基于单片机粮仓温湿度无线监测系统.doc

攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘要摘 要温湿度无线监测系统是通过温、湿度传感器对粮仓环境温、湿度信号实时、精确的采集，并通过数字显示出来。再把信号通过单片机和无线通信模块传到终端机实现监控。当粮仓的温湿度超过或低于设置的上下限时，系统发出警报并采取控制措施，让仓库内的温湿度始终稳定在安全温湿度范围内，从而对仓内温湿度实现检测及控制。本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统的总体设计方案；由此简要介绍系统的整个组成和系统工作原理：二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计；包括传感器的静动态特征介绍，采用数字传感器检测时序、检测原理、检测电路以及检测系统软件设计。三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计；还包括无线通信技术，通信协议，数据收发芯片的介绍。关键词 单片机，数字温湿度传感器，无线通信。III攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTTemperature and humidity wireless monitoring system is through the temperature, humidity sensor on the granary environment temperature, humidity signal in real time, accurate collection, and through the digital display. Then the signal through the single chip and wireless communication module to realize the monitor terminal. When the temperature and humidity of granary is above or below the setting of limits, alarm and control measures, make the temperature and humidity in the warehouse has stabilized at safe temperature and humidity range, so as to realize the detection and control of temperature and humidity in the warehouse. This design mainly do the following aspects of work: The first is to determine the systems overall design scheme; the entire system components and work principle of the system is introduced briefly: The second is hardware circuit and software design of intelligent sensor; including static and dynamic characteristics of the sensor, the digital sensor detection time, detection principle, detection circuit and system software design. The third is the hardware circuit and software design of single chip computer and communication interface; also includes a wireless communication technology, communication protocol, data transceiver chip introduction.Keywords：Single chip microcomputer, digital temperature and humidity sensor, wireless communication.攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录目录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1选题背景及发展现状11.2系统设计主要内容12 系统的总体设计方案32.1系统的整体结构框架32.2系统方案选择及确定32.2.1传感器的选择32.2.2 无线通信技术的选择43 系统硬件电路的设计73.1系统硬件的组成73.2数据采集硬件电路设计73.2.1数字湿度传感器DHT1183.2.2单片机AT89C51113.2.3报警电路、晶振电路、复位电路、显示电路153.3无线通信电路设计163.3.1 NRF24L01芯片概述163.3.2NRF24L01的引脚功能及描述173.3.3 NRF24L01的工作模式及工作原理173.3.5 NRF24L01的应用电路204 系统软件设计214.1系统软件设计整体框架214.2单片机控制温湿度传感器214.3无线传输程序设计224.3.1无线接收224.3.2无线发送235 结果分析256总结26参考文献27附录A：程序清单29附录B：电路原理及结果图63致 谢65攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论1 绪论1.1选题背景及发展现状1.选题背景我国是一个农业大国，粮食产量、存储、消耗均属世界首位。从粮食收获到加工，从粮食加工成产品到消费者手中，这期间经过非常复杂的物流过程，而粮食的储存过程显得非常重要。储粮环境的好坏，关系到粮食品质安全。不良的环境可以使得粮食生虫、酸变和发霉，还破坏了粮食的口感和新鲜度，从而导致粮食的损失。最能影响粮食变质的最主要因素之一是粮食的水分含量。而影响粮食的水分的两个重要的环境因素便是温度和湿度。那么温湿度的监测系统在储粮过程中有着极大的使用价值。另外随着传感技术、计算机技术和通信技术的不断发展，农业信息化也随着不断推进和完善。无线传感网络技术在农业领域的使用越来越广。2006年，澳大利亚CSIRO研究中心开发了基于无线传感器网络的智能农场，利用网络和GPS定位设备监视和了解奶牛的行为，建立在不同环境下的拟牛行为模型。2007年，美国Grape Networks为加州中央谷地区的农业配置了“全球最大的无线传感器网络”。在我国，北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”正式把农用无线传感器网络示范应用于温室蔬菜生产中。2.温湿度监测系统的发展现状粮库库房的温湿度检测从采用人工检测和控制，到远程监控有线控制，再到现在的无线监控。温湿度无线监测系统类型随着传感器技术、通信技术和计算机技术的不断发展而增多。首先温湿度传感器，现在普遍是选用数字传感器，温湿度的无线监控系统可选用温度传感器如DS18B2与湿度传感器如HS1101分别测温度和湿度，也可用测温湿度集为一体的温湿度传感器如DHT11、SHT11来同时检测温湿度。其次是无线传输方式，粮仓温湿度无线监控系统的通信属于短距离的数据传输，现在使用的短距离无线传输方式有：ZigBee、红外线、蓝牙、3G、WIFI等。各种温湿度传感器、单片机和无线通信方式的组合，将配置出多种形式温湿度无线监控系统，满足农业对各种不同温湿度的监控需求。1.2系统设计主要内容本文设计的是基于单片机AT98C51的温湿度无线检测和控制系统，主要通过设计硬件电路和软件程序的完成系统的设计。硬件主要部分包括温湿度传感器DHT11、控制芯片AT89C51和无线通信芯片NRF24L01.。软件主要包含温湿度数据采集预处理和数据无线发送和接收两方面的设计。1、 硬件设计部分：熟悉硬件的功能和内部结构，完成个硬件之间的接口电路的设计；主要有传感器与单片机之间的接口电路和单片机与无线通信模块的接口电路。二、软件设计部分：(1)温湿度数据采集及处理程序的设计；(2)无线数据发送程序的设计；(3)无线数据接收程序的设计；(4)串口程序的设计。65攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 系统的总体设计方案2 系统的总体设计方案2.1系统的整体结构框架系统总体结构框图如下图2.1所示： 主控制 粮仓键盘上下线输入温湿度传感器单片机主控无线发送模块无线接收模块单片机从机LED及上位机显示报警采取措施 图2.1系统总体结构框图2.2系统方案选择及确定2.2.1传感器的选择 1.温湿度传感器温度传感器根据输出信号的不一样可分为：数字温度传感器和模拟温度传感器。模拟温度传感器大致又分集成模拟温度传感器传统和模拟温度传感器两种。当下，温度传感器的一个发展的趋势，一是从模拟式向数字式，二是从集成化向智能化、网络化。智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。而现在对环境温湿度的测量集为一体。先前湿度测量采用最简单的湿度传感器是湿敏元件，随后是集成湿度传感器，现在是单片智能化湿度/温度传感器。2.温湿度传感器的选择本系统选用DHT11作为温湿度传感器。DHT11传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接,通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。该湿度传感器的湿度测量范围为2090RH ，湿度分辨率为1RH 8位，采样周期为1S，且采用单总线结构，不仅满足对粮仓湿度检测的要求，且使用方便。 2.2.2 无线通信技术的选择1.无线传感网络简介无线传感器网络是一种综合了计算机技术、传感器技术、无线通信和分布式信息处理技术等的全新的获取信息的平台，由多个传感器节点组成。这些节点有传感、数据处理能力和无线通信功，并且其功耗低、体积小和成本低的特点。