【正文】 4L01主要特性如下[11]：(1) GFSK調(diào)制 (2) 硬件集成OSI鏈路層(3) 具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能(4) 片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼(5) 數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb/s(6) SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s(7) 125個(gè)頻道(8) 與其他nRF24系列射頻器件相兼容(9) QFN20引腳4 mm4 mm封裝(10) V～ V通過(guò)配置寄存器可將NRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表23所示。 20 40 60 80相對(duì)濕度%RH 圖24 HS1101 濕度—電容響應(yīng)曲線圖25 HS1101產(chǎn)品實(shí)物圖表22 HS1101常用參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)值單位工作溫度Ta40～100℃儲(chǔ)存溫度Tstg40～125℃供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0～100%RH焊接時(shí)間=260T10S NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件, GHz～ GHz ISM頻段。 HS1101電容傳感器有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)[10]。5℃，溫度計(jì)分辨率可以被使用者選擇為9~12位，最多在750ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)化為12位數(shù)字，用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置，報(bào)警命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度的器件。同時(shí)因?yàn)镈S18B20是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來(lái)越強(qiáng)大，體積越來(lái)越小，而價(jià)格也越來(lái)越低。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳遞到LCD1602屏上進(jìn)行顯示，并判斷是否超過(guò)設(shè)置上下限（溫度范圍1428℃，相對(duì)濕度范圍4560%RH）如超過(guò)則蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)將溫、濕度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊傳到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。(2) 技術(shù)指標(biāo)測(cè)溫范圍：20℃ ～100℃；測(cè)濕范圍：0～100%RH；測(cè)溫精度：177。(3) 利用開(kāi)關(guān)鍵設(shè)置溫度、濕度的報(bào)警值。 本課題研究的主要內(nèi)容由于一般博物館，檔案室的空間相對(duì)比較大，布置大量的數(shù)據(jù)線監(jiān)控環(huán)境數(shù)據(jù)影響美觀的同時(shí)又會(huì)帶來(lái)安全隱患，針對(duì)這樣的特殊環(huán)境，綜合整理的相關(guān)資料，提出設(shè)計(jì)一種無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決布線困難等問(wèn)題，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。這些被密集布置在叢林中的傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠在不破壞生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)植物生長(zhǎng)復(fù)雜的微觀環(huán)境因素，為科研人員研究生物行為提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。nRF24L01功耗低，在以6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9mA。Nordic公司等公司已成功推出nRF24L01芯片。Zigbee技術(shù)的低功耗，低傳輸速率，高連接設(shè)備數(shù)十分適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模組網(wǎng)，藍(lán)牙技術(shù)雖然在傳輸速率上遠(yuǎn)高于Zigbee，但功耗和連接設(shè)備數(shù)的缺陷使得其并不適合應(yīng)用于大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，而適合于個(gè)人設(shè)備的互聯(lián)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀WiFi是基于IEEE ，其特點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)布置比較容易，數(shù)據(jù)傳輸速率高，應(yīng)用范圍非常廣，功耗高，可靠性及安全性的相對(duì)較低，移動(dòng)性差。為了使傳感器與計(jì)算機(jī)直接接口，致力于數(shù)字式傳感器研究是很重要的；智能化。有兩種類型。傳感器技術(shù)未來(lái)將向以下幾個(gè)方面發(fā)展：高精確度。近幾年，國(guó)外濕度傳感器有了較大的發(fā)展，特別是電阻式濕度傳感器發(fā)展更快，人們不僅在電阻式陶瓷濕度傳感器特性方面做了大量工作，而且在高分子電阻式濕度傳感器上做出可喜的研究成果，這種傳感器穩(wěn)定性好、精度高、響應(yīng)特性優(yōu)，這是應(yīng)當(dāng)引以重視的技術(shù)動(dòng)向[6]。檢測(cè)精度在177。這類器件的優(yōu)點(diǎn)是在50℃～+150℃范圍內(nèi)有良好的特性，體積小、響應(yīng)時(shí)間快、價(jià)格低。在電氣時(shí)代主要發(fā)展了金屬熱敏電阻。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量是從金屬(物質(zhì))的熱脹冷縮開(kāi)始。