基于單片機的無線溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、 學科分類號：_本科生畢業(yè)設計題 目：基于單片機的無線溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)設計 學生姓名： 學號 06409118 系 部： 通信與控制工程系 專業(yè)年級： 電子信息工程2006級 指導教師： 職 稱： 副教授 本科畢業(yè)設計誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權爭議，除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本設計不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 作者簽名： 二 年 月 日基于單片機的無線溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)設計摘 要

2、: 隨著計算機技術特別是單片機技術的發(fā)展，許多大棚、倉庫的控制逐步智能化，但仍采用測溫儀器與人工抄錄、管理相結合的傳統(tǒng)方法，這不僅效率低，還易出錯。本文設計了一種能自動監(jiān)控大棚、倉庫溫度的無線溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)。主要以STC89C52單片機為核心，以nRF24L01收發(fā)器為溫度無線傳輸模塊并輔有一些外部元件，加上一塊DS1302時鐘芯片顯示時間，應用DS18B20對溫度進行采集，接收到的溫度數(shù)據(jù)不僅可以通過LCD液晶顯示而且還可以通過RS-232通信協(xié)議標準直接到PC機上顯示。程序采用靈活的C語言編寫，各發(fā)送節(jié)點實時采集溫度并將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡送至主控制節(jié)點，控制節(jié)點接受管理數(shù)據(jù)并經(jīng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)

3、至電腦屏幕顯示或用LCD顯示,由此實現(xiàn)無線溫度自動監(jiān)控功能。關鍵詞：溫度傳感器；nRF24L01；單片機；DS1302；溫度采集Design of wireless temperature automatic monitor system based on microcontrollerAbstract：With the development of computer technology, especially microcomputer technology, many sheds, warehouse is controlled gradually intelligent, but it

4、 still uses the thermometer device with traditional methods just like artificial transcription. This is not only inefficient but also error-prone. This paper designed a wireless temperature monitoring system which can automatically monitor the temperature of greenhouse and storage. This system inclu

5、de STC89C52 MCU, nRF24L01 transceivers which for the wireless transmission module and some external components. Whats more, with DS1302 to show the time and DS18B20 to collect the temperature. Then the temperature data is received by the LCD which can not only display the temperature but also show d

6、irectly to the PC through the RS-232 communication protocol. I design the program with C language, make all the node collect temperature and send it through the wireless network master control node. These control node receiving management data and it send the serial data to the computer screens or w

7、ith the LCD, so to automatically monitor the temperature.Key Words： temperature sensor; nRF24L01; microcontroller; DS1302; temperature collection目 錄第一章 緒論11.1課題背景及目的11.2國內外研究現(xiàn)狀11.3設計方法21.4 設計過程應注意的問題3第二章 系統(tǒng)的總體方案設計42.1系統(tǒng)設計要求42.2系統(tǒng)方案的確定42.3 系統(tǒng)設計器件的選擇52.3.1傳感器的對比和選擇52.3.2無線通信模塊的對比和選擇7第三章 系統(tǒng)硬件電路的設計103.1

8、微處理器電路設計103.1.1 STC89C52微處理器103.1.2電源電路設計123.1.3 復位電路設計123.1.4 振蕩電路設計123.2微處理器與MAX232連接電路設計133.3數(shù)字式溫度傳感器DS18B20143.3.1 DS18B20基本結構圖143.3.2 DS18B20測溫原理163.3.3 溫度采集電路設計163.4 無線數(shù)據(jù)傳送模塊173.4.1 nRF24L01基本結構圖173.4.2 nRF24L01的寄存器設置183.4.3 無線發(fā)射電路設計193.5 時鐘電路設計193.6 報警電路設計203.7 繼電器電路設計203.8 LCD顯示電路設計21第四章 系統(tǒng)軟

9、件的設計224.1 系統(tǒng)的主要程序模塊224.2 系統(tǒng)軟件總流程圖234.3 溫度采集軟件設計244.3.1 DS18B20的初始化264.3.2 DS18B20的寫數(shù)據(jù)274.3.3 DS18B20的讀數(shù)據(jù)294.3.4 讀溫度總體實現(xiàn)304.4 無線收發(fā)軟件設計314.4.1 nRF24L01的初始化324.4.2 nRF24L01的寫數(shù)據(jù)344.4.3 nRF24L01的讀數(shù)據(jù)354.4.4 nRF24L01的發(fā)射和接收總體實現(xiàn)364.5 實時時鐘軟件設計374.6 單片機與PC機通信軟件設計38第五章 結論40致謝41參考文獻42附錄44附錄A 節(jié)點溫度采集原理圖44附錄B 主機溫度處

