基于CortexM0的无线环境监测系统设计.docx
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基于CortexM0的无线环境监测系统设计
电气工程与自动化学院
课程设计报告
(嵌入式技术实践)
题目:
基于Cortex-M0的无线环境监测系统设计
专业班级:
自动化XX班
学号:
XX号
学生姓名:
XXX
指导老师:
王祖麟梁毓明
2012年7月6日
摘要
针对多点数据(温度、噪声、光照)采集电路与数据采集器平台数据传输问题,提出近距离无线传输方案。
分析了目前主流的几种近距离无线通信技术,选择了基于NRF24L01的无线收发模块。
这里数据的采集及发送部分都采用以Cortex-M0开发板为主控制器,传感器采用DS18B20温度传感器、传声器和光敏电阻;数据接收及显示部分也是采用以Cortex-M0开发板为主,显示部分则采用液晶屏显示。
通过模拟试验验证了方案的可行性,并达到了预期效果。
系统实现模块化设计,具有工作稳定、操作方便、体积小、安全等特点。
该方案可用于其他场合多种传感器参数的提取分析。
关键词:
环境监测;Cortex-M0;NRF24L01;DS18B20;传声器;光敏电阻
Abstract
Formoredata(temperature,noise,light)acquisitioncircuitanddatacollectorplatformdatatransmission,thispaperputsforwardtheclosewirelesstransmissionscheme.Analysisofthecurrentmainstreamseveralclosewirelesscommunicationtechnology,andchoosetheNRF24L01basedonthewirelesstransceivermodule.HeretocollectthedataofthepartanddeliveryCortex-M0mainlydevelopmentboardcontroller,thetemperaturesensorDS18B20sensoradopts,microphonesandphotoconductiveresistance;DatareceivinganddisplaysectionisalsousedtoCortex-M0developmentboardgivepriorityto,showpartUSESthedisplayontheLCDpanel.Throughthesimulationtestthefeasibilityofthescheme,andthedesiredeffect.Systemmodulardesign,havestablework,convenientoperation,smallvolume,safetyfeatures.Theschemecanbeusedforotheroccasionsavarietyofsensorparametersextractionanalysis.
Keywords:
environmentalmonitoring;Cortex-M0;NRF24L01;DS18B20;Microphone;Photoconductiveresistance.
第1章绪论
1.1课题设计的来源
1.1.1课题背景
在科技飞速发展的今天,环境监测已经逐渐向现代化、自动化、科技化、科学化等发展。
环境是人类生活与工作的重要物理条件,在农业、工业环境方面就显得尤为重要,特别是环境监测方面,怎样才能提高作物的产量、怎么的环境才是作物适应的,作物生长需要什么样的温度,需要的光照度是多少;怎样才能在危险的区域施工而不用担心事故的发生和减少因为外界环境变化而引起的事故;并且随着各行各业的迅猛发展和提高,许多现代工业对环境温度、噪声、光照的控制要求越来越高,许多车间在生产特定产品时都需要对车间温度、噪声、光照进行监控。
这些信息我们怎样获得,这就需要我们用科学的知识来解决这个问题,也正因如此,本课题就应运而生了。
本无线环境数据监测系统的设计目的就是用来监测周围环境温度的变化、声音的变化和光照的有无,然后把相关数据采集保存,然后通过无线模块将数据发送,无线接收模块接收数据,同时将数据显示在液晶屏上。
本无线环境数据监测系统的数据采集及发送部分采用以Cortex-M0开发板为主控制器,传感器采用DS18B20温度传感器、传声器和光敏电阻;数据接收及显示部分也是采用以Cortex-M0开发板为主,显示部分采用液晶屏;针对多数据(温度、噪声、光照)采集电路及数据传输问题,提出近距离无线传输方案。
分析了目前主流的几种近距离无线通信技术,选择了基于NRF24L01的无线收发模块。
1.1.2课题设计的思想
设计的主要思路是通过传感器监测环境温度的变化、声音的变化和光照的有无,将采集的数据传输给Cortex-M0开发板进行初步处理,然后通过无线收发模块发送相关数据;对应的另一个无线收发模块接收数据,并将它们显示在液晶屏上。
