基于si4432的温湿度采集电路设计与实现大学学位论文.doc

信息工程学院本科毕业论文题 目基于Si4432的温湿度采集电路设计与实现诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文高灵敏度授时信号接收系统均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日杭州电子科技大学本科毕业设计摘 要 温湿度的自动测量和显示记录是工厂的一项常规监测项目。以往的人工采集数据占用人力资源，可靠性低，容易发生差错已经不适应工业化生产的要求了。一般的温湿度采集系统数据显示单调，缺乏支持各种PLC的通讯端口，而且温湿度采集模块布线繁琐且受原有车间布局的约束。本文采用目前应用广泛的ARM系列微处理器ATMEGA48作为平台的核心构建系统。发射板：温湿度采集器以ATMEGA88作为主控制芯片，采用数字温湿度传感器芯片SHTl0采集外界温湿度值。然后通过无线射频收发器SI4432将数据发送到发射板。接收板：以ATMEGA88作为主控制芯片使无线射频收发器SI4432所接收到的温湿度的数据显示在LCD1602显示屏上，省去了冗长且铺设不便的通讯电缆。本项目的硬件设计任务包括：设计目标，主机以及温湿度采集模块的器件选型以及原理图设计，PCB板的设计指示，测试以及调试。关键词：ATMEGA48；SHT10；SI4432；LCD1602ABSTRACTThe automatic-measure and the records display of temperature and humidity is one of the conventional monitoring projects in the factory. In the past, people collected data themselves. In this way, it needed much human resource with low reliability. Of course error is easy to happen. So this way was not fit to the requirements of industrial production. General temperature and humidity collection system display data monotonous and short of history data. Many of these systems also dont support the communication with most of PLC. Furthermore, temperature and humidity collection module is difficult to layout as too many linesIt is restricted by the placement of plant alsoThis paper utilizes ARM micro-processorATMEGA48as the core ofthe platform to buildup system, which is applied widely at present.Transmitter board: temperature and humidity logger ATMEGA88 as the main control chip, digital temperature and humidity the sensor chip SHTl0 acquisition outside temperature and humidity valued. Then through the radio frequency transceiver SI4432 data will be sent to launch plate. Receiving plate: ATMEGA88 the wireless RF transceiver as the primary control chip SI4432 received by the temperature and humidity data LCD1602 display, eliminating the a lengthy and laying inconvenience communication cable. The hardware design tasks of the project include: design goals, the host, as well as temperature and humidity acquisition module device selection and schematic design, PCB board design instructions, testing, and debugging.Key words：ATMEGA48；SHT10；SI4432；LCD1602目 录1 引言12 概述22.1 无线温湿度采集概述22.2 本设计方案思路42.3 研发方向和技术关键43 总体设计73.1电源模块73.2微控制器系统83.3无线温湿度检测系统84 硬件设计104.1 电源转换104.2 微控制器系统114.3 温湿度采集模块144.4 无线收发模块185软件设计215.1 总方案流程215.2 程序流程图215.3 模块说明226 制作与调试246.1 PCB制作与程序编写246.2 系统调试256.3 其他277结束语28致谢29参考文献29附录一30附录二32附录三341 引言温度和湿度与工农业及人民的普通生活有着密切联系。