10、理原理圖45附錄C 節(jié)點溫度采集的程序46附錄D 主機溫度處理的程序57第一章 緒論1.1課題背景及目的溫度技術被廣泛應用于人們的日常生產(chǎn)和生活當中，而目前應用于倉庫，大棚等的檢測系統(tǒng)大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關、A/D 轉換器及單片機等組成的導線傳輸系統(tǒng)。這種溫度采集系統(tǒng)需要在倉庫布置大量的測溫電纜，安裝和拆卸繁雜。同時受到導線電阻和分布電容的影響，測量誤差比較大，易受雷擊。布置傳感器帶來的眾多的線纜不僅帶來布線復雜的不便，而且存在著短路、斷線隱患，成本高、易老化，錯綜復雜的線路還給系統(tǒng)的調試和維護增加了難度。同時對于一些臨時使用的傳感器，搭接線纜十分不便，另外還有一些仍采用測溫儀器

11、與人工抄錄、管理相結合的傳統(tǒng)方法,這不僅效率低，還易出錯。因此，尋找一種便捷的、能夠滿足數(shù)據(jù)通信要求的無線通信技術，以解除線纜搭接復雜的困擾，成為一個及需解決的問題。無線通信技術與有線通信技術相比，有成本低、攜帶方便、不必穿墻鉆孔布線、搭建網(wǎng)絡簡單快捷等優(yōu)點。特別是在有線網(wǎng)絡不通暢或現(xiàn)場環(huán)境因素受限不便架設線路的情況下，高效、快捷?；诖耍驹O計提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫度檢測系統(tǒng)的設計方案，使用無線通信技術進行數(shù)據(jù)采集、傳輸顯得更加實用。該方案不需要任何固定網(wǎng)絡的支持，倉庫安裝簡單方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可維護性好。1.2國內外研究現(xiàn)狀由于工業(yè)過程控制的需要，特別是微電子技術和計算機技術的迅

12、猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外溫度測控系統(tǒng)發(fā)展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得顯著成果。其中以日本、美國、德國、瑞典等國家技術領先，都生產(chǎn)出了一批商品化、性能優(yōu)異的溫度控制儀表，在各行業(yè)廣泛應用。其特點是適應于大慣性、大滯后等復雜溫度測控系統(tǒng)，具有參數(shù)自動調整功能和自學習功能，即溫控器對控制對象、控制參數(shù)及特性進行自動整定，并根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調整相關控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強等特點。目前，國外溫度控制儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方向發(fā)展。目前我國在測控儀表研究與生產(chǎn)應用中，

13、總結了很多經(jīng)驗，但從國內生產(chǎn)的溫度控制器及測溫儀表來說，總體發(fā)展水平仍然不高。成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，只能適應一般溫度系統(tǒng)測控，難以控制復雜的大滯后時變溫度系統(tǒng)。目前，我國在溫度測控儀表業(yè)與國外的差距主要表現(xiàn)在如下幾個方面：行業(yè)內企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術力量不集中，導致研發(fā)能力不強，制約技術發(fā)展。商品化產(chǎn)品以PID控制器為主，智能化儀表少，這方面同國外差距較大。目前，國內企業(yè)復雜的及精度要求高的溫度控制系統(tǒng)大多采用進口溫度控制儀表。儀表控制用關鍵技術、相關算法及控制軟件方面的研究較國外滯后。1.3設計方法 本設計用多塊nRF24L01組成一個無線網(wǎng)絡，由一個

14、主機，多個節(jié)點組成。各節(jié)點中有一個DS18B20，能對當時當?shù)氐臏囟惹闆r進行實時傳送。主機端由一塊STC89C52，一塊DS1302，一塊液晶和MAX232組成通過串口將傳輸過來的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，用戶可以對每個節(jié)點按照需要自行設定一個溫度，如果傳輸過來的溫度比設定的溫度低，那么主機將自動啟動加熱系統(tǒng)對當節(jié)點溫度進行提高處理，相反當傳輸過來的溫度比預設的溫度高，主機將會報警，并自動啟動降溫裝置，對該節(jié)點溫度進行降溫。且本系統(tǒng)還具有較好的保密性，用戶可以設置個人密碼，以防止出現(xiàn)他人的隨意更改，設置節(jié)點溫度。其簡化的設計方法可分為：采用新型的數(shù)字溫度傳感器，簡化測溫電路。采用2.4G無線傳輸芯片進

