基于C8051F340的温湿度监测系统

2013-09-04徐龙飞赵莹莹

机械工程与自动化 2013年5期

刘寅，李晓，徐龙飞，赵莹莹

（中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051）

0 引言

现有的有线温湿度系统使用时安装非常复杂，接线容易混乱［1］，因此，本文开发了基于C8051F340的温湿度监测系统。该系统使用无线射频收发模块nRF24L01P来代替传统线缆，使整个系统简单且便于安装；使用数字式AM2302传感器，省去A／D转换过程，能够同时直接获得温度和湿度的数字信号，调试方便；使用C8051F340单片机为主控芯片来控制整个系统。

1 系统整体框架及工作原理

本系统由两部分组成，上位机部分和下位机部分。在下位机部分，由AM2302传感器实时监测温度和湿度的数字信号，通过I／O口将数字信号发送给主芯片C8051F340，在单片机的控制下温、湿度数据再通过nRF24L01P模块以无线射频方式发送到另一个nRF24L01P模块中，从而将温、湿度数据传到上位机部分，同时，主芯片将温、湿度数据显示在下位机的液晶屏上。在上位机部分，C8051F340主部件会将从无线模块接收到的温、湿度数据做两种处理：一种是将数据通过液晶模块显示出来；另一种是通过串口UART0进行通信将数据传给PC机，通过PC机的软件开发可以对温度和湿度数据进行显示、处理和绘图。温、湿度监测系统的结构框图如图1所示。

2 硬件电路的设计

2．1 温湿度数据传感器

AM2302是一款4引脚的具有高可靠性和稳定性的数字式传感器。其具有响应速度快、抗干扰性强、性价比高、体积微小和超低功耗等优点。数据传送只占用一个I／O接口使用起来非常方便。只需要将DATA引脚与C8051F340的一个I／O端口引脚连接，由于连接线短于18m，DATA引脚接5kΩ上拉电阻，另外再连接VDD引脚和GND引脚即可。

图1 温、湿度监测系统结构框图

2．2 无线模块

nRF24L01P是一款8引脚的工作频率为2．4GHz～2．5GHz的无线收发模块，其数据传送通过单片机上的SPI总线接口实现，具有非常低的电功率损耗，在其传输状态下最低电损耗可达到11mA［2］。无线模块的连接方式是将nRF24L01P的CSN、SCK、MISO、MOSI这4个引脚分别与单片机的4个I／O口引脚连接；nRF24L01P的CE引脚是芯片使能端，直接连接电源VDD；CSN是片选端；SCK是输入SPI时钟端；MISO是主机输入从机输出端；MOSI是主机输出从机输入端。无线模块和温湿度传感器与单片机的连接如图2所示。

3 软件程序的设计

3．1 温、湿度数据的采集

单次采集时，AM2302通过单总线接口给单片机传送40bit温、湿度数据。总线在上拉电阻作用下在被释放时一直被拉高，首先C8051F340通过拉低总线1ms～10ms然后释放总线20μs～40μs的方式对AM2302进行初始化。随后C8051F340随时检测AM2302是否返回80μs的低电平回馈信号来表示已准备好发送数据了。若未收到回馈信号则结束；若收到，随后AM2302会拉高总线80μs，接下来就会给单片机发送40bit数据；若AM2302未拉高总线则结束。

图2 无线模块和温湿度传感器与单片机的连接图

被传送的数据是0还是1是这样分辨的，50μs的低电平随后70μs的高电平表示1，而50μs的低电平随后26μs～28μs的高电平表示0。温、湿度数据采集流程如图3所示。

图3 温、湿度数据采集流程图

3．2 无线发送流程

C8051F340拉低nRF24L01P的引脚CE使其运行在待机状态，并对其控制寄存器进行状态写入以准备接受单片机传来的数据。C8051F340通过地址TX＿ADDR的辨识，将数据TX＿PLD利用SPI总线接口传送给nRF24L01P。C8051F340将PRIM＿RX拉低，然后再拉高CE超过12μs，将nRF24L01P置于发送状态，随后nRF24L01P上电向外传送数据。若数据成功传送，nRF24L01P就会收到回馈信号，然后寄存器状态位TX＿DS会被置于高状态从而TX＿FIFO中的数据被删除；若没有收到应有的回馈信息，则返回重新开始，数据将被重新传送。单次数据发送流程如图4所示。