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應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)中溫濕度記錄儀的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
來源： http://www.52lvi.cn/ 類別：實(shí)用技術(shù) 更新時(shí)間：2013-02-19 閱讀次
【本資訊由中國(guó)糧油儀器網(wǎng)提供】 在倉(cāng)儲(chǔ)、食品加工等行業(yè)經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行測(cè)量及控制，而傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)存在布線復(fù)雜和傳輸距離受限的問題，這些問題都不利于對(duì)分散的溫濕度監(jiān)控地點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的溫濕度管理。而在通信領(lǐng)域，隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）及傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得研制低成本的無線溫濕度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。通過無線通信方式形成一個(gè)采集、處理傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫濕度信息，并報(bào)告給用戶，形成一個(gè)無線溫濕度監(jiān)測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)采用NRF9E5為無線收發(fā)及控制核心，結(jié)合溫濕度傳感器DHT21實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)便于安裝，具有較好的實(shí)用價(jià)值。
溫濕度記錄儀由溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)和匯聚點(diǎn)組成。溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的作用是檢測(cè)溫濕度，并將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚點(diǎn)。它由NRF9E5、傳感器模塊、存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。匯聚點(diǎn)的作用是接收監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過RS232串行接口傳送到PC。它由NRF9E5、存儲(chǔ)模塊、MAX3232構(gòu)成。射頻傳輸芯片NRF9E5是一款內(nèi)嵌8051的無線傳輸芯片。它的主要指標(biāo)：內(nèi)置NRF905收發(fā)器，傳輸頻率可調(diào)（433／868／915MHZ）；輸出功率為－20～10DBM，可通過軟件編程控制其傳輸輸出功率；具有載波監(jiān)聽功能，具有自動(dòng)地址檢測(cè)匹配功能；低電壓工作方式，電源供電范圍為1.9～3.6V，具有內(nèi)部電源管理器；封裝為32PIN QFN 5×5MM。與通用80C51不同，NRF9E5內(nèi)嵌處理器的存儲(chǔ)單元比較特殊，它是由一塊與80C52兼容的256ｂRAM和512bROM及一個(gè)4K的RAM組成。512ｂ的ROM中包含一個(gè)初始裝載程序，當(dāng)系統(tǒng)上電或程序復(fù)位時(shí)，這個(gè)初始裝載程序?qū)⒁龑?dǎo)系統(tǒng)通過SPI接口將用戶編寫的放在一塊外部串行EEPROM程序存儲(chǔ)器中的程序調(diào)入內(nèi)部4K的RAM中，然后系統(tǒng)根據(jù)調(diào)入RAM中的程序運(yùn)行。
溫濕度傳感器溫濕度傳感器采用的是DHT21。DHT21是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器。傳感器包括一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電容式感濕元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。DHT21采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20M以上。傳感器供電范圍為3.3～5V。傳感器為4針單排引 腳封裝，其 管腳 分 別 為：VDD、DATA、ＧND、NC。溫濕光三參數(shù)記錄儀的硬件電路溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)電路。該電路使用NRF9E5芯片，外接DHT21溫濕度傳感器、25AA320E2PROM用戶程序存儲(chǔ)器。NRF9E5電路采用單端連接50Ω天線通過使用差分單端匹配網(wǎng)絡(luò)。NRF9E5的P00接發(fā)光二極管1ED經(jīng)1KΩ上拉電阻接＋3.3V電源，1ED用于表示發(fā)送狀態(tài)，每發(fā)送1ｂ數(shù)據(jù)1ED點(diǎn)亮20MS；NRF9E5的P0７經(jīng)1KΩ上拉電阻接DHT21的DATA，用于讀取溫濕度數(shù)據(jù)。NRF9E5的MOSI、MISO、SCK、EECSN分別接至25AA320的SI、SO、SCK、CS。25AA320為32K－ｂ E2PROM程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)用戶編寫的程序。25AA320的（HO1D）腳為輸入保持線，經(jīng)10KΩ電阻接到＋3.3V電源，25AA320的（ＷP）腳為狀態(tài)寄存器寫保護(hù)，經(jīng)100KΩ電阻接地。當(dāng)NRF9E5系統(tǒng)上電或程序復(fù)位時(shí)，初始裝載程序?qū)⒁龑?dǎo)系統(tǒng)通過SPI接口將25AA320E2PROM中用戶程序調(diào)入內(nèi)部4K的RAM中，然后系統(tǒng)根據(jù)調(diào)入到RAM中的程序運(yùn)行。
