物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 OM， 512B 的片內 SRAM 以及 4KB 的用于系統內可編程的 FLASH （ 4） 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8 位定時 器 （ 5） 8 路 10 位 ADC 這些性能足以完成數據通信的功能。除此之外，它采用貼片式接觸，占用體積小，且價格便宜，只需 35 元就可買到。 溫濕度傳感器 傳感器網絡是由部署在監測區域內大量體積小、成本低，具備感知信息、數據處理、通信能力的微型傳感器節點組成 [4]。以往的傳感器實時監測到的溫濕度數據皆為模擬數據，若想通過開發板得到精確的數字型數據，只有通過采樣，量化和編碼才能夠使管理者得到相對較為準確的數字。以下溫濕度精度的參數 The humidity sensor can reach a sensitivityof pF%RH?1 and the temperature sensor exhibits a sensitivity of 物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現 6 10?3 176。C?1。 [5]開發板上具有 ADC 轉換，即進行模數轉換的功能，通過公式計算出溫濕度的值。這種方法降低了溫濕度監測系統最重要的準確性，因此本設計采用的是現代數字型的傳感器，直接在將數據傳輸給上位機前先進行了轉換，通過協議直接發送數字型數據，大大減少了先前的工具型缺陷。 溫濕度傳感器的選擇是整個設計是否成功的關鍵所在。智能溫度傳感器內部包含溫度傳感器、 A/D 轉換器、信號處理器、寄存器和接口電路。有的還帶有 CPU 和內存。它能輸出溫度和相關控制量。并且可通過軟件實現測試功能，溫度計也越來越智能化。 濕度傳感器產品及濕度測量在 20 世紀 90 年代興起的行業，主要分為電阻式和電容式兩種，產品的基本形式都是在基片涂覆感濕材料形成感敏模。 目前市場上主流的溫濕度傳感器型號為 SHT1X、 dht1 AHT1X 等。本設計選用的型號為 SHT10FND[6]，屬于土壤型溫濕度傳感器，產地為法國，在溫度和濕度的精度上兩者皆可達到 ，相較于之前的溫濕度傳感器在精度上有 了大幅的提升；在體積方面，與開發板的芯片大小相近，只要焊接成功，露點就會采集環境的變化；價格也貼切與市民，一般在 2530 元之間。 傳輸模塊 本設計為了能夠進行上位機與采集溫濕度開發板進行通信，必須在開發板上焊接一個通信模塊。通行模塊又分為有線和無線兩種類型。有線通信模塊為傳統的 RS23RS3232 和 RS485。前二者的電平驅動的高低與后者不同， 邏輯 1(MARK)=3V～ 15V，邏輯 0(SPACE)=+3～ +15V； RS485 總線傳輸采用平衡發送和差分接收的方式，因此它具有抑制共模干擾的能力 。而且總線收發器具有很高的靈敏度，能檢測低至 200mV 的電壓，所以傳輸信號能在千米以外得到恢復。即使 485 總線采用半雙工模式傳輸數據，數據傳輸速率最高可達 10Mb/s(小于 40m)。總線上差分電壓大于 “ 0”，差分電壓小于 “ 1”，這樣就有效克服了共膜干擾、同時也抑制了線路噪聲，傳輸距離可長達 千米 [78]。 無線傳輸模塊則以 zigbee 為代表。 zigbee 模塊無疑是一個解決方法。它的功率消耗很低在低功耗待機模式下，兩節普通 5 號電池可使用 6~24 個月 [9]；傳輸距離 為 200400米。 由于無線發送模塊需要不斷發射信號，而 zigbee 處于 ， 近乎微波特性 ，隔了一個墻壁，信號會大量衰竭，傳輸距離叫有線的 485 短了許多。本設計采用 RS485作為傳輸模塊。 物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現 7 3 系統硬件電路及驅動分析 電源電路 電源電路是驅動整個溫濕度采集開發板的心臟，動力的來源。只有將分析電源電路研究徹底，才能夠進行開發板芯片的端口設置和系統初始化工作，完成環境實時采集的功能。 