溫濕度的測量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大棚管理，倉庫糧食存儲管理，生產(chǎn)制造行業(yè)，氣象觀測，恒溫恒濕的空調(diào)房科研及日常生活中被廣泛應(yīng)用。可以說溫濕度是影響日常的生產(chǎn)生活以及科研的一個很重要的因素。目前我國許多領(lǐng)域例如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等仍采用測溫儀器與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，這不僅效率低，而且會由于判斷失誤和管理不力造成很多嚴(yán)重?fù)p失。
系統(tǒng)以自帶SPI和兩線串行接口的低功耗單片機(jī)ATmega16L為控制芯片，采用nRF905芯片組成的無線收發(fā)節(jié)點，利用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11完成對環(huán)境的溫濕度測量系統(tǒng)。同時該系統(tǒng)留出MAX232接口以方便與PC機(jī)通訊，實現(xiàn)溫濕度的實時顯示以及監(jiān)測功能。
1系統(tǒng)描述
如圖1，圖2所示為低功耗溫濕度無線測量系統(tǒng)的發(fā)送和接收模塊的框圖。
其中圖1為無線發(fā)送模塊，以Atmega16L為主控制核心，控制溫濕度傳感器SHT11采集環(huán)境的溫濕度，然后利用NRF905無線傳輸模塊將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給溫濕度測量無線接收模塊進(jìn)行相應(yīng)處理。
圖2為溫濕度測量無線接收模塊，以Atmega16L為主控制核心，利用NRF905無線傳輸模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)，然后利用MAX3232上傳給PC機(jī)，利用相關(guān)上位機(jī)軟件實時監(jiān)測。
2硬件電路設(shè)計
2.1 3.3 V供電電源模塊
本設(shè)計所需的電壓為3.3 V，故采用LM1117-3.3電源供電系統(tǒng)，如圖3所示。無線發(fā)送模塊以及溫濕度測量模塊使用的器件皆為低功耗器件。對發(fā)送端而言，可以采用5 V電池供電，很適合在野外等環(huán)境進(jìn)行溫濕度測量采集。而接收端可以采用5 V開關(guān)電源供電。其核心部件LM1117-3.3是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。壓差在1.2 V輸出，此時相應(yīng)的負(fù)載電流為800 mA。
2.2單片機(jī)控制電路
本設(shè)計采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16L作為控制芯片。
首先對于ATmega16L具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，是具有最高M(jìn)IPS／mW能力的8位單片機(jī)。此外它還具有512 B的E2PROM，可在掉電時存儲用戶信息，并采用FLASH存儲技術(shù)，可使單片機(jī)的內(nèi)部存儲單元能夠在線重復(fù)擦寫1 000次以上。
其次，Atmega16L的工作電壓范圍為2.7～5.5 V，具有睡眠模式，空閑模式，掉電模式以及省電模式，這些多樣的模式也使得Atmega16L成為低功耗產(chǎn)品的最佳控制芯片之一。
最后，Atmega16L提供二線數(shù)字串行接口SDA和SCL，接口簡單。支持主機(jī)和從機(jī)操作器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式，并且支持多主機(jī)仲裁。
2.3無線收發(fā)模塊
無線收發(fā)芯片采用挪威Nordic公司的單片無線收發(fā)器芯片NRF905。工作電壓為1.9～3.6 V，工作于433／868／915 MHz三個ISM頻道，最大數(shù)據(jù)速率為100 Kb／s。芯片內(nèi)部集成了頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器。其主要特點是能夠自動處理報頭和CRC冗余校驗，而且可以直接通過 SPI接口來進(jìn)行軟件配置。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11 mA，工作于接收模式時的電流為12.5 mA，并內(nèi)建有空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。
NRF905的應(yīng)用電路如圖4所示。電路主要利用NRF905與外圍器件構(gòu)成的電路組成無線發(fā)送接收電路，圖4展示的是用NRF905差分連接的環(huán)形天線圖。其中，NRF905模塊的SPI接口引腳MOSI，MISO，SEK引腳分別接Atmega16L的SPI接口引腳：PB5(MOSI)，PB6(MISO)，PB7(SCK)。NRF905的 SPI接口工作于從機(jī)模式，并且利用環(huán)形天線發(fā)射信號。
為了充分利用能量，NRF905分別設(shè)定了兩種工作模式和兩種節(jié)能模式，分別由TRX_CE，TX_EN和PWR_UP三個引腳決定。因此，設(shè)計使用Atmega16L的PA2～PA7連接至NRF905的控制檢測，用于切換模式以及配合通信。表1為NRF905的工作模式及相應(yīng)功能。
2.4溫濕度測量模塊
本設(shè)計的溫濕度測量所采用的是瑞士Sensiri2on公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器SHT11，SHT11可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換等特點。