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基于AVR单片机的无线环境监测系统本科学生毕业论文论文题目：基于AVR单片机的无线环境监测系统学 院：年 级：2009级专 业：电子信息工程姓 名：学 号：指导教师： 年 月 日摘要本设计采用高速度低功耗单片机ATMEGA16L作为主芯片，无线收发芯片采用nRF24L01，温度采集芯片采用SHT10，LCD12864作为显示器，利用SPI口实现双向通信实现无线温湿度收发显示，SPI支持高速数据传输，从而满足了射频带宽的要求。该系统集数据采集、无线数据通信、串行通信于一体，可以很方便地实现点对点的无线数据通信，由于采用较完善的软硬件设计和抗干扰措施，保证了系统工作的安全性和可靠性。nRF24L01提供了强大的跳频机制以及大量的频道支持，功率小，功能简单，携带方便，开发简单快速，数据传输速率快，抗干扰能力强，可以用在许多特殊的场合，具有广泛的市场应用价值。 关键词 ATMEGA16L；nRF24L01；SHT10；LCD12864；无线通信AbstractThis design USES the high speed, low power consumption ATMEGA16L as the main chip microcontroller, wireless transceiver chip adopt nRF24L01, temperature gathering chip adopt SHT10, LCD12864 as monitor and use SPI realize two-way communication wireless mouth humidity transceiver shows that SPI support high-speed data transmission, and satisfy the rf bandwidth needs. This system incorporates data acquisition, wireless data communication, serial communication at an organic whole, can be easily realized point-to-point wireless data communication, because use the software and hardware design and more perfect anti-disturbance measures, to ensure the security and reliability of the system works. NRF24L01 provides a powerful fh mechanism and a lot of channel support, power small, the function is simple, easy to carry, developing simple, fast, data transmission speed, strong anti-jamming capability, can be used in many special occasions, a broad market application value. keywordsATMEGA16L; NRF24L01; SHT10; LCD12864; Wireless communication 目录摘要.IAbstract.III第一章 前言.11.1 课题研究的背景11.2 开发的意义2第二章 系统设计.32.1 系统的总方框设计32.2 系统的硬件选择32.2.1 单片机的选择32.2.2 无线收发芯片的选择42.2.3 温度传感器的选择52.2.4 显示器的选择6第三章 系统硬件设计.83.1 Altium Desinger6.983.2 Protel 99SE83.3 单片机的电源设计93.4 单片机的外围电路的设计93.4.1时钟电路93.4.2 复位电路103.5 温度测量电路的设计113.6 无线发送接收电路的设计123.7 液晶显示LCD12864的电路设计13第四章 系统的软件设计.164.1 编程语言的选择164.2 系统开发环境164.3 主机程序设计164.4 从机程序设计174.5 串行外设接口SPI18第五章 程序的下载205.1 下载器的硬件电路205.2 下载软件215.3 程序下载过程需要注意的问题：23第六章 系统调试.246.1硬件问题与解决246.2 软件问题与解决24结 论.25参考文献.26附录1.27附录2.30致谢.35.37- 第一章 前言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，数据传输速率也越来越快，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，首先是成本低，省去了大量的布线；其次是建网快捷，只需在每个终端连接无线数传模块和架设适当高度的天线即可；再次是适应性好，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；第四是扩展性好，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传模块相连接就可以了；最后是设备维护容易，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传模块，出现故障时则能快速找出原因。 