比如仓库储藏的食品，农作物的生长等都会受温湿度变化的影响；工业中精密仪器，半导体器材都会因温湿度值过大而性能降低。随着人们生活水平的越来越高，对室内的温湿度实时监控要求也越来越高。所以，对温湿度采集的研究具有促进生产进步、农业丰收、提高人民生活质量的现实意义。温湿度测量是现代测量新发展出来的一个领域，尤其湿度的测量更是不断前进。经历了长度法、干湿法直至今天的电测量的历程，使湿度测量技术日渐成熟。时至今日，由于我们不再满足于温湿度的测量，尤其是一些场所的监控直接要求实时记录其全过程温湿度变化，并依据这些变化认定储运过程的安全性，导致了新的温湿度测量仪器温湿度记录仪的诞生。温湿度记录仪是将温湿度参数进行测量并按照预定的时间间隔将其储存在内部存储器中，在完成记录功能后将其联接到PC机。随着需求的提高,对数据采集的要求也越来越严格。作为获取信息最直接、最基础的方式,数据采集技术水平的高低已成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。数据采集器利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制,直接应用于与测量和控制密切联系的领域,其性能好坏直接影响到系统的最终性能。我查找出了一些案例是用ZigBee无线技术，ZigBee是一种近距离、低繁琐度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。案列：采用ZigBee技术提出一种无线传感器系统方案，设计并实现ZigBee的无线数据传输，采用首个符合ZigBee标准的CC2430射频芯片作为传感器节点的数据采集。在IAR开发环境下编写和编译传感器节点程序，实现了无线传感器网络采集温湿度信号及传感器节点之间的数据传输功能. 虽然国内外探测温湿度的仪器已是种类繁多，各式各样，但用于各种场合的需要，及其对探测成本的限定，使得有些场合仍不能有一套属于自身的温度探测系统。因此我选择了基于Si4432的温湿度采集电路设计与实现作为毕业设计的课题。测量板采集SHT10温湿度传感器数据，通过Si4432无线模块发送到接收板上，接收板接收到温湿度数据后，通过液晶屏显示。2 概述2.1 无线温湿度采集概述无线温湿度采集系统是一种基于射频技术的无线温湿度检测装置，其工作原理：系统由发射板和接收板，以及显示芯片组成。发射板部分由数字温湿度度传感器芯片SHT10，单片机ATMEGA48，无线射频芯片SI4432等组成。发射板采用电源供电，接收板接收来自发射板的温湿度数据，经过处理、保存后在LCD1602上显示。单片机对SI4432 的对外接口进行SPI 读写操作，以此来控制SI4432的工作模式以及相关收发数据的操作，从而完成无线数据传输。 SI4432温湿度 M 433MHZ M 传感器 C 无线发射 无线接收 C 液晶显示 电源 U 电源 U 采集模块 接收模块图2-1 无线温湿度采集原理框图2.1.1 ARM的结构和发展趋势 RISC体系结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：将指令长度固定，指令格式和寻找方式种类减少：以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。到目前为止，RISC体系结构也还没有严格的定义，一般认为，RISC体系结构应具有如下特点：采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有23种；使用单周期指令，便于流水线操作执行；大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组(BANK)，这些寄存器包括：31个通用寄存器，包括程序计数器(PC指针)，均为32位的寄存器。6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分。同时，ARM处理器又有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器(R0R14)、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。2.1.2 RF射频通讯的发展及现状射频(简称RF)射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。有线电视系统就是采用射频传输方式的。在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交叉的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于lOOkhz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，在电磁波频率高于lOOkhz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波成为射频，英文缩写：RF。