1、第15章 基于以太网的环境监测系统单片机原理及应用系统设计本章主要内容1215.1 项目背景与研究现状315.3 系统硬件设计15.2 系统方案论证与总体功能 4 15.4 系统软件设计p15.1 项目背景与研究现状项目背景与研究现状p15.2 系统方案论证与总体功能系统方案论证与总体功能 p15.3 系统硬件设计系统硬件设计p15.4 系统软件设计系统软件设计本章主要内容15.1.1 项目背景项目背景随着计算机技术的发展，越来越多的大型工业生产建立了随着计算机技术的发展，越来越多的大型工业生产建立了工业监控以太网。从而形成了统一的传输平台，为很多生产工业监控以太网。从而形成了统一的传输平台，
2、为很多生产系统提供数据传输的高速公路，是对原有系统很好的改造。系统提供数据传输的高速公路，是对原有系统很好的改造。现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了现场总线的出现，对于实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成巨大的推动作用，但现场总线这类专用实时通信网络具有成本高，速度低和支持应用有限等缺陷，再加上总线通信协议本高，速度低和支持应用有限等缺陷，再加上总线通信协议的多样性，使得不同总线产品不能互相互连，互用和互操作的多样性，使得不同总线产品不能互相互连，互用和互操作等，因而现场总线工业网络的进一步发展受到了极大的限制。等，因而现场总线工业
3、网络的进一步发展受到了极大的限制。随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现使得以太随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现使得以太网能够克服自己本身的缺陷，进入工业领域成为工业以太网，网能够克服自己本身的缺陷，进入工业领域成为工业以太网，因而使得人们可以用以太网设备去代替昂贵的工业网络设备。因而使得人们可以用以太网设备去代替昂贵的工业网络设备。从实际来看，设计基于以太网的数据采集系统，可以从实际来看，设计基于以太网的数据采集系统，可以很好地实现网络传输。在此基础上，也可以将其作为其于很好地实现网络传输。在此基础上，也可以将其作为其于以太网的网络测试平台开发过程中的调试工具，从而加速以太
4、网的网络测试平台开发过程中的调试工具，从而加速把以太网集成到测试、采集和工业把以太网集成到测试、采集和工业I/OI/O仪器中的开发进程。仪器中的开发进程。从工业应用来看，以太网的应用可以大大提高劳动效率，从工业应用来看，以太网的应用可以大大提高劳动效率，能够让仪表在一些危险的环境下取代人力工作，并且得到能够让仪表在一些危险的环境下取代人力工作，并且得到的数据与结果比人工现场的结果更加科学，精确。所以设的数据与结果比人工现场的结果更加科学，精确。所以设计一个基于以太网数据采集系统是非常有实际意义的。计一个基于以太网数据采集系统是非常有实际意义的。15.1.2 研究现状 在数据采集方面，在数据采集
5、方面，当前越来越多的通信系统工作在很当前越来越多的通信系统工作在很宽的频带上，对于保密和抗干扰有很高要求的某些无线通宽的频带上，对于保密和抗干扰有很高要求的某些无线通信更是如此，随着信号处理器件的处理速度越来越快，数信更是如此，随着信号处理器件的处理速度越来越快，数据采样的速率也变得越来越高，在某些电子信息领域，要据采样的速率也变得越来越高，在某些电子信息领域，要求处理的频带要尽可能的宽、动态范围要尽可能的大，以求处理的频带要尽可能的宽、动态范围要尽可能的大，以便得到更宽的频率搜索范围，获取更多的信息量。因此，便得到更宽的频率搜索范围，获取更多的信息量。因此，通信系统对信号处理前端的通信系统对
6、信号处理前端的A/DA/D采样电路提出了更高的要求，采样电路提出了更高的要求，即希望即希望A/DA/D转换速度快而采样精度高，以便满足系统处理的转换速度快而采样精度高，以便满足系统处理的要求。要求。随着以太网技术的高速发展及它的随着以太网技术的高速发展及它的80%80%的市场占有率的市场占有率和现场总线的明显缺陷，促使工控领域的各大厂商纷纷研和现场总线的明显缺陷，促使工控领域的各大厂商纷纷研发出适合自己工控产品且兼容性强的工业以太网。目前，发出适合自己工控产品且兼容性强的工业以太网。目前，国内应用最为广泛的是德国西门子公司研发的国内应用最为广泛的是德国西门子公司研发的SIMATIC SIMAT
