基于si4432的溫濕度采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　信息工程學(xué)院本科畢業(yè)論文</p><p><b>　?。?013屆）</b></p><p><b>　　誠(chéng) 信 承 諾</b></p><p>　　我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文《高靈敏度授時(shí)信號(hào)接收系統(tǒng)》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人

2、承擔(dān)。</p><p>　　承諾人（簽名）： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫濕度的自動(dòng)測(cè)量和顯示記錄是工廠的一項(xiàng)常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。以往的人工采集數(shù)據(jù)占用人力資源，可靠性低，容易發(fā)生差錯(cuò)已經(jīng)不適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的要求了。一般的溫濕度

3、采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示單調(diào)，缺乏支持各種PLC的通訊端口，而且溫濕度采集模塊布線繁瑣且受原有車間布局的約束。</p><p>　　本文采用目前應(yīng)用廣泛的ARM系列微處理器ATMEGA48作為平臺(tái)的核心構(gòu)建系統(tǒng)。發(fā)射板：溫濕度采集器以ATMEGA88作為主控制芯片，采用數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHTl0采集外界溫濕度值。然后通過(guò)無(wú)線射頻收發(fā)器SI4432將數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)射板。接收板：以ATMEGA88作為主控制芯片使無(wú)線射頻收

4、發(fā)器SI4432所接收到的溫濕度的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602顯示屏上，省去了冗長(zhǎng)且鋪設(shè)不便的通訊電纜。</p><p>　　本項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)任務(wù)包括：設(shè)計(jì)目標(biāo)，主機(jī)以及溫濕度采集模塊的器件選型以及原理圖設(shè)計(jì)，PCB板的設(shè)計(jì)指示，測(cè)試以及調(diào)試。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ATMEGA48；SHT10；SI4432；LCD1602</p><p><b>　　

5、ABSTRACT</b></p><p>　　The automatic-measure and the records display of temperature and humidity is one of the conventional monitoring projects in the factory. In the past, people collected data themsel

6、ves. In this way, it needed much human resource with low reliability. Of course error is easy to happen. So this way was not fit to the requirements of industrial production. General temperature and humidity collection s

7、ystem display data monotonous and short of history data. Many of these systems also don’t support the</p><p>　　This paper utilizes ARM micro-processor‘ATMEGA48’as the core ofthe platform to buildup system, w

8、hich is applied widely at present.Transmitter board: temperature and humidity logger ATMEGA88 as the main control chip, digital temperature and humidity the sensor chip SHTl0 acquisition outside temperature and humidity

9、valu?ed. Then through the radio frequency transceiver SI4432 data will be sent to launch plate. Receiving plate: ATMEGA88 the wireless RF transceiver as the primary control chip SI4432</p><p>　　Key words：ATM

10、EGA48；SHT10；SI4432；LCD1602</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p><b>　　2 概述2</b></p><p>　　2.1 無(wú)線溫濕度采集概述2</p>

11、<p>　　2.2 本設(shè)計(jì)方案思路4</p><p>　　2.3 研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵4</p><p><b>　　3 總體設(shè)計(jì)7</b></p><p><b>　　3.1電源模塊7</b></p><p>　　3.2微控制器系統(tǒng)8</p><p>

12、;　　3.3無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)8</p><p>　　4 硬件設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.1 電源轉(zhuǎn)換10</p><p>　　4.2 微控制器系統(tǒng)11</p><p>　　4.3 溫濕度采集模塊14</p><p>　　4.4 無(wú)線收發(fā)模塊18</p><p><b&

13、gt;　　5軟件設(shè)計(jì)21</b></p><p>　　5.1 總方案流程21</p><p>　　5.2 程序流程圖21</p><p>　　5.3 模塊說(shuō)明22</p><p>　　6 制作與調(diào)試24</p><p>　　6.1 PCB制作與程序編寫(xiě)24</p><p>

14、;　　6.2 系統(tǒng)調(diào)試25</p><p><b>　　6.3 其他27</b></p><p><b>　　7結(jié)束語(yǔ)28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p>

15、<p><b>　　附錄一30</b></p><p><b>　　附錄二32</b></p><p><b>　　附錄三34</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　溫度和濕度與工農(nóng)業(yè)及人民的普通生

16、活有著密切聯(lián)系。比如倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)藏的食品，農(nóng)作物的生長(zhǎng)等都會(huì)受溫濕度變化的影響；工業(yè)中精密儀器，半導(dǎo)體器材都會(huì)因溫濕度值過(guò)大而性能降低。隨著人們生活水平的越來(lái)越高，對(duì)室內(nèi)的溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控要求也越來(lái)越高。所以，對(duì)溫濕度采集的研究具有促進(jìn)生產(chǎn)進(jìn)步、農(nóng)業(yè)豐收、提高人民生活質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　溫濕度測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)量新發(fā)展出來(lái)的一個(gè)領(lǐng)域，尤其濕度的測(cè)量更是不斷前進(jìn)。經(jīng)歷了長(zhǎng)度法、干濕法直至今天的電測(cè)量的歷程，使?jié)?/p>

17、度測(cè)量技術(shù)日漸成熟。時(shí)至今日，由于我們不再滿足于溫濕度的測(cè)量，尤其是一些場(chǎng)所的監(jiān)控直接要求實(shí)時(shí)記錄其全過(guò)程溫濕度變化，并依據(jù)這些變化認(rèn)定儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程的安全性，導(dǎo)致了新的溫濕度測(cè)量?jī)x器——溫濕度記錄儀的誕生。溫濕度記錄儀是將溫濕度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并按照預(yù)定的時(shí)間間隔將其儲(chǔ)存在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，在完成記錄功能后將其聯(lián)接到PC機(jī)。</p><p>　　隨著需求的提高,對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。作為獲取信息最直接、最基礎(chǔ)的方式,

18、數(shù)據(jù)采集技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)據(jù)采集器利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)控制,直接應(yīng)用于與測(cè)量和控制密切聯(lián)系的領(lǐng)域,其性能好壞直接影響到系統(tǒng)的最終性能。我查找出了一些案例是用ZigBee無(wú)線技術(shù)，ZigBee是一種近距離、低繁瑣度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

19、應(yīng)用。案列：采用ZigBee技術(shù)提出一種無(wú)線傳感器系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)ZigBee的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，采用首個(gè)符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的CC2430射頻芯片作為傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)和編譯傳感器節(jié)點(diǎn)程序，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集溫濕度信號(hào)及傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸功能. </p><p>　　雖然國(guó)內(nèi)外探測(cè)溫濕度的儀器已是種類繁多，各式各樣，但用于各種場(chǎng)合的需要，及其對(duì)探測(cè)成本的限定，使得有些場(chǎng)合仍

