基于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度多點(diǎn)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度多點(diǎn)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫濕度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和生活等許多地方，都需要用到測(cè)溫濕裝置來(lái)監(jiān)測(cè)溫濕度。傳統(tǒng)直接布線測(cè)量不能滿足要求，特別是在某些環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境和戶外環(huán)境，通過(guò)直接布線測(cè)量不現(xiàn)實(shí)。因此采用無(wú)線傳輸溫濕度信息尤為必要。目前有些設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)，但價(jià)格過(guò)高是其最大的缺點(diǎn)。在實(shí)際溫濕度控制過(guò)程中既要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性又需要降低功耗。因此設(shè)計(jì)一種低功耗的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很有意義。本文提出一種針對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題的解決方案，該方案基于nRF24L01來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)單片機(jī)ATmega16L和數(shù)字

2、溫濕度傳感器AM2301來(lái)構(gòu)成多點(diǎn)、實(shí)時(shí)的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)可靠性與功耗平衡，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)，是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建了分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫濕度信息的采集和傳輸，系統(tǒng)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。可以應(yīng)用于大型糧倉(cāng)溫濕度的監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵字：ATmega16 AM2301 無(wú)線傳輸 nRF24L01Wireless Temperature and Humidity Monitoring System in BarnShi Jianzhu(College o

3、f Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract:Temperature and humidity is a very important parameter. In many places, such as the industrial, medical, and military, you need the temperature and humidity measurement device to monitor temperature and humidity. Di

4、rect wiring measurement does not meet the requirements, especially in some environments, such as, harsh industrial environments and outdoor environments. Therefore, the wireless transmission of temperature and humidity information is particularly necessary.At present, some devices can be used to mon

5、itor wireless temperature and humidity, but the price is the biggest drawback, the price is too high. The system must be stable, real-time and low power consumption in actual control. Therefore, the design of a low-power consumption wireless temperature and humidity monitoring system makes sense. Th

6、is paper presents a solution for wireless data transmission, the program is based on the nRF24L01 to design the monitorint system of wireless temperature and humidity. The system uses the traditional microcontroller ATmega16 and digital temperature and humidity sensor AM2301 to form multi-point, rea

7、l-time wireless temperature and humidity monitoring system. Through a simple wireless communication protocols, bring about reliability and power balance. The system is a remote wireless temperature and humidity monitoring system.The system uses wireless communication technology to build a distribute

8、d wireless sensor networks. The temperature and humidity data acquisition and transmission based on sensor nodes, with a simple network, easy maintenance, low operation cost. The system can be applied to a large granary temperature and humidity monitoring.Key word: ATmega16 AM2301 Wireless Transmiss

9、ion nRF24l01目 錄1 前言12 系統(tǒng)方案分析與選擇論證12.1 系統(tǒng)最終方案12.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)22.2.1 主控芯片方案22.2.2 無(wú)線通信模塊方案22.2.3 溫濕度傳感器方案32.2.4 顯示模塊方案33 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)43.1 ATmega16L-8AI單片機(jī)43.2 nRF24L01無(wú)線模塊53.2.1 nRF24L01模塊電路圖53.2.2 nRF24L01模塊接口電路53.2.3 nRF24L01模塊供電電源63.2.4 nRF24L01模塊工作模式63.2.5 nRF24L01模塊工作原理73.2.6 nRF24L01配置字83.3 數(shù)字溫濕度傳

10、感器 AM230183.3.1 AM2301概述83.3.2 AM2301接口及溫濕采集電路93.3.3 AM2301工作原理93.4 顯示模塊TFT-LCD104 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)114.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)114.1.1 發(fā)送端流程114.1.2 接收端流程125 硬件電路135.1 硬件制作135.2 硬件調(diào)試145.3 硬件調(diào)試結(jié)果145.3.1 溫濕度采集測(cè)試155.3.2 nRF24L01無(wú)線模塊測(cè)試186 結(jié)論與展望18參考文獻(xiàn)19附錄20致謝22華南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表1 前言糧食是人類(lèi)賴(lài)于生存不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類(lèi)從事各種活動(dòng)的前提。糧倉(cāng)糧食的存儲(chǔ)是否得當(dāng)對(duì)國(guó)家的經(jīng)

