家庭智能湿度控制系统

1、 仲恺农业工程学院课程设计报告家庭智能湿度控制系统课程名称：计算机系统开发综合训练院（系）：信息科学与技术学院专业班级：计算机123班学号：姓名：指导老师：顾春琴承诺书郑重声明：本人所呈交的课程设计是本人在导师指导下独立撰写并完成的，课程设计没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为。本课程设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，如果引用则标识出了出处。对本课程设计的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。课程设计与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。特此声明。签名：年月日TOC o 1-5 h z一、需求分析4 HYPERLINK l bookma

2、rk18 二、系统设计5湿度采集系统5 HYPERLINK l bookmark28 LED键盘模组7无线通讯模块72.2.1湿度采集系统软件112.2.2阀门比较程序15无线通讯模块软件16 HYPERLINK l bookmark54 三、设备选型20 HYPERLINK l bookmark56 四、总结22需求分析温度是影响人们日常生活的重要因素。据生理学家研究，夏天，室内相对湿度过大时，会抑制人体散热，使人感到十分闷热、烦躁。冬天，室内相对湿度大时，则会加速热传导，使人觉得阴冷、抑郁。室内相对湿度过低时，因上呼吸道粘膜的水分大量散失，人会感到口干、舌燥，甚至咽喉肿痛、声音嘶哑和鼻出血

3、等，并易患感冒。可见室内的温度和湿度对人们的健康至关重要。另外，动物体由于外部环境温度的升高体温也升高，物质代谢增强，一般活动力亦增高。如果温度继续上升，则出现不安、兴奋状态和躲避行动。中枢神经系统逐渐发生障碍而陷于热昏睡，如果这种状态持续下去则可死亡，每年因为温度过高而死的人很多，如果能够及时的对温度进行控制，那么可以挽救这些人的生命。总体方案的硬件设计：本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、湿度传感器可以产生单片机能够直接采集的信号，其中包括湿度检测、键盘及LED显示、无线通讯、系统软件等部分的设计。（1）信号采集：由红外测温模块和hs1101组成（2）信号分析：由飞思卡尔最小系统

4、组成（3）信号处理：由按键和LED显示，无线通讯模块组成该系统可通过可通过按键设置工作地点的温度阈值范围，由湿度传感器实时采集湿度参数，飞思卡尔最小系统利用特定的功能对信号进行采集，存储和处理。在飞思卡尔单片机内部对信号进行处理后，将湿度的值用LED显示模块进行显示；同时在飞思卡尔单片机中，将采集到的数据和预先设定的阈值范围进行比较，并将比较得出的信号通过无线通讯模块传送至控制端，启动加湿器。二、系统设计2.1.1湿度采集系统测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分

5、别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。传感器特点：图2为湿敏电容工作的温、湿度范围相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由160pF变到200pF,其误差不大于2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/C。可见精度是较高的。主要原理和温度测量电路：HS1100/HS1101电容传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号,常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运方与租蓉组成的桥式振荡电路中,所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种

6、是将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号,可直接被计算机所采集。频率输出的555测量振荡电路如图3-6所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C,构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。另外,R3是防止输出短路的保护电阻，R1用于平衡温度系数。TLC555JX3c5為Ikn576k口守09k|代1图3频率输出的55该振荡电路两个暂稳急态的交替过程如下电，经t充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67VS，此时输路

7、先电源Vs通过R4、R2向C充出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33VS，此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为t充电=C(R4+R2)Ln2(3.2)(3.3)t放电=CR2Ln2因而，输出的方波频率为f=l/(t放电+t充电)=l/C(R4+R2)Ln2(3.4)可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号。LED键盘模组LED键盘模组，它集成了必要的LED、KEY、数码管功能，可与任一款单片机进行软硬件接口设计。主要功能(1)扩展了6位8段数码管，

8、最大显示数据为999999；(2)8个发光二极管，可作为显示状态信息使用；8个按键，可以组成1*8KEY也可组成2*4KEY；一个电位器，可以提供05V的模拟电压信号或者03.3V的模拟电压,与模组输入的VDD有关。键盘LED模组接口简单，可方便与任何一款单片机进行软硬件接口设计。无线通讯模块nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4-2.5GHzISM频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。主要特点：(1)nRF2401是一个具有很高集成度的无线通信芯片，低电压、低功耗采用0.18uCM0S工艺。低成本2.4GHz真正的收

