无线射频数据采集系统的研究与设计.doc

I 无线射频数据采集系统的研究与设计 摘 要 工农业生产 石油 化工 冶金 纺织 机械制造 航空航天 制药 烟草 档 案保存 粮食存储等领域 对于温 湿度都有着一定的要求 早期的温 湿度数据采 集中 常伴随着大量的数据线缆 给生产操作带来许多不便和隐患 为了解决这个问 题 短距离无线通信技术应运而生 本次设计研究的无线射频数据采集系统是短距离无线通信技术在温 湿度测量方 面的一个具体应用 系统以嵌入单片内核的单片射频收发芯片 nRF905 为核心 采用数 字式温湿度传感器 DHT11 应用传感技术 无线通信技术及计算机技术实现温 湿度 数据的采集和短距离无线传输 系统采用模块化设计 主要有两大部分构成 第一部 分 采用 STC89C52 单片机作为控制芯片 以 nRF905 无线收发芯片为核心 与单总线 温湿度传感器 DHT11 构成的温湿度采集网络 完成温 湿度数据的采集和无线发送 第二部分 使用 nRF905 无线收发芯片接收数据 也采用 STC89C52 单片机作为控制芯 片 以实现数据的接收 显示和温湿度越线报警 该无线射频数据采集系统电路简单 性能稳定 抗干扰能力强 可靠性高 易于 扩展 实际发射距离约为 500 米 测温 测湿精度也比较高 因此本系统适用于在短 距离内对多种环境温湿度的检测 有广阔的应用前景 关键词 温湿度传感器 无线通信 数据采集 II Research and Design of Data Acquisition System Based on RF ABSTRACT Industrial and agricultural production petroleum chemical metallurgy textile machinery manufacturing aerospace pharmaceutical tobacco archives food storage areas all have certain requirements for the temperature and humidity Early in the temperature and humidity data acquisition often accompanied by large amounts of data cables bring a lot of inconvenience and risks to some production operations To solve this problem short range wireless communications technology came into being The design of the radio frequency data acquisition system is a specific application of the short range wireless communication technology in the temperature and humidity measurem ents RF transceiver chip NRF905 embedded Single core as the core of the system using digital temperature and humidity sensors DHT11 application of sensor technology wireless communication technology and computer technology to achieve the temperature and humidi ty data acquisition and short range wireless transmission Modular design there are two major parts The first part as a control chip microcontroller with STC89C52 nRF905 wire less transceiver chip as the core together with temperature and humidity sensor DHT11 of single bus form temperature and humidity collection network The second part the use of nRF905 wireless transceiver chip to receive data also used as a control STC89C52 microco ntroller chip to achieve data reception display and temperature and humidity over the line to the police To the radio frequency data collection system circuit is simple stable performance antiinterference ability high reliability and easy expansion Transmission distance up to 500m temperature measurement measuring precision is relatively high Therefore this system is suitable for a variety of short range detection of