20、不能有一套屬于自身的溫度探測(cè)系統(tǒng)。因此我選擇了基于Si4432的溫濕度采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題。測(cè)量板采集SHT10溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)Si4432無(wú)線模塊發(fā)送到接收板上，接收板接收到溫濕度數(shù)據(jù)后，通過(guò)液晶屏顯示。</p><p><b>　　2 概述</b></p><p>　　2.1 無(wú)線溫濕度采集概述</p><p>　　

21、無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)是一種基于射頻技術(shù)的無(wú)線溫濕度檢測(cè)裝置，其工作原理：系統(tǒng)由發(fā)射板和接收板，以及顯示芯片組成。發(fā)射板部分由數(shù)字溫濕度度傳感器芯片SHT10，單片機(jī)ATMEGA48，無(wú)線射頻芯片SI4432等組成。發(fā)射板采用電源供電，接收板接收來(lái)自發(fā)射板的溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理、保存后在LCD1602上顯示。</p><p>　　單片機(jī)對(duì)SI4432 的對(duì)外接口進(jìn)行SPI 讀寫(xiě)操作，以此來(lái)控制SI4432的工作模式以

22、及相關(guān)收發(fā)數(shù)據(jù)的操作，從而完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。</p><p><b>　　SI4432</b></p><p>　　溫濕度 M 433MHZ M</p><p>　　傳感器 C 無(wú)線發(fā)射 無(wú)線接收 C

23、 液晶顯示</p><p>　　電源 U 電源 U</p><p>　　采集模塊 接收模塊</p><p>　　圖2-1 無(wú)線溫濕度采集原理框圖</p><p>　　2.1

24、.1 ARM的結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　?、?RISC體系結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令：將指令長(zhǎng)度固定，指令格式和尋找方式種類減少：以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施來(lái)達(dá)到上述目的。到目前為止，RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒(méi)有嚴(yán)格的定義，一般認(rèn)為，RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：采用固定長(zhǎng)度的指令格式，指令歸整、簡(jiǎn)單、基本尋址方式有2～3種；使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行；大量使用寄

25、存器，數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作，只有加載／存儲(chǔ)指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器，以提高指令的執(zhí)行效率。</p><p>　　②ARM處理器共有37個(gè)寄存器，被分為若干個(gè)組(BANK)，這些寄存器包括：31個(gè)通用寄存器，包括程序計(jì)數(shù)器(PC指針)，均為32位的寄存器。6個(gè)狀態(tài)寄存器，用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。同時(shí)，ARM處理器又有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式

26、下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對(duì)應(yīng)。即在任意一種處理器模式下，可訪問(wèn)的寄存器包括15個(gè)通用寄存器(R0～R14)、一至二個(gè)狀態(tài)寄存器和程序計(jì)數(shù)器。在所有的寄存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個(gè)物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。</p><p>　?、跘RM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長(zhǎng)度，Thumb指令

27、為16位長(zhǎng)度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價(jià)的ARM代碼相比較，可節(jié)省30%～40%以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2.1.2 RF射頻通訊的發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　射頻(簡(jiǎn)稱RF)射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種

28、高頻電流。射頻技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域具有廣泛的、不可替代的作用。有線電視系統(tǒng)就是采用射頻傳輸方式的。</p><p>　　在電子學(xué)理論中，電流流過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會(huì)形成磁場(chǎng)；交變電流通過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會(huì)形成交叉的電磁場(chǎng)，稱為電磁波。在電磁波頻率低于lOOkhz時(shí)，電磁波會(huì)被地表吸收，不能形成有效的傳輸，在電磁波頻率高于lOOkhz時(shí)，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力，我們把具有遠(yuǎn)距

29、離傳輸能力的高頻電磁波成為射頻，英文縮寫(xiě)：RF。</p><p>　　將電信息源(模擬或數(shù)字的)用高頻電流進(jìn)行調(diào)制(調(diào)幅或調(diào)頻)，形成射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)天線發(fā)射到空中；遠(yuǎn)距離將射頻信號(hào)接收后進(jìn)行反調(diào)制，還原成電信息源，這一過(guò)程稱為無(wú)線傳輸。</p><p>　　無(wú)線傳輸發(fā)展了近二百年，形成了大量的用戶和產(chǎn)品群，但是，由于氣候的變化和地表障礙物的影響，不能傳輸完美的信息。近代人類發(fā)明了廉價(jià)的高頻

30、傳輸線纜(射頻線)，為了追求完美的信息傳輸質(zhì)量，兼顧原有的無(wú)線設(shè)備，無(wú)線方式有線傳輸開(kāi)始流行。產(chǎn)生了射頻傳輸這一概念。如果信息源經(jīng)過(guò)二次調(diào)制，用線纜傳輸?shù)綄?duì)端，對(duì)端用反調(diào)制將信息源還原后再應(yīng)用，不管頻率多低，也是射頻傳輸方式，如果沒(méi)有調(diào)制反調(diào)制過(guò)程，只是將信息源用線纜傳送到對(duì)端直接使用，不管頻率有多高，都是一般的有線傳輸方式。</p><p>　　射頻技術(shù)在現(xiàn)代科技領(lǐng)域內(nèi)有著極為廣泛的應(yīng)用，與人們的生活息息相關(guān)。

31、手機(jī)，藍(lán)牙設(shè)備，無(wú)線路由器，無(wú)線網(wǎng)卡，電子標(biāo)簽(公交IC卡)等等都時(shí)刻影響著我們的生產(chǎn)和生活。給人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，射頻技術(shù)自身也在不斷發(fā)展完善，以適應(yīng)新的市場(chǎng)及技術(shù)需求。</p><p>　　2.1.3溫濕度傳感器在物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用趨勢(shì)</p><p>　　溫濕度傳感器在物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用趨勢(shì): 智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展愈發(fā)快速，這里面少不了各種傳感

32、器的支持?，F(xiàn)在這些消費(fèi)電子產(chǎn)品中普遍包含的傳感器有加速度傳感器、陀螺儀等，其實(shí)溫濕度傳感器在里面也有很好的應(yīng)用。目前，阻礙智能手機(jī)廠商采用溫濕度傳感器的主要原因，可能并非來(lái)自傳感器本身。怎樣使其轉(zhuǎn)化為手機(jī)用戶的有利信息成為應(yīng)用的關(guān)鍵。在日本，針對(duì)溫濕度傳感器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)已經(jīng)走在了前列。在國(guó)內(nèi)，包括海爾、聯(lián)想在內(nèi)的手機(jī)廠商也開(kāi)始了一些嘗試，針對(duì)農(nóng)村市場(chǎng)已經(jīng)推出了可以顯示溫濕度的手機(jī)，可以幫助農(nóng)民更便捷地了解氣候變化。未來(lái)我們還可能在一些針對(duì)