11、濟(jì)能否正常合理的運(yùn)行有很大的影響。受限制于以前的經(jīng)濟(jì)和科技水平，糧食的存儲(chǔ)環(huán)境差，管理落后。為此，合理地布置溫濕度測(cè)量點(diǎn)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)糧食的發(fā)熱點(diǎn)、潮濕點(diǎn)，成為糧庫(kù)管理的重中之重。隨著嵌入式技術(shù)，短距離無(wú)線通信技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的不斷發(fā)展，電子設(shè)備檢測(cè)技術(shù)可以大大的降低糧倉(cāng)的管理成本。同時(shí)，現(xiàn)代化的糧食倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)糧食的安全性也提出了更高的要求。在糧倉(cāng)管理過(guò)程中，濕度和溫度是兩個(gè)重要的控制指標(biāo)，直接影響糧食的儲(chǔ)存質(zhì)量。然而，傳統(tǒng)的人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大(王明明等，2012)；而有線方式的測(cè)溫濕度系統(tǒng)存在著不穩(wěn)定性，且布線復(fù)雜，線路容易老化，線路故障難

12、以排查，設(shè)備重新布局需要重新布置等問(wèn)題。而無(wú)線方式的測(cè)溫濕度系統(tǒng)不存在以上的這些問(wèn)題，為此，采用無(wú)線實(shí)時(shí)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、裝載、發(fā)送、并由終端對(duì)無(wú)線采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，以控制監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，可大大的減少不必要的線路設(shè)備開(kāi)支(張玉建，2012)。本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)自組無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信，對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于每一個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需長(zhǎng)時(shí)間工作，對(duì)功率消耗十分敏感，為此，本系統(tǒng)采用低功耗無(wú)線傳輸芯片和超低功耗嵌入式處理器，組建實(shí)時(shí)的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)溫濕度的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。2 系統(tǒng)方案分析與選擇論證2.1 系統(tǒng)最終方案發(fā)送

13、端：由數(shù)字溫濕度傳感器AM2301，實(shí)時(shí)地采集當(dāng)前的溫濕度信息，經(jīng)ATmega16L單片機(jī)分析處理后，通過(guò)模擬SPI接口控制無(wú)線射頻模塊nRF24L01裝載溫濕度信息，由無(wú)線射頻模塊nRF24L01發(fā)射給主機(jī)接收端并顯示溫濕度信息。紅外模塊可用于監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)附近有無(wú)老鼠，試驗(yàn)中未做出。接收端：由nRF24L01無(wú)線射頻模塊接收終端采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)模擬SPI接口發(fā)給ATmega16L單片機(jī)，由ATmega16L單片機(jī)控制液晶LCD-TFT實(shí)時(shí)顯示溫濕度信息，并且顯示報(bào)警溫濕度上限值。當(dāng)溫濕度過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，TFT是否報(bào)警一行顯示是并開(kāi)始閃爍，蜂鳴器鳴叫，起報(bào)警作用，直到溫濕度值恢復(fù)正常。

14、ATmega16L(發(fā)送端)DHT11溫濕度傳感器紅外模塊ISP下載模塊NRF24L01無(wú)線模塊LCD-TFT顯示模塊GSM報(bào)警模塊 蜂鳴器ATmega128 (接收端)從機(jī)結(jié)構(gòu)框圖主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖NRF24L01無(wú)線模塊圖1 系統(tǒng)方框圖此系統(tǒng)為一對(duì)多的無(wú)線通信系統(tǒng)，多個(gè)從機(jī)發(fā)送端由傳感器本地采集并且通過(guò)nRF24L01無(wú)線射頻模塊發(fā)送溫濕度信息，一個(gè)主機(jī)通過(guò)nRF24L01無(wú)線射頻模塊的多個(gè)通道（最多6個(gè)，nRF24L01至多可開(kāi)啟6個(gè)通道接收數(shù)據(jù)）接收多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息，實(shí)時(shí)顯示各終端節(jié)點(diǎn)溫濕度信息，系統(tǒng)方框圖如圖1所示。2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.2.1 主控芯片方案方案一：采用宏晶科技有

