基于stm32的無線收發系統獲獎科研報告摘要：針對監測控制系統中對前端參數采集部分的設計需求，設計了基于STM32F030（采用ARMCORTEX-M0內核）處理器的多參數采集單元，采集單元可完成溫濕度、氣壓等參數數據的采集和存儲并通過無線模塊NRF24L01實現數據的無線收發;單元配有按鍵及液晶顯示器，便于查看當前參數數據。通過選取性價比高的數字傳感器簡化了電路結構并降低硬件成本，通過合理的軟件程序設計進一步降低系統的功耗。經測試單元工作穩定，可實現參數的采集傳輸等功能。同時，采集單元方便移植，可應用于環境監測，工業數據檢測，智能溫室等監控系統中。

關鍵詞：STM32處理器;數據采集;無線通信;低功耗

在現代監測控制系統中，獲取前端參數數據至關重要，可以說參數采集是實現控制的基礎。在工業自動化控制、農業生產自動化、環境質量監測、智能醫療監護等眾多領域都離不開數據的采集和處理。本文設計了采用以32位處理器為核心的無線數據采集單元。選用ST公司的STM32F030處理器作為控制核心，單元集參數采集、數據存儲與顯示、無線轉發為一體，采用電池供電且具有低電壓告警功能。[1]

1單元硬件電路設計

數據采集單元的電路設計在滿足基本功能的基礎上按照低成本、低功耗的設計原則。在實際采集系統中，前端采集單元數量眾多，硬件設計應盡量降低成本;另外，單元采用電池供電，為避免頻繁更換電池，單元電路功耗設計要盡量低，以延長電池的使用時間。單元整體結構框如1所示。

1.1處理器

單元選用ST（意法半導體）公司的STM32F030C8T6控制器作為處理器，STM32F030系列是意法半導體推出的超值系列32位微控制器，該系列芯片基于超低功耗的ARMCORTEX-M0處理器內核，其價格與8位微控制器相當，有豐富的外設數量和種類，內核頻率高達48MHz。

STM32F030內置高速12位ADC、先進且靈活的定時器（支持ADC同步、死時管理和電機控制PWM時序功能）、溫度傳感器、日歷RTC和通信接口（如I2C、USART、SPI等）[2]。因此，選用該處理器可以減少外圍元件的數目、提高電路性能、降低系統的成本。

設計中為了降低微處理器的功耗，可采用32.768kHz的晶體振蕩器作為時鐘，另外，STM32F030有3種低功耗模式，在完成數據采集任務后，處理器進入低功耗模式[3]。

1.1傳感器

傳感器部分實現空氣溫濕度及大氣壓的數據檢測，在具體應用中可以更換傳感器類型實現不同參數采集。

溫濕度傳感器：選用數字溫濕度傳感器DHT11，DHT11是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。工作電壓3.3～5.5V，量程濕度20～90%RH，溫度0～5℃;濕度精度+-5%RH，溫度±2℃。DHT11與處理器之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，一次通訊時間4ms左右，數據分小數部分和整數部分。操作流程如下：一次完整的數據傳輸為40bit，高位先出。數據格式：8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗和數據，傳送正確時校驗和數據等于“8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據”所得結果的末8位[3]。氣壓傳感器：采用數字氣壓傳感器BMP085，BMP085是一款高精度、超低能耗的壓力傳感器，絕對精度可達到0.03hPa，工作電壓為1.8～3.6V，且耗電極低，只有3μA;BMP085內部由壓阻傳感器、AD轉換器、和EEPROM與I2C接口控制單元組成。它采用標準的I2C接口，可以方便的與主設備（單片機）連接通信，其測壓范圍在300～1100hPa。本單元硬件設計中處理器使用硬件I2C接口與傳感器進行通信。[4]

1.2無線通信

采用低功耗、小體積的NRF24L01無線收發模塊，NRF24L01的工作頻段為2.4～2.5GHz，該頻段無需授權許可。芯片內置了多個功能模塊，如功放模塊、晶振、頻率合成器等;可通過程序對模塊的工作頻道和輸出功率進行配置。可通過配置命令設置模塊工作于掉電或空閑等模式，以降低系統的功耗。

1.3存儲單元

數據的存儲選用AT24C512，為Atmel公司生產的64kB串行電可擦的可編程存儲器（EEPROM）。AT24C512內部共有512頁，每一頁有128個字節，任一單元的地址為16位，地址范圍為0000H～0FFFFH。它采用8引腳封裝，芯片引腳及應用電路，芯片結構緊湊、存儲容量大等特點，特別適用于具有大容量數據存儲要求的數據采集系統，因此在測控系統中被大量采用。[5]

1.4鍵盤與液晶顯示

因采集單元所需按鍵較少，所以鍵盤部分采用獨立式按鍵設計，實現存儲數據的查詢功能;液晶顯示使用NOKIA5110單色點陣液晶模塊，模塊為84*48的點陣LCD，可顯示4行漢字，工作電壓3.3V，采用串行接口與處理器通信，支持多種串行通信協議，通信速率可高達4Mbps。

1.5電源模塊

單元采用3.7V鋰電池作為電源，經過TPS62291DC-DC電源轉換模塊，將電壓降至3.3V為整個單元供電。TPS62291是TI的一款寬電壓輸入，固定電壓輸出的高效率降壓轉換芯片，轉換效率在95%左右，最高輸出電流為1000mA。處理器內置ADC對電池電壓進行實時監測，當電池電壓過低時，發送報警信號，以便及時更換電池。

2軟件設計

采集單元能量受限，處理器大部分時間處于睡眠模式，定時喚醒對參數進行采集、存儲并轉發，為了降低處理器的功耗，對于閑置的IO端口設置成IPU/IPD模式。[6]

軟件整體設計流程：上電后處理器進行初始化自檢，執行數據采集程序并進行顯示，無按鍵操作，關閉顯示并對外圍電路進行設置，然后進入睡眠模式;若有按鍵操作或者是定時時間到可喚醒處理器去執行相關程序;如：讀取鍵值，調用顯示程序，使能內部ADC，配置無線模塊，執行數據采集程序，進行數據處理和存儲，轉發數據等;在完成當前任務結束后，關閉內部ADC，配置IO，設置無線模塊進入偵聽模式，再次進入低功耗模式。

若沒有按鍵操作，液晶顯示處于關閉狀態以降低單元功耗，若有按鍵操作，液晶顯示打開并顯示最近一次采集的參數值和當前電池電壓情況。通過上下按鍵可查看參數得歷史數據，若長時間沒有按鍵操作，顯示器再次關閉。

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