33、老人的手持設(shè)備中加入溫濕度傳感器，提醒他們及時(shí)補(bǔ)充水分和調(diào)節(jié)空間溫濕度。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，溫濕度傳感器的傳統(tǒng)應(yīng)用是天氣預(yù)報(bào)以及室內(nèi)監(jiān)測(cè)。用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品上的溫濕度傳感器精度可能并不需要達(dá)到那么高，5%濕度精度、0.5℃溫度精度已經(jīng)可以滿足客戶需求。隨著傳感器價(jià)格的持續(xù)降低，相信未來(lái)不只是高端手機(jī)，包括中、低端的智能手機(jī)都會(huì)考慮加入這一功能。 物聯(lián)網(wǎng)方面，客戶希望一塊紐扣電池可以為傳感器供電達(dá)4年之久，另外多種傳感器的組網(wǎng)和無(wú)線傳

34、輸方式</p><p>　　2.2 本設(shè)計(jì)方案思路</p><p>　　基于SI4432的溫濕度采集，主要包括以下幾部分：①前端溫濕度傳感器SHT10、②微控制器、③前端傳送部分、④無(wú)線傳輸線路SI4432、⑤接收端、⑥液晶屏顯示系統(tǒng)。硬件方面：1.發(fā)射板：需要設(shè)計(jì)好SHT10溫濕度傳感器與單片機(jī)的接口，SI4432無(wú)線傳輸與單片機(jī)的接口；2.接收板：SI4432無(wú)線傳輸與單片機(jī)的接口，L

35、ED1602液晶顯示與單片機(jī)的接口。軟件反面，要初始化SHT10和LCD1602液晶，單片機(jī)發(fā)送指令到傳感器及LCD1602液晶，以及從傳感器接受數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到接收板，然后液晶顯示所測(cè)的當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)。</p><p>　　技術(shù)指標(biāo)：（1）工作頻率：433MHz；（2）無(wú)線傳輸距離：>200m。</p><p>　　主要問(wèn)題有兩部分：首先是硬件電路，包括SHT10和ATME

36、GA48的接口以及單片機(jī)的其他相關(guān)電路，使用PCB設(shè)計(jì)電路元器件圖以及PCB板，并最終焊接好電路。此部分要成電路方面的設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接。</p><p>　　其次是軟件部分，主要分兩部分：第一部分（發(fā)射板）完成ATMEGA48通過(guò)對(duì)SHT10的控制，并且對(duì)SI4432無(wú)線芯片的控制將數(shù)據(jù)發(fā)射到接收板上；第二部分（接收板）完成ATMEGA48對(duì)SI4432無(wú)線芯片所接收到的數(shù)據(jù)然后傳輸?shù)揭壕罫CD1602并顯示出來(lái)

37、。此部分主要完成程序編寫(xiě)的任務(wù)。</p><p>　　2.3 研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵</p><p>　　2.3.1 研究?jī)?nèi)容</p><p>　　①發(fā)射板以單片機(jī)ATMEGA48為主控芯片，對(duì)SHT10溫濕度數(shù)據(jù)的讀取，再通過(guò)Si4432無(wú)線芯片把數(shù)據(jù)發(fā)射到另外接收板。</p><p>　　②接收板以單片機(jī)ATMEGA48為主控芯片，對(duì)Si44

38、32無(wú)線芯片所接收到的數(shù)據(jù)的讀取，再通過(guò)LCD1602液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)。</p><p>　?、跰CU讀取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，顯示實(shí)時(shí)溫度、實(shí)時(shí)的濕度。</p><p>　　2.3.2 要解決的問(wèn)題</p><p>　　（1）基于SI4432的溫濕度采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)最關(guān)鍵部分是如何把SHT10溫濕度檢查芯片上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到顯示屏上面還有就是SI4432無(wú)線發(fā)射接收的

39、一個(gè)穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）接收天線是接收系統(tǒng)的最前端，直接影響著接收機(jī)的接收靈敏度和后端的解調(diào)處理，它的制作至關(guān)重要。由于天線已從硬件方面最大限度地提高了接收靈敏度，所以若要進(jìn)一步提高接收系統(tǒng)的性能，則需在軟件上進(jìn)行技術(shù)完善。</p><p>　　（3）用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度采樣模塊的控制。</p><p>　?。?）由于液晶顯示模塊、溫濕度測(cè)量模塊

40、的工作周期不同，需合理調(diào)整程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　?。?）PCB制作布局要解決數(shù)?；旌想娐返牟季€、電源模塊的制作與濾波問(wèn)題。</p><p><b>　　3 總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　SI4432是一種無(wú)線射頻收發(fā)芯片，其工作原理是將發(fā)射板上的溫濕度度傳感器SHT10芯片所采集到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)射到接收板上的SI44

41、32芯片，通過(guò)MCU對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用在LCD1602上顯示當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)</p><p>　　無(wú)線溫濕度檢測(cè)的測(cè)量板框圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)包括電源模塊、MCU控制模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、按鍵控制模塊等電路組成。</p><p>　　圖3-1 溫濕度測(cè)量板</p><p>　　無(wú)線溫濕度檢測(cè)的接收顯示板框圖如圖3-2所示。該系統(tǒng)包括電源模塊、MCU控制

42、模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、液晶顯示模塊、按鍵控制模塊等電路組成。</p><p>　　圖3-2 接收顯示板</p><p><b>　　3.1電源模塊</b></p><p>　　微處理器ATMEGA48、液晶LCD1602、溫濕度傳感器SHT10三種集成芯片的供電電壓是5V，SI4432無(wú)線射頻收發(fā)芯片的供電電壓是1.8V～3.6V。為了使芯片能

43、正常工作并且提高信號(hào)接收靈敏度，可將信號(hào)接收IC的供電電壓降為3.3V。同時(shí)要進(jìn)行有效的濾波，減少市電中的諧波對(duì)系統(tǒng)的不良干擾和影響。</p><p><b>　　3.2微控制器系統(tǒng)</b></p><p>　　微控制器系統(tǒng)主要由MCU系統(tǒng)、按鍵控制電路、液晶顯示電路組成，當(dāng)MCU正確讀取了溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)并通過(guò)SI4432無(wú)線射頻芯片發(fā)送到接收顯示板后，就會(huì)在接收

44、板上的液晶顯示屏LCD1602中進(jìn)行顯示。同時(shí)微處理器內(nèi)部寫(xiě)有定時(shí)發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)程序，每過(guò)1s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，使得使用更加合理。</p><p>　　3.3無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　許多場(chǎng)合都要對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。比如現(xiàn)代電力系統(tǒng)向著高電壓大機(jī)組、大容量的方向發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性的要求越來(lái)越高，由于絕大多數(shù)的電力設(shè)備長(zhǎng)期在高電壓、大電流和滿負(fù)荷的條件下運(yùn)行，導(dǎo)致熱量集結(jié)加