匯聚點(diǎn)電路。該電路同樣使用NRF9E5芯片，與溫度照度記錄儀的測(cè)點(diǎn)電路不同點(diǎn)在于：去掉外接DHT21溫濕度傳感器，增 加MAX3232串口電路，電源采用AMS11７。MAX3232供電范圍為2.5～5.5V，其作用用于將匯聚點(diǎn)接收的溫濕度數(shù)據(jù)通過串口通信傳送到電腦上位機(jī)進(jìn)行處理。AMS11７其作用用于將外部直流輸入4.8～6.5V轉(zhuǎn)化為3.3V給系統(tǒng)供電。溫度照度記錄儀的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后主程序首先完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，然后點(diǎn)亮1ED 10MS表示系統(tǒng)初始化完成，接著讀取DHT21溫濕度數(shù)據(jù)，完成校驗(yàn)后，程序通過TX＿EN置高電平激活NRF905進(jìn)行發(fā)送，直至一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。其中RAC－SN＝0使能SPI口，然后SPI口將接收節(jié)點(diǎn)的地址寫入NRF905，接著將有效數(shù)據(jù)寫入NRF905，然后設(shè)置TX＿EN置高電，延時(shí)1MS左右待1ｂ數(shù)據(jù)發(fā)送完畢TRX＿CE拉低結(jié)束發(fā)送。溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)程序流程。
匯聚點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后主程序首先完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，同樣用1ED點(diǎn)亮10MS表示系統(tǒng)初始化完成，接著通過TRX＿CE置高，TX＿EN置低電平激活NRF905進(jìn)行接收，當(dāng)NRF905接收到有效數(shù)據(jù)包（CRC校驗(yàn)正確時(shí)），NRF905去掉前導(dǎo)碼、地址、CRC位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR被置高電平，然后RACSN置低使能SPI口，MCU通過SPI口讀出數(shù)據(jù)，然后設(shè)置RACSN置高，TRX＿CE置低電平，并將接收到數(shù)據(jù)通過串行接口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理。匯聚點(diǎn)程序流程。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度記錄儀上位機(jī)軟件是在VB6.0中文版環(huán)境下設(shè)計(jì)調(diào)試完成的。匯聚點(diǎn)收到的溫濕度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地通過串口傳送給PC。PC響應(yīng)ONCOMM事件，并在事件的處理程序中將數(shù)據(jù)處理后送VＢ的MSF1EXGRID控件顯示，同時(shí)保存在設(shè)定的文件中。
本系統(tǒng)主要對(duì)通信的成功率做了測(cè)試。測(cè)試時(shí)間2012年6月22日，測(cè)試地點(diǎn)陜西理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)開機(jī)后，上位機(jī)軟件在50M范圍內(nèi)均能正確接收到來自溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)來的溫濕度數(shù)據(jù)。測(cè)量溫濕度數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)運(yùn)行正常，NODE001、NODE002分別為溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)無線溫濕度監(jiān)測(cè)的需要。
溫濕度記錄儀由溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)和匯聚點(diǎn)組成。溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的作用是檢測(cè)溫濕度，并將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚點(diǎn)。它由NRF9E5、傳感器模塊、存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。匯聚點(diǎn)的作用是接收監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過RS232串行接口傳送到PC。它由NRF9E5、存儲(chǔ)模塊、MAX3232構(gòu)成。射頻傳輸芯片NRF9E5是一款內(nèi)嵌8051的無線傳輸芯片。它的主要指標(biāo)：內(nèi)置NRF905收發(fā)器，傳輸頻率可調(diào)（433／868／915MHZ）；輸出功率為－20～10DBM，可通過軟件編程控制其傳輸輸出功率；具有載波監(jiān)聽功能，具有自動(dòng)地址檢測(cè)匹配功能；低電壓工作方式，電源供電范圍為1.9～3.6V，具有內(nèi)部電源管理器；封裝為32PIN QFN 5×5MM。與通用80C51不同，NRF9E5內(nèi)嵌處理器的存儲(chǔ)單元比較特殊，它是由一塊與80C52兼容的256ｂRAM和512bROM及一個(gè)4K的RAM組成。512ｂ的ROM中包含一個(gè)初始裝載程序，當(dāng)系統(tǒng)上電或程序復(fù)位時(shí)，這個(gè)初始裝載程序?qū)⒁龑?dǎo)系統(tǒng)通過SPI接口將用戶編寫的放在一塊外部串行EEPROM程序存儲(chǔ)器中的程序調(diào)入內(nèi)部4K的RAM中，然后系統(tǒng)根據(jù)調(diào)入RAM中的程序運(yùn)行。