通过设计和制作无线环境监测系统,从而能够有效的监测环境参量,本课题设计的无线环境监测系统能够在实际应用中对环境参数进行准确的测量并可靠传输,达到了预期效果,体现了传感器系统数字化、智能化、无线化的优点。
1.2有关数据采集的基本知识
1.2.1温度简介
温度是表示物体冷热程度的物理量。
微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。
从分子运动论观点看,温度是物体分子平均平动动能的标志。
温度是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。
对于个别分子来说,温度是没有意义的。
温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。
分子运动愈快,物体愈热,即温度愈高;分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低。
这种现象被描述为一个物体的热势,或能量效应。
当以数值表示温度时,即称之为温度度数。
值得注意的是,少数几个分子甚至是一个分子构成的系统,由于缺乏统计的数量要求,是没有温度的意义的。
1.2.2光照简介
光照强度,简称照度。
一个被光线照射的表面上的照度定义为照射在单位面积上的光通量。
设面元dS上的光通量为dΦ,则此面元上的照度E为:
E=dΦ/dS。
照度的单位为lx(勒克斯),也有用lux的,1lx=1lm/㎡。
照度表示物体表面积被照明程度的量。
1.2.3噪声简介
物理学定义:
噪声是发生体做无规则时发出的声音。
生理学定义:
凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音,以及对人们要听的声音产生干扰的声音。
从这个意义上来说,噪声的来源很多。
街道上的汽车声、安静的图书馆里的说话声、建筑工地的机器声、以及邻居电视机过大的声音,都是噪声。
总体讲,噪音是物体振动产生。
1.2.4液晶显示
液晶屏可以显示多种数据,汉字也可以显示出来,人机界面很好,可以同时显示出多种数据,而且随着科技的发展,液晶技术已经越来越普遍,因此,我们采用液晶屏显示。
1.3国内外的研发现状
早在上世纪70年代,就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感器控制器而构成传感器网络雏形,我们把它归之为第一代传感器网络。
随着相关学科的的不断发展和进步,传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力,并通过与传感控制器的相联,组成了有信息综合和处理能力的传感器网络,这是第二代传感器网络。
而从上世纪末开始,现场总线技术开始应用于传感器网络,人们用其组建智能化传感器网络,大量多功能传感器被运用,并使用无线通信,无线传感器网络逐渐形成。
无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,其发展和应用,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。
美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时,将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术,在《商业周刊》预测的未来四大新技术中,也将其列入其中。
可见,无线传感器网络的广泛是一种必然趋势,它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
1.3.1温度传感器的发展概况
最早的温度计是近代科学之父伽利略于1597年提出的,它是利用空气热膨胀原理的温度计。
然而这种温度计使用不便,因此开发了利用酒精和水银热膨胀的热体温度计,这就是最初的机械温度计。
随着测量技术的发展,出现了温度传感器,例如热电偶,它是基于泽贝克发现热电势效应而制成的。
还有热敏电阻,它是根据金属和半导体的电阻随着温度的变化而变化的原理而制成的传感器。
这些都属于基于物理原理的传感器。
而后,又出现了基于模拟电子技术的PN结传感器、晶体传感器等。
当今,由于用于感温材料越来越多,温度传感器的种类也越来越多。
特别是随着计算机技术和电子技术的发展,各种集成式、电子式的温度传感器相继出现,使温度传感器技术已经相当成熟。
我们用的DS18B20就是数字温度传感器。
DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1-wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
1.3.2光照传感器的发展概况
我国是世界上光敏电阻的生产大国,光敏电阻的生产地集中在南阳和沿海地带,随着电子信息技术的飞速发展和对电子元器件性能要求的不断增强,我国光敏电阻的生产技术也必须迎头赶上世界潮流,光敏电阻的生产过程有很多工序,要求非常苛刻,比如对原材料的要求,除了对原材料本身质量要求很高外,使用前的处理也极其讲究,现在光敏电阻生产的许多工序都已实现了自动化了。
生产过程的自动化大大提高了生产效率和产品质量。