45、劇，如果不對(duì)溫度的變化采取有效的監(jiān)測(cè)措施，將會(huì)危及電力設(shè)備的安全運(yùn)行。基于以上背景，提出一種基于ATMEGA48單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集及無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。無(wú)線收發(fā)部分，采用Silicon Labs公司推出的SI4432無(wú)線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，使得數(shù)據(jù)采集更加具有實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由少量的外部設(shè)備、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，以及供電電路組成。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊基于低功耗單片射頻收發(fā)芯片SI4432，采用具有8K系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH的8位

46、AVR微控制器ATMEGA48為主處理芯片,完成數(shù)據(jù)的處理和控制。</p><p><b>　　4 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1 電源轉(zhuǎn)換 </b></p><p>　　本無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)有兩種供電電平，一是5V，主要供給液晶LCD1602等集成器件工作；二是3.3V，主要供給無(wú)線射頻收發(fā)芯片S

47、I4432 、ATMEGA48單片機(jī)、溫濕度傳感器SHT10模塊工作。</p><p>　　4.1.1 5V電平的獲取</p><p>　　5V電壓直接由外界電源輸入，由于一般的電源模塊質(zhì)量參差不齊，故在電源輸入端采用的大小電容并聯(lián)濾波結(jié)構(gòu)。大電容起到穩(wěn)壓作用、并且能濾除低頻干擾信號(hào)；小電容主要起到濾除高頻干擾信號(hào)。兩者互補(bǔ)，獲得較大濾波頻段。電路原理如圖4-1所示。</p>

48、<p>　　圖4-1 5V電源濾波電路</p><p>　　4.1.2 3.3V電平的獲取</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，由5V獲取3.3V電壓有很多種方法，比較常用的是：一、采用低壓差線性穩(wěn)壓器，如AMS1117-3.3（模塊本身可適應(yīng)較寬范圍的供電電壓）。二、采用齊納二極管和電阻做成的簡(jiǎn)單降壓系統(tǒng)。三、采用最簡(jiǎn)單的電阻分壓式法。</p><p>

49、;　　方案一：AMS1117是一個(gè)低漏失電壓調(diào)整器,它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個(gè)PNP驅(qū)動(dòng)的NPN管組成的,漏失電壓定義為:VDROP = VBE+VSAT。AMS1117有固定和可調(diào)兩個(gè)版本可用，輸出電壓可以是：1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、和5.0V。片內(nèi)過(guò)熱切斷電路提供了過(guò)載和過(guò)熱保護(hù),以防環(huán)境溫度造成過(guò)高的結(jié)溫。為了確保AMS1117的穩(wěn)定性,對(duì)可調(diào)電壓版本,輸出需要連接一個(gè)至少22μF的鉭電

50、容。對(duì)于固定電壓版本，可采用更小的電容，具體可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定。通常，線性調(diào)整器的穩(wěn)定性隨著輸出電流增加而降低。</p><p>　　方案二：齊納二極管 (又叫穩(wěn)壓二極管)，此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。在臨界擊穿點(diǎn)上,反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這個(gè)低阻值區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定，穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來(lái)分檔的，由于這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用

51、。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。</p><p>　　方案三：回路中某部分電路電流或電壓實(shí)現(xiàn)從零開(kāi)始可連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)（如：測(cè)定導(dǎo)體的伏安特性、校對(duì)改裝后的電表等電路），即大范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，必須采用分壓接法。</p><p>　　經(jīng)過(guò)比較，第一種采用低壓差線性穩(wěn)壓器，是最適合本系統(tǒng)的。故采用AMS1117-3.3獲取3.3V電壓，如圖4-2所示。 &

52、lt;/p><p>　　圖4-2 5V-3.3V電平轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　4.2 微控制器系統(tǒng)</p><p>　　4.2.1 MCU系統(tǒng)</p><p>　　本系統(tǒng)核心控制器是ATMEGA48。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的電源供電是3.3V，而這款單片機(jī)可以達(dá)到這一要求，IO輸出可以直接方便的連接無(wú)線模塊，而且ATMEGA48功耗低，可以節(jié)約系統(tǒng)的

53、電量。</p><p>　　ATMEGA48是高性能、低功耗的8位AVR®微處理器，其特性：</p><p>　?、傧冗M(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)：131條指令–大多數(shù)指令的執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期；32x8通用工作寄存器；全靜態(tài)操作；工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS；只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。</p><p>　?、诜且资缘某绦蚝蛿?shù)據(jù)存儲(chǔ)器：4字節(jié)的系統(tǒng)

54、內(nèi)可編程Flash擦寫(xiě)壽命: 10000次；具有獨(dú)立鎖定的可選Boot代碼區(qū)，通過(guò)片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時(shí)讀寫(xiě)操作；256字節(jié)的EEPROM 擦寫(xiě)壽命:100000次；512字節(jié)的片內(nèi)SRAM；可以對(duì)鎖定的進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密。</p><p>　?、弁庠O(shè)特點(diǎn)：兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；具有獨(dú)立振蕩器

55、的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC；六通道PWM；8路10位ADC(TQFP與MLF封裝)；6路10位ADC(PDIP封裝)；可編程的串行USART 接口；可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口；面向字節(jié)的兩線串行接口；具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；片內(nèi)模擬比較器；引腳電平變化可引發(fā)中斷及喚醒MCU。</p><p>　?、芴厥獾奈⒖刂破魈攸c(diǎn)：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)；經(jīng)過(guò)標(biāo)定的片內(nèi)RC振蕩器；片內(nèi)/外中斷源；五種

56、休眠模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式和Standby 模式。</p><p>　?、軮/O口與封裝：23個(gè)可編程的I/O口線；32引腳TQFP封裝與32引腳MLF封裝。</p><p><b>　?、迾O低功耗</b></p><p>　　ARMEGA48可以采用ISP方式下載程序。而采用這種下載方式，我們可以在不拆下單片

57、機(jī)的情況下更新程序，極其方便。因此可在小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)上添加DH_10牛角座電路，充當(dāng)ISP下載接口。</p><p>　　ATMEGA48系統(tǒng)，如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 ATMEGA48系統(tǒng)電路</p><p>　　4.2.3液晶顯示模塊</p><p>　　采用顯示模塊好處是良好的人機(jī)交互界面可以為產(chǎn)品的使用帶來(lái)方便，

58、特別是本系統(tǒng)，信息顯示是必須的功能。常見(jiàn)的顯示電路有數(shù)碼管電路，LED點(diǎn)陣屏，液晶顯示器。</p><p>　　第一類是LED數(shù)碼管。它實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)LED。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來(lái)表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會(huì)發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。一般情況下，單個(gè)發(fā)光二極管的管壓降為0.8V左右，電流不超過(guò)30mA。發(fā)光二極管的

59、陽(yáng)極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽(yáng)數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。</p><p>　　第二類是LED點(diǎn)陣屏，它是由幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點(diǎn)均勻排列組成的。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點(diǎn)。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。LED顯示屏分為圖文顯示屏和視頻

