环境参数智能监测站设计（硬件篇）

Bertha 。 2023-10-18 20:36 40阅读 0赞

# 环境参数智能监测站设计（硬件篇） #

## 一、设计内容及技术要求： ##

### 1、任务描述 ###

设计并制作一个智能型环境参数监测站，实现对站点温湿度、土壤水分、空气质量、雨情、光照等信息的探测。该装置由1个监测终端和多个探测节点组成（实际制作2个），探测节点与监测终端可实现远程通讯。

### 2、控制任务和要求 ###

（1）探测节点。探测节点有编号预置功能，探测节点能够探测其环境温度、土壤水分、空气质量、雨情、光照等信息，获得的站点环境参数信息可本地临时存储或定时发送监测终点。探测节点采用电池供电方式，探测节点分布示意图如图1所示。  
![探测节点分布示意图][20191229115842564.png]  
（2）监测终端。监测终端可远程通讯获得各探测节点的探测信息，并能本地显示，显示信息有探测节点编号、环境参数等，具体工作方式可通过键盘设定。

#### 今天，先聊聊硬件设计部分 ####

#### 主要 使用Altium Designer软件进行原理图绘制及PCBlayout ####

## 二、硬件设计篇 ##

##### 处理器选择 #####

选择STM32F103C8T6单片机作为控制核心，接收传感器采集的环境信息，并做相应简单处理。  
![STM32芯片][STM32]

##### 传感器选择 #####

**温度传感器：DS18B20温度传感器**  
![DS18B20温度传感器][DS18B20]  
DS18B20是人们在日常中最经常使用的的测温传感器，具备体积小，生产成本低，精度高，抗干扰能力强的特性。能够在3V至5.5V的电压范围内工作，相对于其它同类别元件具有更宽的电压适用范围，可以通过寄生电源接入数据线完成硬件的供电；具有特殊的一线总线接口，DS18B20可以通过一线总线接口实现微处理器与DS18B20之间的双向通信；DS18B20不需要任何外部器件都可以将所有的传感器和转换电路集中到电路中的一个类似于晶体管的形状里。

**湿度传感器：DHT11数字温湿度传感器**  
![DHT11湿度传感器][DHT11]  
DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。 精度湿度±5%RH， 温度±2℃，量程湿度20-90%RH， 温度0~50℃。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和卓越的长期稳定性。

**光照强度传感器：光敏电阻**  
![光敏电阻][20191229122651296.png]  
光照传感器一般由光敏层、玻璃基片与电阻组成的，它的主要器件是一个对光照敏感的电阻器。在光照不足的情况下，它的电阻为几十兆欧，反之电阻则为十到二十千欧。光敏电阻的灵敏度与人眼对0.4～0.76um范围的可见光的灵敏度很相近。光敏电阻的最大电压为100V，最大功耗为50mv，光谱峰值为540nm,正常工作的温度范围为-30℃～70℃。

**空气质量传感器：MQ-135空气质量检测传感器**  
![MQ-135空气质量检测][MQ-135]  
MQ-135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽等有较高的灵敏度。还具有长期的使用寿命和优异的稳定性。它由四个器件组成敏感元件。该传感器有四个管脚输出信号，两个为器件提供正常工作条件。封装内的A与B是互相短接的。MQ-135气体传感器采用二氧化锡(SnO2)作为敏感材料。他能随着环境中的有害气体的不同导电率也不同。使用简单的电路将导电率的变化转为其相应的输出信号。

**土壤水分传感器：土壤湿度检测传感器**  
![土壤水分检测][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
这是一个简易的水分传感器可用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，模块输出一个高电平，反之输出低电平。使用这个传感器制作一款自动浇花装置，让您的花园里的植物不用人去管理。灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）工作电压3.3V-5V模块双输出模式，数字量输出简单，模拟量输出更精确。设有固定螺栓孔，方便安装小板PCB尺寸：3cm \* 1.6cm电源指示灯（红色）和数字开关量输出指示灯（绿色）比较器采用LM393芯片，工作稳定。

**雨情传感器：雨滴传感器**  
![雨滴传感器][20191229125232721.png]  
传感器采用高品质FR-04双面材料，超大面积5.0\*4.0CM,并用镀镍处理表面，具有对抗氧化，导电性，及寿命方面更优越的性能。小板PCB尺寸：50x40mm灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）工作电压3.3V-5V模块双输出模式，数字量输出简单，模拟量输出更精确。电源指示灯（红色）和数字开关量输出指示灯（绿色）比较器采用LM393芯片，工作稳定。

**显示方式：OLED显示**  
![OLED模块][OLED]  
OLED 屏幕作为一种新型的显示技术，其自身可以发光，亮度，对比度高，功耗低，在当下备受追捧。而在我们正常的显示调整参数过程中，我们越来越多的使用这种屏幕。我们使用的一般是分辨率为 128x64 ，屏幕尺寸为 0.96 寸。由于其较小的尺寸和比较高的分辨率，让它有着很好的显示效果和便携性。目前我们经常使用的 OLED 屏幕一般有两种接口，IIC 或者 SPI ，两者使用的通信协议稍有不同。OLED 还可以实现更多的显示功能，如描绘几何图形，实现动态波形显示。

**无线远程通讯： NRF24L01+2.4G模块**  
![NRF无线模块][NRF]  
NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。

#### 硬件电路设计 ####

#### STM32F103C8T6 单片机最小系统 ####

![STM32F103最小系统原理图][STM32F103]

#### 传感器采集电路 ####

##### DS18b20温度采集电路 #####

![温度检测原理图][20191229131800963.png]

##### 土壤水分检测电路 #####

![土壤水分检测原理图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

##### MQ-135空气质量检测电路 #####

![在空气质量检测原理图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

##### 光照强度检测电路 #####

![光照强度检测原理图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

##### 雨情检测电路 #####

![雨情检测电路原理图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

##### NRF无线通讯电路 #####

![NRF2.4G模块][NRF2.4G]

##### OLED显示电路 #####

![OLED显示电路][OLED 1]

##### 部分电源供电电路 #####

![电源电路][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

#### 硬件电路PCB　３D图： ####

![PCB设计3D图][PCB_3D]  
最终制作了监测终端（1个），检测节点（两个），实现了多个检测节点组网，一个监测终端处理数据即\*\*“多点一站”\*\*。  
实际电路测试如下：

#### 监测终端如图： ####

![监测终端][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

#### 检测节点如图： ####

![检测节点][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

#### 最终测试： ####

![最终测试][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
后续，我将继续完善 **软件篇**、**说明书篇**以及资料上传等工作

原理图（PDF版），工程文件（AD版）后续将上传此博客

最后，大家有什么疑问或建议均可留言，感谢大家支持！！！

环境参数智能监测站设计（软件篇）链接: [link][].  
环境参数智能监测站设计（说明书篇）链接: [link][link 1].

[20191229115842564.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229115842564.png
[STM32]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229122256595.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[DS18B20]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229122335205.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[DHT11]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229122405723.png
[20191229122651296.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229122651296.png
[MQ-135]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229122658709.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0,size_16,color_FFFFFF,t_70
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[20191229125232721.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229125232721.png
[OLED]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229130515889.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[NRF]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229130608747.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[STM32F103]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191229131533187.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0,size_16,color_FFFFFF,t_70
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[link]: https://blog.csdn.net/qq_42078934/article/details/103796787
[link 1]: https://blog.csdn.net/qq_42078934/article/details/104068874