9、发芯片，整个最低成本的收发系统包括所有的感应器和滤波器都集成在一个芯片内，5m至到l0m通讯范围。非常低的最大值发送电流15mA，最大接收电流18mA，电压1.9-3.6V,为了减少电流损耗和成本，nRF2401内嵌多数通信特点。(2)nRF2401能同时接收两个通道数据，例如一个无线鼠标、一个无线键盘。这样消除了增加两个分离的RX调制，因此成本和空间大小都减少了很多。2401也能达到1M/s的传输速率，它使用芯片上FIFO允许微处理器以一个低的速率传输而在RF收发时以很高的速率传输数据。这个特征叫做猝发(shockburst)，它能解决功率消耗大的问题。典型在一个10k/s的持续传输中可减少

10、95%的功率消耗。nRF2401全球开放的2.4GHz频段，125个频道，满足多频及跳频需要。高速率1Mbps,高于蓝牙，具有高数据吞吐量。极少的外围元件，只需一个晶振和一个电阻。发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成。独特设计：芯片内部设置了专门的稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果。每个芯片可以通过软件设置最多40bit地址，只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示)，编程很方便。主要功能：可以进行无线数据发送和接收可以开发无线的电子产品：如无线遥控器、无线麦克、无线耳机、无线的文件传输系统等结构示意图：图4nRF2401A结构图应用时，只需

11、要通过10Pin接口J1直接和单片机的I/O端口相连接即可。如果需要两个通道接收，可以将预留端口J2引出，接到单片机对应的I/O上即可。nRF2401A引脚功能aclsasd口Z)I哲山DCUJCE=VSSDR2VDDCLK2淬严DATA2NRF2401AANT2CSDR1ANTIVDDPA图5nRF2401A功能引脚芯片引脚排列见图，各引脚具体功能如下:VSS_PA、VSS为参考接地端;VDD为电源端，范围1.9V3.6V;VDD_PA为功率放大+1.8V电源输出端;ANT1、ANT2为天线接口端;XC1、XC2为晶振端;IREF为参考电流端，通过22kQ电阻接地;PWR_UP为上电端;CE

12、为工作状态使能端;CS为片选端，控制器通过对nRF2401的PWR2UP、CE和CS引脚状态组合设置，控制nRF2401的工作方式,当状态组合为分别为1、1、0,1、0、1,1、0、0及0,X,x时，芯片分别处于激活、配置、待机及低功耗方式.CLK1、CLK2为通道1、2时钟信号端，由控制器提供，在突发模式下，控制器在时钟上升沿由DATA引脚向nRF2401写入数据，在下降沿从nRF2401的DATA引脚读出数据;DR1、DR2为通道1、2接收数据就绪信号端；DATA、DOUT为通道1、2数据端，控制器与nRF2401由CLK、DR和DATA组成的三线接口交换传输的数据，通道1可接收和发送数据

13、,通道2只能接收数据。nRF2401的DuoCeiverTM技术为RX提供了两个独立的专用数字信道，因而可代替两个单独接收系统。nRF2401A及其外围电路nRF2401A及其外围电路包括nRF2401A芯片部分、稳压部分、晶振部分、天线部分。电压VDD经电容C1、C2、C3处理后为芯片提供工作电压；晶振部分包括Y1、C9、C10，晶振Y1允许值为：4MHz、8MHz、12MHz、16MHz，如果需要1Mbps的通信速率，则必须选择16MHz晶振。天线部分包括电感L1、L2,用来将nRF2401A芯片ANT1、ANT2管脚产生的2.4G电平信号转换为电磁波信号，或者将电磁波信号转换为电平信号输

14、入芯片的ANT1、ANT2管脚。图6nRF2401A外围电路接口电路为方便与单片机的连接，模组提供了两个接口JI、J2,其中J1为nRF2401A的控制端口和通道1的收发通道，J2为预留端口，是通道2的接收通道。J1接口为10Pin的插孔，J2预留，如果需要采用双通道接收时，可以将J2对应的3根信号线引出，接到单片机的I/O上即可。2401A管脚作用描述PWR_UPnRF2401A芯片上电CEnRF2401A使能CSnRF2401A片选DR1通道1数据请求CLK1通道1时钟DATA1通道1数据DR2通道2数据请求CLK2通道2时钟DATA2通道2数据表对应的I/O连接和功能描述总体软件的设计方