60、顯示屏，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計(jì)算機(jī)同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，圖文、圖像并茂。以實(shí)時(shí)、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動(dòng)畫(huà)、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況。</p><p>　　液晶顯示器能顯示字符和漢字。用 LCD 顯示一個(gè)字符原理如下，因?yàn)橐粋€(gè)字符由 6×8 或 8×8 點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置

61、對(duì)應(yīng)的顯示 RAM 區(qū)的 8 字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。典型的字符型液晶有1602液晶。漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼（一般用字模提取軟件），根據(jù)在 LCD 上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)可找出顯示 RAM 對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加 1，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對(duì)齊，送第三個(gè)字節(jié)……直到

62、所有的點(diǎn)陣碼顯示完就可以 LCD上得到一個(gè)完整漢字，常見(jiàn)的如12864液晶,5110液晶都能顯示漢字。 </p><p>　　由于本系統(tǒng)是便攜式設(shè)備，功耗要求嚴(yán)格，顯示的內(nèi)容較多，故選擇液晶類顯示器為比較好的選擇。同時(shí)由于只需顯示字符和數(shù)字，故采用應(yīng)用廣泛的LCD1602液晶。電路圖如4-4所示。</p><p>　　圖4-4 LCD1602電路原理圖</p><p

63、>　　LCD1602是一種用5×7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器。其內(nèi)部1602液晶模塊的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。順序與ASCII碼一致，所以1602能識(shí)別ASCII碼。 </p><p>　　4.3 溫濕度采集模塊</p><p>　　

64、4.3.1溫濕度采集芯片的選擇</p><p>　　本系統(tǒng)的重要擴(kuò)展功能就是溫濕度的采集。溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。選擇溫濕度傳感器芯片時(shí)，一般都選擇SHT10溫濕度傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，SHTl5單片、多用途的智能溫濕度傳感器。</p><p>　　選擇一：DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳

65、感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　選擇二：SHTl5屬單片、多用途的智能溫／濕度傳感器。它將溫度和濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)字變換、串行數(shù)字通信接口、數(shù)字校準(zhǔn)全部集成到個(gè)高集成度、體積極

66、小的芯片當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了溫濕度傳感器的數(shù)字式輸出、且免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，適配各種單片機(jī)構(gòu)成相對(duì)濕度／溫度檢測(cè)系統(tǒng)。極大方便了溫濕度傳感器在嵌入式測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用，因而該傳感器在數(shù)字式溫濕度測(cè)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　選擇三：SHT10屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列。傳感器將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。傳感器

67、采用專利的CMOSens® 技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與14 位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在OTP 內(nèi)存中，用于內(nèi)部的信號(hào)校準(zhǔn)。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外

68、圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。微小的體積、極低的功耗，使SHT10成為各類應(yīng)用的首選。</p><p>　　表4-1是三種溫濕度采集芯片數(shù)據(jù)參照表。</p><p>　　表4-1溫濕度采集的芯片的對(duì)比</p><p>　　4.3.2 SHT10與微控制器的連接</p><p>　　SHTl0與微控制器的連接，即為SHTl0的串行接口電路與微控制器

69、的連接。SHTl0與微控制器的接口連接圖，如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 接口連接圖</p><p>　　串行時(shí)鐘輸入(SCK)：SCK用于微控制器與SHTl0之間的通信同步。由于接口包含了全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小的SCK頻率限制。即微控制器可以以任意慢的速度與SHTl0通信。串行數(shù)據(jù)(DATA)：DATA三態(tài)引腳是內(nèi)部的數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入引腳。DATA在SCK時(shí)

70、鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并在SCK時(shí)鐘的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高電平段讀取有效數(shù)據(jù)。在微控制器向SHTl0傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，必須保證數(shù)據(jù)線在時(shí)鐘線的高電平段內(nèi)穩(wěn)定。為了避免信號(hào)沖突，微控制器僅將數(shù)據(jù)線拉低，在需要輸出高電平的時(shí)候，微控制器將引腳置為高阻態(tài)，由外部的上拉電阻將信號(hào)拉至高電平。</p><p>　　4.3.3 SHT10的測(cè)量時(shí)序</p><p>　　微控制器用一

71、組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序來(lái)發(fā)起一個(gè)通信過(guò)程。它包括：當(dāng)SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為低電平。在DATA為低電平期間，SCK變?yōu)榈碗娖?，再翻轉(zhuǎn)為高電平，隨后是在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為高電平,如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 SHT10啟動(dòng)傳輸時(shí)序圖</p><p>　　在“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序之后，微控制器可以向SHTl0發(fā)送命令。命令字節(jié)包括高3位的地址位(目前只支持000)

72、和低5位的命令位?！?0000101’表示相對(duì)濕度測(cè)量，‘00000011’表示溫度測(cè)量。SHTl0通過(guò)在第8個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后，將DATA拉低來(lái)指示正確接收到命令。在第9個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后，SHTl0釋放DATA線。</p><p>　　微控制器在發(fā)布一組濕度或者溫度測(cè)量命令后，需要等待測(cè)量的結(jié)束。SHT10通過(guò)將DATA線拉低表示測(cè)量的完成，并且自動(dòng)進(jìn)入空閑狀態(tài)。在重新啟動(dòng)時(shí)鐘線讀取測(cè)量結(jié)果之前，

73、微控制器必須等待這個(gè)測(cè)量結(jié)束信號(hào)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上。在被讀取之前，測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在SHTl0內(nèi)部的存儲(chǔ)器內(nèi)，這樣使得微處理器可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，在方便的時(shí)候再來(lái)讀取測(cè)量結(jié)果。</p><p>　　在SCK線重新啟動(dòng)之后，2個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)將被傳送。校驗(yàn)字節(jié)保證任何通信錯(cuò)誤都將被檢測(cè)并且被清除掉。微控制器需要通過(guò)下拉DATA為低電平以確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)都是從最高位開(kāi)始傳輸，右對(duì)齊，左邊補(bǔ)0。

74、CRC校驗(yàn)字節(jié)后的確認(rèn)位表示通信結(jié)束。如果不使用CRC校驗(yàn)位，微控制器可以在測(cè)量數(shù)據(jù)的最低位后通過(guò)保持確認(rèn)位為高電平來(lái)終止通信。</p><p>　　SHTl0完整的測(cè)量時(shí)序由啟動(dòng)傳輸時(shí)序、發(fā)布命令、等待測(cè)量完成、讀回?cái)?shù)據(jù)這4個(gè)部分組成。此外，如果微控制器與SHTl0的通信中斷，可以用復(fù)位時(shí)序來(lái)復(fù)位SHTl0的串行接口。復(fù)位時(shí)序如圖4-7所示。當(dāng)DATA保持高電平時(shí)，觸發(fā)SCK時(shí)鐘9次或更多，在下一個(gè)命令之前，發(fā)

