基于NRF905的无线数据采集控制智能车设计.doc

《基于NRF905的无线数据采集控制智能车设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于NRF905的无线数据采集控制智能车设计.doc（51页珍藏版）》请在沃文网上搜索。

1、目 录中文摘要、关键词I英文摘要、关键词II引 言1第1章 方案论证及选择21.1 NRF系列射频芯片发展综述21.2 设计的任务要求21.3 系统初步设计及可行性论证31.4 控制器的选择41.5 温湿度传感器的选择51.6 通信模块的选择51.7 小车电机驱动电路的选择6第2章硬件设计72.1控制器72.1.1 MCU及其最小系统电路72.2温湿度采集82.3光照采集电路92.4人体热释红外采集102.5无线收发模块NRF905102.5.1 NRF905工作模式112.5.2 NRF905模块的引脚定义132.6电源电路142.7 L298N电机驱动电路142.8 RS232串行通信电路

2、162.9 低功耗设计172.9.1理论功耗172.9.2实际功耗17第3章 软件设计193.1 NRF905通信协议193.2温湿度采集203.3光照及人体热释红外采集203.4 L298N小车电机驱动状态协议213.5数据采集控制主控制器程序设计流程213.6数据转发主控制器程序设计流程223.7上位机程序设计23结 论26致 谢27参考文献27附 录29附录A：硬件原理图29附录B：硬件PCB图31附录C：硬件实物图33附录D：部分源程序34基于NRF905的无线数据采集控制智能车设计摘要：本设计是采用ATMEGA16L单片机和无线收发一体芯片NRF905设计的无线数据采集与控制的智能车

3、。该智能车采用无线数据采集和控制的设计方法，能够实现对小车所处环境信息的无线数据采集，并可以将小车的运动状态加以控制。在PC机上显示小车的运动状态和所处位置的温湿度、光照以及有无人等环境情况，并且能够通过上位机对小车的运动状态加以控制。该设计主要由数据采集模块、数据处理模块、数据发送接收模块、电机驱动模块、串行通信模块和电源模块等模块组成。NRF905利用SPI口实现双向通讯的无线数据采集控制，数据发送接收模块在发射状态时主要将要发送的数据经单片机处理后，通过NRF905发送出去，在接收状态时，则将数据正确接收处理后将采集到的信息予以显示或对需要控制小车的运动状态加以控制，从而实现短距离的无线

4、通信，是目前最具有发展潜力的数据采集控制方式。关键词：单片机 NRF905 无线通信 智能车 IThe Wireless Data Acquisition Control of Intelligent Vehicle Design Based on NRF905Abstract：The design USES the ATMEGA16L SCM and single chip wireless transceiver integrated chip NRF905 design of wireless data acquisition and control of intelligent veh

5、icle, this intelligent vehicle USES the wireless data acquisition and control design method. Can realize car environment for the wireless control and information can be controlled, the motion of car. PC display car in the state of motion and the location of the temperature and humidity, sunshine and

6、 have no one, etc, and can through conditions of carriage upper equipped thing motions try to control. This design mainly by the data acquisition module, data processing module, data sending receiving module, motor driver module, serial communication module and power supply module module. NRF905 rea

7、lize two-way communication using SPI mouth of wireless data acquisition control system, data sending receiving module in state primary will launch the data sent SCM processing, through NRF905 sent in receiving state, when will the data received correctly handle the collected information will be disp

8、layed or to the need to control the motion controlled car, thus realize short range wireless communication, is the most potential for data acquisition control mode.Key words：microcontroller; NRF905; Wireless communication;Intelligent VehicleII1引 言当代科学技术日益向高速化、智能化、信息化、网络化发展,各种智能化控制系统(比如智能化小区内部的无线抄表系统

