基于C8051F340的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

劉 寅，李 曉，徐龍飛，趙瑩瑩

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

現(xiàn)有的有線溫濕度系統(tǒng)使用時安裝非常復(fù)雜，接線容易混亂［1］，因此，本文開發(fā)了基于C8051F340的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用無線射頻收發(fā)模塊nRF24L01P來代替?zhèn)鹘y(tǒng)線纜，使整個系統(tǒng)簡單且便于安裝；使用數(shù)字式AM2302傳感器，省去A／D轉(zhuǎn)換過程，能夠同時直接獲得溫度和濕度的數(shù)字信號，調(diào)試方便；使用C8051F340單片機(jī)為主控芯片來控制整個系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體框架及工作原理

本系統(tǒng)由兩部分組成，上位機(jī)部分和下位機(jī)部分。在下位機(jī)部分，由AM2302傳感器實(shí)時監(jiān)測溫度和濕度的數(shù)字信號，通過I／O口將數(shù)字信號發(fā)送給主芯片C8051F340，在單片機(jī)的控制下溫、濕度數(shù)據(jù)再通過nRF24L01P模塊以無線射頻方式發(fā)送到另一個nRF24L01P模塊中，從而將溫、濕度數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)部分，同時，主芯片將溫、濕度數(shù)據(jù)顯示在下位機(jī)的液晶屏上。在上位機(jī)部分，C8051F340主部件會將從無線模塊接收到的溫、濕度數(shù)據(jù)做兩種處理：一種是將數(shù)據(jù)通過液晶模塊顯示出來；另一種是通過串口UART0進(jìn)行通信將數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，通過PC機(jī)的軟件開發(fā)可以對溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和繪圖。溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2．1 溫濕度數(shù)據(jù)傳感器

AM2302是一款4引腳的具有高可靠性和穩(wěn)定性的數(shù)字式傳感器。其具有響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)、性價比高、體積微小和超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳送只占用一個I／O接口使用起來非常方便。只需要將DATA引腳與C8051F340的一個I／O端口引腳連接，由于連接線短于18m，DATA引腳接5kΩ上拉電阻，另外再連接VDD引腳和GND引腳即可。

圖1 溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2．2 無線模塊

nRF24L01P是一款8引腳的工作頻率為2．4GHz～2．5GHz的無線收發(fā)模塊，其數(shù)據(jù)傳送通過單片機(jī)上的SPI總線接口實(shí)現(xiàn)，具有非常低的電功率損耗，在其傳輸狀態(tài)下最低電損耗可達(dá)到11mA［2］。無線模塊的連接方式是將nRF24L01P的CSN、SCK、MISO、MOSI這4個引腳分別與單片機(jī)的4個I／O口引腳連接；nRF24L01P的CE引腳是芯片使能端，直接連接電源VDD；CSN是片選端；SCK是輸入SPI時鐘端；MISO是主機(jī)輸入從機(jī)輸出端；MOSI是主機(jī)輸出從機(jī)輸入端。無線模塊和溫濕度傳感器與單片機(jī)的連接如圖2所示。

3 軟件程序的設(shè)計(jì)

3．1 溫、濕度數(shù)據(jù)的采集

單次采集時，AM2302通過單總線接口給單片機(jī)傳送40bit溫、濕度數(shù)據(jù)。總線在上拉電阻作用下在被釋放時一直被拉高，首先C8051F340通過拉低總線1ms～10ms然后釋放總線20μs～40μs的方式對AM2302進(jìn)行初始化。隨后C8051F340隨時檢測AM2302是否返回80μs的低電平回饋信號來表示已準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)了。若未收到回饋信號則結(jié)束；若收到，隨后AM2302會拉高總線80μs，接下來就會給單片機(jī)發(fā)送40bit數(shù)據(jù)；若AM2302未拉高總線則結(jié)束。

圖2 無線模塊和溫濕度傳感器與單片機(jī)的連接圖

被傳送的數(shù)據(jù)是0還是1是這樣分辨的，50μs的低電平隨后70μs的高電平表示1，而50μs的低電平隨后26μs～28μs的高電平表示0。溫、濕度數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖3 溫、濕度數(shù)據(jù)采集流程圖

3．2 無線發(fā)送流程

C8051F340拉低nRF24L01P的引腳CE使其運(yùn)行在待機(jī)狀態(tài)，并對其控制寄存器進(jìn)行狀態(tài)寫入以準(zhǔn)備接受單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)。C8051F340通過地址TX＿ADDR的辨識，將數(shù)據(jù)TX＿PLD利用SPI總線接口傳送給nRF24L01P。C8051F340將PRIM＿RX拉低，然后再拉高CE超過12μs，將nRF24L01P置于發(fā)送狀態(tài)，隨后nRF24L01P上電向外傳送數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)成功傳送，nRF24L01P就會收到回饋信號，然后寄存器狀態(tài)位TX＿DS會被置于高狀態(tài)從而TX＿FIFO中的數(shù)據(jù)被刪除；若沒有收到應(yīng)有的回饋信息，則返回重新開始，數(shù)據(jù)將被重新傳送。單次數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖4所示。

圖4 nRF24L01P單次數(shù)據(jù)無線發(fā)送流程圖

3．3 液晶顯示設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊使用前需要先對其進(jìn)行初始化，然后按照所需的功能進(jìn)行程序指令的調(diào)用即可。首先用區(qū)域填涂指令LCDDrawDollop將屏幕平鋪為紅色，然后用font指令設(shè)置溫濕度數(shù)據(jù)的文字大小、顏色和背景顏色，再用字符串顯示指令GUI＿DisplayStr顯示溫、濕度數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)地測試，本文設(shè)計(jì)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，其無線傳輸距離在無障礙的情況下達(dá)到了80m，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。

［1］ 朱玉穎，蔡占輝．基于nRF24L01的遠(yuǎn)程溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010（5）：56－58．

［2］ 莢慶，王代華，張志杰．基于nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（7）：68－71．