基于单片机的粮仓温湿度多点无线监测系统设计毕业设计

方案二：选择主控为ST7920驱动器的带字库的LCD12864来显示信息。LCD12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果，但考虑到监测节点较多，需显示的信息较多，而其最多只能显示四行信息。

方案三：采用配置2.8寸的TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。该模块的控制器为ILI9325,具有26万像素，320×240的分辨率，16位真彩显示。可以清晰的显示各监测节点的信息，且其可以显示人性化界面，各节点信息以及报警上限温湿度值一目了然。

综合以上方案，选择了可显示人性化界面的TFT-LCD作为接收端的显示。

3 主要芯片介绍和系统模块硬件设计

3.1 ATmega16L-8AI单片机

图2 单片机最小系统

单片机控制模块由ATmega16L最小系统组成，包括ATmega16L-8AI单片机（芯片内集成晶振电路）和复位电路。单片机复位端低电平有效，系统上电后由RC充放电电路实现自动复位，也可短按复位按键S1实现手动复位(王卫星，2009)。单片机最小系统如图2所示。

ATmega16L系列单片机管脚如图2所示。本设计无线传感器模块控制接口为PB3～PB7以及PD2；下载程序采用ISP通信，采用USB ISP下载器进行程序下载，其接口为PB5~PB7以及RST端口；RXD/P3.0和TXD/P3.1为串口通信端口，RXD用于读数据，

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TXD用于发送数据；监测端：温湿度数据采集端口为PC0～PC7；接收端：TFT彩屏接口为PC0～PC7和PA2～PA4。 3.2 nRF24L01无线模块 3.2.1 nRF24L01模块电路图

nRF24L01(张玉建，2012；刘靖等，2007)芯片是由NORDIC公司生产一款无线通信芯片，采用FSK调制方式，内部集成有NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。通信速度可以达到2Mb/s。nRF24L01无线射频模块的电路图如图3所示。

图3 nRF24L01模块电路图

3.2.2 nRF24L01模块接口电路

图4 单片机与无线模块通信及其电源转换电路图

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nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM(Industrial Scientific Medical)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-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，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。

表1 nRF24L01模块引脚功能

管脚 CE CSN SCK MOSI MISO IRQ VDD GND

功能

工作模式，TX或者RX模式选择 SPI片选使能，低电平有效

SPI时钟 SPI数据输入 SPI数据输出 中断输出 电源1.9-3.6V输入

地

nRF24L01无线射频模块的各引脚功能如表1所示。图4所示为单片机与无线模块通信及其电源转换电路图，图中CE(Control Enable)使能控制线，CSN(Channel Sequence Number) 频道序号，MOSI (Master Out Slave In)主机输出从机输入，MISO(Master In Slave Out)主机输入从机输出，SCK(Serial Clock)串行时钟线，IRQ(Interrupt Request)中断请求位，分别跟ATmega16L的PB3～PB7以及PD2端口连接。 3.2.3 nRF24L01模块供电电源

此无线射频模块需要的电源为1.9 V～3.6 V，故不能直接用5V电源供电，本系统中采用3.3V直流电源对无线射频模块供电，5V电源经LM1117芯片进行转换后即得到稳定的直流电源供给nRF24L01无线射频模块。 3.2.4 nRF24L01模块工作模式

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2所示。

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。

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3.2.5 nRF24L01模块工作原理

发射数据：先将nRF24L01配置为发射模式，再把接收节点地址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)。若重发次数达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便再次重发。MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知ATmega16L。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。

表2 nRF24L01工作模式及配置

工作模式 接收模式 发射模式 发射模式 待机模式1 待机模式2 掉电

PWR_U1 1 1 1 1 0

PRIM_R

1 0 0 0 0 0

CE 1 1 下降沿 0 1 0

FIFO寄存器状态 数据在RX FIFO 寄存器中 数据在TX FIFO 寄存器中 停留在发送模式，直至数据发送完

无数据传输 TX FIFO 为空 无数据传输

接收数据：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。当接收方监测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO数据寄存器中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，进入中断服务子程序，通知单片机ATmega16L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。若自动应答未开启，则不进入发射状态。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。

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