将电信息源(模拟或数字的)用高频电流进行调制(调幅或调频)，形成射频信号，经过天线发射到空中；远距离将射频信号接收后进行反调制，还原成电信息源，这一过程称为无线传输。无线传输发展了近二百年，形成了大量的用户和产品群，但是，由于气候的变化和地表障碍物的影响，不能传输完美的信息。近代人类发明了廉价的高频传输线缆(射频线)，为了追求完美的信息传输质量，兼顾原有的无线设备，无线方式有线传输开始流行。产生了射频传输这一概念。如果信息源经过二次调制，用线缆传输到对端，对端用反调制将信息源还原后再应用，不管频率多低，也是射频传输方式，如果没有调制反调制过程，只是将信息源用线缆传送到对端直接使用，不管频率有多高，都是一般的有线传输方式。射频技术在现代科技领域内有着极为广泛的应用，与人们的生活息息相关。手机，蓝牙设备，无线路由器，无线网卡，电子标签(公交IC卡)等等都时刻影响着我们的生产和生活。给人们的生活带来便利的同时，射频技术自身也在不断发展完善，以适应新的市场及技术需求。2.1.3温湿度传感器在物联网和消费电子领域中的应用趋势温湿度传感器在物联网和消费电子领域中的应用趋势: 智能手机、平板电脑等移动设备的发展愈发快速，这里面少不了各种传感器的支持。现在这些消费电子产品中普遍包含的传感器有加速度传感器、陀螺仪等，其实温湿度传感器在里面也有很好的应用。目前，阻碍智能手机厂商采用温湿度传感器的主要原因，可能并非来自传感器本身。怎样使其转化为手机用户的有利信息成为应用的关键。在日本，针对温湿度传感器的应用开发已经走在了前列。在国内，包括海尔、联想在内的手机厂商也开始了一些尝试，针对农村市场已经推出了可以显示温湿度的手机，可以帮助农民更便捷地了解气候变化。未来我们还可能在一些针对老人的手持设备中加入温湿度传感器，提醒他们及时补充水分和调节空间温湿度。在消费电子领域，温湿度传感器的传统应用是天气预报以及室内监测。用于消费类电子产品上的温湿度传感器精度可能并不需要达到那么高，5%湿度精度、0.5温度精度已经可以满足客户需求。随着传感器价格的持续降低，相信未来不只是高端手机，包括中、低端的智能手机都会考虑加入这一功能。 物联网方面，客户希望一块纽扣电池可以为传感器供电达4年之久，另外多种传感器的组网和无线传输方式也是一个问题。仓储运输、物流监控等领域将是温湿度传感器重点推广领域。有数据统计，与欧美相比中国的食品运输缺乏监控措施，采用温湿度传感器对运输中的食品进行监控可以有效帮助降低食品运输中的损失。未来的温湿度传感器市场尤其是在消费电子及物联网等领域拥有广阔前景。2.2 本设计方案思路基于SI4432的温湿度采集，主要包括以下几部分：前端温湿度传感器SHT10、微控制器、前端传送部分、无线传输线路SI4432、接收端、液晶屏显示系统。硬件方面：1.发射板：需要设计好SHT10温湿度传感器与单片机的接口，SI4432无线传输与单片机的接口；2.接收板：SI4432无线传输与单片机的接口，LED1602液晶显示与单片机的接口。软件反面，要初始化SHT10和LCD1602液晶，单片机发送指令到传感器及LCD1602液晶，以及从传感器接受数据，并将数据无线发送到接收板，然后液晶显示所测的当前温湿度数据。技术指标：（1）工作频率：433MHz；（2）无线传输距离：>200m。主要问题有两部分：首先是硬件电路，包括SHT10和ATMEGA48的接口以及单片机的其他相关电路，使用PCB设计电路元器件图以及PCB板，并最终焊接好电路。此部分要成电路方面的设计和实际焊接。其次是软件部分，主要分两部分：第一部分（发射板）完成ATMEGA48通过对SHT10的控制，并且对SI4432无线芯片的控制将数据发射到接收板上；第二部分（接收板）完成ATMEGA48对SI4432无线芯片所接收到的数据然后传输到液晶屏LCD1602并显示出来。此部分主要完成程序编写的任务。2.3 研发方向和技术关键2.3.1 研究内容发射板以单片机ATMEGA48为主控芯片，对SHT10温湿度数据的读取，再通过Si4432无线芯片把数据发射到另外接收板。接收板以单片机ATMEGA48为主控芯片，对Si4432无线芯片所接收到的数据的读取，再通过LCD1602液晶显示屏显示数据。MCU读取温湿度传感器数据，显示实时温度、实时的湿度。2.3.2 要解决的问题（1）基于SI4432的温湿度采集电路设计与实现最关键部分是如何把SHT10温湿度检查芯片上的数据转换到显示屏上面还有就是SI4432无线发射接收的一个稳定性。（2）接收天线是接收系统的最前端，直接影响着接收机的接收灵敏度和后端的解调处理，它的制作至关重要。由于天线已从硬件方面最大限度地提高了接收灵敏度，所以若要进一步提高接收系统的性能，则需在软件上进行技术完善。（3）用单片机编程实现对温湿度采样模块的控制。（4）由于液晶显示模块、温湿度测量模块的工作周期不同，需合理调整程序，实现实时显示。（5）PCB制作布局要解决数模混合电路的布线、电源模块的制作与滤波问题。313 总体设计SI4432是一种无线射频收发芯片，其工作原理是将发射板上的温湿度度传感器SHT10芯片所采集到的温湿度数据发射到接收板上的SI4432芯片，通过MCU对数据的调用在LCD1602上显示当前的温湿度数据无线温湿度检测的测量板框图如图3-1所示。该系统包括电源模块、MCU控制模块、温湿度检测模块、数据发送模块、按键控制模块等电路组成。图3-1 温湿度测量板无线温湿度检测的接收显示板框图如图3-2所示。该系统包括电源模块、MCU控制模块、数据接收模块、液晶显示模块、按键控制模块等电路组成。