基于AT89C51和nRF401的矿山中信号采集和控制系统设计
日期：2009-7-16 23:49:10 来源：中国工控网
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Abstract: A signal measure and control system is designed which is constructed with nRF401 and AT89C51. The paper describes the signal measure modules of temperature, humidity and the consistence of methane respectively. The hardware circuits and the software schemes are presented. The results indicate that the appointed signal of the field can be transmitted to the control terminal exactly. The alarms run when the signals exceed the maximum or are under the minimum.
Keywords: wireless communication; nRF401; serial communication; AT89C51; Keil C51; measurement of temperature and humidity
摘要：设计了一种由AT89C51和nRF401模块所构成的矿山中的信号采集和控制系统。采集的信号为温度、湿度、甲烷浓度。分别介绍了各个信号采集模块的电路图，并给出了系统的硬件原理图和软件设计方案。实验结果表明：现场指定点的信号能准确的传输到控制终端并在显示器上显示。信号超出上下限时会发出报警信号，从而对现场进行有效地控制。
关键字：无线收发 nRF401 串行通信 AT89C51 Keil C51 温湿度测量
一引言
矿山中的温度、湿度、甲烷浓度的测量和控制是安全生产的重要保障。由于矿山中的复杂的环境，铺设线路要浪费大量的财力和时间。且由于维护不当，可能造成数据传输的中断。因此考虑采用无线通信的方式来传输数据。与有线通信相比，无线通信技术具有如下显著的优点【1】: 一是传输介质采用电磁波,适用于那些不宜架设电缆线的现场; 二是有线通信构成的单片机多机通信系统, 总线上挂接的收发器的数量受接口IC的限制,而在无线通信系统中,采用多字节地址编码,收发器的数量不受限制;三是具有电路简单、功耗小、体积小、成本低和调试方便等优点。本文采用nRF401进行无线通信，所设计的系统应用在矿山系统中，采集的信号为温度，湿度，甲烷浓度。
二 系统的硬件设计
硬件设计包括无线收发模块，信号采集模块，数据显示模块三个部分。
2.1无线收发模块
无线收发模块采用挪威Nordic公司生产的nRF401芯片。nRF401是一个433MHZ ISM频段设计的单片UHF无线收发芯片，它采用蓝牙核心技术【2】设计，FSK调制解调，需要非常少的外围电路，无需进行初始化和配置，数据不必进行曼彻斯特编码[3]。天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。工作电压宽，具有待机模式，可以省电和高效。采用易于获得的4MHZ晶振，通过频率合成器合成433MHZ的工作频率，大大降低了成本，增加了使用的灵活性，广泛的应用在报警和安全系统，自动测试系统，遥控装置，车辆安全系统，工业控制，无线通信等领域。与单片机相连的引脚有五个：TXEN选择nRF401处于发射模式还是接受模式；CS选择工作频道；Din数据发送脚；Dout解调输出；PWR_UP选择是工作模式还是待机模式。nRF401芯片的外围电路【4】如图1所示。
2.2信号采集模块
信号采集分为温度信号采集，湿度信号采集和甲烷浓度采集三部分。
2.2.1温度信号采集
温度信号采集采用美国DALLAS公司生产的DS18B20芯片【5】。DS18B20是一线数字温度传感器，每片DS18B20都有全球惟一的识别号，可轻松地组建传感器网络，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。测量温度范围为-55°C～+125°C，支持3V～5.5V的电压范围，可以程序设定9～12位的分辨率。DS18B20芯片的管脚简单，它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根I/O口线,如图2所示。
2.2.2湿度采集
湿度采集采用HONEYWELL公司生产的的霍尔湿度传感器HIH3610-003[6]。它具有0.8-3.9VDC放大电压输出,电压与湿度成线性关系。稳定性好,低温漂,抗化学腐蚀性强. HIH3610-003是模拟传感器，输出电压信号，在送入单片机以前要通过A/D转换模块。A/D模块采用美国TI公司TLC1543芯片。TLC1543是采用SPI技术的10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，具有11路输入通道，高速高分辨率，性价比高，占用单片机I/O资源较少，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，非常适合应用在矿山环境中。其电路图如图3所示。
TLC1543的参考电压为3V,由精密基准电压源LM336-5V分压得到。ADDRESS端选择下一个要处理的数据的模拟输入端口，EOC为A/D转换的结束标志。
2.2.3甲烷浓度采集
甲烷浓度采集采用日本FIGARO公司的TGS2611芯片【7】。它体积小、功耗低，对甲烷有高选择性和灵敏性。其工作原理是将气体浓度转变成敏感电阻RS（2，3两端电阻）的变化。电路中取滑动电阻R1两端的电压VR，根据公式
计算RS的值，从而得出环境中甲烷的浓度。VR要通过TLC1543芯片转化成数字信号，送给单片机。如图4所示。
