ApplicationAndHardwareImplementationOfIntelligentTemperatureControllerInSmartHome

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1、浙江工业大学本科毕业设计论文0本科毕业设计论文题目：智能温控器在智能家居中的应用及 硬件实现 Application And Hardware Implementation Of Intelligent Temperature Controller InSmart Home作者姓名作者姓名 指导教师指导教师 专业班级专业班级 综合自动化综合自动化 学学 院院 信息工程学院信息工程学院 提交日期提交日期 2015 年 2 月 18 日浙江工业大学本科毕业设计论文1智能温控器在智能家居中的运用及硬件实现智能温控器在智能家居中的运用及硬件实现摘摘 要要 温湿度对人们来说是一个非常重要的物理参数，它表

2、征物体的冷热程度。与人类生活、工农业生产和科学研究之间的关系密切，许多生产过程和科学研究都会有温湿度测量或检测的相关要求。控制温湿度对人类具有极其重要的现实意义。与此同时，智能家居作为家庭信息化的实现方式，已成为社会信息化发展的重要组成部分。相对于普通家居，智能家居可以更多地提供全方位人机间的信息交互功能，甚至还能节能环保，节省各种资源。通过对温控器市场的调研，我们得知该项目的应用以及市场都非常广泛，竞争激烈。本文设计了一种简单低功耗并配有无线传输功能的温湿度采集系统。主要介绍了该系统配合四旋翼飞行器，通过飞行器在空中的航行轨迹，记录下飞行器在飞行过程中周围环境的温湿度，并把实时数据通过蓝牙无

3、线技术传输到电脑端。本文详细阐述了该系统的硬件设计，包括单片机、温湿传感器、无线收发传输模块、电源模块的选取等。实现了低功耗，低成本，体积小（可以安装在小型四旋翼飞行器上），工作稳定等诸多优点。关键词关键词：单片机，蓝牙，温控器，温湿度传感器，数据采集浙江工业大学本科毕业设计论文2APPLICATION AND HARD IMPLEMENATION OF INTELLIGENT TEMPERATURE CONTROLLER IN SMART HOMEABSTRACTTemperature is very important for people, which is used to measur

4、e the hot or cold of objects. It is strongly related with human life, industrial and agricultural production, and scientific research.Many production processes and scientific research require measurements of temperature and humidity. Temperature control has practical significance for humanity. At th

5、e same time, smart home, as the implementation of information technology to a family, has become an important part of the development of information society. Compared with the ordinary way, smart home can provide more comprehensive information interactivity between human and machines, and can also h

6、elp to save energy and protect the environment, so as to decrease the cost of different aspects.We did a survey for the market of temperature controller, and found that the market is quite extensive and full of competition. In this thesis, we design a simple temperature and humidity acquisition syst

7、em with low power consumption and wireless transmission function. We use a four-rotor aircraft to carry the acquisition system. We record the aircraft flight trajectory as well as the temperature and humidity when it is flying, and data is transferred via Bluetooth to the computer. We finish the har

8、dware design for the system, including how to select micro controller, temperature and humidity sensors, wireless transmission module, voltage regulator modules. Our design has several advantages, such as low power consumption, low cost, small size (can be carried by a small four-rotor aircraft), an

9、d stable.Key Words: MCU, Bluetooth, Thermostat, Temperature and humidity sensor, Data Collection浙江工业大学本科毕业设计论文3目目 录录摘摘 要要.1ABSTRACT.2第第 1 章章 绪绪 论论.51.1 什么是温控器.51.2 温控器在智能家居中的应用.51.3 温控器项目研究意义及发展背景.61.4 本论文主要研究内容和章节安排.8第第 2 章章 F450 四旋翼飞行器系统架构四旋翼飞行器系统架构 .92.1 F450 四旋翼飞行器的基本结构 .92.2 F450 四旋翼飞行器的工作原理 .1

10、02.3 F450 四旋翼飞行器的搭建与调试 .112.4 F450 实地试飞 .132.5 本章总结.14第第 3 章章 温湿度采集系统温湿度采集系统的的硬件硬件设计设计.153.1 温湿度采集系统的各部分硬件选取.153.1.1 STC89C51 单片机.153.1.2 HC-05 主从机一体蓝牙模块 .173.1.3 DHT11 温湿度传感器.183.1.4 LED1602 液晶屏 .193.2 无线温湿度采集系统的硬件设计.213.3 无线温湿度采集系统的硬件连接实物图及说明.233.4 本章总结.23第第 4 章章 基基于于 DHT11 温湿度采集系温湿度采集系统的软件驱动设计统的软

11、件驱动设计.244.1 DHT11 的时序 .244.2 程序设计流程图.254.3 温湿度读取程序（C 语言）.254.4 电脑端串口助手接收测试.284.5 本章总结.29第第 5 章章 温湿度温湿度显示系统显示系统与与 PC 端软件对接测试端软件对接测试.305.1 温湿度显示系统人机软件界面简介.305.2 温湿度采集与显示系统测试.315.2.1 软件界面温湿度数据显示测试.315.2.2 软件界面温湿度曲线绘制测试.31浙江工业大学本科毕业设计论文45.2.3 软件界面 GPS 数据显示测试.325.2.4 软件数据导出生成 Excel 文档测试.335.2.5 上位机软件整体测试