图3-2 接收显示板3.1电源模块微处理器ATMEGA48、液晶LCD1602、温湿度传感器SHT10三种集成芯片的供电电压是5V，SI4432无线射频收发芯片的供电电压是1.8V3.6V。为了使芯片能正常工作并且提高信号接收灵敏度，可将信号接收IC的供电电压降为3.3V。同时要进行有效的滤波，减少市电中的谐波对系统的不良干扰和影响。3.2微控制器系统 微控制器系统主要由MCU系统、按键控制电路、液晶显示电路组成，当MCU正确读取了温湿度传感器的数据并通过SI4432无线射频芯片发送到接收显示板后，就会在接收板上的液晶显示屏LCD1602中进行显示。同时微处理器内部写有定时发送无线数据程序，每过1s发送一次数据，使得使用更加合理。3.3无线温湿度检测系统许多场合都要对温度进行监测和控制。比如现代电力系统向着高电压大机组、大容量的方向发展，对电力系统供电可靠性的要求越来越高，由于绝大多数的电力设备长期在高电压、大电流和满负荷的条件下运行，导致热量集结加剧，如果不对温度的变化采取有效的监测措施，将会危及电力设备的安全运行。基于以上背景，提出一种基于ATMEGA48单片机的数据采集及无线收发系统的设计方法。无线收发部分，采用Silicon Labs公司推出的SI4432无线收发器实现数据的无线传输，使得数据采集更加具有实时性。该系统硬件结构由少量的外部设备、无线数据传输模块，以及供电电路组成。无线数据传输模块基于低功耗单片射频收发芯片SI4432，采用具有8K系统内可编程FLASH的8位AVR微控制器ATMEGA48为主处理芯片,完成数据的处理和控制。 4 硬件设计4.1 电源转换 本无线温湿度检测系统有两种供电电平，一是5V，主要供给液晶LCD1602等集成器件工作；二是3.3V，主要供给无线射频收发芯片SI4432 、ATMEGA48单片机、温湿度传感器SHT10模块工作。4.1.1 5V电平的获取5V电压直接由外界电源输入，由于一般的电源模块质量参差不齐，故在电源输入端采用的大小电容并联滤波结构。大电容起到稳压作用、并且能滤除低频干扰信号；小电容主要起到滤除高频干扰信号。两者互补，获得较大滤波频段。电路原理如图4-1所示。 图4-1 5V电源滤波电路4.1.2 3.3V电平的获取一般来说，由5V获取3.3V电压有很多种方法，比较常用的是：一、采用低压差线性稳压器，如AMS1117-3.3（模块本身可适应较宽范围的供电电压）。二、采用齐纳二极管和电阻做成的简单降压系统。三、采用最简单的电阻分压式法。方案一：AMS1117是一个低漏失电压调整器,它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的,漏失电压定义为:VDROP = VBE+VSAT。AMS1117有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是：1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、和5.0V。片内过热切断电路提供了过载和过热保护,以防环境温度造成过高的结温。为了确保AMS1117的稳定性,对可调电压版本,输出需要连接一个至少22F的钽电容。对于固定电压版本，可采用更小的电容，具体可以根据实际应用确定。通常，线性调整器的稳定性随着输出电流增加而降低。方案二：齐纳二极管 (又叫稳压二极管)，此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻值区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，由于这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。方案三：回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时（如：测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路），即大范围内测量时，必须采用分压接法。经过比较，第一种采用低压差线性稳压器，是最适合本系统的。故采用AMS1117-3.3获取3.3V电压，如图4-2所示。 图4-2 5V-3.3V电平转换电路4.2 微控制器系统4.2.1 MCU系统本系统核心控制器是ATMEGA48。因为本系统的电源供电是3.3V，而这款单片机可以达到这一要求，IO输出可以直接方便的连接无线模块，而且ATMEGA48功耗低，可以节约系统的电量。ATMEGA48是高性能、低功耗的8位AVR®微处理器，其特性：先进的RISC结构：131条指令大多数指令的执行时间为单个时钟周期；32x8通用工作寄存器；全静态操作；工作于16MHz时性能高达16 MIPS；只需两个时钟周期的硬件乘法器。非易失性的程序和数据存储器：4字节的系统内可编程Flash擦写寿命: 10000次；具有独立锁定的可选Boot代码区，通过片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时读写操作；256字节的EEPROM 擦写寿命:100000次；512字节的片内SRAM；可以对锁定的进行编程以实现用户程序的加密。