【文章內(nèi)容簡介】 主機(jī)顯示報(bào)警PC鍵盤NRF905從機(jī)3MQ135顯示NRF905圖 總系統(tǒng)框圖3 系統(tǒng)方案分析與選擇論證 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 主控芯片方案方案一：采用 AT89S52 八位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨(dú)對多 DS18B20 控制工作，還可以與 PC ，由一臺上位機(jī)（PC 微型計(jì)算機(jī)） ，下位機(jī)（單片機(jī)）多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集，組成兩級分布式多桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報(bào)告用紙 第 5 頁 共 31 頁點(diǎn)溫度測量的巡回檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。另外 AT89C51 在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。方案二：12C5A08S2 單片機(jī)是 STC 生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī),是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換（250K/S,即 25 萬次/秒） ，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合?？紤]到此系統(tǒng)需要用到 A/D，系統(tǒng)的復(fù)雜,從性能和價(jià)格上綜合考慮我們選擇方案一，即用 12C5A08S2 作為本系統(tǒng)的主控芯片。 無線通信模塊方案方案一：采用 GSM 模塊進(jìn)行通信， GSM 模塊需要借助移動(dòng)衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖說能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其成本較大、且需要內(nèi)置 SIM 卡，通信過程中需要收費(fèi)，后期成本較高。 方案二：采用 TI 公司 CC2430 無線通信模塊，此模塊采用 Zigbee 總線模式，傳輸速率可達(dá) 250kbps，且內(nèi)部集成高性能 8051 內(nèi)核。但是此模塊價(jià)格較貴，且 Zigbee 協(xié)議相對較為復(fù)雜。 方案三：采用 nRF905 單片無線收發(fā)器是挪威 Nordic 公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為 ，32 引腳 QFN 封裝（5mm5mm） ，工作于433/868/915MHz3 個(gè) ISM 頻道?？梢怨ぷ饔?ShockBurst(自動(dòng)處理前綴、地址和 CRC方式) 。內(nèi)置電壓調(diào)整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統(tǒng)提供 ~ 的工作電壓，載波檢測。 由于 nRF905 功耗低，工作可靠 nRF905 沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信，因此很適用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它可應(yīng)用在:無線數(shù)據(jù)通訊、報(bào)警和安全系統(tǒng)、自動(dòng)測試系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化控制、遙控裝置、監(jiān)測、車輛安全系統(tǒng)、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程遙控及其它短距離無線高速應(yīng)用。考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和程序的復(fù)雜度，我們采用方案三作為本系統(tǒng)的通信模塊。 溫濕度傳感器方案方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，對于檢測 1 攝氏度的信號是不適用的。方案二：采用單片模擬量的溫度傳感器，比如 AD590,LM35 等。但這些芯片輸出的都是模擬信號，必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才能送給計(jì)算機(jī)，這樣就使得測溫裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，這種測溫裝置的一根線上只能掛一個(gè)傳感器，不能進(jìn)行多點(diǎn)測量。即使能實(shí)現(xiàn)，也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。方案三：采用帶有 A/D 轉(zhuǎn)換功能的數(shù)字溫度傳感器 ,DHT11 現(xiàn)成的帶有 A/D 轉(zhuǎn)換功能的數(shù)字溫度傳感器 DHT11 直接輸出的數(shù)字信號，與單片機(jī)通信。DHT11 數(shù)字溫桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報(bào)告用紙 第 6 頁 共 31 頁濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。濕度測量范圍是20~90%RH，對于 12 位的分辨率為 5%RH，測量范圍為 0 度~+50 度，對于 14 位的分辨率為 2 度。其溫濕度的測量范圍相對方案二窄，但其價(jià)格較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。因此可以非常容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量。輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。 顯示模塊方案方案一：選擇主控為 ST7920 的帶字庫的 LCD12864 來顯示信息。12864 是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數(shù)常用的漢字及 ASCII 碼，而且能夠繪制圖片，描點(diǎn)畫線，設(shè)計(jì)成比較理想的結(jié)果。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息，1602 是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價(jià)格便宜，容易控制。 方案三：采用 LED7 段數(shù)碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制，但不能顯示字符。綜合以上方案，我們選擇了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的字符液晶 LCD12864 來作為接收端的顯示。