迪瑞杯-无线监控系统.doc

无线监控系统参赛学生： 吴立立 王海洋 牛连生 2010年 10 月 10 日摘要：本文介绍了一种无线监控系统的硬件和软件的设计方法,它以C8051F020为主控中心，以C8051F410为节点监测中心,对感应器采集到的烟、光、温度及湿度进行处理，通过控制nRF2401A的无线传输电路，实现节点与主控中心之间的通信。电路主要分为无线收发模块、显示模块、报警提示模块、温湿度传感器模块、光敏传感器模块、键盘控制模块及烟雾传感器模块等多个部分。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套完善的软件编程，实现了无线监控系统的基本功能及发挥部分的一些功能系统。从硬件和软件两方面进行了抗干扰设计，使其具有较好的抗干扰能力，完成系统的可靠工作。本文阐述了无线监控系统的工作原理、总体设计方案，并对系统内各模块进行分析选择。该系统具有实时性、可靠性、安装、维护及操作简单等优点。本系统设备可用于监测控制多个房间内的各项功能指标，以达到智能控制的目的。关键词: C8051F020，nRF2401A，无线传输，温湿度传感器，烟雾传感器。一无线监控系统方案论证比较与论证1.1 系统基本方案系统分为中心控制节点、监测节点。中心控制节点主要有：主控中心、无线收发模块、显示模块及报警模块；监测节点部分有：烟雾感应模块、温湿度感应模块、无线收发模块以及光敏传感器模块。工作过程：传感器将各种信息采集送入监测节点的单片机中，初步处理后通过无线收发模块发送出去。控制节点的单片机通过无线收发模块把信息接收并处理。将信息利用显示模块，显示不同节点的温度和湿度及烟雾光照强度。再和控制节点的温湿度上下限、烟雾光照强度上下限进行比较（各项参数上下限可以通过键盘设置），如超出警戒上下限，报警器报警、指示灯被相应点亮。最后通过无线模块控制监测节点的灯光强度、温湿度及排气扇的启停，以达到无线监测、控制的目的。系统方框图如图。单片机控制节点烟雾浓度光线强弱指示灯显示无线收发无线收发单片机监测节点温湿度采集键盘设置报警器排气扇启停温湿度调节灯光调节1.2 模块方案比较 (1)无线收发模块 方案一：采用PT2262/2272加无编码的发射与接收头，该电路采用超再声发射电路，采用315MHZ的发射频率，但它的天线较大，发射距离较短，而且只能单向通讯，单位时间传输数据较少，很不方便。方案二：采用NRF2401A无线收发模块，该电路采用2.4GHz全球开放频段，无须向有关部门申请频率的使用，发射距离远，内置天线，体积小，抗干扰能力强、低功耗1.9-3.6V工作。可以通过软件改变地址编码识别不同的监控点，在调试时比较容易实现，易于观察。 方案比较：鉴于PT2262/2272只能单向通信，且通讯数据量小，而NRF2401A无线收发模块传输数据量大，方便快捷，在调试时比较容易实现，易于观察且性能相当，决定采用方案二。（2）温湿度采集模块 方案一：由于本设计是测温湿度电路，可以使用热敏、湿敏电阻之类的器件利用其感温湿效应，再将随着被测温湿度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后，用单片机进行数据的处理，就可以将测温湿度显示出来。这种设计需要用到A/D 转换电路，测温湿度电路比较复杂。 方案二：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。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。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。我们通过比较选择方案二（3）显示方案选择 方案一：温湿度及其他数据的显示可以用数码管，但数码管的只能显示简单的数字，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。 方案二：我们设计的系统需要显示的信息多，所以应选用显示功能更好的液晶显示，要求能显示更多的数据，增加显示信息的可读性，看起来更方便。而液晶LCD1602有明显的优点：微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，字迹美观，视觉舒适，而且容易控制。所以选择方案二。（4）光敏传感器模块方案一：光敏二极管，是利用半导体材料的光特性实现二极管的开关功能。他对电压，光谱要求很高，不容易采集信息。方案二：光敏电阻的性能好，对光谱要求低，容易采集光信息可见光波和大气透过的几个窗口都适合光敏电阻采集，利用光敏电阻制成的光控开关在我们的生活中随处可见。所以选择方案二。（5）烟雾传感器模块 MQ-2烟雾传感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，灵敏度高，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。二、各系统的硬件设计与实现 2.1 系统硬件的基本组成部分 在本设计中，系统可包括监测节点和中心控制节点部分。整个系统有五个主要的单元电路：单片机控制电路、NRF2401A无线收发电路、显示电路、烟雾及温湿度传感器电路、光敏传感器电路。 系统中控制器件根据C8051F410采集的信息、传感器输入的电信号进行逻辑判断，控制中心控制节点对的监测节点控制。通过无限的传输实现中心控制对各个节点的检测并显示器显示其当前温湿度。