2.3数据显示模块
数据显示模块采用周立功显示芯片ZLG7289A[8]。该芯片是一片具有串行接口的、可同时驱动8位共阴级数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，具有段寻址指令，方便控制独立LED，还可连接多达64键的键盘矩阵，内含去抖动电路。单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。
2.4现场与控制终端的系统构成
现场的系统由数据采集模块，无线收发模块组成。如图5所示。控制终端的系统由显示模块和无线收发模块组成.如图6所示 单片机选用ATMEL公司生产的AT89C51。
三系统的软件设计与调试
软件编程采用Keil C51语言，这里主要讲述无线收发模块和数据显示模块的设计。
3.1无线收发模块的设计
由于系统收发中要进行多点的数据采集，进行多机通信。首先各从机要编址使主机按地址选择接收对象。控制室中的主机首先发出地址信号，与其地址相符的从机做出响应，与其地址不相符的从机不应答。数据传送采用全双工形式，串行通信【9】采用工作方式1，数据传输的波特率取决于定时器1的溢出率。发送一帧数据共10位：1位起始位，8位数据位和1位停止位。设置定时器的工作方式：定时器1选择工作方式2，具有自动重新加载功能，定时器0选择工作方式1，16位计数器。收发过程如图7，图8所示。
3.2数据显示和键盘模块的设计
数据显示模块采用ZLG7289A，数码管的消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等都是由控制指令来实现的，控制指令是8位或16位的，而ZLG7289A只有一位数据输入输出线。首先要编制程序保证控制指令正确的传到ZLG7289A，接着选择恰当的数码管进行数据显示。电路中共设5个按键：功能键、左移键、右移键、增加键、减少键。温度和湿度的上下限，甲烷浓度的上限均设置为可调，当环境温度、湿度和甲烷浓度超过设定的限制时，将会进行报警，从而及时的对可能出现的意外情况进行提示。
四 结束语
本文设计并开发了一个无线通信系统实现矿山中温度、湿度、甲烷浓度的测量和控制，大大的节省了监控终端与现场之间敷设电缆的费用和时间。而且可根据实际需要方便的改变测量点位置和增加或减少测量点数目，外界的环境对其影响小。随着技术的提高，无线通信必将在更多的领域得到广阔发展。
参考文献：
[1]曹柏荣，冯运达，瞿丹晨.无线温湿度测量系统及其应用[J].自动化仪表 2005（7）：30-34.
[2]吴曦 蓝牙底层安全机制研究与实现[J].微计算机信息 2005 (11) :87-89
[3]迅通科技.433MHZ单片无线收发芯片Nrf401[DB/OL].http://www.freqchina.com.
[4]Nordic VLSI. nRFTM Radio protocol guidelines nAN400-07[DB/OL]. http:// www. nvlsi. no. 2002/12.
[5]Dallas semiconductor. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire?
Digital Thermometer [DB/OL]. http://www. sensor-ic.com/传感器资料/ 温度/集成电路/DS18B20.pdf.
[6]Honeywell. Humidity Sensor HIH-3610 Series[DB/OL]. http://content.honeywell.com/sensing/prodinfo/humiditymoisture /009012_2.pdf.
[7]FIGARO.TGS2611 传感器技术资料 [DB/OL].http://www.tjfigaro.com/ GS2611. pdf. 2005/2/3.
[8] 广州周立功单片机发展有限公司.ZLG7289A 串行接口LED 数码管及键盘管理器件[DB/OL].http://www.zlgmcu.com/philips/hotic/zlg7289/zlg7289A.PDF.
[9]王幸之. AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京航空航天出版社 2004.5.135-152.
作者简介：
李金凤：沈阳化工学院 讲师 （1979-）女 硕士 研究方向：通信工程的应用研究
曹顺： 沈阳化工学院 讲师（1977-）男 硕士研究生 研究方向：通信工程的应用研究
魏立峰： 沈阳化工学院 教授 （1964-）男 博士 硕士生导师 研究方向：计算机控制和通信工程的应用研究
联系方式：沈阳化工学院信息工程学院电子教研室 邮编：110142
Email:ljf970204@163.com
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Abstract: A signal measure and control system is designed which is constructed with nRF401 and AT89C51. The paper describes the signal measure modules of temperature, humidity and the consistence of methane respectively. The hardware circuits and the software schemes are presented. The results indicate that the appointed signal of the field can be transmitted to the control terminal exactly. The alarms run when the signals exceed the maximum or are under the minimum.