12、结果.335.3 本章总结.34第第 6 章章 论文论文总结总结.356.1 论文工作总结.356.2 论文研究的展望与不足.35参参 考考 文文 献献.36附附 录录 DHT11 传感器性能说明传感器性能说明.38致致 谢谢.39浙江工业大学本科毕业设计论文5第第 1 1 章章 绪绪 论论1.1 什么是温控器温度是一个基本的物理常量，是工业对象的主要被控参数之一1。例如工业中的报警器2、装有温控器的微波炉3等，甚至涂覆装备中也涉及到温控器的运用4。温控器，英文名为 Thermostat，字面上很容易理解，顾名思义就是温度控制器，主要是用来调节温度的装置。例如冰箱上的温控是控制压缩机启动与停止

13、的，设定的温湿度到了，压缩机停转，加热装置上的温控器是控制加热与保温的。或是通过温度保护器将温度传到控制器，通过发出相关的调试命令，从而控制设备的运行以达到人们想要的温度及节能效果，从上述举例中很好容易看出其具有非常广泛的应用范围非常广泛和发展前景，各种不同类型的温控器根据自身种类的特点分别应用在家庭电器、电机类、制冷或制热等众多产品中。目前，市面上很多温控器也包含湿度的测量，因此在后续章节，我们提到的温控器统一指温湿度的测量和控制设备。同时，不仅仅在工业上的应用，在智能家居中，温控器也发挥着很大的作用，尤其是以房屋住宅为平台，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术等与家居生活有关的

14、各种 IT 技术，和温控器有机地结合在一起，建造出一种强大的智能房屋温湿度控制综合管理系统5。这种方法将改变整个房屋的安全和舒适性能，使我们的生活更加方便轻松，而且还能起到节能减排的环保作用。1.2 温控器在智能家居中的应用智能家居是计算机技术、自动控制技术、网络通信技术三大系统向传统楼宇、建筑、房屋等渗透的产物，与物联网技术之间有着紧密的联系。想象一下，在人们刚刚回到家里的时候，大门锁被开启之后，房屋中的智能安防系统自动解除原先设定的室内警戒状态，走廊里的灯慢慢地开启，室内温控系统自动启动，自己常听的流行音乐在耳边轻轻响起。只要身在屋中，控制家中所有的电器仅仅一个遥控器就够了。到了晚上的时候

15、，所有的窗帘都会按照设定好的时间自动关闭。入睡前，床头边的面板上，只要一个按钮就可以通过声音控制室内所有需要关闭的灯光和电器设备，同时安防系统自动开启警戒模式。智能家居作为家庭信息化的实现方式，已成为社会信息化发展的重要组成部分6。浙江工业大学本科毕业设计论文6相对于普通家居，智能家居可以更多地提供全方位的人机信息交互功能，甚至还能节能环保，从而节省开支。智能家居的概念很早就已经被提出，只是那时还没出现一个实际存在的案例。直到 1984 年美国的联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化的概念应用在了美国康涅狄格州哈特佛市的

16、City Place Building 时，才出现了世界第一栋“智能型建筑”，才出现了世界第一栋“智能型建筑”，从此开启了人们争相建造智能家居房屋的时代7。1.3 温控器项目研究意义及发展背景智能家居从起源至今已有三十多年的历史。目前，美国已经拥有全球最高端的智能化房屋住宅区，其占地约 3359 公顷，其中大约有 8000 栋小别墅。此外，在欧州、日本等地区，智能家居也已开始稳步发展。温湿度对人们来说是一个非常重要的物理参数，它表征物体的冷热和潮湿程度。它与人类生活、工农业生产和科学研究之间的关系相当紧密，几乎所有的生产过程和科学研究都会有温湿度检测的相关要求8。控制温湿度也对人类具有极其重要

17、的现实意义。以前很多都是人为进行温湿度控制，这样不仅浪费人力，同时还增加了很多不稳定性9。温湿度控制涉及大到工业设备小到人们正常生活中的家用电器等方方面面。 那么很显然，温湿度的控制在智能家居中的应用也占据着非常重要的地位。随着智能家居的成果在整个世界上的日渐兴起，智能家居在上个世纪末就已经悄然走进了中国人的生活照中。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，提供全方位的信息交互功能，甚至为各种能源费用节约资金。文献10中详细介绍了物联网在智能家居中的发展。结合前两段不难看出，智能温湿度控制系统已经在智能家居中占据了很重要的地位。尤其是物联网系统

18、、远程监控等将唱主角。近年来随着新的温控器企业的不断涌入，各企业都在承受着成本不断攀升，产品利润日益微薄的压力。使温控器中小企业扎堆，竞争激烈，透支市场。再加上国内劳动力成本的上升，原材料价格的上涨，多方作用，种下的苦果是部分竞争力不强的产品几乎进入纯成本竞争阶段。到现在看来，温控器的市场还没有实现统一化，规范划，面对竞争压力，国内众多的温控器打起了价格战，反而忽略了没产品的质量。对比中浙江工业大学本科毕业设计论文7小企业，或者是新进入市场的企业，一些龙头企业在中高端市场优势明显，同时还有更多精力和能力完成技术创新，并拓展到多领域。业内人士预测，强者愈强，弱者被淘汰的局面，在未来 10 年内表

