【文章內(nèi)容簡介】 果不對溫度的變化采取有效的監(jiān)測措施，將會危及電力設備的安全運行 ?；谝陨媳尘?，提出 一種基于 ATMEGA48 單片機的數(shù)據(jù)采集及無線收發(fā)系統(tǒng)的設計方法。無線收發(fā)部分，采用 Silicon Labs 公司 推出的 SI4432 無線收發(fā)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，使得數(shù)據(jù)采集更加具有實時性。該系統(tǒng)硬件結構由少量的外部設備、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，以及供電電路組成。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊基于低功耗單片射頻收發(fā)芯片 SI4432，采用具有 8K系統(tǒng)內(nèi)可編程 FLASH 的 8 位 AVR 微控制器 ATMEGA48 為主處理芯片 ,完成數(shù)據(jù)的處理和控制。 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 9 4 硬件設計 電源轉換 本 無線溫濕度檢測 系統(tǒng)有兩種供電電平 ，一是 5V，主要供給液晶 LCD1602 等集成器件工作；二是 ，主要供給 無線射頻收發(fā)芯片 SI4432 、 ATMEGA48 單片機、溫濕度傳感器 SHT10 模塊工作 。 5V 電平的獲取 5V 電壓直接由外界電源輸入， 由于一般的電源模塊質(zhì)量參差不齊，故在電源輸入端 采用的 大小電容并聯(lián) 濾波 結構。大電容起到穩(wěn)壓作用、并且能濾除低頻干擾信號；小電容主要起到濾除高頻干擾信號。兩者互補，獲得較大濾波頻段。電路原理如圖 41所示 。 圖 41 5V電源濾波電路 電 平 的獲取 一般來說 ，由 5V獲取 ，比較常用的是：一、采用低壓差線性穩(wěn)壓器，如 （模塊本身可適應較寬范圍的供電電壓） 。 二、采用齊納二極管和電阻做成的簡單降壓系統(tǒng) 。 三、采用最簡單的電阻分壓式法 。 方 案 一 ： AMS1117是一個低漏失電壓調(diào)整器 ,它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個 PNP驅(qū)動的 NPN管組成的 ,漏失電壓定義為 :VDROP = VBE+VSAT。 AMS1117有固定和可調(diào)兩個版本可用，輸出電壓可以是： 、 、 、 、 、 、 、 和 。片內(nèi)過熱切斷電路提供了過載和過熱保護 ,以防環(huán)境溫度造成過高的結溫。為了確保 AMS1117的穩(wěn)定性 ,對可調(diào)電壓版本 ,輸出需要連接一個至少 22μ F的鉭電容。對于固定電壓版本，可采用更小的電容，具體可以根據(jù)實際應用確定。通常，線性調(diào)整器的穩(wěn)定性隨著輸出電流增加而降低。 方 案 二 ： 齊納二極管 (又叫 穩(wěn)壓二極管 )，此 二極管 是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的 半導體 器件。在臨界擊穿點上 ,反向電阻降低到一個很小杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 11 的數(shù)值，在這個低 阻值 區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定，穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的，由于這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。 方案三： 回路中某部分電路電流或電壓實現(xiàn)從零開始可連續(xù)調(diào)節(jié)時（如：測定導體的伏安特性、校對改裝后的電表等電路），即大范圍內(nèi)測量時，必須采用分壓接法 。 經(jīng)過比較， 第 一 種 采用低壓差線性穩(wěn)壓器 ，是最適合本系統(tǒng)的。 故 采用 電壓 ， 如圖 42所示 。 圖 42 平 轉換電路 微控制器系統(tǒng) MCU 系統(tǒng) 本系統(tǒng)核心控制器是 ATMEGA48。因為本系統(tǒng) 的電源供電是 ，而這款單片機可 以 達到這一要求 ， IO 輸出可以直接方便的連接無線模塊 ， 而且 ATMEGA48 功耗低，可以節(jié)約系統(tǒng)的電量 。 ATMEGA48是 高性能、低功耗的 8位 AVR174。微處理器，其特性： ① 先進的 RISC結構： 131條指令 – 大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個時鐘周期 ；32x8通用工作寄存器；全靜態(tài)操作；工作于 16MHz時性能高達 16 MIPS； 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。 ②非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器： 4字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash擦寫壽命 : 10000次；具有獨立鎖定 的可選 Boot代碼區(qū)，通過片上 Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時讀寫操作； 256字節(jié)的 EEPROM 擦寫壽命 :100000次； 512字節(jié)的片內(nèi) SRAM；可以對鎖定的 進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。 ③外設特點 ： 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8位定時器 /計數(shù)器；一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16位定時器 /計數(shù)器；具有獨立振蕩器的杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 12 實時計數(shù)器 RTC；六通道 PWM； 8路 10位 ADC(TQFP與 MLF封裝 )； 6路 10位 ADC(PDIP封裝 )；可編程的串行 USART 接口；可工作于主機 /從機模式的 SPI串行接口；面向字節(jié)的兩線串行接口；具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；片內(nèi)模擬比較器；引腳電平變化可引發(fā)中斷及喚醒 MCU。 ④ 特殊的微控制器特點：上電復位以及可編程的掉電檢測；經(jīng)過標定的片內(nèi)RC振蕩器；片內(nèi) /外中斷源；五種休眠模式：空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式和 Standby 模式 。 ⑤ I/O口與封裝： 23個可編程的 I/O口線 ； 32引腳 TQFP封裝與 32引腳 MLF封裝。 ⑥ 極低功耗 ARMEGA48 可以采用 ISP 方式下載程序。而采用這種下載方式，我們可以在不拆下單片機的情況下更新程序，極其方便 。因此可在小系統(tǒng)電路設計上 添加 DH_10牛角座電路，充當 ISP下載接口。 ATMEGA48 系統(tǒng)，如圖 43所示 。 圖 43 ATMEGA48系統(tǒng)電路 液晶顯示模塊 采用顯示模塊好處是良好的人機交互界面 可以為產(chǎn)品的使用帶來方便，特別是本系統(tǒng)，信息顯示是必須的功能。常見的顯示電路有數(shù)碼管電路 ， LED 點陣 屏 ，液晶顯示器。 第一 類是 LED 數(shù)碼管 。它 實際上是由七個發(fā)光管組成 8 字形構成的，加上小數(shù)點就是 8 個 LED。這些段分別由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的 字 樣了。一般杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 13 情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為 左右，電流不超過 30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數(shù)碼管。常用 LED 數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是 0、 A、 B、 C、 D、 E、 F。 第二類是 LED 點陣 屏 ，它 是由幾萬 至 幾十萬個 半導體發(fā)光二極管 像素點均勻排列組成 的 。利用不同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。 LED 顯示屏分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由 LED 矩陣 塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形 ；視頻顯示屏采用微型計算機進行控制，圖文、圖像并茂 。 以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動畫、錄像、電視、 VCD 節(jié)目以及現(xiàn)場實況。 液晶顯示器能顯示字符和漢字。 用 LCD 顯示一個字符 原理如下 ，因為一個字符由 6 8 或 8 8 點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示 RAM 區(qū)的 8 字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“ 1”，其它的為“ 0”，為“ 1”的點亮，為“ 0”的不亮。這樣一來就組成 某個字符。 典型的字符型液晶有 1602 液晶。漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提 取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），根據(jù)在 LCD 上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示 RAM 對應的地址，設立光標，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標位置加 1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)??直到 所有的點陣碼 顯示完就可以 LCD上得到一個完整漢字 ，常見的如 12864 液晶 ,5110 液晶都能顯示漢字。 由于本系統(tǒng)是便攜式設備，功耗要求嚴格，顯示的內(nèi)容較多， 故選擇液晶類顯示器為比較好的選擇。同時由于 只需顯示字符和數(shù)字，故采用應用廣泛的LCD1602 液晶。 電路圖如 44 所示 。 圖 44 LCD1602電路原理圖 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 14 LCD1602 是一種用 5 7 點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器。