temperature and humidity also have broad application prospects KEY WORDS temperature and humidity sensor wireless communication data acquisition III 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 课题的背景和意义 1 1 2 本文研究的主要内容 1 1 3 系统性能指标 2 1 4 本论文结构 2 2 温 湿度测量系统概况 3 2 1 温 湿度传感器的发展与现状 3 2 2 数据采集相关概述 4 2 3 温 湿度采集模块 4 2 4 本章小结 5 3 短距离无线通信的研究与开发 7 3 1 短距离无线通信技术的发展与现状 7 3 2 无线通信技术的选择 7 3 3 本章小结 10 4 系统整体设计方案 11 4 1 系统设计原则 11 4 2 系统总体设计 11 4 2 1 设计思路 11 4 2 2 系统关键技术分析 12 4 3 主要器件的选择 12 4 3 1 温湿度传感器的选择 12 4 3 2 无线收发模块的选择 16 4 3 3 其他主要元器的选择 23 4 4 抗干扰设计 24 4 5 本章小结 25 5 系统硬件设计 26 5 1 单片机主控单元 26 5 2 温湿度采集模块 26 5 3 电压转换模块 27 5 4 蜂鸣器报警单元 27 IV 5 5 数码管显示单元 28 5 6 无线通信模块 28 5 7 系统总体电路图 29 5 8 本章小结 29 6 系统软件设计 30 6 1 开发工具及使用语言 30 6 2 无线发送端程序设计 30 6 2 1 温湿度采集模块程序设计 30 6 2 2 数据发送程序设计 31 6 3 无线接收模块程序设计 32 6 3 1 接收端程序设计 33 6 3 2 按键扫描及报警程序 34 6 4 本章小结 35 7 总结 36 致谢 37 参考文献 38 附录 39 附录 42 无线射频数据采集系统的研究与设计1 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 温度 湿度是人们日常生活中接触最多的两个物理量 人们的日常生活 工农业 生产都和周围环境的温湿度有着密切的关系 石油 化工 冶金 纺织 机械制造 航空航天 制药 烟草 档案保存 粮食存储等领域对温湿度也有较高的要求 随着 科学技术的发展 许多新兴产业对环境提出了更高的要求 制造大规模集成电路需要 极高的空气洁净度 生物化学制药需要精确地温湿度控制 因此 对温 湿度的监测 和控制已经成为生产过程中非常重要的技术要求 目前 温湿度传感器已经广泛应用 于气象 农林 冶金 化工 纺织 食品 家用电器 仓储等许多领域 用传感器进行温湿度检测被广泛应用于人们的日常生产和生活当中 但是伴随传 感器而来的是大量的数据线缆 众多的线缆不仅带来布线复杂的不便 而且存在着短 路 断线隐患 成本高 易老化 错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度 因此 无线通信技术与有线通信技术相比 有成本低 携带方便 不必穿墙钻孔布线 搭建网络简单快捷等优点 特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便 架设线路的情况下 使用无线通信技术进行数据采集 传输显得更加实用 高效 快 捷 无线产品是近年来以及今后各类监测 检测应用的一个必行的发展趋势 越来越 多的使用环境要求要使用无线技术来解决数据通信问题 这些环境由于现场的局限性 和特殊性不得不采用无线通信的方式来监测现场的各类指标 比如 野外气象监测 移动车队车况监测 易燃易爆仓库 高压线缆运行状况监测等等 无线技术由于其特 殊的信号传输方式 无需线缆 抗干扰能力强 功耗低等优点 随着微处理器以及微电子技术的发展 数字设备以其抗干扰 功耗低 便于微处 理器控制的特点 逐渐成文测试系统中的主流 本课题将传感器技术与新兴得无线通 信技术结合 力图以现场设备的无线化来解决由线缆带来的诸多问题 1 2 本文研究的主要内容 本文提出采用无线射频数据传输方案 实现现场的多路参数如温度 湿度等多点 数据的无线采集 要求采用单片射频收发器实现无线数据采集与传输 系统中采用无 线通信 温湿度传感器和单片计算机电路构成无线传输的高精度数字温湿度采集模块 本文主要研究基于无线收发芯片 nRF905 的短距离无线温 湿度测量系统方案的设 计思想和实现方法 系统以嵌入单片机内核的单片射频收发芯片 nRF905 为核心 采用 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 2 数字式传感器 无线收发技术及单片机技术 实现温度数据的采集和短距离无线传输 系统结构简单 可靠性高 数据传输速度快 功能易扩展 适于多种应用领域 1 3 系统性能指标 本系统的主要技术指标如下 1 测量范围 温度 0 60 湿度 20 90 RH 2 测量精度 温度 2 湿度 5 RH 3 可设置温 湿度上下限 越线时启动报警程序 4 无线通信距离 500m 左右 1 4 本论文结构 本论文首先介绍了温湿度传感器及短距离无线收发芯片的发展状况 详细论证实 现温湿度数据采集与无线传输方案的设计思路及系统的总体架构 结合系统方案的要 求选择了目前常用的可以复合输出温 湿度数据的智能传感器作为数据采集模块 以 嵌入单片机内核的单片射频收发芯片 nRF905 为无线通信模块 然后详尽地阐述了系统 的硬件电路结构和完成各项功能相关的软件设计 最后对系统进行了客观而且全面的 评价 同时总结了系统可以改进的一些地方 