1、 . . . 畢業(yè)設計（論文）題目 基于RF2401的家居環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)院 別專 業(yè)班 級姓 名學 號指導教師（職稱）日 期31 / 36摘 要為了提高環(huán)境參數(shù)采集的自動化水平，提高效率，設計了無線傳感系統(tǒng)。本系統(tǒng)運用了傳感技術、通信技術和單片機技術，實現(xiàn)了對環(huán)境溫度、濕度、光照度以與可燃性氣體濃度等參數(shù)的檢測。它能夠實時地與上位機進行無線通信，滿足對環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測的要求。傳感器技術與通信技術、計算機技術組合構成的智能傳感器以其較高的精度、良好的可靠性、功能多樣性等特點在過程控制以與信號檢測中得到人們的關注，已成為當今國外研究的一大熱點。本文設計了一種用于對環(huán)境信息進行實時監(jiān)測的無線傳感系

2、統(tǒng)，在實際應用中能夠對環(huán)境參數(shù)進行準確的測量并可靠傳輸，體現(xiàn)了傳感系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、無線化的優(yōu)點。該系統(tǒng)以RF2401無線通信芯片為核心，配置AT89S52單片機與其單片機控制的DHT11溫度傳感器，可實時地對所測環(huán)境的溫度、濕度、光照強度、有害氣體濃度等參數(shù)進行測量處理。 采用多節(jié)點采集無線傳輸功能，避免了布線的繁瑣，該系統(tǒng)結構簡單、可靠、功耗較低、成本低，是一種俱佳的無線傳感器的解決方案。 關鍵字：RF2401芯片 AT89S52單片機 溫度 濕度 光照強度 無線傳輸AbstractIn order to improve the automation level of environme

3、ntal 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 ot

4、her 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, fun

5、ctional diversity and other characteristics in the process control and signal detection to get the attention of people, has become a hot spot in today's domestic and foreign research. This paper designed a kind of used for real-time monitoring of environmental information of wireless sensing sys

6、tem, 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 microc

7、omputer 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

8、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 錄摘要IAbstractII目錄III1 緒論11.1 課題背

9、景11.2 無線通信技術發(fā)展概況11.3 設計要求與設計容22 系統(tǒng)總體方案設計32.1 系統(tǒng)方案選擇32.1.1 主控芯片方案32.1.2 無線通信模塊方案32.1.3 顯示模塊方案32.1.4 溫濕度傳感方案42.1.5 可燃氣體傳感方案42.1.6 單片機與PC機通信模塊52.2 系統(tǒng)最終方案53 系統(tǒng)硬件設計73.1 系統(tǒng)控制模塊73.1.1 單片機控制模塊103.2 無線傳輸模塊113.2.1 NRF2401芯片概述113.2.2 芯片結構、引腳說明113.3 溫濕度采集模塊173.3.1 DS18B20管腳配置和部結構173.3.2 DHT11管腳配置和部結構193.4 可燃氣體采

10、集模塊203.5 入侵報警模塊203.5.1 電氣參數(shù)213.5.2 功能特點213.5.3 模塊與電路組成213.5.4 攝像頭的選擇224 系統(tǒng)軟件設計234.1 發(fā)送端軟件設計234.2 接收端軟件設計23結論25致26參考文獻271 緒 論1.1 課題背景室環(huán)境一般泛指家庭、辦公室等半封閉空間。據(jù)統(tǒng)計，人一生中70%左右的時間要在室度過，人均日吸入空氣12立方米，而城市居民每天約60%90%的時間在各種室度過，為此，人們的生活環(huán)境安全是極為重要的。然而，傳統(tǒng)的室環(huán)境監(jiān)測設備是極為昂貴的，一般的家庭、企業(yè)單位不愿意購買，只有專業(yè)的檢測機構和從事室環(huán)境質量監(jiān)測的公司才會購買，同時，價格不菲

11、的檢測費用使得很多家庭不愿意做室環(huán)境質量的檢測。此外，傳統(tǒng)的室環(huán)境質量檢測設備多為獨立的單臺設備，難以實現(xiàn)對環(huán)境的多點實時監(jiān)測，設備利用率低，使用也不方便，這使得家庭、辦公室以與電影院、餐廳、商場、車、船客艙等公共場所的環(huán)境質量的監(jiān)測成為盲區(qū)，因此，開發(fā)一種低成本并能實現(xiàn)多點監(jiān)測的室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求十分迫切，也具有廣闊的市場前景。1.2 無線通信技術發(fā)展概況隨著社會的進步和生產(chǎn)的需要，利用無線通信進行溫度數(shù)據(jù)采集的方式應用已經(jīng)滲透到生活各個方面。在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設備是否運行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個環(huán)境相對好的操控室，這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳

12、輸問題。由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯誤換線困難。而且，當數(shù)據(jù)采集點處于運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設電纜時，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)采集。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術采集室溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室溫度情況進行遙控通風等操作，自動調節(jié)室溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。在現(xiàn)實生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機器人控制等許多重要領域

13、，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡已經(jīng)被廣泛的應用到民用和軍事領域。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此，需要設計相應的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通信，這樣的研究也變得更加有意義了。本系統(tǒng)的設計采用了Nordic公司新推出的工作于2.4GHz頻段NRF24L01射頻芯片，由AT89S52單片機控制實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。該接口設計具有成本低、傳輸速率高、軟件設計簡單以與通信穩(wěn)定可靠等特點。整個系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過NRF24L01無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送部分以單片機AT89S52為核心，使用溫濕度傳感器DH

14、T11實時采集溫度、濕度并通過nRF24l01將采集的溫濕度信息無線傳送給接收部分，并通過串口發(fā)送到PC機上顯示，通過TGS813可燃氣體傳感器實現(xiàn)對火災等突發(fā)狀況進行報警。1.3 設計要求與設計容設計要求：（1） 完成基于RF2401通信芯片的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計；（2） 具備被檢測環(huán)境的溫度（-2099度）、光照（有、無），濕度（099）、天然氣濃度（0%5%）、非法侵入等狀態(tài)的監(jiān)測功能；（3） 具備多節(jié)點采集、狀態(tài)顯示功能；具備節(jié)點轉發(fā)以與數(shù)據(jù)匯集功能；（4） 單節(jié)點通信距離大于50m，數(shù)據(jù)速率大于500kbps。設計容：（1） 基于無線傳感網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的應用前景分析；（2）

15、 無線傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸原理與應運；（3） 環(huán)境多狀態(tài)采集傳感電路的設計；（4） 按鍵與顯示電路的設計；（5） 系統(tǒng)軟件的設計。2 系統(tǒng)總體方案設計2.1 系統(tǒng)方案選擇2.1.1 主控芯片方案方案一：采用傳統(tǒng)的AT89S52單片機作為主控芯片。此芯片價格便宜、操作簡便，低功耗，比較經(jīng)濟實惠。方案二：采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F149系列單片機作為主控芯片。此單片機是一款高性能的低功耗的16位單片機，具有非常強大的功能，且置高速12位ADC。但其價格比較昂貴，而且是TPFQ貼片封裝，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和開發(fā)周期。方案三：采用宏晶科技的STC12C5A60S2增強型51

16、單片機作為主控芯片。此芯片置ADC和SPI總線接口，且部時鐘不分頻，可達到1MPS。而且價格適中。考慮到此系統(tǒng)需要不用到ADC，從性能和價格上綜合考慮我們選擇方案一，即用AT89S52作為本系統(tǒng)的主控芯片。2.1.2 無線通信模塊方案方案一：采用GSM模塊進行通信，GSM模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機卡，雖說能夠遠距離傳輸，但是其成本較大、且需要置SIM卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。方案二：采用TI公司CC2430無線通信模塊，此模塊采用Zigbee總線模式，傳輸速率可達250kbps，且部集成高性能8051核。但是此模塊價格較貴，且Zigbee協(xié)議相對較為復雜。方案三：采用NRF24L

17、01無線射頻模塊進行通信，NRF24L01是一款高速低功耗的無線通信模塊。他能傳輸上千米的距離（加PA），而且價格較便宜、，采用SPI總線通信模式電路簡單，操作方便。考慮到系統(tǒng)的復雜性和程序的復雜度，我們采用方案三作為本系統(tǒng)的通信模塊。2.1.3 顯示模塊方案方案一：選擇主控為ST7920的帶字庫的LCD12864來顯示信息。12864是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數(shù)常用的漢字與ASCII碼，而且能夠繪制圖片，描點畫線，設計成比較理想的結果。方案二：采用字符液晶LCD1602顯示信息，1602是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價格便宜，容易控制。方案三：采用LED7段

