基于FR2401无线环境监测系统设计

摘要为了提高环境参数采集的自动化水平,提升效率,设计了无线传感器系统。本系统运用了传感器技术、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、计算机技术相结合构成的智能传感器以其较高的精度、良好的可靠性、功能的多样性等特点在过程控制以及信号监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器系统,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,体现了传感器系统数字化、智能化、无线化的优点。该系统以RF2401通信芯片为核心,配置新式的微型低功耗传感器,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,避免了布线的烦琐,该系统结构简单，可靠，功耗较低，成本低，是一种无线传感器的解决方案。关键字:RF2401芯片;温度;湿度;光照强度一、主要芯片介绍和系统模块硬件设计本系统的设计采用了DODIC公司推出的RF2401通信芯片，由AT89C52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RF2401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AT89C52为核心，使用DHT11温湿度传感器实时采集温度和湿度并通过RF2401将采集的温度无线传送给接收部分，然后在LCD1602上显示，并通过串口发送到单片机上显示，通过蜂鸣器实现对温度过高或过低进行报警。1.调制解调调制解调方式数字通信中常用的调制方式有ASK\FSK\PSK等。由于探测节点由电池供电，而ASK或PSK调制解调方式需要的供电电压和功耗较高、所以我们选用功耗低且易于实现的GFSK调制解调方式，使用RF2401通信模块。2.AT89S52AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8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256字节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:图2.1单片机管脚图此外，AT89S51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。（1）主要功能特性:·兼容MCS-51指令系统·8k可反复擦写(1000次）ISPFlashROM·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2.1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“ExternalAccess”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（P0.0―P0.7）：端口0是一个8位宽的开路电极（OpenDrain）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（A0―A7）及数据总线（D0―D7）。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A0―A7，再配合端口2所送出的A8―A15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(P1.0―P1.7)：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LSTTL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(P2.0―P2.7)：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A8―A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。PORT3（P3.0―P3.7）：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。2.1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。单片机最小系统如图2.2：3.RF2401芯片概述RF2401是一款新型单片射频收发器件,内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。RF2401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再发射功能；EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U180C52C130pFC230pFX112MHzX1X2VCCR110KC310uFRESETP10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P27P26D0D1D2D3D4D5D6D7RESETRXDTXDALEPSENINT0INT1T0T1RDWRX1X2片内自动生成报头和CRC校验码；数据传输率为lMb/s或2Mb/s；SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；125个频道；与其他nRF24系列射频器件相兼容；QFN20引脚4mm×4mm封装；供电电压为1.9V～3.6V。3.1模块结构和引脚功能描述图2.3nRF24L01封装图CE：使能发射或接收;CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置RF2401：IRQ：中断标志位；VDD：电源输入端；VSS：电源地；XC2，XC1：晶体振荡器引脚;VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8V；ANT1,ANT2：天线接口；IREF：参考电流输入。3.2工作模式通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表所示。表1：nRF24L01四种工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式101→0停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0---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XTAL1和XTAL2上接一只适应振荡晶体系统皆可工作，此外在两个引脚与地之间加入一个20PF的小电容，即可使系统稳定。3.3RF2401模块原理图RF2401单端匹配网络：晶振，偏置电阻，去耦电容。图2.6RF2401单端射频输出电路原理图用RF2401实现的高速无线测量系统一般的数据测量系统是通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号,经模/数转换器ADC采样、量化、编码后,成为数字信号,存入数据存储器或送给微处理器,或通过无线方式将数据发送给接收端进行处理。有时由于环境条件的限制或高速测量的要求,使得一般的测量系统很难满足这样的要求。高速无线数据传输系统就是这样一套利用无线手段,将采集的数据由测量站发送到主控站的设备。3、传感器的选择3.1光敏电阻传感器光电传感器采用光敏电阻做光电传感与电阻分压，只要设置合适的门限电压就可判断有无光照信息，光敏电阻（最大阻值20K）与普通电阻（20K精度越大，测量误差越小）串联：VCC接光敏电阻再接普通电阻，然后接地，AD口接光敏电阻与普通电阻直接，AD测得实时AD值为V1。把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射可改变电路中电流的大小。光敏电阻在受到光的照射时，其导电性能增强，电阻R值下降，流过光敏负载电阻RL的电流及其两端电压也随之改变。3.2温度/湿度传感器温度、湿度传感器采用总线数字化温/湿度传感器DHT11,具有接口电路简单,并具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好的特点，测量温度范围在0~+50摄氏度，精度为正负1摄氏度；湿度范围为20~90%RH,精度为正负4%RH,DHT11与单片机之间采用简单的单总线通信，仅仅需要一个I/O口，传感器内部湿度和温度数据32Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验的方式进行校验，有效的保证了数据传输的准确性，DHT11功耗低，5V电源电压下工作平均最大电流0.5mA.3.3燃气传感器可燃气体传感器采用MQ-2：MQ-2/MQ-2S气敏元件由微型AL203陶瓷管、SN02敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针装管教，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电源。3.4LM75A温度传感器LM75A是一个使用了内置带