基于RF2401的家居环境无线监测系统毕业设计论文.doc

毕业设计（论文）题目 基于RF2401的家居环境无线监测系统院 别 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师（职称） 日 期 摘 要为了提高环境参数采集的自动化水平，提高效率，设计了无线传感系统。本系统运用了传感技术、通信技术和单片机技术，实现了对环境温度、湿度、光照度以及可燃性气体浓度等参数的检测。它能够实时地与上位机进行无线通信，满足对环境参数实时监测的要求。传感器技术与通信技术、计算机技术组合构成的智能传感器以其较高的精度、良好的可靠性、功能多样性等特点在过程控制以及信号检测中得到人们的关注，已成为当今国内外研究的一大热点。本文设计了一种用于对环境信息进行实时监测的无线传感系统，在实际应用中能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输，体现了传感系统数字化、智能化、无线化的优点。该系统以RF2401无线通信芯片为核心，配置AT89S52单片机及其单片机控制的DHT11温度传感器，可实时地对所测环境的温度、湿度、光照强度、有害气体浓度等参数进行测量处理。 采用多节点采集无线传输功能，避免了布线的繁琐，该系统结构简单、可靠、功耗较低、成本低，是一种俱佳的无线传感器的解决方案。 关键字：RF2401芯片 AT89S52单片机 温度 湿度 光照强度 无线传输IVAbstractIn order to improve the automation level of environmental parameter acquisition, improve the efficiency of wireless sensing system is designed. This system USES the sensor technology, communication technology and microcomputer technology, implementation of the environmental temperature, humidity, light, and the concentration of combustible gas, and other parameters of the test.It can real-time wireless communication with PC, meet the requirements of parameters real-time monitoring to the environment. Sensor technology and communication technology, computer technology constitute the intelligent sensor for its high precision, good reliability, functional diversity and other characteristics in the process control and signal detection to get the attention of people, has become a hot spot in todays domestic and foreign research. This paper designed a kind of used for real-time monitoring of environmental information of wireless sensing system, in the actual application can carry on the accurate measurement of environmental parameters and reliable transmission, embodies the advantages of digital, intelligent, wireless sensing system. RF2401 wireless communication chip as the core, the system configuration of AT89S52 single chip microcomputer and single chip microcomputer control DHT11 temperature sensor, can be in real time on the measured environment temperature, humidity, light intensity, the concentration of harmful gases, and other parameters measured.Multi-node acquisition wireless transmission function is adopted to avoid the cumbersome wiring, the system structure is simple, reliable, low power consumption, low cost, is a kind of the best wireless sensor solutions.Keywords: RF2401 chip；AT89S52 single-chip microcomputer；DHT11 temperature；humidity；light intensity；wireless transmission.目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪 论11.1 课题背景11.2 无线通信技术发展概况11.3 设计要求与设计内容22 系统总体方案设计32.1 系统方案选择32.1.1 主控芯片方案32.1.2 无线通信模块方案32.1.3 显示模块方案32.1.4 温湿度传感方案42.1.5 可燃气体传感方案42.1.6 单片机与PC机通信模块52.2 系统最终方案53 系统硬件设计73.1 系统控制模块73.1.1 单片机控制模块103.2 无线传输模块113.2.1 NRF2401芯片概述113.2.2 芯片结构、引脚说明113.3 温湿度采集模块173.3.1 DS18B20管脚配置和内部结构173.3.2 DHT11管脚配置和内部结构193.4 可燃气体采集模块203.5 入侵报警模块203.5.1 电气参数213.5.2 功能特点213.5.3 模块及电路组成213.5.4 摄像头的选择224 系统软件设计234.1 发送端软件设计234.2 接收端软件设计23结 论25致 谢26参考文献27兰州工业学院毕业设计说明书（论文）1 绪 论1.1 课题背景室内环境一般泛指家庭、办公室等半封闭空间。