7、IC NETNET工业以太网。工业以太网。SIMATIC NETSIMATIC NET工业以太网主要体系结构是工业以太网主要体系结构是由网络硬件、网络部件、拓扑结构、通行处理器和由网络硬件、网络部件、拓扑结构、通行处理器和SIMATIC NETSIMATIC NET软件等部分组成。工业以太网以其特有的低软件等部分组成。工业以太网以其特有的低成本、高实效、高扩展性和高智能的魅力，吸引着越来越成本、高实效、高扩展性和高智能的魅力，吸引着越来越多的制造业的厂商。多的制造业的厂商。方案一：本组初定方案为使用温湿度传感器方案一：本组初定方案为使用温湿度传感器DHT11DHT11与烟雾与烟雾传感器传感器M
8、Q-2MQ-2进行环境监测。当温湿度值或烟雾浓度超过程序进行环境监测。当温湿度值或烟雾浓度超过程序中所设定的阈值时，蜂鸣器将进行报警。中所设定的阈值时，蜂鸣器将进行报警。OLEDOLED将实时显示传将实时显示传感器传回的数据。数据经单片机处理后将由感器传回的数据。数据经单片机处理后将由W5100W5100模块传至模块传至电脑上位机，实现远程监控。上位机也可以给单片机发送指电脑上位机，实现远程监控。上位机也可以给单片机发送指令，命令单片机接通继电器，继电器打开后电机转动。令，命令单片机接通继电器，继电器打开后电机转动。方案二：本组的第二种方案为在温湿度传感器方案二：本组的第二种方案为在温湿度传感
9、器DHT11DHT11与烟雾与烟雾传感器传感器MQ-2MQ-2的基础上添加火焰传感器，增加对火险的监测功的基础上添加火焰传感器，增加对火险的监测功能。另外本方案增加了能。另外本方案增加了5 5个独立按键，可以对报警阈值在线个独立按键，可以对报警阈值在线调整。每个传感器都配有两个独立的指示灯，当环境参数小调整。每个传感器都配有两个独立的指示灯，当环境参数小于报警值时，报警灯熄灭，工作正常指示灯点亮，当环境参于报警值时，报警灯熄灭，工作正常指示灯点亮，当环境参数超过所设临界值时，除了蜂鸣器报警，每个传感器独立的数超过所设临界值时，除了蜂鸣器报警，每个传感器独立的报警灯将点亮报警。报警灯将点亮报警。
10、15.2.1 15.2.1 系统方案论证系统方案论证 上位机给单片机发送指令后不再驱动继电器，而是直上位机给单片机发送指令后不再驱动继电器，而是直接将信号送至电机驱动，驱动电机转动。方案论证：第一接将信号送至电机驱动，驱动电机转动。方案论证：第一种方案中如果通过继电器接通驱动电机转动，电机一旦转种方案中如果通过继电器接通驱动电机转动，电机一旦转动将对单片机产生较大的电磁干扰，动将对单片机产生较大的电磁干扰，OLEDOLED显示屏无法正常显示屏无法正常显示，严重的情况下单片机将复位，因此如果使用该方案，显示，严重的情况下单片机将复位，因此如果使用该方案，系统将无法正常工作。而第二种方案在第一种方
11、案的基础系统将无法正常工作。而第二种方案在第一种方案的基础上增加了火焰传感器，丰富了对环境安全的监测功能。此上增加了火焰传感器，丰富了对环境安全的监测功能。此外独立按键的设置大大方便了用户的使用，用户可以根据外独立按键的设置大大方便了用户的使用，用户可以根据实际情况，不需要改变程序即可改变所设报警值。当测得实际情况，不需要改变程序即可改变所设报警值。当测得的环境数据超标时，独立报警灯的设置使得用户可以迅速的环境数据超标时，独立报警灯的设置使得用户可以迅速判别出时哪一项环境数据超标并迅速做出调整。判别出时哪一项环境数据超标并迅速做出调整。结论：综上所述，第二种方案更能满足用户使用需求，且结论：综
12、上所述，第二种方案更能满足用户使用需求，且运行更加稳定。因此，选用第二种方案作为该系统的设计运行更加稳定。因此，选用第二种方案作为该系统的设计目标。目标。15.2.2 系统总体功能1.基本功能基本功能 （1）温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器将检测到的）温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器将检测到的数据经单片机处理后，通过以太网传给电脑的上位机。数据经单片机处理后，通过以太网传给电脑的上位机。（2）W5100通过通过Socket通道配置，同时与多台主机通信，通道配置，同时与多台主机通信，用户可在不同终端远程读取环境参数。用户可在不同终端远程读取环境参数。（3）OLED显示屏实时显示检测到的温