發(fā)送端用 LCD5110 顯示。 單片機(jī)與 PC 機(jī)通信方案采用 RS232 串口與 PC 機(jī)通信。 系統(tǒng)最終方案設(shè)計(jì)環(huán)境溫度參數(shù)監(jiān)測是環(huán)境研究和火災(zāi)安全防備的重要手段，傳統(tǒng)的有線定點(diǎn)采集、人工上報(bào)，這種方法正逐漸被新的技術(shù)所代替。目前常用的技術(shù)是基于無線模塊的環(huán)境監(jiān)測方式，但是在一些用途精度要求不是很高的場所，如單位或家庭火災(zāi)安全監(jiān)測，這樣的產(chǎn)品價(jià)格過于昂貴，協(xié)議比較復(fù)雜，缺少靈活度。針對這一情況，本文利用12C5A08S2 單片機(jī)和 nRF905 設(shè)計(jì)了一個(gè)無線溫度采集系統(tǒng)。一般傳統(tǒng)的溫度傳感器的輸出信號均為模擬信號，需經(jīng)過放大電路和 A／ D 轉(zhuǎn)換后才能與單片機(jī)連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。因此采用帶有 A／D 轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī) 12C5A08S2 簡化了系統(tǒng)外圍電路。nRF905 是 Nordic 公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，可以自動(dòng)完成處理字頭和CRC，配置簡單方便，功耗低。本文的系統(tǒng)不僅克服了溫度采集系統(tǒng)在使用空間上的局限性，而且大大簡化了系統(tǒng)硬件電路。本文設(shè)計(jì)的無線節(jié)點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)能夠用于實(shí)際多點(diǎn)溫度采集，結(jié)果也表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，可以應(yīng)用于室內(nèi)和室外的溫度監(jiān)測。4 系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要包含：由 DHT11 芯片構(gòu)成的溫濕度采集電路、nRF905 芯片構(gòu)成的桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報(bào)告用紙 第 7 頁 共 31 頁無線節(jié)點(diǎn)模塊與 PC 與單片機(jī)的串口通信系統(tǒng)。 NRF905 無線收發(fā)模塊 nRF905 可以自動(dòng)完成處理字頭和 CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成解碼，使用 SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以10dBm 的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有 11mA，在接收模式時(shí)電流為 。nRF905 單片無線收發(fā)器工作由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。ShockBurst 工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和 CRC，可以很容易通過 SPI 接口進(jìn)行編程配置。nRF905 工作詳情 nRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技術(shù)。ShockBurst 技術(shù)使 nRF905 能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速 MCU 來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理/時(shí)鐘覆蓋。通過將與 RF 協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯內(nèi)， nRF905 提供給應(yīng)用的微控制器一個(gè) SPI接口，速率由微控制器己設(shè)定的接口速度決定。nRF905 通過 ShockBurst 工作模式在RF 以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。在 ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 DR 信號通知 MCU 一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各接收完成。在 ShockBurst TX 模式中，nRF905 自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)和CRC 校驗(yàn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 DR 信號通知 MCU 數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成?？傊@意味著降低 MCU 的存儲器需求也就是說降低 MCU 成本，又同時(shí)縮短軟件開發(fā)時(shí)間。各管腳的詳細(xì)功能介紹如下表 所示：表 各管腳的詳細(xì)功能管腳 名稱 管腳功能 說明1 VCC 電源 電源+ DC2 TX_EN 數(shù)字輸入 工作模式選擇3 TRX_CE 數(shù)字輸入 使能芯片發(fā)射或接收4 PWR_UP 數(shù)字輸入 芯片上電5 Uclk 時(shí)鐘輸出 （未使用）6 CD 數(shù)字輸出 載波檢測7 AM 數(shù)字輸出 地址匹配8 DR 數(shù)字輸出 接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成9 MISO SPI 接口 SPI 輸出10 MOSI SPI 接口 SPI 輸入11 SCK SPI 時(shí)鐘 SPI 時(shí)鐘12 CSN SPI 使能 SPI 使能114 GND 地 接地nRF905 有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905 的工作模式由 TRX_CE、TX_EN 和 PWR_UP 三個(gè)引腳決定。 與射頻數(shù)據(jù)包桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報(bào)告用紙 第 8 頁 共 31 頁有關(guān)的高速信號處理都在 nRF905 片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的 SPI 接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在 nRF905 中高速發(fā)送，因此中間有很長時(shí)間的空閑，這很有利于節(jié)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頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在 ShockBurstTM 接收模式下，當(dāng)一個(gè)包含正確地址和數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM 發(fā)送模式，nRF905 自動(dòng)產(chǎn)生字頭和 CRC 校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知，nRF905 的ShockBurstTM 收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲器和微控制器資源，同時(shí)也減小了編寫程序的時(shí)間。