19、现更加激烈11。现如今很多带有温湿度控制产品中，有冷链监测(物联网)系统12、冷链温湿度控制器、温湿度记录仪、冷库电气控制箱、温湿度环境测量仪、空气能热泵控制器、车用空调控制器等，这些都应用于不同领域和处所。控制温湿度的主要目的是解决基于冷链的运行需要，实现对冷链各个环节的温湿度进行精准监控，温湿度异常报警;各种厨房柜、饮料柜、展示柜、医疗柜、冷冻冷藏柜等制冷系统的温湿度控制等。然而对于零距离温湿度的控制是远远不够的，因此在温湿度控制中加入远程监控功能，即无线传输系统是必然的。有一种远程监控是通过通信模块和控制器把互联网和设备连成物联网，并可用于集中监控，无需网络。其特点是提供设备运行控制，预

20、警，报警，记录等功能。通过互联网可以对设备进行实时监测和实时控制，无需再在多个工地奔走劳碌。定时记录运行和操作参数，给维护和性能分析提供数据依据，让任何问题都有证可循。通过手机13和网页两种方式及时发送设备故障信息，极大降低人工运维成本，减少损失和赔偿。无需另外安装软件，只需能上网的计算机或手机，即可乐享远程监控的带给您的便利。因此，文献14中的工业温湿度控制器，完全可以加以改进，添加无线传输系统，并运用到智能家居中。添加相应的报警功能，当某电器或者室温超过原有所规定范围外时可以启动报警器甚至可以远程传输给房子主人的手机或者电脑。实现人们虽然远离房屋，但任然对房屋中的状况一清二楚，方便快捷。使

21、原本静止的家居环境变为可移动的智慧的智能化住宅。再细致化到家庭用于养鱼观赏用的鱼缸中的智能温控调节系统,在文献15中采用的是工业中最常用的 PID 控制算法。通过改进，房屋主人即使不在家中，也可以对家中观赏鱼的周围环境了如指掌，养鱼会变得方便多了。还可以根据不同鱼的习性设置不同的温湿度，并通过移动终端或者互联网随时随地控制。在欧洲绝很多情况的温控器被用于壁挂炉必配件16,17，而且配备的温控器大多是智能型温控器。而在国内，已安装在运行和正在安装调试准备投入使用的壁挂炉近 95%的都有配备各种各样的简易型的或智能型的温湿度控制器。而房间温湿度采集系统中配备的温控器尤其是智能温控器，是节能温湿度采

22、集综合体系中一个极为突出的最重要的环节。浙江工业大学本科毕业设计论文8总结：由以上内容分析，适合国内的温湿度采集系统需要具备的性能有温湿度的采集，无线传输，节能环保，数据的实时收集和分析。本文将着重这几个性能来设计一套完整的无线温湿度采集系统。1.4 本论文主要研究内容和章节安排本论文主要实现基于DHT11传感器的温湿度实时采集的硬件电路设计及软件驱动设计。该温湿度采集系统使用搭载四旋翼飞行器的方式，可以用来动态测量整个楼宇区域的温湿度分布，为整个楼宇或是测量区域提供可靠的温湿度数据，促进楼宇采暖系统的智能化和精准化，论文包括以下六个章节。第一章：绪论该章重点介绍智能温湿度控制器的研究背景与意

23、义、国内外温控器当前的发展情况和具体应用案例，并给出本论文的主要章节安排。第二章：F450四旋翼飞行器系统架构该章主要讲述了飞行器组成结构、飞行原理、飞行测试，搭建样机过程中遇到的问题以及解决方案。第三章：温湿度采集系统的硬件设计该章详细介绍了温湿度采集与显示系统的硬件实现方案、电路设计思想以及各个电子元器件的选择与优点。实现温湿度的采集，数据的包装和发送，基于蓝牙的无线传输，电脑终端接收实时数据等。同时也介绍了硬件实现中所遇到的问题以及解决方案。第四章：基于DHT11 温湿度采集系统的软件驱动设计该章详细说明了DHT11 温湿度采集系统的软件驱动，其中包括DHT11传感器的时序介绍，程序流程

24、图以及基于C语音的温湿度读取程序。 第五章：温湿度显示系统人机软件界面简介该章简单阐述了温湿度采集与显示系统软件部分的设计思想、功能模块以及具体实现过程。基于C#开发语言，设计串口通信程序，实现数据接收、显示、绘图、导出等功能，细化到各个功能模块具体实现方式。第六章：总结总结本论文所做的工作，讨论当前设计的不足和展望后续可能实现的功能。浙江工业大学本科毕业设计论文9浙江工业大学本科毕业设计论文10第第 2 2 章章 F450F450 四旋翼飞行器系统架构四旋翼飞行器系统架构 本文使用四旋翼飞行器为平台，搭载温湿度采集系统，用来更方便地动态测量整个被测量空间的温湿度数值。2.1 F450 四旋翼

25、飞行器的基本结构对于经典的四旋翼飞行器，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，对角的两个旋翼的旋转方向必须一致，处于邻角位置的两个旋翼的旋转方向必须相反（其原因将在2-3中详细介绍）。四个电机对称地安装在飞行器的支架端，支架中间的空间安放飞行控制器和外部设备。结构形式如图2-1所示。图 2-1 F450 四旋翼飞行器结构框图相比较传统直升机而言，F450四旋翼飞行器大大简化了整体机械构造，加强了用户实际操作性能，具有响应快、效率高、速度快等特色，保证F450四轴飞行器实现垂浙江工业大学本科毕业设计论文11直升降、空中悬停、倒飞等固定翼飞