13、湿度值以及烟雾浓显示屏实时显示检测到的温湿度值以及烟雾浓度。度。（4）当环境参数值超过所设定的阈值时，报警器报警，正）当环境参数值超过所设定的阈值时，报警器报警，正常工作指示灯熄灭，报警灯开启。常工作指示灯熄灭，报警灯开启。2.2.拓展功能拓展功能 （1 1）用户可通过按键根据实际需求自主设计报警阈值，）用户可通过按键根据实际需求自主设计报警阈值，不需在程序中改变阈值，实现了系统的人性化设计。不需在程序中改变阈值，实现了系统的人性化设计。（2 2）用可以根据传感器传回的环境参数，通过上位机发）用可以根据传感器传回的环境参数，通过上位机发送指令，接通直流电机。送指令，接通直流电机。15.3.1
14、系统硬件组成总体框图系统硬件组成主要包括单片机、烟雾传感器、温湿度传感器、系统硬件组成主要包括单片机、烟雾传感器、温湿度传感器、以太网模块、电机驱动及直流电机系统等组成，其硬件组成框以太网模块、电机驱动及直流电机系统等组成，其硬件组成框图如图图如图15-115-1所示。所示。图15-1 系统硬件框图15.3.2 STC15F2K60S2单片机简介1.STC15F2K60S21.STC15F2K60S2系列单片机功能系列单片机功能STC15F2K60S2STC15F2K60S2系列单片机是系列单片机是STCSTC生产的单时钟生产的单时钟/机器周机器周期（期（1T1T）的单片机，是高速）的单片机，
15、是高速/高可靠高可靠/低功耗低功耗/超强抗干扰超强抗干扰的新一代的新一代80518051单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统指令代码完全兼容传统80518051，但速度快，但速度快8-128-12倍。内部记成倍。内部记成高精度高精度R/CR/C时钟，时钟，1 1温飘，常温下温飘温飘，常温下温飘55，5MHz35MHz5MHz35MHz宽范围可设置，可彻底声调外部昂贵的晶振宽范围可设置，可彻底声调外部昂贵的晶振和外部复位电路（内部已记成高可靠复位电路，和外部复位电路（内部已记成高可靠复位电路，8 8级可选复级可选复位门槛电压）。位门
16、槛电压）。3 3路路CCP/PWM/PCACCP/PWM/PCA，8 8路高速路高速1010位位A/DA/D转转换（换（3030万次万次/秒），内置秒），内置2K2K字节大容量字节大容量SRAMSRAM，2 2组高速异组高速异步串行通信端口（步串行通信端口（UART1/UART2UART1/UART2，可在，可在5 5组管脚之间进行组管脚之间进行切换，分时复用可作切换，分时复用可作5 5组串口使用），组串口使用），1 1组高速同步串行通组高速同步串行通信端口信端口SPISPI，针对串行口通信，针对串行口通信/电机控制电机控制/强干扰场合。强干扰场合。现现STC15STC15系列单片机采用系列单
17、片机采用STC-Y5STC-Y5超高速超高速CPUCPU内核，在相同内核，在相同的时钟频率下，速度又比的时钟频率下，速度又比STCSTC早期的早期的1T1T系列单片机（如系列单片机（如STC12STC12系列系列/STC11/STC11系列系列/STC10/STC10系列）的速度快系列）的速度快2020。STC15F2K60S2STC15F2K60S2实物图如图实物图如图15-215-2所示：所示：图15-2 STC15F2K60S2单片机实物图 2.STC15F2K60S2 2.STC15F2K60S2单片机特点单片机特点 STC15F2K60S2STC15F2K60S2系列单片机具有以下特
18、点：系列单片机具有以下特点：（1 1）增强型）增强型8051CPU8051CPU，1T1T，单时钟，单时钟/机器周期，速度比普机器周期，速度比普通通80518051快快8-128-12倍。倍。（2 2）工作电压：）工作电压：5.5V-3.8V5.5V-3.8V。（3 3）8K/16K/24K/32K/40K/48K/56K/60K/61K8K/16K/24K/32K/40K/48K/56K/60K/61K字节片内字节片内FlashFlash程序存储器，擦写次数程序存储器，擦写次数1010万次以上。万次以上。（4 4）片内大容量）片内大容量20482048字节的字节的SRAMSRAM。（5 5）
19、大容量片内）大容量片内EEPROMEEPROM，擦写次数，擦写次数1010万次以上。万次以上。（6 6）ISP/IAPISP/IAP，在系统可编程，在系统可编程/在应用可编程，无需编程在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。器，无需仿真器。（7 7）共）共8 8通道通道1010位高速位高速ADCADC，速度可达，速度可达3030万次万次/秒，秒，3 3路路PWMPWM还可当还可当3 3路路D/AD/A使用。使用。STC15F2K60S2STC15F2K60S2原理连接图如图原理连接图如图15-315-3所示。所示。图15-3 STC15F2K60S2原理图 1.1.W5100简介简介 W5100