据统计，人一生中70%左右的时间要在室内度过，人均日吸入空气12立方米，而城市居民每天约60%90%的时间在各种室内度过，为此，人们的生活环境安全是极为重要的。然而，传统的室内环境监测设备是极为昂贵的，一般的家庭、企业单位不愿意购买，只有专业的检测机构和从事室内环境质量监测的公司才会购买，同时，价格不菲的检测费用使得很多家庭不愿意做室内环境质量的检测。此外，传统的室内环境质量检测设备多为独立的单台设备，难以实现对环境的多点实时监测，设备利用率低，使用也不方便，这使得家庭、办公室以及电影院、餐厅、商场、车、船客舱等公共场所的环境质量的监测成为盲区，因此，开发一种低成本并能实现多点监测的室内环境监测系统的需求十分迫切，也具有广阔的市场前景。1.2 无线通信技术发展概况随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。本系统的设计采用了Nordic公司新推出的工作于2.4GHz频段NRF24L01射频芯片，由AT89S52单片机控制实现短距离无线数据通信。该接口设计具有成本低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。整个系统有发送和接收二部分，通过NRF24L01无线数据通信收发模块来实现无线数据传输。发送部分以单片机AT89S52为核心，使用温湿度传感器DHT11实时采集温度、湿度并通过nRF24l01将采集的温湿度信息无线传送给接收部分，并通过串口发送到PC机上显示，通过TGS813可燃气体传感器实现对火灾等突发状况进行报警。1.3 设计要求与设计内容设计要求：（1） 完成基于RF2401通信芯片的无线环境监测系统的设计；（2） 具备被检测环境的温度（-2099度）、光照（有、无），湿度（099）、天然气浓度（0%5%）、非法侵入等状态的监测功能；（3） 具备多节点采集、状态显示功能；具备节点转发以及数据汇集功能；（4） 单节点通信距离大于50m，数据速率大于500kbps。设计内容：（1） 基于无线传感网络的远程数据监测系统的应用前景分析；（2） 无线传感网络的数据传输原理及应运；（3） 环境多状态采集传感电路的设计；（4） 按键及显示电路的设计；（5） 系统软件的设计。312 系统总体方案设计2.1 系统方案选择2.1.1 主控芯片方案方案一：采用传统的AT89S52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。而且价格适中。考虑到此系统需要不用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用AT89S52作为本系统的主控芯片。2.1.2 无线通信模块方案方案一：采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。方案二：采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。方案三：采用NRF24L01无线射频模块进行通信，NRF24L01是一款高速低功耗的无线通信模块。他能传输上千米的距离（加PA），而且价格较便宜、，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。2.1.3 显示模块方案方案一：选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。方案二：采用字符液晶LCD1602显示信息，1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。方案三：采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为接收端的显示。发送端用7段数码管显示。2.1.4 温湿度传感方案方案一：采用AD590是美国ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。方案二：采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。经济，方便。使用DS18B20线路简单，编程容易，但是比AD590精度低。AD590还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大，但是温度精确。考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案二，即用DS18B20作为本系统的温度传感器。方案三：为图器性能的综合应用，最终选择了I2C总线的DHT11数字温湿度传感器，其是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，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。综合以上方案，我们选择经济方便的DS18B20作为温度传感器，并选择DHT11作为湿度传感器，作为温湿度采集模块。2.1.5 可燃气体传感方案方案一：采用日本费加罗FIGARO制作的半导体气体传感器TGS813传感器，它具有以下特点：后期电路简单；长寿命，低功耗；对甲烷、乙烷、丙烷等可燃气体的高敏感度。方案二：采用MQ2气体传感器，它是一种具有广泛探测范围、高灵敏度、优越稳定性和驱动电路简单的普敏型气体传感器，可用于工厂和家庭以实现对特种成分气体浓度的检测。综合以上方案，我们选用半导体气体传感器TGS813为可燃气体传感模块。2.1.6 单片机与PC机通信模块采用MAX232来完成TTL- EIA（美国电子工业联合会）双向电平转换。