26、行器所无法实现的功能。常用于各类航拍项目如高压电线检测、电视节目拍摄等。图2-2为四旋翼飞行器的遥控器和无线数传。图 2-2 遥控器与无线数传2.2 F450 四旋翼飞行器的工作原理 四旋翼飞行器通过控制四个电机的旋转速度来改变旋翼（螺旋桨）的旋转速度，实现四个旋翼升力的不同变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但由于该飞行器以四个输入力，控制着六个状态输出，所以它又属于欠驱动系统类型。 四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。在图2-1中，电机1和电机3作逆时针旋转

27、，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。 （1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。 （2）俯仰运动：在图2-3（b）中，电机1的转速上升，电机3 的转速下降（改变浙江工业大学本科毕业设计论文12量大小应相等），电机2、电机4的转速保持不变

28、。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。 （3）滚转运动：与图2-3（b）的原理相同，在图2-3（c）中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，

29、四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图2-3（d）中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。 图 2-3 四旋翼飞行器眼各自由度的运动浙江工业大学本科毕业设计论文132.3 F450 四旋翼飞行器的搭建与调试因多旋翼飞行器构造简单，相对直升机调试容易，对飞手基础知识要求大大降低，导致近年航模在拍摄领域的流行。与此同时，因为飞行门槛降低，很多不具备足够经验的新手在安装多旋

30、翼飞行器过程中缺乏相关知识，摔机事故频发。某些调试盲点甚至是已入模多年的模友也难以避免。通常，在组装调试四旋翼无人机的过程中应注意以下几点。首先，螺旋桨要采用正反桨的方式。这主要是由于四旋翼飞行器需要安装4个旋翼，在组装过程中，处于对角的两个旋翼的旋转方向必须一致，处于邻角位置的两个旋翼的旋转方向必须相反，这样可以保证F450四旋翼飞行器实现垂直升降、空中悬停、倒飞等固定翼飞行器所无法实现的功能。其次是电调，电调充当了变压器的作用，将11.1V的电压变为5V为飞控板和接收器供电。电调的品牌有好盈、银燕、新西达、中特威等，电调的做工精确度对飞行有重要影响。然后是电池，一块电池飞行时间大概10-1

31、5分钟（悬停省电，做动作会耗电），属于易耗品。选好所有配件安装完成后（如表2-1四旋翼飞行器配件），飞控接上电也并不是马上可以起飞的，通常需要解锁，这是出于安全考虑的特殊设计。通上电，飞控板上的灯处于关闭状态，可以听到电调发出的滴滴声，这时将油门打到最低（注意油门方向，需要实现确定是设置的向上为最低，还是向下为最低），然后方向舵向右扳到底，飞控板的灯就会亮，电调也不会再继续发声，说明飞行器已准备好起飞。表 2-1 四旋翼飞行器配件配件名称型号数量机架DJI 风火轮 F450 机架1电调好盈 Hobby 铂金 Platinum 30A4机架-高脚架Dji 风火轮 F450 机架-原装脚架6电机S

32、unnysky X2212 KV9804T 插头公母 防滑 T 插10锂电池格式 ACE 2200mAh 3S 11.1V 25C2浙江工业大学本科毕业设计论文14PIXHAWK 飞控PIXHAWK 飞控套餐五1正反螺旋桨APC 10474我们在搭建过程中遇到如下几个问题，针对各个问题查找资料，分别找到了相应的解决方案。第一个遇到的问题是F450四轴飞行器通过USB数据线连接地面站后，GPS无法正常定位。其解决方案是发现学校室内信号较差，拿到空旷的露天场地后完美解决；第二个问题是F450组装完成后在进行陀螺仪校准时，无法校准成功。其解决方案是由于PixHawk飞控内置有GPS，所以进行校准时，

33、可以只选一个GPS，本次课题设计中，我们选用外接GPS模块；第三个问题是F450四轴飞行器解锁后起飞时立即倒向一边，无法正常起飞。我们发现这是由于固件版本不能完美兼容造成的。其解决方案是给PixHawk飞控重新载入最新的固件，从而解决该问题。图2-4 四旋翼无人机搭建过程2.4 F450 实地试飞在实际试飞前，将指南针、陀螺仪进行校准，敏感度调整、电调参数、遥控器一并设置好，先在电脑上进行软件模拟试飞（防止第一次实际试飞出错），熟悉遥控器操作后选择一个空旷地（本次测试在浙工大向日葵花地）进行实地试飞，轻推油门，F450 四旋翼飞行器平稳起飞，并依据遥控器指令完成悬停、定高飞行、升高飞行等操作，

34、并拍下视频，基本完成课题要求。图 2-5 为四旋翼飞行器定点悬停，图 2-6 为浙江工业大学本科毕业设计论文15F450 飞行器静态图。 图 2-5 450 实地试飞定高悬停图 2-6 450 实地试飞静态图2.5 本章总结本章节介绍了 F450 四轴飞行器的基本结构和工作原理，完成了搭建与调试四旋翼飞行器，通过遇到问题、解决问题的方式，加强了自身对四旋翼飞行器具体运作的认浙江工业大学本科毕业设计论文16识，积累了实际经验，增加了动手能力。浙江工业大学本科毕业设计论文17第第 3 3 章章 温湿度采集系统温湿度采集系统的的硬件硬件设计设计3.1 温湿度采集系统的各部分硬件选取该温湿度采集系统既

