Open Journal of Circuits and Systems
Vol.1 No.1(2012), Article ID:9236,4 pages DOI:10.12677/ojcs.2012.11001
Laboratory Temperature and Humidity Monitoring System Research Based on nRF905
Guizhou University, Guiyang
Email: *616380096@qq.com
Received: Nov. 21st, 2012; revised: Dec. 18th, 2012; accepted: Dec. 25th, 2012
ABSTRACT：
This paper SHT11 digital temperature and humidity sensors as the foundation, the design with nRF905 wireless rf transmission module and AT89C51 single-chip microcomputer as the core by upper machine and lower machine two parts constitute a laboratory temperature and humidity monitoring system. This system and communication between a machine developed by the design of the RS-232 interface circuit. After testing experiments show that the system not only has high precision and easy to operate, and other characteristics and has good real-time and stability.
Keywords: SHT11; AT89C51; Communication; nRF905
基于nRF905的实验室温湿度监测 系统研究
郑慧娟*，雷 勇
贵州大学，贵阳
Email: *616380096@qq.com
摘 要：
本文以SHT11数字式温湿度传感器为基础，设计了以nRF905无线射频传输模块和AT89C51单片机为核心的由上位机和下位机两部分构成实验室温湿度监控系统。本系统的上下位机之间通信采用自行研制设计的RS-232接口电路。经过测试实验证明，该系统不仅具有精度高、操作方便等特点，而且具有良好地实时性与稳定性。
收稿日期：2012年11月21日；修回日期：2012年12月18日；录用日期：2012年12月25日
关键词：SHT11；AT89C51；通信；nRF905
1. 引言
温湿度一直以来都是影响实验结果的一个重要因素(例如，温湿度对力学性能试验机实验结果的影响)。因此，对实验室的温湿度进行合理有效的监测及控制，具有十分重要的意义，目前，我国大多数仍采用人工监测的方法，对温湿度检测的可靠性、实时性都很差。文献[1]提出了室温的多点测量方法，但是系统总体设计比较复杂，特别是与上位机之间的通信方面，本文以力学性能试验机实验室为对象，采用自行研制设计的RS-232通信电路来进行上位机间的通信。设计了基于nRF905的实验室温湿度监测系统。
2. 系统总体设计
温湿度检测系统主要由：温湿度传感器STH11；以AT89C51单片机为核心的控制器；无线收发器nRF905；LCD显示模块以及PC机等几部分构成。系统的总体结构图如图1所示。
数字式温湿度传感器STH11将采集到的温湿度
Figure 1. Overall system structure diagram
图1. 系统总体结构图
信号传递给AT89C51单片机，由LCD进行实时的显示以及通过nRF905传送到监控中心。
3. 系统关键部分设计
3.1. 温湿度采集模块设计
SHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的复合传感器。它应用专利的工业COMS过程微加工技术，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式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。其内部结构图如图2所示。
两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。SCK线为单片机与SHT11之间的同步通信串行时钟输入线，DATA线用于内部数据的输出和外部数据的输入。SHT11与AT89C51单片机的接口连接图如图3所示。
DATA线上加10 k的上拉电阻，这样可以确保测量结果的精确度。若增加检测点，只需增加对应的I/O口及对程序进行稍加修改便可实现，因此，扩展十分灵活。
3.2. 无线传输与显示设计
nRF905单片机无线收发器由一个完全集成的频调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器及晶体振荡器与调节器组成。nRF905是实现高效、可靠无线数据传输的重要环节[2-4]，nRF905与单片机的接口连接电路如图4所示。