15、行數(shù)字信號傳輸，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時傳送。對傳輸?shù)接嬎銠C內實際得到的溫度數(shù)據(jù)，可以通過PC機的超級終端和LCD液晶進一步實現(xiàn)溫度信息的智能化管理。1.4 設計過程應注意的問題 本課題所研究的多點無線溫度測量系統(tǒng)是短距離無線通信技術在溫度測量方面的一個具體應用。該系統(tǒng)屬于無線通信系統(tǒng)，因此也需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃M行研究。主要應考慮以下幾方面：選用溫度傳感器時，應重點考慮測量精度高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性好，信號易于處理、傳送，便于多路測量，安裝方便，維護簡單，環(huán)境溫度補償容易的器件。在硬件設計時，結構要盡量簡單實用、易于實現(xiàn)，應盡量使用各種總線技術，以節(jié)約系統(tǒng)有限的I/O口資源，并使系統(tǒng)電路盡量簡

16、單。在硬件電路和軟件程序設計時，一定要增加抗干擾措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。軟件設計必須要有完善的思路，要充分考慮到各傳感器和無線收發(fā)器的時序，做到程序簡單，調試方便。第二章 系統(tǒng)的總體方案設計溫度測量有許多方法，可供選擇的器件和運用的技術也有多種。因此，系統(tǒng)的總體設計方案應在滿足系統(tǒng)整體性能指標的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結構要盡量簡單實用、易于實現(xiàn)，器件的選用要著眼于合適的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的成本以及較好的互換性。本章介紹多點無線測溫系統(tǒng)的總體設計方案，給出結構框圖，提出了系統(tǒng)的功能和技術要求，介紹了短距離無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。通過對比目前國內外

17、常用的元器件，著重介紹了多點無線測溫系統(tǒng)的傳感器和2.4G無線收發(fā)芯片的選擇。2.1系統(tǒng)設計要求根據(jù)系統(tǒng)的特點，總結系統(tǒng)的技術要求如下：小體積。測溫系統(tǒng)的體積要盡可能的小，這樣才能減少占用的空間，而且更便于安裝和更換。高可靠性。為了保證系統(tǒng)能夠正常上作，并且盡可能減少誤測溫誤差，要求發(fā)射端與接收端之間的無線通信可靠。而系統(tǒng)環(huán)境的影響可能會有不確定的電磁干擾等。因此，系統(tǒng)要有一定的抗干擾性能，按照要求系統(tǒng)必須在需要溫度數(shù)據(jù)時獲得相關信息，所以系統(tǒng)對實時性也有很高的要求。低成本。每個無線測溫系統(tǒng)包含的測溫儀，可能會多達上百個，作為一款商用產(chǎn)品設計，應充分考慮成本，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量降低成

18、本低，才能在市場上更有競爭力。2.2系統(tǒng)方案的確定 對于本文的無線測溫系統(tǒng)來說，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩個部份組成，兩者之間通過無線信道通信。數(shù)據(jù)采集端負責數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；數(shù)據(jù)接收端負責數(shù)據(jù)的接收和處理。系統(tǒng)整體結構框圖如圖2.1所示：圖2.1系統(tǒng)整體結構框圖數(shù)據(jù)采集端由傳感器、微處理器和無線模塊構成。傳感器將轉換后的數(shù)字信號送往無線模塊打包發(fā)出；數(shù)據(jù)接收端由無線模塊、微處理器及計算機組成。數(shù)據(jù)接收端接收到采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議拆包，取出里面的有效數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給計算機，由計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理。系統(tǒng)硬件實現(xiàn)簡單，數(shù)據(jù)采集和接收端均采用無線收發(fā)一體芯

19、片，微處理器采用STC89C52單片機。數(shù)據(jù)接收端與計算機通過串口通信，由芯片MAX232完成接口電平轉換。2.3 系統(tǒng)設計器件的選擇2.3.1傳感器的對比和選擇 隨著溫度傳感器智能化、集成化技術的進步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設計工程師的選擇對象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應該把握以下幾點l:外圍電路應該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負載能力如何，能否滿足多點測溫的需要；占用MCU的I/O引腳數(shù)情況如何，因為MCU的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通