18、數(shù)碼顯示管顯示，其成本低，容易顯示控制，但不能顯示字符。綜合以上方案，我們選擇了經(jīng)濟實惠的字符液晶LCD1602來作為接收端的顯示。發(fā)送端用7段數(shù)碼管顯示。2.1.4 溫濕度傳感方案方案一：采用AD590是美國ANALO G DEV ICES 公司的單片集成兩端感溫電流源。AD590測量熱力學溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應用于不同的溫度控制場合由于AD590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。但其需要用到差分放大器放大和A/D轉換，需要原件多。方案二：采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片

19、，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。經(jīng)濟，方便。使用DS18B20線路簡單，編程容易，但是比AD590精度低。AD590還需要其它輔助電路，線路復雜，編程難度大，但是溫度精確。考慮到電路的設計，成本，還有多點通信，我們選擇方案二，即用DS18B20作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。方案三：為圖器性能的綜合應用，最終選擇了I2C總線的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。綜合以上方案，我們選擇經(jīng)濟方便的DS18B20作為溫度傳

20、感器，并選擇DHT11作為濕度傳感器，作為溫濕度采集模塊。2.1.5 可燃氣體傳感方案方案一：采用日本費加羅FIGARO制作的半導體氣體傳感器TGS813傳感器，它具有以下特點：后期電路簡單；長壽命，低功耗；對甲烷、乙烷、丙烷等可燃氣體的高敏感度。方案二：采用MQ2氣體傳感器，它是一種具有廣泛探測圍、高靈敏度、優(yōu)越穩(wěn)定性和驅動電路簡單的普敏型氣體傳感器，可用于工廠和家庭以實現(xiàn)對特種成分氣體濃度的檢測。綜合以上方案，我們選用半導體氣體傳感器TGS813為可燃氣體傳感模塊。2.1.6 單片機與PC機通信模塊采用MAX232來完成TTL- EIA（美國電子工業(yè)聯(lián)合會）雙向電平轉換。MAX232部有電

21、壓倍增電路和轉換電路，僅需+5 V電源便可工作，使用十分方便，其與AT89S52連接時可以采用最簡單的方式連接,MAX232的T1 IN引腳與89S52的串行輸入口線P31TXD相連，R1 OUT引腳與89S52的串行輸入口線P30RXD相連，MAX232的T1OUT、R1 IN分別于與RS232的2、3引腳相連。2.2 系統(tǒng)最終方案為提高系統(tǒng)的可靠性以與減小設計、開發(fā)周期，本系統(tǒng)由一個主節(jié)點和多個子節(jié)點組成，電路上均采用集成化設計。子節(jié)點負責采集環(huán)境參量，通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)以多跳方式逐級傳遞給主節(jié)點；主節(jié)點除具備基本的參量采集功能外，主要負責將匯集來的各子節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送給用

22、戶手機。系統(tǒng)主節(jié)點組成如圖2-1所示，可見在硬件結構上，任何一個子節(jié)點都可以通過與GPRS模塊相連而變成主節(jié)點。TGS813可燃氣體傳感器無線通信模塊RF2401溫度傳感器DS18B20 濕度傳感器DHT11AT89S52單片機 入侵報警DYP-ME003PC機（SIM卡）無線通信模塊RF2401（接收）圖2-1系統(tǒng)設計方案發(fā)送端： 發(fā)送端由溫度傳感器DS18B20，,濕度傳感器DHT11，AT89S52單片機，NRF2401無線射頻模塊，TGS813可燃氣體傳感器采集，外設繼電器，LED7段數(shù)碼管組成。TGS813可燃氣體傳感器溫度傳感器DS18B20 濕度傳感器DHT11AT89S52單片

23、機NRF2401無線模塊繼電器LED7段數(shù)碼管圖2-2發(fā)送端系統(tǒng)方案框圖接收端： 接收端由AT89S52單片機，NRF2401無線射頻模塊，報警電路，GPRS模塊LCD1602顯示模塊組成。 AT89S52單片機NRF2401 無線模塊LCD1602顯示模塊PC機 報警電路圖2-3 接收端系統(tǒng)方案框圖3 系統(tǒng)硬件設計3.1 系統(tǒng)控制模塊單片機是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術把具有運算能力（如算術運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（CPU）,隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），只讀程序存儲器（ROM），輸入輸出電路（I/O口），可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口（SCI），顯示驅動電路