图4中，将AT89C51单片机的P2.0~P2.2与nFR905的模式接口相连，P2.4~P2.6与nFR905的SPI接口相连，P3.2~P3.4与nFR905的状态接口相连[5-7]。其中PWR_UP、TRX_CE、TX_EN接口主要实现对nRF905的发射和接收等4种工作模式的控制，CSN、SCK、MOSI、MISO接口主要实现对nRF905的数据传输
Figure 2. SHT11 internal structure
图2. SHT11内部结构图
Figure 3. SHT11 and AT89C51 single-chip microcomputer interface connection diagram
图3. SHT11与AT89C51单片机的接口连接图
Figure 4. AT89C51 and nRF905 interface circuit
图4. AT89C51与nRF905接口电路
参数的设置和控制而AM、CD、DR状态接口中的AM接口用检测目的地址与本机地址是否相同，DR接口用于判断数据收发是否完成，CD接口用于nRF905的载波检测；系统的显示部分由性价比高、功耗低的LCD1602液晶显示模块组成，该模块的数据接口与AT89C51的P1口相连接，其中P1.2及P1.3分别用于控制液晶屏的读写操作，而温湿度数据通过D0~D7口并实时显示在液晶屏幕上[8]为了解现场的温单片机P0口的P0.0~P0.7分别传递到LCD1602的湿度情况提供了直观的观测手段。
3.3. RS-232无线通信设计
通常情况下，单片机与电脑的接口都是采用集成芯片MAX232，为了降低系统的设计成本，这里采用自行设计的分立元件来搭建RS232电平转换电路，该电路结构简单设计巧妙用三极管实现RS-232转TTL电路其电路图如图5所示。
该电路的工作原理如下：
1) 从TTL转为RS2323电平，其中二极管与电容的作用使得在二极管D1与电容C7交接处的电压保持在–3 V~–15 V。当TXD为“1”(TTL)时，Q3截止，PCRXD上的电压与PCTXD电压相等，也为–3V~–15 V，即“1”(RS232)当TXD为“0”(TTL)时，Q3导通，则PCRXD电压约为+5 V，这个电压在+3V~+15 V之间，根据RS232电平，它是“0”即TTL的“1”经过这个电平转换电路后，RS2323可以识别出它是“1”，还是“0”这就实现了从TTL到RS232的电平转换；
2) 从RS232转换为TTL电平，当PCTXD为“1”，即–3V~–15 V时，Q4截止，此时RXD电压约为5 V，即“1”，当PCTXD为“0”时，Q4导通，电压为0，即为“0”电平。这样就简单的实现从RS232到TTL的电平转换。电路中的D2是为了防止Q4的BE反向击穿，TXD的最低电压时15 V，Q4的BE耐压是6 V左右。
4. 软件设计
系统软件设计采用模块化的设计方法[9]系统软件设计主要包括：主程序、LCD液晶显示程序、无线收发模块程序、上位机监控程序等几部分。限于篇幅，此处仅给出系统主程序流程图及无线收发模块程序流程图。图6为系统的主程序流程图，图7为nRF905收发数据程序流程图。
5. 系统实验
在室温为9.0℃，湿度为35.5%RH的环境中试运行该系统，每隔10 min记录一次数据，连续测量一个小时，实验数据如表1所示。
温湿度测量的数据不仅可以在LCD1206液晶显示模块上进行显示，还通过nRF905实时高效的传递到PC机，进行显示与汇总。图8为上位机温湿度实时显示图。
图中的黄实线代表被测时刻理想的温湿度，黑色的波浪线为实时的温湿度变化曲线。
从图8可以看出，该系统可以实时的反应实验室的温湿度变化情况，具有很高的实时性。
Figure 5. Single chip microcomputer and computer interface circuit diagram
图5. 单片机与电脑接口电路图
Figure 6. System main program flow chart
图6. 系统主程序流程图
Figure 7. nRF905 sending and receiving data program flow chart
图7. nRF905收发数据程序流程图
Table 1. Temperature and humidity experimental measurement data
表1. 温湿度实验测量数据
Figure 8. Epistatic machine temperature and humidity real-time mapping
图8. 上位机温湿度实时显示图
6. 结束语
本文设计了基于nRF905无线通信模块的实验室温湿度监控系统，采用SHT11数字式温湿度传感器对温湿度进行监测，以AT89C51单片机为核心控制器[1,10]，本文采用自行设计研制的RS-232串口通信接口电路不仅成本低而且系统结构简单。实验测试表明本系统具有较好的实时性与可靠性。
参考文献 (References)
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NOTES
*通讯作者。