基于nRF24L01的无线温湿度检测系统设计.docx
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基于nRF24L01的无线温湿度检测系统设计
本科毕业设计（论文）
（2014届）
论文题目基于nRF24L01的无线温湿度
检测系统设计
（英文）DesignofWirelessTemperatureandHumidityDetectionSystemBasedonnRF24L01
所在学院电子信息学院
专业班级电气工程及其自动化101班
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期2014年4月20日
摘要
温湿度是一个非常重要的参数。
在工业、医疗、军事和生活等许多地方，都需要用到检测装置来测量温湿度。
随着现代社会的告诉发展，传统直接布线测量方式已无法再满足现状，特别是在某些环境恶劣的工业环境和户外环境，通过直接布线测量显得苍白而无力，因此无线温湿度检测技术应运而生。
本设计主要由主控模块、无线传输模块、温湿度监测系统、显示模块、时间模块、电源模块等组成。
并通过对各种类模块进行对比和筛选，挑出比较适合该设计的模块。
主控模块采用单片机STC89C51，温湿度模块采用SHT11温湿度传感器，无线传输模块采用nRF24L01,时钟芯片采用DS12C887，显示模块采用液晶LCD1602。
单片机通过时钟模块获取时间数据，对数据进行处理；温湿度传感器采集温湿度信号送给单片机处理；单片机通过无线模块再把时间数据和温湿度数据发送到PC端，在显示模块上显示数据。
整个系统实现了实时监控环境温湿度的功能。
关键词：
温湿度；STC89C51；SHT11；nRF24L01
Abstract
Temperatureandhumidityisanimportantparameter.Inmanypartsoftheindustrial,medical,militaryandotherlife,youneedtousethedetectortomeasurethetemperatureandhumidity.Withthedevelopmentofmodernsocietytellstraditionaldirectmeasurementwiringcannolongermeetthestatus,especiallyinsomeharshindustrialenvironmentsandoutdoorenvironment,throughdirectmeasurementwiringlookedpaleandweak.Therefore,wirelesstemperatureandhumiditydetectiontechnologycameintobeing.
Primarilybythedesigncontrolmodule,wirelesstransmissionmodule,temperatureandhumiditymonitoringsystem,displaymodule,timemodule,powermodulesandothercomponents.Andthroughvarioustypesofmodulesforcomparisonandselection,pickmoresuitableforthedesignofthemodule.MastermoduleusingSCMSTC89C51,temperatureandhumiditymoduleusingSHT11temperatureandhumiditysensors,wirelesstransmissionmoduleusingnRF24L01,clockchipDS12C887,usingliquidcrystaldisplaymoduleLCD1602.SCMdataobtainedthroughtimeclockmodule,fordataprocessing;temperatureandhumiditysensorscollecttemperatureandhumiditysignaltothemicrocontrollerprocessing;microcontrollerthroughawirelessmoduleandthenthetemperatureandhumiditydataandtimedataissenttothePCside,thedatadisplayedonthedisplaymodule.Thefunctionofthewholesystemtoachievereal-timemonitoringoftemperatureandhumidity.
KeyWords:
Temperatureandhumidity;STC89C51;SHT11;nRF24L01
1 引言
随着社会生产的不断发展进步,许多工农业生产过程以及民用场合都需要对环境的温度和湿度进行检测并控制，比如：
粮仓、温室蔬菜大棚、通信基站、电力变电房、药厂、图书馆、博物馆等[1]。
在当今的工业、电力行业中，为了保证社会的正常运作以及人民的正常生活，保证电气设备的正常运行至关重要。
很多企业提倡对设备进行预防性的维护，而温度是预防性维护中最重要的监控参数，温度的过高或过低都可能潜藏着安全隐患。
所以实现温对度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段。
在传统的温湿度测量中分别采用温度传感器和湿度传感器采集温度和湿度信号并通过布置大量的电缆或导线进行有线传输在多测点的情况下这种方法无疑大大增加了成本和系统设计的复杂性同时安装拆卸繁琐不灵活信号容易受到干扰[2]。
如今，对农业环境实施技术的认识已经增加到行业当中。
对所需因素的手动搜集可以是零星的，不连续的，并且会在错误的测量中发生变化。
这可能会给控制重要的环境因素造成困难。
无线独特的传感器节点可以减少用于监控环境所需要的时间和精力。
数据日志允许数据减少，遗失或错放。
并且，这些数据也允许安置在关键位置，而不需要在危险情况下放置专门人员[3]。
目前，无线数据通信的应用领域越来越广：
遥控遥测、无线抄表、门禁系统、身份识别、非接触RF智能卡、无线标签、安全防火系统、生物信号采集、机器人控制等．凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。
所以在种种因素下，采用无线检测系统的优越性就体现出来了[4]。
2 总体设计
2.1方案论证及比较
2.1.1主控模块的选择
主控模块作为整个系统的控制核心，其性能的好坏对系统工作的影响是非常重要的，经过资料翻阅，初步设定以下两种方案供参考。
方案一：
STC89C51的主CPU电路选用STC89C52RC系列单片机，STC89C52RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。
STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。
方案二：
AT90S8515是一种AVR系列单片机，使用它系统无需程序存储器、数据存储器以及A／D转换器，大大简化了硬件的设计。
其内部的硬件看门狗电路及相应的看门狗指令控制，提高了系统的可靠性及安全性，适合用于组成智能检测及采集处理系统。
电荷耦合器件CCD是在大规模集成电路工艺基础上研制雨成的MOS型集成电路芯片。
自1970年美国贝尔实验室W．S．Boyle和G．E．Smith首先提出以来，其技术研究取褥了惊人的进展。
利用摄像镜头CCD把实时图像信息通过光电转换而再现信息存储与传递功能。
当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的电荷便能在CCD内作定向传输而实现自扫描。
它具有体积小、分辨率高、稳定性能良好、抗电磁干扰等特点[5]。
得以在工件尺寸检测、图像传真、智能传感器等方面广泛应用本文致力于线阵CCD智能检测系统的研制，将传感技术、智能技术和单片机相结合，实现了非接触在线检测，系统具有实时性、准确性、智能化、灵敏度高以及标准输出等优点。
由于本课题显示的信息简单，不需要显示复杂的信息，若采用该系统就造成资源浪费。