通过这些网络节点，能够实时采集和监测网络分布区域内的所要监测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，这些信息通过无线传输的方式发送给用户终端，从而形成了一个多跳的自组织网络。无线传感器网络节点由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。数据采集和转换主要由数据采集模块负责；节点传输来的数据和传感器采集的数据的储存和处理由数据处理模块的管理；网络区域内其他节点的控制信息交换由无线通信模块控制负责控制；收发采集数据和无线通信时，给节点运行所需要的能量由电源模块提供，一般使用电池供电。传感器网络具有的主要特点有：(1)节点体积小、数量大、成本低；(2)节点通信距离短，需要使用多跳路由；(3)传感器节点具有自适应性；(4)以数据为中心的网络。 2.几种常见的短距离无线通信技术传统的多点分布式温、湿度测量系统多采用有线传输方式。而采用有线传输时，现场需要进行大量布线，这给系统的布设、维护和更新升级等带来了诸多不便。随着通信技术的发展，无线通信技术的引入避免了上述有线系统的诸多不便。目前，常见的短距离无线通信技术大致有：红外技术（IrDA）、IEEE802.11b（Wi-Fi）、ZigBee技术、蓝牙技术、和无线单片技术。(1) 、红外技术（IrDA）红外技术，是一种利用红外线实现点对点通信的技术。在小型移动设备（如PDA、手机等）上广泛使用。其优点在于无需申请频段的使用权，这使得采用红外通信成本低。并且采用红外通信还有功耗低、连接方便、简单易用这些优点。但视距传输方式是IrDA的不足之处，采用红外通信需要两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术并不适合大的工业控制领域。(2)、ZigBee技术ZigBee技术，是目前在部署无线传感器网络过程中最具应用潜力的技术之一。ZigBee是一种以低功耗、低成本、低复杂度、低速短距离无线网络通信技术。开发符合ZigBee技术标准的射频系统芯片难度大，且只是提供一个简单的无线传感器网络演示功能，通信距离仅为100m左右，而且实际传输速率低（不超过10kbps），这与ZigBee协议提供的最大传输速率（250kbps）相比，有着数量级的差别，难以实现实时环境监测。另外采用ZigBee技术通信，其穿透性弱，易受障碍物的影响。再则其产品价格相对昂贵。(3)、IEEE802.11b（Wi-Fi）技术IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，该标准最初是以适用于大型办公室或业务园区为设计目标的，可支持10到100个接入点，是一种高性能的数据网络。具有安全性好、数据传输速率高等优点，但是实现起来成本较高。(4)、蓝牙技术蓝牙技术，是一种采用分散式网络结构以及快调频和短包技术来实现设备短距离通信的无线电技术。支持点对点及点对多点通信，工作在2.4GHZ ISM频段，其数据传输速率为1Mbps。另外蓝牙技术支持语音传输，并且本身具有纠错机制，因而可靠性高。但蓝牙设备有以下几个缺点，一是通信距离较短，一般发射范围为10m；二是通信协议复杂、组网规模小，不适合工业控制；三是其产品昂贵。(5)、无线单片技术无线通信技术与单片机技术的结合使用技术称为无线单片技术；这种无线网络节点和独立工作的无线通信的无线片上系统将性能高、成本低的单片机与射频收发芯片集成为一体；该系统具有价格低廉、功耗极低、体积较小。此系统的工作原理是利用单片机将检测到的信号发送给无线射频收发芯片，使无线网络的设计和无线通信的工作更加简单化，并且容易开发。相对于ZigBee和蓝牙技术来说，无线单片技术的通信协议更为简单。用户操作简单，而且集成芯片的外设少、成本低、功耗低、干扰少。本系统就是采用无线单片技术实现无线通信。3.无线射频收发芯片的选择在整个无线通信模块中无线射频芯片属于核心部件，整个无线数据采集系统的性能、成本和开发周期都与无线射频芯片选择谁否正确相关。选择正确的射频芯片可以尽量避免系统在研发过程走弯路，减少开发成本，加快产品上市的速度。根据设计系统的所要达到的要求，应该选用功耗低、接口简单、成本低、集成度高、体积小、抗干扰能力强、外围元件少、开发方便、兼容性强的无线射频收发一体芯片。此次设计的基于单片机的粮仓温湿度无线监测系统选择nRF2401型单片射频收发芯片,该模块由挪威(Nordic)公司生产的nRF24L01及其外围电路组成的。nRF24L01作为单片射频收发芯片，其工作于2.42.5GHz世界通用ISM频段，工作电压为1.9至3.6V。可通过SPI写入数据，最高可达10Mbit/s，数据传输速率最快可达2Mbit/s，并且具有自动应答和自动再发射功能。芯片融进了增强式ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。该芯片功耗低，6dBm功率发射时，工作电流9mA，接收时工作电流只有12.3mA，可选择的掉电模式和空闲模式使其应用设计更为方便。模块中nRF24L01和MSP430F149通过MOSI、MISO和SCK组成SPI接口，单片机接32.768KHz的低频晶振工作，nRF24L01外接晶振为16MHz，由低速的单片机控制高速收发的射频芯片。