Abstract: A signal measure and control system is designed which is constructed with nRF401 and AT89C51. The paper describes the signal measure modules of temperature, humidity and the consistence of methane respectively. The hardware circuits and the software schemes are presented. The results indicate that the appointed signal of the field can be transmitted to the control terminal exactly. The alarms run when the signals exceed the maximum or are under the minimum.
Keywords: wireless communication; nRF401; serial communication; AT89C51; Keil C51; measurement of temperature and humidity
摘要：設計了一種由AT89C51和nRF401模塊所構成的礦山中的信號采集和控制系統。采集的信號為溫度、濕度、甲烷濃度。分別介紹了各個信號采集模塊的電路圖，并給出了系統的硬件原理圖和軟件設計方案。實驗結果表明：現場指定點的信號能準確的傳輸到控制終端并在顯示器上顯示。信號超出上下限時會發出報警信號，從而對現場進行有效地控制。
關鍵字：無線收發  nRF401  串行通信  AT89C51  Keil C51  溫濕度測量

一引言
      礦山中的溫度、濕度、甲烷濃度的測量和控制是安全生產的重要保障。由于礦山中的復雜的環境，鋪設線路要浪費大量的財力和時間。且由于維護不當，可能造成數據傳輸的中斷。因此考慮采用無線通信的方式來傳輸數據。與有線通信相比，無線通信技術具有如下顯著的優點【1】: 一是傳輸介質采用電磁波,適用于那些不宜架設電纜線的現場; 二是有線通信構成的單片機多機通信系統, 總線上掛接的收發器的數量受接口IC的限制,而在無線通信系統中,采用多字節地址編碼,收發器的數量不受限制;三是具有電路簡單、功耗小、體積小、成本低和調試方便等優點。本文采用nRF401進行無線通信，所設計的系統應用在礦山系統中，采集的信號為溫度，濕度，甲烷濃度。

二 系統的硬件設計
硬件設計包括無線收發模塊，信號采集模塊，數據顯示模塊三個部分。
2.1無線收發模塊
      無線收發模塊采用挪威Nordic公司生產的nRF401芯片。nRF401是一個433MHZ ISM頻段設計的單片UHF無線收發芯片，它采用藍牙核心技術【2】設計，FSK調制解調，需要非常少的外圍電路，無需進行初始化和配置，數據不必進行曼徹斯特編碼[3]。天線接口設計為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線。工作電壓寬，具有待機模式，可以省電和高效。采用易于獲得的4MHZ晶振，通過頻率合成器合成433MHZ的工作頻率，大大降低了成本，增加了使用的靈活性，廣泛的應用在報警和安全系統，自動測試系統，遙控裝置，車輛安全系統，工業控制，無線通信等領域。與單片機相連的引腳有五個：TXEN選擇nRF401處于發射模式還是接受模式；CS選擇工作頻道；Din數據發送腳；Dout解調輸出；PWR_UP選擇是工作模式還是待機模式。nRF401芯片的外圍電路【4】如圖1所示。

2.2信號采集模塊
信號采集分為溫度信號采集，濕度信號采集和甲烷濃度采集三部分。
2.2.1溫度信號采集
       溫度信號采集采用美國DALLAS公司生產的DS18B20芯片【5】。DS18B20是一線數字溫度傳感器，每片DS18B20都有全球惟一的識別號，可輕松地組建傳感器網絡，大大提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境的現場溫度測量。測量溫度范圍為-55°C～+125°C，支持3V～5.5V的電壓范圍，可以程序設定9～12位的分辨率。DS18B20芯片的管腳簡單，它無需任何外圍硬件即可方便地進行溫度測量，與單片機交換信息僅需要一根I/O口線,如圖2所示。

2.2.2濕度采集
       濕度采集采用HONEYWELL公司生產的的霍爾濕度傳感器HIH3610-003[6]。它具有0.8-3.9VDC放大電壓輸出,電壓與濕度成線性關系。穩定性好,低溫漂,抗化學腐蝕性強. HIH3610-003是模擬傳感器，輸出電壓信號，在送入單片機以前要通過A/D轉換模塊。A/D模塊采用美國TI公司TLC1543芯片。TLC1543是采用SPI技術的10位開關電容逐次A/D逼近模數轉換器，具有11路輸入通道，高速高分辨率，性價比高，占用單片機I/O資源較少，獨特的多層結構能非常好地抵抗環境的侵蝕，非常適合應用在礦山環境中。其電路圖如圖3所示。

      TLC1543的參考電壓為3V,由精密基準電壓源LM336-5V分壓得到。ADDRESS端選擇下一個要處理的數據的模擬輸入端口，EOC為A/D轉換的結束標志。

2.2.3甲烷濃度采集
     甲烷濃度采集采用日本FIGARO公司的TGS2611芯片【7】。它體積小、功耗低，對甲烷有高選擇性和靈敏性。其工作原理是將氣體濃度轉變成敏感電阻RS（2，3兩端電阻）的變化。電路中取滑動電阻R1兩端的電壓VR，根據公式

計算RS的值，從而得出環境中甲烷的濃度。VR要通過TLC1543芯片轉化成數字信號，送給單片機。如圖4所示。

2.3數據顯示模塊
      數據顯示模塊采用周立功顯示芯片ZLG7289A[8]。該芯片是一片具有串行接口的、可同時驅動8位共陰級數碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅動芯片，具有段尋址指令，方便控制獨立LED，還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，內含去抖動電路。單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。
2.4現場與控制終端的系統構成

      現場的系統由數據采集模塊，無線收發模塊組成。如圖5所示。控制終端的系統由顯示模塊和無線收發模塊組成.如圖6所示 單片機選用ATMEL公司生產的AT89C51。

 

三系統的軟件設計與調試
軟件編程采用Keil C51語言，這里主要講述無線收發模塊和數據顯示模塊的設計。
3.1無線收發模塊的設計
     由于系統收發中要進行多點的數據采集，進行多機通信。首先各從機要編址使主機按地址選擇接收對象。控制室中的主機首先發出地址信號，與其地址相符的從機做出響應，與其地址不相符的從機不應答。數據傳送采用全雙工形式，串行通信【9】采用工作方式1，數據傳輸的波特率取決于定時器1的溢出率。發送一幀數據共10位：1位起始位，8位數據位和1位停止位。設置定時器的工作方式：定時器1選擇工作方式2，具有自動重新加載功能，定時器0選擇工作方式1，16位計數器。收發過程如圖7，圖8所示。
 
 

3.2數據顯示和鍵盤模塊的設計
      數據顯示模塊采用ZLG7289A，數碼管的消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等都是由控制指令來實現的，控制指令是8位或16位的，而ZLG7289A只有一位數據輸入輸出線。首先要編制程序保證控制指令正確的傳到ZLG7289A，接著選擇恰當的數碼管進行數據顯示。電路中共設5個按鍵：功能鍵、左移鍵、右移鍵、增加鍵、減少鍵。溫度和濕度的上下限，甲烷濃度的上限均設置為可調，當環境溫度、濕度和甲烷濃度超過設定的限制時，將會進行報警，從而及時的對可能出現的意外情況進行提示。

四 結束語
      本文設計并開發了一個無線通信系統實現礦山中溫度、濕度、甲烷濃度的測量和控制，大大的節省了監控終端與現場之間敷設電纜的費用和時間。而且可根據實際需要方便的改變測量點位置和增加或減少測量點數目，外界的環境對其影響小。隨著技術的提高，無線通信必將在更多的領域得到廣闊發展。

參考文獻：

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