基于Arduino无线温湿度测控系统设计毕业设计Word下载.docx
- 文档编号:7161233
- 上传时间:2023-05-08
- 格式:DOCX
- 页数:47
- 大小:824.67KB
基于Arduino无线温湿度测控系统设计毕业设计Word下载.docx
《基于Arduino无线温湿度测控系统设计毕业设计Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于Arduino无线温湿度测控系统设计毕业设计Word下载.docx(47页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
Temperatureandhumiditycontrolhasbecomeahotresearchinthe21stcentury.Bothintermsofproductionandlife,ourhumanbeingsarecloselylinkedtotemperatureandhumidity.Andthedevelopmentdirectionofintelligenttemperatureandhumiditycontrolsystemhasbecomeaninevitabletrend.Thewayofourthinkingcanbechanged.Weareunabletosticktocontrolthechangeoftemperatureandhumiditywithsomanypeopleinoldstage.Itisnotonlywastealotofmanpowerresource,butalsothefunctionofcontrolsystemissimplifiedanditisappliedinoccasionsignificantlimitations.Whileusingautointelligentcontrolnotonlysavemanpowerbutalsoreflectsthedialecticalthoughtofkeepingpacewiththetime.Theworldhaschanged.Thisprogressshouldbereflectedineverydetailoflife.Thetraditionalmethodoftemperatureandhumiditymeasurementcycleislong,theefficiencyislowandthemanagementisnotveryconvenient.Whenafailureoccurs,peopleshouldspendalotofmanpowermaterialresourcestofindit.Especiallyforgreenhouseundertheworkingconditionsoffrequentsamplingdata,usingwirelesstransmissionsystemshowedhissuperiority.Thesystemcanbeachievedonthetemperaturefieldandremoteintelligenton-linedetectionandwarning.Thesystemontemperaturemeasurementaccuracyachievesacertainlevel.Duetothespeed,thetemperaturemeasurementsensitivityisimprovedeffectivelyandstabilitywiththeuseofindependenttemperaturecompensationcircuit.Inaddition,withtheuseofmemorychipsthatcansavethereal-timedataandimprovethereliabilityofthesystem.Itisakindoflowcost,convenientandpracticalsystemthatcanbeappliedintheproduction.
InordertorealizeenvironmentalconditionmonitoringsystembasedonArduinowasdesigned.FocusedonArduinoUNO,weprogramedtheArduinoUNOforsendingthesensordatatopublicserver.Testsshowthatthiskindofdesignprovideenvironmentalconditionmonitoringsystemmoreeconomyandconvenient.
Keywords:
ArduinoUNO;
Programming;
Environmentalconditionmonitoring
1绪论1
1.1课题研究背景1
1.2国内外发展现状及发展趋势1
1.3软件技术的发展2
1.4无线通信技术的发展及研究现状3
1.4.1IEEE802.113
1.4.2蓝牙(Bluetooth)技术3
1.4.3NRF24014
1.5论文的主要内容4
2系统方案的总体设计6
2.1系统方案的确定7
2.1.1传感器方案7
2.1.2系统控制及数据处理模块方案8
2.1.3无线传输方案9
2.1.4数字式温湿度传感器选择10
3系统硬件电路的设计13
