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：設(shè)計(jì)了一種由AT89C51和nRF401模塊所構(gòu)成的礦山中的信號采集和控制系統(tǒng)。采集的信號為溫度、濕度、甲烷濃度。分別介紹了各個信號采集模塊的電路圖，并給出了系統(tǒng)的硬件原理圖和軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：現(xiàn)場指定點(diǎn)的信號能準(zhǔn)確的傳輸?shù)娇刂平K端并在顯示器上顯示。信號超出上下限時會發(fā)出報(bào)警信號，從而對現(xiàn)場進(jìn)行有效地控制。
關(guān)鍵字：無線收發(fā)  nRF401  串行通信  AT89C51  Keil C51  溫濕度測量

一引言
      礦山中的溫度、濕度、甲烷濃度的測量和控制是安全生產(chǎn)的重要保障。由于礦山中的復(fù)雜的環(huán)境，鋪設(shè)線路要浪費(fèi)大量的財(cái)力和時間。且由于維護(hù)不當(dāng)，可能造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?。因此考慮采用無線通信的方式來傳輸數(shù)據(jù)。與有線通信相比，無線通信技術(shù)具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)【1】: 一是傳輸介質(zhì)采用電磁波,適用于那些不宜架設(shè)電纜線的現(xiàn)場; 二是有線通信構(gòu)成的單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng), 總線上掛接的收發(fā)器的數(shù)量受接口IC的限制,而在無線通信系統(tǒng)中,采用多字節(jié)地址編碼,收發(fā)器的數(shù)量不受限制;三是具有電路簡單、功耗小、體積小、成本低和調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。本文采用nRF401進(jìn)行無線通信，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用在礦山系統(tǒng)中，采集的信號為溫度，濕度，甲烷濃度。

二 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)包括無線收發(fā)模塊，信號采集模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊三個部分。
2.1無線收發(fā)模塊
      無線收發(fā)模塊采用挪威Nordic公司生產(chǎn)的nRF401芯片。nRF401是一個433MHZ ISM頻段設(shè)計(jì)的單片UHF無線收發(fā)芯片，它采用藍(lán)牙核心技術(shù)【2】設(shè)計(jì)，F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào)，需要非常少的外圍電路，無需進(jìn)行初始化和配置，數(shù)據(jù)不必進(jìn)行曼徹斯特編碼[3]。天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線。工作電壓寬，具有待機(jī)模式，可以省電和高效。采用易于獲得的4MHZ晶振，通過頻率合成器合成433MHZ的工作頻率，大大降低了成本，增加了使用的靈活性，廣泛的應(yīng)用在報(bào)警和安全系統(tǒng)，自動測試系統(tǒng)，遙控裝置，車輛安全系統(tǒng)，工業(yè)控制，無線通信等領(lǐng)域。與單片機(jī)相連的引腳有五個：TXEN選擇nRF401處于發(fā)射模式還是接受模式；CS選擇工作頻道；Din數(shù)據(jù)發(fā)送腳；Dout解調(diào)輸出；PWR_UP選擇是工作模式還是待機(jī)模式。nRF401芯片的外圍電路【4】如圖1所示。

2.2信號采集模塊
信號采集分為溫度信號采集，濕度信號采集和甲烷濃度采集三部分。
2.2.1溫度信號采集
       溫度信號采集采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20芯片【5】。DS18B20是一線數(shù)字溫度傳感器，每片DS18B20都有全球惟一的識別號，可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。測量溫度范圍為-55°C～+125°C，支持3V～5.5V的電壓范圍，可以程序設(shè)定9～12位的分辨率。DS18B20芯片的管腳簡單，它無需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)行溫度測量，與單片機(jī)交換信息僅需要一根I/O口線,如圖2所示。