无线射频数据采集系统的研究与设计3 2 温 湿度测量系统概况 2 1 温 湿度传感器的发展与现状 传感器是一种能将物理量 化学量 生物量等转换成电信号的器件 输出信号有 不同形式 如电压 电流 频率 脉冲等 能满足信息传输 处理 记录 显示 控 制要求 是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件 如果把计算机比作大脑 那么传感器则相当于五官 传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量 对系统的 质量起决定性作用 自动化程度越高 系统对传感器要求越高 在今天的信息时代里 信息产业包括信息采集 传输 处理三部分 即传感技术 通信技术 计算机技术 现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速 发展 而已经充分发达后 不仅对传感器的精度 可靠性 响应速度 获取的信息量 要求越来越高 还要求其成本低廉且使用方便 显然传统传感器因功能 特性 体积 成本等已难以满足而逐渐被淘汰 世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究 与开发 并且都已取得极大的突破 如今传感器新技术的发展 主要有以下几个方面 1 发现并利用新现象 利用物理现象 化学反应 生物效应作为传感器原理 所以研究发现新现象与新 效应是传感器技术发展的重要工作 是研究开发新型传感器的基础 2 利用新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础 由于材料科学进步 人们可制造出各种新 型传感器 3 微机械加工技术 半导体技术中的加工方法有氧化 光刻 扩散 沉积 平面电子工艺 各向导性 腐蚀及蒸镀 溅射薄膜等 这些都已引进到传感器制造 因而产生了各种新型传感器 如利用半导体技术制造出硅微传感器 利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏 湿敏传 感器 利用溅射薄膜工艺制压力传感器等 4 集成传感器 集成传感器的优势是传统传感器无法达到的 它不仅仅是一个简单的传感器 其 将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上 使之具有校准 补偿 自诊 断和网络通信的功能 5 智能化传感器 智能化传感器是一种带微处理器的传感器 是微型计算机和传感器相结合的成果 它兼有检测 判断和信息处理功能 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 4 2 2 数据采集相关概述 数据采集是指将温度 压力 流量 位移等模拟量采集转换成数字量后 再由计 算机进行存储 处理 显示或打印的过程 相应的系统称为数据采集系统 从严格意 义上说 数据采集系统应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测 并且能 够对数据实行存储 处理 分析计算 以及从检测的数据中提取可用的信息 供显示 记录 打印或描绘的系统 总之 不论在哪个应用领域中 数据的采集与处理越及时 工作效率就越高 取得的经济效益就越大 数据采集系统的任务 具体地说 就是传感器从被测对象获取有用信息 并将其 输出信号转换为计算机能识别的数字信号 然后送入计算机进行相应的处理 得出所 需的数据 同时 将计算得到的数据进行显示 储存或打印 以便实现对某些物理量 的监视 其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的 控制 数据采集系统一般由数据输入通道 数据存储与管理 数据处理 数据输出及显 示这五个部分组成 输入通道要实现对被测对象的检测 采样和信号转换等工作 数 据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来 建立相应的数据库 并进行管理 和调用 数据处理就是从采集到的原始数据中 删除干扰噪声 无关信息和不必要的 信息 提取出反映被测对象特征的重要信息 另外 就是对数据进行统计分析 以便 于检索 或者把数据恢复成原来的物理量形式 以可输出的形态在输出设备上输出 如打印 显示 绘图等 数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示 数 据 输 入 数 据 存 储 数 据 处 理 数 据 输 出 数 据 显 示 图 2 1 数据采集系统示意图 2 3 温 湿度采集模块 随着传感器技术的不断进步与发展 温度传感器的种类日益繁多 应用逐渐广泛 开始由模拟式向着数字式 单总线式 双总线式和三总线式的方向发展 数字传感器 更因适用于各种微处理器接口组成的温度测量系统 直接输出数字信号 可以省去模 拟传感器与微处理器连接时需要信号调理电路和 A D 转换器 本系统主要测量的数据 有两个 可以考虑设置两个采集节点 分别采集温度 湿度 或者使用一个将温 湿 度采集功能集成到一个传感器上的智能传感器 具体方案如下 方案一 系统由两个数据采集节点 温度采集模块和湿度采集模块 和一个数据 无线射频数据采集系统的研究与设计5 采集终端组成 以无线方式传输数据 采集终端和采集节点的关系是点对多点的通信 关系 各个采集节点具有基本相同的结构且都在采集终端的无线信号覆盖范围之内 彼此之间相互独立 没有数据通信要求 采集节点与终端一起组成了一个小型的无线 网络 温度传感器采用 DALLAS 半导体公司生产的智能温度传感器 DS18B20 采集的数 据可直接送入微处理器而无需 A D 转换 能直接读出被测温度 它仅需要 l 条接口线 即可实现与微处理器的双向通信 