9、、门禁系统、防盗报警系统和安全防火系统等)、工业数据采集系统、水文气象控制系统、机器人控制系统、数字图像传输系统等等，都已经离不开数据信息的电子传输。可以说，数据信息传输系统是各种智能化控制系统的重要组成部分。而数据传送大部分采用有线数据传送方式，如并行传送、串行传送和CAN总线等等。在有线数据传输方式当中，数据的传输载体是双绞线、同轴电缆或光纤。其实，数据传输还可以用无线传输方式，即通过空气或真空实现数据传送。相比于传统的有线数据传输方式，无线传输方式可以不考虑传输线缆的安装问题，从而节省大量线缆，降低施工难度和系统成本，因而是一个很有发展潜力的设计。在传统的数据采集控制系统中，通常使用导线

10、来传输信号。但有线传输方式存在易产生电磁干扰，信号衰减，复杂的线路连接等缺点。随着射频技术和集成电路技术的高速发展，人们对无线通信的要求越来越高。无线通信功能的实现更便捷，数据传输速率更快，抗干扰能力更强。短程、便捷、廉价的无线通信技术正引起越来越多的关注。因此，无线通信技术 特别适用于手持现场设备、电池供电设备、遥控遥测设备、水文气象监控设备、生物信号采集系统、工业数据采集系统等许多的应用领域。在这些无线通信技术应用实际中, 无线通信协议起着至关重要的作用, 直接关系到无线通信系统的安全性和误码率以及系统运行的速度本设计采用了ATMEGA16L单片机和NRF905无线射频器收发组成的一种无线

11、数据采集与控制的智能车。能够实现对小车所处环境信息的无线数据采集，并可以将小车的运动状态加以控制，在PC机上能够显示小车的运动状态和所处位置的温湿度、光照以及有无人等环境情况，并且能够通过上位机对小车的运动状态加以控制。1第1章 方案论证及选择1.1 NRF系列射频芯片发展综述随着科技的发展，从有线的数据采集控制到当今发展迅速的无线通信。挪威Nordic公司经过多年的研发，研制出多种射频芯片，有NRF401，NRF402，NRF403，NRF903，NRF905，NRF9E5，NRF2401，NRF2402，NRF24E1等，其中比较常用的有NRF401，NRF903，NRF905和NRF24

12、01。NRF401只有433MHz一个收发频段，NRF402和NRF403是NRF401的同系列产品，该系列产品采用FSK调制方式工作。NRF903为覆盖433/868/915MHz三个ISM频段，为同时期同类型的比较优秀的射频芯片。NRF401系列和NRF903都采用直接收发方式，即通过串行接口与微控制器相连。NRF905和NRF9E5为NRF903的改进型芯片，也工作于433/868/915MHz，NRF9E5片内集成了射频收发器NRF905和51兼容的微控制器，方便控制。NRF2401, NRF2402,NRF24E1和NRF24E2都工作于2.4GHz的ISM频段。NRF2401为射频

13、收发芯片，NRF2402射频发射芯片。NRF24E 1和NRF24E2内嵌51微控制器，NRF24E1片内集成了NRF2401射频收发器，NRF24E2片内集成了NRF2402射频发射器。NRF905，NRF9E5， NRF2401，NRF2402，NRF24E1和NRF24E2为Nordi。公司在2003年和2004年推出的产品，它们都可以工作于ShockBurst收发方式。ShockBurst收发方式不同于直接收发方式，数据打包和解包均由硬件自动完成，当然，要进行相应的地址、收发协议方面的配置。NRF903和NRF905硬件具有载波检测功能，当存在外部干扰时，这个功能便于实现自动跳频。本设

14、计选用的NRF905为目前NRF系列比较优秀的一款，为目前Nordic公司主推的芯片之一。21.2 设计的任务要求利用ATMEGA16L单片机和NRF905设计一个无线数据采集控制的智能车。主要的任务要求如下：1、PC机上的上位机能够显示小车的运动状态和所处位置的温湿度、光照以及有无人等环境情况。2、能够将小车要进行的运动状态通过该系统无线的传输过去，并使小车能够按照预定的状态予以执行。3、能够将小车所处的环境情况通过该系统无线传输过来,在上位机上予以显示。1.3 系统初步设计及可行性论证根据设计要求，本文设计了无线数据采集和控制的智能车的系统。初步设计系统框图如图1.1所示。图1.1 系统框