本設計采用的穩壓電源芯片信號為 7805，具體電路原理圖如圖 1 所示： 圖 1 7805穩壓芯片電路圖 由 圖 1 可知該電路輸入電壓為 12V，經過一個 IN4007 的二極管進行整流，通過穩壓芯片后輸出電壓電源為 5V 電壓，換言之開發板內的元器件驅動需要 5V 電壓輸出，而一般 RS485 總線上的 VCC 與 RS232 相互轉化也只能是 5V供電，達不到 12V 的工作電壓，因此本設計還需還接一個 的電源適配器，才能完成測試。 開發板芯片 芯片電路 為了能使開發板實現實時采集，對開發板芯片的引腳和端口功能必須了如指掌。 ATMEGA48PA 的具體電路原理圖如圖 2 所示： 物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現 8 圖 2 ATMEGA48PA原理圖 由圖 2 看出該芯片一共有 32 個引腳接觸。除了芯片外，還外接時鐘電路和復位電路。 時鐘電路連接這芯片的 PB6 和 PB7 兩個引腳。該電路有兩個貼片電容和一個提供外部時鐘的晶振組成。圖 2 可知該晶振提供的時鐘頻率為 8MHZ，能夠完全應對每秒所采集的數據處理；電容則使用 20PF。 復位電路采用上拉型，接一個 10^4 的貼片電容來分壓。 除此之外，是標準的 GPIO 引腳、兩個 ADC 轉化以及測量電壓的引腳。本設計主要使用的是網絡編號為 SDA、 SCL、 RXD、 TXD。其中前兩者與溫濕度傳感器相連接；后兩者則是與 485 傳輸模塊的發 送和接受相連。 ERR 和 RUN 則是對應開發板的兩個發光二極管。前者是每秒采集到溫濕度的反饋；后者為判斷開發板是否正常運行。 芯片驅動流程 在芯片驅動代碼的編程上，一般分為 4 步。首先就是禁用看門狗。看門狗定時器由獨立的 128 kHz 片內振蕩器驅動。通過設置看門狗定時器的預分頻器可以調節看門狗復位的時間間隔，如果沒有及時復位定時器，一旦時間超過復位周期， ATmega48PA 就復位，并執行復位向量指向的程序。為了使系統正常執行時不產生中斷異常，所以要禁用看門狗。 隨后設置時鐘頻率。本設計采用外部晶振頻 率，因此在代碼編寫上選擇外部預分頻，使能相應寄存器即可。 物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現 9 以上為系統初始化的編寫。接著第 3 步則是驅動先前提到的網絡標號對應的端口。通過數據手冊找到相應的端口，首先用與運算將端口對應位清空，然后再將該位置“ 1”，這樣做是為了與傳統 51 單片機兼容。 最后就是設置中斷和中斷處理函數。首先將定時器設置 1000ms 為溢出時間，超過它既發生中斷，保存發送中斷現場，程序入口進入中斷向量表 (采用棧的方法保存 )，找到對應的入口，進行中斷處理，完成后恢復現場。 整個芯片驅動代碼如代碼片段 1 下： /*MCUSR 中的 WDRF清零 */ MCUSR = 0x00 /* 置位 WDCE 與 WDE */ WDTCSR = (1 WDCE) | (1 WDE)。 /* 關閉 WDT */ WDTCSR = 0x00。 CSCLK = CSCLK | 0x08。//時鐘頻率為 8MHZ PB amp。= ~0x03。 PB |= ~0x03。 //使能 PB0、 PB1 PD amp。= ~0xC3。 PD |= ~0xC3。 //使能 PD0、 PD1 TMOD=0X21。 //則 T0設為 16位定時器 ET0=1。 //開 t0中斷 TR0=1。 //開定時器 0 P3M1=0x30。 //設 , TH0 = 0xDC。 TL0 = 0xD8。 代碼片段 1： ATMEGA48PA系統驅動代碼 傳感器電路 溫濕度傳感器原理圖 溫濕度傳感器采用土壤型 SHT10 系列。由于此款溫濕度傳感器對溫度的敏感度非常之高，若要焊接必須注意小心，可以使用標準的回流焊爐對 SHT1x 進行焊接。傳感器完全符合 IPC/JEDEC JSTD020C 焊接標準，在最高 260℃溫度下，接觸時間應小于40 秒。 土壤型 SHT1X 的各個引腳功能如下表 2 所示： 表 2 土壤型 SHT1X各個引腳描述 引腳 名稱 描述 1 GND 接地 物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現 10 2 SDA 串行數據，雙向 3 SCK 串行時鐘輸入 4 VDD 電源 NC NC(懸空 ) 必須為空 土壤型 SHT1X 溫濕度傳感器的實物圖和原理圖如圖 和圖 所示： 圖 土壤型 SHT1X實物圖 圖 土壤型 SHT1X實物圖 溫濕度傳感器時序圖 用一組“啟動傳輸”時序，來完成數據傳輸的初始化。