24、（LCD或LED驅動電路），脈寬調制電路(PWM)，模擬多路轉換與A/D轉換器等電路集成到一塊單片機上，構成一個最小然而很完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確快速的完成程序設計者事先規(guī)定的任務。總的而言單片機的特點可以歸納為以下幾個方面：集成度高、存儲容量大、外部擴展能力強、控制功能強、低電壓、低功耗、性能價格比高、可靠性高這幾個方面。單片機有著微處理器所不具備的功能，它可以獨立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機的最大特點。然而單片機又不同于單板機，芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微機控制系統(tǒng)。它

25、與單板機或個人電腦有著本質的區(qū)別，單片機屬于芯片級應用，需要用戶了解單片機芯片的結構和指令系統(tǒng)以與其它集成電路應用技術和系統(tǒng)設計所需要的理論和技術，用這樣特定的芯片設計應用程序，從而使芯片具備特定的智能AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。AT89S52具有如下特點：

26、40個引腳，8k Bytes Flash片程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個 全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片時鐘振蕩器。引腳圖如圖3-1所示。此外，AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。

27、圖3-1 AT89S52單片機管腳圖（1）主要功能特性:· 兼容MCS-51指令系統(tǒng) · 8k可反復擦寫(>1000次）ISP Flash ROM· 32個雙向I/O口 · 4.5-5.5V工作電壓· 2個16位可編程定時/計數(shù)器 · 時鐘頻率0-33MHz· 全雙工UART串行中斷口線 · 256x8bit部RAM· 2個外部中斷源 · 低功耗空閑和省電模式· 中斷喚醒省電模式 · 3級加密位· 看門狗（WDT）電路 · 軟件設置空閑和省電功能&#

28、183; 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 · 雙數(shù)據(jù)寄存器指針（2）AT89S52單片機引腳介紹:引腳如圖3.1所示，以下是各引腳的說明。VCC：AT89S52 電源正端輸入，接+5V。VSS：電源地端。XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反向放大器輸入端。XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反向放大器輸出端，一般在設計上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)皆可以工作了，此外可以在兩個引腳與地之間加入一20PF的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機。RESET：AT89S52的重置引腳，高電平工作，當要對晶片重置時，只要對此引腳點評提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間，AT89S

29、51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得部特殊功能寄存器容均被設成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。EA/Vpp：“EA”為英文“External Access”的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當引腳為低電平后，系統(tǒng)會調用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031與8032中，EA引腳必須接低電平，因為其部無程序存儲器空間。如果使用8751部程序空間時，引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751部EPROM時，可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓（Vpp）。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一個8位寬的開路電極（O

30、pen Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是部有一提升電路，P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載。如果當EA引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器），P0就以多工方式提供地址總線（A0A7）與數(shù)據(jù)總線（D0D7）。設計者必須外加一個鎖存器將端口0送出的地址鎖住成為A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一個完整的16位地址總線，而定位地址到64K的外部存儲器空間。PORT1(P1.0P1.7)：端口1也是具有部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個

31、LS TTL負載，若將端口1的輸出設為高電平，使是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當作定時器2的外部緩沖輸入腳，而P。1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)引腳。PORT2(P2.0P2.7)：端口2是具有部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載，同樣地，若將端口2的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。P2除了當做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8A15，這個時候P2便不能當做I/O來使用了。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有部提升電路的

32、雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制與外部數(shù)據(jù)存儲器容的讀取或寫入控制等功能。其引腳分配如下：P3.0：RXD,串行通信輸入。P3.1：TXD,串行通信輸出。P3.2：INT0,外部中斷0輸入。P3.3：INT1,外部中斷1輸入。P3.4：T0，計時計數(shù)器0輸入。P3.5：T1，計時計數(shù)器1輸入。P3.6：WR,外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入信號。P3.7：RD,外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取信號。3.1.1 單片機控制模塊單片機控制模塊由AT89S52最小系統(tǒng)組成，其中包括單片機，晶振電路和復位電路。（1）、晶振電路晶振電

33、路由兩個30pF電容和一個12MHz晶體振蕩器構成，接入單片機的X1、X2引腳。（2）、復位電路單片復位端低電平有效。圖3-2 單片機最小系統(tǒng)3.2 無線傳輸模塊3.2.1 NRF2401芯片概述NRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.42.5GHz ISM頻段，芯片置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF240