20、道有限。多點溫度測量時，如果測量的點數(shù)超過了輸入通道時，就要添加多路復用器，這將增加成本和開發(fā)時間，應盡量節(jié)約；與MCU的通信協(xié)議應盡量簡單，溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用串行總線的最主要有Philips公司的I2C總線，Motorola公司的SPI總線，National Semiconductor公司的Microwireplus總線，Dallas Semiconductor公司的1_Wire總線和Siemens公司的Profibus總線等。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有：AD741812是美國模擬器件公司(ADI)推出的單片溫度測量與控制用集成電路。其內部包含有

21、帶隙溫度傳感器和10位A/D轉換器。測溫范圍為-55+125，具有10位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為0.25，精度為±2，轉換時間為-30ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點。AD7418可以級聯(lián)至多8片在同一個I2C總線上。LM7413是美國國家半導體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、A/D數(shù)轉換器，并具有SPI/Microwire兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進行檢測，并在片內寄存器中存儲轉換的溫度值，主機可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。LM74具有休眠模式

22、，在休眠時消耗的電流不超過10pA，適用于對功率消耗有嚴格限制的系統(tǒng)。LM74的模數(shù)轉換器為12位外加符號位，因此在其有效工作范圍內可達0.0625的分辨率，轉換時間為425ms。DS18B2014是美國Dallas半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內完成9位和12位的數(shù)字量。它具有獨特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需

23、要的A/D轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，而且，可以通過總線供電。溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。DS18B20的測溫范圍-55125，最高分辨率可達0.0625，由于每一個DS18B20出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。Dallas公司的單總線技術具有較高的性能價格比，有以下特點：適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優(yōu)越性；性價比高、硬件施工、維修方便、抗干擾性能好；具有CRC校驗功能，可

24、靠性高；軟件設計規(guī)范，系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握。表2.1 幾種數(shù)字溫度傳感器的比較溫度傳感器LM75LM74MAX6575DS1820DS18B20適用總線線IIC SPI1_Wire1_Wire1_Wire溫度準確度330.80.50.5溫度范圍-25100-55125-55125-55125-55125最多掛接數(shù)8888010080100由于DS18B20具有獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用MCU的I/O引腳資源少，和MCU的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，和其他數(shù)字溫度傳感器相比，它更適合本系統(tǒng)，所以，選用DS18B20作為溫度測量的傳感器。2.3.2無線通信模塊

25、的對比和選擇無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在設計中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時，應主要參考以下幾點：收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼；采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩话銉H能達到標稱速率的1/3，而采用串口傳輸?shù)男酒瑧眉熬幊谭浅：唵危瑐魉偷男屎芨?，標稱速率就是實際速率，編程方便。收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量；芯片外圍元器件的數(shù)量直接關系到系統(tǒng)的復雜程度和成本，因此應該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。功耗；大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應該根

26、據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。發(fā)射功率；在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)；較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積降低成本，適合攜式產(chǎn)品的設計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。常用的無線收發(fā)芯片主要有： CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術，在0.35umCMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在315、868及915MHZ，但CC1000很容易通過編程使其工作在3001000MHz范圍內。它具有低電壓(2.33.6V)，極低的功耗，可編程輸出功率(-2010dBm)，高靈敏度(一般-109dBm

27、)，小尺寸(TSSOP 28封裝)，集成了位同步器等特點。nRF40120是挪威Nordic VLSI公司推出的單芯片即收發(fā)機，專為在433MHz ISM(工業(yè)、科研和醫(yī)療)頻段工作而設計。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調制、FSK解調、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。nRF401的外圍元件很少，僅10個左右。只包括一個4MHz基準晶振(可與MCU共享)、一個PLL環(huán)路濾波器和一個VCO電感，收發(fā)天線合一，沒有調試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。nRF90321單片射頻收發(fā)器芯片是工作在915MHZ國際通用的ISM頻段；GMSKJGFSK調制和

28、解調，抗干擾能力強；采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達-100dBm，最大發(fā)射功率達+10dBm；數(shù)據(jù)速率可達76.5kb/s；170個頻道，適合需要多信道工作的特殊場合；可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中進行無線數(shù)據(jù)雙向傳輸，在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。nRF24L0116是一款工作在2.42.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型Schock Burst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置。極低的電流消耗：當工作在

29、發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時電流消耗為9mA，接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。綜合考慮各方面要求，整合nRF24L01的以上特點，本設計的無線模塊選用nRF24L01。第三章 系統(tǒng)硬件電路的設計根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案設計，下面進行系統(tǒng)硬件電路的具體設計，系統(tǒng)的總體結構框圖如圖3.1所示：圖3.1 單片機無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)結構圖對于本設計的無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)來說，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端兩個部份組成，兩者之間通過無線信道通信。數(shù)據(jù)采集端負責數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；數(shù)據(jù)接收端負責數(shù)據(jù)的接收和處理。一片nRF24L01無線收發(fā)模塊與一片溫度傳感器DS18B20組成一個

