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【摘 要】为实现温湿度测量和无线数据传输，使用AVR微处理器ATmega128作为控制芯片，NewMsg-RF905作为无线收发模块，数字温湿度传感器SHT11作为温湿度测量模块，设计了集单片机、无线数据传输以及液晶显示为一体的智能加湿器系统。经测试，系统运行稳定可靠，具有广泛的应用前景。
【关键词】ATmega128；湿度测量；SHT11；无线通信；nRF905
引言
空气湿度对人体健康有直接的影响，为了保证生活环境的舒适度，控制湿度是必须的。而传统的湿度检测多采用有线传输，为生产和生活带来许多不便，本系统针对传统加湿器的缺点，以单片机微控制系统作为主体部分，研制了一款能耗低、简单可靠、使用方便的无线智能加湿器系统，兼顾使用者的健康、舒适的要求，使加湿器更具智能化和人性化。
1.系统设计方案
系统总体框图如图1所示。该系统由温湿度测量系统、温湿度及时间显示系统、湿度自动控制系统、无线数据传输系统及各种数据接口电路组成。主控单元主要由一个MCU构成，其主要功能是完成外界信息的采集，进行运算处理后，控制外面的设备进行正常工作。按键和LCD显示模块提供了人机交互的通道[1]。时钟模块为主控提供时钟，主控单元利用该时钟进行程序运行和定时设置。外界信息采集的传感器主要有温湿度传感器、浮子信号和水位感应片。
图1 系统结构图
2.硬件电路设计
2.1主控芯片
Atmega128微处理器是Atmel公司开发的AVR RISC结构的8位微处理器，具有128K 字节的系统内可编程 Flash、 4K 字节的 EEPROM、 4K 字节的 SRAM、 53个通用 I/O 口线、 32个通用工作寄存器、实时时钟 RTC、4个灵活的具有比较模式和 PWM 功能的定时器 / 计数器 （T/C）、两个 USART、面向字节的两线接口 TWI、SPI 串行端口、与 IEEE 1149.1 规范兼容的 JTAG 测试接口 （ 此接口同时还可以用于片上调试 ），以及六种可以通过软件选择的省电模式，因此Atmega128非常适合于低能耗的场合。
2.2 温湿度测量模块
本设计的温湿度测量采用的是数字式温湿度传感器SHT11，它可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，该芯片具有如下特点[2]：
① 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；
② 提供二线数字串行接口SCK 和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；
③ 测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；
④ 高可靠性，采用CMOS工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。
微处理器ATmega128通过I2 C 接口与SHT11相连。单片机与SHT11的接口电路如图2所示。
图2 单片机与SHT11接口电路图
2.3 无线数据传输模块
图3 单片机与NewMsg-RF905接口电路图
NewMsg-RF905集成了nRF905的外围所需的器件，传送距离可到1000m 以上，电源范围是2.4V～3.6V，其引脚可以直接与单片机引脚相连。nRF905芯片是一个单片无线收发器，工作在433/868/915MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器和一个晶体震荡器组成[3]。用自带的SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是hockBurstTM接收模式和ShockBurstTM 发送模式，与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI 接口决定，在ShockBurstTM 接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配（AM）和数据准备好（DR）两引脚通知微控制器。在hockBurstTM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕 [4]。单片机与NewMsg-RF905接口电路图如图3所示。
2.4 液晶显示模块
系统采用130130_SPI快速点阵液晶显示器，具有低功耗、环保省电，低电流休眠模式，部分显示模式，8色文本模式；最高30帧每秒的动态显示，支持滚动显示和部分显示；包括电源、扫描方向控制门电路的单片驱动电路。单片机与液晶显示器的接口示意图如图4所示。