15、限公司的STC90C52Rc單片機(jī)作為主控芯片。此芯片為51類(lèi)單片機(jī)增強(qiáng)版，價(jià)格便宜、易于操作，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。方案二：采用ATmega16L作為主控芯片。此芯片是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾，且其跟51類(lèi)單片機(jī)相比，具有超低功耗和內(nèi)置晶振等特點(diǎn)。考慮到此系統(tǒng)的復(fù)雜度，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)所需外圍器件較多，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路板面積小，主控采用貼片封裝。從性能和實(shí)用性上考慮我們選擇方案二。2.2.2 無(wú)線通信模塊方案方

16、案一：采用GSM(Global System for Mobile)模塊進(jìn)行通信，GSM模塊需要借助移動(dòng)衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖然能夠遠(yuǎn)距離傳輸，但是其成本較大、且需要內(nèi)置SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信過(guò)程中需要收費(fèi)，后期成本較高。方案二：采用TI（德州儀器）生產(chǎn)的C2430無(wú)線通信模塊，此模塊采用Zigbee總線模式，傳輸速率可達(dá)250kbps，且內(nèi)部集成高性能8051內(nèi)核。但是此模塊價(jià)格較貴，且Zigbee協(xié)議相對(duì)較為復(fù)雜，實(shí)用性不高。方案三：采用nRF24L01無(wú)線射頻模塊進(jìn)行通信，nRF24L01是挪威Nordic公司推出的單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.

17、42.5GHz ISM頻段，抗干擾能力強(qiáng)，能耗非常低，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要。當(dāng)加定向天線后，在無(wú)障礙通信情況下能傳輸上千米的距離，而且價(jià)格較便宜，采用SPI總線通信模式電路簡(jiǎn)單，操作方便。綜合考慮各方面因素，采用方案三作為本系統(tǒng)的無(wú)線通信方案。2.2.3 溫濕度傳感器方案方案一：AD590是美國(guó)ANALO G DEV ICES 公司的單片集成兩端感溫電流源芯片，采用此芯片測(cè)量溫度。此器件測(cè)溫精度高、電源電壓范圍寬，但須差分放大器放大和A/D轉(zhuǎn)換，需要元器件多，且價(jià)格較貴。采用濕敏電阻測(cè)量濕度信息，通過(guò)將濕敏電阻的電阻變化量放大并且通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)濕度數(shù)值。此方法測(cè)相對(duì)濕度信息精度較差，

18、也需要較多元器件。方案二：采用廣州奧松有限公司生產(chǎn)的 DHT11溫濕度一體的數(shù)字傳感器。通過(guò)單片機(jī)等微處理器單總線的電路連接就能實(shí)時(shí)地采集本地溫度和濕度信息。功耗很低。工作電壓范圍為3.5V5.5V，可以直接和單片機(jī)的I/O口相連。方案三：采用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的AM2301溫濕度一體的數(shù)字傳感器。它是電阻式感濕元件DHT11濕度傳感器的升級(jí)版，具有高精度，低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其中采集溫度的精度為0.5，采集相對(duì)濕度的精度為3%。外圍電路簡(jiǎn)單，只需在數(shù)據(jù)口上拉一個(gè)5K歐電阻，便可直接和ATmega16L單片機(jī)的I/O口相連。使用DHT11采用單總線的控制方式。線路簡(jiǎn)單，編程容易，

19、但是比AD590精度低。AD590還需要其它輔助電路，線路復(fù)雜，編程難度大。而AM2301外圍電路簡(jiǎn)單，并且精度相比于DHT11高。所以，考慮到電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度、系統(tǒng)的精度，功耗，還有本系統(tǒng)需多點(diǎn)通信，在成本考慮上，選擇方案三，即用AM2301作為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器。2.2.4 顯示模塊方案方案一：采用字符液晶LCD1602顯示信息，LCD1602是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價(jià)格便宜，容易控制。方案二：選擇主控為ST7920驅(qū)動(dòng)器的帶字庫(kù)的LCD12864來(lái)顯示信息。LCD12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示常用的漢字及ASCII碼，而且能夠繪制圖片，描點(diǎn)畫(huà)

20、線，設(shè)計(jì)成比較理想的結(jié)果，但考慮到監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)較多，需顯示的信息較多，而其最多只能顯示四行信息。方案三：采用配置2.8寸的TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器。該模塊的控制器為ILI9325,具有26萬(wàn)像素，320×240的分辨率，16位真彩顯示?？梢郧逦娘@示各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息，且其可以顯示人性化界面，各節(jié)點(diǎn)信息以及報(bào)警上限溫濕度值一目了然。綜合以上方案，選擇了可顯示人性化界面的TFT-LCD作為接收端的顯示。3 主要芯片介紹和系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)3.1 ATmega16L-8AI單片機(jī)圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)控制模塊由ATmega16L最小系統(tǒng)組成，包括ATmega16L-8AI單片機(jī)（