20、 W5100 是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有 10/100Mbps10/100Mbps以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用高性能和低成本的嵌入式系统中。使用 W5100 W5100 可以实现没可以实现没有 操 作 系 统 的有 操 作 系 统 的 I n t e r n e t I n t e r n e t 连 接。连 接。W 5 1 0 0W 5 1 0 0与与IEEE802.3IEEE802.310BASE-T10BASE-T和和802.3u100BASE-
21、TX802.3u100BASE-TX兼容。兼容。W5100 内部还集成有内部还集成有 16KB16KB存储器用于数据传输。使用存储器用于数据传输。使用W5100W5100不需不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程。要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程。15.3.3 以太网模块以太网模块W5100W5100W5100实物图如图实物图如图15-415-4所示：所示：图15-4 W5100模块实物图 2.W5100 2.W5100与单片机通信方式与单片机通信方式 W5100W5100模块与单片机有三种通信方式，分别为模块与单片机有三种通信方式，分别为直接总线接口、间接总线接口、直接
22、总线接口、间接总线接口、SPISPI总线接口。直总线接口。直接总线接口采用接总线接口采用1515位地址线，位地址线，8 8位数据线，还有位数据线，还有CSCS、RDRD、WRWR、INTINT等信号线。间接总线接口采用等信号线。间接总线接口采用2 2位地位地址线，址线，8 8位数据线，另加位数据线，另加CSCS、RDRD、WRWR、INTINT等信号等信号线。以上两种接线方式较为复杂，且占用的单片线。以上两种接线方式较为复杂，且占用的单片机引脚数较多，不利于其他功能的扩展，因此选机引脚数较多，不利于其他功能的扩展，因此选用用SPISPI总线接口方式与单片机通信。总线接口方式与单片机通信。串行接
23、口模式只需要串行接口模式只需要4 4个引脚进行数据通信。个引脚进行数据通信。这这4 4个引脚的定义分别为：个引脚的定义分别为：SCLKSCLK、/SS/SS、MOSIMOSI、MISOMISO。W5100W5100的的SPI_ENSPI_EN引脚选择引脚选择SPISPI操作。操作。W5100W5100模块与单片机的连接如图模块与单片机的连接如图15-515-5所示：所示：图15-5 W5100模块与单片机连接图3.W51003.W5100内部特性内部特性 （1 1）与）与MCUMCU多种接口选择：直接并行总线接口、间接并行总多种接口选择：直接并行总线接口、间接并行总线接口和线接口和SPISPI
24、总线接口；总线接口；（2 2）可选择）可选择YL18-2050SYL18-2050S、YT37-1107SYT37-1107S、YL2J011DYL2J011D、YL2J201AYL2J201A网络变压器。网络变压器。（3 3）支持）支持ADSLADSL连接连接 (支持支持PPPOEPPPOE协议，带协议，带PAP/CHAPPAP/CHAP验证验证)。（4 4）支持）支持4 4个独立的端口（个独立的端口（socketssockets）同时连接。）同时连接。（5 5）内部）内部16K16K字节存储器作字节存储器作TX/RXTX/RX缓存。缓存。（6 6）内嵌）内嵌10BaseT/100BaseT
25、X10BaseT/100BaseTX以太网物理层，支持自动应答以太网物理层，支持自动应答（全双工（全双工/半双工模式）。半双工模式）。（7 7）3.3V3.3V工作电压，工作电压，I/OI/O口可承受口可承受5V5V电压。电压。W5100W5100原理图如图原理图如图15-615-6所示：所示：图15-6 W5100原理连接图15.3.4 火焰传感器电路设计火焰传感器电路设计1.1.火焰传感器介绍火焰传感器介绍火焰传感器是机器人专门用来搜寻火源的传感器，当然火焰传感器是机器人专门用来搜寻火源的传感器，当然火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是本传感器对火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是