15、图系统由控制器、数据采集、数据的收发、上位机和被控小车五部分组成。无线数据采集控制主控器和主控制器2之间采用无线的通信模式，无线数据采集控制主控器与数据采集模块、小车驱动电路和无线收发模块采用有线的传输模式，数据转发主控器与串行通信模块和无线收发模块采用有线的通信模式。论证1：本系统的设计是否合理3参考结构一：数据采集、收发、小车驱动控制被控对象等功能集成在一起，由一个控制器集中实现所有功能，无线串口为一部分。4参考结构二：将数据采集、收发和小车控制作为一部分，收发和串行通信作为一部分，4它们之间以既定的通信协议进行通信，传输方式采用无线方式。本系统的设计拟采用五部分构架，分别为控制器部分，数

16、据采集部分，数据收发部分，小车控制部分及上位机。控制器主要负责采集信息和控制小车。通过人机界面，显示控制器发送的采集信息，并可以向控制器发送控制命令以达到手动控制被控小车的目的。上位机通过VB设计的监控界面，实时显示小车所在的环境信息，并且用户可以通过点击鼠标来控制小车的运动状态。采用这种控制器+数据采集+无线收发+被控小车+上位机监控的结构，其优点是很明显的，具体表现为：构架分工明确，可以使各部分各司其责，工作效率高。缺点在于需要通信，并且需要通信协议的支持。实现起来麻烦一些。通过比较，本系统结构2更合理。论证2：采用无线方式是否合适。参考方式一：有线方式。无线数据采集控制主控器与数据转发主

17、控器之间通过连接线进行通信。参考方式二：无线方式。无线数据采集控制主控器与数据转发主控器之间通过无线电进行通信。与有线方式相比，无线方式有着显著的优势，主要在于：无线方式没有电线的束缚，小车运行更加自如；通过电脑可以通过本系统的上位机软件小车的运行状态加以控制以及所处的环境情况予以显示。鼠标轻轻一点就可以清楚的了解到小车所处的环境情况。方便直接。通过比较，选用无线方式更适合于本系统。1.4 控制器的选择方案一：使用51单片机。51单片机是初学者首选的，具有指令多，编程易等优点，但是用于工程上，它的外围复杂，功耗高，处理速度慢等缺点便暴露无疑。典型代表为AT89C51、AT89S52，由美国AT

18、MEL公司生产，后授权给中国台湾某公司生产和销售。方案二：使用AVR ATMEGA系列单片机。ATMEGA系列是是目前最新的单片机系列之一，是美国ATMEL公司生产的AVR 8位单片机中的高端产品，由于市场和技术原因，市场占有率挺高，采用精简指令集系统。片内含有1M/2M/4M/8M，经过标定的、可校正的RC振荡器，可作为系统时钟使用，多达21个各种类型的内外部中断源，具有功耗低、处理速度快、性价比高、工作电压范围宽等优点。它的最大特点是低功耗和高速度，其掉电方式、闲置方式至工作方式下的耗电约为1A2.5A。方案三：使用MPS430，凌阳61单片机等16位单片机或者ARM系列32位单片机。由于

19、本系统控制功能简单，没有必要为了提高性能而增加成本和开发难度。4经过综合考虑，本题目采用第二套方案，选取IO口个数和ROM大小适合本系统的ATMEGA16L单片机。1.5 温湿度传感器的选择方案一：热敏电阻+电阻式或电容式湿度传感器+AD转换。本方案采用热敏电阻和电阻（电容）式湿度传感器，需要经过信号调理，放大，AD转换等环节。缺点是每个环节都可能出现问题，设计复杂，且自行设计需要标定，准确度存在着达不到要求的可能。优点在于批量硬件成本较低。方案二：DS18b20+集成湿度传感器。本方案采用集成式温度和湿度传感器，设计时可省去信号调理，AD转化等环节，集成传感器在出厂前已经进行了标定校准，准确