21、芯片內(nèi)集成晶振電路）和復(fù)位電路。單片機(jī)復(fù)位端低電平有效，系統(tǒng)上電后由RC充放電電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位，也可短按復(fù)位按鍵S1實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位(王衛(wèi)星，2009)。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。ATmega16L系列單片機(jī)管腳如圖2所示。本設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器模塊控制接口為PB3PB7以及PD2；下載程序采用ISP通信，采用USB ISP下載器進(jìn)行程序下載，其接口為PB5PB7以及RST端口；RXD/P3.0和TXD/P3.1為串口通信端口，RXD用于讀數(shù)據(jù)， TXD用于發(fā)送數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)端：溫濕度數(shù)據(jù)采集端口為PC0PC7；接收端：TFT彩屏接口為PC0PC7和PA2PA4。3.2 nRF24L01無(wú)線模塊 nRF24

22、L01模塊電路圖nRF24L01(張玉建，2012；劉靖等，2007)芯片是由NORDIC公司生產(chǎn)一款無(wú)線通信芯片，采用FSK調(diào)制方式，內(nèi)部集成有NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)6的無(wú)線通信。通信速度可以達(dá)到2Mb/s。nRF24L01無(wú)線射頻模塊的電路圖如圖3所示。圖3 nRF24L01模塊電路圖3.2.2 nRF24L01模塊接口電路 圖4 單片機(jī)與無(wú)線模塊通信及其nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM(Industrial Scientific Medical)頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率

23、放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA；接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。nRF24L01無(wú)線射頻模塊的各引腳功能如表1所示。圖4所示為單片機(jī)與無(wú)線模塊通信及其電源轉(zhuǎn)換電路圖，圖中CE(Control Enable)使能控制線，CSN(Channel Sequence Number) 頻道序號(hào)，MOSI (Master Out Slave In)主機(jī)輸出從機(jī)輸入，MISO(Mas

24、ter In Slave Out)主機(jī)輸入從機(jī)輸出，SCK(Serial Clock)串行時(shí)鐘線，IRQ(Interrupt Request)中斷請(qǐng)求位，分別跟ATmega16L的PB3PB7以及PD2端口連接。3.2.3 nRF24L01模塊供電電源此無(wú)線射頻模塊需要的電源為1.9 V3.6 V，故不能直接用5V電源供電，本系統(tǒng)中采用3.3V直流電源對(duì)無(wú)線射頻模塊供電，5V電源經(jīng)LM1117芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后即得到穩(wěn)定的直流電源供給nRF24L01無(wú)線射頻模塊。3.2.4 nRF24L01模塊工作模式通過(guò)配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表2所示。 在掉

25、電模式下電流損耗最小，同時(shí)nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。3.2.5 nRF24L01模塊工作原理發(fā)射數(shù)據(jù)：先將nRF24L01配置為發(fā)射模式，再把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫(xiě)入nRF24L01緩存區(qū)。TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫(xiě)入，而 TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫(xiě)入一次即可，然后置為高電平并保持至少10s，延遲130s后發(fā)射數(shù)據(jù)。若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)（自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_

26、PLD從TX FIFO中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟)。若重發(fā)次數(shù)達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā)。MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知ATmega16L。最后發(fā)射成功時(shí)。若CE為低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。 接收數(shù)據(jù)：首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130s進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方監(jiān)測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX FIFO數(shù)據(jù)寄存器中

27、，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，通知單片機(jī)ATmega16L去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。若自動(dòng)應(yīng)答未開(kāi)啟，則不進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1。3.2.6 nRF24L01配置字SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對(duì)單個(gè)字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個(gè)，使用時(shí)這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給單片機(jī)ATmega16L。 nRF24L0l

28、所有的配置字都由配置寄存器定義，這些配置寄存器可通過(guò)SPI口訪問(wèn)。nRF24L01 的配置寄存器共有25個(gè)，常用的配置寄存器如表3所示。3.3 數(shù)字溫濕度傳感器 AM23013.3.1 AM2301概述AM2301數(shù)字溫濕度傳感器，別稱(chēng)為DHT21溫濕度傳感器，是電阻式感濕元件DHT11濕度傳感器的升級(jí)版， 具有高精度，快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其中采集溫度的精度為0.5，采集相對(duì)濕度的精度為3%。AM2301它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC(Negative Temperature Coe

