基于nrf24l01的无线温湿度检测系统设计-精品

基于nrf24l01的无线温湿度检测系统设计-精品内容摘要：

经济实惠的原则，采用 方案一。 温湿度 检测部分是用来显示 温湿 度信息，科学家根据不同的 检测 要求研制出多种方案，本人提取 几 种可以应用在本次系统的方案进行比较。 方案一： 采 用 Honeywell 公司相对湿度传感器 HIH3610，并配合 DALLAS 公司一线总线智能电池监视器件 DS2438 实现湿度采集，组成一种完全符合一线总线规范的湿度传感器。 相对湿度传感器 HIH3610 在供电电压为 5V 时，其消耗电流仅为 200mA，其输出电压为： V out=V supply[(sensor％ RH)+0． 16]，若 V supply固定为 5V，则其值仅由相对温度值决定。 由于一线总线上供电电压值为变量，故要求在进行湿度测量的同时还应测量电源电压 V supply 的值。 HIH3610 测量湿度值还与环境温度有关，故应进行温度补偿，补偿公式为： RH=(sensor％ RH)／1． 0546— 0． 0216T。 因此，为得到准确的湿度测量值，还应在测量湿度的同时测量环境温度和一线总线电源电压值。 DS2438 硬件资源有 2 个 ADC 和 1 个温度传感器；电压 ADC 对 0 一 IOV 输入信号实现 10 位变换或通过内部多路开关对 0— 5V 输入信号实现 9 位变换，用来读取加 在电源引脚上的电压硬件资源有 2 个ADC 和 1个温度传感器，电压 ADC 对 0— 10V 输入信号实现 10位变换或通过内部多路开关对 0— 5V 输入信号实现 9 位变换，用来读取加在电源引脚上的电压。 Sl8820H1 是 DALLAS 公司推出的智能型数字式温度传感器，它采用一线接口，既可通信，又可通过数据线供电，只需占用微处理器的一个 I／ 0位；并且 DSl8820[6]将测的温度信号转换为数字量输出，可以直接与微处理器相连，大大简化了电路的设计。 DSl8820 本身带有命令集和存储器，微处理器通过发出控制命令，对DSl8820 的存储器 进行读写，完成温度测量。 这个 方案 主要的缺点是 逻辑电路复杂， 器件和维护的成本较高 ，不利于 大量投入农业设备的检测。 方案二： SHT11 是单片集成的数字温湿度传感器，所有信号的调理都在芯片内部完成，采用 I2C 总线串行接口电路实现通信，完成数据和时钟的传输，而且直接输出数字信号。 这样不仅节省了单片机的 I/O 口线，而且减少了 A/D 转换器件，降低了成本，与单片机接口简单、检测准确、稳定性好，实现了对温湿度参9 数的测量。 在实际测量中由于 SHT11 的输出特性呈一定的非线性，采用软件补偿以获取准确数据。 该温湿度传感器 功能强大， 且具有高度的可靠性和长时间的稳定性等特点， 价格 也相对 低廉， 所以 完全 符合 本次设计系统 的需要。 方案三： HMP45D 温湿度传感器 是由温度 传感器 和 湿度 传感器组成。 其中，温度传感器是铂电阻温度传感器，湿度传感器是湿敏电容湿度传感器。 铂电阻的特点是：温度系数较大，即灵敏度较大；电阻率较大，易于绕制高阻值的元件；性能稳定，材料易于提纯；测温精度高，复现性好。 湿敏电容传感器是用有机高分子膜作介质的一种小型电容器。 HMP45D 温湿度传感器的头部 必须有 保护滤纸，防止感应元件被尘埃污染。 湿敏电容不能长时间暴露在含有某些化学物 质的气体中，否则可能改变它的性能，缩短使用寿命。 所以，应定期拆开传感器的头部网罩，清洗滤纸或者更换新的滤纸 [7]。 首先，对于应用于农牧业的温湿度检测系统，这一点显得非常的不现实。 其次，该温湿度传感器必须 安装在百叶箱内。 传感器的中心点离地面 1． 50 m。 这会使得检测的结果失去一定的准确性。 所以这个也不适合。 综上所述，方案二比较符合本次设计的要求。 本次设计是基于无线设备的温湿度监测系统，所以，无线设备的稳定性和准确性非常的重要。 经总结，归纳了以下 两 种方案。 方案一： nRF905 是 Nordic VLSI 公司推出的单片机视频收发器，工作于 433／ 868／ 915 MHz， 3个 ISM(工业、科学和隧学 )频道，采用 32脚 O刚封装，芯片尺寸为 5m 5m，工作电压为 —。 它由频率合成嚣、功率合戒器、晶体振荡器和调制器组成，外围元件少，不用外加声表面振荡器，天线可采用 PBC环形天线或单端鞭状天线，发射功率最太为 10 dBm．接收功率为 460 dBm，在开阔地传输距离一般可达 600 m 以上。 (在地形复杂时会缩短距离，这与使用环境、干扰、系统调谐有关。 但一般调谐不可大于 200 m[8]。 由于该系统应用于农牧业，应用环境非常巨大，所以，这一点不能满足设计的需要。 10 方案二： nRF24L01 是一款工业级内置链路层逻辑的 超低成本的无线收发芯片 ,nRF24L01 支持多点间通信 ,最高传输速率达 2Mbit/s,比蓝牙具有更高的传输速度。 它采用 SOC 方法设计只需少量外围元件便可组成射频收发电路。 与蓝牙不同的是 ,nRF24L01 没有复杂的通信协议 ,它完全对用户透明通过一个标准的 SPI 接口与外围控制器连接 ,同种产品之间可以自由通信 ,并且比蓝牙产品更便宜。 所以 nRF24L01 是业界体积最小、功耗 最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片 [9]。 基于以上特点，该无线传输模块满足本次设计的需要。 综上所述，方案二比较合适。 方案一：选择主控为 ST7920 的带字库的 LCD12864 来显示信息。 12864 是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及 ASCII 码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 显示信息， 1602 是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。 方案三：采用 LED7 段数码显示管显 示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。 综上所述 ，我们选择了经济实惠的字符液晶 LCD1602 来作为接收端的显示。 发送端用 7 段数码管显示。 本次设计的无线温湿度监控系统有上位机子系统 （发送端） 和下位机子系统（接收端） 两个部分组成。 上位机子系统 ： 图 21 发送端系统原理图 下位机子系统 ： 11 该系统主要 由 STC89C51 单片机， nRF24L01 无线射频模块，液晶显示，温湿度传感器 ，时钟模块 和 电源模块组成 如图 22。 图 22 接收端 系统原理图 12 3 系统硬件设计 单片机主控模块 STC系列单片机是美国 STC公司最新推出的一种新型 51内核的单片机，片内含有 Flash程序存储器、 SRAM、 UART、 SPI、 A\D、 PWM 等模块，其中 STC89C51 的基本功能与普通的 51 单片机完全兼容。 时钟电路图 : 时钟模块选用时钟芯片 DS12C887。 它将晶体振荡器电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块 ，其原理图如图31所示。 图 31 时钟模块原理图 其 功能和特点  在没有外 部电源的情况下可工作 10年  自带晶体振荡器及锂电池  可计算到 2100年前秒、分、小时、周、日、月、年七种日历信息并带闰年补偿  用二进制码或 BCD码代表日历和闹钟信息  有 12小时和 24小时两种制式， 12小时制有 AM 和 PM 提示  数据／地址总线复用  内建 128BRAM， 14B时钟控制寄存器， l14B通用 RAM  可编程方波输出、总线兼容中断  三种可编程中断： 13 —— 时间性中断，可产生每秒一次至每天一次中断 —— 周期性中断 122ms到 500ms —— 时钟更新结束中断 复位电路电路图： 复位是单片机 的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使 CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种方式，按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。 而本次设计选择按键电平复位，按复位键后复位端通过电阻与 VCC电源接通。 如图 32所示，因为采用了 12MHz,每机器周期为 1us，则只需要 2us以上时间的高电平，在 RST引脚 （在电容器 C3的负端 ）出现高电平后的第二个机器周期执行复位，利用电容充电来实现，在接电的瞬间，RESET端 的电位与 VCC相同，随着充电电流的减少， RESET的电位逐渐下降，当按下 RESET键，此时电源 VCC经过电阻 R R2分压，在 RESET端产生复位高电平。 图 32 复位电路 无线射频模块 nRF24L。