只需要外接 1 个 4 7 k 上拉电阻 无需其它外部器件 本系统对 DS18B20 采用数据线供电 温度测量范围为 50 125 通过编程可实现 9 12 位的数字值读数方式 测量精度为士 0 5 用户可自行设定非易失性报警上下限 由于采用单总线方式 可在该控制总线上挂接多个 DS18B20 进行不同部位的温度检测 湿度传感器采用 HSM 20G 其原理是每变化 0 03 V 湿度所增加的值为 l 其输 出的电压值需经 ADC0809 转换为数字量 以便单片机处理从而让数码管显示湿度值 其工作电压范围为直流电压 5 0 0 2 V 测试精度为土 5 RH 工作电流 最大值 为 2 mA 储存环境湿度范围为 0 至 99 RH 工作环境湿度范围为 10 至 90 瞬间可达 100 RH 工作环境为 0 50 温度采集模块 湿度采集模块 数据采集点 图 2 2 温 湿度数据采集系统示意图 方案二 使用可以复合输出温湿度的数字传感器 只需一个采集点就可以一次性 输出温度和湿度 目前市场上比较常用的复合数字温湿度传感器有 SHTXX 系列 DHTXX 系列 他们直接输出数字信号 可以省去模拟传感器与微处理器连接时需要信 号调理电路和 A D 转换器 连线简单 精度高 因此得到了广泛的应用 综上 方案一中温 湿度的数据分开采集可能会造成信号的相互干扰 导致精度 降低 同时增加了外围接口的复杂程度 使得相关程序的编写难度也大大增加 另一 方面使用两个传感器也极大地增加了系统的成本 方案二中使用复合输出温 湿度的 数字传感器 不但外围电路简单 易于编程 而且不会相互干扰 所测数据精度也比 较高 成本也比较低 符合我们低功耗 高精度 低成本 模块化等设计思想 故本 系统采用方案二 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 6 2 4 本章小结 本章首先介绍了温 湿度传感器的发展现状和数据采集的相关知识 目前可直接 输出数字量的智能传感器凭借其输出稳定 精度高 总线标准化等优点逐步取代模拟 式传感器 关于如何选择温 湿度传感器进行数据采集 本论文给出两种详细设计方 案 方案一中温 湿度分开采集 虽然原理简单易于理解 但会造成两路信号的相互 干扰 使得输出不稳定 降低了精度 同时增加了系统的成本 而使用复合输出温 湿度数据的数字传感器不但可以克服方案一中出现的各种不足 简化外围电路 更易 于相关软件编写 而且精度 测量范围等各方面也可以满足系统要求 故根据方案二 选择复合输出温 湿度数据的数字传感器作为数据采集模块 无线射频数据采集系统的研究与设计7 3 短距离无线通信的研究与开发 3 1 短距离无线通信技术的发展与现状 随着电子技术的不断进步 短距离无线通信技术在近几年蓬勃发展起来 世界上 主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片 短距离无线通信系统的大部分功能都集成到 一块芯片内部 一般使用单片数字信号射频收发芯片 加上微控制器和少量外围器件 构成专用或通用无线通信模块 所有高频元件包括电感 振荡器等己经全部集成在芯 片内部 一致性良好 性能稳定且不受外界干扰 射频芯片一般采用 FSF 调制方式 工作于 IsM 频段 通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密防议 发射功率 工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成 用户不用对无线通信原 理和工作机制有较深的了解 只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据传输 新一代短距离无线数据通信系统具有体积小 功耗低 稳定性好 抗干扰能力强 等优点 而且开发简单快速 可以方便地嵌入到各种设备中 实现设备间的无线连接 因此 较适合搭建小型网络 在工业 民用领域得到较为广泛的应用 3 2 无线通信技术的选择 对于一个系统来说 无线通信技术的选择主要考虑以下几点 1 可以完成系统的功能要求 对于一个无线测温系统来说 需要对传感器收集到的信号进行处理 并要求系统 的可靠性高 稳定性好 抗干扰能力强 且对于一个无线系统来说 低功耗也是一项 重要的指标 2 开发简单 收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度 和成本 因此应该选择外围元件少的收发芯片 通信协议的复杂程度也完全影响了整 个系统的开发的复杂性 3 成本低 下面是对现在比较常用的几种短距离无线通信技术进行对比 并得到本系统的短 距离解决方案 短距离无线通信方案目前有蓝牙技术 Bluetooth IEEE802 llb Wi Fi Zigbee 红 外通信技术 IrDA Infrared Data Association 和一种无线单片技术 下面是对现在比较常 用的几种短距离无线通信技术进行对比 并得到本系统的短距离解决方案 1 蓝牙技术 Bluetooth 蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范 己经得到了全球众多大企 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 8 业的支持 蓝牙技术同时支持语音和数据传输 使用跳频扩频技术 本身包括纠错机 制 可靠性高 蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位 连接和交换数 据 并能实现互操作和交互式应用 但是蓝牙设备价格昂贵 通信协议复杂 通讯距 离近 蓝牙 RF 定义了三种功率等级 100mw 25mw 和 lmw 