20、度和精度高，使用方便。缺点是成本较高。方案三：集成温湿度传感器。本方案可选用SHT10、SHT11等国外产集成温湿度传感器，也可选用成本较低的国产DHT11等。其优点在于，相比于温湿度采集分体的方案二，本方案选取集成温度湿度于一体的集成传感器，可占用更少的IO口，系统工作更稳定，由于同时可读取到温度和湿度数据，设计工作量也减小不少。综合考虑：本系统选择第三种方案，选用国产的DHT11温湿度传感器。1.6 通信模块的选择方案一：27M自制无线电收发电路。5自制无线收发电路存在着很大的风险，首先调试不易，其次工作起来可能发生频率漂移，长时间工作不稳定，自行设计方案不太成熟。优点是一旦调试成功且能稳

21、定工作，批量成本很低。方案二：NRF905、J05U、F05V等315M/433M无线收发模块。这种无线收发模块市场上很多，技术也很成熟，已经广泛用到了无线遥控玩具，无线报警器，工业数据采集等场合。抗干扰能力强。方案三：NRF2401、JF24C等2.4G无线收发一体模块。2.4G无线收发模块采用跳频技术可以有效的减小同频干扰，具有信道多的优点，收发6一体用起来比较方便。缺点是同类产品过多，同频干扰较强烈，设计电路较为麻烦。6方案四：蓝牙串口模块。蓝牙串口模块工作稳定性高，速度相对较快，且可以很方便的与上位机的蓝牙适配器连接进行通信。缺点在于传输距离比较近，约10m左右，适合近距离数据传输，且

22、成本高。综合考虑：本系统选择方案二选用433M无线收发模块，实现数据采集控制主控器和数据转发主控器之间的数据传输。 1.7 小车电机驱动电路的选择方案一：采用三极管组成的分立式H桥电路。每个电机都采用有四个三极管组成的H桥电路，三极管价格低廉，电路原理易懂。实际使用的时候，用分立件制作H桥式是很麻烦的。方案二：采用集成电路L298NH桥电路。L298N是专用的驱动集成电路，属于H桥集成电路，其输出电流大，功率大，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机等特别是器输入端可以与单片机之间相连，从而很方便地受单片机控制，可以之间驱动两个直流电机，并可以实现电机的正反转。综合考虑：本系统采用集成电

23、路L298N,通过单片机输出逻辑电平就可以对小车电机的运动状态加以控制，方便简单。第2章硬件设计该设计数据采集控制部分主要由数据采集模块、数据处理模块、数据发送接收模块、电机驱动模块和电源模块等模块组成。数据转发部分主要有串行通信模块、数据发送接收模块、数据转发控制器和电源模块组成。系统硬件部分的整体框图如图2.1所示。图2.1 系统硬件部分的整体框图2.1控制器2.1.1 MCU及其最小系统电路本系统经过第二章的论证，选用了ATMEl公司生产的AVR 系列ATMEGA16L-DIP封装单片机。ATMEGA16L具有高性能、低功耗的特点，具有先进的RISC结构，内部集成两个具有独立预分频器和比

24、较器功能的8 位定时器/计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。内部集成了可通过调整熔丝位选择的1M，2M，4M，8M的RC震荡作为时钟电路，不过精确度不高且有一定的温漂，由于本系统要进行串口通信对时钟要求较高，因此外接了8M的晶振。ATMEGA16L片内还集成了可选择不同延时的上电延时复位电路，不过为了稳定和调试方便，本系统也外接了上电自动复位和手动复位电路。图3.2所示为数据采集控制主控制器和数据转发主控制器的MCU最小系统电路原理图。7图2.2 MCU最小系统电路原理图2.2温湿度采集温湿度传感器采用广州奥松电子有限公司生产的集成数字温湿度传感器DHT11