29、fficient)測(cè)溫元件。每個(gè)AM2301傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP(One Time Programable)內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離理論上可達(dá)20米以上，使其成為各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。(王志宏等，2011)。3.3.2 AM2301接口及溫濕采集電路表4所示為AM2301各管腳功能，圖5所示為AM2301溫濕度采集電路圖。其中Data數(shù)據(jù)口連接線長(zhǎng)度短于20米時(shí)用5K上拉電阻，大于20米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻。3.3.

30、3 AM2301工作原理AM2301的供電電壓為5V。傳感器上電后，要等待 1s 以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。AM2301采用單總線接口，其中DATA 數(shù)據(jù)口用于微處理器與AM2301之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間5ms左右，具體格式如下，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+16bit溫度數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。當(dāng)接收40bit數(shù)據(jù)如：0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110。其中前16

31、位是濕度數(shù)據(jù)，接下來(lái)16位是溫度數(shù)據(jù)，最后8位數(shù)據(jù)是溫濕度校驗(yàn)和，即濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=數(shù)據(jù)的末8位=校驗(yàn)和。如：0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110。其中濕度=65.2， 溫度=35.1（當(dāng)溫度低于0時(shí)溫度數(shù)據(jù)的最高位置1）。用戶主機(jī)（MCU）發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，AM2301從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，AM2301發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集（注：主機(jī)從AM2301讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測(cè)量值，如兩次測(cè)量間隔時(shí)間很長(zhǎng)，需連續(xù)讀取兩次數(shù)據(jù)以獲得實(shí)時(shí)的

32、溫濕度值）。總線空閑狀態(tài)為高電平，MCU把總線拉低等待AM2301響應(yīng)，MCU把總線拉低必須大于18毫秒，保證AM2301能檢測(cè)到起始信號(hào)。AM2301接收到MCU的起始信號(hào)后，等待MCU開(kāi)始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送80s低電平響應(yīng)信號(hào)。MCU發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待2040s后，讀取AM2301的響應(yīng)信號(hào)，MCU發(fā)送開(kāi)始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。總線為低電平，說(shuō)明AM2301發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，發(fā)送響應(yīng)信號(hào)之后，再把總線拉高80s，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每1bit數(shù)據(jù)都以50s低電平時(shí)隙開(kāi)始，高電平時(shí)間為2628s時(shí)數(shù)據(jù)位為0；高電平時(shí)間為70s時(shí)數(shù)據(jù)位為1。如果讀

33、取響應(yīng)信號(hào)為高電平，則AM2301沒(méi)有響應(yīng)。當(dāng)最后1bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，AM2301拉低總線50s，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。3.4 顯示模塊TFT-LCD圖6 彩屏TFT電路圖顯示模塊采用TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display）即薄膜晶體管液晶顯示器。TFT-LCD與無(wú)源TN-LCD、STN-LCD的簡(jiǎn)單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個(gè)象素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無(wú)關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶顯示器。上配置2.8寸的

34、TFTLCD。該模塊的控制器為ILI9325，具有26萬(wàn)像素，320×240的分辨率，16位真彩顯示，自帶觸摸屏，可以用來(lái)作為控制輸入。電路圖如圖6所示。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)4.1.1 發(fā)送端流程初始化無(wú)線模塊nRF24L01：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制引腳CE為低，使nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式。將本機(jī)地址（TX_ADDR）通過(guò)SPI接口寫(xiě)入nRF24L01，當(dāng)CSN為低時(shí)數(shù)據(jù)被不斷寫(xiě)入。將通道0（或者其他通道）設(shè)置為接收模式來(lái)接收應(yīng)答信號(hào)，并且允許自動(dòng)應(yīng)答，自動(dòng)重發(fā)10次，間隔為500s。其接收地址（RX_ADDR_P0）與接收端地址（TX_ADDR）相同（接收地址長(zhǎng)度為40位