当蓝牙设备功率为 lmw 时 其发射范围一般为 10m 在蓝牙技术的使用过程中 人们发现蓝牙技术尽管有许 多优点 但仍存在许多缺陷 对工业 家庭自动化控制和遥测遥控领域而言 蓝牙技 术显得太复杂 功耗大 距离近 组网规模太小等 而工业自动化对无线通信的需求 越来越强烈 正因此 经过人们长期努力 Zigbee 协议在 2003 年中通过后 于 2004 正式问世了 2 红外通信技术 IrDA 红外通信技术 lrDA InfraRedDataAssociation 采用人眼看不到的红外线传输信息 是使用最广泛的短距离无线通信技术 它利用红外线的通断表示计算机中的 0 1 逻辑 通常有效作用半径 2 米 传统速度可达 4Mbit s 1995 年 lrDA 将通信速率扩展到的高达 16Mbit s 红外技术采用点到点的连接方式 发射 接收具有方向性 具有体积小 功耗低 连接方便 简单易用 数据传输干扰 少 速度快 保密性强 成本低廉的特点 因此广泛应用于各种遥控器 笔记本电脑 PDA 移动电话等移动设备 但红外技术只是一种视距传输技术 有效距离近 发射 角度较小 一般不超过 20 度 两台相互通信的设备之间必须对准 而且传输数据时两 台设备之间不能有阻挡物 只能限于两台设备通信 无法灵活构成网络 且无法用于 边移动边使用的设备 另外 lrDA 设备中的核心部件 LED 易磨损 3 IEEE802 11b Wi Fi IEEE802 llb 技术标准是无线局域网的国际标准 使用 2 4GHZ 的 ISM 频段 采用 直接序列扩频 DSSS 技术进行调制解调增强了抗干扰能力 提高了传输速度 IEEE802 llb 无线网络的最大优点是兼容性 只要在原有网络上装上 AP Access Point 就可以提供无线网络服务 终端设备只要装上无线网卡 就可以访问所有网络资源 象使用有线局域网一样方便 却免除了布线的麻烦 802 llb 具有有线等价保密机制 WEP Wired Equivalent Privacy 力确保数据安全 以其具有穿透能力 全方位传送 建 网速度快 可用来组建大型无线网络 运营成本低 投资回报快等特点 正逐渐受到 电信制造商和运营商的青睐 目前此种设备还比较昂贵 妨碍了其推广和应用 更多 新的 Wi Fi 标准正在制定之中 速度更快的 802 11g 使用与 802 llb 相同的正交频分多 路复用 OFDM 调制技术 同样工作在 24GHZ 频段 速率达 54Mbit s 比目前通用的 802 llb 快了 5 倍 并且完全向后兼容 802 11b 802 11g 将有可能被大多数无线网络产 品制造商选择作为产品标准 而下一代的 Wi Fi 标准 802 lln 可望达到 100Mbit s 4 Zigbee 技术 Zigbee 技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的 它是一 无线射频数据采集系统的研究与设计9 个由可多到 65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台 十分类似现有的移 动通信的 CDMA 网或 GSM 网 每一个 Zigbee 网络数传模块类似移动网络的一个基站 在整个网络范围内 它们之间可以进行相互通信 每个网络节点间的距离可以从标准的 75 米 到扩展后的几百米 甚至几公里 另外整个 Zigbee 网络还可以与现有的其它的 各种网络连接 Zigbee 技术的目标就是针对工业 家庭自动化 遥测遥控 汽车自动 化 农业自动化和医疗护理等 例如灯光自动化控制 传感器的无线数据采集和监控 油田 电力 矿山和物流管理等应用领域 另外它还可以对局部区域内移动目标例如 城市中的车辆进行定位 Zigbee 网络省电 可靠 成本低 容量大 安全 可广泛应 用于各种自动控制领域 Zigbee 技术和 RFID 技术在 2004 年就被列为当今世界发展最 快 市场前景最广阔的十大最新技术中的两个 尽管国内不少人已经开始关注 Zigbee 这项新技术 然而 由于 Zigbee 本身是一种新的系统集成技术 应用软件的开发必须 和网络传输 射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起 因而深入理解这个来自国 外的新技术 再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍 是一件不容易的 事情 5 UWB 技术 超宽带技术 UWB Ultra Wideband 是一种无线载波通信技术 它不采用正弦载波 而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据 因此其所占的频谱范围很宽 由于 UWB 可以利用低功耗 低复杂度发射 接收机实现高速数据传输 在近年来得到了迅速发展 它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造 成大 的干扰 并可充分利用频谱资源 基于 UWB 技术而构建的高速率数据收发机有 着广泛的用途 UWB 技术具有系统复杂度低 发射信号功率谱密度低 对信道衰落不 敏感 低截获能力 定位精度高等优点 尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线 接入 非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网 WPAN UWB 主要应用在 小范围 高分辨率 能够穿透墙壁 地面和身体的雷达和图像系统中 除此之外 这 种新技术适用于对速率要求非常高 大于 100Mb s 的 LANs 或 PANs UWB 最具特色的 