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统硬件电路设计 3 系统硬件电路的设计3.1系统硬件的组成温湿度数据采集、单片机数据接收处理、无线收发及微机数据显示四个功能模块构成了温湿度无线监测系统。单片机是数据采集发送模块的核心部件，是温湿度数据接收和传递的中介，而单片智能化温湿度传感器作为从机加上数据无线发送模块。数据无线接收模快和单片机组成主控制。系统硬件组成框图如下图3.1所示： 数据接收端 数据采集处理及发送端 DHT11NRF24L01NRF24L01AT89C51AT89C51LCD1602LCD1602图3.1 系统硬件组成框图 3.2数据采集硬件电路设计数据采集电路组成如图3.2：DHT11温湿度传感器 单 片 机LCD1602液晶显示 复位电路 晶振电路 图3.2 数据采集与处理电路电路原理图： 图3.3 数据采集与处理电路原理图3.2.1数字湿度传感器DHT11 DHT11是广州奥松有限公司生产的一款湿温度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。性能指标和特性如下： 工作电压范围：3.5V-5.5V 工作电流 ：平均0.5mA 温度测量范围：050 湿度测量范围：2090RH 湿度分辨率 ：1RH 8位 温度分辨率 ：1 8位 采样周期 ：1S 单总线结构 与TTL兼容（5V） 管脚排列如下： 引脚说明： VCC：正电源 Dout： 输出 NC ：空脚、悬空 GND ：接地 图3.4 DHT111、DHT11电路连接说明 DHT11数字湿温度传感器连接方法极为简单如图。第一脚接电源正，第四脚接电源地端。数据端为第二脚。可直接接主机（单片机）的I/O口。为提高稳定性，建议在数据端和电源正之间接一只4.7千欧的上拉电阻。第三脚为空脚，此管脚悬空不用。数据线长度短于20m时可以使用5千欧上拉电阻，大于20m时可根据实际情况使用合适的上拉电阻。DHTll将会在MCU发送一次开始信号后，转换到高速工作模式，而结束低功耗工作模式，等待主机结束开始信号后，响应信号被DHTll发送，送出测量数据，该测量数据为40位，并触发一次采集信号，用户可选择读取部分数据。DHTll是接收到触发一次温湿度采集开始信号才开始温湿度测量，如果没有接收到主机发送的开始信号，DHTll不会主动采集温湿度。数据采集后转换到低速工作模式。 图3.52、DHT11数据结构DHT11数字湿温度传感器采用一个数据引脚端口实现输入输出双向传输的单总线数据格式。一次完整传输的数据由40Bit（5Byte）组成。数据包括分整数部分和小数部分，详细的数据格式如下：数据传输时高位先出，一次完整的传输，它发送的数据为40bit，。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据 +8bit温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和注：校验和是湿度整数、小数和温度整数、小数数据四个字节相加。传感器数据输出的是未编码的二进制数据。数据包含的内容一次是湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数和校验和；并且必须应该分开处理这些内容。如果，某次从传感器中读取如下5Byte数据： byte4 byte3 byte2 byte1 byte0 00101101 00000000 00011100 00000000 01001001 整数 小数 整数 小数 校验和 湿度 温度 校验和 由以上数据就可得到湿度和温度的值，计算方法： 湿度( humi)=byte3.byte4 =45.0 (RH) 温度(temp)=byte1.byte2=28.0 ( ) 校验(jiaoyan)=byte1+byte2+byte3+byte4=73(=humi+temp)(校验正确) 注意：DHT11一次通讯时间最大3ms，主机连续采样间隔建议不小于100ms。 3.时序传输1) DHT11开始发送数据流程 图3.6主机将开始信号送出去后,DHT11将响应信号发送出去，再拉高总线,准备发送数据,每一位数据都以低电平开始发送。而此时将会延时等待20us-40us后主机才读取DH11T回应的信号，若DHT11响应，且发出响应信号，则读取总线为低电平；如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,那么需要检查线路，看线路是否连接正确。 2) 主机复位信号和DHT11响应信号 图3.73) 数字0信号表示方法图3.84) 数字1信号表示方法 图3.83.2.2单片机AT89C511、 单片机片内结构51单片机的片内结构如图3.9所示。它把那些在控制中必需要用到的基本内容都集成在面积有限的集成电路芯片上。按照其功能来划分，它有如下功能部件组成： 微处理器（CPU）。 数据存储器(RAM)。 程序存储器（ROM/EPROM）。 一个串行口。 4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。 