高 勇， 李 莉

（1.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽研究院大連分院，遼寧 大連 116013；2.大連航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧 大連 116052）

國家礦用安全產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測中心對礦用設(shè)備的安全性能檢測中，交變濕熱實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)重要的安全性能指標(biāo)[1]。傳統(tǒng)的溫濕度檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是通過一系列有線電纜實(shí)現(xiàn)的，隨著射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，無線通信功能的實(shí)現(xiàn)愈來愈容易，數(shù)據(jù)傳輸速度也愈來愈快，抗干擾能力也更強(qiáng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況和需求，本課題給出了以ATmega64L低功耗微處理器、SHT11溫濕度傳感器和nRF905為核心無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器SHT11、無線通信芯片nRF905、AVR單片機(jī)、供電電源電路及外圍顯示控制傳輸電路構(gòu)成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路是以AVR系列單片機(jī)ATmega64L為主控芯片，SHT11作為溫濕度傳感器，nRF905作為無線射頻芯片，并配合電源電路和其他外圍電路組成的。

2.1 主控芯片ATmega64L

ATmega64L單片機(jī)是美國ATMEL公司推出的一款采用RISC指令、高性能、低功耗的8位在線可編程的高速單片機(jī)，工作電壓在2.7～5.5 V[2]。它自帶64 k字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW）、2 k字節(jié)EEPROM、4 k字節(jié)SRAM、53個(gè)通用I/O口、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 （RTC）、4個(gè)具有比較模式與PWM的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T/C）、2 個(gè) USART、面向字節(jié)的兩線串行接口 TWI、8 路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、一個(gè)SPI串行端口、與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容的，可用于訪問片上調(diào)試系統(tǒng)及編程的JTAG接口，以及6個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式：空閑模式、掉電模式、省電模式、ADC噪聲抑制模式、Standby模式、擴(kuò)展 Standby模式，可以滿足各種低功耗設(shè)計(jì)的需要[2]。

利用ATmega64L單片機(jī)低電壓、低功耗特性，使其與SHT11和nRF905使用相同的工作電壓，共同使用一個(gè)電源。這種設(shè)計(jì)適用于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，避免了芯片之間的電平不匹配問題，同時(shí)又簡化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該單片機(jī)有3項(xiàng)個(gè)主要任務(wù)：1）完成與傳感器SHT11的通訊，讀取傳感器的測量結(jié)果；2）完成對無線射頻芯片通信過程的控制；3）控制外圍設(shè)備獲取、處理信號(hào)并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 溫濕度傳感器SHT11

SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款兩線制串行通信的數(shù)字溫濕度傳感器芯片，工作電壓2.4～5.5 V[3]。它具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、低功耗、高可靠性、測量分辨率可編程調(diào)節(jié)（8/12/14位數(shù)據(jù)）、CRC傳輸校驗(yàn)、超小封裝尺寸等特點(diǎn)；同時(shí)集成了溫濕度傳感器，可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量，并提供高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能，測量精度高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)[4]。其應(yīng)用原理圖如圖2所示。

圖2 SHT11應(yīng)用原理圖Fig.2 The SHT11 applications schematic

由圖2可看出SHT11并通過兩線制串行方式和單片機(jī)進(jìn)行通信，它向單片機(jī)發(fā)送測量結(jié)果及接收來自單片機(jī)的指令。在ATmega64L與SHT11的接口電路中，PG3和PG4分別作為SHT11的時(shí)鐘端口SCK和數(shù)據(jù)端口DATA，并在數(shù)據(jù)線上接一個(gè)10 kΩ的上拉電阻。另外，在SHT11的VDD和GND引腳之間接一個(gè)0.1 μF的濾波電容，提高電源的抗干擾能力。

2.3 無線射頻收發(fā)芯片nRF905

nRF905芯片是由Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，有如下特點(diǎn)：工作頻率可以通過軟件配置，在433/868/915 MHz開放的ISM頻段；最大數(shù)據(jù)傳輸速率為100 kb/s，具有高效的GPSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，適合于許多工業(yè)控制場合；125個(gè)頻道選擇，可滿足多通信和調(diào)頻通信的需要；nRF905片內(nèi)集成了電源管理、低噪聲放大器、晶體振蕩器、頻率合成器功率放大器等模塊，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理字頭、曼徹斯特編碼/解碼和CRC循環(huán)冗余碼校驗(yàn)等功能；在1.9～3.6 V電壓下低功耗工作，待機(jī)模式下靜態(tài)電流只有 2.5 A；收發(fā)模式的切換時(shí)間短，小于 650 μs；芯片可以通過軟件設(shè)置地址，并可直接與各種單片機(jī)連接使用，軟件編程非常方便[5]。

nRF905具有兩種工作模式（ShockBurst RX接收模式和ShockBurst TM發(fā)送模式）和兩種節(jié)能模式（掉電模式和待機(jī)模式）[6]。這幾種模式都是由外界MCU通過控制nRF905的3個(gè)引腳PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的高低電平來決定。表1為它的工作模式及相應(yīng)功能。

