【本科优秀毕业设计】无线多点湿度监控仪的设计(下位机)

本科毕业设计论文无线多点湿度监控仪的设计下位机摘要本文介绍了利用16位单片机SPCE061A作为控制中心，配合电容式湿度传感器HS1101测量湿度的方案。该湿度测量仪具有语音播放功能，利用按键控制湿度的测量和湿度值的播放，对与多点湿度的检测有很实际的意义，在一些特定的场合对湿度的测量有比较高的要求。下位机主要执行多点湿度采集并通过无线模块把采集到的数据传送给上位机。上位机主要是通过无线模块接受并且显示下位机送来的湿度数据进而与设定湿度进行对比，进行语音播放功能。下位机系统采用了凌阳单片机SPCE061A和湿度传感器HS1101为主的湿度测量系统，通过无线传输模块NRF2401进行上位机与下位机的通信，从而实现无线多点湿度监控仪的各种功能需求。关键词SPCE061A；湿度传感器；HS1101；NRF2401ABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESTHEUSEOF16BITSINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHECONTROLCENTERSPCE061AWITHHS1101CAPACITIVEHUMIDITYSENSORANDHUMIDITYMEASUREMENTOFTHEPROGRAMTHEHUMIDITYMEASURINGINSTRUMENTWITHTHEVOICEBROADCASTFUNCTION,THEUSEOFKEYSTOCONTROLMOISTUREANDHUMIDITYMEASUREMENTVALUEPLAY,WITHMOREHUMIDITYTHEREISAVERYPRACTICALTESTOFTHESIGNIFICANCEOFTHEOCCASIONINANUMBEROFSPECIFICMEASUREMENTOFTHEHUMIDITYISRELATIVELYHIGHREQUIREMENTSMAINIMPLEMENTATIONOFLOWERHUMIDITYANDMORECOLLECTIONPOINTSANDTHROUGHTHEWIRELESSMODULETOCOLLECTTHEDATATRANSMITTEDTOTHEHOSTCOMPUTERPCISAWIRELESSMODULETORECEIVEANDDISPLAYMACHINESENTLOWERHUMIDITYHUMIDITYDATATOCOMPAREWITHTHESETTINGSFORVOICEPLAYBACKSYSTEMUNDERTHEADOPTEDBITSINGLECHIPSPCE061ASUNPLUSHS1101HUMIDITYSENSORANDHUMIDITYMEASUREMENTSYSTEMMAINLYTHROUGHTHEWIRELESSTRANSMISSIONMODULENRF2401PCTODRIVETHENEXTDIGITALCOMMUNICATIONS,ENABLINGWIRELESSMULTIPOINTHUMIDITYMONITORTHEVARIOUSFUNCTIONALREQUIREMENTSKEYWORDSSPCE061A；HUMIDITYSENSOR；HS1101；NRF2401目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景1111单片机的发展及应用1112传感器的发展212课题的目的和意义513课题的主要内容6第2章芯片介绍721SPCE061A介绍7221SPCE061A的性能特点822湿度传感器HS11019221湿度测量简介9222湿度传感器简介10223HS11011123无线传输模块NRF240113231芯片介绍13232引脚介绍1424本章小结15第3章系统硬件设计1631SPCE061A最小系统16311SPCE061A的内存储器171312看门狗电路18313A/D转换电路1932HS1101电路模块2033NRF2401电路模块21331NRF2401的工作方式22332NRF2401的器件配置2434本章小结25第4章系统软件设计2641下位机主程序2642湿度测量程序2743A/D转换程序2944无线模块程序30441接受单片机数据30442上位机与下位机的通信3145中断服务程序3346本章小结34结论35参考文献36致谢38附录139附录244附录348附录459第1章绪论11课题背景工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素大气压强、温度的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。目前，人们探测的湿度测量从原理上有二、三十种之多。随着20世纪后半期电子业的发展，电子式湿度传感器产品及湿度测量于90年代也随之兴起，并在后面这些时间内取得了长足的发展。该方案就是利用电子式传感器配合单片机实现具有语音功能人性化的测湿仪。随着人们生活水平的提高，各种电子产品进行着突飞猛进的发展，电子测量仪也逐渐丰富起来，原来的模拟产品逐步向数字化转化，并且不断走向人性化。本文中设计的环境测量系统充分发挥了人性化的特质，该环境测量系统由SPCE061A控制，配合传感器模组设计而成，利用SPCE061A的语音功能，配合传感器模组，测量湿度，并且语音播放测量结果，并提醒人们提高或者降低湿度。111单片机的发展及应用单片机根据其基本操作处理的位数可分为1位单片机、4位单片机、4位单片机、16位单片机和32位单片机。继1971年微处理器的研制成功不久，就出现了单片微型计算机即单片机，但最早的单片机是1位的。单片机地发展历史可分为四个阶段第一个阶段1974年1976年单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如仙童公司生产的F8单片机，他还需加上一块3851才能组成一台完整的计算机。第二个阶段1976年1978年低性能单片机阶段。这个阶段的单片机在原来的基础上有了很大的发展，但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内RAM和ROM容量比较小却寻址范围不大于4K。