无线多点湿度监控仪的设计(下位机).doc

1、本科毕业设计(论文)无线多点湿度监控仪的设计(下位机)陈伟燕 山 大 学2009 年5 月本科毕业设计(论文)无线多点湿度监控仪的设计(下位机)学 院(系)：里仁学院专 业：电子信息工程 学生 姓名：陈伟学 号：041304021011 指导 教师：李刚 答辩 日期：2009 年6 月 17 燕山大学毕 业设计( 论文)任务书学院：信息科学与工程学院 系级教学单位：电子与通信工程 学号 041304021011学生姓名 陈伟专 业班 级 电信-1 班题目名称 无线多点湿度监控仪的设计(下位机)题目性质1.理工类：工程设计 ( )；工程技术实验研究型( )；理论研究型( )；计算机软件型( )；

2、综合型( )2.管理类( )；3.外语类( )；4.艺术类( )题目类型 1.毕业设计( ) 2.论文( )题目题目来源 科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容以单片机为控制核心，选择合适的湿度传感器，设计一个多点湿度检测工作单元，并可以与上位机进行无线通信。基本要求1. 独立完成系统软硬件的设计，并搭电路验证。2. 独立完成控制软件的编写。参考资料传感器与传感器技术 何道清编著 科学出版社 2004MCS-51 单片机应用及设计 张毅刚等编 哈尔滨工业出版社 1992.4单片机原理及系统设计 胡汉才编著 清华大学出版社 2002周 次 第 14 周 第 58 周 第 912

3、周 第 1315 周 第 1618 周应完成的内容收集材料熟悉课题内容设计思路电路设计程序设计程序设计搭电路并改进同前 论文书写课题总结答辩指导教师：李刚职称：讲师 2009 年2 月 20 日系级教学单位审批：年 月 日摘要I摘要本文介绍了利用 16 位单片机 SPCE061A 作为控制 中心，配合电容式湿度传感器HS1101 测量湿度的方案。该湿度测量仪具有语音播放功能，利用按键控制湿度的测量和湿度值的播放，对与多点湿度的检测有很实际的意义，在一些特定的场合对湿度的测量有比较高的要求。下位机主要执行多点湿度采集并通过无线模块把采集到的数据传送给上位机。上位机主要是通过无线模块接受并且显示下

4、位机送来的湿度数据进而与设定湿度进行对比，进行语音播放功能。下位机系统采用了凌阳单片机 SPCE061A 和湿度传感器 HS1101 为主的湿度测量系统，通过无线传输模块 nRF2401进行上位机与下位机的通信，从而实现无线多点湿度监控仪的各种功能需求。关键词 SPCE061A；湿度传感器 ；HS1101；nRF2401燕山大学本科生毕业设计( 论文)2AbstractThis article describes the use of 16-bit single-chip microcomputer as the control center SPCE061A with HS1101 capa

5、citive humidity sensor and humidity measurement of the program. The humidity measuring instrument with the voice broadcast function, the use of keys to control moisture and humidity measurement value play, with more humidity there is a very practical test of the significance of the occasion in a num

6、ber of specific measurement of the humidity is relatively high requirements. Main implementation of lower humidity and more collection points and through the wireless module to collect the data transmitted to the host computer. PC is a wireless module to receive and display machine sent lower humidi

7、ty humidity data to compare with the settings for voice playback. System under the adopted bit single-chip SPCE061A Sunplus HS1101 humidity sensor and humidity measurement system mainly through the wireless transmission module nRF2401 PC to drive the next digital communications, enabling wireless mu

8、lti-point humidity monitor the various functional requirements.Keywords SPCE061A；Humidity Senso r； HS1101；nRF2401燕山大学本科生毕业设计(论文)目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 单片机的发 展及应用 .11.1.2 传感器的发 展 .21.2 课题的目的 和意义 .51.3 课题的主要 内容 .6第 2 章 芯片介绍 .72.1 SPCE061A 介绍 .72.2.1 SPCE061A 的性 能特点 .82.2 湿度传感器H