35、可以使用电池供电，也可以使用固定电源供电，例如在使用USB 接口的情况下可以由电脑供电也可使用手机充电器或是移动电源供电。本无线温湿度采集系统选用了 STC89C51 单片机、HC-05 主从机一体蓝牙模块、DTH11 温湿度传感器、LCM1602 液晶显示屏 4 个主要元器件。这 4 个元器件属于低功耗器件，这样的选取保证了温湿度采集系统在工作时采集到的数据更加精确标准，降低了电池的消耗使四旋翼飞行器的续航能力更久，同时减小了整个系统的体积，使其更易安装在四旋翼飞行器上便于飞行器携带，这样的硬件选取在降低成本的同时提高了性价比18。3.1.1 STC89C51 单片机STC89C51 单片机

36、属于 STC 系列单片机，是美国 STC 公司所推出的新型以 51 为内核的单片机。该单片机采用了 8051 核的 ISP（In System Programming）系统可编程芯片，该芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，充分体现了系统可编程（ISP）特性，通过配合 PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。该单片机内还包含了 FLASH 存储器、UART、SRAM、AD、SPI、PWM 等模块。并且该器件单片机的基本功能和其它型号的 51 单片机完全兼容。它最高工作的时钟频率为 80MHz，片内含有 8K By

37、tes 的可以反复擦写 1000 多次的 Flash 只读程序存储器，这给编程和调试带来极大的便利。STC89C51RC 系列单片机不仅是单时钟机器周期(1T)的兼容 8051 内核单片机，还是高速低功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线精简指令集结构，而且内部集成了MAX810 专用复位电路。STC89C51 引脚图如图 3-1.所示。STC89C51 单片机微控制器系列还具有以下性能特点：无需专用的编辑器即可通过串口(P3.0/P3.1)用 STC 提供的 STC-ISP.exe 软件进行烧录；增强型的 STC89C 系列单片机在进行 ISP 烧录程序时，可以设置为 6 时钟/机器周

38、期(双倍速)或 12 时钟/机器周期工作模式，而且通过设置 6 时钟/机器周期（双倍速），可以将外接晶振频率降低一半，能有效降低对外部电磁辐射（EMI）；STC89C 系列单片机中的 RC 系列单片机浙江工业大学本科毕业设计论文18在原有 8052 共 256 字节 RAM 的基础上，又扩展了 256 字节 RAM，共有 512 字节RAM(000H1FFH)；目前，STC89C51/52/53RC 报价分别为 5.7/6.7/9 元，STC89C54/58/516RD+报价 11/15/17 元，STC89LE54/58/516AD 报价分别为 11/12.5/14元。与市面上类似的芯片相比

39、，有较高的性价比。图 3-1 STC89C51 引脚图初次学习 89c51 单片机时总结的编程注意事项：每次编程时，最好建立单独的文件夹，便于管理和以后运用。步奏为：第一步打开 keil 软件，点击 new project 弹出对话框，写上文件名，点击保存，弹出另一对话框选中 atmel 中 at89c51 点击 OK 然后点击 yes；第二步点击 new file 然后保存（点 save）在弹出对话框中文件名写上 xxx.c 然后保存；第三步在 project 中 target 的 source group 点击鼠标反键点击 add 选中上面保存的文件添加，然后可以编程了；第四步编程完成后，

40、编译运行，无错误后点击 target options 在 output 下选中 creat hex file，然后点 OK，再点击 rebuild，生成 hex 文件。图 3-2 STC89C51 单片机实物浙江工业大学本科毕业设计论文193.1.2 HC-05 主从机一体蓝牙模块HC-05 主从机一体蓝牙模块类型属于串口发送接收模块类型。最大的优点就是它的高性能，只要是带蓝牙功能的智能终端，例如电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等，都可以与其进行配对。该模块兼容 5V 或 3.3V 的电压，因此非常适合与单片机系统的配对，可以很方便与本文设计的温湿度采集系统进行连接，使用起来非常灵活、方便

41、。在空旷地中使用距离为 10 米，工作电压为 3.35V 之间。ATK-HC05 蓝牙模块与单片机系统的典型连接方式如图 3-3 所示：图 3-3 ATK-HC05 模块与单片机系统连接示意图图中实线表示必须连接，虚线则表示可连可不连，这个可以根据具体的需要选择性使用即可。其中图 3-3 中的 RXD、TXD 是 Receive Data ，Transmit Data 的意思， RXD 为接收数据的引脚，一般表示为自己的发送端，正常通信必须接另一个设备的RXD。TXD 为发送数据的引脚，一般表示为自己的接收端，正常通信必须接另一个设备的 TXD。正常通信时本身的 TXD 应该连接设备的 RXD

42、。自收自发：正常通信时RXD 应该接其他设备的 TXD，因此如果要接收自己发送的数据顾名思义，也就是自己接收自己发送的数据，即自身的 TXD 直接连接到 RXD，用来测试本身的发送和接收是否正常，是最快最简单的测试方法，当出现问题时首先做该测试确定是否产品故障，也称回环测试。RXD、TXD 属于 DTE 设备，DTE 是指数据终端设备，典型的 DTE 就是计算机和单片机。RS232 串口标准中的 RXD 和 TXD 都是站在 DTE 立场上的串口通信，使用串口通信协议，即发送时将数据拆分为 8 个字节的二进制 ，一位一位的发送（高低电平）。接收时检测接收线的电平，将接收到的高低电平组合还原，那