因此,对光敏电阻特性的研究具有重要的意义。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻,为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极,接出引线,封装在具有透光镜的密封壳体内,以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里,它的电阻值很高,当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强,阻值愈低。
入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将复合,光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压,其中便有电流通过,受到波长的光线照射时,电流就会随光强的而变大,从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也加交流电压。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
半导体光敏电阻的主要特点是灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用,而且工艺简单、价格便宜等,正是由于这些优点,使光敏电阻被广泛应用。
1.3.3液晶屏的发展概况
TFT(ThinFilmTransistor)LCD即薄膜场效应晶体管LCD,是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种。
液晶平板显示器,特别TFT-LCD,是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件,它的性能优良、大规模生产特性好,自动化程度高,原材料成本低廉,发展空间广阔,将迅速成为新世纪的主流产品,是21世纪全球经济增长的一个亮点。
TFT-LCD是有源矩阵液晶显示器(AMLCD)的典型代表,其研究最活跃、发展最快、应用增长也最迅速,在笔记本电脑、摄像机与数字照相机监视器等方面的应用独领风骚,另外,它在地理信息系统以及飞机座舱、便携式DVD、台式电脑和多媒体显示器等方面都得到很好的应用。
从图1_3可以看到LCD是由二层玻璃基板夹住液晶组成的,上层的玻璃基板是彩色滤波片,而下层的玻璃上镶嵌有电晶体,二层之间形成一个平行板电容器,通过嵌入在下玻璃基板上的TFT对这个电容器和内置的存储电容充电,维持每幅图像所需要的电压直到下一幅画面更新。
液晶的彩色都是透明的必须给LCD衬以白色的背光板上才能将五颜六色表达出来,而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色灯光。
因此在TFT-LCD的底部都组合了灯具,如CCFL或LED。
图1-3TFT-LCD的切面结构图
目前,绝大部分笔记本电脑厂商的产品都采用TFT-LCD。
早期的TFT-LCD主要用于笔记本电脑的制造。
尽管在当时TFT相对于DSTN具有极大的优势,但是由于技术上的原因,TFT-LCD在响应时间、亮度及可视角度上与传统的CRT显示器还有很大的差距。
加上极低的成品率导致其高昂的价格,使得桌面型的TFT-LCD成为遥不可及的尤物。
随着九十年代初TFT技术的成熟,彩色液晶平板显示器迅速发展,不到10年的时间,TFT-LCD迅速成长为主流显示器,这与它具有的优点是分不开的。
主要特点是:
(1)使用特性好
低压应用,低驱动电压,固体化使用安全性和可靠性提高;平板化,又轻薄,节省了大量原材料和使用空间;低功耗,它的功耗约为CRT显示器的十分之一,反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右,节省了大量的能源;TFT-LCD产品还有规格型号、尺寸系列化,品种多样,使用方便灵活、维修、更新、升级容易,使用寿命长等许多特点。
显示范围覆盖了从1英寸至40英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影大平面,是全尺寸显示终端;显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率,高彩色保真度,高亮度,高对比度,高响应速度的各种规格型号的视频显示器;显示方式有直视型,投影型,透视式,也有反射式。
(2)环保特性好
无辐射、无闪烁,对使用者的健康无损害。
特别是TFT-LCD电子书刊的出现,将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代,引发人类学习、传播和记载文明方式的革命。
(3)适用范围宽
从-20℃到+50℃的温度范围内都可以正常使用,经过温度加固处理的TFT-LCD低温工作温度可达到零下80℃。
既可作为移动终端显示,台式终端显示,又可以作大屏幕投影电视,是性能优良的全尺寸视频显示终端。
(4)制造技术的自动化程度高
大规模工业化生产特性好。