9、S110 192.2.1 湿度测量简 介 .92.2.2 湿度传感器 简介 .102.2.3 HS1101112.3 无线传输模 块 NRF2401 132.3.1 芯片介绍 .132.3.2 引脚介绍 .142.4 本章小结 .15第 3 章 系统硬件设 计 .163.1 SPCE061A 最小 系统 .163.1.1 SPCE061A 的内 存储器 .1713.1.2 看门狗电路 .183.1.3 A/D 转换电路 .193.2 HS1101 电路模块 .203.3 nRF2401 电路模 块 .213.3.1 nRF2401 的工作 方式 .223.3.2 nRF2401 的器件 配置

10、.24燕山大学本科生毕业设计( 论文)23.4 本章小结 .25第 4 章 系统软件设 计 .264.1 下位机主程 序 .264.2 湿度测量程 序 .274.3 A/D 转换程序 .294.4 无线模块程 序 .304.4.1 接受单片机 数据 .304.4.2 上位机与下位机的通信 .314.5 中断服务程 序 .334.6 本章小结 .34结论 .35参考文献 .36致谢 .38附录 139附录 244附录 348附录 459燕山大学本科生毕业设计(论文)1第 1 章 绪论1.1 课题背景工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对环境温、湿度的

11、控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。目前，人们探测的湿度测量从原理上有二、三十种之多。随着 20 世纪后半期电子业的发展，电子式湿度传感器产品及湿度测量于 90 年代也随之兴起，并在后面这些时间内取得了长足的发展。该方案就是利用电子式传感器配合单片机实现具有语音功能人性化的测湿仪。随着人们生活水平的提高，各种电子产品进行着突飞猛进的发展，电子测量仪也逐渐丰富起来，原来的模拟产品逐

12、步向数字化转化，并且不断走向人性化。本文中设计的环境测量系统充分发挥了人性化的特质，该环境测量系统由 SPCE061A 控制，配合传感器模组设计而 成，利用SPCE061A的语音功能，配合传感器 模组，测量湿度，并且语音播 放测量结果，并提醒人们提高或者降低湿度。1.1.1 单片机的发展及应用单片机根据其基本操作处理的位数可分为：1 位单片机、4 位单片机、4 位单片机、16 位单片机和 32 位单片机。继 1971年微处理器的研制成功不久，就出现了单片微型计算机即单片机，但最早的单片机是 1 位的。单片机地发展历史可分为四个阶段：第一个阶段(1974年1976年)：单片机初级阶段。因工艺限制

13、，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如仙童公司生产的F8单片机，他还需加上一块3851才能组成一台完整的计算机。第二个阶段(1976年1978年)：低性能单片机阶段。这个阶段的单片机在原来的基础上有了很大的发展，但是不足之处是无串行口，中断处理燕山大学本科生毕业设计(论文)2比较简单，片内RAM和ROM容量比较小却寻址范围不大于4K。第三个阶段(1978年1982年)：高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机普遍带有串行口，多级中断系统，16位定时器/ 计数器，片内ROM、RAM容量加大，却寻址范围可达64K字节，有的片内还带了A/D 转换器。由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被广泛应用

14、，是目前应用数量较多的单片机。第四个阶段(1982 年现在)：8 位单片机的发展以及16 位单片机、32位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展了16 位单片机、32 位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善了高档 8 位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需求 1。目前单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，它已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种手机、充电器、电话、电风扇、录

15、像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 61.1.2 传感器的发展传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传感器要求越高。在今天的

16、信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感器因功能、特燕山大学本科生毕业设计(论文)3性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面：1.1.2.1 发现并利用新现象 利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要

17、工作，是研究开发新型传感器的基础。日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学已研制出这类传感器。1.1.2.2 利用新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度

18、传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点：测量范围宽；温度范围宽，可达-400+1500；响应速度快，小于1S；尺寸小，可用于小空间测湿；温度系数小。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于 0.1%F.S，温漂小于0.15%/10K，抗过载强，

19、可达量程的数百倍。测量范围可从 0 到60mpa。德国 E+H 公司和美 国 Kavlio 公司产品处于领先 地位。光导纤维的应用是传感材料的重大突破，其最早用于光通信技术。在光通信利用中发现当温度、压力、电场、磁场等环境条件变化时，引起光燕山大学本科生毕业设计(论文)4纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导纤维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高，结构简单、体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。光纤传感器日本处于先进水平。如 Idec Izum

20、i公司和 Sunx 公司。光纤传感受器与集成光路技术相结合，加速光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠性高，成本低。1.1.2.3 微机械加工技术 半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，各向导性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。日本横河公司利用各向导性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个