目前应用于数据传输的无线通信技术主要有蓝牙(Bluetooth)，无线局域网(WLAN)802.11b，微功率超短波无线通信以及基于公用移动通信网络(GSM,CDMA)的传输方式。但在上述无线数据传输技术中，基于802.11b的无线局域网WLAN、蓝牙，因其硬件设计、接口方式、通信协议及软件堆栈复杂，需专门的开发系统，开发成本高、周期长，最终产品成本也高，在工业领域中并未得到广泛的应用。基于公用移动通信网络(GSM、CDMA)的无线数据传输方式，虽开发容易，但运营费用高。而普通射频芯片就不存在这些问题，加之短距离无线数据传输技术成熟，功率小，功能简单，携带方便，开发简单快速，使得其在嵌入式短程无线产品中得到广泛的应用。蓝牙（bluetooth）是一种短距离无线通信技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，提供1Mbps的传输速率 和10m的传输距离（目前大功率的蓝牙芯片已经可以达到100m的覆盖范围）。它采用跳频扩频FHSS(Frequency Hopping SpreadSpectrum)技术，具有非常可靠的语音和数据传输能力，蓝牙芯片体积小、功耗低、其应用越来越广泛。但蓝牙芯片价格较为昂贵、传输距离较短、蓝牙技术尚无国际标准。IEEE802.11b 是目前无线局域网(WLAN)的国际技术标准。工作在2.4GHZ的ISM频段，速率最高可达11Mb/s，电波的覆盖范围可达100m左右。它采用直接序列扩谱DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)技术，增强了抗干扰能力。802.11b无线网络的最大优点是兼容性，用它来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快。目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。 微功率无线通信技术一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上少量的外围元器件和微控制器构成无线通信模块。工作于ISM频段，即使用户对其工作机制没有较深了解，也可实现数据的无线传输功能。因其功率小，投资小，开发简单快速而应用广泛。 基于公用移动通信网络(CDMA、GSM)的短消息系统、通用分组交换业务(GPRS)等数据业务进行数据传输。其优点是：网络覆盖广，易组成网络；通信距离远、通信稳定可靠，抗干扰能力强；在此通信平台上的开发简单易行。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输。但是，采用这种无线数据传输的方式，目前的技术下数据的传输速率较低，此外还需支付高昂的通信费用。 在上述无线数据传输技术中，基于80211b的无线局域网WLAN、蓝牙(bluetooth)，因其硬件设计、接口方式、通信协议及软件堆栈复杂，需专门的开发系统，开发成本高、周期长，最终产品成本也高，在工业领域中并未得到广泛的应用。基于公用移动通信网络(GSM、CDMA)的无线数据传输方式，虽开发容易，但运营费用高。而普通射频芯片就不存在这些问题，加之短距离无线数据传输技术成熟，功率小，功能简单，携带方便，开发简单快速，使得其在嵌入式短程无线产品中得到广泛的应用。 1.2 开发的意义 今天我们已经进入了一个无线技术无所不在的时代。在家中，使用便利的无线电话；出门在外使用手机与远方的亲人通话、发短消息；开车，GPS系统为我们导航指路；工作，使用无线网卡可以随时随地地进行网上办公等等。随着我国社会经济的发展，现代监控技术也越来越多的运用到了生态环境监测中。它具有向自动化、智能化、网络化、低功耗、小型化方向发展的趋势，采用自动化监控可以节约大量的人力资源，克服人力测量的效能低，精度不足等缺点。目前用于监控系统的通信方式也是多种多样，主要有有线通信方式和无线通信方式，由于生态环境的分散性和广域性，采用有线或者人工的方式进行监控都将花费大量的人力，物力，因此无线通信技术越来越受到人们的关注。基于GPRS的无线监控系统就是目前比较流行的无线监控管理系。 随着技术的进步，无线通信和无线网络将迅速地向我们日常生活中的各个方面扩展，不久的将来我们大部分的电子产品都将是无线并可随时在线的，一个无线社会很快就将成为现实，并将深刻改变人们的生活方式。因此研究无线通信技术有着很重要的意义。 本文通过对无线数据传输系统模型的研究，提出了一种基于无线模块nRF24L01和ATMEGA16L单片机的无线数据通信系统的总体设计方案，通过对环境参数的测试、处理、以及对无线通信传输等模块的设计真正掌握了无线通信技术的使用方法，为以后从事无线产品的开发打下了坚实的基础。