15、案系统软件包括一下几个部分：(1)湿度采集系统软件，湿度传感器hsllOl是一种电容式传感器，环境湿度不同，传感器的电容值也会变化。通过555振荡电路，可以把电容信号转换成单片机能够直接采集的频率信号。利用单片机的实时中断和脉冲计数可以实现对频率信号的检测，并加以分析、处理和计算出当前环境的湿度值。(2)按键扫描软件，通过按键，可以转换当前的显示模式，也可以通过按键，设置湿度的上下限值。(3)显示软件，可以显示当前的湿度值，也可以显示事前设置的温湿度上、下限制。(4)比较软件，通过此程序，把当前的温湿度值跟事前设置的上、下限值进行比较，不同的结果会得出不同的控制器信号。无线通讯初始化，对nRF

16、2401A的初始化包括nRF2401A上电和向nRF2401A写控制字。发送端发送程序，将比较程序得出的控制器信号发送给无线通讯的接收端。(7)接收端接收程序，将发送端发出的信号进行接收，并将控制信号输出给控制器。2.2.1湿度采集系统软件湿度采集系统把电容信号转换成单片机可以直接采集的频率信号。飞思卡尔最小系统可以利用实时中断和脉冲计数达到单位时间内对脉冲计数的功能。程序流程图实时中断实时中断RTI用来产生固定周期的硬件中断。CRG中断寄存器CRGINT的RTI中断使能位RTIE=1，实时中断RTI激活，中断周期通过RTI控制寄存器RTICTL设置实时中断一旦发生，RTIF位置1,同时，一个

17、新的时钟中断周期开始计数。脉冲累加器S12有4个8位脉冲累加器（PAI）,它们可以通过级联形成2个16位的脉冲累加器。4个8位脉冲累加器的对应8位保持寄存器与4个缓冲IC相关联。脉冲累加器的工作时钟基于定时器，但也可以设定成独立工作方式。S12的每个脉冲累加器可以用来记录输入引脚上发生的有效边沿事件的数量。通过寄存器ICSYS中的PACMX控制位，可防止8位脉冲累加器的计数值超过255个($ff).脉冲累加器有两种运行模式：锁存模式和队列模式。(1)锁存模式：是当模数递减计数器回到0或写$0000到模数计数器或强制锁存控制位ICLAT置位时，脉冲累加器的值将转移到相应的保持寄存器，同时脉冲累加

18、器被清空。(2)队列模式：是指当队列模式使能时，只有读取输入捕捉保持寄存器时才将脉冲累加器的值转移到相应的保持寄存器，同时脉冲累加器被清空。程序voidCRGInit(void)SYNR=31;/32MREFDV=15;CRGINT_LOCKIE=1;/使能锁相环稳定中断while(!CRGFLG_LOCK);/等待系统时钟稳定CLKSEL_PLLSEL=0 x01;/选择PLL时钟作为系统时钟RTICTL=0 x4A;/初始化实时时钟CRGINT=0 x80;/使能实时中断voidVready(void)TIOS=0 x0;TSCR1=0X80;TSCR2=0X05;TCTL4=0X37;T

19、IE=0X07;TFLG1=0X07;DLYCT=0X01;PACTL=0X54;interruptvoidReal_Time_Interrupt(void)CRGFLG=0 x80;/清实时中断标志位nv=PACN32;PACN32=0;dss=nv/10;dsg=nv-dss*10;联调利用飞思卡尔最小系统的实时中断和脉冲累加器实现对湿度传感器频率信号的采集，在调试过程中，由于设置的系统时钟频率过大，导致单位时间内的脉冲数超出了255这个上限。最后经过长时间的调试，对采集的频率进行计算得出当前湿度值，并显示。2.2.2LED键盘模组凌阳LED键盘模组共有8个独立按键，6位共阴极数码管。我的

20、设计需要一个按键来切换显示模式，一个按键来启动测温程序，还有4个按键用来设定温湿度上、下限制。结合按键，可以用4位数码管分别显示当前温湿度，预先设定的温湿度上、下值。从0至2之间循环，ms等于0时显示当前的温湿度值，ms等于1时显示温度的上下限值，ms等于2时显示湿度的上下限值；最后扫描KEY3、KEY4、KEY5、KEY6,KEY3每按下一次，温湿度的上限值加1,KEY4每按下一次，温湿度的上限值减去1，KEY5每按下一次，温湿度的下线值加1，KEY6每按下一次，温湿度的下线值减去1。voidkeyscan(void)switch(ms)case0:keyscan1();break;case