75、送一個(gè)“啟動(dòng)傳輸時(shí)序”。</p><p>　　圖4-7 通信復(fù)位時(shí)序</p><p>　　4.3.4 信號(hào)轉(zhuǎn)換</p><p>　　4.3.4.1相對(duì)濕度</p><p>　　濕度的非線性補(bǔ)償請(qǐng)參閱圖4-8為獲得精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，建議用以下公式進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。公式中的參數(shù)見(jiàn)表4-2：</p><p>　　表4-2經(jīng)過(guò)優(yōu)化的

76、公式參數(shù)</p><p>　　圖4-8 從SORH到相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)化</p><p>　　4.3.4.2濕度信號(hào)的溫度補(bǔ)償</p><p>　　由于實(shí)際溫度與測(cè)試參考溫度25℃(~77℉)的顯著不同，濕度信號(hào)需要溫度補(bǔ)償。溫度校正粗略對(duì)應(yīng)于0.12%RH/℃@50%RH，溫度補(bǔ)償系數(shù)請(qǐng)參閱表4-3。</p><p>　　表4-3溫度補(bǔ)償系數(shù)&l

77、t;/p><p>　　4.3.4.3 溫度</p><p>　　由能隙材料PTAT (正比于絕對(duì)溫度) 研發(fā)的溫度傳感器具有極好的線性。可用如下公式將數(shù)字輸出(SOT)轉(zhuǎn)換為溫度值，溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)請(qǐng)閱表4-4。</p><p>　　表4-4溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)</p><p>　　經(jīng)過(guò)對(duì)本系統(tǒng)中三種傳感器的相比之下，SHT10溫濕度傳感器具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)

78、迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。非常適合使用在本系統(tǒng)中，故選擇SHT10作為系統(tǒng)中溫濕度采集模塊的核心器件。電路原理圖如4-9所示。</p><p>　　圖4-9 SHT10電路原理圖</p><p>　　4.4 無(wú)線收發(fā)模塊</p><p>　　4.4.1 無(wú)線收發(fā)芯片的比較</p><p>　　本系統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)模塊是采用SI4432

79、無(wú)線射頻收發(fā)芯片，雖然芯片是課題規(guī)定的，但我也跟一些其他的無(wú)線收發(fā)芯片做了簡(jiǎn)單的比較，例如：CC100無(wú)線收發(fā)芯片；nRF401無(wú)線收發(fā)芯片；SI4432無(wú)線收發(fā)芯片。</p><p>　　CC1000采用鎖相環(huán)技術(shù)，發(fā)射頻率是通過(guò)內(nèi)部的頻率合成器來(lái)配置的，可配置的范圍為300～l000MHz，適合應(yīng)用跳頻協(xié)議，一般可配出10或20個(gè)頻點(diǎn)，該芯片靈敏度為-109dBm，并可自動(dòng)校準(zhǔn)，可編程輸出功率為-20dBm～

80、+10dBm，通信速率可達(dá)78.6Kbps。</p><p>　　nRF401是Nordic公司研制的單片μHF無(wú)線收發(fā)芯片，工作在433MHZISM頻段。它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，發(fā)射功率最大可達(dá)10dBm，接收靈敏度最大為-105dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Kbps，工作電壓在+3～5V之間。nRF401無(wú)線收發(fā)芯片所需外圍元件較少，并可直接對(duì)接單片機(jī)串口

81、。</p><p>　　SI4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無(wú)線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.9～3.6V,20引腳QFN封裝(4mm×4mm),可工作在315/433/868/915MHz四個(gè)頻段；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時(shí)器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及可配置的GPIO等。SI4432在使用時(shí)所

82、需的外部元件很少，1個(gè)30 MHz的晶振、幾個(gè)電容和電感就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且成本低。表4-5是三種無(wú)線收發(fā)芯片參數(shù)的比較。</p><p>　　表4-5 無(wú)線收發(fā)芯片參數(shù)性能對(duì)比</p><p>　　4.4.2無(wú)線收發(fā)芯片SI4432功能描述</p><p>　　Si4432引腳定義：</p><p>　　1 GND地

83、； 2 GPIO0內(nèi)部已接模塊的發(fā)射控制腳；3 GPIO1內(nèi)部已接模塊的接收控制腳；4 GPIO2直接連芯片的GPIO2引腳；5 VCC+3.3V；6 SDO串行數(shù)據(jù)輸出；7 SDI 串行數(shù)據(jù)輸入；8 SCLK串行時(shí)鐘輸入；9 NSEL SPI片選；10 NIRQ中斷輸出引腳；11 SDN關(guān)閉輸入引腳，在除關(guān)機(jī)模式的所有模式SDN=0。當(dāng)SDN=1 時(shí)芯片將被徹底關(guān)閉并且寄存器的內(nèi)容將丟失；12 GND地；13 ANT天線。如圖4

84、-10。</p><p>　　圖4-10 引腳連接圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)中由于無(wú)線模塊電源要求質(zhì)量很高，雖然在前級(jí)板已經(jīng)做過(guò)電源濾波措施，在獲取3.3V電源后，仍采用電容濾波的結(jié)構(gòu)有效濾波。為了在調(diào)試方便，我設(shè)計(jì)了排針，使得在調(diào)無(wú)線模塊的時(shí)候可以單獨(dú)調(diào)試，避免了硬件中其他的干擾。電路如圖4-11所示。</p><p>　　圖4-11 無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送電路<

85、/p><p><b>　　5軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　5.1 總方案流程</b></p><p>　　該系統(tǒng)的主要部分是信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)傳送部分。主要是ATMEGA48單片機(jī)與溫濕度傳感器SHT10數(shù)據(jù)串行通信以及與單片機(jī)與無(wú)線模塊SPI通信協(xié)議的程序設(shè)計(jì)。其中單片機(jī)與SHT10是雙線通信，時(shí)序協(xié)議與IIC協(xié)

86、議是不一樣的。所以要嚴(yán)格按照器件的自定義時(shí)序來(lái)進(jìn)行程序的編寫(xiě)。單片機(jī)與無(wú)線模塊的通信是SPI通信，控制方式簡(jiǎn)單，傳輸速度快。</p><p>　　其次，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的優(yōu)化和液晶顯示程序也是需要注意的地方。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算要嚴(yán)格控制變量的增添，消去無(wú)用變量，這樣才能節(jié)約MCU空間。液晶顯示程序里最要注意的就是液晶執(zhí)行指令后的延時(shí)，當(dāng)延時(shí)不對(duì)市，液晶很容易顯示亂碼或者無(wú)顯示。</p><p><

87、b>　　5.2 程序流程圖</b></p><p>　　圖5-1 溫濕度采集流程框圖 圖5-2 接收顯示流程框圖</p><p><b>　　5.3 模塊說(shuō)明</b></p><p>　　（1）主程序（溫濕度采集數(shù)據(jù)發(fā)送板）</p><p>　　主程序模塊中先對(duì)溫濕

