基于單片機的溫濕度采集管理系統畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 天線構成天線輸出模塊，高頻頭輸出模塊包括數字輸入、數字輸出、 SPI 接口三部分構成，發射芯片采用 16Ｍ晶振提供系統時鐘，工作電壓為 。下面從 RF 外圍一些模塊做詳細說明 。 傳感器 單片機 nRF905 無線收發 收發天線 外部時鐘 6 圖 4 nRF905 單片射頻發射芯片硬件結構圖 nRF905 天線 ANT1 和 ANT2 輸 出腳給天線提供穩定的 RF 輸出。這兩個腳必須連接到 VDD_PA 的直流通路。或者通過 RF 扼流圈，或者通過天線雙極的中心點。在 ANT1 和 ANT2 之間的負載阻抗應該在 200700U范圍內。通過簡單的匹配網絡或 RF 變壓器（不平衡變壓器）可以獲得較低的阻抗。 nRF905 頻率調制 nRF905 的調制采用高斯頻移鍵控（ GFSK），調制在 100kbps。頻率偏離在 KHz50? 。高斯頻移鍵控（ GFSK）調制教普通的頻移鍵控在更寬的帶寬傳輸連接有效。數據在內部進行曼切斯特編碼（ TX）和曼切斯特解碼（ RX）。就是說，有效地符號連接速率為 50kbps。通過采用內部曼切斯特編解碼，微控制器不需要制定編碼解碼規則。 nRF905 輸出頻率 nRF 905 的 RF 工作頻率由配置寄存器中的 CH_NO 和 HFREQ_PLL 設置。工作頻率計算公式如下： M H zP L LH FR E QNOCHf op )_1(*)10/ 2 2( ??? 當 HFREQ_PLL=“ 0”，通道頻差為 100KHz，當 HFREQ_PLL=“ 1”， 通道頻差為 200KHz，應用工作頻率的選擇必須使用 Shock 范圍內，其具體的工作頻率對應的設置如表 2。 7 表 2 nRF905 工作頻率的設置表 工作頻率 HFREQ_PLL CH_NO [0] [001001100] [0] [001101011] [0] [001101100] [0] [001111011] [1] [001010110] [1] [001110101] [1] [001110110] [1] [001111101] [1] [100011111] [1] [100100000] [1] [110011111] 高頻頭輸出接口電路 nRF905 模塊引出的高頻頭引出的管腳接口及實物圖如圖 5 所示。 圖 5 nRF905 模塊引出的高頻頭管腳接口及實物圖 nRF905 模塊各管腳說明如表 3，其中 VCC 腳接電壓范圍為 ~ 之間，不能在這個區間之外，超 過 將會燒毀模塊，本系統采用 。除電源 VCC 和接地端，其余腳都可以直接和普通的 5V 單片機 IO 口直接相連，無需電平轉換。若硬件上沒有 SPI 的單片機，可以用普通單片機 IO 口模擬 SPI，不需要單片機 SPI 模塊介入，只需添加代碼模擬 SPI 時序即可。 表 3 nRF905 高頻頭管腳說明圖 管腳 名稱 管腳功能 說明 1 VCC 電源 電源 +~ DC 2 TX_EN 數字輸入 TX_EN= 1 TX 模式 TX_EN= 0 RX 模式 3 TRX_CE 數字輸入 使能芯片發射或接收 4 PWR_UP 數字輸入 芯片上電 5 uCLK 時鐘輸出 本模塊該腳廢棄不用，向后兼容 8 管腳 名稱 管腳功能 說明 6 CD 數字輸出 載波檢測 7 AM 數字輸出 地址匹配 8 DR 數字輸出 接收或發射數據完成 9 MISO SPI 接口 SPI 輸出 10 MOSI SPI 接口 SPI 輸入 11 SCK SPI 時鐘 SPI 時鐘 12 CSN SPI 使能 SPI 使能 13 GND 地 接地 14 GND 地 接地 AT89S52 單片機 At89S52 單片機有 8K 字節在系統可編程 Flash 存儲器、 1000 次擦寫周期、全靜態操作： 0Hz～ 33Hz、三級加密程序存儲器 、 32 個可編程 I/O 口線 、 三個 16 位定時器 /計數器 、 八個中斷源 、 全雙工 UART串行通道 、 低功耗空閑和掉電模式 、 掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器 、 雙數據指針、掉電標識符。 