傳感器技術(shù)是2l世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)，各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感器技術(shù)視為現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[3]。特別是在有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的限制不便架設(shè)線路的情況下，使用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸顯得更加實(shí)用、高效、快捷。眾多的線纜不僅帶來(lái)布線復(fù)雜的不便，而且存在著短路、斷線隱患，成本高、易老化，錯(cuò)綜復(fù)雜的線路還給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增加了難度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對(duì)環(huán)境提出了更高的要求：制造大規(guī)模集成電路需要極高的空氣潔凈度，生物化學(xué)制藥需要精確的溫濕度控制。比如在檔案室、圖書(shū)館等場(chǎng)所布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控和現(xiàn)實(shí)相關(guān)參數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警，控制空調(diào)等功能。近年來(lái)，無(wú)線通信、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式計(jì)算等技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了低成本、低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，促使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今活躍的研究領(lǐng)域[1]。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 課題背景溫度、濕度是非常重要的物理參數(shù)，與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取和處理能力使得其應(yīng)用范圍十分廣泛。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)有線方式的信號(hào)線，控制線，電源線混雜在一起，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，容易受到傳輸距離、電磁干擾等因素的影響而變的不穩(wěn)定，尤其是在測(cè)量點(diǎn)數(shù)較多或通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素會(huì)變得更加嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，對(duì)溫、濕度的監(jiān)測(cè)和控制已成為生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的技術(shù)要求。同時(shí)對(duì)于一些臨時(shí)使用的傳感器，搭接線纜十分不便。隨著微處理器以及微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字設(shè)備以其抗干擾、功耗低、便于微處理器控制的特點(diǎn)，逐漸成為測(cè)控系統(tǒng)中的主流。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國(guó)等西方國(guó)家也將此技術(shù)列為國(guó)家科技和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。水銀溫度計(jì)至今仍是各種溫度測(cè)量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達(dá)六、七百度。但它的缺點(diǎn)是一致性差、不易做到互換，而且PN結(jié)易受外界幅射的影響，穩(wěn)定性難以保證。1℃以內(nèi)，測(cè)溫范圍可以從絕對(duì)0～+2000℃。根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化控制的需要，國(guó)內(nèi)外正在開(kāi)展新一代濕度傳感器的研制與開(kāi)發(fā)。為了提高測(cè)控精度，必須使傳感器的精度盡可能地高；小型化。一種是將傳感器、放大器及溫度補(bǔ)償電路等集成在同一芯片上，減小體積，增強(qiáng)了抗干擾能力。這種傳感器一般是計(jì)算機(jī)與傳感器相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。藍(lán)牙技術(shù)特點(diǎn)為傳輸距離較短，系統(tǒng)成本高，集成度大，節(jié)點(diǎn)少。UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗條件下的高速率傳輸，但目前只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，欠缺組網(wǎng)能力，而且其產(chǎn)品化還處于起步階段，并沒(méi)有得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)許多公司也相繼推出基于nRF24L01的無(wú)線傳輸模塊。接收時(shí)，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事科技及民防國(guó)防、自然生態(tài)環(huán)境觀測(cè)、古建筑及文物保護(hù)、災(zāi)害預(yù)警及災(zāi)難救援、健康監(jiān)測(cè)及醫(yī)療護(hù)理、工業(yè)自動(dòng)控制與檢測(cè)、空間探索、智能家居、智能交通流量監(jiān)控、智能電力系統(tǒng)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及水利等諸多領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用前景和潛在的市場(chǎng)研發(fā)價(jià)值。本設(shè)計(jì)中采用STC89C52單片機(jī)，利用溫度傳感器DS18B濕度傳感器HS1101進(jìn)行溫濕度測(cè)量，并通過(guò)LCD1602顯示，如若溫濕度超過(guò)設(shè)定上下限利用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。