【文章內(nèi)容簡介】 2單片機晶振電路是CPU工作的心臟，所以在設計系統(tǒng)的晶振電路時一定要對單片機的內(nèi)部機構性能有非常詳細的了解，才能保證單片機能夠正常的在系統(tǒng)中起到核心控制的作用，STM32單片機有兩個晶振時鐘源，一個是系統(tǒng)時鐘源工作電路，該電路采用8M頻率的晶振作為起振電路，外接兩個22pF的電容輔助晶振電路的正常工作；另一個時鐘源是STM32單片機特有的RTC時鐘源，該單片機內(nèi)部集成有RTC時鐘電路，能夠較容易的使用程序驅動內(nèi)部RTC時鐘的工作，使系統(tǒng)在對實時時間的程序編寫及硬件電路的設計簡化了很多問題。圖31 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理圖 溫濕度傳感檢測模塊DHT11傳感器是一款能夠輸出溫度和濕度的數(shù)字式溫濕度一體傳感器，并且該傳感器的輸出信號已經(jīng)經(jīng)過校準后輸出給控制器。為了確保該傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，器內(nèi)部采用了專用的溫濕度傳感技術和數(shù)字模塊采集技術。該傳感器采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，并且其體積小，功耗低，傳輸距離能達到20米以上，能夠很好的與單片機進行連接嵌入到系統(tǒng)中。DHT11溫濕度傳感器的濕度檢測范圍是20％~90％RH；177。5％RH的測量精度；溫度檢測的范圍是0~50℃，177。2℃的測量精度，供電范圍較寬，響應時間短，最長不超過5秒，DHT11溫度傳感器有4個外接引腳，給傳感器上電后，需要經(jīng)過一秒鐘左右的預熱時間，因為剛上電會有一個不穩(wěn)定過程，所以在這段時間內(nèi)控制器不需要發(fā)送任何指令個傳感器。 DHT11實物如圖32所示。圖32的三個引腳中有兩個是電源引腳，有一個是輸出數(shù)據(jù)的引腳，只需要給模塊供上正常的電壓，然后就可以通過單片機的某個IO口從DHT11的輸出引腳采集到所需要的溫濕度數(shù)據(jù)。DHT11是數(shù)字式的溫濕度傳感器，所以其DATA端可直接以數(shù)字方式傳輸所采集的當前環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，由于DHT11是通過單總線的通信方式進行檢測數(shù)據(jù)的輸出，所以僅需將MCU的一個IO接口與DHT11的DATA端連接在一起就能夠進行實時溫濕度數(shù)據(jù)的采集了，為了保證接收數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和正確性一般都會在DHT11的輸出端與單片機的連接處焊接一個5K的上拉電阻，該電路的設計相對于其他電路來說比較簡單。DHT11傳感器典型應用電路如圖33所示： 圖32 DHT11實物圖 圖33 DHT11傳感器典型應用電路 無線數(shù)據(jù)收發(fā)通訊模塊該模塊由Nordic公司生產(chǎn)的nRF24L01單片收發(fā)芯片及相關外圍電路搭建而成。nRF24L01無線通信模塊是目前市場上應用較為普遍的無線收發(fā)器件， GHz 之間。nRF24L01無線通信模塊可以通過軟件程序對通訊的通道及輸出功率進行配置，不僅內(nèi)部融合了ShockBurst技術，而且內(nèi)部繼承了多種功能模塊，包括頻率合成電路、功率放大器及振蕩器和解調器等。nRF24L01芯片的功耗低，當該模塊的發(fā)射功率在6dBm時，實際的測試的模塊電流僅在9mA左右；模塊工作在接收模式時，該模塊的掉電模式和空閑模式等多種低功率工作模式使節(jié)能設計更加方便。圖34 nRF24L01無線通訊模塊結構圖及實物（1）nRF24L01芯片的引腳排列及各引腳功能描述如下圖所示。圖35 nRF24L01芯片引腳引腳功能說明引腳功能CE使能發(fā)射或接收CSN，SCK，MOSI，MISOSPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01IRQ中斷標志位VDD電源輸入端VSS電源地XC2，XC1晶體振蕩器引腳VDD_PA為功率放大器供電， VANT1,ANT2天線接口IREF參考電流輸入（2）nRF24L01模塊有四種工作模式，包括發(fā)射模式、接收模式、空閑模式及掉電模式，這四種工作模式可以通過配置其內(nèi)部寄存器進行設置。