基于nRF905的低功耗溫濕度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)

摘 要:為實(shí)現(xiàn)溫濕度測(cè)量和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，該設(shè)計(jì)使用AVR系列低功耗單片機(jī)ATmega16L作為控制芯片，低功耗芯片nRF905作為無(wú)線收發(fā)模塊，并設(shè)計(jì)了基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)，最后給出該系統(tǒng)的相關(guān)硬件組成電路和數(shù)據(jù)傳輸流程圖。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通信距離很遠(yuǎn)，且溫濕度測(cè)量精確，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:無(wú)線通信;nRF905;溫度測(cè)量;濕度測(cè)量;SHT11;ATmega16L

中圖分類號(hào):TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)01-135-04

Low-power Temperature and Humidity Measurement System Based on nRF905

XUE Mindi

(Information Science Engineering College，Southeast University，Nanjing，210008，China)

Abstract:In order to achieve temperature and humidity measurement and accomplish wireless data transmission，the system uses low-power single chip AVR series ATmega16L as the control chip，and low-power chip nRF905 as a wireless transceiver module.It designs the digital temperature and humidity sensors based on the temperature and humidity SHT11 wireless measurement system.At the same time，the correlative circuit of the system hardware and data transmission flow chart are given.The design involves a stable and reliable function，a long communication distance，and the precise measurement of temperature and humidity after tested，which has a very broad application prospects.

Keywords:wireless communications;nRF905;temperature measurement;humidity measurement;SHT11;ATmega16L

0 引 言

溫濕度的測(cè)量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大棚管理，倉(cāng)庫(kù)糧食存儲(chǔ)管理，生產(chǎn)制造行業(yè)，氣象觀測(cè)，恒溫恒濕的空調(diào)房科研及日常生活中被廣泛應(yīng)用。可以說(shuō)溫濕度是影響日常的生產(chǎn)生活以及科研的一個(gè)很重要的因素。目前我國(guó)許多領(lǐng)域例如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等仍采用測(cè)溫儀器與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，這不僅效率低，而且會(huì)由于判斷失誤和管理不力造成很多嚴(yán)重?fù)p失。

系統(tǒng)以自帶SPI和兩線串行接口的低功耗單片機(jī)ATmega16L為控制芯片，采用nRF905芯片組成的無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)，利用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11完成對(duì)環(huán)境的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。同時(shí)該系統(tǒng)留出MAX232接口以方便與PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)顯示以及監(jiān)測(cè)功能。

1 系統(tǒng)描述

如圖1，圖2所示為低功耗溫濕度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)送和接收模塊的框圖。

其中圖1為無(wú)線發(fā)送模塊，以Atmega16L為主控制核心，控制溫濕度傳感器SHT11采集環(huán)境的溫濕度，然后利用nRF905無(wú)線傳輸模塊將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給溫濕度測(cè)量無(wú)線接收模塊進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖2為溫濕度測(cè)量無(wú)線接收模塊，以Atmega16L為主控制核心，利用nRF905無(wú)線傳輸模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)，然后利用MAX3232上傳給PC機(jī)，利用相關(guān)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 溫濕度測(cè)量無(wú)線發(fā)送模塊

圖2 溫濕度測(cè)量無(wú)線接收模塊

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 3.3 V供電電源模塊

本設(shè)計(jì)所需的電壓為3.3 V，故采用LM1117-3.3電源供電系統(tǒng)，如圖3所示。無(wú)線發(fā)送模塊以及溫濕度測(cè)量模塊使用的器件皆為低功耗器件。對(duì)發(fā)送端而言，可以采用5 V電池供電，很適合在野外等環(huán)境進(jìn)行溫濕度測(cè)量采集。而接收端可以采用5 V開(kāi)關(guān)電源供電。其核心部件LM1117-3.3是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。壓差在1.2 V輸出，此時(shí)相應(yīng)的負(fù)載電流為800 mA。