第三个阶段1978年1982年高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机普遍带有串行口，多级中断系统，16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，却寻址范围可达64K字节，有的片内还带了A/D转换器。由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被广泛应用，是目前应用数量较多的单片机。第四个阶段1982年现在8位单片机的发展以及16位单片机、32位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展了16位单片机、32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善了高档8位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需求1。目前单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，它已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种手机、充电器、电话、电风扇、录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。6112传感器的发展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1121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。日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学已研制出这类传感器。1122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。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点测量范围宽；温度范围宽，可达4001500；响应速度快，小于1S；尺寸小，可用于小空间测湿；温度系数小。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于01FS，温漂小于015/10K，抗过载强，可达量程的数百倍。测量范围可从0到60MPA。德国EH公司和美国KAVLIO公司产品处于领先地位。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信技术。在光通信利用中发现当温度、压力、电场、磁场等环境条件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点灵敏度高，结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。光纤传感器日本处于先进水平。如IDECIZUMI公司和SUNX公司。光纤传感受器与集成光路技术相结合，加速光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠性高，成本低。1123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。日本横河公司利用各向导性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成，两个谐振的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达001FS。美国SILICONMICROSTRUCTUREINCSMI公司开发一系列低价位，线性度在01到065范围内的硅微压力传感器，最低满量程为015PSI1KPA，其以硅为材料制成，具有独特的三维结构，轻细微机械加工，和多次刻制成惠斯登电桥于硅膜片上，当硅片上方受力时，其产生变形，电阻产生压阻效应，而失去电桥平衡，输出与压力成比例的电信号。像这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿技术，其基本特点是敏感元件体积为微米量级，是传统传感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方面有重要的作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。中国航空总公司北京测控技术研究所，研制的CYJ系列溅谢膜压力传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变器易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗等领域。1124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，它可降低成本、增加产量，美国LUCAS、NOVASENSOR公司开发的这种血压传感器，每星期能生产1万只。1125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，与传统传感器相比有很多特点具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，因而提高测量精度；可实现多传感器多参数测量，有自诊断和自校准功能，提高可靠性；测量数据可存取，使用方便；有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器。美国HONYWELL公司ST3000型智能传感器，芯片尺寸才有342MM，采用半导体工艺，在同一芯片上制成CPU、EPROM、静压、压差、温度等三种敏感元件，相比有较大的差距急待发展。7智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航局在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器SMARTSENSOR，在宇宙飞船上这种传感器是非常重要的。我国在这方面的研究与开发还很落后，主要是因为我国半导体集成电路工艺水平有限。