單片機外圍電路首先由復位電路、晶振電路，使能信號置高構成最小系統，保證其正常運行，在 P0 口處，加上了 10K 的上拉電阻，并從 P0 口外接部分開關和發光二極管， nRF905 高頻頭的引腳與單片機相連，串口連接 MAX232 最終連接到主機串口， 連接溫度傳感器 dq 引腳，其具體的連接方式如圖 6 所示。 圖 6 單片機硬件連接原理圖 9 單片機與 nRF905 通信 單片機與 nRF905 高頻頭通信模塊是本系統中硬件電路的核心元件，由單片機的 I/O 口分別控制nRF905 模塊狀態連接口（ AM、 DR、 CD）、模式接口（ PWR_UP、 TRX_CE、 TX_EN）、和 SPI 接口（ CSN、SCK、 MIOS、 MOSI）。其連接方式為如下表 4。 表 4 nRF905 和單片機連接方式 Nrf905 AT89S51 狀態連接口 AM P1^5 DR P1^4 CD P1^6 模式接口 PWR_UP P1^2 TRX_CE P1^1 TX_EN P1^0 SPI 接口 CSN P3^4 SCK P3^3 MISO P1^7 MOSI P3^2 對于單片機，可以利用通用的 I/O 口模擬 ISP 接口進行通信。 nRF905 模塊所有配置字都是通過模擬 SPI 接口送給 RF905。模擬 SIP 接口的工作方式可通過 SPI 指令進行設置。當 RF905 處于空閑模式或關機模式時， SPI 接口可以保持在工作狀態。 1. SPI 接口 寄存器 SPI 接口由狀態寄存器、射頻配置寄存器、發送地址寄存器、發送數據寄存器和接收數據寄存器5 個寄存器組成。狀態寄存器包含數據準備好引腳狀態信息和地址匹配引腳狀態信息；射頻配置寄存器包含收發器配置信息，如頻率和輸出功能等；發送地址寄存器包含接收機的地址和數據的字節數；發送數據寄存器包含待發送的數據包的信息，如字節數等；接收數據寄存器包含要接收的數據的字節數等信息。 SPI 接口由 5 個內部寄存器組成執行寄存器的回讀模式來確認寄存器的內容。 SPI 接口只有在掉電模式和 Standby 模式是激活的。其原理圖如圖 7。各寄存器的作用如下： 10 E ND T AC L KS P I 接 口狀 態 寄 存 器E ND T AC L KR F 配 置 寄 存 器E ND T AC L K發 送 地 址E ND T AC L K發 送 有 效 數 據E ND T AC L K接 收 有 效 數 據M I S OM O S IS C KC S N 圖 7 SPI 寄存器內部原理圖 （ 1） 狀態寄存器：包含數據就緒 DR 和地址匹配 AM 狀態。 （ 2） RF 配置寄存器：包含收發器的頻率，輸出功率等配置信息。 （ 3）發送地址：寄存器包含目標器件地址字節長度由配置寄存器設置。 （ 4）發送有效數據：寄存器包含發送的有效 ShockBurst數據包數據字節長度由配置寄存器設置。 （ 5）接收有效數據：寄存器包含接收到的有效 ShockBurst數據包數據字節長度由配置寄存器設置在寄存器中 的有效數據由數據準備就緒 DR 指示。 2. SPI 接口工作時序 SPI 讀寫時序原理圖如圖 8 圖 9， nRF905 與單片機模擬 SPI 接口通信，對 nRF905 進行讀、寫操作時 , 通過 CSN 的由高到低的跳變來使能 nRF905。 nRF905 內置完整的通信協議 , 軟件設計主要集中在實現對 nRF905 模塊的有效初始配置 , 以及 MCU 與 nRF905 模塊之間 SPI 通信的實現。其中須保證MCU 與 nRF905 模塊時序的一致 , 并充分考慮 nRF905 模塊對時序的要求。 圖 8 SPI 讀時序操作 11 圖 9 SPI 讀時序操作 單片機與主機通信 單片機與 PC 機通信是通過串口 TXD、 RXD 完成，其中包含了 TTL 電平與 RS232 電平之間的轉換，本系統中，采用 MAX232 芯片用來做電平轉換。 MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS232 標準串口設計的接口電路 ,使用 +5v 單電源供電，其硬件原理圖如圖 10。 MAX232 內部結構包括三個部分：電荷泵電路、數據轉換通道、供電。 （ 1）電荷泵電路由 6 腳和 4 只電容構成。功能是產生 +12v 和 12v 兩個電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 （ 2） 數據轉換通道由 1 1 1 14 腳構成兩個數據通道。其中 13 腳（ R1IN）、12 腳（ R1OUT）、 11 腳（ T1IN）、 14 腳（ T1OUT）為第一數據通道。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數據通道。 TTL/CMOS 數據從 T1IN、 T2IN 輸入轉換成 RS232 數據從 T1OUT、 T2OUT 送到電腦 DP9 插頭； DP9 插頭的 RS232 數據從 R1IN、 R2IN 輸入轉換成 TTL/CMOS數據后從 R1OUT、 R2OUT 輸出。 （ 3）供電， 15 腳 DNG、 16 腳 VCC 使用 5V 電壓供電。 圖 10 MAX232 電平轉換硬件原理圖 12 單片機程序下載模塊 ATMEGA16 單片機支持在線編程，因此只需將單片機的對應引腳與 ISP 下載器相連即可完成單片機的在線編程。本文使用的 ISP 下載器的引腳定義如圖 11 所示。如果用編程器燒寫單片機的程序存儲器，每修改一次程序就要拔下芯片編程后在插入系統中運行，這樣不但麻煩，而且很容易對芯片和電路板造成損傷。 M O S I 1N C 3R S T 5S C K 7M I S O 92 V C C4 G N D 6 G N D8 G N D1 0 G N D 圖 11 ISP 下載接口電路圖 DS18B20 溫度傳感器 溫度傳感器概述 溫度傳感器選擇 新一代產品中性能最好的 DS18B20， 測量溫度范圍為 55176。C~+125176。C，在 10~+85176。C范圍內 ,精度為 177。176。C。現場溫度直接以 “一線總線 ”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量，如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。與前一代產品不同，新的產品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便。而且新一代產品更便宜，體積更小。 其封裝圖如圖 12,共有 PR35 和 SOSI 兩種封裝方式，本系 統采用 PR35 封裝。 D S 1 8 B 2 01 2 3 G N D I/O U D OP R 3 5 封 裝I O 1G N D 2N C 3N C 48 V C C7 N C6 N C5 N CS O S I 封 裝 圖 12 DS18B20 PR35和 SOSI 封裝 溫度傳感器構成及原理 DS18B20 內部結構主要由 三部分構成 ： 64 位 激光 ROM、溫度傳感器、 非易失性溫度警告觸發器TH 和 TL。器件從單線的通信線取得其電源，在信號線為高電平的時間周期內，把能量貯存在內部的電容器中，在單信號線為低電平的時間期內斷開此電源，直到信號線變為高電平重新接上寄生（電容）電源為止。作為另一種可供選擇的方法 DS18B20 也可以用外部 5V 電源供電。圖 13 中所示的是 13 DS18B20 內部方框圖。 6 4 位 激 光 R O M單 線 接 口D QV C CG N D存 儲 器控 制 操 作高 速 緩 沖 區8 b i t C R C生 成高 溫 觸 發 器溫 度 傳 感 器低 溫 觸 發 器 圖 13 DS18B20 原理結構圖 與 DS18B20 的通信經過一個單線接口。在單線接口情況下，在 ROM 操作未定建立之前不能使用存儲器和控制操作，主機必須首先提供五種 ROM 操作命令之一： Read ROM、 Match ROM、 Search ROM、 Skip ROM、 Ala