应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网 PANs UWB 有可能在 10m 范围内 支持高达 110Mb s 的数据传输率 不需要压 缩数据 可以快速 简单 经济地完成视 频数据处理 6 无线单片技术 无线单片技术是将成熟的单片机技术与无线技术相结合的产物 嵌入了高性能单 片机内核的高速 体积小 功耗少 外围元件少的低成本单片射频收发芯片 即将单 片机和射频收发器集成在一体 该芯片外设少 成本低 干扰少 功耗低 保证了产 品的技术稳定性 与蓝牙技术和 Zigbee 技术相比 无线单片技术没有复杂的通信防议 完全对用户透明 同种产品之间可以自由通信 成本低 它可应用在 无线数据通讯 报警和安全系统 自动测试系统 家庭自动化控制 遥控装置 监测 车辆安全系统 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 10 工业控制和无线通讯电信终端 通过以上几种无线技术的介绍 从系统的经济性 传输速率 确定该系统部分电 路设计使用无线收发芯片 无线单片芯片的可靠性高 稳定性好 抗干扰能力强 通 讯协议简单透明 技术成熟 使用该种方案无线通信接口与数据采集系统接口电路设 计简单 无线收发芯片的种类和数量比较多 在设计中选择合适芯片可以提高产品开 发周期 节约成本 3 3 本章小结 电子技术的不断进步也带动了无线技术的快速发展 本章概述了短距离无线通信 技术的发展趋势 同时对目前比较常见的几种短距离无线通信技术进行了详细的介绍 这几种短距离无线通信技术分别为蓝牙技术 Bluetooth IEEE802 llb Wi Fi Zigbee 红外通信技术 IrDA Infrared Data Association 和一种无线单片技术 其中红外是一种比 较普及的无线通讯方式 但它对环境要求较高 点对点传输 中间不能有任何障碍物 最大传输距离也仅为 10m 新兴的蓝牙技术近年来得到广泛的应用 但它同样存在植 入成本高 传输速率低 技术不太成熟等问题 WIFI 相对于蓝牙技术十几米的电波覆 盖率可以达到几十米或者几百米 本系统对无线通信模块的主要要求在于稳定性好 抗干扰能力强 低功耗 开发简单 嵌入了单片机内核的单片射频收发芯片外设少 成本低 干扰少 功耗低 通讯协议简单透明 技术成熟 完全可以满足我们的系统 要求 故成为本系统的首选 无线射频数据采集系统的研究与设计11 4 系统整体设计方案 4 1 系统设计原则 数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后 再经信号 调理 采样 量化 编码 传输等步骤 最后送到控制器进行数据处理或存储记录的 过程 其追求的主要目标有两个 一是精度 二是速度 对任何量值的测试都要有一定 的精确度要求 否则将失去采集的意义 提高数据采集的速度不仅可以提高工作的效 率 同时可以扩大数据采集系统的适用范围 以便于实现动态测试 具体到本系统 有如下几个设计原则 1 数据采集系统的性能指标 数据采集系统的性能要求与具体应用目的和应用环 境有着密切关系 对应不同的应用情况往往有不同的要求 主要有如下几个指标 系 统分辨率 系统精度 采样速率 动态范围以及非线性失真 其中系统分辨率是指数 据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量 系统精度则是指系统工作在额定采样速 率下 每个离散子样的转换精度 其中模数转换器的精度是系统精度的极限值 2 低功耗 本系统需要在现场进行安装的数据采集前端需采用电池供电 同时对 硬件的体积也有限制 这就涉及到便携和低功耗的设计要求 3 模块化 嵌入式系统的一个重要特点就是以应用为中心 软硬件可裁减 考虑 到系统的移植性和设计方便 选择模块化的设计方式 可以方便的实现传感器电路的 替换和升级 4 2 系统总体设计 4 2 1 设计思路 根据要求 本系统需要完成以下功能 1 实时显示温湿度值 可使用键盘进行温湿度的切换 2 设置温湿度的上下限 越线时 系统报警提醒用户 3 实现温湿度数据无线短距离传输 对于基于无线传输模块的温湿度测量系统而言 主要由温湿度信号采集模块 单 片机主控制单元 无线传输模块三部分组成 温度采集模块将采集的数字温湿度值传 给单片机主控单元 单片机再将采集到的数据传给 nRF905 发送模块 nRF905 将数据 发送 同时在发送端进行数码显示 接收模块 nRF905 接收到采集数据 并将数据传给 单片机 由单片机控制进行数码显示 同时在温 湿度值超过预先设定的值时启动蜂 鸣器报警程序 提醒用户 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 12 温 湿度 采集模块 发送端显示 发送端 主控单元 nRF905 发射模块 外围电路 接收端显示 接收端 主控单元 nRF905 接收模块 图 4 1 无线射频数据采集系统框图 4 2 2 系统关键技术分析 根据以上所述的系统总体设计构想 设计中需要解决的关键性技术问题如下 1 硬件设计时 要节约系统有限的 I O 资源 并使系统电路尽量简单 2 本系统关于 DHT11 的程序编写有难度 DHT11 使用的是单总线传输 因此必 须对总线有一定的了解 3 软件设计必须要有完善的思路 做到程序简单 调试方便 4 3 主要器件的选择 4 3 1 温湿度传感器的选择 随着传感器技术的不断进步与发展 温度传感器的种类日益繁多 应用逐渐广泛 开始由模拟式向着数字式 单总线式 双总线式和三总线式方向发展 数字温度传感 器更因适用于各种微处理器接口组成的温度测量系统 直接输出数字信号 可以省去 模拟传感器与微处理器连接时需要信号调理电路和 A D 转换器 因此得到了广泛的应用 