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5 V电源便可工作，使用十分方便，其与AT89S52连接时可以采用最简单的方式连接,MAX232的T1 IN引脚与89S52的串行输入口线P31TXD相连，R1 OUT引脚与89S52的串行输入口线P30RXD相连，MAX232的T1 OUT、R1 IN分别于与RS232的2、3引脚相连。2.2 系统最终方案为提高系统的可靠性以及减小设计、开发周期，本系统由一个主节点和多个子节点组成，电路上均采用集成化设计。子节点负责采集环境参量，通过无线通信模块将数据以多跳方式逐级传递给主节点；主节点除具备基本的参量采集功能外，主要负责将汇集来的各子节点数据通过GPRS网络发送给用户手机。系统主节点组成如图2-1所示，可见在硬件结构上，任何一个子节点都可以通过与GPRS模块相连而变成主节点。TGS813可燃气体传感器无线通信模块RF2401温度传感器DS18B20 湿度传感器DHT11AT89S52单片机 入侵报警DYP-ME003PC机（SIM卡）无线通信模块RF2401（接收）图2-1系统设计方案发送端： 发送端由温度传感器DS18B20，,湿度传感器DHT11，AT89S52单片机，NRF2401无线射频模块，TGS813可燃气体传感器采集，外设继电器，LED7段数码管组成。TGS813可燃气体传感器 温度传感器DS18B20 湿度传感器DHT11AT89S52单片机NRF2401无线模块 继电器LED7段数码管图2-2发送端系统方案框图接收端： 接收端由AT89S52单片机，NRF2401无线射频模块，报警电路，GPRS模块LCD1602显示模块组成。 AT89S52单片机NRF2401 无线模块LCD1602显示模块PC机 报警电路图2-3 接收端系统方案框图3 系统硬件设计3.1 系统控制模块单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。引脚图如图3-1所示。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。图3-1 AT89S52单片机管脚图（1）主要功能特性: 兼容MCS-51指令系统 8k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线 256x8bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针（2）AT89S52单片机引脚介绍:引脚如图3.1所示，以下是各引脚的说明。VCC：AT89S52 电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反向放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统皆可以工作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：AT89S52的重置引脚，高电平工作，当要对晶片重置时，只要对此引脚点评提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。EA/Vpp：“EA”为英文“External Access”的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当引脚为低电平后，系统会调用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果使用8751内部程序空间时，引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一个8位宽的开路电极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一个完整的16位地址总线，而定位地址到64K的外部存储器空间。PORT1(P1.0P1.7)：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，若将端口1的输出设为高电平，使是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部缓冲输入脚，而P。1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发引脚。PORT2(P2.0P2.7)：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，同样地，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD,串行通信输入。P3.1：TXD,串行通信输出。P3.2：INT0,外部中断0输入。P3.3：INT1,外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR,外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD,外部数据存储器的读取信号。3.1.1 单片机控制模块单片机控制模块由AT89S52最小系统组成，其中包括单片机，晶振电路和复位电路。（1）、晶振电路晶振电路由两个30pF电容和一个12MHz晶体振荡器构成，接入单片机的X1、X2引脚。（2）、复位电路单片复位端低电平有效。图3-2 单片机最小系统3.2 无线传输模块3.2.1 NRF2401芯片概述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适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。NRF2401主要特性如下： GFSK调制； 硬件集成OSI链路层； 具有自动应答和自动在发射功能； 片内自动生成报头和CRC校验码； 数据传输率为1Mb/s或2Mb/s； SPI速率为0Mb/s10Mb/s； 125个频道； 与其他NRF24系列射频器件相兼容； QFN20引脚4mm4mm封装； 供电电压为1.9V3.6V；3.2.2 芯片结构、引脚说明 1.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的功能模块如图3-3所示图3-3 NRF2401功能模块2.引脚说明表3.1 nRF2401引脚3.工作模式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的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定，详见表3.2。