43、一个字节就接收到了。相对于 51 单片机串口引脚，高低电平的发送细节不需要我们去定。我们只要允浙江工业大学本科毕业设计论文20许串口通信 ，然后给串口通信缓存寄存器要传的字节就可以。模块上带连接状态指示灯，LED 快闪表示没有蓝牙连接，LED 慢闪表示进入 AT命令模式，双闪表示蓝牙已连接并打开了端口。蓝牙配对成功以后使用方式为全双工串口，单只可支持 8 位数据位、1 位停止位、还可设置奇偶校验的通信格式，这种通信方式也是最常用的一种通信格式，不支持其他格式。体积小巧（3.57cm*1.52cm），工厂贴片生产，保证贴片质量。并套透明热缩管，防尘美观，且有一定的防静电能力。支持从 4800bp

44、s1382400bps 间的标准波特率，可通过 AT 命令切换为主机或者从机模式，可通过 AT 命令连接指定设备。另外要注意的是千万不能将电源接到信号脚上,会直接烧坏模块。输入电压也绝对不能超过 7V。该模块的优点是低功耗、低成本、高性能无线收发系统，自带通讯协议无需另外编写。3.1.3 DHT11 温湿度传感器DHT11 温湿度传感器，具有品质良好、响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用了专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，以确保产品具有极高的可靠性与长期稳定性。每个 DHT11 温湿度传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系

45、数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。模块采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20M 以上，这些优点使其成为各类应用场合的极佳选则。DHT11 温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。该传感器供电电压为 5V，温湿度测量范围为 0-50，湿度范围为 20-90%RH。特别注意的是，在手动焊接时，只能在最高 260的温湿度条件下焊接，且接触时间须少于 10 秒。单片机与 DHT11 之间的通讯采用单总线数据格式传输，单片机发送一次信号后，预

46、示着数据传输的开始。DHT11 将从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11 发送响应信号。对于该温湿传感器的通信协议时序将会在后面章节进行进一步介绍。此外，该温湿传感器有四个引脚，其中一根引脚处于闲置状态。在电路设计时，可以在数据引脚上外加一个 5K 大小的上拉电阻，其作用是传感器在时序浙江工业大学本科毕业设计论文21工作时，数据线引脚电平需由上拉电阻拉高。其上拉电阻电路和封装如图 3-4 所示。图 3-4 DHT11 温湿度传感器简单的应用电路和封装3.1.4 LED1602 液晶屏LCD1602 是很多单片机爱好者较早接触的字符型液晶显示器，它的主控芯片是HD4478

47、0 或者其它兼容芯片。其显示原理是通过不同的电压来改变夹在两块平行板之间液晶显示材料分子的排列状况，使出现遮光和透光的现象来达到深浅不一的目的，形成图像。如果在两块平板间再填充上具有三元色的滤光层，就可以实现显示彩色图像的效果。显示特点：第一，显示质量高，由于 1602LCD 每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，画质高且不会闪烁；第二，数字式接口 1602 液晶屏都是数字式的，和单片机系统的接口操作更加简单可靠，操作更加方便；第三，体积小、重量轻，1602 液晶模块通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示屏要轻得多；第四，功耗低，

48、相对而言，1602 液晶显示屏的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电量比其它显示屏要少得多。1602LCD 主要技术参数：显示容量为 162 个字符，芯片工作电压范围是 4.5V至 5.5V，工作电流为 2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压为 5.0V，字符尺寸大小为2.954.35(WH)mm，液晶屏尺寸大小如图 3-5。浙江工业大学本科毕业设计论文22图 3-5 1602 液晶屏尺寸图LCD1602 的的四种基本操作：1. 读状态：输入 RS=0，RW=1，E=高脉冲。输出：D0D7 为状态字。2. 读数据：输入 RS=1，RW=1，E=高脉冲。输出：D0D7 为数据。

49、3. 写命令：输入 RS=0，RW=0，E=高脉冲。输出：无。4. 写数据：输入 RS=1，RW=0，E=高脉冲。输出：无。一般来说，LCD1602 有 16 条引脚，据说还有 14 条引脚的，与 16 脚的相比缺少了背光电源 A 和地线 K（A 为背光正极，可接一个 1047 欧的限流电阻到 VDD，K背光负极，接 VSS。）。本文使用的这块 LCD1602 的型号是 HJ1602A，是绘晶科技公司的产品，它有 16 条引脚，正面如图 3-6 所示，背面如图 3-7 所示。图 3-6 16 条引脚的 LCD1602 实物图（正面）浙江工业大学本科毕业设计论文23图 3-7 16 条引脚的 L

50、CD1602 实物图（反面）3.2 无线温湿度采集系统的硬件设计本论文设计的无线温湿度采集系统主要是由五个部分组成：51 单片机作为核心微处理器部分、无线蓝牙收发部分、传感器电路部分、液晶屏显示部分、电源部分。当中液晶显示部分模块的增加，增强了了整个系统的功能性和实用性。使本文设计的温湿度采集系统既可以单独将板子拿出来当做温湿度测量工具使用，也可以通过蓝牙无线将数据传输给电脑端进行数据保存、实时监控、数据分析等处理，大大增强了该温湿采集系统的实用性和适应性。该无线温湿度采集系统的各个部分组成框图如图 3-6所示。图 3-8 传感器节点组成框图温湿度传感器 DHT11 仅仅通过单总线与 51 单

51、片机连接就可以进行温湿度测量和传输，该传感器最大的特点前文已经提到，是既可以传输时钟信号又可以传输数据信号19，与传统的传感器跟单片机连接接口的设计相比，不需要进行信号变换，免去了浙江工业大学本科毕业设计论文24A/D 转换、电流电压转换等电路的设计，使得该温湿度采集系统各个环节的硬件设计变得简单。该系统硬件电路设计框图如图 3-7 所示。图 3-7 系统硬件电路设计电路图 如图 3.7，温湿度传感器通过单总线 PIN2 引脚数据端口与单片机 P1.0 引脚端口相连，51 单片机的 P3.0（RXD）引脚与 P3.1（TXD）引脚为串行接口分别与蓝牙收发芯片 HC-05 的 TXD 和 RXD