12课题的目的和意义在常规的环境参数中，用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素大气压强、温度的影响。另外，人们的生活质量提高，对室内环境的高要求也需要对温湿度的适时监控。通过本次设计，使我更加了解了SPCE061A的内部结构，了解了其湿度测量的原理，对电子测量仪的工作原理有了简单的了解，对其研究也产生了很大的兴趣。本次设计加强了我对以前所学的专业知识的认识并加以巩固，并学以之用，初步了解了现实生活中简单电子产品的工作原理。13课题的主要内容本文主要实现以SPCE061A为单片机，以湿度传感器HS1101为湿度采集模块，以NRF2401为无线传输模块的无线多点湿度监控仪的下位机的设计。本文的结构是第1章介绍了湿度检测的国内外研究环境及发展趋势，从总体上对课题的发展进行了概述。第2章介绍了设计下位机所应用到的主要的芯片，如凌阳SPCE061A单片机、湿度传感器HS1101和无线传输模块NRF2401等硬件电路。第3章介绍了下位机系统的硬件构成，具体讲述了各个模块的电路以及工作方式。第4章主要讲述了各个模块的程序流程以及其流程图。第2章芯片介绍21SPCE061A介绍SPCE061A是一款16位结构的微控制器，内部结构图如图21所示，主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真电路ICE接口，较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号。其应用领域很广泛，例如应用在家用电器控制器、工业控制、通信产品、医疗设备以及电子书籍等诸多方面。SPCE061A单片机款式新颖，而且性价比高。4双16位定时器/计数器时基中断控制7通道10位ADC单通道G双通道10位DAC串行输入输出接口低电压监测/低电压复位WATCHDOG串行异步通讯接口32管脚通用输入输出端口TM16位微控制器UNSPICE锁相环震荡器CPU时钟实时时钟IOB7（RXD）IOB10（TXD）IOB0（SCK）IOB1（SDA）MICNAUD1AUD2ICENISKICEDAVCPXI/ROTMFLASHR图21SPCE061A内部结构SPCE061A在26V36V工作电压范围内的工作速度范围为032MHZ49152MHZ；2K字SRAM和32K字FLASH仅占一页存储空间；32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；低电压复位/监测功能；8通道10位模/数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道10位DAC方式的音频输出功能；指令系统提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能。较高的处理速度使SPCE061A能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。开发数字声音和语音识别产品，选择SPCE061A是一种经济的选择。如图21所示，输入/输出接口是单片机与外设交换信息的通道。输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。NSPTM内有并行和串行两种方式的I/O口。并行口线路成本较高，但是传输速率也较高；与并行口相比，串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。SPCE061A有两个16位的通用并行I/O口A口和B口。这两个端口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。A口的IOA0IOA7作为输入端口时，具有唤醒功能，即当输入电平发生变化时，会触发CPU中断。在电池供电、追求低耗电的应用场合，可以让CPU进入睡眠模式利用软件控制以降低功耗，需要时才以按键来唤醒CPU，使其进入工作状态。例如手持遥控器、电子字典、PDA、计算器、无线电话等。221SPCE061A的性能特点SPCE061A既具有体积小、集成度高、可靠性好的特点，又具有较强的中断处理能力、高性能的价格比和功能强、效率高的指令系统及低功耗、低电压的特点。其芯片特性如下116位NSPTM微处理器；2工作电压CPU的VDD为26V36V，I/O的VDDH为VDD55V；3CPU时钟为032MHZ49152MHZ；4内置2K字节的ROM；5内置32K字FLASH存储器；6可编程音频处理；7晶体振荡器；8系统处于备用状态下时钟处于停止状态，耗电小于2UA36V；92个16位可编程定时器/计数器可自动预置初始计数值；102个10位OAC数/模转换输出通道；1116位通用可编程输入/输出端口；1214个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；13具备触键唤醒的功能；14锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；1532768HZ实时时钟；167通道10位电压模一数转换ADC和单通道声音模一数转换器；17声音模一数转换器输入通道内里麦克风放大器和自动增益控制AGC功能；18具备串行设备接口；19低电压复位LVR功能和低电压监测LVD功能；20内置在线仿真电路接口ICE；21具有保密能力；22具有WATCHDOG功能；23可编程音频处理，使用凌阳音频编码SACMS24O方式，能容纳210S的语音数据。22湿度传感器HS1101221湿度测量简介2211湿度定义在计量法中规定，湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH表示。总言之，即气体中通常为空气中所含水蒸气量水蒸气压与其相同情况下饱和水蒸气量饱和水蒸气压的百分比。2212湿度测量方法从测试的输出参量上区分，湿度测量方法主要分为以下几类利用物质几何尺寸变化的测湿法伸缩法，干湿球法，冷凝露点法，氯化锂露点法，电湿度测量法电阻法、电容法，电解法库仑湿度计以及其它测湿方法。这些测量方法读者可以找相关资料进行进一步了解，限于篇幅，这里不再赘述。下面重点介绍本系统中用到的电湿度测量法的特点。2213电子式湿度传感器的特点电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到23RH。