外设特点：两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；具有独立振荡器的实时计数器RTC；六通道PWM；8路10位ADC(TQFP与MLF封装)；6路10位ADC(PDIP封装)；可编程的串行USART 接口；可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；面向字节的两线串行接口；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器；引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU。特殊的微控制器特点：上电复位以及可编程的掉电检测；经过标定的片内RC振荡器；片内/外中断源；五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby 模式。I/O口与封装：23个可编程的I/O口线；32引脚TQFP封装与32引脚MLF封装。极低功耗ARMEGA48可以采用ISP方式下载程序。而采用这种下载方式，我们可以在不拆下单片机的情况下更新程序，极其方便。因此可在小系统电路设计上添加DH_10牛角座电路，充当ISP下载接口。 ATMEGA48系统，如图4-3所示。图4-3 ATMEGA48系统电路4.2.3液晶显示模块采用显示模块好处是良好的人机交互界面可以为产品的使用带来方便，特别是本系统，信息显示是必须的功能。常见的显示电路有数码管电路，LED点阵屏，液晶显示器。第一类是LED数码管。它实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个LED。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。一般情况下，单个发光二极管的管压降为0.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。第二类是LED点阵屏，它是由几万至几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成的。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂。以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。液晶显示器能显示字符和汉字。用 LCD 显示一个字符原理如下，因为一个字符由 6×8 或 8×8 点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。典型的字符型液晶有1602液晶。汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加 1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到所有的点阵码显示完就可以 LCD上得到一个完整汉字，常见的如12864液晶,5110液晶都能显示汉字。 由于本系统是便携式设备，功耗要求严格，显示的内容较多，故选择液晶类显示器为比较好的选择。同时由于只需显示字符和数字，故采用应用广泛的LCD1602液晶。电路图如4-4所示。图4-4 LCD1602电路原理图 LCD1602是一种用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器。其内部1602液晶模块的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。顺序与ASCII码一致，所以1602能识别ASCII码。 4.3 温湿度采集模块4.3.1温湿度采集芯片的选择本系统的重要扩展功能就是温湿度的采集。温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。选择温湿度传感器芯片时，一般都选择SHT10温湿度传感器，DHT11数字温湿度传感器，SHTl5单片、多用途的智能温湿度传感器。选择一：DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。选择二：SHTl5属单片、多用途的智能温湿度传感器。它将温度和湿度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通信接口、数字校准全部集成到个高集成度、体积极小的芯片当中，实现了温湿度传感器的数字式输出、且免调试、免标定、免外围电路，便于实现系统集成，适配各种单片机构成相对湿度温度检测系统。极大方便了温湿度传感器在嵌入式测控领域的应用，因而该传感器在数字式温湿度测控领域有着广泛的应用前景。选择三：SHT10属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens® 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14 位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP 内存中，用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使SHT10成为各类应用的首选。表4-1是三种温湿度采集芯片数据参照表。型号参数DHT11SHT10SHT15测量范围2090RH0500100RH-40123.80100RH -40123.8测湿精度±5RH±4.5RH±2RH测温精度±2±0.5±0.3供电电压3-5.5V2.4-5.5V2.4-5.5V表4-1温湿度采集的芯片的对比4.3.2 SHT10与微控制器的连接SHTl0与微控制器的连接，即为SHTl0的串行接口电路与微控制器的连接。