2.2.2濕度采集
       濕度采集采用HONEYWELL公司生產(chǎn)的的霍爾濕度傳感器HIH3610-003[6]。它具有0.8-3.9VDC放大電壓輸出,電壓與濕度成線性關(guān)系。穩(wěn)定性好,低溫漂,抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng). HIH3610-003是模擬傳感器，輸出電壓信號，在送入單片機(jī)以前要通過A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D模塊采用美國TI公司TLC1543芯片。TLC1543是采用SPI技術(shù)的10位開關(guān)電容逐次A/D逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有11路輸入通道，高速高分辨率，性價比高，占用單片機(jī)I/O資源較少，獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)能非常好地抵抗環(huán)境的侵蝕，非常適合應(yīng)用在礦山環(huán)境中。其電路圖如圖3所示。

      TLC1543的參考電壓為3V,由精密基準(zhǔn)電壓源LM336-5V分壓得到。ADDRESS端選擇下一個要處理的數(shù)據(jù)的模擬輸入端口，EOC為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束標(biāo)志。

2.2.3甲烷濃度采集
     甲烷濃度采集采用日本FIGARO公司的TGS2611芯片【7】。它體積小、功耗低，對甲烷有高選擇性和靈敏性。其工作原理是將氣體濃度轉(zhuǎn)變成敏感電阻RS（2，3兩端電阻）的變化。電路中取滑動電阻R1兩端的電壓VR，根據(jù)公式

計(jì)算RS的值，從而得出環(huán)境中甲烷的濃度。VR要通過TLC1543芯片轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，送給單片機(jī)。如圖4所示。

2.3數(shù)據(jù)顯示模塊
      數(shù)據(jù)顯示模塊采用周立功顯示芯片ZLG7289A[8]。該芯片是一片具有串行接口的、可同時驅(qū)動8位共陰級數(shù)碼管（或64只獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片，具有段尋址指令，方便控制獨(dú)立LED，還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，內(nèi)含去抖動電路。單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。
2.4現(xiàn)場與控制終端的系統(tǒng)構(gòu)成

      現(xiàn)場的系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊，無線收發(fā)模塊組成。如圖5所示。控制終端的系統(tǒng)由顯示模塊和無線收發(fā)模塊組成.如圖6所示 單片機(jī)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51。

 

三系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試
軟件編程采用Keil C51語言，這里主要講述無線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)。
3.1無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)
     由于系統(tǒng)收發(fā)中要進(jìn)行多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行多機(jī)通信。首先各從機(jī)要編址使主機(jī)按地址選擇接收對象?？刂剖抑械闹鳈C(jī)首先發(fā)出地址信號，與其地址相符的從機(jī)做出響應(yīng)，與其地址不相符的從機(jī)不應(yīng)答。數(shù)據(jù)傳送采用全雙工形式，串行通信【9】采用工作方式1，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈嗜Q于定時器1的溢出率。發(fā)送一幀數(shù)據(jù)共10位：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。設(shè)置定時器的工作方式：定時器1選擇工作方式2，具有自動重新加載功能，定時器0選擇工作方式1，16位計(jì)數(shù)器。收發(fā)過程如圖7，圖8所示。
 
 

3.2數(shù)據(jù)顯示和鍵盤模塊的設(shè)計(jì)
      數(shù)據(jù)顯示模塊采用ZLG7289A，數(shù)碼管的消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等都是由控制指令來實(shí)現(xiàn)的，控制指令是8位或16位的，而ZLG7289A只有一位數(shù)據(jù)輸入輸出線。首先要編制程序保證控制指令正確的傳到ZLG7289A，接著選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。電路中共設(shè)5個按鍵：功能鍵、左移鍵、右移鍵、增加鍵、減少鍵。溫度和濕度的上下限，甲烷濃度的上限均設(shè)置為可調(diào)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度和甲烷濃度超過設(shè)定的限制時，將會進(jìn)行報(bào)警，從而及時的對可能出現(xiàn)的意外情況進(jìn)行提示。

四 結(jié)束語
      本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)礦山中溫度、濕度、甲烷濃度的測量和控制，大大的節(jié)省了監(jiān)控終端與現(xiàn)場之間敷設(shè)電纜的費(fèi)用和時間。而且可根據(jù)實(shí)際需要方便的改變測量點(diǎn)位置和增加或減少測量點(diǎn)數(shù)目，外界的環(huán)境對其影響小。隨著技術(shù)的提高，無線通信必將在更多的領(lǐng)域得到廣闊發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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