，當nRF24L01模塊工作在待機模式1狀態(tài)時，沒有任何數(shù)據(jù)的傳輸，因此其工作的電流損耗將會在最低狀態(tài)；如果使模塊處于待機模式2狀態(tài)時，需要CE=1且寄存器FIFO內(nèi)部為空；當模塊在掉電模式時，模塊將會進入待機模式，雖然此時模塊在待機模式，但是仍然會保留寄存器所有的配置的數(shù)據(jù)，此時模塊的電流損耗最小。 nRF24L01模塊的工作模式模式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TXFIFO寄存器中發(fā)射模式101→0停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機模式2101TX_FIFO為空待機模式110無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦? LCD液晶顯示模塊在本系統(tǒng)中LCD12864液晶顯示用于顯示當前的日期時間、主機周圍的溫濕度數(shù)據(jù)以及從機一和從機二周圍的溫濕度數(shù)據(jù)。LCD12864的顯示功能比較強大，不僅僅能顯示中文和英文，而且一些較為復雜的圖形符號都可以通過編程的方式在液晶屏上顯示出來，LCD12864液晶屏與單片機的連接方式有串行連接和并行連接，可以根據(jù)不同場合和顯示數(shù)據(jù)量的大小進行選擇。并行連接的數(shù)據(jù)顯示和傳輸速度快，適合對顯示速度要求高的場合，但是IO資源占用的較多；串行連接的數(shù)據(jù)顯示和傳輸速度相對較慢，但是其IO資源占用較少，對顯示速度要求不高的場合可以選用串行方式連接。并且LCD12864液晶屏的顯示程序比較簡單，與外部控制器的電路設計連接非常方便，能夠很好的嵌入到系統(tǒng)中。雖然本系統(tǒng)中單片機接口資源豐富，但是考慮減輕電路焊接的工作量，所以采用串行傳輸?shù)姆绞脚cLCD12864液晶顯示屏連接通訊。LCD12864液晶顯示屏實物如圖36所示。 蜂鳴語音報警模塊及模擬繼電器LED指示模塊由于蜂鳴器是直流電壓驅動期間，只需給蜂鳴器供上額定的電壓就能驅動蜂鳴器發(fā)出響聲。單片機驅動蜂鳴器有兩種方式：一種是通過單片機輸出PWM直接對蜂鳴器進行驅動，另一種是通過單片機的IO電平翻轉產(chǎn)生不同的驅動波形對蜂鳴器進行驅動。因為蜂鳴器的工作電流比較大，所以無法直接通過單片機的IO口進行驅動，一般需要通過放大電路才能驅動蜂鳴器發(fā)出聲響。驅動電路如圖37所示。圖36 LCD12864液晶顯示屏圖37 報警驅動電路 電源驅動模塊電源適配器能夠很好的輸出較為平穩(wěn)的直流電壓，其輸出電流也相對穩(wěn)定，并且電源適配器有塑料外殼能夠起到電源芯片的防塵和防爆作用，其內(nèi)部電路的功耗較低，穩(wěn)定性也相對比較好，攜帶也比較方便。電源適配器一般都具有多種自我保護功能，使用更加安全可靠。此處我們選用5V1A的直流輸出型電源適配器作為電源驅動模塊。這種電源驅動模塊安全可靠、運行穩(wěn)定、工作效率高，并且適配器內(nèi)部還設計了過流保護，這樣就使得整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定。，，通過該穩(wěn)壓芯片的內(nèi)部整流和穩(wěn)壓電路對輸出電壓進行精確的降壓，保證控制系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。圖38 第4章 系統(tǒng)軟件設計 軟件的總體設計 發(fā)送部分對于發(fā)送部分的總體循環(huán)思路，首先對DHT11溫濕度傳感器進行初始化操作，然后從DHT11讀出溫度和濕度數(shù)據(jù)，將得到的溫濕度數(shù)據(jù)的轉化成十進制，分別取溫濕度數(shù)據(jù)的高兩位（即整數(shù)部分）寫入TX_buffer發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)組，然后初始化nRF24L01，將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送出去，其工作流程圖如圖45所示。 