3.1温湿度米集部分电路设计13
3.1.1关于单总线的说明14
3.1.2传输数据的格式14
3.1.3数据时序图及传送接收的步骤15
3.2环境因素对器件性能的影响18
3.3无线收发模块NRF2401的配置18
3.3.1NRF2401状态机20
3.3.2NRF24L01固件编程的基本思路20
3.4主从机系统电路接口设计23
3.4.1硬件抗干扰措施24
3.4.2小结25
4系统的软件设计26
4.1温湿度测量子程序28
4.2小结30
5结论与展望31
致谢32
参考文献33
附录A英文原文34
附录B汉语翻译42
1绪论
1.1课题研究背景
进入21世纪,随着互联网,移动互联网,乃至物联网的发展,推动了整个工业界对环境的监测发展,为了保证工厂生产的顺利进行,首要问题是必须加强工厂车间内部的温湿度监测,传统的方式是通过干湿度表,毛发湿度计,温湿度试纸和温度计等测试器材,通过人工去进行监测,对于不符合温湿度要求的车间进行通风,去湿度等措施,这种人工方法不仅费时费力而且效率低下,并且得到的数据往往误差大。
随着电气技术,微电子技术的飞速发展,工厂的监测,车间控制与管理的自动化已经迫在眉睫,尤其是近年来车间生产的空间不断扩大,传统的方式已经远远不能满足生产的实际需要,建立一种管理科学,操作简便,运行可靠的高效率的控制系统是必需的。
在产品竞争日趋激烈化的当下,产品生产的环境决定了产品的质量以及后续产品的市场,对生产环境的监测凸显了更加重要的地位。
目前国内一些基于物联网技术的温湿度采集虽然可以测量多个参数,但是大多数设计复杂,价格昂贵,难以获得广泛的应用。
本系统主要监测工厂车间的温湿度参数,实时显示各个车间的环境情况,通过控制器分析处理,实现现场控制,达到恒温,恒湿的状态。
从而提高工厂车间的科学管理化,控制自动化水平。
如果使用一般有线的控制布线,则施工劳动强度大,投资大。
本次拟改用科技创新的观点,拟采用基于无线传输的设计思路,通过Arduino硬件处理,软件算法完成上述所需要的功能。
1.2国内外发展现状及发展趋势
温湿度监测属于监控系统的范畴,近年来,由于计算机技术以及超大规模集成电路和通信技术的发展,使监控系统广泛应用于工业生产等领域,因此,温湿度监测技术的研究在软硬件等方面都有了一定的进展。
早期工厂车间温湿度监测主要采用温度计测量法,他是将温湿度放入特定的地点,根据不同地点的采集,管理人员往来于不同的地点,读出的示数决定结果。
这种人工的方法去监测工厂车间的温湿度具有一定的作用,但是由于温湿度的精度,人工读数的人为因素等原因,温湿度监测不仅速度慢,而且精度低,抽样不彻底,局部温湿度差别过大不容易被及时发现导致监测不准确影响了生产的效率时有发生。
随着科技的发展,从1978年开始,采用了电阻式温度传感器,采样器,模数转换器,报警器等组成的工厂车间环境监测系统出现,他可对各生产车间的各个测温点进行巡回监测,监测速度,精度大大提高,降低了劳动强度,但由于电阻传感器的灵敏度低,致使监测精度,系统可靠性还不够理想。
至1990年,工厂车间的温湿度监测有了很大
的改善和提高,系统在布线上采用矩阵式布线技术,简化了数据采集部分的线路,从而减少了传输线根数;
现如今采用单片机进行数据处理,并采用各种手段提高数据传输及监测速度,通过软硬件技术的结合,监测精度和可靠性较前有很大提高。
但温度传感器的线性度差,系统的监测精度仍不理想,无法大面积推广。
近年来,随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用,温湿度监测的准确性,稳定性,要求越来越高。
寻找最佳配置和最好的性价比成为工厂车间监测研究的热点。
国外在温湿度监测技术上已经达到了很成熟的地步,高科技数字式传感器广泛应用
于温湿度监测系统。
这种传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技,在一个管芯上集成了半导体温湿度监测芯片,数据信号转换芯片,计算机接口芯片,存储芯片等,除了完成温湿度监测功能外,还可以完成预置范围温度,报警,多路A/D转换,温度补
偿等功能。
由于数字温湿度传感器直接传出数字量,从而解决了温度信号长距离传输问题以及传输过程中干扰和衰减而导致的精度降低等问题。
目前,国内出现了丰富的数字传感器配套产品,如远程控制模块,中继器,按插器,分线器等,技术也比较成熟。
数字传感技术,通信技术,计算机成为当今信息技术的三大基础,计算机监控技术已经成为人们关注的热点。
1.3软件技术的发展
近年来,各种计算机开发平台有了很大的发展,特别是Windows环境下的visualc
++,Java的不断升级,数据库功能增强,能够使用ODBC驱动程序访问各种数据系统,并可使用ADO、DAO等各种应用程序开发接口,操纵数据库中数据,管理数据库、数据库对象与结构,方便地对监测数据进行显示、打印、查询、自动控制等操作,为高性能的测控软件设计提供了基础。
1.4无线通信技术的发展及研究现状
无线通信技术已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用,目前应用广泛的短距离无线通信技术主要有IEEE802、WLAN、蓝牙、ZigBee、NRF2401、微功率短距离无线通信技术等。
与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络相比,短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上,均有很大的不同。
