1、 导师签名： 日期： 年 月 日 日期：摘要本文提出了一种基于低功耗高性能Atmage16L单片机为主控器和射频nRF905为无线收发模块的无线环境系统监测的总体设计方案和实现方法。系统设置了一个主机和两个从机，通过无线通信方式，实现了两个节点的环境监测。主机通过从机预设的不同地址来实现区分两个节点发送来的环境监测数据。本设计采用nRF905射频模块为无线传输模块，DS18B20为温度传感器模块及HM1500为湿度传感器模块来实现了环境的温湿度监测。Atmage16L和nRF905之间通过高速串口SPI实现双向通信, SPI支持高速数据传输，从而满足了环境参数数据实时传输的要求，并且利用VB6
2、.0企业版的MScomm控件编写接收界面，通过串口实时显示在PC机上。关键词 ATMEGA16L；nRF905；DS18B20；HM1500；无线环境监测AbstractThis article proposed one kind Wireless Environmental Montoring system overall design plan and therealization method which based on the low-power high-performance Atmega16L MCU and the wireless module nRF905 . The s
3、ystem has one Master and two Slaves ,througn the wieless communication to come true Montoring Environmental in two different places. The Master can distinguish the data of the Environment from two different places through the different address.The design uses nRF905 as the wireless receiving and dis
4、patching module and DS18B20 as the temperature sensor module and HM1500 as the humidity sensor,thus complies the design of Wireless Environmental Montoring system,includes temperature and humidity .The design can come ture the data of environment transmission between Atmega16L and nRF905 which uses
5、the SPI mouth realization two-way communication, SPI supports the high-speed data transmission,also use the MScomm of VB6.0 to write a interface, it can display the data on PCs screen.Keywords ATMEGA16L nRF905 DS18B20 HM1500 Wireless Environmental Montoring1 绪论 11.1 课题研究的背景 11.2 开发意义 12 系统总体设计 22.1
6、系统的整体结构 22.2 系统的工作原理 22.3 课题实现的功能 23 系统硬件设计 43.1器件的选用 43.1.1中央处理器的选用 43.1.2无线发射芯片的选用 43.1.3温度传感器的选用 53.1.4湿度传感器的选用 63.1.5显示器的选用 63.2主机的硬件设计 63.2.1串行外设接口SPI 73.2.2单片射频收发器nRF905 83.2.3通用同步和异步串行接收器和转发器USART 113.3从机的硬件设计 123.3.1 串行外设接口SPI 133.3.2 单片射频收发器nRF905 133.3.3字符型液晶显示器LCD1602 133.3.4温度传感器DS18B20
7、163.3.5湿度传感器HM1500 184 系统软件设计 214.1主机软件设计 214.1.1主程序的设计 214.1.2 SPI接口软件的设计 224.1.3 nRF905软件的设计 234.1.4 串口软件的设计 244.2从机软件设计 254.2.1 主程序的设计 254.2.2 SPI接口软件设计 274.2.3 nRF905软件设计 274.2.4 LCD1602软件设计 274.2.5 DS18b20软件设计 274.2.6 HM1500软件设计 295 PC机通信及数据处理显示程序设计 305.1 VB6.0特点 305.2 MSComm控件 305.2.1 MSComm控件
8、的主要属性、事件 315.3 VB程序设计 315.3.1 程序详细设计 315.3.2 系统界面 316 调试 336.1 液晶显示器LCD1602设计过程中遇到的问题既解决方法 336.2 串口设计过程中遇到的问题既解决方法 336.3 nRF905设计过程中遇到的问题既解决方法 336.4 DS18B20设计过程中遇到的问题既解决方法 346.5 VB程序设计中遇到的问题与解决方法 34结论 35致谢 36参考文献 37附录 38附录1英文翻译 38附录2硬件原理图 54附录3源程序代码 711 绪论1.1 课题研究的背景在许多测控现场中，传统的数据传输是通过有线电缆实现的。随着射频技术
9、、集成电路的发展，无线通信功能的实现越来越容易，抗干扰能力也越来越强，因此，越来越多的场合采用了无线传输技术。无线数据传输相比于有线传输有许多优点：一、是成本低，省去了大量的布线；二、是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度的天线即可；三、是适应性好，无线数据传输在一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，能解决因布线困难、电缆接插件松动、短路等带来的问题；四、是扩展性好，采用有线传输方式，不能随意移动，设备重新布局就要重新布线，但采用无线数据传输，只需将设备与无线数据传输模块相连接就可以了；五、是设备维护容易，
10、有线通信链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线数据传输方式只需维护数据传输模块，出现故障时则能快速找出原因。通过环境监测,提供代表环境质量现状的数据，判断环境质量是否符合国家标准；评价环保设施的性能，为综合防治对策提供基础数据，积累长期监测资料，为研究环境容量，实施总量控制提供基础数据。通过大量的监测数据，制定切实可行的环保法规和环境质量标准。总之，环境监测的作用是及时、准确、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、环境规划、环境科学研究提供依据。为了提高环境参数采集的自动化水平, 提升效率, 设计了无线环境监测系统。本课题运用了传感器技术、无线通信技术和