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在2左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命都不是很好。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。13电子式湿度传感器主要有电容式和电阻式两种。电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30RH以下，80RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现“阶跃“性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为PF级，1RH的变化不足05PF，容值的漂移改变往往引起几十RH的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。222湿度传感器简介湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。1湿敏电阻。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。2湿敏电容。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有HUMIREL公司、PHILIPS公司、SIEMENS公司等。以HUMIREL公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是199RH，在55RH时的电容量为180PF典型值。当相对湿度从0变化到100时，电容量的变化范围是163PF202PF。温度系数为004PF/，湿度滞后量为15，响应时间为5S。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。223HS1101HUMIREL湿度传感器HS1101/HS1100基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等，在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。具有以下特点1全互换性在标准环境下不需校正；2长时间饱和下快速脱湿；3可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸；4高可靠性与长时间稳定性；5专利的固态聚合物结构；6可用于线性电压或频率输出回炉；7快速反应时间。如下表21所示，即为湿度传感器HS1101的最大参数TA25，除非特别标定表21最大参数参数符号参数值单位工作温度TA40100储存温度TSTG40125供电电压VS10VAC湿度范围RH0100RH焊接时间T260T10SHS1101的基本参数，如表22所示。默认表22的测量温度T25，测量时HS1101工作频率为10KHZ，除非特别标定。表22基本参数特征参数符号MINTYPMAX单位湿度测量范围RH1995供电电压VS510V标称电容55RHC177180183PF温度效应TCC004PF/平均灵敏度3375RHC/RH034PF/RH漏电流IX1NA恢复时间150小时结露TR10S迟滞/15长时间稳定性05RH/YR反应时间TA5S曲线精度1090/2RHHS1101的特性曲线，如图22所示，测量温度T25，测量时HS1101工作频率为10KHZ。测量时为了达到更好的互换性，回路中需要把传感器的第2脚接地。图22特性曲线23无线传输模块NRF2401231芯片介绍无线传输模组以NRF2401芯片为核心，提供了一路的无线发射和两路的无线接收功能，该模组通过一个10PIN接口直接插接到61板上，方便使用。NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2425GHZISM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105MA，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功能模块如下图23所示。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。图23NRF2401功能模块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。232引脚介绍NRF2401的引脚电路图如下图24所示图24引脚电路图NRF2401各个引脚的说明如下表23所示表23引脚说明引脚名称引脚功能描述1CE数字输入使NRF2401工作于接受或者发送状态2DR2数字输出频道2接收数据准备好3CLK2数字I/O频道2接收数据时钟输入/输出4DOUT2数字输出频道2接收数据5CD数字输入配置模式的片选端6DR1数字输出频道1接收数据准备好7CLK1数字I/O频道1接收数据时钟输入/输出8DATA数字I/O频道1接受/发送数据端9DVDD电源电源的正数字输出10VSS电源电源地11XC1模拟输出晶振112XC2模拟输入晶振213VDD_PA电源输出给功率放大器提供18V的电压14ANT1天线天线接口115ANT2天线天线接口216VSS_PA电源电源地17VDD电源电源正端18VSS电源电源地19IREF模拟输入魔术转换的外部参考电压20VSS电源电源地21VDD电源电源正端22VSS电源电源地23PWR_UP数字输入芯片激活端24VDD电源电源正端24本章小结本章介绍了设计下位机所涉及到的SPCE061A，湿度传感器HS1101，无线数传模块NRF2401这三个重要的组成模块，主要表明了设计芯片的主要使用部分及所用的引脚接，为硬件电路的设计做好准备。第3章系统硬件设计对于湿度测量仪，除了具有一个控制器控制测量外，还需要测量器。本下位机系统中采用SPCE061A作为控制器，电容式湿度传感器HS1101作为测量器，利用NRF2401作为与上位机通信的无线模块。