表1 nRF905的工作模式及相應(yīng)功能Tab.1 The nRF905 work mode and the corresponding function

nRF905的穩(wěn)定通信距離與其輸出功率有著直接關(guān)系?？梢酝ㄟ^軟件編程來改變配置寄存器的內(nèi)容，使nRF905的功率放大器工作于-10 dBm功率下，其發(fā)射時(shí)的電流消耗僅僅為11.0 mA，接收時(shí)的電流消耗為12.5 mA。在應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)具體的通信距離和電流消耗來擇輸出功率[4]。nRF905與MCU之間通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令交互，為了降低硬件成本同時(shí)保證一定的傳輸距離，采用差分環(huán)狀天線，工作頻率為868 MHz。其應(yīng)用原理圖如圖3所示。

圖3 nRF905芯片的應(yīng)用原理圖Fig.3 The nRF905 chip applications schematic

2.4 系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)總體硬件電路由以AVR系列單片機(jī)ATmega64L為主控芯片、SHT11作為溫濕度傳感器、nRF905作為無線射頻芯片、電源電路、通信接口電路和其他接口電路所組成。系統(tǒng)總體的硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，單片機(jī)給SHT11溫濕度傳感器轉(zhuǎn)換指令，SHT11轉(zhuǎn)換完成后把結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)，把數(shù)據(jù)在軟件中進(jìn)行優(yōu)化、濾波和線性化，然后把數(shù)據(jù)經(jīng)由nRF905通信模塊發(fā)送出去，也可選擇用RS485總線的方式進(jìn)行有線傳輸，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警。每一塊電路板都可作為數(shù)據(jù)發(fā)送端或者數(shù)據(jù)接收端，如此模塊化的設(shè)計(jì)便于安裝和調(diào)試。

圖4 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Overall system hardware design diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器SHT11、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器nRF905、單片機(jī)和顯示部分組成。因此，軟件設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)是溫濕度測量和無線收發(fā)數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。

3.1 溫濕度的測量

溫濕度傳感器SHT11通過兩線制串行方式和單片機(jī)進(jìn)行通信[3]。單片機(jī)發(fā)送完啟動(dòng)命令和控制命令后，MCU要等待測量結(jié)束，該過程大約需要 11/55/210 ms，分別對應(yīng)8/12/14bit測量。SHT11通過下拉DATA至低電平表示測量結(jié)束，MCU在觸發(fā)SCK時(shí)鐘前必須等待該數(shù)據(jù)備妥信號(hào)。在測量和通信結(jié)束后，SHT11自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。為保證自身溫升低于0.1℃，SHT11的激活時(shí)間不要超過15%（例如對于12 bit精度測量，每秒最多進(jìn)行3次測量）[7]。

為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，需要使用式（1）來修正讀數(shù)：

式中：RHlinear為進(jìn)行非線性補(bǔ)償后的濕度值，SORH為MCU從SHT11讀取的濕度值。由于實(shí)際溫度與測試參考溫度25℃有顯著差別，應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)：

式中：RHtrue為最終計(jì)算出的相對濕度值，T℃為當(dāng)前實(shí)際溫度?？捎檬剑?）將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度值：

式中：T為實(shí)際溫度值；SOT為MCU從SHT11讀取的溫度數(shù)字輸出量；c1、c2、c3、t1、t2、d1、d2的具體數(shù)值參見 SHT11 芯片手冊。

表2 SHT11命令集Tab.2 SHT11 command set

3.2 無線收發(fā)數(shù)據(jù)

在發(fā)送模式下，置位PWR_UP和TX_EN，ATmega64L單片機(jī)通過SPI接口配置nRF905的寄存器，等待要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送地址寄存器，經(jīng)過650 μs的延時(shí)，保持TRX_CE引腳高電平10 μs后變?yōu)榈碗娖?，?shù)據(jù)發(fā)送過程中，等DR為高電平時(shí)表示數(shù)據(jù)發(fā)送完成，進(jìn)入待機(jī)模式。發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。

圖5 nRF905數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig.5 The nRF905 data send flowchart

拉低TX_EN，TRX_CE引腳高電平650 μs后進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模式。當(dāng)nRF905檢測到合適的載波時(shí)，CD置高電平，接收到有效地址后，AM置高。單片機(jī)判斷AM是否為高電平，當(dāng)為高電平時(shí)，拉低TRX_CE，讀取接收到的數(shù)據(jù)后DR自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，具體的接收流程圖如圖6所示。

圖6 nRF905數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.6 The nRF905 data receiver flowchart

4 結(jié)束語

以上提出的基于SHT11和nRF905的無線溫濕度檢測儀可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線溫濕度測量及數(shù)據(jù)傳輸，通過恰當(dāng)?shù)挠布娐吩O(shè)計(jì)及合理的軟件編程使溫濕度數(shù)據(jù)得以安全可靠的傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證了礦用設(shè)備檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室所需的復(fù)雜的溫濕度環(huán)境，取得了良好的效果。

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