26、本传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。火焰传感器实物如图火焰传感器实物如图15-715-7所示：所示：图15-7 火焰传感器实物图2.2.火焰传感器工作原理火焰传感器工作原理火焰传感器由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物火焰传
27、感器由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大说，其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大的辐射强度，根据这种特性可制成火焰传感器。的辐射强度，根据这种特性可制成火焰传感器。3.3.火焰传感器使用说明火焰传感器使用说明（1 1）火焰传感器对火焰
28、最敏感，对普通光也是有反应的，）火焰传感器对火焰最敏感，对普通光也是有反应的，一般用做火焰报警等。一般用做火焰报警等。（2 2）传感器与火焰要保持一定距离，以免高温损坏传感器，）传感器与火焰要保持一定距离，以免高温损坏传感器，对打火机测试火焰距离为对打火机测试火焰距离为80cm80cm，对火焰越大，测试距离越，对火焰越大，测试距离越远。远。（3 3）小板模拟量输出方式和）小板模拟量输出方式和ADAD转换处理，可以获得更高的转换处理，可以获得更高的精度。精度。火焰传感器原理图如图火焰传感器原理图如图15-815-8所示：所示：图15-8 火焰传感器原理图 1.MQ-2 1.MQ-2工作原理工作原
29、理 MQ-2MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式于表面离子式N N型半导体。当处于型半导体。当处于200300200300C C温度时，二氧温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信而电导率的变化。
30、利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。15.3.5 烟雾传感器电路设计烟雾传感器实物如图烟雾传感器实物如图15-915-9所示：所示：图15-9 烟雾传感器实物图2.MQ-22.MQ-2工作特性工作特性 （1 1）MQ-2MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感并且具有良好的抗干的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感并且具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和
31、烟雾等。注意：经过测试，对烷类的感应比纸张如酒精和烟雾等。注意：经过测试，对烷类的感应比纸张木材燃烧产生的烟雾好很多，输出电压升高很快。木材燃烧产生的烟雾好很多，输出电压升高很快。（2 2）MQ-2MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。注意：使用初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。注意：使用前必须先加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确。前必须先加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确。（3 3）其检测可燃气体与烟雾的范围是）其检测可燃气体与烟雾的范围是100-10000ppm100-10000
32、ppm。注。注意：意：ppmppm为体积浓度为体积浓度/1ppm=1/1ppm=1立方厘米除以立方厘米除以1 1立方米。立方米。（4 4）电路设计电压范围宽，）电路设计电压范围宽，24V24V以下均可；加热电压以下均可；加热电压5 50.2V0.2V。注意：加热电压必须在此范围内，否则容易使注意：加热电压必须在此范围内，否则容易使内部的信号线熔断。由于电压过大，导致内部的的信号线内部的信号线熔断。由于电压过大，导致内部的的信号线熔断而传感器报废。熔断而传感器报废。3.烟雾传感器原理图如图15-10所示：DHT11 DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输数字温湿度传感器是一款含有已