中断系统。 2个16位定时器、计数器。 特殊功能寄存器（SFR）。XTAL1XTAL2PSEN88EOCCPU（运算器）（控制器）数据存储器RAMP0P2程序存储器ROM/EPROMP1串行口定时器/计数器中断系 统特殊功能寄存器（SFR）P3ALEEAIN7.I088RESET 图3.9 51单片机片内结构上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但单片机控制各种功能部件采用的是特殊功能寄存器的集中控制方式。从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列机，其抗干扰性能比在片外加EPROM的8031单片机强，与87C51单片机功能基本一致，但其功耗小。修改程序时可直接用+5V或+12V电源擦除，操作起来更加方便，另外其工作电压范围可从2.7V到6V，这样电压波动对该单片机的正常工作的影响比较小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系统的软件要求，故选择AT89C51单片机作为本检测系统的核心部件更为理想。2.AT89C51芯片介绍掌握AT89C51单片机，应首先认识它的引脚，并理解引脚的功能，AT89C51系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。制作工艺为HMOS的51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装方式，如图3.1所示。图3.10 AT89C51芯片管脚图40只引脚按其功能来分，可分为如下3类：(1)电源及时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc接+5V电源，Vss接地。XTALI：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。(2)控制引脚：RESET（RST）、ALE、。 RST/VPD引脚：VPD为本引脚的第二功能，当主电源发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将RST端自动接入+5V电源，那么此时该引脚作为备用电源的输入接口，为内部RAM提供备用电源，致使不会因外电源中断而丢失片内RAM的信息，保障单片机通过复位后还能正常工作。RESET（RST）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机工作时，要完成复位操作，需再此引脚加上持续时间大于24个振荡周期（2个机器周期）的高电平时。此引脚应为0.5V低电平。 ALE/ 引脚： 为该引脚的第二功能。，此引脚作为编程脉冲输入端，可实现对片内EPROM型单片机编程写入。ALE为引脚的第一功能，地址锁存允许信号输出端口为ALE引脚，当给单片机接上电源后，并能工作正常时，ALE引脚将不断输出正脉冲信号。当外部存储器被单片机访问时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，有正脉冲信号从ALE端输出，此频率为时钟振荡器频率的1/6。 引脚：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的OE（输出允许端）。 /VPP引脚：功能为片内程序存储器选择控制端。当引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH时，即超出片内程序存储器的4KB地址范围时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当引脚为低时，单片机只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。(3) I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为四个8位I/O口的外部引脚。P0口、P1口、P2口、P3口是3个8位准双向的I/O口，各口线在片内均有固定的上拉电阻。当这3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写1，另外准双向口I/O口无高阻的“浮空”状态。3.单片机的中断89C51内含有一个串行端口中断，两个计时计数器中断及两个外部中断及，表3.1是其中断控制标志与中断程序执行的向量地址对应列表：中断源工作标志向量地址外部中断0IE0 03H计时器0TF0OBH外部中断l外部中断l13H计时器I TFIIBH串行端口接收RIRI2311串行端口传输T123H 表3.1其中串行端口发送及接收信号是使用的同一个向量地址。存特殊功能寄存器TCON中的各个位与表3.1中的工作标志相对应。设定中断工作标志将产生相应某中断源的中断响应。在程序中可以根据工作标志推测出产生那一种中断响应。而向量地址是靠在8951程序内存中最前面的用来决定各种中断服务程序的程序进入点地址的几个特殊的地址。