25、。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选

26、则。产品为4针单排引脚封装。连接方便。DHT11的外形、电气连接、引脚功能及工作时序分别如图2.3、图2.4、表2.1和图2.5所示。8图2.3 DHT11外形图9图2.4 DHT11与MCU电气连接图表2.1 DHT11引脚功能说明引脚名称注释1VDD供电 35.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极图2.5 DHT11工作时序图2.3光照采集电路光照采集电路的设计本着简单稳定的原则进行。如图2.6所示，D2是光电二极管，工作模式为反接方式，类似于稳压二极管。当光照很弱时，其内阻很大，在与R3，R11组成的串联分压电路中，其本身压降很大，使PNP三极管90

27、15的基极电压很高，三极管不导通，发射极输出低电平。当光照强度增加到使光电二极管压降到一定程度时，三极管导通，输出高电平。单片机采集后通过判断高低电平即可知道光照强弱。可通过调节电位器R3进行标定，使三极管的关闭导通阀值固定在一个需要的数值。9图2.6光照采集电路原理图2.4人体热释红外采集人体热释电红外检测模块是一种能够感应人体靠近或远离的传感器，模块将对人体的人体红外热辐射的信号转化成电信号，人体都有恒定的体温，一般在37左右，会发出特定波长的红外线(普通人体会发射10m左右的特定波长红外线)，人体热释电红外检测模块的菲涅尔透镜将热释的红外信号折射在PIR(热释电红外传感器)上，探测警戒区

28、内红外线能量的变化。热释电红外传感器(PIR)将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异，信号被采集到伺服系统以后，由软件对该新采集的数据与系统内存中已经存在的前期探测数据进行延时比较，以判断是否真的有人等红外线源进入警戒区。本系统采用市售的人体热释电红外采集模块，外形如图2.7所示。内部集成了热释电红外传感器和红外传感信号处理器BISS0001。引出VCC(+5V)、OUT和GND三个引脚。模块上电后，当有

29、人时，OUT引脚输出高电平，无人时模块将OUT端点平拉低，输出低电平。主控器通过判断与之对应连接的IO的电平即可判断有无人。10图2.7人体热释电红外传感器模块外形图2.5无线收发模块NRF905NRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V，32引脚QFN封装(55mm)，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。NRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用S

30、PI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。NRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。 NRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。NRF905的详细结构如图2.8所示。图2.8 NRF905功能模块112.5.1 NRF905工作模式 NRF905有两种工作模式和两种节能模式

31、。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。NRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定.1ShockBurstTM模式与射频数据包有关的高速信号处理都在NRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在NRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于NRF905工作于ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。在ShockBurstTM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包

32、被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM发送模式，NRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，NRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。下面具体详细分析nRF905的发送流程和接收流程。典型的ShockBurstTM发送过程： (1) 当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905，通过SPI接口被锁存到nRF905。应用程序协议或MCU设置接口的速度SPI接口

33、的速率在通信协议和器件配置时确定；(2) 微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905的ShockBurstTM发送模式；(3) NRF905的ShockBurstTM发送：射频寄存器自动开启；数据打包(加字头和CRC校验码)；发送数据包；当数据发送完成（数据就绪）时，设置高传输完成。数据准备好引脚被置高；(4) 如果AUTO_RETRAN设置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE被设置包低; (5) 当TRX_CE被置低，nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。典型的NRF905发送流程分以下几步： (1) 当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要

34、发送的数据送传给NRF905,SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；(2) 微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发NRF905的ShockBurstTM发送模式；(3) NRF905的ShockBurstTM发送：射频寄存器自动开启； 数据打包(加字头和CRC校验码)； 发送数据包；当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；12(4) AUTO_RETRAN被置高，NRF905不断重发，直到TRX_CE被置低；(5) 当TRX_CE被置低，NRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。ShockBurstTM工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低，发

35、送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，NRF905才能接受下一个发送数据包。如果TX_EN设置低而TRX_CE保持高，nRF905完成转递输出数据包，然后输入的RX -在已在射频方案的通道配置寄存器模式。 在ShockBurstTM模式，确保了传输数据包已经开始做事，总是不管什么TRX_EN和TX_EN是在传输过程中的设置。新的模式被激活时，传输完成。对于诸如天线测试的目的调整和测量输出功率就可以设置发射器，固定运营商产生。要做到这一点TRX_CE必须保持高度而不是脉冲。除了自动重传应该关掉。数据已经发送完成，然后被送往该设备将继续发送调制载波。2.5.2 NRF905模块的引脚定