30、溫度采集模塊，通過無數(shù)個溫度采集模塊完成多點溫度數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送；另一片nRF24L01無線收發(fā)模塊和一片STC89C52通過RS-232接口模塊，完成溫度數(shù)據(jù)的接收和上傳。3.1微處理器電路設計微控制器的主要功能是管理系統(tǒng)的所有外圍設備，主要完成溫度數(shù)據(jù)的采集、處理，然后進行數(shù)據(jù)的發(fā)送等工作。3.1.1 STC89C52微處理器STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系

31、統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案3。STC89C52微處理器引腳結構圖如圖3.2所示：圖3.2 STC89C52引腳圖STC89C52具有以下標準功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32個I/O口，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。其P3口各引腳的第二功能如表3.1所示3:表3.1 P3口各引腳的第二功能定義接口線 引腳 第二功能 P3.0 10RXD (串行輸入口) P3.

32、111TXD (串行輸出口) P3.212INT0 (外部中斷0) P3.313INT1 (外部中斷1) P3.414T0 (定時器0外部輸入) P3.515T1 (定時器1外部輸入) P3.616WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖) P3.717RD (外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖)3.1.2電源電路設計任何電路都離不開電源部分，單片機系統(tǒng)也不例外，而且我們應該高度重視電源部分，不能因為電源部分電路比較簡單而有所忽略，其實有將近一半的故障或制作失敗都和電源有關，電源部分做好才能保證電路的正常工作。STC89C52單片機的5V直流供電電路如圖3.3所示：圖3.3 電源電路3.1.3 復位電路設計任何微處理器

33、均需通過可靠復位，然后才能有序地執(zhí)行應用程序。復位電路的設計要求其一要保證整個系統(tǒng)可靠復位，二要有一定的抗干擾能力。在實際的監(jiān)測系統(tǒng)中，考慮到電源穩(wěn)定時間、晶振穩(wěn)定時間、參數(shù)漂移和復位可靠性等因素，其設計必須留有較大的裕量。復位電路應具有上電復位和手動復位功能。復位脈沖的寬度至少要大于2個機器周期。系統(tǒng)的復位電路如圖3.4所示10：圖3.4 復位電路3.1.4 振蕩電路設計本電路設計給單片機加了11.0592MHz的晶振，其晶振兩端分別通過兩個電容接地，XTAL1、XTAL2分別接到STC89C52的19腳和18腳，構成單片機的振蕩電路，其電路圖如圖3.5所示：圖3.5 STC89C52的振蕩

34、電路3.2微處理器與MAX232連接電路設計STC89C52單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。MAX232的第10腳和單片機的11腳連接，第9和單片機的10腳連接。（三孔接線座的1腳接地，2腳接RXD，3腳接TXD）就可以直接用串口線，將開發(fā)板與計算機串口相連，使用STC_ISP下載軟件，將寫好的程序直接下載到STC89C52里面。單片機與MAX232的電路連接原理圖如圖3.6所示9：圖3.6 MAX232與單片機接口的連接電路3.3數(shù)字式溫度傳感器DS18B20DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM數(shù)據(jù)存儲器、溫度傳感器、非易失性電可擦寫溫

35、度報警觸發(fā)器TH、TL以及非易失性電可擦寫設置寄存器。3.3.1 DS18B20基本結構圖圖3.7為DS18B20的引腳和封裝圖：圖3.7 DS18B20引腳和封裝圖每片DS18B20含有一個唯一的64位ROM編碼。頭八位是產(chǎn)品系列編碼，表示產(chǎn)品的分類編號；接著的48位是一個惟一的產(chǎn)品序列號，序列號是一個15位的十進制編碼，每個芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識別出來，最后8位是前56位的循環(huán)冗余(CRC)校驗碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確的一種方法。所以多片DS1SB20能夠連接在同一條數(shù)據(jù)線上而不會造成混亂。這為溫度的多點測量帶來了極大的方便。DS18B20傳感器的內部數(shù)據(jù)存儲器由9個

