基于nrf905的无线温度监控系统设计与应用论文(编辑修改稿)

基于nrf905的无线温度监控系统设计与应用论文(编辑修改稿)内容摘要：

到 PC 机上实现温湿度、酒精浓度、空气质量的实时监控如可显示实时温度，就是一套通过无线方式实现温湿度、酒精浓度、桂林电子科技大学毕业设计 (论文 )报告用纸 第 4 页 共 31 页 空气质量的接受显示系统。 基于无线收发芯片 nRF905 的温度测量系统主要由五个模块构成，分别为无线收发模块、单片机控制模块、蜂鸣器报警模块、显示模块以及 PC 机监测 模块。 总系统框图如下图 所示。 图 总系统框图 3 系统方案分析与选择论证 系统方案设计 方案一：采用 AT89S52 八位单片机实现。 单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。 而且体积小，硬件实现简单，安装方便。 既可以单独对多 DS18B20 控制工作，还可以与 PC 机通信 .运用主从分布式思想，由一台上位机（ PC 微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统 ,实现 远程控制。 另外 AT89C51 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。 方案二： 12C5A08S2 单片机是 STC 生产的单时钟 /机器周期 (1T)的单片机 ,是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051单片机 ,指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 812倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路， 8 路高速 10 位 A/D 转换（ 250K/S,即 25 万次 /秒），针对电机控制，强干扰场合。 从 机 1 DHT11 显示 NRF9055 MQ3 从 机 2 显示 NRF905 主 机 显示 报警 PC 键盘 NRF905 从 机 3 MQ135 显示 NRF905 桂林电子科技大学毕业设计 (论文 )报告用纸 第 5 页 共 31 页 考虑到此系统需要用到 A/D，系统的复杂 ,从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用 12C5A08S2 作为本系统 的主控芯片。 方案一：采用 GSM 模块进行通信， GSM 模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置 SIM 卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。 方案二：采用 TI 公司 CC2430 无线通信模块，此模块采用 Zigbee 总线模式，传输速率可达 250kbps，且内部集成高性能 8051 内核。 但是此模块价格较贵，且 Zigbee 协议相对较为复杂。 方案三：采用 nRF905 单片无线收发器是挪威 Nordic 公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为 ， 32 引脚 QFN 封装（ 5mm5mm），工作于 433/868/915MHz3个 ISM 频道。 可以工作于 ShockBurst(自动处理前缀、地址和 CRC 方式 )。 内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供 ~ 的工作电压，载波检测。 由于nRF905 功耗低，工作可靠 nRF905 没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，因此很适用于无线数据传输系统的设计。 它可应用在 :无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制、远程遥控及其它短距离无线高 速应用。 考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。 器 方案 方案一：采用热敏电阻，可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测 1 摄氏度的信号是不适用的。 方案二：采用单片模拟量的温度传感器，比如 AD590,LM35 等。 但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过 A/D 转换后才能送给计算机，这样就使得测温装置的结构较复杂。 另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量。 即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件 实现的难度。 方案三：采用带有 A/D 转换功能的数字温度传感器 ,DHT11 现成的带有 A/D 转换功能的数字温度传感器 DHT11 直接输出的数字信号，与单片机通信。 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。 湿度测量范围是20~90%RH，对于 12 位的分辨率为 5%RH，测量范围为 0 度 ~+50 度，对于 14 位的分辨率为 2 度。 其温湿度的测量范围相对方案二窄，但其价格较低，经济实惠。 因此可以非常容易实现多点测量。 轻松的组建传感器网络。 桂林电子科技大学毕业设计 (论文 )报告用纸 第 6 页 共 31 页 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。 综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶 LCD12864 来作为接收端的显示。 发送端用 LCD5110 显示。 PC 机通信方案 采用 RS232 串 口与 PC 机通信。 系统最终方案设计 环境温度参数监测是环境研究和火灾安全防备的重要手段，传统的有线定点采集、人工上报，这种方法正逐渐被新的技术所代替。 目前常用的技术是基于无线模块的环境监测方式，但是在一些用途精度要求不是很高的场所，如单位或家庭火灾安全监测，这样的产品价格过于昂贵，协议比较复杂，缺少灵活度。 针对这一情况，本文利用12C5A08S2 单片机和 nRF905 设计了一个无线温度采集系统。 一般传统的温度传感器的输出信号均为模拟信号，需经过放大电路和 A／ D 转换后才能与单片机连接，系统结构比较复杂。 因此采用 带有 A／ D 转换功能的单片机 12C5A08S2 简化了系统外围电路。 nRF905 是 Nordic 公司推出的单片射频发射器芯片，可以自动完成处理字头和 CRC，配置简单方便，功耗低。 本文的系统不仅克服了温度采集系统在使用空间上的局限性，而且大大简化了系统硬件电路。 本文设计的无线节点温度采集系统能够用于实际多点温度采集，结果也表明系统工作稳定，数据可靠，可以应用于室内和室外的温度监测。 