基于nrf905的無線溫度監控系統設計與應用論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 到 PC 機上實現溫濕度、酒精濃度、空氣質量的實時監控如可顯示實時溫度，就是一套通過無線方式實現溫濕度、酒精濃度、桂林電子科技大學畢業設計 (論文 )報告用紙 第 4 頁 共 31 頁 空氣質量的接受顯示系統。 基于無線收發芯片 nRF905 的溫度測量系統主要由五個模塊構成，分別為無線收發模塊、單片機控制模塊、蜂鳴器報警模塊、顯示模塊以及 PC 機監測 模塊。 總系統框圖如下圖 所示。 圖 總系統框圖 3 系統方案分析與選擇論證 系統方案設計 方案一：采用 AT89S52 八位單片機實現。單片機軟件編程的自由度大，可通過編程實現各種各樣的算術算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實現簡單，安裝方便。既可以單獨對多 DS18B20 控制工作，還可以與 PC 機通信 .運用主從分布式思想，由一臺上位機（ PC 微型計算機），下位機（單片機）多點溫度數據采集，組成兩級分布式多點溫度測量的巡回檢測系統 ,實現 遠程控制。另外 AT89C51 在工業控制上也有著廣泛的應用，編程技術及外圍功能電路的配合使用都很成熟。 方案二： 12C5A08S2 單片機是 STC 生產的單時鐘 /機器周期 (1T)的單片機 ,是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051單片機 ,指令代碼完全兼容傳統 8051,但速度快 812倍。內部集成 MAX810 專用復位電路， 8 路高速 10 位 A/D 轉換（ 250K/S,即 25 萬次 /秒），針對電機控制，強干擾場合。 從 機 1 DHT11 顯示 NRF9055 MQ3 從 機 2 顯示 NRF905 主 機 顯示 報警 PC 鍵盤 NRF905 從 機 3 MQ135 顯示 NRF905 桂林電子科技大學畢業設計 (論文 )報告用紙 第 5 頁 共 31 頁 考慮到此系統需要用到 A/D，系統的復雜 ,從性能和價格上綜合考慮我們選擇方案一，即用 12C5A08S2 作為本系統 的主控芯片。 方案一：采用 GSM 模塊進行通信， GSM 模塊需要借助移動衛星或者手機卡，雖說能夠遠距離傳輸，但是其成本較大、且需要內置 SIM 卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。 方案二：采用 TI 公司 CC2430 無線通信模塊，此模塊采用 Zigbee 總線模式，傳輸速率可達 250kbps，且內部集成高性能 8051 內核。但是此模塊價格較貴，且 Zigbee 協議相對較為復雜。 方案三：采用 nRF905 單片無線收發器是挪威 Nordic 公司推出的單片射頻發射器芯片，工作電壓為 ， 32 引腳 QFN 封裝（ 5mm5mm），工作于 433/868/915MHz3個 ISM 頻道。可以工作于 ShockBurst(自動處理前綴、地址和 CRC 方式 )。內置電壓調整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統提供 ~ 的工作電壓，載波檢測。 由于nRF905 功耗低，工作可靠 nRF905 沒有復雜的通信協議，完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信，因此很適用于無線數據傳輸系統的設計。它可應用在 :無線數據通訊、報警和安全系統、自動測試系統、家庭自動化控制、遙控裝置、監測、車輛安全系統、工業控制、遠程遙控及其它短距離無線高 速應用。 考慮到系統的復雜性和程序的復雜度，我們采用方案三作為本系統的通信模塊。 器 方案 方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測 1 攝氏度的信號是不適用的。 方案二：采用單片模擬量的溫度傳感器，比如 AD590,LM35 等。但這些芯片輸出的都是模擬信號，必須經過 A/D 轉換后才能送給計算機，這樣就使得測溫裝置的結構較復雜。另外，這種測溫裝置的一根線上只能掛一個傳感器，不能進行多點測量。即使能實現，也要用到復雜的算法，一定程度上也增加了軟件 實現的難度。 方案三：采用帶有 A/D 轉換功能的數字溫度傳感器 ,DHT11 現成的帶有 A/D 轉換功能的數字溫度傳感器 DHT11 直接輸出的數字信號，與單片機通信。 DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。濕度測量范圍是20~90%RH，對于 12 位的分辨率為 5%RH，測量范圍為 0 度 ~+50 度，對于 14 位的分辨率為 2 度。其溫濕度的測量范圍相對方案二窄，但其價格較低，經濟實惠。因此可以非常容易實現多點測量。輕松的組建傳感器網絡。 桂林電子科技大學畢業設計 (論文 )報告用紙 第 6 頁 共 31 頁 方案一：選擇主控為 ST7920 的帶字庫的 LCD12864 來顯示信息。 12864 是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數常用的漢字及 ASCII 碼，而且能夠繪制圖片，描點畫線，設計成比較理想的結果。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息， 1602 是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數字等信息，且價格便宜，容易控制。 方案三：采用 LED7 段數碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制，但不能顯示字符。 綜合以上方案，我們選擇了經濟實惠的字符液晶 LCD12864 來作為接收端的顯示。發送端用 LCD5110 顯示。 PC 機通信方案 采用 RS232 串 口與 PC 機通信。 系統最終方案設計 環境溫度參數監測是環境研究和火災安全防備的重要手段，傳統的有線定點采集、人工上報，這種方法正逐漸被新的技術所代替。目前常用的技術是基于無線模塊的環境監測方式，但是在一些用途精度要求不是很高的場所，如單位或家庭火災安全監測，這樣的產品價格過于昂貴，協議比較復雜，缺少靈活度。針對這一情況，本文利用12C5A08S2 單片機和 nRF905 設計了一個無線溫度采集系統。一般傳統的溫度傳感器的輸出信號均為模擬信號，需經過放大電路和 A／ D 轉換后才能與單片機連接，系統結構比較復雜。因此采用 帶有 A／ D 轉換功能的單片機 12C5A08S2 簡化了系統外圍電路。nRF905 是 Nordic 公司推出的單片射頻發射器芯片，可以自動完成處理字頭和 CRC，配置簡單方便，功耗低。本文的系統不僅克服了溫度采集系統在使用空間上的局限性，而且大大簡化了系統硬件電路。本文設計的無線節點溫度采集系統能夠用于實際多點溫度采集，結果也表明系統工作穩定，數據可靠，可以應用于室內和室外的溫度監測。 4 系統模塊硬件設計 系統硬件主要包含：由 DHT11 芯片構成的溫濕度采集電路、 nRF905 芯片構成的無線節點模塊與 PC 與單片機的串口通信系 統。 NRF905 無線收發模塊 nRF905 可以自動完成處理字頭和 CRC（循環冗余碼校驗）的工作，可由片內硬件自動完成解碼，使用 SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以 10dBm桂林電子科技大學畢業設計 (論文 )報告用紙 第 7 頁 共 31 頁 的輸出功率發射時電流只有 11mA，在接收模式時電流為 。 nRF905 單片無線收發器工作由一個完全集成的頻率調制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調節器組成。 ShockBurst 工作模式的特點是自動產生前導碼和CRC，可以很容易通過 SPI 接口進行編程配置。 nRF905 工作詳情 nRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技術。 ShockBurst 技術使 nRF905 能夠提供高速的數據傳輸，而不需要昂貴的高速 MCU 來進行數據處理 /時鐘覆蓋。通過將與RF 協議有關的高速信號處理放到芯內， nRF905 提供給應用的微控制器一個 SPI 接口，速率由微控制器己設定的接口速度決定。 nRF905 通過 ShockBurst 工作模式在 RF 以最大速率進行連接時降低數字應用部分的速度來降低在應用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和數據準備就緒 DR 信號通知 MCU一個有效的地址和數據包已經各接收完成。在 ShockBurst TX 模式中， nRF905 自 動產生前導和 CRC校驗，數據準備就緒 DR 信號通知 MCU 數據傳輸已經完成。