哈尔滨理工大学学士学位论文 2.2 元器件的选择
2.2.1 单片机的选择
STC89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式[9]。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机实物图如图2-1所示。单片机的主要特性如表2-2所示。
图2-2 单片机实物图
表2-1 STC89C52主要特性
主要功能特性 兼容MCS51指令系统 8K可反复擦写Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 - 6 -
哈尔滨理工大学学士学位论文 2.2.2 温度传感器的选择
本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因：
测温范围为-55℃～+125℃，测温精度为士0.5℃；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。由于DS18B20是单总线器件，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。使测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化。由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。同时因为DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维护工作。DS18B20相对于其他温度传感器有以下几方面特征。
独特的单引线接口仅需一个端口引脚进行通讯，每个期间有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中，简单的多点分布式测温应用，无需外部器件，可通过数据线供电。供电范围3.0V到5.5V，测温范围为-55~+125℃，在-10~+85℃内精度为±5℃，温度计分辨率可以被使用者选择为9~12位，最多在750ms内将温度转化为12位数字，用户可定义的非易失性温度报警设置，报警命令识别并标志超过程序限定温度的器件。DS18B20芯片封装结构如图2-3所示。
图 2-3 DS18B20的芯片封装结构
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哈尔滨理工大学学士学位论文 2.2.3 湿度传感器的选择
HS1101电容传感器，其工作原理是空气中的水分子透过多孔金电极被感湿膜吸附，使得两电极间的介电常数发生变化，环境湿度越大，感湿膜吸附的水分子就越多，使湿度传感器的电容量增加得越多，根据电容量的变化可测得空气的相对湿度。涉及如何将电容的变化量准确地转变为单片机易于接受的信号，采用将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被单片机所采集。 HS1101电容传感器有以下几个显著特点[10]。
(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
(3) 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路 (7) 快速反应时间
相对湿度在0%～100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/℃。可见其精度是较高的。其湿度电容响应曲线如图2-4所示，湿度传感器的产品图片如图2-5所示，HS1101湿度传感器常用参数如表2-2所示。
20 40 60 80
相对湿度%RH
图2-4 HS1101 湿度—电容响应曲线
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图2-5 HS1101产品实物图 表2-2 HS1101常用参数 参数 工作温度 储存温度 供电电压 湿度范围 焊接时间@=260 符号 Ta Tstg Vs RH T 参数值 -40～100 -40～125 10 0～100 10
单位 ℃ ℃ Vac %RH S 2.2.4 NRF24L01无线收发模块
NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz
ISM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。实物图如图2-6所示。NRF24L01主要特性如下[11]：
(1) GFSK调制
(2) 硬件集成OSI链路层
(3) 具有自动应答和自动再发射功能 (4) 片内自动生成报头和CRC校验码 (5) 数据传输率为l Mb/s或2Mb/s (6) SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s (7) 125个频道
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哈尔滨理工大学学士学位论文 (8) 与其他nRF24系列射频器件相兼容 (9) QFN20引脚4 mm×4 mm封装 (10) 供电电压为1.9 V～3.6 V
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2-3所示。
表2-3 NRF24L01四种工作模式 模式 接收模式 发射模式 发射模式 待机模式2 待机模式1 掉电 PWR_UP 1 1 1 1 1 0 PRIM_RX 1 0 0 0 - - CE 1 1 1→0 1 0 - FIFO寄存器状态 - 数据在TX FIFO 寄存器中 停在发送模式，直至数据发送完 TX FIFO 为空 无数据传输 - 2.3 本章小结
本章首先是介绍了总体方案的设计，包括系统要实现的功能，系统要达到的技术指标和系统的组成框图，系统的组成框图中明确的注明了系统各部分使用的传感器和实现系统功能所需的模块。针对系统方案的整体构思选择51单片机作为微处理器，DS18B20温度传感器为温度采集的感温元件，湿度采集则使用HS1101湿度传感器，并对传感器进行了相应的介绍，也对实现无线传感器网络的NRF24L01芯片进行了介绍和说明。
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