(4) 實(shí)現(xiàn)溫度、濕度超限報(bào)警功能?！?；測(cè)濕精度：177。 元器件的選擇 單片機(jī)的選擇STC89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。單片機(jī)實(shí)物圖如圖21所示。由于DS18B20是單總線器件，測(cè)溫時(shí)無(wú)需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。DS18B20相對(duì)于其他溫度傳感器有以下幾方面特征。DS18B20芯片封裝結(jié)構(gòu)如圖23所示。(1) 全互換性在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正(2) 長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕 (3) 可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸(4) 高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性(5) 專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)(6) 可用于線性電壓或頻率輸出回路(7) 快速反應(yīng)時(shí)間相對(duì)濕度在0%～100%RH范圍內(nèi)；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5s；℃。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。表23 NRF24L01四種工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在TX FIFO 寄存器中發(fā)射模式101→0停在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式2101TX FIFO 為空待機(jī)模式110無(wú)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦? 本章小結(jié)本章首先是介紹了總體方案的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)的組成框圖，系統(tǒng)的組成框圖中明確的注明了系統(tǒng)各部分使用的傳感器和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的模塊。單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以AT89S52單片機(jī)為基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便地運(yùn)用于測(cè)試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，例如復(fù)位后PC=0000H，使單片機(jī)從第一個(gè)單元取指令。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。配置寄存器：該字節(jié)各位的意義如表32所示。另一種是寄生電源供電方式，單片機(jī)端口接單線總線。圖36 DS18B20與單片機(jī)接口電路 濕度采集電路設(shè)計(jì)HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。其工作電壓范圍為：≤≤16。當(dāng)電源接通時(shí)，由于6和2端的輸入為“0”，則定時(shí)器3腳輸出為“1”；又由于兩端電壓為0，故通過(guò)R4和R5對(duì)充電，當(dāng)兩端電壓達(dá)到時(shí)，定時(shí)電路翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)椤?”.此時(shí)555定時(shí)器內(nèi)部的放電BJT的基極電壓為“1”，放電BJT導(dǎo)通，從而使電容通過(guò)R3和內(nèi)部放電BJT進(jìn)行放電，當(dāng)兩端電壓降低到時(shí)，定時(shí)器又翻轉(zhuǎn)，使輸出變?yōu)椤?”，內(nèi)部放電BJT截止，又開(kāi)始通過(guò)R4和R5對(duì)充電，如此周而復(fù)始，形成振蕩[14]。空氣濕度通過(guò)555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，典型頻率濕度關(guān)系如表33所示（參考點(diǎn)：25℃，相對(duì)濕度：55%，輸出頻率：6660Hz）[15]。 LCD1602液晶顯示1602液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、位數(shù)多、程序簡(jiǎn)單的諸多優(yōu)點(diǎn)，頗受歡迎[16]。表35 1602引腳功能表編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2Data 1/02VDD電源正極10D3Data 1/03VL液晶顯示偏壓信號(hào)11D4Data 1/04RS數(shù)據(jù)/命令選擇（H/L）12D5Data 1/05R/W讀/寫(xiě)選擇端（H/L）13D6Data 1/06E使能信號(hào)14D7Data 1/07D0Data 1/015BLA背光源正極8D1Data 1/016BLK背光源負(fù)極1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有，阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，其中數(shù)字與字母同ASCII碼兼容。本設(shè)計(jì)采用蜂鳴音報(bào)警電路。報(bào)警電路使用蜂鳴器聲音報(bào)警，電路連接圖如圖39所示。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX FIFO中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā)；MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。主控電路采用以STC89C52為核心的單片機(jī)電路，溫度傳感器采用數(shù)字型溫度傳感器DS18B20，；濕度傳感器為電容性傳感器，通過(guò)與555振蕩電路相結(jié)合得出頻率信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)，由軟件部分進(jìn)行處理得到濕度值。圖41 主程序流程圖 溫度模塊程序設(shè)計(jì)溫度模塊主要包括DS18B20的初始化以及與單