1.4.1IEEE802.11
802.11是个系列标准。
IEEE802.1ib技术标准是无线局域网的国际标准,自发布之日起就得到了广泛的应用,迄今为止仍是应用热点。
该标准工作在2.4GHz的频段上,
采用了补码键控(CCK)调制技术和直接序列调频(DSSS)技术,最大传输速率可达
11Mbit/S,并且可以根据情况的变化,在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s的不同速率之间自动切换,且在2Mbit/s、IMbit/s的速率时与802.11兼容,它从根本上改变了WLAN的设计和应用现状,扩大了WLAN的应用领域。
现在,大多数厂商生产的WLAN产品都基于802.11标准。
802.11a标准与802.11b同年制定,它工作在5GHz频段上,使用OFDM(OrthogonalFrequeneyDivisionMultiplexing)调制技术,支持6、9、12、18、24、36、48和54Mbit/s的传输速率。
802.1lb与802.1la两个标准都存在着各自的优缺点。
802.1lb的优势在于价格低廉,但速率较低(最高11Mbit/s):
而802.1la优势在于传输速率快(最高54Mbit/s)且受干扰少,但价格相对较高。
另外,802.1lb与802.1la工作在不同的频段上,不能工作在同一接入点(AP)的网络里.,因此802.1lb与802.1la互不兼容。
为了解决上述问题,IEEE802.II工作组开始定义新的物理层标准802.1lg。
802.119
标准与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点:
在2.4GHz频段使用正交频分复用(OFDM)调制技术,使数据传输速率提高到20Mbit/s以上:
能够与802.1lb的Wi-Fi系统互相连通,共存于同一AP的网络里,保障了后向兼容性,延长了802.1lb产品的使用
寿命,降低了用户的投资。
1.4.2蓝牙(Bluetooth)技术
蓝牙是由爱立信、东芝、诺基亚、英特尔和国际商用机器公司等公布的一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,开发于上世纪90年代中后期。
它是一种用于短距离的、点对多点的数据和语音传输的射频规范。
开发该技术的目的是以近距离、无线为基础为固定与移动终端建立临时对等连接。
蓝牙的传输距离在1m到10m之间,增加发射
功率或配置专用的放大器后可使传输距离达到1OOm。
目前,蓝牙设备在无线耳机、无线键盘等领域应用较多,但其国内市场的推广仍然十分不够,其最大障碍是成本依然很高,蓝牙模块购买价格昂贵。
143NRF2401
NRF2401(最新版本为NRF2401A,NRF2401AG为无铅工艺版本)是由Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片,工作于2.4GHz〜2.5GHz的全球免申请(ISM)频率。
芯片包括一个完全集成的频率合成器,功率放大器,晶体振荡器和调制器。
发射功率和工作频率等工作参数可以很容易的通过3线SPI端口完成。
极低的电流消耗,在-5dBm的输出功率时仅为10.5mA,在接收模式时仅为18mA。
掉电模式可以很容易的实现低功耗需求。
1.5论文的主要内容
在传统监测的基础上,实现基于Arduino的无线温湿度监测系统。
对于温湿度测量来说,一个最重要的环节就是对环境温度进行补偿,对数据进行误差分析。
另外该系统属于无线通信系统,因此也需要对数据传输的可靠性进行验证。
主要研究内容包括以下几方面:
(1)选用温湿度传感器时,应重点考虑测量精度高,抗干扰能力强,稳定性、信号易于处理、传送,便于多路测量,安装方便,维护简单,环境温度补偿容易的器件。
(2)在硬件设计时,结构要尽量简单实用、易于实现,应尽量使用各种总线技术,以节约系统有限的I/O资源,并使系统电路尽量简单。
同时在硬件电路和软件程序设计时,一定要增加抗干扰措施,提高系统的抗干扰能力,保证系统的稳定性。
(3)软件设计必须要有完善的思路,要充分考虑到各传感器和无线收发器的时序,做到程序简单,调试方便,尽量降低无线数传的误码率。
(4)环境温度和各种随机噪声都会对温湿度数据的测量产生影响,因此需要对环境温度进行补偿和误差修正。
2系统方案的总体设计
在工厂车间中,选取一个参考点,作为此次监测的原型,温湿度是主要的参数,将一个传感器放置在车间的任意一个位置,温湿度传感器实际是一个终端设备,用于测量现场的温度和湿度,并将监测的温度湿度值发送到另一块模块上,在终端上显示出监测的温湿度值,以便进行监视管理和采取进一步措施。
温湿度对精密电子产品生产的车间来说尤其重要,否则会产生静电以及水分侵蚀电子产品,导致不良率提高,因此,必须要控制在一个相对合适的温湿度范围内。
这就要每个设备在监控的同时必须能够实时更新。
同时该系统由Arduino来完成,实时显示,打印温湿度的值。
该系统设计目标为:
(1)温湿度监测点若干(以实际需求为准);
(2)测温范围:
-30C〜+100C;
(3)测温误差:
<±
0.5;
(4)测温重复误差:
00;
(5)测湿范围:
20-99%RH;
(6)测湿误差:
%RH;
(7)测湿重复误差:
0.5RH;
(8)系统工作环境:
-400〜+85020〜,20〜99%RH,AC220±
15%.