33、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，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个温湿度传感技术，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTCNTC测温元件，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。测温元件，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。温湿度传感器模块实物如图温湿度传感器模块实物如图15-1115-11所示。所示。15.3.6 15.3.6 温湿度传感器电路设计温湿度传感器电路设计图15-11 DHT11实物图技术参数 温湿度传感器技术参数如上表所示，使用时应注意避温湿度传感器技术参数如上表所示，使用时应注意
34、避免温度值大于免温度值大于5050，湿度值超过，湿度值超过90%RH90%RH，以免导致其损坏。，以免导致其损坏。参数名称参数名称参数范围参数范围供电电压3.3-5V输出单总线数字信号测量范围湿度：20%-90%RH温度：050测量精度湿度：5%RH温度：1分辨率湿度：1%RH温度：12.2.使用方法使用方法 DATADATA端口用于单片机与端口用于单片机与DHT11DHT11之间的通讯和同步，采用之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间单总线数据格式，一次通讯时间4ms4ms左右左右,数据分小数部分和数据分小数部分和整数部分，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。一次整数部分，当前
35、小数部分用于以后扩展，现读出为零。一次完整的数据传输为完整的数据传输为40bit40bit，高位先出。，高位先出。DATADATA端口传输的数据格式为：端口传输的数据格式为：8bit8bit湿度整数数据湿度整数数据+8bit+8bit湿度小数数据湿度小数数据+8bit+8bit温度整数数温度整数数据据+8bit+8bit温度小数数据温度小数数据+8bit+8bit校验和。校验和。数据传送正确时校验和数据等于数据传送正确时校验和数据等于“8bit8bit湿度整数数据湿度整数数据+8bit+8bit湿度小数数据湿度小数数据+8bit+8bit温度整数数据温度整数数据+8bit+8bit温度小数数据
36、温度小数数据”所得结果的末所得结果的末8 8位。位。用户用户MCUMCU发送一次开始信号后，发送一次开始信号后，DHT11DHT11从低功耗模式转从低功耗模式转换到高速模式换到高速模式,等待主机开始信号结束后，等待主机开始信号结束后，DHT11DHT11发送响应发送响应信号，送出信号，送出40bit40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，选择读取部分数据。从模式下，DHT11DHT11接收到开始信号触接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11DH
37、T11不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速模式。模式。3.3.引脚说明引脚说明 DHT11 DHT11的引脚说明如表的引脚说明如表15-215-2所示：所示：引脚引脚名称名称功能功能1VDD3.35V2DATA串行数据线3GND接电源负极DHT11总体模块框图和硬件连接图如图15-12所示：15.3.7 蜂鸣器报警电路设计当实际温度或湿度值超过设定值时，蜂鸣器将进行报警当实际温度或湿度值超过设定值时，蜂鸣器将进行报警提醒使用者。利用提醒使用者。利用PNPPNP管（管（90129012）放大驱动。基极接）放大驱动。基极接10K10K欧欧姆的电阻