34、1適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等。NRF2401主要特性如下： GFSK調制； 硬件集成OSI鏈路層； 具有自動應答和自動在發(fā)射功能； 片自動生成報頭和CRC校驗碼； 數(shù)據(jù)傳輸率為1Mb/s或2Mb/s； SPI速率為0Mb/s10Mb/s； 125個頻道； 與其他NRF24系列射頻器件相兼容； QFN20引腳4mm×4mm封裝； 供電電壓為1.9V3.6V；3.2.2 芯片結構、引腳說明 1.芯片結構NRF2401置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很

35、少的外圍元件，因此使用起來非常方便。QFN24引腳封裝，外形尺寸只有5×5mm。nRF2401的功能模塊如圖3-3所示圖3-3 NRF2401功能模塊2.引腳說明表3.1 nRF2401引腳3.工作模式nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三個引腳決定，詳見表3.2。表3.2：nRF2401工作模式 3.1 收發(fā)模式 nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定，具體配置將在器件配置部分詳細介紹。 3.1.1 Shock

36、BurstTM收發(fā)模式ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，但高速(1Mbps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關的所有高速信號處理都在片進行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費用(低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高。nRF2401的ShockBurstTM技術同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流。 在ShockBurstTM收發(fā)模式下，nRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和CRC校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加

37、上字頭和CRC校驗碼，當發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。 3.1.1.1 ShockBurstTM發(fā)射流程 接口引腳為CE，CLK1，DATAA. 當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，其把CE置高，使nRF2401工作；B. 把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時序送入nRF2401；C. 微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401進行ShockBurstTM發(fā)射；D. nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射 給射頻前端供電； 射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗碼)； 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包； 發(fā)射完成，

38、nRF2401進入空閑狀態(tài)。3.1.1.2 ShockBurstTM接收流程接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)A. 配置本機地址和要接收的數(shù)據(jù)包大小；B. 進入接收狀態(tài)，把CE置高；C. 200us后，nRF2401進入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；D. 當接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC校驗碼)，nRF2401自動把字頭、地址和CRC校驗位移去；E. nRF2401通過把DR1(這個引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器；F. 微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401移出；G. 所有數(shù)據(jù)移完，nRF240

39、1把DR1置低，此時，如果CE為高，則等待下一個數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開始其它工作流程。3.1.2直接收發(fā)模式在直接收發(fā)模式下，nRF2401如傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器一樣工作。3.1.2.1直接發(fā)送模式接口引腳為CE、DATAA. 當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，把CE置高；B. nRF2401射頻前端被激活；C. 所有的射頻協(xié)議必須在微控制器程序中進行處理(包括字頭、地址和CRC校驗碼)。3.1.2.2直接接收模式接口引腳為CE、CLK1和DATAA. 一旦nRF2401被配置為直接接收模式，DATA引腳將根據(jù)天線接收到的信號開始高低變化(由于噪聲的存在)；B.&

40、#160;CLK1引腳也開始工作；C. 一旦接收到有效的字頭，CLK1引腳和DATA引腳將協(xié)調工作，把射頻數(shù)據(jù)包以其被發(fā)射時的數(shù)據(jù)從DATA引腳送給微控制器；D. 這頭必須是8位；E. DR引腳沒用上，所有的地址和CRC校驗必須在微控制器部進行。3.2 配置模式在配置模式，15字節(jié)的配置字被送到nRF2401，這通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成，具體的配置方法請參考本文的器件配置部分。3.3 空閑模式nRF2401的空閑模式是為了減小平均工作電流而設計，其最大的優(yōu)點是，實現(xiàn)節(jié)能的同時，縮短芯片的起動時間。在空閑模式下，部分片晶振仍在工作

41、，此時的工作電流跟外部晶振的頻率有關，如外部晶振為4MHz時工作電流為12uA，外部晶振為16MHz時工作電流為32uA。在空閑模式下，配置字的容保持在nRF2401片。3.4 關機模式 在關機模式下，為了得到最小的工作電流，一般此時的工作電流小于1uA。關機模式下，配置字的容也會被保持在nRF2401片，這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。4. 器件配置nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。由上文對nRF2401工作模式的介紹，我