21、谐振梁结成，两个谐振的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达 0.01%FS。美国 Silicon Microstructure Inc.(SMI)公司开发一系列低价位，线性度在0.1%到 0.65%范围内的硅 微压力传感器，最低满量程为 0.15psi(1KPa)，其以硅为材料制成，具有独特的三维结构，轻细微机械加工，和多次刻制成惠斯登电桥于硅膜片上，当硅片上方受力时，其产生变形，电阻产生压阻效应，而失去电桥平衡，输出与压力成比例的电信号。像这样的

22、硅微传感器是当今传感器发展的前沿技术，其基本特点是敏感元件体积为微米量级，是传统传感器的几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方面有重要的作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。中国航空总公司北京测控技术研究所，研制的 CYJ 系列溅谢膜压力传燕山大学本科生毕业设计(论文)5感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克服了非金属式应变器易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合，被测介质范围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点，具有精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗等领域。

23、1.1.2.4 集成传感器 集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器，其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量，美国 LUCAS、NOVASENSOR 公司开发的这种血压传感器，每星期能生产 1 万只。1.1.2.5 智能化传感器 智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点：具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，因而提高测量精度；可实现多传感器多参数测量，有自诊断和自校准功能，提高可靠性；

24、测量数据可存取，使用方便；有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器。美国 HONY WELL 公司 ST-3000 型智能传感器，芯片尺寸才有 342mm，采用半导体工艺，在同一芯片上制成CPU、 EPROM、静压、压差、温度等三种敏感元件，相比有较大的差距急待发展。 7智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航局在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器(Smart Sensor)，在宇宙飞船上这种传感器是非常重要的。我国在这方面的研究与开发还很落后，主要是因为我国半导体集成电路工艺水平有限。1.2 课题的

25、目的和意义在常规的环境参数中，用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)燕山大学本科生毕业设计(论文)6的影响。另外，人们的生活质量提高，对室内环境的高要求也需要对温湿度的适时监控。通过本次设计，使我更加了解了 SPCE061A的内部结构，了解了其湿度测量的原理，对电子测量仪的工作原理有了简单的了解，对其研究也产生了很大的兴趣。本次设计加强了我对以前所学的专业知识的认识并加以巩固，并学以之用，初步了解了现实生活中简单电子产品的工作原理。1.3 课题的主要内容本文主要

26、实现以 SPCE061A为单片机，以湿度传感 器 HS1101 为湿度采集模块，以 nRF2401 为无 线传输模块的无线多点 湿度监控仪的下位机的设计。本文的结构是：第 1 章介绍了湿度检测的国内外研究环境及发展趋势，从总体上对课题的发展进行了概述。第 2 章介绍了设计下位机所应用到的主要的芯片，如凌阳 SPCE061A单片机、湿度传感器HS1101 和无线传输模块 nRF2401等硬件电路。第 3 章介绍了下位机系统的硬件构成，具体讲述了各个模块的电路以及工作方式。第 4 章主要讲述了各个模块的程序流程以及其流程图。燕山大学本科生毕业设计(论文)7第 2 章 芯片介绍2.1 SPCE061

27、A 介绍SPCE061A 是一款 16 位结 构的微控制器，内部结构图 如图 2-1 所示，主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/ 数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真电路ICE 接口，较高的处理速度使其能够快速的处 理复杂的数字信号。其应用领域很广泛，例如应用在家用电器控制器、工业控制、通信产品、医疗设备以及电子书籍等诸多方面。SPCE061A 单片机款式新颖，而且性价比高。 4 双 16位 定 时 器 /计数 器 时 基中 断 控 制7通 道 10位 ADC单通 道 +G双 通 道10位 DAC串 行 输 入 输 出 接 口

28、低 电 压 监 测 /低 电 压 复 位Watchdog串 行 异 步 通 讯 接 口32管 脚 通 用 输 入 输 出 端 口TM 16位 微 控 制器 unSP+ICE锁 相 环震 荡 器 CPU时 钟实 时 时 钟IOB7（ RXD） IOB10（ TXD） IOB0（ SCK） IOB1（ SDA） MIC-NAUD1AUD2ICE -NI-SKICE-DAVcpXI/ROTMFLASHR图 2-1 SPCE061A 内部结构SPCE061A 在 2.6V3.6V 工作电压范围内的工作速度范围为0.32MHz49.152MHz；2K 字 SRAM 和 32K 字 FLASH 仅占一页存

