上位机的数据显示方式，保存方式及报警功能的设计；
6. 制作并调试分析。

第2章 系统方案设计

2.1 基本内容和目标

针对医院监护病房的温湿度设定要求，设计以单片机为核心的多点温湿度监控系统，相关参数要求如下：

测量点数：一片单片机可控制至少4点，最多可32点采集；

测量温度范围：-10℃~50℃；

温度精度要求：±1℃；

测量相对湿度范围：0~90%RH；

湿度精度要求：±5%RH；

2.2 硬件选型

2.2.1 单片机选择方案

方案一：采用STC12C5A60S2单片机。该型单片机的指令代码可完全兼容传统8051单片机,而且运行速度快十倍左右。其内部有集成专用的复位电路，拥有2路脉冲宽度调制电路和8路高速10位A/D转换，能在强干扰下工作，适合进行电机控制，价格较贵。

方案二：采用STM32系列单片机。STM32是一款高性能的低功耗的嵌入式32位单片机，内置大量寄存器及外设功能，功能强大，成本很低，但是手工焊接不易。

方案三：采用STC89C52单片机。该系列单片机是使用最广泛的低功耗8位单片机，编程简单，价格低廉，焊接容易。

由于设计要求手工焊接测试，结合成本综合考虑系统制作工艺及功能适应性，设计选择方案三，STC89C52作为本系统的单片机。

2.2.2 无线模块选择方案

方案一：采用GSM模块进行无线通信。此模块借助通信卫星进行数据通信，传输距离十分远，可达数千米，但是需要配置手机卡，并支付相关通信费用，后期成本昂贵。

方案二：采用蓝牙无线通信模块。此模块是一种集成蓝牙功能的电路板，可用于短距离无线通信，功耗低且价格便宜。

方案三：采用nRF24L01无线射频模块进行通信。此模块是一款高速低功耗的无线通信模块，传输速率1Mbps和2Mbps可选。传输距离适中，一般距离为5米，外接天线后最高可达500米左右，成本较低，集成了载波检测功能并采用SPI总线通信的高速通信模式，可在W—LAN和调频系统如蓝牙等环境干扰下可靠工作。模块接线简单，操作方便。

考虑到在医院环境下一般所需通信距离及使用成本，设计采用方案三，nRF24L01作为本系统的通信模块。

2.2.3 传感器选择方案

方案一：使用DS18B20温度传感器采集温度，使用DHT11数字式温湿度传感器采集湿度。DS18B20温度传感器具有良好的线性度和稳定性，适合多点测量。而DHT11数字式温湿度传感器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，但由于温度测量精度达不到要求，因此仅使用湿度测量功能。

方案二：使用SHT11温湿度传感器，支持CRC传输校验，测量精度高，传输可靠性高，可以提供温度补偿的适度测量值和高质量的露点计算功能^[3]。成本较高。