38、，发射极接蜂鸣器，集电极接电源。其电路图如图姆的电阻，发射极接蜂鸣器，集电极接电源。其电路图如图15-1315-13所示：所示：图15-13 蜂鸣器报警模块硬件连接图OLED显示屏是指有机电激发光二极管由于同时具备自发光，不需背显示屏是指有机电激发光二极管由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。的平面显示器新兴应用技术。OLED实物如图实物如
39、图15-14所示：所示：图图15-14 蜂鸣器报警模块硬件连接图蜂鸣器报警模块硬件连接图有机发光显示技术由非常薄的有机材料涂层和玻璃基板构成。当有电荷通过有机发光显示技术由非常薄的有机材料涂层和玻璃基板构成。当有电荷通过时这些有机材料就会发光。时这些有机材料就会发光。OLED发光的颜色取决于有机发光层的材料，故发光的颜色取决于有机发光层的材料，故厂商可由改变发光层的材料而得到所需之颜色。有源阵列有机发光显示屏具厂商可由改变发光层的材料而得到所需之颜色。有源阵列有机发光显示屏具有内置的电子电路系统，因此每个像素都由一个对应的电路独立驱动。有内置的电子电路系统，因此每个像素都由一个对应的电路独立驱
40、动。OLED具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点，技术提供了浏览反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点，技术提供了浏览照片和视频的最佳方式而且对相机的设计造成的限制较少。照片和视频的最佳方式而且对相机的设计造成的限制较少。OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易彩色化、用简单驱动电路即可达到发光、制程简反应速度快、较易彩色化、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单、
41、可制作成挠曲式面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中单、可制作成挠曲式面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。显示方面：主动发光、视角范围大；响应速度快，图小尺寸面板。显示方面：主动发光、视角范围大；响应速度快，图像稳定；亮度高、色彩丰富、分辨率高。工作条件：驱动电压低、像稳定；亮度高、色彩丰富、分辨率高。工作条件：驱动电压低、能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。适应性广：采用玻能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。适应性广：采用玻璃衬底可实现大面积平板显示；如用柔性材料做衬底，能制成可折璃衬底可实现大面积平板显示；如用柔性材料做衬底，能制成可折叠的显示器。叠的显示器。
42、由于由于OLED是全固态、非真空器件，具有抗震荡、耐低温是全固态、非真空器件，具有抗震荡、耐低温（-40）等特性，在军事方面也有十分重要的应用，如用）等特性，在军事方面也有十分重要的应用，如用作坦克、飞机等现代化武器的显示终端。作坦克、飞机等现代化武器的显示终端。OLED硬件连接图如图硬件连接图如图15-15所示：所示：图图15-15 OLED硬件连接硬件连接图L298N是是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用芯片采用15脚封装。使用脚封装。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相
43、步进电机，也可以驱动两台直流电动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。机。电机驱动模块实物图如图电机驱动模块实物图如图15-16所示所示：图15-16 L289N实物图L298N工作电压高，最高工作电压可达工作电压高，最高工作电压可达46V，输出电流大，瞬，输出电流大，瞬间峰值电流可达间峰值电流可达3A，持续工作电流为，持续工作电流为2A；额定功率；额定功率25W。内。内含两个含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标
44、准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。反馈给控制电路。该驱动板可驱动该驱动板可驱动2路直流电机，使能端路直流电机，使能端ENA、ENB为高电平有效时，为高电平有效时，控制方式及直流电机表如表控制方式及直流电机表如表15-3所示。所示。ENAIN1IN2直流电机状态0XX停止100制动101正