29、储空间；32 位可编程的多功能I/O 端口；两个 16 位定时器/ 计数器；低电压复位/监测功能；8 通道 10位模/数转换输入功能并具有内置自动增 益控制功能的麦克风输入方式；双通道 10位 DAC 方式的音频输出功能；指令系统提供具燕山大学本科生毕业设计(论文)8有较高运算速度的16 位16 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了 DSP功能。较高的处理速度使 SPCE061A 能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。开发数字声音和语音识别产品，选择 SPCE061A是一种经济的选择。如图 2-1 所示，输入/输出接口是单片机与外设交换信息 的通道。输入端口负责从外界接收检测信号

30、、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。nSPTM内有并行和 串行两种方式的 I/O 口。并行口线路成本较高，但是传输速率也较高；与并行口相比，串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。SPCE0 61A 有两个 16 位的通用并行 I/O 口：A 口和 B口。这两个端口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。A 口的IOA0IOA7 作为输入端口 时，具有唤醒功能，即当输入电平发生变化时，会触发 CPU 中断。在电池供电、追求低耗电的应用场合，可以让 CPU 进入睡眠模式(利用软件控制)以降低功耗，需要时才以按键来

31、唤醒CPU，使其进入工作状态。例如：手持遥控器、电子字典、PDA、计算器、无线电话等。2.2.1 SPCE061A 的性 能特点SPCE061A 既具有体积小、集成度高、可靠性好的特点，又具有较强的中断处理能力、高性能的价格比和功能强、效率高的指令系统及低功耗、低电压的特点。其芯片特性如下：116 位 nSPTM微处理器；2工作电压：CPU 的 Vdd 为 2.6V-3.6V，I/O 的 Vddh 为 Vdd-5.5V；3CPU 时钟为 0.32MHz-49.152MHz；4内置 2K 字节的 ROM；5内置 32K字 Flash 存储器；6可编程音频处理；7晶体振荡器；8系统处于备用状态下(

32、时钟处于停止状态)，耗电小于 2uA3.6v；燕山大学本科生毕业设计(论文)992 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值 )；102 个 10 位OAc(数/模转换) 输出通道；1116 位通用可编程输入/输出端口；1214 个中断源可来自定时器 A/B，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒；13具备触键唤醒的功能；14锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号；1532768Hz 实时时钟；167 通道 10位电压模一数转换(ADC)和单通道声音模一数转换器；17声音模一数转换器输入通道内里麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；18具备串行设备接口；19低电压复位(L VR)

33、功能和低电压监测(LVD )功能；20内置在线仿真电路接口ICE；21具有保密能力；22具有 WatchDog功能；23可编程音频处理，使用凌阳音频编码 SACM-S24O 方式，能容纳210s 的语音数据。2.2 湿度传感器HS11012.2.1 湿度测量简介2.2.1.1 湿度定义 在计量法中规定，湿度定义为“物象状态的量” 。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用 RH%表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。2.2.1.2 湿度测量方法 从测试的输出参量上区分，湿度测量方法主要分为以下几类：利用物质几何尺寸变化的测湿

34、法(伸缩法)，干湿球法，冷凝露点法，氯化锂露点法，电湿度测量法(电阻法、电容法)，电解法(库仑湿度计)以及其它测湿方法。这些测量方法读者可以找相关资料进行进一步了燕山大学本科生毕业设计(论文)10解，限于篇幅，这里不再赘述。下面重点介绍本系统中用到的电湿度测量法的特点。2.2.1.3 电子式湿度传感器的特点 电子式湿度传感器是近几十年，特别是近 20 年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到 23RH。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在2%左右，甚

35、至更高。一般情况下，生产厂商会标明 1 次标定的有效使用时间为 1年或 2 年，到期需重新标定。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命都不是很好。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。 13电子式湿度传感器主要有电容式和电阻式两种。电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往

36、达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH 以下，80%RH 以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现“阶跃 “性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为 pF 级，1%RH 的变化不足 0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十%RH 的误差，大多数电容式湿敏元件不具备 40以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。2.2.2 湿度传感器简介湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。燕山大学本科生毕业设计(论文)111湿敏电阻。湿敏电阻的特