下面具體詳細(xì)分析 NRF905 的發(fā)送流程和接收流程典型的 nRF905 發(fā)送流程分以下幾步： 1．當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過 SPI 接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給 nRF905，SPI 接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定； 2．微控制器置高 TRX_CE 和 TX_EN，激發(fā) nRF905 的 ShockBurstTM 發(fā)送模式； 3．nRF905 的ShockBurstTM 發(fā)送：射頻寄存器自動(dòng)開啟、數(shù)據(jù)打包(加字頭和 CRC 校驗(yàn)碼)、發(fā)送數(shù)據(jù)包、當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高； 4．AUTO_RETRAN 被置高，nRF905 不斷重發(fā)，直到 TRX_CE 被置低； 5．當(dāng) TRX_CE 被置低，nRF905 發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。 ShockBurstTM 工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論 TRX_EN 和 TX_EN 引腳是高或低，發(fā)送過程都會被處理完。只有在前一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905 才能接受下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包。nRF905 接收數(shù)據(jù)流程： 1．當(dāng) TRX_CE 為高、TX_EN 為低時(shí)，nRF905 進(jìn)入 ShockBurstTM 接收模式； 2．650us 后，nRF905 不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)； 3．當(dāng) nRF905 檢測到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測引腳被置高； 4．當(dāng)接收到一個(gè)相匹配的地址，地址匹配引腳被置高； 5．當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905 自動(dòng)移去字頭、地址和 CRC 校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高； 6．微控制器把 TRX_CE 置低，nRF905 進(jìn)入空閑模式； 7．微控制器通過 SPI 口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)； 8．當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905 把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳和地址匹配引腳置低；9．nRF905 此時(shí)可以進(jìn)入 ShockBurstTM 接收模式、ShockBurstTM 發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。當(dāng)正在接收一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，TRX_CE 或 TX_EN 引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905 立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到地址匹配引腳的信號之后，其桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報(bào)告用紙 第 9 頁 共 31 頁就知道 nRF905 正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓 nRF905 繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個(gè)工作模式。節(jié)能模式：nRF905 的節(jié)能模式包括關(guān)機(jī)模式和節(jié)能模式。在關(guān)機(jī)模式，nRF905 的工作電流最小，一般為 。進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后，nRF905保持配置字中的內(nèi)容，但不會接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)?？臻e模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動(dòng)時(shí)間也比較短。在空閑模式下，nRF905 內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。 nRF905 在空閑模式下的工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關(guān)。器件配置：所有配置字都是通過 SPI 接口送給 nRF905。SPI 接口的工作方式可通過 SPI 指令進(jìn)行設(shè)置。當(dāng) nRF905 處于空閑模式或關(guān)機(jī)模式時(shí)，SPI 接口可以保持在工作狀態(tài)。 SPI 接口配置： SPI 接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器 5 個(gè)寄存器組成。狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息；射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息，如頻率和輸出功能等；發(fā)送地址寄存器包含接收機(jī)的地址和數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息，如字節(jié)數(shù)等；接收數(shù)據(jù)寄存器包含要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息。 射頻配置：射頻寄存器的各位的長度是固定的。然而，在 ShockBurstTM 收發(fā)過程中，TX_PAY