52、 引脚相连。这里有个特别需要注意的地方，就是单片机的RXD 与蓝牙芯片的 TXD 相连，单片机的 TXD 与蓝牙芯片的 RXD 相连20，如果连接错误虽然不会造成芯片损坏，但将不会有任何数据传出。 液晶屏的 RS 是命令/数据选择引脚，接单片机的 P2.7 引脚。引脚 E 为执行命令的使能引脚，接单片机的 P2.6 引脚。D0D7 为并行数据输入/输出引脚与 51 单片机的P0.0P0.7 相连，并接 10K 的上拉电阻。液晶的 3 脚用一个 2.2K 电阻接地，用来确定液晶亮度，即如果该电阻为可调电阻，则可以调节液晶亮度。本文设计的系统中，液浙江工业大学本科毕业设计论文25晶屏只有读操作，没

53、有写操作，所以液晶屏的 RW 引脚始终接地。 供电部分的设计采用了简单的 DC 插口和自锁开关电路（如图 3-8 右下角部分）。自锁开关电路在电路中起到电源的开关作用，常开的其中一脚接 DC 电源插口电源脚，常开的另一脚接电路的 VCC。3.3 无线温湿度采集系统的硬件连接实物图及说明如图3-8 所示为正在工作的温湿度采集系统，为了方便对整个温湿采集系统进行拓展延伸。HC-05蓝牙模块和LED1602液晶屏均被设设为可拆卸的形式，方便对HC-05蓝牙模块和LED1602液晶屏进行驱动和调试，如果元器件意外损坏，可及时进行更换。图3-8 无线温湿度采集系统硬件实物图图解3.4 本章总结本章根据课

54、题设计要求，完成了所需电器元件的选取，根据具体参数设计出了电路和合理的硬件系统结构框图，焊接出实际硬件电路板。为整个温湿度采集系统搭建浙江工业大学本科毕业设计论文26最基础的硬件实现平台。并为上位机软件界面设计提供基础。浙江工业大学本科毕业设计论文27第第 4 章章 基基于于 DHT11 温湿度采集系温湿度采集系统的软件驱动设计统的软件驱动设计 4.1 DHT11 的时序DHT11的pin2脚总线空闲时状态为高电平，首先初始化51单片机为输出状态，把总线电平拉低然后等待20毫秒（51单片机把总线电平拉低时间必须大于18毫秒，这样是为了保证DHT11能成功检测到起始信号）。再由51单片机将总线电

55、平拉高。51单片机发送拉高开始信号电平结束后，改输出状态为输入状态，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，等待DHT11响应信号是否变为低电平，当变为低电平后，等待80us后响应信号总线由上拉电阻拉高。DHT11拉高80us后开始传输数据如图4-1所示。图4-1 DHT11时序图正如上段所说，总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us，准备传输数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应。请检查线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11

56、拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。DHT11发送响应信号成功后，将一次性送出40bit的数据，高位先出。输出数据顺序为8bit湿度整数数据，8bit湿度小数数据，8bit温度整数数据，8bit温度小数数据，8bit校验和。 浙江工业大学本科毕业设计论文284.2 程序设计流程图根据4-1节所述的传感器时序过程，该通信协议的温湿度读取程序设计流程图如图4-2所示。图 4-2 传感器节点流程图4.3 温湿度读取程序（C 语言）void GET_TRH() /主机拉低18ms TRH=0;浙江工业大学本科毕业设计论文29 delay_ms(18); TRH=1; /DATA总线由

57、上拉电阻拉高 主机延时20us delay_us(); delay_us(); delay_us(); delay_us(); /主机设为输入 判断从机响应信号 TRH=1; /判断DHT11是否有低电平响应信号，如不响应则跳出，响应则向下运行 if(!TRH) respond=2; /判断DHT11发出 80us 的低电平响应信号是否结束 while(!TRH)& respond+); respond=2; /判断从机是否发出 80us 的高电平，如发出则进入数据接收状态 while(TRH & respond+); /数据接收状态 RH_temp = receive(); RL_temp

58、= receive(); TH_temp = receive(); TL_temp = receive(); CK_temp = receive(); TRH=1;/ST=1; /数据校验 untemp=(RH_temp+RL_temp+TH_temp+TL_temp); if(untemp=CK_temp) RH_data = RH_temp;浙江工业大学本科毕业设计论文30 RL_data = RL_temp; TH_data = TH_temp; TL_data = TL_temp; CK_data = CK_temp; /湿度整数部分 shis= (char)(0X30+RH_data

59、/10); /湿度的十位 shig= (char)(0X30+RH_data%10); /湿度的个 /温度整数部分 wens= (char)(0X30+TH_data/10); /温度的十位 weng= (char)(0X30+TH_data%10); /温度的个位 /液晶屏温湿度显示函数 write_com(0 x80+9); write_date(shis); write_date(shig); write_date(%); /湿度符号 write_com(0 x80+0 x40+9); write_date(wens); write_date(weng); write_date(0 xd

