基于Arduino无线温湿度测控系统设计毕业设计

摘要

温湿度控制已经成为了21世纪热门研究。无论是从生产还是生活，温湿度都与我们人类都是息息相关的。而智能化的温湿度控制系统的发展方向已成为一种必然趋势。我们思维方式不可能一直原地不动，不能再坚守旧时代利用大量人力资源来控制温度和湿度的变化。这样不但浪费大量的人力财力资源，而且控制系统功能也比较单一化，适用场合也有很大的局限性。而使用自动的智能控制的方式，既节省了人力财力，更加体现出了与时俱进的辩证思想，世界在进步，而这种进步就该体现在生活中的各个细节方面。传统的温湿度测量方法周期长，效率低，管理很不方便，发生故障时，更要花费大量人力物力来查找。尤其是用于温室采样数据频繁情况条件下，采用无线传输系统更显现出他的优越性。该系统可对温度实现现场和远程智能化在线检测和预警。该系统在测温精度上达到了一定的水平。而在温度采集速度上，由于使用了独立的温度补偿电路，有效地提高了温度测量的灵敏度和系统稳定性。另外，由于使用了存储芯片，可以保存实时数据，提高了系统的可靠性，是一种价格低廉方便实用的系统，可在生产上推广应用。

为了实现这种对环境状况监测，于是设计了一种基于Arduino的环境状况监测系统。该系统以Arduino UNO为研究重点、编写出Arduino UNO程序、实现将传感器数据上传到监测平台。以及用计算机作为客服端查看连接到Arduino UNO上的传感器数值。实验表明、这种设计能够以经济、高效的方式实现无线数据采集、可用于境状况的快速监测。

关键词：Arduino；程序设计；环境状况监测

Abstract

Temperature and humidity control has become a hot research in the 21st century. Both in terms of production and life, our human beings are closely linked to temperature and humidity. And the development direction of intelligent temperature and humidity control system has become an inevitable trend. The way of our thinking can be changed. We are unable to stick to control the change of temperature and humidity with so many people in old stage. It is not only waste a lot of manpower resource, but also the function of control system is simplified and it is applied in occasion significant limitations. While using auto intelligent control not only save manpower but also reflects the dialectical thought of keeping pace with the time. The world has changed . This progress should be reflected in every detail of life. The traditional method of temperature and humidity measurement cycle is long, the efficiency is low and the management is not very convenient. When a failure occurs, people should spend a lot of manpower material resources to find it. Especially for greenhouse under the working conditions of frequent sampling data, using wireless transmission system showed his superiority. The system can be achieved on the temperature field and remote intelligent on-line detection and warning. The system on temperature measurement accuracy achieves a certain level. Due to the speed, the temperature measurement sensitivity is improved effectively and stability with the use of independent temperature compensation circuit. In addition, with the use of memory chips that can save the real-time data and improve the reliability of the system. It is a kind of low cost, convenient and practical system that can be applied in the production.

In order to realize environmental condition monitoring system based on Arduino was designed. Focused on Arduino UNO , we programed the Arduino UNO for sending the sensor data to public server. Tests show that this kind of design provide environmental condition monitoring system more economy and convenient.

Keywords: Arduino UNO;Programming;Environmental condition monitoring

目录

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)

1.4.1 IEEE802．11 (3)

1.4.2 蓝牙(Bluetooth)技术 (3)

1.4.3 NRF2401 (4)

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 温湿度采集部分电路设计 (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)

3.3.1 NRF2401 状态机 (20)

3.3.2 NRF24L01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visual c ++，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。

1.4.1 IEEE80

2.11

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、lMbit/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。

802.1la标准与802.11b同年制定，它工作在5GHz频段上，使用OFDM(Orthogonal Frequeney Division Multiplexing)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l0m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100m。

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。

1.4.3 NRF2401

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：-30℃～+100℃；

（3）测温误差：≤±0.5℃；

（4）测温重复误差：≤±0.1℃；

（5）测湿范围：20-99%RH；

（6）测湿误差：≤±3％RH；

（7）测湿重复误差：≤±0.5％RH；

（8）系统工作环境：-40℃～+85℃20～，20～99％RH，AC220V±15％.