36、字節(jié)組成。第一、二個字節(jié)是溫度數(shù)據(jù)(MSB，LSB)，可以在系統(tǒng)配置寄存器中自行設置數(shù)據(jù)位數(shù)(912位)，數(shù)據(jù)位越多溫度分辨率越高，多余的高位是溫度數(shù)據(jù)的符號擴展位。第三、四字節(jié)是溫度上下限報警值(TH，TL)。第五字節(jié)是系統(tǒng)配置寄存器，寄存器各位定義如下：第八位用來設置傳感器的工作狀態(tài)，“1”為測試狀態(tài)，“0”為操作狀態(tài)，出廠設置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉換數(shù)據(jù)位的設置(00，01，10，01分別對應9，10，11，12位溫度數(shù)據(jù))，出廠設置為12位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進行修改，其余位無效。第6、7、8字節(jié)保留未用。第9個字節(jié)是CRC校驗碼，是前面8個字節(jié)的循環(huán)

37、校驗碼，用在通信中檢驗數(shù)據(jù)傳送的正確性。溫度傳感器的轉換結果以16位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中，其中第一個字節(jié)(Byte0)存放測溫結果的低位(LS Bytes)，第二個字節(jié)母(Byte1)存放測溫結果的高位(MS Bytes)，S為符號位，其它位為數(shù)據(jù)位，溫度為負時S=l；溫度為正時S=0。格式如表3.1所示14：表3.1用二進制補碼表示的DS18B20溫度數(shù)據(jù)Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LSB232221202-12-22-32-4MSBSSSSS262524其中，高位字節(jié)中的前5位S是符號位，若測得的溫度大于0，則這5位數(shù)據(jù)也都為“0”，實際

38、溫度也就等于測到的數(shù)值與0.0625(0.0625/LSB)的乘積；若溫度小于0，則這5位數(shù)據(jù)就都為“1”，實際溫度就等于測到的數(shù)值取反加l后再乘以0.0625。DS18B20用12位精度測出的數(shù)字量(用16位二進制補碼表達表達)，如表3.2所示。如果測量的溫度值高于溫度報警觸發(fā)器TH或低于TL中的值，則DS18B20內部的報警標志位就被置位，表示溫度測量值超出范圍。DS18B20的溫度轉換位數(shù)可以選擇912位，分別對應的測溫分辨率為0.5、0.25、0.125、0.0625。不過溫度轉換位數(shù)越大，轉換時間也越長。12位精度的最大轉換時間為750ms19。表3.2 DS18B20輸出溫度值二進

39、制對照表溫度數(shù)字量輸出（二進制）數(shù)字量輸出（十六進制）+1250000 0111 1101 000007D0H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000 FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FF6FH-551111 1100 1001 0000FC90H3.3.2 DS18

40、B20測溫原理DS18B20的溫度傳感器是通過溫度對振蕩器的頻率影響來測量溫度的。如圖3.5所示。DS18B20內部有兩個不同溫度系數(shù)的振蕩器。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘脈沖信號通過由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開通周期而被記數(shù)，通過該計數(shù)值來測量溫度。計數(shù)器被預置為與-55對應的一個基數(shù)值，如果計數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門周期結束前計數(shù)到零，表示測量的溫度高于-55，被預置在-55的溫度寄存器的值就增加1，同時為了補償和修正溫度振蕩器的非線性，計數(shù)器被斜率累加器所置定的值進行預置，時鐘再次使計數(shù)器計數(shù)直至零，如果開門時間仍未結束，那么重復此過程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結束為止。這時寄存器中的

41、值就是被測的溫度值。這個值以16位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中。溫度值由主機發(fā)出讀存儲器命令讀出，經(jīng)過取補和十進制轉換，得到實測的溫度值19。其測溫原理圖如圖3.8所示：圖3.8 DS18B20測溫原理3.3.3 溫度采集電路設計DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端接單片機的P3.0口；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。圖3.9為溫度采集電路的設計10：圖3.9 溫度采集電路3.4 無線數(shù)據(jù)傳送模塊 nRF24L01是一款工作在2.42.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。其具有以下特點16：2.4Ghz全球開放ISM頻段免許可證使用。最高工作速率2Mbps，高效GFSK調

42、制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合。126頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要。內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制。低功耗1.93.6V工作，待機模式下狀態(tài)為22uA；掉電模式下為900nA。內置2.4GHz天線，體積小巧15mm×22mm。模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)(提供中斷指示)，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便。內置專門穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC開關電源均有很好的通信效果。 標準DIP間距接口，便于嵌入式應用工作于Enhanced ShockBurst TM具有Automatic packet handling，Auto packe