總之，這意味著降低 MCU的存儲器需求也就是說降低 MCU 成本，又同時縮短軟件開發時間。 各管腳的詳細功能介紹如下表 所示： 表 各管腳的詳細功能 管腳 名稱 管腳功能 說明 1 VCC 電源 電源 + DC 2 TX_EN 數字輸入 工作模式選擇 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 （未使用） 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 1 14 GND 地 接地 nRF905 有兩種工作模式和兩種節能模式。兩種工作模式分別是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 發送模式，兩種節能模式分別是關機模式和 空閑模式。 nRF905 的工作模式由 TRX_CE、 TX_EN 和 PWR_UP 三個引腳決定。 與射頻數據包有關的高速信號處理都在 nRF905 片內進行，數據速率由微控制器配置的 SPI 接口決定，數據在微控制器中低速處理，但在 nRF905 中高速發送，因此中間有很長時間的空閑，這很有利于節能。由于 nRF905 工作在 ShockBurstTM 模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數據發射速率。在 ShockBurstTM 接收模式下，當一個包含正確地址和數據桂林電子科技大學畢業設計 (論文 )報告用紙 第 8 頁 共 31 頁 包被接收到后，地址匹配 (AM)和數據準備好 (DR)兩引腳通知微控 制器。在 ShockBurstTM發送模式， nRF905 自動產生字頭和 CRC 校驗碼，當發送過程完成后，數據準備好引腳通知微處理器數據發射完畢。由以上分析可知， nRF905 的 ShockBurstTM 收發模式有利于節約存儲器和微控制器資源，同時也減小了編寫程序的時間。下面具體詳細分析 典型的 nRF905 發送流程分以下幾步： 1．當微控制器有數據要發送時，通過 SPI 接口，按時序把接收機的地址和要發送的數據送傳給 nRF905， SPI 接口的速率在通信協議和器件配置時確定； 2．微控制 器置高 TRX_CE 和 TX_EN，激發 nRF905 的 ShockBurstTM 發送模式； 3． nRF905 的ShockBurstTM 發送：射頻寄存器自動開啟、數據打包 (加字頭和 CRC 校驗碼 )、發送數據包、當數據發送完成，數據準備好引腳被置高； 4． AUTO_RETRAN 被置高， nRF905不斷重發，直到 TRX_CE 被置低； 5．當 TRX_CE 被置低， nRF905 發送過程完成，自動進入空閑模式。 ShockBurstTM 工作模式保證，一旦發送數據的過程開始，無論TRX_EN 和 TX_EN 引腳是高或低，發送過程都會被 處理完。只有在前一個數據包被發送完畢， nRF905 才能接受下一個發送數據包。 nRF905 接收數據流程： 1．當 TRX_CE為高、 TX_EN 為低時， nRF905 進入 ShockBurstTM 接收模式； 2． 650us后， nRF905 不斷監測，等待接收數據； 3．當 nRF905 檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高； 4．當接收到一個相匹配的地址，地址匹配引腳被置高； 5．當一個正確的數據包接收完畢， nRF905 自動移去字頭、地址和 CRC 校驗位，然后把數據準備好引腳置高； 6．微控制器把 TRX_CE 置低， nRF905 進入空閑模式； 7．微控制器通過 SPI 口，以一定的速率把數據移到微控制器內； 8．當所有的數據接收完畢， nRF905 把數據準備好引腳和地址匹配引腳置低； 9． nRF905 此時可以進入 ShockBurstTM 接收模式、 ShockBurstTM 發送模式或關機模式。 當正在接收一個數據包時， TRX_CE 或 TX_EN 引腳的狀態發生改變， nRF905 立即把其工作模式改變，數據包則丟失。當微處理器接到地址匹配引腳的信號之后，其就知道 nRF905 正在接收數據包，其可以決定是讓 nRF905 繼續接收該 數據包還是進入另一個工作模式。 節能模式： nRF905 的節能模式包括關機模式和節能模式。 在關機模式， nRF905 的工作電流最小，一般為 。進入關