圖3 3.3 V供電電源模塊

2.2 單片機(jī)控制電路

本設(shè)計(jì)采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16L作為控制芯片[1]。

首先對(duì)于ATmega16L具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，是具有最高M(jìn)IPS/mW能力的8位單片機(jī)。此外它還具有512 B的E2PROM，可在掉電時(shí)存儲(chǔ)用戶信息，并采用FLASH存儲(chǔ)技術(shù)，可使單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)單元能夠在線重復(fù)擦寫(xiě)1 000次以上。

其次，Atmega16L的工作電壓范圍為2.7～5.5 V，具有睡眠模式，空閑模式，掉電模式以及省

電模式，這些多樣的模式也使得Atmega16L成為低功耗產(chǎn)品的最佳控制芯片之一。

最后，Atmega16L提供二線數(shù)字串行接口SDA和SCL，接口簡(jiǎn)單。

支持主機(jī)和從機(jī)操

作器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式，并且支持多主機(jī)仲裁。

2.3 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)芯片采用挪威Nordic公司的單片無(wú)線收發(fā)器芯片nRF905。工作電壓為1.9～3.6 V，工作于433/868/915 MHz三個(gè)ISM頻道，最大數(shù)據(jù)速率為100 Kb/s。芯片內(nèi)部集成了頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器。其主要特點(diǎn)是能夠自動(dòng)處理報(bào)頭和CRC冗余校驗(yàn)，而且可以直接通過(guò)SPI接口來(lái)進(jìn)行軟件配置。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5 mA，并內(nèi)建有空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

nRF905的應(yīng)用電路如圖4所示。電路主要利用nRF905與外圍器件構(gòu)成的電路組成無(wú)線發(fā)送接收電路，圖4展示的是用nRF905差分連接的環(huán)形天線圖。其中，nRF905模塊的SPI接口引腳MOSI，MISO，SCK引腳分別接Atmega16L的SPI接口引腳:PB5(MOSI)，PB6(MISO)，PB7(SCK)。nRF905的SPI接口工作于從機(jī)模式，并且利用環(huán)形天線發(fā)射信號(hào)。

為了充分利用能量，nRF905分別設(shè)定了兩種工作模式和兩種節(jié)能模式，分別由TRXCE，TXEN 和PWRUP三個(gè)引腳決定。因此，設(shè)計(jì)使用Atmega16L的PA2~PA7連接至nRF905的控制檢測(cè)，用于切換模式以及配合通信。表1為nRF905的工作模式及相應(yīng)功能。

表1 nRF905的工作模式及相應(yīng)功能

PWRUPTRXCETXEN工作模式

0xx掉電和SPI編程

10xStandby和SPI編程

110ShockBurst RX

111ShockBurst TX

2.4 溫濕度測(cè)量模塊

本設(shè)計(jì)的溫濕度測(cè)量所采用的是瑞士Sensiri2on公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對(duì)濕度和溫度傳感器SHT11，SHT11可用來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換等特點(diǎn)[2]。

圖4 nRF905應(yīng)用電路圖

SHT11的濕度/溫度傳感器系統(tǒng)測(cè)量相對(duì)濕度的范圍是0～100%，分辨力達(dá)0.03% RH，最高精度為±2% RH。測(cè)量溫度的范圍是-40～+123.8 ℃，分辨力為0.1 ℃。

SHT11傳感器默認(rèn)的測(cè)量溫度和相對(duì)濕度的分辨率分別為14位和12位，通過(guò)狀態(tài)寄存器可降至12位和8位，并具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能。另電源電壓范圍為2.4～5.5 V;電流消耗小:測(cè)量時(shí)為550 μA，平均為28 μA，休眠時(shí)為3 μA。是低功耗產(chǎn)品的最佳選擇之一。

SHT11的應(yīng)用電路如圖5所示，VDD與GND間通過(guò)0.1 μF的去耦電容相連，且其I2C接口的SCK，DATA直接與Atmega16L的兩線串行接口通過(guò)4.7 kΩ上拉電阻SCL與SDA相連，用于數(shù)據(jù)的傳輸交換。