43、t transaction handling，具有可選的內置包應答機制，極大的降低丟包率。3.4.1 nRF24L01基本結構圖nRF24L01的收發(fā)模式有3種，分別是Enhanced ShockBurst TM模式、ShockBurst TM模式、直接收發(fā)模式。本系統(tǒng)采用Enhanced ShockBurst TM 模式，在該模式下，nRF24L01 自動處理字頭和CRC校驗碼，在接收數(shù)據(jù)時自動將字頭和CRC校驗碼移去，在發(fā)送數(shù)據(jù)時自動加上字頭和CRC校驗碼。nRF24L01還集成了自動應答功能，即接收端接收到數(shù)據(jù)后自動發(fā)送一個應答信號，發(fā)送端接收到應答信號后確認完成這次數(shù)據(jù)的發(fā)送；在默認的

44、發(fā)送時間內如果沒有收到應答信號，那么發(fā)送端的MAX_RT位置1，觸發(fā)發(fā)送端的中斷信號，并停止數(shù)據(jù)的發(fā)送。使用這2種技術可以明顯降低該射頻模塊的工作電流，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其引腳圖如圖3.10所示：圖3.10 nRF24L01引腳圖3.4.2 nRF24L01的寄存器設置nRF24L01所有配置都在寄存器中，所有的寄存器都是通過SPI口進行配置的。其SPI指令格式如表3.3所示16：表3.3 nRF24L01 SPI串行口指令設置指令名稱指令格式操作R_REGISTER000AAAAA讀配置寄存器，AAAA指出讀操作的寄存器地址W_REGISTER001AAAAA寫配置寄存器，AAAA指

45、出寫操作的寄存器地址，只有在掉電模式和待機模式下可操作R_RX_PAYLOAD0110 0001讀RX有效數(shù)據(jù)：132字節(jié)。讀操作全部從字節(jié)0開始，當讀RX有效數(shù)據(jù)完成后，F(xiàn)IFO寄存器中有效數(shù)據(jù)被清除，應用于接受模式下。W_RX_PAYLOAD1010 0000寫TX有效數(shù)據(jù)：132字節(jié)。寫操作全部從字節(jié)0開始，應用于發(fā)射模式下。FLUSH_TX1110 0001清除TX_FIFO寄存器，應用于發(fā)射模式。FLUSH_RX1110 0010清除RX_FIFO寄存器，應用于發(fā)射模式。REUSE_TX_PL1110 0011重新使用上一包有效數(shù)據(jù)，當CE為高電平的過程中，數(shù)據(jù)包被不斷的重新發(fā)射NO

46、P1111 1111空操作，可以用來讀狀態(tài)寄存器3.4.3 無線發(fā)射電路設計 nRF24L01寄存器設置是通過SPI協(xié)議進行的，其外接電路如圖3.11所示，其各引腳MISO、MOSI、SCK、CE1、CSN、IRQ分別與單片機的P1.2、P1.4、P1.6、P1.5、P1.7、P1.0相連。VCC腳接電壓范圍為1.9V3.6V之間，不能在這個區(qū)間之外，超過3.6V將會燒毀模塊。這里是用2節(jié)電池供電，電壓在3V左右。除電源VCC和接地端，其余腳都可以直接和普通的5V單片機I/O口直接相連，無需電平轉換。圖3.11 無線發(fā)射電路3.5 時鐘電路設計DS1302包含一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)

47、RAM，它和單片機通信經(jīng)由一個簡單的串行接口。實時時鐘/日歷提供秒、分、時、日、周、月、年信息，月末日期自動調整，包括閏年的修正。時鐘可工作在24小時格式或12小時(AM/PM)格式，單片機與DS1302接口使用同步串行通信，僅需三根線連接：/RST(復位)，I/O(串行數(shù)據(jù))，SCLK(串行時鐘)。數(shù)據(jù)傳送從單片機到實時時鐘/RAM或實時時鐘/RAM到單片機，可以每次1字節(jié)或每次31字節(jié)。它可以工作在很低的耗電狀態(tài)以保存時鐘信息和數(shù)據(jù)，功耗小于1uw3。其模塊電路圖如圖3.12所示：圖3.12 實時時鐘電路3.6 報警電路設計本設計還具有超限報警功能，當節(jié)點溫度大于預設的溫度時，系統(tǒng)會自動啟