向量地址会因为8951产生了中断工作去执行中断服务程序而跳到某一固定的地址。其中8951处理串行端口的中断可分为传送中断信号及接收中断信号，传送中断信号时要设定TI标志，TI标志随发送器将串行缓冲器中的数据传送出去后而设定；而接收中断信号需要设定RI，RI标志随接收器收到完整的1字节数据，并将数据放入串行缓冲器后设定；在执行中断服务程序时，并不会自动清除工作标志，通常在程序中必需根据TI和RI的状态来判断此串行端口中断产生的来源，而分别执行不同的控制程序，并将清除工作标志。3.2.3报警电路、晶振电路、复位电路、显示电路1. 报警电路 图3.11蜂鸣器额定电流小于30mA,其中使用三极管驱动工作，为了减少功耗采用9012晶体管。2. 晶振电路 图3.12 晶振电路采用11.095MHz的无源晶振，微调电容大小取30PF。3. 复位电路 图3.13RST引脚是单片机复位端，高电频有效。在引脚端输入至少连续两个单片机周期的高电频，单片机复位。使用时，在引脚与VSS引脚之间接一个10K的下拉电阻，与VCC引脚之间接一个约10F的电解电容，即可保证上电自动复位。4. 显示电路 图3.14液晶显示电路显示模块选用1602字符型液晶模块，内含splc780控制器的点阵字符液晶显示模块HS1602，它是一种低功耗CMOS技术实现的字符LCD显示模块，有8位微处理器接口，通过内部的808位映射DDRAM实现2行16个字符的显示，1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形。3.3无线通信电路设计3.3.1 NRF24L01芯片概述nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便10。nRF24L01主要特性如下： 1、GFSK调制，硬件集成OSI链路层； 2、具有自动应答和自动再发射功能； 3、片内自动生成报头和CRC校验码； 4、数据传输率为l Mb/s或2Mb/s；5、SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s；6、125个频道与其他nRF24系列射频器件相兼容； 7、QFN20引脚4 mm4 mm封装；8、供电电压为1.9 V3.6 V；3.3.2NRF24L01的引脚功能及描述 nRF24L01的封装及引脚排列如图所示。 图3.15 nRF24L01封装图CE：使能发射或接收； CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01： IRQ：中断标志位；VDD：电源输入端； VSS：电源地；XC2，XC1：晶体振荡器引脚； VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V； ANT1,ANT2：天线接口；IREF：参考电流输入；3.3.3 NRF24L01的工作模式及工作原理1、工作模式通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表3.1所示。 模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX_FIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0-表3.2 nRF24L01工作模式 待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 2、工作原理 发射数据时，首先将NRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入NRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式。 接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。3.3.4 NRF24L01的配置字SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由NRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给单片机。NRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。NRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表3.2所示。地址（H）寄存器名称功能00CONFIG设置24L01工作模式01EN_AA设置接收通道及自动应答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发数据时间和次数07STATUS状态寄存器，用来判定工作状态0A0FRX_ADDR_P0P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置接收接点地址1116RX_PW_P0P5设置接收通道的有效数据宽度表3.3 常用配置寄存器3.3.5 NRF24L01的应用电路 图3.16 NRF2401 的应用电路图3.16为nRF24L01 的应用电路，由图可知，其需要外围元件只有14个。