表3.2：nRF2401工作模式 3.1收发模式 nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。 3.1.1 ShockBurstTM收发模式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。在ShockBurstTM收发模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。 3.1.1.1 ShockBurstTM发射流程接口引脚为CE，CLK1，DATAA.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发射给射频前端供电；射频数据打包(加字头、CRC校验码)；高速发射数据包；发射完成，nRF2401进入空闲状态。3.1.1.2 ShockBurstTM接收流程接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)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。3.1.2直接收发模式在直接收发模式下，nRF2401如传统的射频收发器一样工作。3.1.2.1直接发送模式接口引脚为CE、DATAA.当微控制器有数据要发送时，把CE置高；B.nRF2401射频前端被激活；C.所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和CRC校验码)。3.1.2.2直接接收模式接口引脚为CE、CLK1和DATAA.一旦nRF2401被配置为直接接收模式，DATA引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由于噪声的存在)；B.CLK1引脚也开始工作；C.一旦接收到有效的字头，CLK1引脚和DATA引脚将协调工作，把射频数据包以其被发射时的数据从DATA引脚送给微控制器；D.这头必须是8位；E.DR引脚没用上，所有的地址和CRC校验必须在微控制器内部进行。3.2配置模式在配置模式，15字节的配置字被送到nRF2401，这通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，具体的配置方法请参考本文的器件配置部分。3.3空闲模式nRF2401的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF2401片内。3.4关机模式 在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF2401片内，这是该模式与断电状态最大的区别。4.器件配置nRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF2401工作模式的介绍，我们可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式，这样，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，因此，下文着重介绍把nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式的器件配置方法。ShockBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。ShockBurstTM的配置字可以分为以下四个部分：数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF2401能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码；地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF2401能够区分地址和数据； 地址：接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址； CRC：使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。 当使用nRF2401片内的CRC技术时，要确保在配置字中CRC校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。nRF2401配置字的各个位的描述如表3.3所示。 表3.3：nRF2401配置字描述在配置模式下，注意保证PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。配置字从最高位开始，依次送入nRF2401。在CS引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。5.应用电路图3-4 NRF2401应用电路图3-4为nRF2401的应用电路，由图可知，其只需要14个外围元件。nRF2401应用电路一般工作于3V，它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中，设计者可使用单鞭天线或环形天线，上图为50欧姆单鞭天线的应用电路。在使用不同的天线时，为了得到尽可能大的收发距离，电感电容的参数应适当调整。6.PCB设计PCB设计对nRF2401的整体性能影响很大，所以PCB设计在nRF2401收发系统的开发过程中主要的工作之一，在PCB设计时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。nRF2401的PCB一般都是双层板，底层一般不放置元件，为地层，顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。nRF2401的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给nRF2401提供稳定的电源。在PCB中，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。