图4 单片机与LCD接口示意图
2.5 报警电路和按键电路设计
水位感应片主要是用于水箱中的水位最低限感应[5]，当水位感应片输出信号有效时，表明加湿器中的水位已经很低，这时必须系统切断电源，保护加湿器。系统采用蜂鸣音报警电路，通过ATmega128的PD1口经驱动器驱动蜂鸣器发声，压电式蜂鸣器约需10mA 的驱动电流，使用晶体三极管驱动。按键作为人機交互的通道，可以设定系统的日期（年/月/日）时间、湿度初始值、加湿模式（自动/快速/慢速）等参数。整个过程用户可以通过按键设定相应的参数，并且在LCD上观察当前系统的工作状态，系统的设置可以在无线数据发射控制板上进行。
3.系统软件设计
智能加湿器系统由电源、以Atmega128为核心的控制单元、温湿度传感器、液晶屏显示器、无线通讯模块及各种数据接口电路组成。系统主要功能有采集温湿度信号、与温湿度测量系统进行通讯、控制温湿度测量系统的相关参数、显示相关数据以及软件校验等。用C语言编写，模块化程序设计。软件程序由主程序、传感器数据采集及其输出值的量化、温湿度及设定值的显示子程序、键盘管理子程序、定时中断应答子程序等组成。主程序作为程序的入口，控制各类程序的调用，在系统中其主要任务是调用键盘管理程序，然后其它功能都由键盘管理程序和中断程序完成。
4.结语
该系统采用ATmega128作为控制芯片，NewMsg-RF905作为无线收发模块，采用130130_SPI液晶显示器，使控制更加简便直观，设计并实现了基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度无线测量系统，该系统节能、安全、可靠，同时兼顾健康、舒适的需求，使加湿器更具智能化和人性化。该系统运行状况良好，具有较大的市场应用和推广价值。
参考文献：
[1]李靖，王克英. 基于AVR单片机的多功能电能表的设计与实现[J]. 电测与仪表，2012，49（3）：73-76.
[2]杨亚宁，吴颖慧. 仓库温湿度的多点移动监测系
统设计[J].大连民族学院学报，2010，12（3）：220-223.
[3]薛敏迪. 基于nRF905的低功耗温湿度无线测量系统[J].现代电子技术，2010（1）：135-138.
[4]苏宝平，康建伟. 基于射频模块的无线粮仓监系统设计[J].电脑开发与应用，2008，21（11）：17-21.
[5]李雯婷. 基于单片机的工业加湿器控制系统[D]. 成都：成都理工大学，2010：9-33.
作者简介：
王丽华：（1978-）女，硕士，副教授，现任教于天津职业大学机电工程与自动化学院，主要研究方向为电气自动化。
基金项目：
天津职业大学培育项目资助
【关键词】ATmega128；湿度测量；SHT11；无线通信；nRF905
引言
空气湿度对人体健康有直接的影响，为了保证生活环境的舒适度，控制湿度是必须的。而传统的湿度检测多采用有线传输，为生产和生活带来许多不便，本系统针对传统加湿器的缺点，以单片机微控制系统作为主体部分，研制了一款能耗低、简单可靠、使用方便的无线智能加湿器系统，兼顾使用者的健康、舒适的要求，使加湿器更具智能化和人性化。
1.系统设计方案
系统总体框图如图1所示。该系统由温湿度测量系统、温湿度及时间显示系统、湿度自动控制系统、无线数据传输系统及各种数据接口电路组成。主控单元主要由一个MCU构成，其主要功能是完成外界信息的采集，进行运算处理后，控制外面的设备进行正常工作。按键和LCD显示模块提供了人机交互的通道[1]。时钟模块为主控提供时钟，主控单元利用该时钟进行程序运行和定时设置。外界信息采集的传感器主要有温湿度传感器、浮子信号和水位感应片。
图1 系统结构图
2.硬件电路设计
2.1主控芯片
Atmega128微处理器是Atmel公司开发的AVR RISC结构的8位微处理器，具有128K 字节的系统内可编程 Flash、 4K 字节的 EEPROM、 4K 字节的 SRAM、 53个通用 I/O 口线、 32个通用工作寄存器、实时时钟 RTC、4个灵活的具有比较模式和 PWM 功能的定时器 / 计数器 （T/C）、两个 USART、面向字节的两线接口 TWI、SPI 串行端口、与 IEEE 1149.1 规范兼容的 JTAG 测试接口 （ 此接口同时还可以用于片上调试 ），以及六种可以通过软件选择的省电模式，因此Atmega128非常适合于低能耗的场合。
2.2 温湿度测量模块
本设计的温湿度测量采用的是数字式温湿度传感器SHT11，它可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，该芯片具有如下特点[2]：
① 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；
② 提供二线数字串行接口SCK 和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；