TFT-LCD产业技术成熟,大规模生产的成品率达到90%以上。
(5)TFT-LCD易于集成化和更新换代
是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合,继续发展潜力很大。
目前有非晶、多晶和单晶硅TFT-LCD,将来会有其它材料的TFT,既有玻璃基板的又有塑料基板。
不过,随着技术的不断发展,良品率不断提高,加上一些新技术的出现,使得TFT-LCD在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步,拉近了与传统CRT显示器的差距。
如今,大多数主流LCD显示器的响应时间都提高到16ms以下,这些都为LCD走向主流铺平了道路。
1.4本课题的主要任务及意义
无线环境数据监测系统可以定义为一个过程或者一个系统。
利用Cortex-M0开发板、NRF24L01无线收发模块、多种传感器和液晶屏显示等小模块有机的结合在一起。
可以实时监测环境中温度、噪声和光照的变化并实时显示出来。
无线环境数据监测系统有着巨大的应用前景,被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一。
随着传感器技术、无线通讯技术和计算机技术的不断发展和完善,各种传感器网络将遍布我们的生活。
完成这个课题,让我加强了对Cortex-M0开发板的深入学习,提高了硬件和软件设计的能力,并且对其具有更加深刻的印象,同时也培养团队合作精神、解决实际问题的综合能力。
第2章方案的对比和论证
2.1传感器的选择
传感器是实现测量与控制的首要环节,是测控系统的关键部件,如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕获和转换,一切准确的测量和控制都将无法实现。
2.1.1温度传感器的选择
方案一:
采用热敏电阻,价格比较便宜,但热敏电阻精度、重复性、可靠性差,对于检查1摄氏度的信号时不适用的。
方案二:
DS18B20数字温度传感器,它是DALLAS公司生产的1-wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点,输出信号全数字化,便于控制,省去了传统的测温方法的许多外围电路,且物理化学性能稳定。
方案一的电路复杂,可扩展性不高,方案二相对更简单且精确,因此我们选择方案二。
2.1.2温度传感器的选择
系统检测光照的功能,采用光敏电阻。
通过光敏电阻的光电效应进行工作,在黑暗环境中光敏电阻的电阻值很大,导电性降低,受光照照射时,电阻值降低,导电性增强,结构简单可靠,反应快。
2.2通信方案的选择
在无线传输的方式中,包含315MHz免执照频段、蓝牙技术和ZigBee技术。
315MHz免执照频段通信易受干扰,蓝牙技术和ZigBee技术成本高,且协议开销大。
综合考虑以上因素,本设计采用NORDIC公司生产的2.4GHz射频收发器件NRF24L01来提供数据传输。
NRF24L0是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz~2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时,工作电流也只有9mA;接收时,工作电流只有12.3mA,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
2.3显示方案的选择
2.3.1数码管显示
数码管显示位数有限,不能满足显示需要,因此不考虑。
2.3.2液晶屏显示
液晶屏可以显示多种数据,汉字也可以显示出来,人机界面很好,可以同时显示出多种数据,而且随着科技的发展,液晶技术已经越来越普遍,因此,我们采用液晶屏显示。
第3章系统的硬件设计
3.1主从微控制器
基于Cortex-M0的处理器是市场上现有的最小的、能耗最低的ARM处理器。
该处理能耗非常低、门数量少、代码密度高,使得MCU开发人员能够以8位处理器的价位,获得32位处理器的性能。
超低门数还使得其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及MCU应用中,可见明显节约系统成本。
图3-1Cortex-M0的结构图
3.2NRF24L01介绍
3.2.1NRF24L01芯片概述
NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz~2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
它采用FSK调制,内嵌NORDIC公司的EnhancedShockBurst协议,内置链路层,可实现点对点或1对6无线通信。
有125个可选工作频道,频道切换时间短,可用于跳频,通过跳频可以减少干扰。
NRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时,工作电流也只有9mA;接收时,工作电流只有12.3mA,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
NRF24L01主要特性如下:
●GFSK调制;
●硬件集成OSI链路层;
●具有自动应答和自动再发射功能;
●片内自动生成报头和CRC校验码;
●数据传输率为lMb/s或2Mb/s;
●SPI速率为0Mb/s~10Mb/s;
●125个频道;
●与其他nRF24系列射频器件相兼容;
●QFN20引脚4mm×4mm封装;
●供电电压为1.9V~3.6V。
3.2.2引脚功能及描述
NRF24L01的封装及引脚排列如图3_2所示。
各引脚功能如下:
图3_2NRF24L01的封装图
●CE:
使能发射或接收;
●CSN,SCK,MOSI,MISO:
SPI引脚端,微处理器可通过此引脚配置NRF24L01:
●IRQ:
中断标志位;
●VDD:
电源输入端;
●VSS:
电源地;
●XC2,XC1:
晶体振荡器引脚;
●VDD_PA:
为功率放大器供电,输出为1.8V;
●ANT1,ANT2:
天线接口;
●IREF:
参考电流输入。
3.2.3工作模式
通过配置寄存器可将NRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式,如表3.2所示。
●待机模式1主要用于降低电流损耗,在该模式下晶体振荡器仍然是工作的;
●待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式;
●待机模式下,所有配置字仍然保留。
在掉电模式下电流损耗最小,同时NRF24L01也不工作,但其所有配置寄存器的值仍然保留。
表3.2NRF24L01四种工作模式
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
-
发射模式
1
0
1
数据在TX FIFO 寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式,直至数据发送完
待机模式2
1
0
1
TX FIFO 为空
待机模式1
1
-
0
无数据传输
掉电
0
-
-
-
3.2.4工作原理
发射数据时,首先NRF24L01配置为发射模式:
接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入NRF24L01缓存区,TX_PLD必须在CSN为低时连续写入,而TX_ADDR在发射时写入一次即可,然后CE置为高电平并保持至少10μs,延迟130μs后发射数据;若自动应答开启,那么NRF24L01在发射数据后立即进入接收模式,接收应答信号(自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致)。
如果收到应答,则认为此次通信成功,TX_DS置高,同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答,则自动重新发射该数据(自动重发已开启),若重发次数(ARC)达到上限,MAX_RT置高,TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时,使IRQ变低,产生中断,通知MCU。
最后发射成功时,若CE为低则NRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高,则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高,则进入空闲模式2。
接收数据时,首先将NRF24L01配置为接收模式,接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。
当接收方检测到有效的地址和CRC时,就将数据包存储在RX FIFO中,同时中断标志位RX_DR置高,IRQ变低,产生中断,通知MCU去取数据。
若此时自动应答开启,接收方则同时进入发射状态回传应答信号。
最后接收成功时,若CE变低,则NRF24L01进入空闲模式1。
在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。
如下图3_3,给出SPI操作及时序图:
图3_3SPI读操作
图3_4SPI写操作
3.2.5配置字
SPI口为同步串行通信接口,最大传输速率为10Mb/s,传输时先传送低位字节,再传送高位字节。
但针对单个字节而言,要先送高位再送低位。
与SPI相关的指令共有8个,使用时这些控制指令由NRF24L01的MOSI输入。
相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。
NRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义,这些配置寄存器可通过SPI口访问。
NRF24L01的配置寄存器共有25个,常用的配置寄存器如表3.2所示。
表3.2:
常用配置寄存器
地址(H)
寄存器名称
功能
00
CONFIG
设置24L01工作模式
01
EN_AA
设置接收通道及自动应答
02
EN_RXA
- 配套讲稿:
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