45、转111反转111制动若要对直流电机进行若要对直流电机进行PWM调速，需设置调速，需设置IN1和和IN2，确定电机的转动方向，然后，确定电机的转动方向，然后对使能端输出对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速。脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为注意当使能信号为0时，电机处于自由停时，电机处于自由停止状态；当使能信号为止状态；当使能信号为1，且，且IN1和和IN2为为00和和11时，电机出于制动状态，阻止时，电机出于制动状态，阻止电机转动。电机转动。电机驱动模块原理图如图电机驱动模块原理图如图15-17所示所示：图15-17 L289N电机驱动原理图15.4.1 系统软件设计总体流程图系统软件设计
46、总体流程图系统软件总体流程图如图系统软件总体流程图如图15-18所示：所示：图15-18 软件总体流程图1.SPI通信配置通信配置在在SPI模式，模式，W5100使用使用“完整完整32位数据流位数据流”。完整的。完整的32位数据流包括一位数据流包括一个字节的操作码，个字节的操作码，2个字节的地址码和个字节的地址码和1个字节的数据。个字节的数据。操作码、地址和数据字节传输都是高位（操作码、地址和数据字节传输都是高位（MSB）在前低位（）在前低位（LSB）在后。）在后。换句话说，换句话说，SPI数据的第一位是操作码的高位（数据的第一位是操作码的高位（MSB），最后一位是数据），最后一位是数据的低位
47、（的低位（LSB）。）。W5100的的SPI数据格式如表数据格式如表15-4所示。所示。命令命令操作码操作码地址地址数据数据写操作0 xF01111 00001字节读操作0 x0F0000 11111字节表表15-4SPI数据格式表数据格式表SPI配置方式：配置方式：（1）配置）配置SPI主设备输入主设备输入/输出方向输出方向 （2）将）将/SS置高电平置高电平 （3）设置）设置SPI主设备的寄存器主设备的寄存器 （4）向）向SPI数据寄存器（数据寄存器（SPDR）写入要传输的数据）写入要传输的数据 （5）将）将/SS置低电平置低电平 （6）等待接收完成）等待接收完成 （7）如果所有数据都传输
48、完成，将）如果所有数据都传输完成，将/SS置高电置高电 TCP是以连接为基础的通信方式，它必须首先建立是以连接为基础的通信方式，它必须首先建立连接，然后利用连接的连接，然后利用连接的IP地址和端口号进行数据传地址和端口号进行数据传输。输。TCP有两种连接方式：一种是服务模式（被动有两种连接方式：一种是服务模式（被动开启），即等待接收连接请求以建立连接；另一种开启），即等待接收连接请求以建立连接；另一种是客户端模式（主动开启），即发送连接请求到服是客户端模式（主动开启），即发送连接请求到服务器。务器。W5100服务端工作模式如下图服务端工作模式如下图15-19所示：所示：图15-19 W5100
49、工作模式图 本系统的本系统的w5100工作在工作在TCP模式的服务器模式下，该方式下的编程步模式的服务器模式下，该方式下的编程步骤为：骤为：（1）装载网络参数）装载网络参数该步骤中需要编程配置网关参数、加载子网掩码及物理地址。此外还需该步骤中需要编程配置网关参数、加载子网掩码及物理地址。此外还需配置配置W5100模块的本机模块的本机IP地址，以及端口号。当地址，以及端口号。当W5100模块与上位机连模块与上位机连接时需要输入程序中配置好的接时需要输入程序中配置好的IP地址及端口号。如果地址及端口号。如果W5100模块需要与模块需要与多个客户端连接，则需要配置多个端口号，端口号可由用户任意配置。
50、多个客户端连接，则需要配置多个端口号，端口号可由用户任意配置。（2）硬件复位）硬件复位 为保证为保证W5100正常工作，在使用前必须对正常工作，在使用前必须对W5100模块进行硬件复位。模块进行硬件复位。用户只需将用户只需将W5100的复位引脚置的复位引脚置“1”后再做适当延时。后再做适当延时。（3）初始化）初始化W5100寄存器寄存器在使用在使用W5100之前，需要先对之前，需要先对W5100初始化。在初始化之前先初始化。在初始化之前先对对W5100软件复位，之后将已经配置完成的网关参数、子网掩软件复位，之后将已经配置完成的网关参数、子网掩码、物理地址、主机码、物理地址、主机IP地址及端口号