③ 测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；
④ 高可靠性，采用CMOS工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。
微处理器ATmega128通过I2 C 接口与SHT11相连。单片机与SHT11的接口电路如图2所示。
图2 单片机与SHT11接口电路图
2.3 无线数据传输模块
图3 单片机与NewMsg-RF905接口电路图
NewMsg-RF905集成了nRF905的外围所需的器件，传送距离可到1000m 以上，电源范围是2.4V～3.6V，其引脚可以直接与单片机引脚相连。nRF905芯片是一个单片无线收发器，工作在433/868/915MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器和一个晶体震荡器组成[3]。用自带的SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是hockBurstTM接收模式和ShockBurstTM 发送模式，与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI 接口决定，在ShockBurstTM 接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配（AM）和数据准备好（DR）两引脚通知微控制器。在hockBurstTM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕 [4]。单片机与NewMsg-RF905接口电路图如图3所示。
2.4 液晶显示模块
系统采用130130_SPI快速点阵液晶显示器，具有低功耗、环保省电，低电流休眠模式，部分显示模式，8色文本模式；最高30帧每秒的动态显示，支持滚动显示和部分显示；包括电源、扫描方向控制门电路的单片驱动电路。单片机与液晶显示器的接口示意图如图4所示。
图4 单片机与LCD接口示意图
2.5 报警电路和按键电路设计
水位感应片主要是用于水箱中的水位最低限感应[5]，当水位感应片输出信号有效时，表明加湿器中的水位已经很低，这时必须系统切断电源，保护加湿器。系统采用蜂鸣音报警电路，通过ATmega128的PD1口经驱动器驱动蜂鸣器发声，压电式蜂鸣器约需10mA 的驱动电流，使用晶体三极管驱动。按键作为人機交互的通道，可以设定系统的日期（年/月/日）时间、湿度初始值、加湿模式（自动/快速/慢速）等参数。整个过程用户可以通过按键设定相应的参数，并且在LCD上观察当前系统的工作状态，系统的设置可以在无线数据发射控制板上进行。
3.系统软件设计
智能加湿器系统由电源、以Atmega128为核心的控制单元、温湿度传感器、液晶屏显示器、无线通讯模块及各种数据接口电路组成。系统主要功能有采集温湿度信号、与温湿度测量系统进行通讯、控制温湿度测量系统的相关参数、显示相关数据以及软件校验等。用C语言编写，模块化程序设计。软件程序由主程序、传感器数据采集及其输出值的量化、温湿度及设定值的显示子程序、键盘管理子程序、定时中断应答子程序等组成。主程序作为程序的入口，控制各类程序的调用，在系统中其主要任务是调用键盘管理程序，然后其它功能都由键盘管理程序和中断程序完成。
4.结语
该系统采用ATmega128作为控制芯片，NewMsg-RF905作为无线收发模块，采用130130_SPI液晶显示器，使控制更加简便直观，设计并实现了基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度无线测量系统，该系统节能、安全、可靠，同时兼顾健康、舒适的需求，使加湿器更具智能化和人性化。该系统运行状况良好，具有较大的市场应用和推广价值。
参考文献：
[1]李靖，王克英. 基于AVR单片机的多功能电能表的设计与实现[J]. 电测与仪表，2012，49（3）：73-76.
[2]杨亚宁，吴颖慧. 仓库温湿度的多点移动监测系
统设计[J].大连民族学院学报，2010，12（3）：220-223.
[3]薛敏迪. 基于nRF905的低功耗温湿度无线测量系统[J].现代电子技术，2010（1）：135-138.
[4]苏宝平，康建伟. 基于射频模块的无线粮仓监系统设计[J].电脑开发与应用，2008，21（11）：17-21.
[5]李雯婷. 基于单片机的工业加湿器控制系统[D]. 成都：成都理工大学，2010：9-33.
作者简介：
王丽华：（1978-）女，硕士，副教授，现任教于天津职业大学机电工程与自动化学院，主要研究方向为电气自动化。
基金项目：
天津职业大学培育项目资助