35、），其接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為4個(gè)字節(jié)，其工作頻率設(shè)為2.4GHz（收發(fā)保持一致），其發(fā)射速率為1Mb/s。初次讀溫濕度值：延時(shí)1秒鐘，待AM2301上電穩(wěn)定后，讀取一次溫濕度數(shù)據(jù)。因?yàn)樽x一次數(shù)據(jù)才會(huì)觸發(fā)一次溫濕度采集，即在使用數(shù)據(jù)時(shí)先采集一次數(shù)據(jù)。兩次溫濕度采集的時(shí)間間隔不少于1秒，程序設(shè)定延時(shí)1.5秒。初始化定時(shí)器0：精確控制兩次溫濕度采集的時(shí)間間隔。設(shè)置定時(shí)器0高低位字節(jié)初始值，初始化flag標(biāo)志為0，設(shè)置定時(shí)器模式寄存器和中斷寄存器。裝載信息：將節(jié)點(diǎn)號(hào)信息、溫濕度數(shù)據(jù)信息裝載到發(fā)送緩沖寄存器中。發(fā)送數(shù)據(jù)：設(shè)置PRIM_RX為低、CE為高，啟動(dòng)發(fā)射模式，CE高電平持續(xù)時(shí)間最小為10s。設(shè)置nR

36、F24L01為ShockBurst發(fā)送模式。判斷是否收到應(yīng)答：數(shù)據(jù)發(fā)送完后，立即進(jìn)入接收模式。如果在有效應(yīng)答時(shí)間范圍內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則認(rèn)為溫濕度信息成功發(fā)送到了接收端，此時(shí)狀態(tài)寄存器的TX_DS位置高并把數(shù)據(jù)從TX_FIFO中清除掉；如果在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有接收到應(yīng)答信號(hào)，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。自動(dòng)重發(fā)：當(dāng)發(fā)完數(shù)據(jù)后，如果在有效應(yīng)答的時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)收到應(yīng)答信號(hào)，且自動(dòng)重發(fā)計(jì)數(shù)器溢出，則狀態(tài)寄存器的MAX_RT位置高，不清除TX_FIFO中的數(shù)據(jù)。當(dāng)MAX_RT或TX_DS為高電平時(shí)，引腳產(chǎn)生中斷，IRQ中斷通過(guò)寫(xiě)狀態(tài)寄存器來(lái)復(fù)位。如果重發(fā)次數(shù)在達(dá)到設(shè)定的最大重發(fā)次數(shù)時(shí)還沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)的話，在MAX_

37、RX中斷清除之前不會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包丟失計(jì)數(shù)器(PLOS_CNT)在每次產(chǎn)生MAX_RT中斷后加一。發(fā)送端程序流程如圖9所示。圖9 發(fā)送端程序流程圖4.1.2 接收端流程初始化液晶顯示TFT和無(wú)線模塊nRF24L01：初始化TFT為黑屏。本系統(tǒng)的無(wú)線模塊為1對(duì)多無(wú)線收發(fā)，一個(gè)主機(jī)，多個(gè)終端(不超過(guò)6個(gè))，需要配置多個(gè)接收通道。單片機(jī)控制引腳CE為低，使nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式。將本機(jī)地址(TX_ADDR)通過(guò)SPI接口寫(xiě)入nRF24L01，當(dāng)CSN為低時(shí)數(shù)據(jù)被不斷寫(xiě)入。各通道接收地址(RX_ADDR_P0- RX_ADDR_P5)與發(fā)送端地址(TX_ADDR)相同(其中通道2-5只需設(shè)置

38、低8位地址，高32位地址與通道1相同，無(wú)需設(shè)置)，各通道接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為4個(gè)字節(jié)，各通道工作頻率設(shè)為2.4GHz(收發(fā)保持一致)，各通道發(fā)射速率為1Mb/s。接收配置：將PWR_UP、PRIM_RX、CE引腳置高，使nRF24L01進(jìn)入接收模式；130s后nRF24L01開(kāi)始檢測(cè)空中信息。 圖10 接收端程序流程圖接收到數(shù)據(jù)檢測(cè)：讀取狀態(tài)寄存器，判斷是否接收到數(shù)據(jù)。接收到有效的數(shù)據(jù)包后（地址匹配、CRC校驗(yàn)正確），將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RX_FIFO中，同時(shí)RX_DR位置高，并產(chǎn)生中斷。接收到的數(shù)據(jù)為四個(gè)字節(jié)，第一字節(jié)為終端節(jié)點(diǎn)號(hào)，第二字節(jié)為濕度值，第三字節(jié)為溫度值，第四字節(jié)為數(shù)據(jù)和校驗(yàn)信息。溫濕度上