它包括：當 SCK 時鐘高電平時 DATA 翻轉為低電平，緊接著 SCK 變為低電平，隨后是在 SCK 時鐘高電平時DATA 翻轉為高電平。參見圖 ： 圖 啟動傳輸時序 在該命令中包含三個地址為 (默認為 0x000)和五個命令位。溫度測量和濕度測量的命令分別為 0x00011 和 0x00101。這個過程需要大約 20/80/320ms，分別對應 8/12/14bit 測量。確切的時間隨內部晶振速度，最多可能有 30%的變化。 SHT1x 通過下拉 DATA 至低電平并進入空閑模式，表示測量的結束。控制器在再次觸發 SCK 時鐘前，必須等待這個“數據備 妥”信號來讀出數據。檢測數據可以先被存儲，這樣控制器可以繼續執行其它任務在需要時再讀出數據。 物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現 11 如果與 SHT1x 通訊中斷，可通過下列信號時序復位：當 DATA 保持高電平時，觸發 SCK 時鐘 9 次或更多，參閱圖 。接著發送一個“傳輸啟動”時序。這些時序只復位串口，狀態寄存器內容仍然保留。 圖 復位時序 這里通過采集一次濕度的過程為例，它的時序圖如圖 所示： 圖 相對濕度測量時序示例，數值“ 0000’ 0100‘ 0011’ 0001” =1073=%RHDATA 有效時間已 標出，可參見 DATA 線。加粗部分的 DATA 線由傳感器控制，普通的 DATA 線由單片機控制。 SHT1x 并不直接進行露點測量 ,，但露點可以通過溫度和濕度讀數計算得到 .。由于溫度和濕度在同一塊集成電路上測量， SHT1x 可測量露點，具體公式 如下： () 其中 為露點溫度， RH 為相對濕度 （ Relative Humidity）， T 為空氣溫度， 為室內溫度， m為 組分數 。 RS485 總線 RS485 總線模塊主要有 4 根線與之相連。從左到右的順序分別為 A(TX)、 B(RX)、GND 和 VCC。由于上位機沒有 485 總線接口，若想互相連接就必須轉將 485 轉換成物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現 12 RS232 的母口。其實 RS485 和 RS232 在傳輸方式上幾乎一樣，只需將電平轉換成 TTL即可。 485 總線的原理圖如圖 所示： 圖 RS485總線原理圖 通過上圖可知 ATMEGA48PA芯片的 PD0 和 PD1 兩個引腳與 485 的 RO 和 DI 連接。 A 和 B 與 485 轉 232 模塊的 R+和 R相連。 為了能夠與上位機互相通信，雙方的通信協議必須一致，具體協議介紹將在第 4 章中說明。 物聯網遠距離溫濕度監測系統設計與實現 13 4 系統軟件設計 通信模塊 上位機與溫濕度采集開發板互相通信是通過 485 總線， 485 總線的發送和接收協議在軟件編程上與 RS232 相同。傳統的串口通信協議是 MODBUS，協議幀中的發送請求結構為一個字節的功能碼，兩個字節的起始地址和兩個字節的寄存器。 本設計中的協議則是通過 MODBUS 修改了一部分。上位機的請求發送的協議如下： (1BYTE) (1BYTE) 0xF1 地址 (功能碼 ) (設備地址 ) 開發板收到請求協議之后，給上位機發送響應的結構如下： (1BYTE) (1BYTE) (1BYTE) (1BYTE) (1BYTE) (1BYTE) (1BYTE) 0xAB 地址 濕度 H 濕度 L 溫度 H 溫度 L 0xBA 響應開始 設備地址 結束碼 上位機串口是在 VC++環境下編寫，通過查詢開發板 通信模塊，通信的波特率為9600，校驗位為偶校驗，起始位和停止為都為 1BYTE。本設計使用串口通信的控件來封裝，打開，配置和連接的流程如下： 1. 打開串口（邏輯串口號： 根據設備管理器的端口 ） 2. 配置串口參數 (波特率、校驗位、起始位、停止位 ) 3. 設置讀寫超時時間 4. 設置串口底層接收、發送緩沖區大小 5. 設置串口事件（數據可讀事件、啟動發送數據事件、工作線程結束事件等）