42、們可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發(fā)模式，這樣，系統(tǒng)的程序編制會更加簡單，并且穩(wěn)定性也會更高，因此，下文著重介紹把nRF2401配置為ShockBurstTM收發(fā)模式的器件配置方法。ShockBurstTM的配置字使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作的過程中，只需改變其最低一個字節(jié)中的容，以實現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個部分：數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗碼；地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF24

43、01能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)； 地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道1的地址和通道2的地址； CRC：使nRF2401能夠生成CRC校驗碼和解碼。 當使用nRF2401片的CRC技術時，要確保在配置字中CRC校驗被使能，并且發(fā)送和接收使用一樣的協(xié)議。nRF2401配置字的各個位的描述如表3.3所示。 表3.3：nRF2401配置字描述在配置模式下，注意保證PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開始，依次送入nRF2401。在CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。5. 應用電路圖3-4 NRF2401應用電路圖3-4為nRF2401的應用電路，由圖可知，其只需要14個外圍元件

44、。nRF2401應用電路一般工作于3V，它可用多種低功耗微控制器進行控制。在設計過程中，設計者可使用單鞭天線或環(huán)形天線，上圖為50歐姆單鞭天線的應用電路。在使用不同的天線時，為了得到盡可能大的收發(fā)距離，電感電容的參數(shù)應適當調整。6. PCB設計PCB設計對nRF2401的整體性能影響很大，所以PCB設計在nRF2401收發(fā)系統(tǒng)的開發(fā)過程中主要的工作之一，在PCB設計時，必須考慮到各種電磁干擾，注意調整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。nRF2401的PCB一般都是雙層板，底層一般不放置元件，為地層，頂層的空余地方一般都敷上銅，這些敷銅通過過孔與底層的地相連。直流電源與電源

45、濾波電容盡量靠近VDD引腳。nRF2401的供電電源應通過電容隔開，這樣有利于給nRF2401提供穩(wěn)定的電源。在PCB中，盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸。3.3 溫濕度采集模塊DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介新的"一線器件"體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟 Dallas 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 "一線總線"接口的溫度傳感器。3.3.1 DS18B20管腳配置和部結構DS18B20的管腳和封裝如下圖3-5：圖3-5 DS18B20引腳與封裝引腳定義： (1)DQ為單數(shù)據(jù)總線，是數(shù)字信號輸

46、入/輸出端； (2)GND為電源地； (3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 部結構：圖3-6 DS18B20部結構圖（1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不一樣，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 （2） DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例

47、：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。 bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0LS Byte232221202-12-22-32-4bit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8MS ByteSSSSS262524圖3-7 DS18B20溫度值格式表這是12位轉化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘

48、于0.0625即可得到實際溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。3.3.2 DHT11管腳配置和部結構DHT11是奧松生成的一款溫濕度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8為單片機相連接。I2C總線的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位

49、單片機相連接。該產(chǎn)品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP存中，傳感器部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。 產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝，連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供，濕度測量圍為2090%RH。其電路接線圖如圖3-8所示。圖3-8 DHT11電路接線圖從模式下的數(shù)據(jù)讀寫時序如圖3-9 所示。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先

50、出。數(shù)據(jù)格式:8”bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)”等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)所得結果的末8位”。每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時隙開始,高電平的長短定義了數(shù)據(jù)位是0還是1，數(shù)據(jù)格式如圖3-10所示。圖3-9 DHT11時序圖圖3-10 “0”、“1”的數(shù)據(jù)格式3.4 可燃氣體采集模塊TGS813 傳感器對甲烷、丙烷、丁烷的靈敏度高，對天然氣、液化氣和毒性氣體(如CO)的濃度監(jiān)視也很理想，這種傳感器可檢知多種可燃氣體，所以是對各種應用方式

51、都很優(yōu)越的低成本傳感器，此外，還有能耐 200高溫的瓷底座傳感器（型號為 TGS816）。該傳感器使用在清潔空氣中電導率低的二氧化錫(SnO2) 作為費加羅氣體傳感器的氣敏素子，當存在檢知對象氣體時，傳感器的電導率隨空氣中氣體濃度增加而增大，使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。家居可燃氣體和有毒氣體傳感器選用TGS813，其應用電路如圖3-11所示。圖3-11 TGS813部電路火焰探測選用C3704模塊，可以通過紫外線的輻射強度來進行火焰的監(jiān)測。NIS-10A是一種通用性低功耗的煙霧離子探測式數(shù)字傳感器，使用放射性物質镅241的射線探測煙霧離子，放射性物質被