39、限值檢測(cè)：將實(shí)時(shí)采集到的溫濕度值與預(yù)設(shè)的溫濕度值進(jìn)行比較，若超過(guò)預(yù)設(shè)的溫濕度值則進(jìn)行報(bào)警并閃爍；若沒(méi)有超出，則溫濕度值正常，并實(shí)時(shí)刷新顯示。接收端程序流程如圖10所示。5 硬件電路5.1 硬件制作首先是打印電路板，將繪制好的電路板用轉(zhuǎn)印紙打印出來(lái)，并裁剪覆銅板，再將打印好的電路板裁剪成合適大小，把印有電路板的一面貼在覆銅板上，對(duì)齊好后把覆銅板放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)，放入時(shí)保證轉(zhuǎn)印紙沒(méi)有錯(cuò)位。將熱轉(zhuǎn)印機(jī)事先預(yù)熱，溫度設(shè)定在160200攝氏度。經(jīng)過(guò)510次轉(zhuǎn)印，電路板就很牢固的轉(zhuǎn)印在覆銅板上。接下來(lái)是腐蝕線路板，檢查一下電路板是否轉(zhuǎn)印完整，將少數(shù)沒(méi)有轉(zhuǎn)印好的線路用黑色油性筆修補(bǔ)后再進(jìn)行腐蝕。最后將板打孔，鉆

40、孔完后，用細(xì)砂紙把覆在線路板上的墨粉打磨掉，用清水把線路板清洗干凈。即做成一塊印制電路板。5.2 硬件調(diào)試通電之前，先用萬(wàn)用表檢查線路的正確性，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格是否符合要求。特別注意電源的正負(fù)極以及電源之間是否有短路，并重點(diǎn)檢查地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線是否存在相互間的短路或其他信號(hào)線的短路。在本系統(tǒng)中均進(jìn)行了仔細(xì)的檢查。通電后，確認(rèn)主控芯片沒(méi)有發(fā)燙，再檢查各器件引腳的電位，仔細(xì)測(cè)量各點(diǎn)電位是否正常，尤其注意單片機(jī)的插座上的各點(diǎn)電位，若有高壓，將有可能損壞單片機(jī)仿真器。同樣，如果電壓過(guò)低就沒(méi)有能力驅(qū)動(dòng)其負(fù)載。在斷電的情況下，除單片機(jī)以外，用仿真插頭將所連接電路與單片機(jī)仿真器的仿真接口

41、相連，為軟件調(diào)試做好準(zhǔn)備。遇到的問(wèn)題，如印制電路線不合格，中間有些許短路，造成調(diào)試的失敗。還有USB電源供電電壓不足的問(wèn)題，電源電壓經(jīng)過(guò)供電給負(fù)載，電壓下降0.5V，致使單片機(jī)不正常工作。5.3 硬件調(diào)試結(jié)果首先調(diào)試出TFT-LCD顯示，方便觀看其他各項(xiàng)調(diào)試結(jié)果。調(diào)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)虛焊和短路情況，排除此類(lèi)情況。其次調(diào)試溫濕度監(jiān)測(cè)電路。調(diào)試時(shí)不加入無(wú)線收發(fā)，直接用液晶顯示結(jié)果，調(diào)節(jié)好定時(shí)器時(shí)間后監(jiān)測(cè)正常。再次調(diào)試無(wú)線收發(fā)電路。調(diào)試時(shí)先調(diào)試發(fā)送端，發(fā)送固定數(shù)值，禁用自動(dòng)應(yīng)答功能，禁用自動(dòng)重發(fā)功能，通過(guò)讀狀態(tài)寄存器，查看發(fā)送成功標(biāo)志是否置位檢測(cè)是否發(fā)送成功。發(fā)送成功后，調(diào)試接收端，接收端也禁用自動(dòng)應(yīng)答功能