圖5 SHT11應(yīng)用電路圖

2.5 上位機(jī)接口電路

為了便于監(jiān)控，引入上位機(jī)功能，并加入串口通信模塊。3.3 V到RS 232電平(±12 V)的專用轉(zhuǎn)換芯片MAX3232的外圍電路如圖6所示，其中五個(gè)電容均取0.1 μF的典型值。串口DB9只用三根線，5端公共端接系統(tǒng)的地，2，3端分別是接收和發(fā)送端。DB9接口通過(guò)交叉串口線連到PC機(jī)上，這樣就可以完成硬件串行通信。

圖6 MAX3232串口通信模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括溫濕度測(cè)量和無(wú)線收發(fā)兩個(gè)部分。

3.1 溫濕度測(cè)量

對(duì)于溫度和濕度，它們并非是急劇變化的物理量，溫濕度的變化往往是緩慢進(jìn)行的，因此針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于溫濕度的測(cè)量采集并非需要時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行。而是每隔T時(shí)間(T根據(jù)實(shí)際需要而定，本系統(tǒng)選用1 s)采集一次，其余時(shí)間由于低功耗的要求使得MCU處于休眠狀態(tài)。其程序流程如圖7所示。其中Atmega16L進(jìn)入休眠狀態(tài)是通過(guò)對(duì)SE編程休眠使能，并且對(duì)SM 2.0編程后進(jìn)入相應(yīng)的省電模式狀態(tài)，然后通過(guò)定時(shí)器的計(jì)時(shí)中斷將Atmega16L喚醒，再進(jìn)行測(cè)量以及數(shù)據(jù)傳輸。

圖7 溫濕度測(cè)量流程圖

3.2 無(wú)線收發(fā)[3]

對(duì)于無(wú)線發(fā)送而言，在測(cè)量發(fā)送數(shù)據(jù)以后，應(yīng)考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕虼思由闲ｒ?yàn)功能，并且為防止偶然的發(fā)送失敗帶來(lái)的不良后果，采取定時(shí)等待，超時(shí)后重發(fā)，收到接收主機(jī)命令后才進(jìn)入休眠的模式。具體流程圖如圖8所示。

圖8 發(fā)送端程序流程圖

對(duì)于接收端而言，所完成的任務(wù)是時(shí)刻檢測(cè)無(wú)線接收模塊，對(duì)于收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果正確收到數(shù)據(jù)則無(wú)線發(fā)送相關(guān)指令告知接收端，使其能夠盡快進(jìn)入休眠省電模式，并且通過(guò)上位機(jī)顯示溫濕度;而接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后不做任何處理，等待接收端再次發(fā)送數(shù)據(jù)。

相應(yīng)的初始化程序如下[4]:

unsigned char RFConf[11]=

{

0x00，//配置命令//

0x6C，//CHNO，配置頻段在433.2 MHz

0x0C，//輸出功率為10 dB，不重發(fā)，節(jié)電為正常模式

0x44，//地址寬度設(shè)置，為4 B

0x02，0x02，//接收發(fā)送有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為3 B

0xE0，0xE0，0xE0，0xE0，//接收地址

0x1E，//CRC充許，16位CRC校驗(yàn)，外部時(shí)鐘信號(hào)使能，16 MHz晶振

};

for(unsigned char i=0;i<11;i++)

SPDR= RFConf[i];

//SPDR是Atmegal-16L的SPI數(shù)據(jù)寄存器，相應(yīng)配置見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè);

而實(shí)際操作過(guò)程中通過(guò)對(duì)nRF905發(fā)送與接收實(shí)現(xiàn)是通過(guò)以下命令實(shí)現(xiàn):

寫(xiě)發(fā)射數(shù)據(jù)命令:20H;

讀發(fā)射數(shù)據(jù)命令:21H;

寫(xiě)發(fā)射地址命令:22H;

讀發(fā)射地址命令:23H;

讀接收數(shù)據(jù)命令:24H。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)采用AVR系列低功耗單片機(jī)ATmega16L作為控制芯片，低功耗芯片nRF905作為無(wú)線收發(fā)模塊，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)，這些低功耗產(chǎn)品使得該系統(tǒng)耗電量小，并且又特別適合將該系統(tǒng)小型化，智能化，儀表化。無(wú)線發(fā)射功能又代替了人工抄表的繁瑣，使得本系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景。

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