由于电容不能直接和SPCE061A的I/O口连接进行测量，所以需要一个电路模块，与SPCE061A的FEEDBACK接口IOB2、IOB4、IOB3、IOB5连接，实现从电容到频率的转换，系统的结构框图如图31图31系统结构框图系统的功能1测量湿度。2测量到的湿度值传送到单片机。3将数据通过无线数传模块NRF2401与上位机进行通信。31SPCE061A最小系统下位机系统应用到SPCE061A的内存储器、A/D转换器、I/O端口、定时器/计数器等几个主要部分。本方案使用SPCE061A精简开发板61板作为单片机最小系统。61板包括SPCE061A芯片及其外围的基本模块，外围模块包括晶振输入模块OSC、锁相环外围电路PLL、复位电路RESET、指示灯LED等，如下图32所示HS1101SPCE061ANRF2401看门狗A/D图32SPCE061A最小系统311SPCE061A的内存储器NSPTM的片内存储器地址映射如表33所示。4M字的存储器地址可以映射成64页，每一页有64K字的存储容量，其地址取决于16位寄存器或存储器的值。页的地址映射值0X000X3F由地址线A16A21编址形成，即页的索引。通过对SR寄存器中6位代码段选择字段CS或数据段选择字段DS的赋值可完成存储器页的索引。存储器映射中的第一页即零页的地址映射值为0X00。通常，零页专门设计用于需频繁访问的数据类型的存储单元，例如用户定义的变量存储器或一些外部设备接口等。其它非零页是以高密度巨大容量的掩膜ROM设计制成，用于存储程序或固定的数据代码。整个片内存储器可分成静态数据存储器SRAM和程序存储器ROM两块区域。SRAM的地址区域包括栈区在000000H003FFFH范围内。前64个字，即000000H00003FH地址范围内的存储器的寻访速度为2个CPU时钟周期；其余000040H003FFF地址范围内存储器的寻访速度则为3个CPU时钟周期。表31SPCE061A内存映像表SRAM外部SRAM保留空间I/O端口系统端口零页ROM保留空间中断向量第1页ROM第63页ROMROM具有两种寻访速度。当CPU时钟频率达最高时，零页中地址范围为008000H00FFFF的32KROM，其寻访速度为3个CPU时钟周期；其余非零页中ROM的寻访速度则为6个CPU时钟周期。在其它CPU时钟频率下，零页与非零页中ROM的寻访速度均为3个CPU时钟周期。1312看门狗电路在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗”。看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作原理是看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连，该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平或低电平，这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段不进入死循环状态时，写看门狗引脚的程序便不能被执行，这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序从程序存储器的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位。图33WATCHDOG的结构和信号时序SPCE061A的WATCHDOG的清除时间周期为075秒。因为WATCHDOG的溢出复位信号WATCHDOG_RESET是由4HZ时基信号经4分频之后产生的，即每4个4HZ时基信号1秒将会产生一个WATCHDOG_RESET信号。WATCHDOG功能是上电时自动启动，不能被关闭。因此用户使用时，注意要在075秒内，进行清除WATCHDOG的操作。要清除WATCHDOG，只需要将“XXXXXXXXXXXXXX01B”写入P_WATCHDOG_CLEAR单元即可，XX代表任意数值。如果没有在075秒内清除WATCHDOG，或者将不是“XXXXXXXXXXXXXX01B”的数值写入P_WATCHDOG_CLEAR单元，CPU将会进行系统复位。如果在备用状态下，32768HZ振荡器仍工作，则看门狗计数器功能仍有效。用户可以在掩模时选择设置或取消看门狗监视器功能。当系统处于睡眠模式SLEEPMODE时，WATCHDOG功能将会被关闭。313A/D转换电路A/D转换器和D/A转换器已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器简称A/D转换器或ADC，ANALOGTODIGITALCONVERTER；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器简称D/A转换器或DAC，DIGITALTOANALOGCONVERTER。SPCE061A有8个10位ADC通道，其中一个通道MIC_IN用于语音输入，模拟信号经过自动增益控制器和放大器放大后进行A/D转换。其余7个通道LINE_IN和IOA06引脚共享，可以将输入的模拟信号如电压信号转换为数字信号。SPCE061A的A/D转换范围是整个输入范围，即0VAVDD。无效的A/D模拟信号超过VDD03V或是低于VSS03V将影响转换电路的工作范围，从而降低ADC的性能。由于LINE_IN通道和IOA06共享引脚，建议用户选择其它的I/O引脚非IOA06，以避免由于无效的I/O信号造成电压不稳超过VDDIO07V或低于VSSIO07V而降低ADC的性能。ADC的最大输入电压由P_ADC_CTRL写7015H的第7和第8位的值决定。第7位VEXTREF决定了ADC的参考电压为AVDD或是外部参考电压。第8位V2VREFB决定了2V电压源是否起作用。如果起作用，用户可向VEXTREF引脚输入2V电压。此反馈回路把ADC的最高参考电压设置为2V。如果用户指定的参考电压源的值不超过AVDD，它还可以被当作ADC的最高参考电压。32HS1101电路模块下位机系统中所应用到的湿度传感器HS1101的电路连接如图34所示图34电容式湿度传感器电路模块由于湿度传感器HS1101是电容式的，所以要想办法测量得到它的电容，利用单片机没有办法直接读到，但是利用SPCE061A的FEEDBACK功能可以测得HS1101所在RC电路的工作频率，这样就可以计算得到它的电容。