基于单片机的无线温湿度控制系统__开题报告.doc

中 北 大 学
毕业设计开题报告

学 生 姓 名：
xxx
学 号：
xxxxxxxx
学 院、系：
信息与通信工程系
专 业：
电子信息科学与技术
设 计 题 目：
基于单片机的温湿度无线控制系统

指导教师:
xxx

2xxx 年 3 月 15 日

开题报告填写要求

1．开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计工作前期完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；
2．开题报告容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB7714—87《文后参考文献著录规则》的要求书写，不能有随意性；
4．学生的“学号”要写全号（如02011401X02），不能只写最后2位或1位数字；
5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；
6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。

毕 业 设 计 开 题 报 告
1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：
文 献 综 述
一、课题研究背景和意义
温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。在整个宇宙当中，温度无处不存在。湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。湿度表示气体中的水蒸汽含量,有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米，绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。
温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。随着生产的发展，一个低成本和具有较高精度的温度湿度测量仪在许多领域会代替人工操作，环境温湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。
无线数据采集特别适用于复杂地形条件、高腐蚀性、建筑群、爆炸等场合，或者被采集对象是运动、旋转等情况。随着数字电路和射频电路制作工艺、低功耗电路、高能电池、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。
无线传输越来越多的被应用在工业及民用的数据采集上，解决了一些布线复杂、甚至无法布线的情况。无线方式具有如下几个显著的特点：传输介质采用的是电磁波，节省了架设电缆的所需的占地和各种花费及其给其他建筑的建设带来的不便，应用起来更加方便；在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制；具有电路简单、功耗小、体积小、成本低等优点，非常便于使用；设计设施都很简便适合更换场合反复利用。
二、国外的研究现状
1 温湿度传感器
集成温度传感器是目前应用围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。其种类很多，大致可分为以下5类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度控制器3、智能温度传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用的智能温度控制器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等[1]。
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625℃。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规化，所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线[2]。
湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。现在国市场上出现了不少国外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。
目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。其测量围是（1%~99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化围是163pF~202pF。温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性[3-4]。
这些产品可分成以下三种类型：
(1)线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有 HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。
(2)线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
(3)频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值[5]。
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、 SHT15型智能化温度/湿度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对湿度的围是0~100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的围是-40℃~ 123.8℃，精度为0.01℃。测量露点的精度[6-7]。
2 无线通信技术
随着网络和通信技术的迅速发展，无处不在的网络终端、以人为本、个性化、智能化的移动计算以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新的产品，已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域。
随着而来的便携式终端以及无线通信技术得到了极大的发展并在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的无线通信技术主要有GSM＼CDMA＼GPRS、IEEE802．1 1wLAN、蓝牙、IrDA、Home．RF、ZigBee、UWB、微功率短距离无线通信技术等[8-9]。
IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；IEEE 802．1lx无线局域网技术基于计算机网络技术发展而来，是专门针对计算机网络通讯而设计的无线通讯技术，其有效传输距离为50米，经常应用于企业学校等场所；蓝牙技术专门为近距离无线数据传输而设计，其有效传输距离为10米，传输速率为IOM。从蓝牙技术正式公布到现在，一直没有得到预期的大围的应用，是因为其芯片以及开发设备价格相对高；基于GSM＼CDMA、GPRS无线通讯网络的数据传输技术是近几年发展起来的一种新型的无线数据传输技术，该技术依托于GSM、CDMA＼GPRS无线通讯网络进行无线数据传输[10-12]。
以上列出了五种常用的无线通信方式，这些通信方式各有优点，各有不同的适用围，本设计基于嵌入式射频无线收发一体型芯片的无线数据传输技术是近几年发展起来的一种无线数据传输技术，其核心技术是嵌入式射频无线收发一体型芯片技术。嵌入式射频无线收发一体型芯片是国外各大公司近年来推出的一种新型无线传输芯片，该芯片将信号调制、发射、接收、数字电路接口等功能集成在一枚芯片中，具有价格低廉、外围电路简单、体积小巧、通讯可靠性高、抗干扰能力强、传输速率快、低耗节能等诸多优点。基于嵌入式无线射频收发一体型芯片的上述优点，采用嵌入式无线射频收发一体型芯片技术解决低速率无线数据传输问题是比较理想的解决方案。通过无线射频收发一体型芯片与单片机或DSP的结合使用，再在数据传输过程中配合先进的通讯协议数据处理算法实现纠错、校验以及加密等功能，可满足无线数据传输的要求[13-16]。