市场上比较常用的数字温湿度传感器有 SHTXX 系列 DHTXX 系列 他们都具有品质 卓越 超快响应 抗干扰能力强 精度高等优点 在综合考虑了所需精度及性价比等 各方面后 本系统选择了 DHT11 温湿度传感器 DHT11 产品概述如下 8 无线射频数据采集系统的研究与设计13 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 确保产品具有极高的可靠性与卓 越的长期稳定性 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 因此该产品具有品质卓越 超快响应 抗干扰能力强 性价 比极高等优点 每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准 校准系数 以程序的形式储存在 OTP 内存中 传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校 准系数 单线制串行接口 使系统集成变得简易快捷 超小的体积 极低的功耗 信 号传输距离可达 20 米以上 使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则 产品为 4 针单排引脚封装 连接方便 特殊封装形式可根据用户需求而提供 1 传感器性能说明 表 4 1 DHT11 性能说明书 参数条件MinTypMax单位 湿度 111 RH分辨率 8Bit 重复性 1 RH 25 4 RH精度 0 50 5 RH 互换性可完全互换 0 3090 RH 25 2090 RH 量程范围 50 2080 RH 响应时间 1 e 63 25 1m s 空气 61015S 迟滞 1 RH 长期稳定性典型值 1 RH yr 温度 111 分辨率 888Bit 重复性 1 精度 1 2 量程范围050 响应时间1 e 63 630S 2 接口说明 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 14 建议连接线长度短于 20 米时用 5K 上拉电阻 大于 20 米时根据实际情况使用合适 的上拉电阻 图 4 2 DHT11 典型应用电路 3 电源引脚 DHT11 的供电电压为 3V 5 5V 传感器上电后 要等待 1s 以越过不稳定状态在此 期间无需发送任何指令 电源引脚 VDD GND 之间可增加一个 100nF 的电容 用 以去耦滤波 4 串行接口 单线双向 DATA 用于微处理器与 DHT11 之间的通讯和同步 采用单总线数据格式 一次通 讯时间 4ms 左右 数据分小数部分和整数部分 具体格式在下面说明 当前小数部分 用于以后扩展 现读出为零 操作流程如下 一次完整的数据传输为 40bit 高位先出 数据格式 8bit 湿度整数数据 8bit 湿度小数数据 8bi 温度整数数据 8bit 温度小数 数据 8bit 校验和 数据传送正确时校验和数据等于 8bit 湿度整数数据 8bit 湿度小数数据 8bi 温度整 数数据 8bit 温度小数数据 所得结果的末 8 位 MCU 发送一次开始信号后 DHT11 从低功耗模式转换到高速模式 等待主机开 始信号结束后 DHT11 发送响应信号 送出 40bit 的数据 并触发一次信号采集 用 户可选择读取部分数据 从模式下 DHT11 接收到开始信号触发一次温湿度采集 如 果没有接收到主机开始信号 DHT11 不会主动进行数据采集 采集数据后转换到低速 模式 MCU DHT11 VDDVDD GND DATA 无线射频数据采集系统的研究与设计15 图 4 3 DHT11 通讯过程时序图 总线空闲状态为高电平 主机把总线拉低等待 DHT11 响应 主机把总线拉低必须 大于 18 毫秒 保证 DHT11 能检测到起始信号 DHT11 接收到主机的开始信号后 等 待主机开始信号结束 然后发送 80us 低电平响应信号 主机发送开始信号结束后 延时 等待 20 40us 后 读取 DHT11 的响应信号 主机发送开始信号后 可以切换到输入模 式 或者输出高电平均可 总线由上拉电阻拉高 图 4 4 时序图 总线为低电平 说明 DHT11 发送响应信号 DHT11 发送响应信号后 再把总线 拉高 80us 准备发送数据 每一 bit 数据都以 50us 低电平时隙开始 高电平的长短定 了数据位是 0 还是 1 格式见下面图示 如果读取响应信号为高电平 则 DHT11 没 有响应 请检查线路是否连接正常 当最后一 bit 数据传送完毕后 DHT11 拉低总线 50us 随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态 数据 0 信号表示方法如图 4 5 所示 图 4 5 数据 0 信号时序图 数据 1 信号表示方法如图 4 6 所示 图 4 6 数据 1 信号时序图 5 测量分辨率 测量分辨率分别为 8bit 温度 8bit 湿度 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 16 6 电气特性 VDD 5V T 25 除非特殊标注 注 采样周期间隔不得低于 1 秒钟 表 4 2 DHT11 电气特性说明书 参数条件mintypmax单位 供电 DC355 5V 测量0 52 5mA 平均0 21mA 供电电流 待机100150uA 采样周期秒1次 4 3 2 无线收发模块的选择 无线收发芯片的种类和数量比较多 在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周 期 节约成本 在选择时 应主要参考以下几点 1 