11、单片机技术, 实现了对环境温度、湿度等参数的检测。它能够实时地与上位机进行无线通信, 满足对环境参数实时监测的要求。1.2 开发意义随着经济高速发展，工业化的不断推进，人们对生存的环境日益重视。为此，环境监测已成为我们合理地利用环境 资源、保护生态环境的工作重点。在许多情况下，传统的环境监测往往由于受到地理环境和工作内容的限制，如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。这时，采用无线无线环境监测可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。本文将无线技术运用到环境监测中，提出了一种
12、利用低功耗高性能Atmage16L单片机为主控器，nrf905射频模块为无线传输模块，DS18B20为温度传感器模块及HM1500为湿度传感器模块，实现无线环境监测系统的设计。2 系统总体设计2.1 系统的整体结构本系统包含一台主机和两台从机。系统的总体结构框图见图2-1。 从机1主机 从机2图2-1 系统整体结构框图2.2 系统的工作原理本设计中主机和从机之间是通过通过单片射频收发器nRF905完成互相通信的。每个从机都有唯一一个地址，主机通过轮流发送从机的地址来实现接收对应的从机的环境数据，并把参数通过串口实时显示在VB6.0企业版MSCom控件编写的界面上。从机接收主机发送来的地址，判断
13、是否和自己的地址匹配，如果匹配则把采集到的环境参数发送给主机，再继续接收和判断主机发送来的地址。2.3 课题实现的功能一、完成DS18B20、HM1500、LCD1602、单片射频收发器nFR905、串口和单片机的硬件连接；二、完成温度传感器DS18B20测量温度的子程序设计；三、完成HM1500湿度采集的子程序设计。四、完成将采集的温度值和湿度值送字符型液晶显示器LCD1602上显示的子程序设计；五、完成两个节点的单片射频收发器nFR905无线收发数据的子程序设计；六、完成将单片射频收发器nFR905接收的温度值和湿度值通过串口发送到PC机的子程序设计；七、完成PC机串行通信及数据处理显示程
14、序的设计；八、完成主程序设计，将各子程序连起来。3 系统硬件设计3.1器件的选用本系统设计的器件较多，包括主控芯片、温度传感器、湿度传感器、显示器及无线收发模块。各器件选择的余地也很广，所以慎重选择器件很重要，其直接影响到系统的整体性能和设计的最终结果。3.1.1中央处理器的选用由于无线收发芯片nRF905提供SPI口并且工作电压为1.93.6V，因此选用有SPI接口功能的低功耗单片机。ATMEGA16L有工作于主机/ 从机模式的SPI串行接口，所以不需要进行软件模拟SPI口，可工作于低压状态，工作电压为2.75.5V。ATMEGA16L 是 Atmel 公司的高性能、低功耗的8位 AVR 微
15、处理器。先进的 RISC 结构，非易失性程序和数据存储器，16K字节的系统内可编程 Flash，擦写寿命10,000次，以实现用户程序的加密。JTAG 接口（与IEEE1149.1标准兼容），符合 JTAG 标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能，通过 JTAG 接口实现对 Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/ 计数器，具有独立振荡器的实时计数器 RTC。四通道 PWM，8路10位 ADC8 个单端通道，TQFP 封装的7个差分通道，2个具有可编程增益（1x, 10x, 或
16、200x）的差分通道。面向字节的两线接口，两个可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的 SPI 串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的 RC 振荡器，片内/片外中断源。6种睡眠模式，空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的 Standby 模式。兼于以上优点，选用ATMEGA16L 单片机为中央处理器。3.1.2无线发射芯片的选用随着射频电子技术的发展，无线收发芯片的集成度、性能都大幅度提高，芯片的种类和数量比较多，性能也各有特色。目前，世界各大芯片制造商研制开发出了各种新
17、型射频芯片，使短距离无线通信装置的设计开发趋于容易、便捷、周期短、成本低。生产此类芯片的厂家主要有Nordic、XEMICS、TI、Maxim、Chipcon 等。此类产品收发合一，工作频率一般为国际通用的ISM频段，无需申请许可证，采用低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用时对周围干扰很小，调制方式大多为ASK、FSK，传输速率为几K到几百Kbit/s，传输距离受环境影响，一般在几十米到数百米。选择无线收发芯片时，应考虑以下几个因素：一、芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码及传输速度；二、芯片所需的外围元件数量；三、功耗；四、发射功率；五、芯片的封装和管脚数。nRF905是挪威Nordic
18、VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V，32引脚QFN封装（55mm），工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器。ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以 -10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适合点对点的数据传输，内置了CRC
19、纠检错硬件电路和协议，提高了系统的可靠性，且不再需要用软件对传输数据进行差错控制编码，简化了软件编程，适合在工业现场使用。灵敏度高，数据传输速率为50Kbps，低功耗，体积小。本论文设计的数据采集系统通过无线收发模块传输现场采集数据，对数据传输的可靠性要求较高。综合考虑以上因素，采用nRF905为无线收发模块。3.1.3温度传感器的选用随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列，这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率
