东北电力大学本科毕业设计论文
第3章 系统硬件电路的设计
根据上一章所选的系统方案构想，下面进行系统硬件电路的具体设计，系统的总体结构框图如图 3-1 所示。
图 3-1 多点无线温湿度测量系统结构图
系统由温湿度数据采集模块、键盘显示驱动模块、数据上传等部分组成。一片 nRF24E1 无线收发模块作为下位机，与多片温度、湿度传感器组成温湿度采集网络，完成多点温度、湿度数据的采集和无线发送；另一片 nRF24E1 无线收发模块作为上位机，通过扩展显示、键盘、RS232 等接口模块，完成温度、湿度数据的接收、显示和上传。
3.1 温湿度采集部分电路设计
3.1.1 温湿度数据采集硬件接口电路
针对 nRF24E1 内置多路 A/D 转换器而 I/O 口线较少的特点，用多只DS18B20 型单线数字式集成温度传感器和 HM1500 型电压输出式集成湿度传感器组成多点温湿度采集网络。
图 3-2 温湿度采集网络框图
附图 1 给出了温湿度传感器数据采集部分的硬件接口电路原理图。下位机系统扩展了一片型号为25AA320的EEPROM，用于存储系统程序。电复位时，在引导区的引导下，通过 SPI 接口从 EEPROM 加载到 1 个4KB 的 RAM 中，这个 4KB
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的 RAM 也用来存储温湿度数据。
3.1.2 数字式温度传感器 DS18B20
单总线是美国 DALLAS 半导体公司近年推出的新技术，它只定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在适当的时间驱动它，相当于把单片机的地址线、数据线、控制线合为一根信号线对外进行数据交换。为了区分这些芯片，厂家在生产芯片时，为每个芯片编制了惟一的序列号，通过寻址就能把芯片识别出来。从而能使这些器件挂在一根信号线上进行串行分时数据交换，大大简化了硬件电路。因为它是数字输出，而且只占用一个 I/O 端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的 A/D 转换和较复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。 DS18B20 主要由四部分组成。 ①64位光刻 ROM 数据存储器 ②温度传感器
③非易失性电可擦写温度报警触发器 TH 和 TL ④非易失性电可擦写设置寄存器
每片 DS18B20 含有一个唯一的 64 位 ROM 编码。头八位是产品系列编码，表示产品的分类编号；接着的 48 位是一个惟一的产品序列号，序列号是一个 15 位的十进制编码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将其识别出来，最后 8 位是前 56 位的循环冗余(CRC)校验码，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。所以多片 DS18B20 能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。这为温度的多点测量带来了极大的方便。温度传感器的转换结果以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，其中第一个字节（Byte0）存放测温结果的低位（LS Byts），第二个字节（Byte1）存放测温结果的高位（MS Byts），S 为符号位，其它位为数据位，温度为负时 S=1；温度为正时 S=0。格式如下：
表 3-1 DS18B20 温度数据
温度转换结果以 16 位二进制方式单线输出, 转换的位数可通过写配置寄存器（字节 4）设定, 其格式如下：
表3-2DS18B20 配置寄存器
DS18B20 的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图 3-3 所示。DS18B20 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数，通过该计数值
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来测量温度。计数器被预置为与- 55℃对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度高于- 55℃，被预置在- 55℃的温度寄存器的值就增加一个增量，同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计数直至零，如果开门通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。这个值以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。温度值由主机通过发读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。
图 3-3 DS18B20 测温原理
3.1.3 集成湿度传感器 HM1500
HM1500 是法国 Humirel 公司于 2002 年推出的一种基于硬质封装的HS1101 湿敏电容的电压输出式集成湿度传感器。它将侧面接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中，集成度高，有很小的易于安装的接头，因此不需要外围元件，使用非常方便。其主要特点是采用恒压供电，输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，对温度的依赖性非常低，可靠性与长期稳定性高，互换性好，专利的固态聚合物结构，浸水无影响，长时间处于饱和状态后能快速脱湿，抗污染能力强。 HM1500 的工作原理
图3-4 HM1500 工作原理
HM1500 的输出电压与相对湿度的响应曲线如下图所示：
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图 3-5 HM1500 的输出电压与相对湿度的响应曲线
3.1.4 单片无线收发模块 nRF24E1
nRF24E1 是挪威 Nordic 公司 2003 年开发的一种嵌入了高性能单片机内核的高速单片无线收发模块。采用先进的 0.18μs CMOS 工艺、36 引脚 QFN 封装；以 nRF2401 芯片结构为核心，将射频发射、接收、GMSK调制、解调、增强型 8051 内核、9 输入 12 位 ADC、125 频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT 全部集成到单芯片中；内部有电压调节器（工作电压 1.9~3.6V）和 VDD 电压监视，通常开关时间小于 200μs，数据速率 1Mbps，输出功率 0dBm；不需要外接 SAW 滤波器，极少的外围电路，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界电磁干扰；工作在全球开放的 2.4GHz 频段、勿需申请通信许可证。
引脚功能： nRF24E1 有 11 个数字 I/O 引脚，由 P0 口（DIO2~DIO9）和 P1 口
（DIO0、DIO1、DIN0）组成，除了 DIN0 只能用于输入外，其余都是双向引脚，而且大部分数字 I/O 有复用功能。各引脚的复用功能如下表所示。
表 3-3 I/O 端口及复用功能
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