21、1:keyscan1();keyscan2();wq=q;wb=b;ws=s;wg=g;break;case2:keyscan1();keyscan3();sq=q1;sb=b1;ss=s1;sg=g1;break;default:break;voidDisplay(void)switch(ms)case0:display(dwq,dwb,dss,dsg);break;case1:display(wq,wb,ws,wg);break;case2:display(sq,sb,ss,sg);break;default:break;联调在检查硬件电路后，找出有损坏的按键和其他不能正常工作的硬件电路，

22、进行修改。在此基础上，编写软件程序，一步步实现设计要求的功能。首先是显示功能，给出一个数字，让数码管显示，从1到9都能正常的显示。再是按键功能，按一次键能让显示的数字加1或减1。刚开始因为没有加“等待”，所以有时按键长了会导致数字连加或连减。最后经过长时间的调试，能够实现模式的切换，设定上、下限值，能够显示当前的温湿度值和预先设定的温湿度上、下限值。2.2.2阀门比较程序湿度采集系统实现了对当前环境湿度值的测量，接下来通过与预先设定的温湿度上、下限值进行比较。当前温度超过了预先设定的上限，则发出降温的信号；当前温度低于预先设定的下限，则发出加热的信号。当前湿度超过了预先设定的上限，则发出除湿的

23、信号；当前湿度低于预先设定的下限，则发出加湿的信号。最终将当前的温湿度值保持在阈值范围之内。voidcompare(void)WG=q*10+b;WD=s*10+g;SG=q1*10+b1;SD=s1*10+g1;dw=dwq*10+dwb;ds=dss*10+dsg;if(dwWG)if(dsSG)Compare=0 x24;elseif(dsSD)Compare=0X21;elseCompare=0 x22;elseif(dwSG)Compare=0 x0C;elseif(dsSG)Compare=0 x14;elseif(dsSD)Compare=0X11;elseCompare=0 x

24、12;2.2.3无线通讯模块软件无线通讯有两块，一端为发射端，一端为接收端。无线通讯模块需要写入控制字，设定他的收发模式，数据地址，波特率等，才能正常工作，实现所需的功能。nRF2401A初始化对nRF2401A的初始化包括nRF2401A上电和向nRF2401A写控制字。nRF2401A上电是将芯片的PWR_UP管脚设置为高电平，上电以后才可以对nRF2401A进行控制和读写操作。初始化时需要注意：1、并不是18个Byte的命令字全部需要写入，通常我们只需要写后15个Byte即可。2、15个Byte的命令字在nRF2401.C文件中通过InitData15定义，用户需根据自己的通信格式对之进

25、行修改。3、bit15bitO可以根据需要反复修改，但是bit144bit16只有上电后的第一次初始化有效。发送数据时序图PWR_UPCSCE_JTAnocmmooocccmoonMSBLSB图9发送数据数据图发送数据格式图10发送数据格式AnAO为接收机地址，不超过40位，通过更换地址，可以向多个nRF2401A模块发送数据；DkD0为待发送的数据。以上数据由单片机发送到nRF2401A之后，nRF2401A将会进行打包并发射，打包后的数据格式为：PreAddressDataCRC图11打包后数据格式其中Pre为8位的校验头，CRC为8位或16位的校验尾，在ShockBurst模式下由nRF

26、2401A自动添加。l8需要注意的地方：(1)Address、Data、CRC的位数之和不超过256；Address长度必须和目标接接收通道的地址一致(数据和长度)；Data长度必须和目标接接收通道的接收数据宽度一致。发射端和接收端的RF频率须一致，如两端均采用通道1,则二者控制字的bit7bitl致，如接收端采用通道2,则发射端bit7bitl值比接收端bit7bitl值大8。发送程序voidnRF240l_SendByte(uintTxData)uinti;CE=l;for(i=0;iAddrByteCnt;i+)nRF240l_WriteByte(AddrBufferi);nRF240l_WriteByte(TxData);CE=0;DATA=0;Delay_Us(l0);接收程序流程图图12接收流程图 接收数据时序图PWRJJPCSCEDR1/2|_grLrLrLrLrLrLrLTLrLrLdata/OOOOOOOOOOxMSBLSB图