既具有有线方式的效率高、实时性好、成本低的优点，同时安装方便、可维护性好、易实现网络化管理。 第二章 系统设计2.1 系统的总方框设计本设计是基于AVR单片机实现的无线环境监测装置，主机就是利用单片机外加无线接收模块，液晶显示LCD12864构成的；从机是由单片机，温度采集模块，无线发送模块组成。该系统主要完成SHT10、LCD12864、无线射频收发器nFR24L01、串口和单片机的硬件连接，温湿度传感器SHT10进行测量室外的温湿度，无线发送模块由射频收发器nFR24l01将采集到的温湿度值发送给主机，从而实现了无线发送数据的功能；将采集的温度值送字符型液晶显示器LCD12864上显示；完成PC机串行通信及数据处理显示的功能； 系统总设计方框图，如图2-1所示：图2-1 系统总方框图2.2 系统的硬件选择 该系统的无线数据传输模块是基于微功耗单片射频收发芯片nRF24l01设计,采用Atmel公司的高性能、低功耗8位处理器ATMEG16L为主处理芯片，完成数据的处理和控制。无线环境传输装置是由多个器件组成，其选择如下：2.2.1 单片机的选择 由于无线收发芯片nRF24l01提供SPI口并且工作电压为1.93.6V，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10000次，512字节的EEPROM擦写寿命100000次，1K字节的片内SRAM可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。JTAG接口，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ADC 8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。AVR单片机还支持Basic、C等高级语言编程 。采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势 。对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植,并加快软件的开发过程。在AVR系列单片机中，ATmega16L是一款中档功能的AVR芯片，它的引脚数为40，在片内集成了1K字节的SRAM、16K字节的Flash、512个字节的EEPOM，2个8位、1个16位共3个超强功能的定时器/计数器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI (12C)、片内高精度RC振荡器等多功能的接口和特性，较全面的体现了AVR的特点，不仅适合对AVR了解和使用的入门起步学习，同时也满足一般的普通应用，在产品中得到了大量的使用。因此本系统采用ATmega16l作为主控芯片。 2.2.2 无线收发芯片的选择 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。本系统的无线数据传输芯片是应用Nordic公司的无线数字传输芯片nRF24L01，nRF24L01集无线收发于一体，芯片工作在2. 4 GHz自由频段，能够在无线市场畅通无阻。nRF24l01具有以下优点：（1）有126频道，可以满足多点通信和跳频通信需要；（2）最高传输速率速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；（3）内置硬件CRC纠检错和点对多点通信地址控制，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（4） 低功耗1.9 - 3.6V工作，待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA； （5） 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便； （6）内置专门稳压电路，使用各种电源包括 DC/DC 开关电源均有很好的通信效果； （7) 标准DIP间距接口，便于嵌入式应用； （8）工作于 Enhanced ShockBurst 具有Automatic packet handling，Auto packet transaction handling，具有可选的内置包应答机制，极大的降低丢包率。 采用Duo Ceiver TM技术使nRF24L01可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。只需少量外围元件便可组成射频收发电路，nRF24L01没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。该系统使用灵活、成本低廉，可方便地嵌入到测试系统中。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nRF24L01为无线收发模块。引脚如下图2-2所示：图2-2 nrf24L01引脚图 2.2.3 温度传感器的选择 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MCIJ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。