42、，直接接收發(fā)送端的數(shù)據(jù)并通過(guò)液晶顯示出來(lái)。調(diào)試成功后開(kāi)啟自動(dòng)應(yīng)答功能和自動(dòng)重發(fā)功能，自動(dòng)重發(fā)設(shè)置為重發(fā)10次，間隔150微秒。實(shí)現(xiàn)一對(duì)一通信后，調(diào)試一對(duì)多無(wú)線通信。主要是接收和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址配置，設(shè)置了6個(gè)發(fā)送端的地址，一個(gè)接收端的地址，接收端6個(gè)接收通道地址分別設(shè)置為對(duì)應(yīng)的6個(gè)發(fā)送端的地址。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)6個(gè)接收通道中P0通道和P1通道為40位地址，P2P5通道為8位地址，且P2P5通道的高32位地址與P1通道地址一樣。發(fā)送端若用P0，P1通道發(fā)送必須將地址設(shè)置為40位且要與接收端的響應(yīng)的接收通道對(duì)應(yīng)(若接收通道為P2，地址只有8位，則發(fā)送端用P0通道發(fā)送，地址應(yīng)設(shè)為接收端的接收通道P2的8

43、位地址加上接收端的接收通道P1的高32位地址)。最后整合溫濕度監(jiān)測(cè)電路和無(wú)線收發(fā)電路。將AM2301采集過(guò)來(lái)的溫濕度值直接傳送給無(wú)線發(fā)送模塊，再由無(wú)線接收模塊接收溫濕度信息，最后由液晶顯示溫濕度信息。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)開(kāi)機(jī)僅能監(jiān)測(cè)一次溫濕度信息，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)幾次先后開(kāi)關(guān)發(fā)送端和接收端，找出原因是發(fā)送之后沒(méi)有清除發(fā)送成功標(biāo)志。5.3.1 溫濕度采集測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)試了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山宿舍區(qū)20棟104室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集的不同的溫濕度信息，發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)顯示。其中節(jié)點(diǎn)2采用AM2301溫濕度傳感器，采集溫度的精度為0.5，采集相對(duì)濕度的精度為3%，并放置在筆記本電腦的散熱排氣扇

44、通風(fēng)口旁；節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4均采用DHT11溫濕度傳感器，采集溫度的精度為2，采集相對(duì)濕度的精度為5%，其中節(jié)點(diǎn)3放置在書(shū)桌上，節(jié)點(diǎn)4放置在書(shū)桌下。5.3.1.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試表5 12：00時(shí)宿舍內(nèi)采樣點(diǎn)溫濕度采用溫濕度計(jì)于2013年4月24號(hào)12：00時(shí)采集三處節(jié)點(diǎn)的溫濕度，如表5所示。采用本系統(tǒng)于12：00時(shí)，檢測(cè)三處節(jié)點(diǎn)的溫濕度值，如圖11所示。5.3.1.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試采用溫濕度計(jì)于2013年4月24號(hào)18：00時(shí)采集三處節(jié)點(diǎn)的溫濕度，如表6所示。采用本系統(tǒng)于18：00時(shí)，檢測(cè)三處節(jié)點(diǎn)的溫濕度值，如圖12所示。表6 18：00時(shí)宿舍內(nèi)采樣點(diǎn)溫濕度節(jié)點(diǎn)編號(hào)溫度()相對(duì)濕度(%)所處地

45、23465電腦散熱器旁32878書(shū)桌上42881書(shū)桌下圖12 18：00時(shí)溫濕度值采用溫濕度計(jì)于2013年4月24號(hào)18：10時(shí)采集三處節(jié)點(diǎn)的溫濕度，如表7所示。采用本系統(tǒng)于18：10時(shí)，檢測(cè)三處節(jié)點(diǎn)的溫濕度值，如圖13所示。表7 18：10時(shí)宿舍內(nèi)采樣點(diǎn)溫濕度分析上圖各組數(shù)據(jù)，可知相比于中午12點(diǎn)的數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)溫度值降低，濕度值升高，符合實(shí)際情況。相比18：00與18：10時(shí)的數(shù)據(jù)，可知室內(nèi)溫度值較為穩(wěn)定，10分鐘內(nèi)，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，溫度在1以內(nèi)，相對(duì)濕度在1%以內(nèi)。且濕度在室內(nèi)有明顯的層次分布，其中地上最潮濕，書(shū)桌上次之，書(shū)桌電腦旁由于受電腦散熱風(fēng)影響最為干燥，且溫度最高。5.3.1.3 系統(tǒng)誤差分析本系統(tǒng)存在一定