溫濕度傳感器溫濕度傳感器采用的是DHT21。DHT21是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器。傳感器包括一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電容式感濕元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。DHT21采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20M以上。傳感器供電范圍為3.3～5V。傳感器為4針單排引 腳封裝，其 管腳 分 別 為：VDD、DATA、ＧND、NC。溫濕光三參數(shù)記錄儀的硬件電路溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)電路。該電路使用NRF9E5芯片，外接DHT21溫濕度傳感器、25AA320E2PROM用戶程序存儲(chǔ)器。NRF9E5電路采用單端連接50Ω天線通過使用差分單端匹配網(wǎng)絡(luò)。NRF9E5的P00接發(fā)光二極管1ED經(jīng)1KΩ上拉電阻接＋3.3V電源，1ED用于表示發(fā)送狀態(tài)，每發(fā)送1ｂ數(shù)據(jù)1ED點(diǎn)亮20MS；NRF9E5的P0７經(jīng)1KΩ上拉電阻接DHT21的DATA，用于讀取溫濕度數(shù)據(jù)。NRF9E5的MOSI、MISO、SCK、EECSN分別接至25AA320的SI、SO、SCK、CS。25AA320為32K－ｂ E2PROM程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)用戶編寫的程序。25AA320的（HO1D）腳為輸入保持線，經(jīng)10KΩ電阻接到＋3.3V電源，25AA320的（ＷP）腳為狀態(tài)寄存器寫保護(hù)，經(jīng)100KΩ電阻接地。當(dāng)NRF9E5系統(tǒng)上電或程序復(fù)位時(shí)，初始裝載程序?qū)⒁龑?dǎo)系統(tǒng)通過SPI接口將25AA320E2PROM中用戶程序調(diào)入內(nèi)部4K的RAM中，然后系統(tǒng)根據(jù)調(diào)入到RAM中的程序運(yùn)行。
匯聚點(diǎn)電路。該電路同樣使用NRF9E5芯片，與溫度照度記錄儀的測(cè)點(diǎn)電路不同點(diǎn)在于：去掉外接DHT21溫濕度傳感器，增 加MAX3232串口電路，電源采用AMS11７。MAX3232供電范圍為2.5～5.5V，其作用用于將匯聚點(diǎn)接收的溫濕度數(shù)據(jù)通過串口通信傳送到電腦上位機(jī)進(jìn)行處理。AMS11７其作用用于將外部直流輸入4.8～6.5V轉(zhuǎn)化為3.3V給系統(tǒng)供電。溫度照度記錄儀的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后主程序首先完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，然后點(diǎn)亮1ED 10MS表示系統(tǒng)初始化完成，接著讀取DHT21溫濕度數(shù)據(jù)，完成校驗(yàn)后，程序通過TX＿EN置高電平激活NRF905進(jìn)行發(fā)送，直至一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。其中RAC－SN＝0使能SPI口，然后SPI口將接收節(jié)點(diǎn)的地址寫入NRF905，接著將有效數(shù)據(jù)寫入NRF905，然后設(shè)置TX＿EN置高電，延時(shí)1MS左右待1ｂ數(shù)據(jù)發(fā)送完畢TRX＿CE拉低結(jié)束發(fā)送。溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)程序流程。
匯聚點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后主程序首先完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，同樣用1ED點(diǎn)亮10MS表示系統(tǒng)初始化完成，接著通過TRX＿CE置高，TX＿EN置低電平激活NRF905進(jìn)行接收，當(dāng)NRF905接收到有效數(shù)據(jù)包（CRC校驗(yàn)正確時(shí)），NRF905去掉前導(dǎo)碼、地址、CRC位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR被置高電平，然后RACSN置低使能SPI口，MCU通過SPI口讀出數(shù)據(jù)，然后設(shè)置RACSN置高，TRX＿CE置低電平，并將接收到數(shù)據(jù)通過串行接口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理。匯聚點(diǎn)程序流程。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度記錄儀上位機(jī)軟件是在VB6.0中文版環(huán)境下設(shè)計(jì)調(diào)試完成的。匯聚點(diǎn)收到的溫濕度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地通過串口傳送給PC。PC響應(yīng)ONCOMM事件，并在事件的處理程序中將數(shù)據(jù)處理后送VＢ的MSF1EXGRID控件顯示，同時(shí)保存在設(shè)定的文件中。
本系統(tǒng)主要對(duì)通信的成功率做了測(cè)試。測(cè)試時(shí)間2012年6月22日，測(cè)試地點(diǎn)陜西理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)開機(jī)后，上位機(jī)軟件在50M范圍內(nèi)均能正確接收到來自溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)來的溫濕度數(shù)據(jù)。測(cè)量溫濕度數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)運(yùn)行正常，NODE001、NODE002分別為溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)無線溫濕度監(jiān)測(cè)的需要。
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