接收部分對于接收部分總體思路的設計，首先對nRF24L01模塊進行初始化操作，然后程序進入while(1)大循環(huán)函數(shù)進行掃描是否有接收中斷信號的到來。如果檢測到中斷信號的到來就從RX_buffer讀取數(shù)據(jù)，并將讀取到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)計算和處理后在LCD12864液晶顯示屏上面顯示出來，其工作流程圖如圖46所示。圖45 發(fā)射部分總體流程圖 圖46 接收部分總體流程圖 部分軟件設計 傳感節(jié)點溫濕度檢測的軟件設計為了確保通信數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性和準確性，對于DHT11溫濕度檢測傳感器軟件設計的測溫原理必須遵循標準的單總線通信協(xié)議，單片機通過標準的時序寫入和讀出DHT11寄存器中的數(shù)據(jù)，包括初始化命令、等待應答脈沖、發(fā)送指令及數(shù)據(jù)合并計算等操作。傳感器復位完成后，需要等待接收應答信號，然后發(fā)送掃描命令并啟動溫度轉換，最后等待溫度轉換完畢后，保存數(shù)據(jù)。如此反復，完成所有操作，其流程圖如圖41所示。圖41 DHT11 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 無線發(fā)射模塊軟件設計首先需要對nRF24L01進行初始化，為了保證nRF24L01模塊的正常通信，需要從兩個部分進行初始化的操作，一部分是對單片機的IO的設置，另一部分是對單片機硬件SPI內(nèi)部寄存器的初始化配置。從機的nRF24L01模塊需要通過配置SPI的總線將使其進入準確的發(fā)送工作模式。在系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)發(fā)送階段時，還需要將數(shù)據(jù)的目標地址及本機地址寫入模塊的緩沖區(qū)，待延時一段時間后，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。其軟件的工作流程圖如圖42所示。圖42 無線發(fā)射軟件流程圖 無線接收模塊軟件設計主機在接收數(shù)據(jù)時，需要將nRF24L01模塊配置為接收狀態(tài)的工作模式。然后等待從機所發(fā)送數(shù)據(jù)的到來。當主機檢測到有數(shù)據(jù)發(fā)來時，主機需要檢測發(fā)送端的地址是否為有效地址，若通過有效地址和CRC校驗時，模塊會將發(fā)送端的數(shù)據(jù)存放到接收堆棧中，然后寄存器發(fā)送信號通知單片機進行數(shù)據(jù)的接收，單片機進入接收中斷，對數(shù)據(jù)進行完整的數(shù)據(jù)讀取。其工作流程圖如圖43所示。 LCD12864顯示模塊軟件設計LCD12864顯示電路采用串行接口連接方式，串行接口的電路連接方式能夠有效節(jié)省單片機的IO資源，數(shù)據(jù)顯示采用定時中斷循環(huán)掃描的方式。PBPBPB9分別為LCD12864液晶顯示的CS、SID、CLK，通過串行時鐘與數(shù)據(jù)指令發(fā)送相應函數(shù)，依次在LCD上顯示當前時間、主機房間的實時溫濕度、從機一及從機二的實時溫濕度，其流程圖如圖44所示。圖43 無線接收軟件流程圖圖44 LCD12864顯示部分軟件流程圖第5章 系統(tǒng)的調試及實驗結果 調試步驟第一步： 設計硬件電路原理圖，并完成系統(tǒng)硬件電路的焊接。第二步： 將主機系統(tǒng)與LCD12864液晶屏連接顯示，確保液晶顯示與STM32單片機能夠正常進行數(shù)據(jù)顯示。第三步： 將主機STM32單片機與溫濕度傳感器DHT11相連，燒寫讀取DHT11溫濕度的C程序，并在LCD12864液晶顯示屏上顯示出來，保證溫濕度檢測的硬件及軟件部分的正確。第四步： 將nRF24L01模塊與STM32單片機相連，給單片機寫入一個發(fā)送任意數(shù)據(jù)的檢測程序，保證主從機能夠正常的進行數(shù)據(jù)傳輸。第五步： 將LCD12864液晶顯示程序、nRF24L01無線收發(fā)程序、DHT11檢測程序等所有功能程序合并，調整函數(shù)調用順序，觀察從機數(shù)據(jù)能否正常發(fā)送給主機并在液晶上顯示出來。