 Open Journal of Circuits and Systems 电路与系统, 2012, 1, 1-5 http://dx.doi.org/10.12677/ojcs.2012.11001 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/ojcs.html) Laboratory Temperature and Humidity Monitoring System Research Based on nRF905 Huijuan Zheng*, Yong Lei Guizhou University, Guiyang Email: *616380096@qq.com Received: Nov. 21st, 2012; rev i s ed: Dec. 18th, 2012; accepted: Dec. 25th, 2012 Abstract: This paper SHT11 digital temperature and humidity sensors as the foundation, the design with nRF905 wire- less 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 be- tween a machine developed by the design of the RS-232 interface circuit. After testing experiments show that the sys- tem 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 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 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。 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 *通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 1  基于 nRF905 的实验室温湿度监测系统研究 SHT11 AT89C51 nRF905 接收 AT89C51 nRF905 发射 RS-232 LCD 显示 PC机 报警 LCD 显示 SHT11 AT89C51 nRF905 发射 LCD 显示 实验室 (1) 实验室(n) 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 温度传感器 Amplificat ion A 14-bit D 湿度传感器 校验存储器 数字 2-线接 口& CRC发 生器 SCK DAT A GND VDD Figure 2. SHT11 internal struct u re 图2. SHT11内部结构图 DD V V V DD 5.5~4.2: Figure 3. S HT11 and AT89C51 single- c hip m i c rocomputer inter- face connection diagram 图3. SHT11与AT89C51 单片机的接口连接图 PWR--UP TRX-CE TX --EN CSN SCK MO SI MISO AM DR CD 模式 接口 SPI 接 口 状态 接口 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P3.2 P3.3 P3.4 AT89C51 nRF905 P2.0 Figure 4. AT89C51 and nRF905 interface circuit 图4. AT89C51与nRF905 接口电路 Copyright © 2012 Hanspub 2  基于 nRF905 的实验室温湿度监测系统研究 Copyright © 2012 Hanspub 3 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。 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。 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。 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。 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。 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； 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。 1 5 9 4 8 3 7 2 6 Q3 9015 VC C (+ 5 V ) Q4 9014 TXD RXD R9 1K R6 10K R7 4K R8 10K D2 4148 C7 1uF D1 1N4148 PC RXD PC TXD DB9 P3.0 P3.1 AT89C51 Figure 5. Single chip microcomputer and computer interface circuit diagram 图5. 单片机与电脑接口电路图  基于 nRF905 的实验室温湿度监测系统研究 初始化SHT11 开始 LCD显示 nRF905发射模块 读取测量结果 AT89C51发出测 温湿指令 DATA是否 为低？ N Y Figure 6. S ystem main program fl ow chart 图6. 系统主程序流程图 检测地址码是 否相符？ nRF905进入待机模式 接收端 TRX-C E置1 接收数据，CD置1 接收数据，AM=1 CRC循环 冗余检测 DR=1 TRX- CE=1? nRF905进入待 机模式 AT89C51通过SP口接 收数据 DR=0，AM=0 AM=1 N N Y N Y N Y 启动发射模式 ， DR置1 初始化nRF905 产生接收码 ，DR 置0 开始 TRX--CE是否 为高？ AuTO- RETRAN 置1 发 送 数据 接收数据 Figure 7. n RF905 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 测量时刻 温度(℃) 湿度(%RH) 09:00 9.00 35.50 09:10 9.01 35.50 09:20 9.00 35.51 09:30 9.00 35.50 09:40 9.01 35.50 09:50 9.00 35.50 10:00 9.00 35.50 09:00 10:0009:5009:4009 :3009:2009:10 5 25 20 15 10 温度 （ ℃） 时间(t) 10 50 40 30 20 湿度 (%RH) 09:00 10:0009:5009:4009 :3009: 2009:10 时间(t) 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) [1] 樊建明, 陈渊睿. 基于 SHT11 的温室多点测量系统设计[J]. 国外电子测量技术, 2006, 25(11): 4-8． [2] 邵文冕. 基于 PLC 的温湿度检测仪的设计[J]. 煤矿机械, 2012, 33(8): 175-176. [3] 田素贞, 屈芳升. 基于单片机的粮仓温湿度检测系统的设计 与研究[J]. 河南科学, 2012, 30(1): 91-93. [4] 李文仲. 短距离无线数据通信入门与实战[M]. 北京: 北京航 空航天大学出版社, 2006. [5] 赵建华, 韩玉杰. 基于nRF905 的温室无线数据传输系统[J]. 机电产品开发与创新, 2009, 22(6): 141-142. [6] 朱卫华. 基于单片射频收发器的无线数据采集系统设计[J]. 南华大学学报, 2003, 17(2): 6-8. [7] 韩磊, 张宇, 张国强, 贾志敏. 基于 nRF9E5 的陶瓷窑炉无线 温度检测系统设计[J]. 山东理工大学学报(自然科学版), 2009, 23(2): 107-108. [8] 张迎新. 单片机(微控制器)原理及应用[M]. 北京: 高等教育 Copyright © 2012 Hanspub 4  基于 nRF905 的实验室温湿度监测系统研究 出版社, 2009. [9] 题原, 宋飞, 刘树东, 王艳春. 基于 nRF905的无线温湿度检 测与传输系统设计[J]. 化工自动化及仪表, 2010, 4(38): 404- 406. [10] 安永宁, 李崇栋, 金磊. 基于AT89C51 的倒车防撞预警系统 的设计[J]. 机械工程与自动化, 2011, 6: 121-12 3. 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