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码 采用曼彻斯特编码的芯片 在编程上会需要较高的技巧和经验 需要更多的内存和程序容量 并且曼彻斯特编码 大大降低数据传输的效率 一般仅能达到标称速率的 1 3 而采用串口传输的芯片 应 用及编程非常简单 传送的效率很高 标称速率就是实际速率 编程方便 2 收发芯片所需的外围元件数量 芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂 程度和成本 因此应该选择外围元件少的收发芯片 3 功耗 大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的 因此功耗也非常重要 应该根据需要选择综合功耗较小的产品 4 发射功率 同等条件下 为了保证有效和可靠的通信 应选用发射功率较高的 产品 5 收发芯片的封装和管脚数 较少的管脚以及较小的封装 有利于减少 PCB 面 积降低成本 适合便携式产品的设计 也有利于开发和生产 常用的无线收发芯片主要有 1 CC1000 是根据 ChiPcon 公司的 SmartRF 技术 在 0 350umCMOS 工艺下制造 的一种理想的超高频单片收发通信芯片 它的工作频带在 315 868 及 915MHZ 但 CC1000 很容易通过编程使其工作在 300 1000MHz 范围内 它具有低电压 2 3 3 6V 极低的功耗 可编程输出功率 20 10dBm 灵敏度 一般 109dBm 小尺寸 TSSOP 28 封装 集成了位同步器等特点 其 FSK 数传速率可达 72 8Kbps 具有 250HZ 步长可 编程频率能力 适用于跳频协议 主要工作参数能通过串行总线接口编程改变 使用非 常灵活 2 nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单芯片即收发机 专为 433MHz IsM 工 无线射频数据采集系统的研究与设计17 业 科研和医疗 频段工作而设计 该芯片集成了高频发射 高频接收 PLL 合成 FSK 调制 FSK 解调 双频道切换等功能 具有性能优异 功耗低 使用方便等特点 nRF401 的外围元件很少 仅 10 个左右 3 TH72011 是 Melexis 公司的单片射频发射芯片 频率范围 380MHz 450MHz 采用 VCO PLL 频率合成技术 频率稳定性好 FSK 调制方式 抗干扰能力强 FSK 频偏和中心频率可独立调节 宽电压范围 1 9 5 5V 静态电流小 工作电流可在 3 5mA 10 7mA 调节 发射功率可在 12dBm 10dBm 调节 数据速率可达 40Kbit s 可 嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据传输 在保安系统 微功耗遥测遥控系统等 中应用 4 NRF24EI 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近开发的一种嵌入了高性能单片机 内核的高速单片无线收发芯片 采用先进的 0 18us CMOS 工艺 以 NRF2401 芯片结构 为基础 将射频 8051MCU 9 输入 12 位 ADC 125 频道 UART SPI PWM RTC WDT 全部集成到单芯片中 内部有电压调节器 工作电压 1 9 3 6V 和 VDD 电压监视 通常开关时间小于 200us 数据速率 1Mbps 输出功率 0dBm 不需要外接 SAW 滤波器 极少的外围电路 发射功率 工作频率等所有工作 参数全部通过软件设置完成 所有高频元件包括电感 振荡器等已经全部集成在芯片 内部 一致性良好 性能稳定且不受外界影响 工作在全球开放的 2 4GHz 频段 勿需 申请通信许可证 5 nRF905 芯片可以工作于 ShockBurst 自动处理前缀 地址和 CRC 方式 内置 电压调整模块 最大限度地抑制噪音 为系统提供 1 9 3 6V 的工作电压 载波检测 由于 nRF905 功耗低 工作可靠 nRF905 没有复杂的通信协议 完全对用户透明 同种产品之间可以自由通信 因此很适用于无线数据传输系统的设计 它可应用在 无线数据通讯 报警和安全系统 自动测试系统遥控装置 车辆安全系统 工业控制 远程遥控及其它短距离无线高速应用 故本系统将 nRF905 做为无线收发芯片的首选 这里将介绍 nRF905 的相关性能 9 NRF905 是挪威 Nordic 公司推出的单射频发射 器芯片 工作电压为 1 9 V 3 6V 32 引脚封装 5 5 工作于 433 868 915MHz3 个频 道 nRF905 可以自动完成处理字头和 CRC 循环冗余校验 的工作 可由内部硬件自 动完成曼彻斯特编 解 使用 SPI 接口与微控制器通信 其功耗非常低 以 10dBm 的输 出功率发射时电流只有 11mA 在接收模式时电流为 12 5mA nRF905 单无线收发器工 作由一个完全集成的频率调制器 一个带解调器的接收器 一个功率放大器 一个晶 体震荡器和一个调节器组成 ShockBurst 工作模式的特点是动产生前导和 CRC 可以 很容易通过 SPI 接口进行编程配置 传输前听的载波检测协议 当正确的数据包被接 收或发送时有数据准备就绪信号输出 侦测接收的数据包当地址正确输出地址匹配信 号 1 nRF905 工作模式 陕西科技大学毕业论文 设计说明书 18 nRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技术 ShockBurst 技术使 nRF905 能 够提供高速的数据传输 而不需要昂贵的高速 MCU 来进行数据处理 时钟覆盖 通过 将与 RF 协议有关的高速信号处理放到芯内 nRF90