52、包裹在金屬制電極部，所以不會泄露放射能量。NIS-10A屬于通用性低功耗數(shù)字傳感器,使用電池帶動。3.5 入侵報警模塊為保障人體入侵監(jiān)測的準確性，本設計采用以PIR熱釋電傳感器為核心的DYP-ME003人體紅外模塊，其具有低功耗、寬電壓、電路體積小、工作模式可選、響應速度快、單路電平輸出的特點，因此非常適合用于各種場合的人體入侵檢測和報警系統(tǒng)。3.5.1 電氣參數(shù)表3.4 電氣參數(shù)表電氣參數(shù)DYP-ME003人體感應模塊工作電壓圍DC4.5-20V靜態(tài)電流<50uA電平輸出高3.3V/低0V觸發(fā)方式L不可重復觸發(fā)/H重復觸發(fā)延時時間5-200s（可調）可制作圍零點幾秒至幾十分鐘封鎖時間2

53、.5s（默認）可制作圍零點幾秒至幾十秒電路板外形尺寸32mm*24mm感應角度<100度錐角感應距離7米以工作溫度-15-+70度感應透鏡尺寸直徑：23mm（默認）3.5.2 功能特點1、 全自動感應：人進入其感應圍則輸出高電平，人離開感應圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。2、 光敏控制（可選擇，出廠時未設置）：可設置光敏控制，白天或光線強時不感應。3、溫度補償（可選擇，出廠時未設置）：在夏天當環(huán)境溫度升高至30自動報警調節(jié)。3.5.3 模塊與電路組成如圖3-12所示:圖3-12 模塊接口 3.5.3.1管腳功能與其工作特性如下：1. 電源負極，2. OUT 信號輸出，3.電源正極，4

54、. L 不可重復觸發(fā)端口、H 重復觸發(fā)端口，5.CDS 光敏電阻，6.RT 溫度補償電阻。工作電壓為DC4.5-20V，靜態(tài)電流<50uA；感應角度<100度、感應距離<7m；當紅外傳感器感應到人體時，2腳輸出高電平，人體離開時則自動延時后輸出低電平；通過設置4腳的電平狀態(tài)可工作在不可重復觸發(fā)和可重復觸發(fā)兩種方式下，當為低電平時為不可重復觸發(fā)，即感應輸出高電平后，延時時間段一結束輸出自動變?yōu)榈碗娖剑敒楦唠娖綍r為可重復觸發(fā)方式；模塊具有自動延時時間段和感應封鎖時間設置功能，默認的延時時間段為2.5S、封鎖時間為0S；通過對CDS光敏電阻的調節(jié)，可以設置光敏控制，白天或光線強

55、時模塊不感應；當環(huán)境溫度升高時探測距離會變短，通過調節(jié)RT電阻可進行一定的性能補償。另外，模塊在通電后有一分鐘左右的初始化時間，在此過程中2腳會間隔輸出的高、低電平變化，然后才進入正常待機狀態(tài)。3.5.4 攝像頭的選擇無線通信模塊的MCU帶有兩路串口，因此選用串口攝像頭模塊PTC08進行入侵圖像的采集，其主要用于圖像采集系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)現(xiàn)場過程控制、醫(yī)療設備、安全防盜、留像門鈴、車載監(jiān)控、遠程監(jiān)控、數(shù)字圖像紀錄等領域。部為CMOS圖像傳感器，像素大小5.6um*5.6um、30萬像素分辨率，輸出圖像為JPEG/M-JPEG標準，最大監(jiān)視距離15m、可視角度120度，圖像格式有VGA（640*480）/QVGA（320*240）/ VGA（160*120）三種，另外還具有動態(tài)模擬視頻接口CVBS_TV_OUT。工作電壓DC5V、電流75mA。模塊工作采用數(shù)字代碼指令方式，通過串口發(fā)送指令，當該指令執(zhí)行完畢時模塊返回相應代碼。常用指令如表3.5所示。表3.5 PTC08常用通信協(xié)議表指令類型指令代碼指令類型指令代碼復位指令56 00 26 00設置壓縮率56 00 31 05 01 01 12 04 XX拍照指令56 00 36 01 00讀圖片長度56 00 34 01 00設置圖片大小56 00 31 05 04 0