系统设计框图

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A VR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，Processing，MaxMSP）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：Parallax Basic Stamp，Netmedia’s BX-24，Phidgets，MIT’s Handyboard 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Windows，Macintosh OSX，和Linux操作系统。大部分其它的单片机系统都只能运行在Windows上。简易的编程环境－初学者很容易就能学会使用Arduino编程环境，同时它又能为高级用户提供足够多的高级应用。对于老师们来说，一般都能很方便的使用Processing 编程环境，所以如果学生学习过使用Processing 编程环境的话，那他们在使用Arduino开发环境的时候就会觉得很相似很熟悉。软件开源并可扩展，Arduino软件是开源的，对于有经验的程序员可以对其进行扩展。Arduino编程语言可以通过C++库进行扩展，如果有人想去了解技术上的细节，可以跳过Arduino语言而直接使用A VR C 编程语言（因为Arduino语言实际上是基于A VR C的）。类似的，如果你需要的话，你也可以直接往你的Arduino程序中添加A VR-C 代码。硬件开源，可扩展Arduino板基于Atmel 的ATMEGA8 和ATMEGA168/328 单片机。Arduino基于Creative Commons 许可协议，所以有经验的电路设计师能够根据需求设计自己的模块，可以对其扩展或改进。甚至是对于一些相对没有什么经验的用户，也可以通过制作试验板来理解Arduino 是怎么工作的，节约开发成本，加快了产品开发的速度。

对于不要求高速的一般的数据采集与处理系统，采用DSP是不经济的方案。在Arduino能够满足系统对数据处理速度要求的情况下，无异是首选的信息处理单元；当然，也可以采取嵌入式的单片机。

2.1.3 无线传输方案

无线温湿度测控系统中要解决的关键问题是数据通信的问题，因而温湿度测控系统中数据采集系统也随着各种通信方式的发展而不断发展起来。根据通信方式的不同，目前国内外主要有有线传输和无线传输。有线传输常用的是同轴传输。在一般小范围的监控中，由于传输距离近，使用同轴电缆传输，对信号质量损伤不大，施工方便，造价低。所以早期同轴电缆传输方式在监控行业内得到广泛的应用。后来因为传输距离增加，直接使用同轴电缆传输，导致信号质量无法保证。同轴传输优点：近距离传输，施工简单，

布线方便，易于安装调试。同轴传输缺点：受环境气候影响，不能远距离传输，抗干扰能力差。无线传输是现在监控系统常用的传输方式。随着大规模集成电路技术的发展，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。射频芯片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，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，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。考虑系统的经济性、传输距离，确定该部分电路设计使用无线收发芯片。无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。无线射频收发芯片是整个无线通信模块单元的核心部件，在设计中选择合适的芯片可以提高产品开发周期、节约成本可以使研发过程少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。基于本系统的实际需求，应该选用成本低、体积小、芯片发射功率较高、功耗低、集成度高、兼容性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体芯片。

常用无线射频收发芯片主要有NRf2401、NRF2905、NRF2915等。其中NRF2401集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。NRF2401的外围元件很少，仅10个左右。只包括一个4MHz基准晶振(可与MCU共享)、一个PLL环路滤波器和一个VCO电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。

本系统选用NRF2401作为无线数据传输芯片。

2.1.4 数字式温湿度传感器选择

数字温湿度传感器是微电子技术、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数字温度传感器系列产品。在如此众多的产品中如何选择出合适的

器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/0引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的12C总线，Motorola公司的SPI总线，National Semiconductor公司的。Microwireplus总线，Dallas Semiconductor公司的1-Wire总线和Siemens公司的Profibus 总线等。

（1）AD7418是是美国模拟器件公司(ADI)推出的单片温度测量与控制用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和10位A/D转换器。测温范围为-55℃一+125℃，具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25℃，精度为±2℃，转换时间为15一30ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境干扰等优点。AD7418可以级联至多8片在同一个12C总线上。