36、义本系统采用市售的杭州飞拓电子科技有限公司生产的NRF905RD模块，该模块已经将NRF905外围电路设计好，接口可以直接和单片机相连，方便简单，性能稳定，技术成熟。如果自制NRF905收发模块，会出现电磁兼容性不好，且不好调试。NRF905RD模块外形尺寸：25mm*19mm（尺寸不含天线及SMA座）如图2.9，NRF905RD模块接口如图2.10。 图2.9 NRF905RD模块外形图13图2.10 NRF905RD模块接口NRF905模块接口功能描述如表2.2所示。表2.2NRF905模块接口功能描述引脚名称管脚功能说明1VCC电源电源+3.3-3.6V DC 2TX_EN数字输入TX_

37、EN= 1 TX 模式 TX_EN= 0 RX 模式 3TRX_CE数字输入使能芯片发射或接收 4PWR_UP数字输入芯片上电 5uCLK时钟输出本模块该脚废弃不用，向后兼容 6CD数字输出载波检测 7AM数字输出地址匹配 8DR数字输出接收或发射数据完成 9MISOSPI 接口SPI 输出 10MOSISPI 接口SPI 输入 11SCKSPI 时钟SPI 时钟 12CSNSPI 使能SPI 使能 13GND地接地 14GND地接地 2.6电源电路电源电路在很大程度上决定了一个系统的稳定性，因此电源电路的设计在本系统中也占据了重要的地位。为了减小体积和节约成本，直接从6V蓄电池取电，经过滤波

38、后，再通过集成稳压芯片进行稳压输出5V和3.3V供系统使用。蓄电池具有比能量高、使用寿命长、额定电压高、具备高功率承受力、自放电率很低、高低温适应型强等特点。具体的电源电路如图2.11。14图2.11 电源电路2.7 L298N电机驱动电路为提高系统效率、降低功耗，功放驱动电路采用基于双极型H桥型脉宽调制方式（PWM）的集成电路L298N。L298N是SGS公司的产品，内部包含二个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46伏、2安培以下的电机，工作温度范围从25度到130度。其内部的内部逻辑图如图2.12所示。图2.12 L298N内部的内部逻辑图L298N引脚图如图

39、2.13所示。15图2.13 L298N引脚图L298N引脚功能如表2.3。表2.3 L298N引脚功能说明引脚名称功能说明1；15SenseA; SenseB电流监测端，分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地2；3Out1; Out21Y1、1Y2输出端4VS功率电源电压，此引脚与地必须连接100nF电容器5；7Input1; Input21A1、1A2输入端，TTL电平兼容6；11EnableA;EnableBTTL电平兼容输入1EN、2EN使能端，低电平禁止输出8GND地9VSS逻辑电源电压，此引脚与地必须连接100nF电容器10；12Input3; Input42A1、2A2输

40、入端，TTL电平兼容13；14Out3; Out42Y1、2Y2输出端本系统所设计的基于L298N电机驱动电路如图2.14所示。16图2.14 L298N电机驱动电路2.8 RS232串行通信电路本设计采用MAXIM公司生产的MAX232A 芯片将微处理器(MCU) 的TTL 电平与PC 机串口标准RS232C 电平进行相互转换。电路如图2.15所示。图2.15 RS232C 接口模块电路172.9 低功耗设计 硬件方面：在控制系统成本的情况下，微处理器采用ATMEL公司的ATMEGA16L系列单片机，工作电压为3.3V，工作状态下的电流为0.6mA，可以设置工作及空闲状态达到功耗最小化原则。