分机
图2.1设计框图
整个系统从结构上可分为两层:
由微型计算机系统构成上位机用户监控层,Arduino
系统构成主控机控制层和分机测量层。
主控机与分机采用主从式分布结构,通过无线通信方式进行通信。
2.1系统方案的确定
本监测系统采用近几年来成熟的各种温湿度传感技术、无线通信技术、数据处理控制技术和功能化模块来构造基本的系统功能。
总的设计思路是:
从车间入手,根据车间布局,选择合适的传感器、温度测量模块、通讯端口、电缆、上位机等,根据车间的规格,确定检测点设置几层、每层多少个检测点等,以决定选取电缆的长度、每根电缆上传感器的个数,通讯端口、温度检测模块需要的数量,上位机的规格等,实现一个车间温湿度的自动检测。
因此,系统的总体结构可以构想为温湿度采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块等几大部分。
系统方案在温湿度数据采集部分主要有三种构想:
一是温湿度传感器选用传统的模拟式器件,二是选用集成式器件,三是选用数字式传感器;
在无线通信部分主要有三种构想:
一是采用蓝牙技术,二是采用红外线技术,三是选用无线数传模块(NRF):
在
系统控制和数据处理部分也有两种构想:
一是采用Arduino平台作为控制系统,二是采
用DSP进行处理。
2.1.1传感器方案
实际使用的传感器主要分为模拟式传感器与数字式传感器。
传统的模拟式传感器具
有测量转换速度快,温度测量范围宽的优点。
但是模拟传感器的模拟信号处理过程复杂,且模拟信号在传输过程中,容易受到电磁干扰而导致误差产生。
在多点温湿度检测的场合,各被测点到测试装置之间引线距离往往不同,各敏感元件参数的不一致性,都将会导致误差的产生,并且难以完全清除。
另外,模数转换系统的精度也不可能很高,存在一定非线性,互换性较差。
采用具有直接数字量输出的传感器能够避免上述问题。
数字式传感器能把被测模拟
量直接换成数字量输出,可以直接与数字设备(计算机、数字显示系统等)相联,用DSP或计算机进行信号的处理。
它的信号具有极高的抗干扰能力。
数字式传感器具有高的测量精度和分辨率,稳定性好,信号易于处理、传送和自动控制,便于动态及多路测量,读数直观,安装方便,维护简单,工作可靠性高。
虽然存在反应速度较慢,温度测量的范围不宽的缺点,数字式传感器技术的发展仍受到人们越来越多的重视。
考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况,确定温湿度传感器采用集
成一体的数字式的。
2.1.2系统控制及数据处理模块方案
温湿度数据在采集后通常要进行数据处理,以实现测量数据的记录、显示和对测控系统的控制。
对于一般的工业测量与控制,多采用专用计算机系统进行测控。
专用计算机系统是把采集系统作为一个独立完整的功能实体,用Arduino或DSP来控制整个系统。
最主要的特征是系统软、硬件规模完全根据应用系统的要求配置,独立性、可扩展性好,
因此系统具有较高的性价比。
根据微处理器的不同,专用计算机应用系统可分为DSP
应用系统和单片机应用系统。
DSP和单片机都是构成专用计算机系统的核心芯片,DSP主要用于复杂的数字信号
处理,DSP芯片中具有各种特殊功能的计算模块,采用流水线结构,提高了DSP的运行速度。
由于DSP主要应用于高速数据处理,因此外部I/O接口比较少,不便于系统扩展,因此多数DSP系统还要通过单片机来进行外部接口扩展,这导致了DSP的成本较
高,另外,DSP具有一定的专用性,开发过程比较复杂,不便于通用。
而本系统采用的Arduino平台作为温湿度数据的处理和系统的控制。
要了解Arduino就先要了解什么是单片机,Arduino平台的基础就是AVR指令集的单片机。
Arduino是一个能够用来感应和控制现实物理世界的一套工具。
它由一个基于单片机并且开放源
码的硬件平台,和一套为Arduino板编写程序的开发环境组成。
Arduino可以用来开发交互产品,比如它可以读取大量的开关和传感器信号,并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。
Arduino项目可以是单独的,也可以在运行时和你电脑中运行的程序(例如:
Flash,ProcessingMaxMSP)进行通讯。
Arduino板你可以选择自己去手动组装或是购买已经组装好的;
Arduino开源的IDE可以免费下载得到。
Arduino的编程语言就像似在对一个类似于物理的计算平台进行相应的连线,它基于处理多媒体的编
程环境。
为什么要使用Arduino?
有很多的单片机和Arduino平台都适合用做交互式系统的设
计。
例如:
ParallaxBasicStampNetmedia'
sIB-24,Phidgets,MIT'
sHandyboard和其
它等等提供类似功能的。
所有这些工具,你都不需要去关心Arduino编程繁琐的细节,
提供给你的是一套容易使用的工具包。
Arduino同样也简化了单片机工作的流程,但同
其它系统相比Arduino在很多地方更具有优越性,特别适合老师,学生使用。
成本低廉,和其它平台相比,Arduino板算是相当便宜了。
最便宜的Arduino版本可以自己动手制作,即使是组装好的成品,其价格也不会超过200元。
跨平台—Arduino软件可以运
行在Wi
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 Arduino 无线 温湿度 测控 系统 设计 毕业设计