本系统采用数字温湿度传感器SHT10。SHT10是由瑞士Sensirion公司推出的SHTxx系列单芯片数字温湿度传感器之一。 SHTxx 系列单芯片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。它应用专利的工业COMS 过程微加工技术（CMOSens.），确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14 位的A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。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SHTxx 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。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。该芯片的应用领域特别广泛，如:数据采集器、变送器、自动化过程控制、汽车行业、楼宇控制&暖通空调、电力、计量测试、医药业等；SHT10系列为贴片型温湿度传感器芯片，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点；卓越的长期稳定性、无需额外部件、超低能耗、表面贴片或4 引脚安装、完全互换。HT10 超小尺寸，并自动休眠全量程标定，两线数字输出；湿度测量范围：0100%RH； 湿度测量范围：-40+123.8； 湿度测量精度:4.5%RH； 温度测量精度：0.5 响应时间：74%RH，温度20的条件下放置至少48小时，促使其快速地恢复到正常状态。 主要是单片机电源没有调整好，后来改了单片机的电源转换后，无线模块采用的是24lL01芯片的成品模块，因为自己单独焊接24L01芯片困难较大，也不易调试，市场成品价格较低，而且技术成熟，资料完备，易于调试，上述所遇到的问题基本上解决了，因此硬件电路不存在过大的问题。6.2 软件问题与解决系统调试过程中，软件是最大的难题了，传感器在一个单片机上实现显示的程序已经调试成功了，唯独在外加从机后的无线调试过程中，把液晶显示屏和传感器分别搭接在主从机，遇到了很多问题，无线模块的代码调试了很久，但是效果一直不佳。在程序编译过程中就遇到困难了，开始主要是程序编写过程中出现的一些常见错误,通过编译后，查找错误，发现很多程序没有后缀名，或者后缀名不正确。这是一个很难理解的错误，它是由工程中的程序文件没有后缀名造成的。解决办法：将原有文件移出工程，将文件的后缀名改为.C，然后再加入工程中。工程中未加入.C文件；解决办法：将你的程序加入工程中，可以右键程序区ADD to project。再有一个问题就是，变量没有定义，解决办法：在程序开始前添加变量定义，比如unsigned char i；定义变量要在函数的最前面进行，即在进行计算操作之前定义所有变量，这是在程序编译过程中遇到的问题。系统调试的时候最先遇到的问题就是设计中出现了无法接收，接收乱码，接收数据不完整的现象，经过排查和重新设置接收模式、接收方式、处理方法等实现了正确接收。当时是这样处理的，加滤波电容，我就在1117-3.3的输出端加了个104。还有就是液晶显示问题，本来选择LCD12864是为了增加扩展功能的，想要在显示器上显示温度变化的波形，后来由于学习能力有限，设计没有实现这个功能。结 论本文通过对无线数传模块nRF24L01的研究，提出了一种基于无线数传模块nRF24L01的无线数据通信系统的总体设计方案。通过制作主机和从机电路板，设计和实现了无线数据通信平台，集温度采集、无线收发、显示于一体。做了以下几方面的工作： （1）查阅了大量的无线数传模块的相关资料和数据手册，根据实际需要对模块进行了选型，经分析比较后选择了无线数传模块nRF24L01。nRF24L01具有CRC检错功能、内置通信协议、低功耗、体积小巧。 （2）深入地分析研究了无线数传模块nRF24L01。（3）完成了系统主机和从机的电路原理图的绘制和电路板的制作。 （4）采用ICCAVR编写了nRF24L01无线通信程序，实现了主机和从机的无线数据传输。 （5）采用温湿度传感器SHT10，应用传感技术、无线收发技术及计算机技术，实现温度数据的采集和短距离无线数据传输并用液晶显示器LCD12864显示无线发送和接收的温度数据。 （6）采用ICCAVR编写了主从机的SPI通讯协议，实现了主机与从机之间通过SPI进行数据的传输，从而实现了温度数据的显示。 系统结构采用模块化设计，主要由两大部分构成：第一部分为系统的从机，以ATMEGA16L单片机和一片nRF24L01无线收发芯片为核心，与温湿度传感器SHT10组成温度采集点，完成温度数据的采集和无线发送，并通过液晶显示器LCD12864显示；第二部分为系统的主机，以ATMEGA16L单片机和一片nRF24L01无线收发芯片为核心，通过液晶显示器LCD12864接口模块，完成温度数据的无线接收、显示功能。 系统电路简单，性能稳定，抗干扰能力强，可靠性高，搭建方便，易于扩展，经过软件进行非线性及温度补偿后，测温精度可进一步提高