37、点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。2湿敏电容。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低

38、一些。国外生产湿敏电容的主厂家有 Humirel公司、Philips 公司、Siemens 公司等 。以 Humirel 公司生产的 SH1100 型湿敏电容为例，其测量范围是(1% 99%)RH，在 55%RH 时的电容量为 180pF(典型值)。当相对湿度从 0 变化到100%时，电容量的变化范围是163pF202pF。温度系数为 0.04pF/，湿度滞后量 为1.5%，响应时间为5s。除 电 阻 式 、 电 容 式 湿 敏 元 件 之 外 ， 还 有 电 解 质 离 子 型 湿 敏 元 件 、重 量 型 湿 敏 元 件 (利 用 感 湿 膜 重 量 的 变 化 来 改 变 振 荡 频 率

39、 )、 光 强 型 湿 敏元 件 、 声 表 面 波 湿 敏 元 件 等 。 湿 敏 元 件 的 线 性 度 及 抗 污 染 性 差 ， 在 检测 环 境 湿 度 时 ， 湿 敏 元 件 要 长 期 暴 露 在 待 测 环 境 中 ， 很 容 易 被 污 染 而影 响 其 测 量 精 度 及 长 期 稳 定 性 。2.2.3 HS1101HUMIREL 湿 度 传 感 器 HS1101/HS1100 基 于 独 特 工 艺 设 计 的 电 容元 件 ， 这 些 相 对 湿 度 传 感 器 可 以 大 批 量 生 产 。 可 以 应 用 于 办 公 自 动 化 ，车 厢 内 空 气 质 量 控

40、制 ， 家 电 ， 工 业 控 制 系 统 等 ， 在 需 要 湿 度 补 偿 的 场合 他 也 可 以 得 到 很 大 的 应 用 。 具 有 以 下 特 点 ：1全互换性在标准环境下不需校正；2长时间饱和下快速脱湿；燕山大学本科生毕业设计(论文)123可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸；4高可靠性与长时间稳定性；5专利的固态聚合物结构；6可用于线性电压或频率输出回炉；7快速反应时间。如下表 2-1 所示，即为湿度传感器 HS1101 的最大参数(Ta=25 ，除非特别标定) ：表 2-1 最大参数参数 符号 参数值 单位工作温度 Ta -40100 储存温度 Tstg -40125 供电电压

41、 Vs 10 Vac湿度范围 RH 0100 %RH焊接时间T=260 t 10 SHS1101 的基本参数，如表 2-2 所示。默认表 2-2 的测量温度 T=25，测量时 HS1101 工作频率为10KHz，除非特别标 定。表 2-2 基本参数特征参数 符号 Min Typ Max 单位湿度测量范围 RH 1 99 5供电电压 Vs 5 10 V标称电容55%RH C 177 180 183 pF温度效应 Tcc 0.04 pF/平均灵敏度(33%75%RH)C/%RH 0.34 pF/%RH漏电流 Ix 1 nA恢复时间150 小时结露Tr 10 s迟滞 +/-1.5 %长时间稳定性 0

42、.5 %RH/yr反应时间 Ta 5 S曲线精度(10%90%) +/-2 %RHHS1101 的特性曲线，如图 2-2 所示，测量温度 T=25，测量时HS1101 工作频率为 10KHz。燕山大学本科生毕业设计(论文)13测量时为了达到更好的互换性，回路中需要把传感器的第 2 脚接地。图 2-2 特性曲线2.3 无线传输模块 nRF24012.3.1 芯片介绍无线传输模组以 nRF2401 芯片为核心，提供了一路 的无线发射和两路的无线接收功能，该模组通过一个 10Pin 接口直接插接到 61 板上，方便使用。nRF2401 是单片射频收发芯 片，工作于 2.42.5GHz ISM 频段，

43、芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率发射时，工作电流只有 10.5mA，接收时工作电流只有 18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其 DuoCeiverTM 技术使 nRF2401 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF24 01 适用于 多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。nRF2401 内置地址解码器、先入先出堆 栈区、解调处理器 、时钟处理器、GFSK 滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此