（2）LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、△一Σ型A/D 数转换器，并具有SPI/Microwire兼容总线接口的数字温度传感器。具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10 Il A，适用于对功率消耗有严格限制的系统。LM74在其有效工作范围内可达0．0625℃的分辨率，转换时间为425ms。

（3）MAX6575L/H是美国MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40～+125℃，其误差范围：在25℃时优于±3℃，在85℃时优于±4.5℃，在125℃时优于±5℃。但是MAX6575L/H在其测温范围内非线性误差较MAX6575L的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。

（4）DSl8820是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DSl8820的测温范围-55～+125℃，

固有测温分辨率±0.5℃，由于每一个DSl8820出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。

（5）DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。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Arduino板子相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系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。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20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

由于DTH11独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用MCU的I/0引脚资源少，和MCU的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用DTH11作为温湿度测量的传感器。

3 系统硬件电路的设计

根据上一章所选的系统方案构想，下面进行系统硬件电路的具体设计，系统的总体结构框图如图3.1所示。

图3.1 系统的总体结构框图

本系统由温、湿度数据采集、无线收发、Arduino数据接收处理及微机数据显示几部分组成。数据采集发送部分主要以Arduino作为核心主机，以单片智能化湿度、温度传感器作为从机加上数据无线发送模块。Arduino接收数据并通过串行口将数据发送给计算机，计算机对接收到的数据进行处理和显示。

3.1 温湿度采集部分电路设计

（1）典型应用电路中建议连接线长度短于20米时用5.1K上拉电阻，大于20米时根据实际情况降低上拉电阻的阻值。

（2）使用3.3V电压供电时连接线长度不得大于100cm。否则线路压降会导致传感器供电不足，造成测量偏差。

（3）每次读出的温湿度数值是上一次测量的结果，欲获取实时数据,需连续读取两次，但不建议连续多次读取传感器，每次读取传感器间隔大于5秒即可获得准确的数据。

图3.2 温湿度数据采集硬件接口电路框图

3.1.1 关于单总线的说明

DHT11器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。设备（主机或从机）通过一个漏枀开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约5.1kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结极，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，器件将不响应主机。

单总线传送数据位定义：DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。

3.1.2 传输数据的格式

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校验位。

注：其中温湿度小数部分为0。

（1）校验位数据定义：“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校验位等于所得结果的末8位。

（2）示例一：接收到的40位数据为：

0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1101

湿度高8位湿度低8位温度高8位温度低8位校验位

计算：0011 0101+0000 0000+0001 1000+0000 0000= 0100 1101

接收数据正确：湿度：0011 0101=35H=53%RH；温度：0001 1000=18H=24℃

示例二：接收到的40位数据为：

0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1001

湿度高8位湿度低8位温度高8位温度低8位校验位

计算：0011 0101+0000 0000+0001 1000+0000 0000＝0100 1101

01001101不等于0100 1001

本次接收的数据不正确，放弃，重新接收数据。

3.1.3 数据时序图及传送接收的步骤

用户主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信采集。信号发送如图3.3所示：

图3.3 数据时序图

注：主机从DHT11读取的温湿度数据总是前一次的测量值，如两次测间隔时间很长，请连续读两次以第二次获得的值为实时温湿度值。

外设读取步骤

主机和从机之间的通信可通过如下几个步骤完成（外设（如微处理器）读取DHT11

的数据的步骤）。

步骤一：

DHT11上电后（DHT11上电后要等待1S 以越过不稳定状态在此期间不能发送任何指令），测试环境温湿度数据，并记录数据，同时DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平；此时DHT11的DA TA 引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。

步骤二：

微处理器的I/O设置为输出同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于18ms，然后微处理器的I/O设置为输入状态，由于上拉电阻，微处理器的I/O即DHT11的DATA 数据线也随之变高，等待DHT11做出回答信号，发送信号如图3.4所示：

图3.4 主机发送起始信号

步骤三：

DHT11的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后DHT11的DATA引脚处于输出状态，输出80微秒的低电平作为应答信号，紧接着输出80 微秒的高电平通知外设准备接收数据，微处理器的I/O 此时处于输入状态，检测到I/O 有低电平（DHT11回应信号）后，等待80微秒的高电平后的数据接收，发