60、f);/温度符号 write_date(C); /串口发送温湿度显示函数 SBUF=0X30+RH_data/10; delay(300); /毫秒级延时函数 SBUF=0X30+RH_data%10; delay(300); /毫秒级延时函数 SBUF=R; delay(300); /毫秒级延时函数 SBUF=H; delay(300); /毫秒级延时函数 SBUF=n;浙江工业大学本科毕业设计论文31 delay(300); /毫秒级延时函数 SBUF=0X30+TH_data/10; delay(300); /毫秒级延时函数 SBUF=0X30+TH_data%10; delay(300

61、); /毫秒级延时函数 SBUF=C;/摄氏度 delay(300); /毫秒级延时函数 SBUF=C; delay(300); /毫秒级延时函数 SBUF=n; delay(300); /毫秒级延时函数4.4 电脑端串口助手接收测试本次测试采用的串口助手软件是Serial Port Utility友善串口调试助手。如图4-3所示，电脑端使用USB接口连接蓝牙主机。如图4-4所示，波特率为9600，数据位为8位的串口助手软件的测试效果图（发送“H”为起始信号），发送数据成功。浙江工业大学本科毕业设计论文32图4-3 工作中连接主机端的蓝牙模块图4-4 测试效果图浙江工业大学本科毕业设计论文33

62、4.5 本章总结本章完成了硬件系统中51单片机的软件驱动，详细介绍了DHT11温湿传感器的时序通信协议，以及实现了温湿度的采集及发送到电脑的过程。为接下来的上位机软件界面设计提供基础。浙江工业大学本科毕业设计论文34第第 5 章章 温湿度温湿度显示系统显示系统与与 PCPC 端软件对接测试端软件对接测试5.1 温湿度显示系统人机软件界面简介在人机交互的概念（HCI）中，早在60年代初就提出了图形用户界面的想法（GUI）。而现在正是在这样一个阶段，在我们的每一个日常生活备件中，我们期待一些图形窗口，这将使我们的生活更轻松21。上位机人机软件界面设计开发使用的是C#编程语言，通过软件Visual

63、Studio 2010创建Windows窗体应用程序项目，使用Windows窗体构建工具，合理布置，使界面整洁有序，交互友好。实际搭建窗体界面成品如图5-1所示，整个图形用户界面面板分为四个部分。第一部分是串口设置，可以选择不同的串口和波特率；第二部分是接收数据的显示；第三部分是对实时温湿度曲线的绘制；最后一部分则是控制区。其中主要用到工具、控件有：ComboBox，SerialPort，TextBox，Chart，Button，GroupBox。图5-1 上位机软件界面浙江工业大学本科毕业设计论文35 如图5-1所示，在该软件设计中由于需要分别接收温湿度数据以及GPS数据，所以采用两个Ser

64、ialPort串口，一个接收温湿度数据，一个接受GPS数据。首先通过串口1以一个固定的时间周期来采集单片机所发送过来的温湿度数据，由于DHT11温度传感器输出的是数字信号，所以温湿度数据读取较为简单，数据读取后直接显示在软件文本框中，同时根据接收到的温湿度数据在Chart控件中生成实时温度曲线图，通过“导出温度数据”按钮，导出温度数据，并生成Excel文档。在这里基本实现了实时温度的采集、收集、分析22。通过串口2接收无线数传发送的数据包，根据MAVLink通信协议，编写代码实现GPS信息的识别、读取及保存，将收集到的数据进行进制转换，转换成十进制数将经度、纬度数据整合一起后输出，并显示当下时

65、间。5.2 温湿度采集与显示系统测试5.2.1 软件界面温湿度数据显示测试将温湿度采集与显示系统上、下位机通过无线蓝牙模块进行联机通讯，在电脑界面打开温湿度采集与显示系统软件界面，设置相应的串口选项，选择合适的端口号，打开串口，进行数据读取。将热源（本次实验所用为打火机，具体可根据情况自行选择）靠近及远离温湿度传感器，得到温湿度数据如图 5-2 所示：图 5-2 上位机软件实测温湿度数据5.2.2 软件界面温湿度曲线绘制测试在进行温湿度数据接收的同时，软件会在 Chart 绘图区域自行绘制出温湿度折线图，接收到一个数据就绘制一个点，较为直观的表现了温湿度变化趋势，如图 5-3 所浙江工业大学本

66、科毕业设计论文36示：图 5-3 上位机软件实时温湿度曲线5.2.3 软件界面 GPS 数据显示测试将 F450 四轴飞行器和上位机通过无线数传建立数据传输通道，打开电脑端软件界面，设置相应选项，开启串口，接收数据。图 5-4 为当下 MISSION PLANNER 地面站收集到的 GPS 数据，图 5-5 为上位机软件实际读取到的数据，由图可知，温湿度采集与显示系统上关于 GPS 定位数据读取是较为精确的。图 5-4 MISSION PLANNER 地面站 图 5-5 上位机软件浙江工业大学本科毕业设计论文375.2.4 软件数据导出生成 Excel 文档测试将上几小节测试收集到的温湿度与 GPS 数据导出并生成 Excel 文档，具体内容如图 5-6 所示：图 5-6 GPS 数据导出及 Excel 实际文档内容5.2.5 上位机软件整体测试结果浙江工业大学本科毕业设计论文38图 5-7 上位机软件整体测试结果5.3 本章总结本章主要针对温湿度采集与显示系统硬件部分所设计的，具有较强的针对性，根据课题设计要求，设计了各个功能模块，主要实现了上位机温湿度数据、GPS 数据的读取与显示