精品毕业论文设计基于AVR单片机和NRF905无线环境监测系统设计Word下载.docx
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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VB6.0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
Abstract
ThisarticleproposedonekindWirelessEnvironmentalMontoringsystemoveralldesignplanandtherealizationmethodwhichbasedonthelow-powerhigh-performanceAtmega16LMCUandthewirelessmodulenRF905.ThesystemhasoneMasterandtwoSlaves,througnthewielesscommunicationtocometrueMontoringEnvironmentalintwodifferentplaces.TheMastercandistinguishthedataoftheEnvironmentfromtwodifferentplacesthroughthedifferentaddress.ThedesignusesnRF905asthewirelessreceivinganddispatchingmoduleandDS18B20asthetemperaturesensormoduleandHM1500asthehumiditysensor,thuscompliesthedesignofWirelessEnvironmentalMontoringsystem,includestemperatureandhumidity.ThedesigncancometurethedataofenvironmenttransmissionbetweenAtmega16LandnRF905whichusestheSPImouthrealizationtwo-waycommunication,SPIsupportsthehigh-speeddatatransmission,alsousetheMScommofVB6.0towriteainterface,itcandisplaythedataonPC’sscreen.
KeywordsATMEGA16LnRF905DS18B20HM1500WirelessEnvironmentalMontoring
1绪论1
1.1课题研究的背景1
1.2开发意义1
2系统总体设计2
2.1系统的整体结构2
2.2系统的工作原理2
2.3课题实现的功能2
3系统硬件设计4
3.1器件的选用4
3.1.1中央处理器的选用4
3.1.2无线发射芯片的选用4
3.1.3温度传感器的选用5
3.1.4湿度传感器的选用6
3.1.5显示器的选用6
3.2主机的硬件设计6
3.2.1串行外设接口SPI7
3.2.2单片射频收发器nRF9058
3.2.3通用同步和异步串行接收器和转发器USART11
3.3从机的硬件设计12
3.3.1串行外设接口SPI13
3.3.2单片射频收发器nRF90513
3.3.3字符型液晶显示器LCD160213
3.3.4温度传感器DS18B2016
3.3.5湿度传感器HM150018
4系统软件设计21
4.1主机软件设计21
4.1.1主程序的设计21
4.1.2SPI接口软件的设计22
4.1.3nRF905软件的设计23
4.1.4串口软件的设计24
4.2从机软件设计25
4.2.1主程序的设计25
4.2.2SPI接口软件设计27
4.2.3nRF905软件设计27
4.2.4LCD1602软件设计27
4.2.5DS18b20软件设计27
4.2.6HM1500软件设计29
5PC机通信及数据处理显示程序设计30
5.1VB6.0特点30
5.2MSComm控件30
5.2.1MSComm控件的主要属性、事件31
5.3VB程序设计31
5.3.1程序详细设计31
5.3.2系统界面31
6调试33
6.1液晶显示器LCD1602设计过程中遇到的问题既解决方法33
6.2串口设计过程中遇到的问题既解决方法33
6.3nRF905设计过程中遇到的问题既解决方法33
6.4DS18B20设计过程中遇到的问题既解决方法34
6.5VB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71
1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、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,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1.9~3.6V,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2.7~5.5V。
ATMEGA16L是Atmel公司的高性能、低功耗的8位AVR微处理器。
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NordicVLSI公司推出的单片射频收发器,工作电压为1.9~3.6V,32引脚QFN封装(5×
5mm),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,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(0.05~0.1%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,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。
ATMEGA16LSPI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/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3-1SPI引脚重载
3.2.2单片射频收发器nRF905
3.2.2.1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3-2nRF905的详细结构图
3.2.2.2nRF905引脚介绍
表3-2nRF905引脚
管脚
名称
管脚功能
说明
1
TRX_CE
数字出入
使能芯片发射或接收
2
PWR_UP
数字输出
芯片上电
3
uPCLK
时钟输出
由晶振震荡器分频的输出时钟
4
VDD
电源
电源(+3VDC)
5
VSS
地(ov)
6
CD
载波检测
续表3-2
7
AM
地址匹配
8
DR
接收或发射数据完成
9
10
MISO
SPI接口
SPI输出
11
MOSI
SPI输入
12
SCK
SPI时钟
13
CSN
SPI使能
14
XC1
模拟输入
晶振震荡器1脚/外部时钟输入脚
15
XC2
模拟输出
晶振震荡器2脚
16
17
18
19
VDD_PA
电源输出
给nRF905功率放大器提供的+1.8v电源
20
ANT1
射频输出
天线接口1
21
ANT2
天线接口2
22
23
IREF
参考电流
24
25
电源(+3vDC)
26
27
28
29
30
31
DVDD_1V2
de藕
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