程序流图如下NNNY灯光调节温湿度调节结束程序返回检测是否烟雾过浓检测是否亮度过低检测是否温度超上下限初始化开始：YY启动风扇2.2 主要模块电路的设计 （1） 单片机C8951F020/410单片机C8051F020具有主频高（22MHZ）、不分频的特点，是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚。下面列出了一些主要特性； 1.真正12位100 ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关2.真正8位500 ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关3.两个12位DAC，具有可编程数据更新方式4.64K字节可在系统编程的FLASH存储器5.4352（4096+256）字节的片内RAM6.硬件实现的SPI和两个UART串行接口7.5个通用的16位定时器8.具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列9.片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器10.具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。并允许现场更新8051固件。11.片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。单片机C8951F410比C8951F020的资源管脚少了一些，其他功能基本相似，这里不做介绍。（2） 液晶显示器 1602具有简单好操控的特点,最主要的是经济又时用.（3） 无线收发模块nRF2401 是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM 技术使nRF2401 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401 可以适用于多种无线通信场合。芯片结构：nRF2401 内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK 滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。QFN24 引脚封装，外形尺寸只有55mm。nRF2401 有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的 ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401 的ShockBurstTM 技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。ShockBurstTM 发射流程A. 当微控制器有数据要发送时，其把CE 置高，使nRF2401 工作；B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401；C. 微控制器把CE 置低，激发nRF2401 进行ShockBurstTM 发射；D. nRF2401 的ShockBurstTM 发射E. 给射频前端供电；F. 射频数据打包(加字头、CRC 校验码)；G.高速发射数据包；H.发射完成，nRF2401 进入空闲状态。ShockBurstTM 接收流程A. 配置本机地址和要接收的数据包大小；B. 进入接收状态，把CE 置高；C. 200us 后，nRF2401 进入监视状态，等待数据包的到来；D. 当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC 校验码)，nRF2401 自动把字头、地址和CRC 校验位移去；E. nRF2401 通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器；F. 微控制器把数据从nRF2401 移出；G. 所有数据移完，nRF2401 把DR1 置低，此时，如果CE 为高，则等待下一个数据包，如果CE 为低，开始其它工作流程。（4）温湿度传感器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。型号测量范围测湿精度测温精度分辨力封装DHT112090RH 0505RH214针单排直插接口说明: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。用户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发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。（5）Q-3烟雾传感器MQ-3烟雾传感器内部采用离子式烟雾传感，由于烟雾传感器检测到烟雾后从其数据端直接就输出了一个高电平，其完全能驱动单片机工作，因此我们就直接接到了单片机的数据口上。电压直接供传感器MQ2的加热丝H-H工作，加热丝给传感器MQ2预热一定时间后，才能正常检测烟雾。 （6）光敏电阻光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。光敏电阻基本特性及其主要参数伏安特性由图2.6.2可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。图2.6.5给出相对灵敏度Kr，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化铊高的多。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。六、总结与体会 在