20、要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用 MCU 的 I/O引脚数情况如何，因为 MCU 的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与MCU 的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。DS18B20 是美国 Dallas 半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的
21、A/D 转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DS18B20 的测温范围 。最高分辨率可达 0.0625，由于每一个 DS18B20 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。一、适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；二、性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；三、具有 CRC 校验功能，可靠性高；四、软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。由于 DS18B20 独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用 MCU
22、 的I/O 引脚资源少，和 MCU的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远。所以，选用DS18B20 做为温度测量的传感器。3.1.4湿度传感器的选用目前市场上的湿度传感器湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。电阻式湿度传感器 与电容式相比，构造简单，比较容易实现大量生产与低价位。不必像电容式传感器一样要考虑引线间的容量，因此可以把传感器随意拉伸，
23、设计自由度较大。特性由于是对数变化，如不进行对数转换等的处理，将不能得到线性特征。 低湿范围由于电阻较高难以检出。另外容易受到干扰影响。电容式湿度传感器一般来说，可以检知从0%rh开始的低湿。 电容值比较接近线性，不需要对数变化。温度特性与电阻式相比较小（0.050.1%rh/左右），在一般用途上不需要温度补偿。但是如果用引线延长传感器的话，电容值会变化，因此不适合延长传感器单体。还有组装进装置内的话，因为通过引线而改变位置比较困难，所以设计自由度较小。 变化量比较小，但微小的电容变化会导致很大的误差。因此廉价的传感器偏差较大。综合以上因素，本设计选择了Humirel公司湿度传感器HM1500
24、，它具有小尺寸,不受水浸影响,全互换性,高可靠性及长期稳定性,典型输出1-4V（对应0-100%,5VDC供电）,极低的温度依赖性,良好的性线度等特点。3.1.5显示器的选用液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄、无辐射、低闪烁等许多其他显示器无法比拟的优点，最为重要的是LCD可实现很多字符组合的显示，人机界面相当友好，近年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中，故选用LCD。本设计选用LCD1602显示器，LCD1602字符型液晶显示采用与日立公司的HD44780兼容的LCD控制器构成的2*16字符型液晶显示模块。3.2主机的硬件设计根据上一节系统总体设计方案
25、构想，系统的主机硬件包括单片机Atmega16L与nrf905通信的串行外设接口SPI及单片机Atmega16L与PC的通用同步和异步串行接收器和转发器USART，结构框图见图3-1。图3-1 主机原理图3.2.1串行外设接口SPI串行外设接口 SPI 允许 ATMEGA16L 和外设或其他 AVR 器件进行高速的同步数据传输。ATMEGA16L SPI 的特点如下：（1）全双工，3线同步数据传输；（2）主机或从机操作；（3）LSB 首先发送或 MSB 首先发送；（4）7种可编程的比特率；（5）传输结束中断标志；（6）写碰撞标志检测；（7）可以从闲置模式唤醒；（8）作为主机时具有倍速模式（CK
26、/2）。系统包括两个移位寄存器和一个主机时钟发生器。通过将需要的从机的 SS 引脚拉低，主机启动一次通讯过程。主机和从机将需要发送的数据放入相应的移位寄存器。主机在 SCK 引脚上产生时钟脉冲以交换数据。主机的数据从主机的 MOSI 移出，从从机的 MOSI 移入；从机的数据从从机的 MISO移出，从主机的 MISO 移入。主机通过将从机的 SS 拉高实现与从机的同步。SPI 系统的发送方向只有一个缓冲器，而在接收方向有两个缓冲器。也就是说，在发送时一定要等到移位过程全部结束后才能对 SPI 数据寄存器执行写操作。而在接收数据时，需要在下一个字符移位过程结束之前通过访问 SPI 数据寄存器读取
27、当前接收到的字符。否则第一个字节将丢失。工作于 SPI 从机模式时，控制逻辑对 SCK 引脚的输入信号进行采样。为了保证对时钟信号的正确采样，SPI 时钟不能超过 fosc/4。SPI 使能后，MOSI、MISO、SCK 和SS引脚的数据方向将自动进行配置，详见表3-1。表3-1 SPI 引脚重载3.2.2单片射频收发器nRF9053.2.2.1 芯片结构 nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率、放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。nRF905的详细结构见图3-2。图3-2 nRF905的详细结构图
28、3.2.2.2 nRF905引脚介绍表3-2 nRF905引脚管脚名称管脚功能说明1TRX_CE数字出入使能芯片发射或接收2PWR_UP数字输出芯片上电3uPCLK时钟输出由晶振震荡器分频的输出时钟4VDD电源电源（+3V DC）5VSS地（ov）6CD载波检测 续表3-27AM地址匹配8DR接收或发射数据完成910MISOSPI接口SPI输出11MOSISPI输入12SCKSPI时钟13CSNSPI使能14XC1模拟输入晶振震荡器1脚/外部时钟输入脚15XC2模拟输出晶振震荡器2脚16171819VDD_PA电源输出给nRF905功率放大器提供的+1.8v电源20ANT1射频输出天线接口121ANT2天线接口22223IREF参考电流2425电源（+3v DC）262728293031DVDD_1V2de 藕