4 系统模块硬件设计 系统硬件主要包含：由 DHT11 芯片构成的温湿度采集电路、 nRF905 芯片构成的无线节点模块与 PC 与单片机的串口通信系 统。 NRF905 无线收发模块 nRF905 可以自动完成处理字头和 CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成解码，使用 SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以 10dBm桂林电子科技大学毕业设计 (论文 )报告用纸 第 7 页 共 31 页 的输出功率发射时电流只有 11mA，在接收模式时电流为。 nRF905 单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。 ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过 SPI 接口进行编程配置。 nRF905 工作详情 nRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技术。 ShockBurst 技术使 nRF905 能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速 MCU 来进行数据处理 /时钟覆盖。 通过将与RF 协议有关的高速信号处理放到芯内， nRF905 提供给应用的微控制器一个 SPI 接口，速率由微控制器己设定的接口速度决定。 nRF905 通过 ShockBurst 工作模式在 RF 以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。 在ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和数据准备就绪 DR 信号通知 MCU一个有效的地址和数据包已经各接收完成。 在 ShockBurst TX 模式中， nRF905 自 动产生前导和 CRC校验，数据准备就绪 DR 信号通知 MCU 数据传输已经完成。 总之，这意味着降低 MCU的存储器需求也就是说降低 MCU 成本，又同时缩短软件开发时间。 各管脚的详细功能介绍如下表 所示： 表 各管脚的详细功能 管脚 名称 管脚功能 说明 1 VCC 电源 电源 + DC 2 TX_EN 数字输入 工作模式选择 3 TRX_CE 数字输入 使能芯片发射或接收 4 PWR_UP 数字 输入 芯片上电 5 Uclk 时钟输出 （未使用） 6 CD 数字输出 载波检测 7 AM 数字输出 地址匹配 8 DR 数字输出 接收或发射数据完成 9 MISO SPI 接口 SPI 输出 10 MOSI SPI 接口 SPI 输入 11 SCK SPI 时钟 SPI 时钟 12 CSN SPI 使能 SPI 使能 1 14 GND 地 接地 nRF905 有两种工作模式和两种节能模式。 两种工作模式分别是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 发送模式，两种节能模式分别是关机模式和 空闲模式。 nRF905 的工作模式由 TRX_CE、 TX_EN 和 PWR_UP 三个引脚决定。 与射频数据包有关的高速信号处理都在 nRF905 片内进行，数据速率由微控制器配置的 SPI 接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在 nRF905 中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。 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频数据发射速率。 在 ShockBurstTM 接收模式下，当一个包含正确地址和数据桂林电子科技大学毕业设计 (论文 )报告用纸 第 8 页 共 31 页 包被接收到后，地址匹配 (AM)和数据准备好 (DR)两引脚通知微控 制器。 在 ShockBurstTM发送模式， nRF905 自动产生字头和 CRC 校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。 由以上分析可知， nRF905 的 ShockBurstTM 收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。 下面具体详细分析 典型的 nRF905 发送流程分以下几步： 1．当微控制器有数据要发送时，通过 SPI 接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给 nRF905， SPI 接口的速率在通信协议和器件配置时确定； 2．微控制 器置高 TRX_CE 和 TX_EN，激发 nRF905 的 ShockBurstTM 发送模式； 3． nRF905 的ShockBurstTM 发送：射频寄存器自动开启、数据打包 (加字头和 CRC 校验码 )、发送数据包、当数据发送完成，数据准备好引脚被置高； 4． AUTO_RETRAN 被置高， nRF905不断重发，直到 TRX_CE 被置低； 5．当 TRX_CE 被置低， nRF905 发送过程完成，自动进入空闲模式。 ShockBurstTM 工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN 和 TX_EN 引脚是高或低，发送过程都会被 处理完。 只有在前一个数据包被发送完毕， nRF905 才能接受下一个发送数据包。 nRF905 接收数据流程： 1．当 TRX_CE为高、 TX_EN 为低时， nRF905 进入 ShockBurstTM 接收模式； 2． 650us后， nRF905 不断监测，等待接收数据； 3．当 nRF905 检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高； 4．当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高； 5．当一个正确的数据包接收完毕， nRF905 自动移去字头、地址和 CRC 校验位，然后把数据准备好引脚置高； 6．微控制器把 TRX_CE 置低， nRF905 进入空闲模式； 7．微控制器通过 SPI 口，以一定的速率把数据移到微控制器内； 8．当所有的数据接收完毕， nRF905 把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低； 9． nRF905 此时可以进入 ShockBurstTM 接收模式、 ShockBurstTM 发送模式或关机模式。 当正在接收一个数据包时， TRX_CE 或 TX_EN 引脚的状态发生改变， nRF905 立即把其工作模式改变，数据包则丢失。 当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道 nRF905 正在接收数据包，其可以决定是让 nRF905 继续接收该 数据包还是进入另一个工作模式。 节能模式： nRF905 的节能模式包括关机模式和节能模式。 在关机模式， nRF905 的工作电流最小，一般为。 进入关。