41、数据采集控制系统采用蓄电池供电。数据转发系统采用电脑USB供电。 软件方面：采用中断处理方式，仅当有中断要求时MCU才进入工作模式，中断服务程序处理完毕后；射频芯片发射频率为433 MHz，最大发射功率l0dBm，传输率为100kbps，数据的传输长度为4个字节，射频部分是系统的功耗的主要消耗部分，在优化配置射频参数的情况下，除了在工作状态其余情况下，均处于待机模式。2.9.1理论功耗 根据实际需要，无线数据采集控制系统供电采用普通蓄电池供电，所以，系统的功耗问题非常重要。为了节约用电，ATMEGA16L在空闲时，前端采集部分和射频芯片nRF905进入待机模式，然后ATMEGA16L进入省电模

42、式。 ATMEGA16L在工作状态下的电流为0.6mA， NRF905在待机状态下的电流为25mA，L298N工作的逻辑转换电流50mA，L298N支持电流为24mA,三端稳压块7805和1117-3.3的电流和分别为6mA和6mA,所以理论上的功率W为 W=（+）*U = 111.6mA*U （2-1）2.9.2实际功耗 实际情况下，由于电路等各部分的损耗，功耗要大很多，下面以工作状态和和待机状态测量系统的实际功耗。 (1)工作状态 工作模式下系统的能耗来源包括电源模块能耗、处理器能耗、传感器采集模块能耗、L298N电机驱动模块能耗、nRF905工作时的能耗。在小车不运动的状态下,其中电源模

43、块电路和射频模块电路的能耗占主要部分，实际测量电源模块电路部分的电流为14mA，nRF905进行通信时的为12mA，系统的总功耗测量为130mA，以2000mAh蓄电池供电，在工作状态下，可以工作15个小时左右。在小车运动的状态下,其中电机驱动部分电路的能耗占主要部分，实际测量系统的总功耗测量为270mA，以2000mAh蓄电池供电，在工作状态下，可以工作7个小时左右。 (2)待机状态在空闲模式下系统的能耗主要来自微处理器、NRF905、L298N、三端稳压管。ATMEGA16L测得的电流很小大约0.2mA，NRF905待机模式下测得的电流为25A，L298N待机静态模式74mA, 三端稳压管

44、7805和1117-3.3的电流为6mA。以2000mAh铿电池计算，待机模式下，30小时左右。1819第3章 软件设计本设计主要分为两个部分，无线数据采集控制部分和无线数据转发部分。无线数据采集部分的软件设计主要包括传感器采集处理程序设计、无线数据接收发送程序设计、L298N电机驱动电路程序设计等部分组成。无线数据转发部分主要包括RS232串行通信程序设计、无线数据转发程序设计等部分组成。3.1 NRF905通信协议在进行数据收发前，需要对NRF905进行初始配置，所有配置字都是单片机通过SPI接口送给NRF905。NRF905的SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数

45、据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。(1) 发送过程在ShockBurstTM发送模式，NRF905自动产生字头和CRC校验码，按照发送的时序图来发送。当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。在发送数据时， 先将NRF905 配置为发送模式：TX_EN=1;TRX_CE=0; 在1个完整的数据包发射结束时DR信号置高。

46、将NRF905 的工作状态配置为频道在433MHz ，增益为10dB（ 决定着无线上的作用距离， 在这里配置为最大增益， 传输距离最长），不需要自动重发，外接晶振为16MHz，接收发送数据宽度为8字节，接收发送地址宽度为4字节，16位CRC 效验。(2) 接收过程在ShockBurstTM 接收模式下，当1个包含正确地址和数据的数据包被收到后，地址匹配（AM）和数据准备好（DR）两引脚通知微控制器。按照接收时序，ATMEGA16L单片机通过SPI口将NRF905从无线上接收到的数据读回，完成接收过程。在接收数据时， 先将NRF905 配置为接收模式：TX_EN = 0;TRX_CE= 1;如DR 引脚被拉高，则表示有正确的数据包被接收，接收到的数据包被全部读出后，DR和AM信号被复位为低，故等待数据包读完。193.2温湿度采集本文在因特网查阅了部分例程和demo程序，再根据官方数据手册给出的DHT11时序，编写了温湿度传感器DHT11的驱动函数。DHT11的驱