SHTl0与微控制器的接口连接图，如图4-5所示。图4-5 接口连接图串行时钟输入(SCK)：SCK用于微控制器与SHTl0之间的通信同步。由于接口包含了全静态逻辑，因而不存在最小的SCK频率限制。即微控制器可以以任意慢的速度与SHTl0通信。串行数据(DATA)：DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。在微控制器向SHTl0传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻将信号拉至高电平。4.3.3 SHT10的测量时序微控制器用一组“启动传输”时序来发起一个通信过程。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平。在DATA为低电平期间，SCK变为低电平，再翻转为高电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平,如图4-6所示。 图4-6 SHT10启动传输时序图在“启动传输”时序之后，微控制器可以向SHTl0发送命令。命令字节包括高3位的地址位(目前只支持000)和低5位的命令位。00000101表示相对湿度测量，00000011表示温度测量。SHTl0通过在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA拉低来指示正确接收到命令。在第9个SCK时钟的下降沿之后，SHTl0释放DATA线。微控制器在发布一组湿度或者温度测量命令后，需要等待测量的结束。SHT10通过将DATA线拉低表示测量的完成，并且自动进入空闲状态。在重新启动时钟线读取测量结果之前，微控制器必须等待这个测量结束信号出现在数据线上。在被读取之前，测量结果存储在SHTl0内部的存储器内，这样使得微处理器可以继续执行其他任务，在方便的时候再来读取测量结果。在SCK线重新启动之后，2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验将被传送。校验字节保证任何通信错误都将被检测并且被清除掉。微控制器需要通过下拉DATA为低电平以确认每个字节。所有的数据都是从最高位开始传输，右对齐，左边补0。CRC校验字节后的确认位表示通信结束。如果不使用CRC校验位，微控制器可以在测量数据的最低位后通过保持确认位为高电平来终止通信。SHTl0完整的测量时序由启动传输时序、发布命令、等待测量完成、读回数据这4个部分组成。此外，如果微控制器与SHTl0的通信中断，可以用复位时序来复位SHTl0的串行接口。复位时序如图4-7所示。当DATA保持高电平时，触发SCK时钟9次或更多，在下一个命令之前，发送一个“启动传输时序”。 图4-7 通信复位时序4.3.4 信号转换4.3.4.1相对湿度湿度的非线性补偿请参阅图4-8为获得精确的测量数据，建议用以下公式进行信号转换。公式中的参数见表4-2： SORHC1C2C312bit-2.04680.0367-1.5955E-68bit-2.04680.5872-4.0845E-4 表4-2经过优化的公式参数 图4-8 从SORH到相对湿度的转化4.3.4.2湿度信号的温度补偿由于实际温度与测试参考温度25(77)的显著不同，湿度信号需要温度补偿。温度校正粗略对应于0.12%RH/50%RH，温度补偿系数请参阅表4-3。 SORHt1t212bit0.010.000088bit0.010.00128表4-3温度补偿系数4.3.4.3 温度由能隙材料PTAT (正比于绝对温度) 研发的温度传感器具有极好的线性。可用如下公式将数字输出(SOT)转换为温度值，温度转换系数请阅表4-4。 VDDd1 (°C)d2(°F)5V-40.1-40.24V-39.8-39.63.5V-39.7-39.53V-39.6-39.32.5V-39.4-38.9SOTd1 (°C)d2(°F)14bit0.010.01812bit0.040.072表4-4温度转换系数经过对本系统中三种传感器的相比之下，SHT10温湿度传感器具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。非常适合使用在本系统中，故选择SHT10作为系统中温湿度采集模块的核心器件。电路原理图如4-9所示。图4-9 SHT10电路原理图4.4 无线收发模块4.4.1 无线收发芯片的比较本系统的无线收发模块是采用SI4432无线射频收发芯片，虽然芯片是课题规定的，但我也跟一些其他的无线收发芯片做了简单的比较，例如：CC100无线收发芯片；nRF401无线收发芯片；SI4432无线收发芯片。CC1000采用锁相环技术，发射频率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为300l000MHz，适合应用跳频协议，一般可配出10或20个频点，该芯片灵敏度为-109dBm，并可自动校准，可编程输出功率为-20dBm+10dBm，通信速率可达78.6Kbps。nRF401是Nordic公司研制的单片HF无线收发芯片，工作在433MHZISM频段。它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为-105dBm，数据传输速率可达20Kbps，工作电压在+35V之间