本着系统设计硬件选择经济实惠的原则，采用方案一。
2.1.2.温湿度检测系统的选择
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：
Vout=Vsupply[0.0062（sensor％RH）+0．16]，若Vsupply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Vsupply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1．50m。
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。
2.1.3.无线发射模块的选择
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NordicVLSI公司推出的单片机视频收发器，工作于433／868／915MHz，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1.9—3.6V。
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10dBm．接收功率为460dBm，在开阔地传输距离一般可达600m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200m[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。
方案二：
nRF24L01是一款工业级内置链路层逻辑的2.4HZ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。
2.1.4.显示模块的选择
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2-1发送端系统原理图
下位机子系统：
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2-2。
图2-2接收端系统原理图
3系统硬件设计
3.1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3-1所示。
图3-1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：
——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3-2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R1、R2分压，在RESET端产生复位高电平。
图3-2复位电路
3.2无线射频模块nRF24L01
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
3.2.1nRF24L01引脚功能
nRF24L01的封装及引脚排列如图所示。
各引脚功能如下：
图3-3nRF24L01封装图
CE：
使能发射或接收;
CSN，SCK，MOSI，MISO：
SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：
IRQ：
中断标志位；
VDD：
电源输入端；
VSS：
电源地；
XC2，XC1：
晶体振荡器引脚;
VDD_PA：
为功率放大器供电，输出为1.8V；
ANT1,ANT2：
天线接口；
IREF：
参考电流输入。
3.2.2工作模式
通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表所示。
待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；
待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；
待机模式下，所有配置字仍然保留。
在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。
表1：
nRF24L01四种工作模式
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
-
发射模式
1
0
1
数据在TX FIFO 寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式，直至数据发送完
待机模式2
1
0
1
TX FIFO 为空
待机模式1
1
-
0
无数据传输
掉电
0
-
-
-
3.2.3nRF24L01模块与单片机的连接原理图
nRF24L01单端匹配网络：
晶振，偏置电阻，去耦电容。
图3-4nRF24L01单端50Ω射频输出电路原理图
3.3温湿度传感器SHT11
3.3.1SHT11温湿度传感器的基本原理
SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。
由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。
COMSENETM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准12总线等电路全部集成在一个芯片内。
SHT11传感器的内部结构框图如图3-5所示
图3-5SHT11传感器内部就结构框图
SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。
SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。
经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号。
由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。
首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。
其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。
最后，传感器可直接通过12C总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。
3.3.2SHT11与单片机的管脚连接原理图
以下是SHT11与单片机的管脚连接原理图，如图3-6所示
图3-6SHT11与单片机的管脚连接图
3.4显示模块
显示模块采用的是液晶LCD1602。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
3.4.1LCD1602的引脚
以下是LCD1602的引脚图3-7。
图3-7
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
GND为电源地。
第2脚：
VCC接5V电源正极。
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极。
16脚背光负极。
3.4.2LCD1602与单片机的连接图
3.5电源模块
J1为lineinput5V,两个104电容为滤波电容，引脚分别接地，主要是滤掉高频纹波，防止自激震荡；47UF为滤波电容，主要是滤掉低频纹波；R1作限流作用以保护稳压二极管D2，当输入电压和输出负载电流发生变化时R1通过本身降压的变化，来调整稳压二极管D2的工作电流，从而起到稳压作用。
其原理图如图3-8所示
图3-85V转3.3V原理图
4系统软件设计
简单介绍系统软件组成。
4.1主程序流程图
4.2nRF4L01数据发送子程序
发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：
接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低
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