88、度傳感器SHT10和無(wú)線模塊SI4432的控制管腳初始化，然后同時(shí)對(duì)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器1定時(shí)1s的初始化，然后進(jìn)行控制流程的無(wú)限循環(huán)，在該循環(huán)中先讀取溫濕度傳感器的濕度和溫度的數(shù)據(jù)，當(dāng)判定正確讀出信息以后，存儲(chǔ)溫濕度的信息到無(wú)線發(fā)送數(shù)組，當(dāng)定時(shí)器每定時(shí)1s，進(jìn)行一次無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)內(nèi)容就是溫濕度的信息。</p><p>　　（2）主程序（數(shù)據(jù)接收液晶顯示板）</p><p>　　主程序模塊中先

89、對(duì)LCD1602液晶顯示器和無(wú)線模塊SI4432的控制管腳初始化，然后進(jìn)行控制流程的無(wú)限循環(huán)，在該循環(huán)中先掃描無(wú)線模塊是否收到數(shù)據(jù)，當(dāng)收到數(shù)據(jù)以后，存儲(chǔ)溫濕度的信息到無(wú)線接收數(shù)組，然后對(duì)溫濕度信息進(jìn)行提取處理，并用LCD1602將其顯示出來(lái)。 </p><p>　?。?）SI4432驅(qū)動(dòng)程序</p><p>　　SI4432驅(qū)動(dòng)程序由宏定義、初始化程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、數(shù)據(jù)接收程序等部分組成

90、。下面的宏定義是為了方便程序的移植和程序的編寫(xiě)。初始化程序主要功能是對(duì)SI4432的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行初始化，比如設(shè)置發(fā)送接收方式為FIFO模式；設(shè)置發(fā)送載波頻率為434MHZ，頻偏為30KHz。如圖5-3。</p><p><b>　　開(kāi)始 </b></p><p><b>　　控制管腳初始化</b></p><p><

91、;b>　　配置寄存器</b></p><p><b>　　設(shè)定工作狀態(tài)</b></p><p>　　是否定時(shí)超過(guò)1s N</p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　設(shè)為發(fā)送模式</b></p><p

92、><b>　　發(fā)射數(shù)據(jù)</b></p><p>　　圖5-3 SI4432控制流程圖</p><p>　　(4)SHT10采集溫濕度控制程序</p><p>　　溫濕度傳感器通過(guò)兩線與單片機(jī)進(jìn)行通訊，兩線分別為時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。單片機(jī)能通過(guò)這兩根線讀取溫濕度傳感器中的溫度寄存器和濕度寄存器的數(shù)據(jù)，當(dāng)讀出數(shù)據(jù)后，根據(jù)溫度的補(bǔ)償系數(shù)和濕度的補(bǔ)償

93、系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。如圖5-4。</p><p><b>　　初始化</b></p><p><b>　　測(cè)溫濕度</b></p><p>　　判斷SHT10 Y</p><p><b>　　是否出錯(cuò)</b></p><p><

94、b>　　N</b></p><p><b>　　顯示溫濕度</b></p><p><b>　　無(wú)線發(fā)送模塊</b></p><p><b>　　延時(shí)100ms</b></p><p>　　圖5-4采集模塊流程圖</p><p>　?。?/p>

95、5）LCD1602液晶顯示控制流程</p><p>　　數(shù)據(jù)接收顯示板中SI4432無(wú)線接收模塊把發(fā)射板中的溫濕度數(shù)據(jù)接收到后經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制在液晶顯示屏上顯示。如圖5-5。</p><p><b>　　開(kāi)始</b></p><p>　　1602和SI4432初始化</p><p><b>　　無(wú)線接收模塊<

96、;/b></p><p>　　讀取成功否？ N 無(wú)線接收模塊重啟</p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　線性擬合數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　1602顯示數(shù)據(jù)</b></p><p><

97、b>　　延時(shí)1s</b></p><p>　　圖5-5 液晶顯示流程圖</p><p><b>　　6 制作與調(diào)試</b></p><p>　　6.1 PCB制作與程序編寫(xiě)</p><p>　　6.1.1EDA工具軟件軟件</p><p>　　我是通過(guò)使用PADS Layout的

98、手動(dòng)布線來(lái)畫(huà)PCB。PADS軟件是MentorGraphics公司的電路原理圖和PCB設(shè)計(jì)工具軟件。該軟件目前是國(guó)內(nèi)從事電路設(shè)計(jì)的工程師和技術(shù)人員主要使用的電路設(shè)計(jì)軟件之一，是PCB設(shè)計(jì)高端用戶最常用的工具軟件。Mentor Graphics公司的PADS Layout/Router環(huán)境作為業(yè)界主流的PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)，以其強(qiáng)大的交互式布局布線功能和易學(xué)易用等特點(diǎn)，在通信、半導(dǎo)體、消費(fèi)電子、醫(yī)療電子等當(dāng)前最活躍的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。P

99、ADS Layout/ Router支持完整的PCB設(shè)計(jì)流程，涵蓋了規(guī)則驅(qū)動(dòng)下的交互式布局布線，DRC/DFT/DFM校驗(yàn)與分析，直到最后的生產(chǎn)文件（Gerber）、裝配文件及物料清單（BOM）輸出等全方位的功能需求，確保PCB工程師高效率地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　6.1.2 PCB板制作要求</p><p>　　1）該系統(tǒng)硬件電路的特點(diǎn):</p><p&g

100、t;　?。?）電路原理簡(jiǎn)單，所用的器件均為常用器件。</p><p>　　（2）電路布局應(yīng)按照模塊化進(jìn)行，注意電源電路濾波和集成器件的去耦。</p><p>　　因此，應(yīng)合理布線，以降低焊接難度，降低出錯(cuò)率，同時(shí)防止干擾。</p><p><b>　　2）元件布局：</b></p><p>　?。?）電路中各個(gè)模塊均占有

101、一定的面積，注意合理擺放，以免互相沖突。同時(shí)元件的布局要求均衡，疏密有序，不能頭重腳輕。元件擺放盡量對(duì)其平行，要美觀大方。</p><p>　　（2）元件布局應(yīng)該按照元件的關(guān)鍵性來(lái)進(jìn)行，先布置單片機(jī)，然后按照地址線和數(shù)據(jù)線的走向，依照就近原則，布置其他元件。</p><p>　?。?）避免將模擬電路的前后級(jí)放置成首尾相連的形式，避免自激振蕩。</p><p>　?。?/p>