为了减小误差，利用一个固定电容和一个电阻构成另一个FEEDBACK电路，作为湿度传感器HS1101的基准。根据图22的参数，为了使湿度传感器HS1101的工作频率尽量接近10KHZ，选择一个620千欧姆的电阻和HS1101形成FEEDBACK1；390PF的电容作为基准，和另外一个620千欧姆电阻形成FEEDBACK2。33NRF2401电路模块下位机系统中的无线传输模块的应用电路如图35所示。由图35可知，其只需要14个外围元件。在设计过程中，设计者可使用单鞭天线或环形天线，图35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。NRF2401为低电压低功耗器件，其工作电压不高于36V，使用时应选择61板的I/O端口电平跳线为3V将61板J5跳线跳至3V端。本文所设计的无线多点湿度监控仪上位机需要通过无线通信模块NRF2401进行无线通信，接受下位机送来的多点湿度并进行数据的处理。要求与SPCE061A的I/O口相接，PWR_UP、CE、CS、DR1、CLK1、DATA分别与SPCE061A的IOA05相接由于只用到通道一，所以DR2悬空，系统只通过通道一进行接受和发送。图35NRF2401应用电路331NRF2401的工作方式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31。表31NRF2401工作模式工作模式PWR_UPCECS收发模式110配置模式101空闲模式100关机模式03311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。1SHOCKBURSTTM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。SHOCKBURSTTM发射流程，接口引脚为CE，CLK1，DATA。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；DNRF2401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，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；C200US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；ENRF2401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。2直接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，接口引脚为CE、DATA。A当微控制器有数据要发送时，把CE置高；BNRF2401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。直接接收模式，接口引脚为CE、CLK1和DATA。A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；BCLK1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；EDR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。3312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332器件配置部分。3313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。3314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。332NRF2401的器件配置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1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；2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；3地址接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址；4CRC使NRF2401能够生成CRC校验码和解码。NRF2401配置字的各个位的描述如表32所示表32NRF2401配置字描述位位数名字功能14312024TEST保留1191128DATA2_W接收频道2有效数据的长度1111048DATA_W接收频道1有效数据的长度1036440ADDR2接收频道2的地址，最高为5字节632440ADDR1接收频道1的地址，最高为5字节23186ADDR_W接受频道地址位数171CRC_L8或16位CRCSHOCKBURSTTM配置161CRC_EN使能CRC检验151RX2_EN使能第二频道141CM通信方式设置131RFDR_SB发射数据速率1MBPS需要16MHZ晶振12103XO_F晶振频率982RF_PWR发射输出电源717RF_CH频道设置常用器件配置01RXEN接受或发射操作在配置模式下，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。34本章小结本章系统的介绍了整个设计的硬件设计问题，先从整个设计的总体进行概述，给出了系统的整体框图，然后在逐步的对系统的单片机构造和各部分作用及工作原理、湿度测量以及无线模块的硬件电路和工作方式进行了详细的介绍，是整个系统的核心部分。第4章系统软件设计无线多点湿度监控仪下位机的系统软件设计主要涉及以下几个方面1传感器测量。2单片机与NRF2401的数据联系。3无线模块间的数据传送。4中断服务。41下位机主程序在本系统中，下位机主要完成本测量点的温湿度测量，并在上位机需要的时候向上位机回传本测量点的相关信息。如下图41所示开始系统初始化CPU开中断湿度传感器测量数值读取数据向NRF2401上传数据否是图41下位机主程序42湿度测量程序下位机最主要的作用就是为上位机采集数据。本系统中采用SPCE061A作为下位机的单片机，电容式湿度传感器HS1101作为测量器。由于电容不能直接和SPCE061A的I/O口连接进行测量，所以需要一个电路模块，与SPCE0