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一引言
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矿山中的温度、湿度、甲烷浓度的测量和控制是安全生产的重要保障。由于矿山中的复杂的环境，铺设线路要浪费大量的财力和时间。且由于维护不当，可能造成数据传输的中断。因此考虑采用无线通信的方式来传输数据。与有线通信相比，无线通信技术具有如下显著的优点【1】: 一是传输介质采用电磁波,适用于那些不宜架设电缆线的现场; 二是有线通信构成的单片机多机通信系统, 总线上挂接的收发器的数量受接口IC的限制,而在无线通信系统中,采用多字节地址编码,收发器的数量不受限制;三是具有电路简单、功耗小、体积小、成本低和调试方便等优点。本文采用nRF401进行无线通信，所设计的系统应用在矿山系统中，采集的信号为温度，湿度，甲烷浓度。
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二 系统的硬件设计
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2.1无线收发模块
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信号采集分为温度信号采集，湿度信号采集和甲烷浓度采集三部分。
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2.2.1温度信号采集
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2.2.2湿度采集
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湿度采集采用HONEYWELL公司生产的的霍尔湿度传感器HIH3610-003[6]。它具有0.8-3.9VDC放大电压输出,电压与湿度成线性关系。稳定性好,低温漂,抗化学腐蚀性强. HIH3610-003是模拟传感器，输出电压信号，在送入单片机以前要通过A/D转换模块。A/D模块采用美国TI公司TLC1543芯片。TLC1543是采用SPI技术的10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，具有11路输入通道，高速高分辨率，性价比高，占用单片机I/O资源较少，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，非常适合应用在矿山环境中。其电路图如图3所示。
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计算RS的值，从而得出环境中甲烷的浓度。VR要通过TLC1543芯片转化成数字信号，送给单片机。如图4所示。
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2.3数据显示模块
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数据显示模块采用周立功显示芯片ZLG7289A[8]。该芯片是一片具有串行接口的、可同时驱动8位共阴级数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，具有段寻址指令，方便控制独立LED，还可连接多达64键的键盘矩阵，内含去抖动电路。单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。
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由于系统收发中要进行多点的数据采集，进行多机通信。首先各从机要编址使主机按地址选择接收对象。控制室中的主机首先发出地址信号，与其地址相符的从机做出响应，与其地址不相符的从机不应答。数据传送采用全双工形式，串行通信【9】采用工作方式1，数据传输的波特率取决于定时器1的溢出率。发送一帧数据共10位：1位起始位，8位数据位和1位停止位。设置定时器的工作方式：定时器1选择工作方式2，具有自动重新加载功能，定时器0选择工作方式1，16位计数器。收发过程如图7，图8所示。
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3.2数据显示和键盘模块的设计
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四 结束语
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参考文献：
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[1]曹柏荣，冯运达，瞿丹晨.无线温湿度测量系统及其应用[J].自动化仪表 2005（7）：30-34.
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[2]吴曦 蓝牙底层安全机制研究与实现[J].微计算机信息 2005 (11) :87-89
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[3]迅通科技.433MHZ单片无线收发芯片Nrf401[DB/OL].http://www.freqchina.com.
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[4]Nordic VLSI. nRFTM Radio protocol guidelines nAN400-07[DB/OL]. http:// www. nvlsi. no. 2002/12.
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[5]Dallas semiconductor. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire?
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Digital Thermometer [DB/OL]. http://www. sensor-ic.com/传感器资料/ 温度/集成电路/DS18B20.pdf.
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[6]Honeywell. Humidity Sensor HIH-3610 Series[DB/OL]. http://content.honeywell.com/sensing/prodinfo/humiditymoisture /009012_2.pdf.
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[7]FIGARO.TGS2611 传感器技术资料 [DB/OL].http://www.tjfigaro.com/ GS2611. pdf. 2005/2/3.
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[8] 广州周立功单片机发展有限公司.ZLG7289A 串行接口LED 数码管及键盘管理器件[DB/OL].http://www.zlgmcu.com/philips/hotic/zlg7289/zlg7289A.PDF.
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[9]王幸之. AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京航空航天出版社 2004.5.135-152.
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作者简介：
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李金凤：沈阳化工学院 讲师 （1979-）女 硕士 研究方向：通信工程的应用研究
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曹顺： 沈阳化工学院 讲师（1977-）男 硕士研究生 研究方向：通信工程的应用研究
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魏立峰： 沈阳化工学院 教授 （1964-）男 博士 硕士生导师 研究方向：计算机控制和通信工程的应用研究
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联系方式：沈阳化工学院信息工程学院电子教研室 邮编：110142
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