44、使用起来非常方便。QFN24引脚封装，外形尺寸只有 55mm。nRF2401 功能模块如下图 2-3 所示。燕山大学本科生毕业设计(论文)14PCB 设计对 nRF2401 的整体性能影响很大，所以 PCB设计在 nRF2401收发系统的开发过程中主要的工作之一，在 PCB 设计时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。图 2-3 nRF2401 功能模块nRF2401 的 PCB 一般都是双层板，底层一般不放置元件，为地层，顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD 引脚。nRF2401 的供电电源

45、应通过电容隔开，这样有利于给 nRF2401 提供稳定的电源。在 PCB 中，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。2.3.2 引脚介绍nRF2401 的引脚电路图如下图 2-4 所示：燕山大学本科生毕业设计(论文)15图 2-4 引脚电路图nRF2401 各个引脚的说明如 下表 2-3 所示：表 2-3 引脚说明引脚 名称 引脚功能 描述1 CE 数字输入 使 nRF2401 工作于接受或者发送状态2 DR2 数字输出 频道 2 接收数据准备好3 CLK2 数字 I/O 频道 2 接收数据时钟输入/输出4 DOUT2 数字输出 频道 2 接收数据5 CD 数字输入 配置模式的片选端

46、6 DR1 数字输出 频道 1 接收数据准备好7 CLK1 数字 I/O 频道 1 接收数据时钟输入/输出8 DATA 数字 I/O 频道 1 接受/发送数据端9 DVDD 电源 电源的正数字输出10 VSS 电源 电源地11 XC1 模拟输出 晶振 112 XC2 模拟输入 晶振 213 VDD_PA 电源输出 给功率放大器提供 1.8V 的电压14 ANT1 天线 天线接口 115 ANT2 天线 天线接口 216 VSS_PA 电源 电源地17 VDD 电源 电源正端18 VSS 电源 电源地19 IREF 模拟输入 魔术转换的外部参考电压20 VSS 电源 电源地21 VDD 电源 电

47、源正端22 VSS 电源 电源地23 PWR_UP 数字输入 芯片激活端24 VDD 电源 电源正端2.4 本章小结本章介绍了设计下位机所涉及到的SPCE061A，湿度传感器 HS1101，无线数传模块 nRF2401 这三 个重要的组成模块，主要表明了 设计芯片的主要使用部分及所用的引脚接，为硬件电路的设计做好准备。燕山大学本科生毕业设计(论文)16第 3 章 系统硬件设计对于湿度测量仪，除了具有一个控制器控制测量外，还需要测量器。本下位机系统中采用 SPCE061A 作为控制器，电容式湿度 传感器 HS1101作为测量器，利用 nRF2401 作为与上位机通信的无线 模块。由于电容不能直接

48、和 SPCE061A 的 I/O 口连接进行测量，所以需要一个电路模块，与SPCE061A 的Feedb ack 接口 IOB2、IOB4、IOB3、IOB5 连接，实现从电容到频率的转换，系统的结构框图如图 3-1：图 3-1 系统结构框图系统的功能：1测量湿度。2测量到的湿度值传送到单片机。3将数据通过无线数传模块 nRF2401 与上位机进行通 信。3.1 SPCE061A 最小系统下位机系统应用到 SPCE061A 的内存储器、A/D 转换器、I/O 端口、定时器/计数器等几个主要部分。本方案使用SPCE061A 精简 开发板(61 板)作为单片机最小系统。61 板包括SPCE061A

49、 芯片及其外围的 基本模块，外围模块包 括：晶振输入模块(OSC)、锁相环外围电路(PLL)、复位电路(RESET )、指示灯(LED) 等，如下图 3-2 所示：Hs1101 SPCE061AnRF2401看门狗A/D燕山大学本科生毕业设计(论文)17图 3-2 SPCE061A 最小系统3.1.1 SPCE061A 的内 存储器nSPTM的片内存储器地址映射如表 3-3 所示。4M 字的存储器地址可以映射成 64 页，每一页有 64K 字的存储容量，其地址取决 于 16 位寄存器或存储器的值。页的地址映射值 0x000x3F 由地址线 A16A21 编址形成，即页的索引。通过对 SR寄存器中 6位代码段选择字段 CS或数据段选择字段 DS的赋值可完成存储器页的索引。存储器映射中的第一页即零页的地址映射值为0x00。通常，零页专门设计用于需频繁访问的数据类型的存储单元，例如用户定义的变量存储器或一些外部设备接口等。其它非零页是以高密度巨大容量的掩