其內(nèi)部 1602 液晶模塊的字符發(fā)生存儲器（ CGROM)已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，這些字符有 ： 阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼 。順序與 ASCII 碼 一致 ，所以 1602 能 識別 ASCII 碼 。 溫濕 度采集模塊 溫濕度采集芯片的選擇 本系統(tǒng)的重要擴展功能就是 溫濕度的采集 。 溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉換成容易被測量處理的電信號的設備或裝置。 選擇 溫濕度傳感器芯片時，一般都選擇 SHT10 溫濕度傳感器， DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器， SHTl5 單片、多用途的智能溫濕度傳感器。 選擇一： DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。 選擇二： SHTl5屬單片、多用途的智能溫／濕度傳感器。它將溫度和濕度傳感器、信號調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通信接口、數(shù)字校準全部集成到個高集成度、體積極小的芯片當中，實現(xiàn)了溫濕度傳感器的數(shù)字式 輸出、且免調(diào)試、免標定、免外圍電路，便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成，適配各種單片機構成相對濕度／溫度檢測系統(tǒng)。極大方便了溫濕度傳感器在嵌入式測控領域的應用，因而該傳感器在數(shù)字式溫濕度測控領域有著廣泛的應用前景。 選擇三： SHT10屬于 Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數(shù)字信號。傳感器采用專利的 CMOSens174。 技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一 芯片上，與 14 位的 A/D轉換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，校準系數(shù)以程序形式儲存在 OTP 內(nèi)存中，用于內(nèi)部的信號校準。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。微小的體積、極低的功耗，使 SHT10成為各類應用的首選。 表 41是三種溫濕度采集芯片數(shù)據(jù)參照表。 型號 參數(shù) DHT11 SHT10 SHT15 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 15 測量范圍 20－ 90％ RH 0－ 50℃ 0－ 100％ RH 40－ ℃ 0－ 100％ RH 40－ ℃ 測濕精度 177。 5％ RH 177。 ％ RH 177。 2％ RH 測溫精度 177。 2℃ 177。 ℃ 177。 ℃ 供電電壓 表 41溫濕度采集的芯片的對比 SHT10 與微控制器的連接 SHTl0與微控制器的連接，即為 SHTl0的串行接口電路與微控制器的連接。 SHTl0與微控制器的接口連接圖，如圖 45所示。 圖 45 接口連接圖 串行時鐘輸入 (SCK)： SCK用于微控制器與 SHTl0之間的通信同步。由于接口包含了全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小的 SCK頻率限制。即微控制器可以以任意慢的速度與 SHTl0通信。串行數(shù)據(jù) (DATA)： DATA三態(tài)引腳是內(nèi)部的數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入引腳。 DATA在 SCK時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并在 SCK時鐘的上升沿有效。即微控制器可以在 SCK的高電平段讀取有效數(shù)據(jù)。在微控制器向 SHTl0傳輸數(shù)據(jù)的過程中，必須保證數(shù)據(jù)線在時鐘線的高電平段內(nèi)穩(wěn)定。為了避免信號沖突，微控制器僅將數(shù)據(jù)線拉低，在需要輸出高電平的時候，微控制器將引腳置為高阻態(tài)，由外部的上拉電阻將信號拉至 高電平。 SHT10的測量時序 微控制器用一組“啟動傳輸”時序來發(fā)起一個通信過程。它包括：當 SCK時鐘高電平時 DATA翻轉為低電平。在 DATA為低電平期間， SCK變?yōu)榈碗娖?，再翻轉為高電平，隨后是在 SCK時鐘高電平時 DATA翻轉為高電平 ,如圖 46所示。 圖 46 SHT10啟動傳輸時序圖 在“啟動傳輸”時序之后，微控制器可以向 SHTl0發(fā)送命令。命令字節(jié)包括高3位的地址位 (目前只支持 000)和低 5位的命令位?！?00000101’表示相對濕度測量，杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 16 ‘ 00000011’表示溫度測量。 SHTl0通過在第 8個 SCK時鐘的下降沿之后，將 DATA拉低來指示正確接收到命令。在第 9個 SCK時鐘的下降沿之后， SHTl0釋放 DATA線。 微控制器在發(fā)布一組濕度或者溫度測量命令后，需要等待測量的結束。 SHT10通過將 DATA線拉低表示測量的完成，并且自動進入空閑狀態(tài)。在重新啟動時鐘線讀取測量結果之前