48、動報警，提示用戶，并自動啟動降溫裝置。其報警電路圖如圖3.13所示：圖3.13 報警電路3.7 繼電器電路設計本設計中當采集溫度與預設溫度相比，過高時將會啟動降溫裝置，過低時會啟動加熱裝置，使溫度始終維持在用戶預設的溫度允許的范圍內，其加熱或降溫都通單片機通過繼電器電路對相關裝置實現(xiàn)控制的，其繼電器與單片機連接的電路圖如圖3.14所示：圖3.14 繼電器電路3.8 LCD顯示電路設計 本設計的溫度和時間顯示是通過128×64的液晶顯示器來顯示的。帶中文字庫的128×64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示

49、模塊；其顯示分辨率為128×64 內置8192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡樸、方便的操作指令可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。在設計中，單片機I/O口通過串行傳輸往LCD里傳送數(shù)據(jù)。圖3.15 LCD顯示電路第四章 系統(tǒng)軟件的設計系統(tǒng)的軟件設計時充分考慮到各傳感器

50、和無線收發(fā)器之間的時序問題，既要做到程序簡單，又要盡量降低無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)的軟件都是采用C語言編程，在Keil uVision2環(huán)境下運行。4.1 系統(tǒng)的主要程序模塊 程序主要由以下功能模塊組成：上電初始化程序、無線收發(fā)程序、數(shù)據(jù)包打包拆包程序、數(shù)據(jù)處理程序。采集端和接收端在上電后首先調用初始化程序，完成無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率、內部寄存器的初始化配置；無線收發(fā)程序負責接收和發(fā)送經(jīng)過打包后的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)打包程序將采集數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議加上幀頭、地址、CRC校驗字節(jié)，形成完整的數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)拆包程序根據(jù)通信協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)包去掉幀頭、地址信

51、息、取出其中的有用數(shù)據(jù)，并檢驗數(shù)據(jù)包中的CRC字節(jié)以檢驗接收到的數(shù)據(jù)的正確性；數(shù)據(jù)處理程序對接收到的有效數(shù)據(jù)進行簡單的計算處理后將其通過串口發(fā)送到計算機，進一步的分析和處理。在實際應用時，當上電后該系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，當接到PC機的啟動命令后，進行數(shù)據(jù)采集，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機；在測量任務完成后，PC機向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送結束指令；當系統(tǒng)接收到PC機的結束指令后，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)停止采集數(shù)據(jù)。其總體框圖如圖4.1所示：圖4.1 系統(tǒng)程序模塊圖4.2 系統(tǒng)軟件總流程圖本設計軟件總的流程圖包括溫度采集、溫度數(shù)據(jù)發(fā)送、溫度數(shù)據(jù)接收、實時時鐘、實時顯示、實時監(jiān)控、實時調整、超限報警。無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的總體

52、設計分為主機和節(jié)點兩個部分，其節(jié)點為溫度采集部分，主機部分為溫度處理部分。其主機總流程圖如圖4.2所示：圖4.2 主機部分軟件設計流程圖節(jié)點部分為溫度采集發(fā)射，其流程圖如圖4.3所示：流程圖此外有問題圖4.3 節(jié)點溫度采集發(fā)射軟件流程圖4.3 溫度采集軟件設計 DS18B20以單總線協(xié)議工作，STC89C52單片機首先發(fā)送復位脈沖，使信號線上的DS18B20被復位，接著發(fā)送ROM操作命令，使DS18B20被激活進入接收內存訪問命令狀態(tài)。內存訪問命令完成溫度轉換、讀取等工作(單總線在ROM命令發(fā)送之前存儲命令和控制命令不起作用)。程序流程圖如圖4.4所示：圖4.4 DS18B20采集溫度流程圖系

53、統(tǒng)以ROM命令和存儲器命令的形式對DS18B20操作。ROM操作命令均為8位，命令代碼分別為：讀ROM(33H)、匹配ROM(55H)、跳過ROM(CCH)、搜索ROM(F0H)和告警搜索(ECH)命令。存儲器操作命令為：寫暫存存儲器 (4EH)、讀暫存存儲器(BEH)、復制暫存存儲器(48H)、溫度變換(44H)、重新調出E2PRAM(B8H)和讀電源供電方式(B4H)命令。DS18B20對時序及電特性參數(shù)要求較高，必須嚴格按照DS18B20的時序要求去操作。DS18B20數(shù)據(jù)的讀寫由主機讀寫時間來完成的，包括初始化、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)。主機控制DS18B20完成任何操作之前必須先初始化，即主機發(fā)一個復位脈沖(最短