3V是NRF2401 应用电路的一般工作电压。它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中，环形天线和单鞭天线都可以供设计者选择，图3.16应用电路采用的是50 欧姆的单鞭天线。在使用不同的天线时，应适当调整电感电容的参数，可以使收发得距离尽可能增大。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 系统软件设计 4 系统软件设计4.1系统软件设计整体框架本系统软件设计包括：温湿度检测模块、无线发送/接收传输模块和串口通信三个部分的软件设计，每个部分又分成几个小模块。软件设计的总体结构如图。所示： 初始化 温湿度检测 数据处理 数据采集粮仓温湿度监测系统 初始化无线传输 无线接收 无线发送 初始化串口通信 串口接收 串口发送 图 4.1软件设计的总体结构4.2单片机控制温湿度传感器在复位串口、发送“启动传输”时序后，控制器向DHT11发送一条“测量温湿度”命令，之后等待测量结束，结束标志是DHT11将DATA信号拉低。在这个过程中，控制器要不停的检测DATA信号，直至被拉低。在读测量值时，需要读2个字节数据，高位在前、低位在后，最后为1个字节的CRC校验位。通信结束后，DHT11将自动转入休眠模式，从而减少能量消耗。 温湿度采集与处理程序流程图：触发时钟发启动传输时序发温湿度测量命令？读相对温湿度测量值修正相对温湿度测量值结束 图4.2 DHT11数据采集程序流程图 4.3无线传输程序设计4.3.1无线接收接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式。接着延迟进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效地址和CRC时，就将数据包储存在接收堆栈中，同时状态寄存器中的中断标志位RXDR置高，产生中断使IRQ引脚变为低电平，以便通知MCU去取数据，其流程图如图4.3所示。图4.3 无线接收程序流程图4.3.2无线发送首先进行初始化操作，初始化包括设置单片机IO和SPI相关寄存器两部分其可以和nRF24L01通信。通过SPI总线配置射频芯片使其进入正确的工作模式。发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式。接着把发送端待发射数据的目标地址TXADDR和数据TXPLD写入nRF24L01缓冲区，延时后发射数据，其流程图如图4.4所示。 图4.4 无线发送数据流程图 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 5 结果分析 5 结果分析 这次粮仓温湿度无线监测系统的设计，完成了环境温湿度的检测功能，但其温湿度的测量值与实际温度值偏高2左右，这与温湿度传感器的测量精度有关，DHT11的温度测量精度为2,湿度测量精度为5%，根据这个推断设计的系统在测量的温湿度是正确的；而无线模块实现了数据发送功能，但在数据接收方面跟理论上的信息有所出入，后面下来还需从硬件和软件方面去查找原因，找出问题的存在点并去完善。对于这次设计的系统还可以在对温湿度的精确度和越限报警方面去优化。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 6 总结6总结这次课程设计，让我收获很多。课程设计是将所学的理论知识综合运用的一个过程。基于单片机的粮仓温室度的无线检测系统设计运用到所学课程有电力电子基础、计算机网络、C程序设计、单片机原理、计算机控制系统等。通过这次课程设计，我了解了传感技术、计算机技术、网络通信技术的一个发展情况以及在农业生产上的使用价值；并知道了温湿度传感器、单片机、无线传输芯片的内部结构，理解其工作原理；也学会了怎样使用温湿度传感器、单片机和无线传输芯片。这次设计对我来说，其难点是硬件电路的设计、程序的编写及调试；但通过老师的指导和查阅文献资料基本上解决了遇到的问题；而且对Multisim10、Protues、Keil和Protel-DXP这些软件的使用更为熟练。这次设计让我很深刻地体会到将理论知识与实践相结合的重要性。实践是检查我们所学知识的深度和广度的一种方式，也是体现理论知识的使用价值的一种方式。那么只有理论知识是远远不够的，还必须通过实践将其价值得到使用和升华。这次设计，不仅加深和加宽我获得的专业文化知识，还提升我的独立思考、查阅资料、发现并解决问题以及动手方面的能力。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 参考文献参考文献1 杨占军，杨英杰基于无线传输技术的多路温度数据采集系统设计J东北电力学院学报，2005.2 梁峰，王平，宋文杰.RFID在粮仓无线温湿度检测中的应用J-测量与监测技术技术,2011.3 李智强,王艳芳. 基于GSM 的粮仓温湿度无线监控系统设计J-农机化研究,2009.4 许松琴.浅谈信息技术在农业生产中的应用J.农技服务,2008(4):113-114.5 杨美仙.单片机的发展及其应用J.科技信息，2009.6