3.3 温湿度采集模块DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的一线器件体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器。3.3.1 DS18B20管脚配置和内部结构DS18B20的管脚和封装如下图3-5：图3-5 DS18B20引脚及封装引脚定义： (1)DQ为单数据总线，是数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 内部结构：图3-6 DS18B20内部结构图（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0LS Byte232221202-12-22-32-4bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8MS ByteSSSSS262524图3-7 DS18B20温度值格式表这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。3.3.2 DHT11管脚配置和内部结构DHT11是广州奥松有限公司生成的一款温湿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为单片机相连接。I2C总线的DHT11数字温湿度传感器，其是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，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。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择。 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，湿度测量范围为2090%RH。其电路接线图如图3-8所示。图3-8 DHT11电路接线图从模式下的数据读写时序如图3-9 所示。一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8”bit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”。每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定义了数据位是0还是1，数据格式如图3-10所示。图3-9 DHT11时序图图3-10 “0”、“1”的数据格式3.4 可燃气体采集模块TGS813 传感器对甲烷、丙烷、丁烷的灵敏度高，对天然气、液化气和毒性气体(如CO)的浓度监视也很理想，这种传感器可检知多种可燃气体，所以是对各种应用方式都很优越的低成本传感器，此外，还有能耐 200高温的陶瓷底座传感器（型号为 TGS816）。该传感器使用在清洁空气中电导率低的二氧化锡(SnO2) 作为费加罗气体传感器的气敏素子，当存在检知对象气体时，传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。家居可燃气体和有毒气体传感器选用TGS813，其应用电路如图3-11所示。图3-11 TGS813内部电路火焰探测选用C3704模块，可以通过紫外线的辐射强度来进行火焰的监测。NIS-10A是一种通用性低功耗的烟雾离子探测式数字传感器，使用放射性物质镅241的射线探测烟雾离子，放射性物质被包裹在金属制电极内部，所以不会泄露放射能量。NIS-10A属于通用性低功耗数字传感器,使用电池带动。3.5 入侵报警模块为保障人体入侵监测的准确性，本设计采用以PIR热释电传感器为核心的DYP-ME003人体红外模块，其具有低功耗、宽电压、电路体积小、工作模式可选、响应速度快、单路电平输出的特点，因此非常适合用于各种场合的人体入侵检测和报警系统。3.5.1 电气参数表3.4 电气参数表电气参数DYP-ME003人体感应模块工作电压范围DC4.5-20V静态电流50uA电平输出高3.3V/低0V触发方式L不可重复触发/H重复触发延时时间5-200s（可调）可制作范围零点几秒至几十分钟封锁时间2.5s（默认）可制作范围零点几秒至几十秒电路板外形尺寸32mm*24mm感应角度100度锥角感应距离7米以内工作温度-15-+70度感应透镜尺寸直径：23mm（默认）3.5.2 功能特点1、 全自动感应：人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。2、 光敏控制（可选择，出厂时未设置）：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。3、温度补偿（可选择，出厂时未设置）：在夏天当环境温度升高至30自动报警调节。3.5.3 模块及电路组成 如图3-12所示: 图3-12 模块接口 3.5.3.1管脚功能及其工作特性如下：1. 电源负极，2. OUT 信号输出，3.电源正极，4. L 不可重复触发端口、H 重复触发端口，5.CDS 光敏电阻，6.RT 温度补偿电阻。工作电压为DC4.5-20V，静态电流50uA；感应角度100度、感应距离7m；当红外传感器感应到人体时，2脚输出高电平，人体离开时则自动延时后输出低电平；通过设置4脚的电平状态可工作在不可重复触发和可重复触发两种方式下，当为低电平时为不可重复触发，即感应输出高电平后，延时时间段一结束输出自动变为低电平，而当为高电平时为可重复触发方式；模块具有自动延时时间段和感应封锁时间设置功能，默认的延时时间段为2.5S、封锁时间为0S；通过对CDS光敏电阻的调节，可以设置光敏控制，白天或光线强时模块不感应；当环境温度升高时探测距离会变短，通过调节RT电阻可进行一定的性能补偿。另外，模块在通电后有一分钟左右的初始化时间，在此过程中2脚会间隔输出的高、低电平变化，然后才进入正常待机状态。3.5.4 摄像头的选择无线通信模块的MCU带有两路串口，因此选用串口摄像头模块PTC08进行入侵图像的采集，其主要用于图像采集系统、环境监控、工业现场过程控制、医疗设备、安全防盗、留像门铃、车载监控、远程监控、数字图像纪录等领域。内部为CMOS图像传感器，像素大小5.6um*5.6um、30万像素分辨率，输出图像为JPEG/M-JPEG标准，最大监视距离15m、可视角度120度，图像格式有VGA（640*480）/QVGA（320*240）/QQVGA（160*120）三种，另外还具有动