参考文献：
[1] Low power programmable temperature controller tmp01[Z] Analog Devices, Inc, 2002 .
[2] 沙占友等，智能化集成温度传感器原理与应用[M].机械工业，2002.
[3] 曾省吾,吴春发. 一种无线信号传输与接收系统[Z]. CN1662062: ,2005.
[4] 闫文忠.单片机在农业温湿度控制中的应用研究[J].电脑开发与应用，2007,02
[5] 林敏，于忠德，侯炳涛.HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其应用[J].仪表技术与传感器，2005.
[6]SensirionCompany.ApplicationNoteSHT11Humidity&TemperatureSensor[J] .Shenzhen:SUNSTAR,2008.
[7]俊峰．无线收发芯片比较与选择权[J].今日电子，2008.
[8] 平,彦. 基于蓝牙技术的信号无线传输及遥测技术的实现方法[J]. 理工大学学报(自然科学版),2004,(1).
[9] Nordic VLSI ASA．Single chip 433／868／9 1 5MHz Transceiver nRF905[J]．Product Datasheet，2004
[10] 默晗,北,王天亮. 无线信号传输装置[Z]. CN201514694U: ,2010.
[11]建军.吴太虎 基于无线通信技术的远程温湿度数据采集[J] ，2009
[12] 朱旭光，建辉.农业大棚的温湿度控制系统[J].自动化技术与应用，2010,2
[13] 富刚,郎德荣. 温湿度闭环控制实验设备的开发与研制[J]航空工业学院学报, 2009,(02).
[14]V. Yu. Teplov,A. V. Anisimov. Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier Effect[J] ,2002
[15] Yeager Brent.How to troubleshoot your electronic scale[J].Powder and Bulk Engineering,2005
[16]Meehan Joanne,Muir Lindsey.SCM in Merseyside SMEs:Benefits and barriers[J]. TQM Journal,2008
[17] 娜，刚，于珍珠等.基于51单片机的温度测量系统[J]. 微计算机信息，2007，1-2：146-148
[18] 建民.单片机在温度控制系统中的应用[J].江汉大学学报，2006
[19]立东,雪.Protel原理图与PCB设计[M]. 邮电大学，2010
[20] 沙占友.单片机外围电路设计[M]. 电子工业，2009

毕 业 设 计 开 题 报 告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
一、要研究解决的问题：
本课题主要研究温湿度无线控制系统， SHT11是具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，可以实现温湿度数据采集，在综合分析无线数据采集方式的基础上，结合实际，考虑到解决问题的可行性，确定了以无线射频收发于一体的nRF905无线数据采集模块的解决方案。显示采用LCD显示信息、128*64液晶显示。对电路原理图仿真，完成了系统PCB板图的绘制，写出与硬件相对应的程序代码。从而完成任务书的要求。
二、拟采用的研究手段
1.系统总体设计框图
本设计实现的是单片机温湿度测量与无线控制系统，通过LCD显示所测量的温湿度。系统采用集温湿度传感器与A/D转换器为一体的SHT11芯片，通过单片机处理进行显示，其它模块包括了时间产生电路、nRF905射频收发电路和超限报警处理电路，对所测量的值进行显示、无线收发和报警处理。
DS1302
SHT11

AT89S52

(1)
超限模块
晶振 复位电源电路

AT89S52

(2)
发

送
接

收
LCD信息显示
128*64液晶显示
nRF905

图1 系统总体设计框图
2.发送、接收部分具体设计框图
发送部分：SHT11作用温湿度采集数据；DS1302作用能LCD上显示仿真的时间；晶振、复位、电源电路作用为AT89S52提供工作时钟频率、抗对外干扰、提供电源；超限模块作用报警并进行相应的温湿度控制；nRF905作用无线发送数据。
DS1302
SHT11

AT89S52

(1)

晶振
复位
电源电路
超限模块
nRF905发送

图2 发送部分具体设计框图
接收部分：nRF905作用无线接收数据；LCD作用显示仿真的时间、温湿度数据；晶振、复位、电源电路作用为AT89S52提供工作时钟频率、抗对外干扰、提供电源；128*64液晶显示作用显示温湿度的信息。
晶振
复位
电源电路
nRF905接收

AT89S52

(2)
LCD信号显示
128*64液晶显示

图3 接收部分具体设计框图
3.硬件设计
对无线数据采集电路进行了总体规划，设计了采集节点和接收节点的结构。从实际需要出发，并从性能、难易等因素考虑，对主要元器件进行了选型，微处理器采用AT89S52，温湿度传感器采用SHT11，射频芯片采用Nordic公司的nRF905，显示采用LCD1604，128*64液晶显示，超限模块，报警并进行相应的温湿度控制，进而完成了发射接收部分硬件设计。根据单片机、无线射频芯片等的电流适用情况，完成了直流电源供电部分设计，对设计的电路完成了硬件仿真。用Protel99SE软件绘制温湿度无线控制系统的原理图，并画出与其对应的PCB板图。
4.软件设计
用Multism10、Proteus、KeilC51等软件，对电路原理图仿真分析，满足任务指标的要求，写出与硬件相对应的程序代码。对于本系统的软件编程时，采用模块化的设计思想，系统中各主要功能模块，都编成独立的函数被主程序调用，主要的程序模块由以下几个组成：初始化程序，温湿度采集及处理程序，液晶显示程序，无线收发程序，信息显示程序，超限处理程序。系统的软件主要是采用C语言，对单片机进行控制，实现了相应的功能。
毕 业 设 计 开 题 报 告
指导教师意见：

该生通过仔细查阅资料文献，了解了该系统的国外现状，熟悉了单片机的温湿度无线控制系统的主要结构以及设计思路，并且设计出总体的框图；了解了各个模块的具体功能，并且对所使用的芯片进行了学习；能够熟练掌握protel99、Proteus、Keil等软件的使用，通过以上大量的准备工作，为毕业设计的完成提供了保障，认为能够较好完成后续的毕业设计相关工作，同意开题。

指导教师：
年月日
所在系审查意见：
同意开题

系主任：
年 月 日

15 / 16