102、4）需要手動(dòng)調(diào)節(jié)的元件如電位器、可變電容等，放置的位置應(yīng)便于調(diào)試。</p><p>　?。?）插頭、插座放置的位置應(yīng)便于操作，確保方向的正確性與PCB板連接。具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。</p><p>　?。?）磁棒天線要遠(yuǎn)離單片機(jī)晶振電路，以免受到干擾。</p><p>　　6.1.3 PCB板的布線</p><p>　?。?）關(guān)鍵信號(hào)線優(yōu)先：電

103、源、摸擬小信號(hào)、高速信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和同步信號(hào)等關(guān)鍵信號(hào)優(yōu)先，布線 密度優(yōu)先原則：從單板上連接關(guān)系最復(fù)雜的器件著手布線。從單板上連線最密集的區(qū)域開(kāi)始布線。</p><p>　?。?）一定要確保導(dǎo)線寬度達(dá)到導(dǎo)線的載流要求，并盡可能寬些，流出余量。電源和地的導(dǎo)線要更寬。具體數(shù)值視PCB板的功耗和器件的工作電流而定。</p><p>　　（3）導(dǎo)線間的最小間距是由線間絕緣電阻和擊穿電壓決定的，在可

104、能的情況下盡量定得大一些，一般不能小于12mil。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)布線時(shí)走線盡量少拐彎，力求線條簡(jiǎn)單明了。</p><p>　?。?）微處理器芯片的數(shù)據(jù)線和地址線應(yīng)盡量平行布置。</p><p>　?。?）輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾，必要時(shí)應(yīng)加地線隔離。兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。</p>

105、<p>　?。?）焊盤(pán)的外徑應(yīng)設(shè)為2mm，內(nèi)徑為1mm。注意焊盤(pán)與過(guò)孔的區(qū)別。</p><p>　?。?）注意PCB板的頂層、底層與鏡像的問(wèn)題。</p><p>　?。?）為了減少層間信號(hào)的電磁干擾，相鄰布線層的信號(hào)線走向應(yīng)取垂直方向。</p><p>　?。?0）利用包地、覆銅等工藝提高PCB的穩(wěn)定性和抗干擾性。 </p><p&

106、gt;<b>　　6.2 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　在焊接完成時(shí)，首先應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件調(diào)試，主要包括：短路、斷路檢查，引腳焊接是否正確，線路有沒(méi)有掉銅等問(wèn)題。然后開(kāi)始分模塊調(diào)試。因?yàn)闊o(wú)線模塊比較昂貴和精密，所以我一開(kāi)始是斷開(kāi)無(wú)線模塊和單片機(jī)連接的。只需要添加若干跳帽就能重新連接單片機(jī)和無(wú)線模塊。等待單片機(jī)控制系統(tǒng)和液晶顯示系統(tǒng)調(diào)試完畢時(shí)再連接無(wú)線模塊。</p>&l

107、t;p>　　首先用萬(wàn)用表測(cè)試下兩塊板子的電源系統(tǒng)：一看輸給單片機(jī)、液晶、無(wú)線模塊等模塊的電源電壓是否為3.3V。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，均符合要求。</p><p>　　其次測(cè)試兩塊板子的單片機(jī)小系統(tǒng)。把將示波器探頭地線接地，量程打到×10擋，測(cè)試單片機(jī)晶振引腳上是否有波形，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，引腳晶振波形周期為8.0001M，符合要求。為了進(jìn)一步確認(rèn)單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作，我用ICCAVR寫(xiě)了一個(gè)測(cè)試小程序燒進(jìn)單片

108、機(jī)，即讓單片機(jī)的一個(gè)閑置管腳不斷輸出高低電平。然后用示波器觀察，有明顯的方波出現(xiàn)，說(shuō)明單片機(jī)能夠正常工作。</p><p>　　對(duì)于無(wú)線模塊的接收板子，我是接著測(cè)試液晶顯示系統(tǒng)，首先用萬(wàn)用表測(cè)試液晶的控制端口和數(shù)據(jù)口是否完整連接，再燒寫(xiě)液晶顯示程序到單片機(jī)，看液晶是否有顯示，當(dāng)確認(rèn)程序無(wú)誤后（PROTUES仿真通過(guò)），調(diào)節(jié)液晶對(duì)比度，讓字符顯示達(dá)到最清晰狀態(tài)。至此，液晶顯示模塊測(cè)試完畢。</p>&

109、lt;p>　　無(wú)線模塊測(cè)試，此模塊由于集成度非常高，所需的外圍輔助元件極其簡(jiǎn)單，主要還是程序上的問(wèn)題。雖然液晶和單片機(jī)聯(lián)調(diào)毫無(wú)問(wèn)題，但是添加無(wú)線模塊控制程序后，初始上電，什么現(xiàn)象都沒(méi)有，的確令人懊惱，因?yàn)槭莾蓧K板子，而且無(wú)線模塊好壞也不知，程序是否錯(cuò)誤也不知，也許是其中一塊板子是好的，也許兩塊都是好的，也可能兩塊板子都?jí)牡?。我首先調(diào)試的是無(wú)線發(fā)射板子。我通過(guò)在單片機(jī)外部串接一個(gè)LED指示燈，程序里控制當(dāng)它每完成一次數(shù)據(jù)包發(fā)射時(shí)就閃

110、爍一次。一開(kāi)始是只亮一次，這讓我百思不得其解。后來(lái)仔細(xì)核對(duì)了官方demo程序和閱讀了數(shù)據(jù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)每次發(fā)射完必須重新設(shè)置成發(fā)射模式才行。于是我修改了代碼，重新燒錄。發(fā)現(xiàn)LED有規(guī)律的跳動(dòng)，說(shuō)明單片機(jī)控制無(wú)線模塊不斷的發(fā)送數(shù)據(jù)，至此，無(wú)線發(fā)射板子初步調(diào)試通。接下來(lái)是測(cè)試接收模塊，同樣發(fā)現(xiàn)只能接收一次，所以我很快找出相同類型的錯(cuò)誤，就是每次接收完數(shù)據(jù)后要將無(wú)線模塊再次設(shè)置成接收模式。至此無(wú)線模塊已經(jīng)調(diào)試成功。</p><

111、p>　　最后調(diào)試的是溫濕度傳感器SHT10，在調(diào)試該傳感器的過(guò)程中我遇到過(guò)兩個(gè)困難：第一是數(shù)據(jù)的處理，第二是時(shí)序問(wèn)題。剛添加進(jìn)SHT10（PROTUES中仿真成功），發(fā)現(xiàn)什么數(shù)據(jù)都沒(méi)發(fā)射。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)不能將SHT10檢測(cè)程序和數(shù)據(jù)發(fā)射程序放在同一個(gè)while循環(huán)。所以我設(shè)置成每隔一定時(shí)間發(fā)送一次數(shù)據(jù)，結(jié)果成功了。此時(shí)，我發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不對(duì)，顯示的都是亂碼，深究其因，肯定是先前溫度傳感器的結(jié)果數(shù)據(jù)處理有問(wèn)題。最終我的處理方式就是將原始