畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　傳統(tǒng)的多點(diǎn)溫度測(cè)量存在著連線復(fù)雜、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求高的缺點(diǎn)。采用無線通信技術(shù)構(gòu)成的無線多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，由于具有安裝方便、對(duì)測(cè)量環(huán)境影響小、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在需要多點(diǎn)溫度測(cè)量的場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　針對(duì)傳統(tǒng)有線溫度測(cè)量技術(shù)的局限性，本論文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)。本

2、系統(tǒng)采用了STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制芯片、DS18B20數(shù)字溫度傳感器和NRF24L01無線通訊模塊。論文完成了方案論證、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中硬件電路設(shè)計(jì)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線收發(fā)裝置電路設(shè)計(jì)、溫度傳感器電路設(shè)計(jì)、顯示電路設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序、無線發(fā)送與接收等程序的解析。并在實(shí)驗(yàn)室完成了溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量和無線傳輸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明滿足設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。</p><p>

3、;　　本系統(tǒng)通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)達(dá)到了課題的各項(xiàng)要求，證明了本溫度采集系統(tǒng)真實(shí)、可靠。</p><p>　　關(guān)鍵字：溫度測(cè)量；DS18B20；數(shù)字溫度傳感器；單片機(jī)；無線收發(fā)器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The traditional multi-piont temperature measurement

4、s have many defects, such as the complex interconnection, the high demand for measurement environment. Because of the advantages of easy installation, small impact on the measuring environment, network flexible, the wire

5、less multi-piont temperature acquisition system using wireless communication technology has wide application value in the environment which needs multi-piont temperature acquisition.</p><p>　　Aim at the limi

6、tations of The traditional wired multi-piont temperature measurements. This thesis designs a wireless multi-piont temperature acquisition system which adopts single chip processor. This system uses the STC12C5A60S2 singl

7、e chip processor as the core control chip. The thesis completed the scheme demonstration, the smallest single-chip system design, the wireless transceiver circuit design, the temperature sensor circuit design, the displa

8、y circuit design, the software design and the</p><p>　　Through physical experiments this system has achieved the task requirements, it proved this temperature acquisition system is true and reliable.</p&g

9、t;<p>　　Key words：temperature measurement；DS18B20；digital temperature sensor；single chip processor；wireless transceiver</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b>&l

10、t;/p><p><b>　　英文摘要II</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題意義及背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 課題研究內(nèi)容及要求3</p><

11、;p><b>　　2 方案論證4</b></p><p>　　2.1 主控方案論證4</p><p>　　2.2 溫度傳感器方案論證5</p><p>　　2.3 無線裝置方案論證6</p><p>　　2.4 系統(tǒng)方案論證7</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)8</p&

12、gt;<p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.2 無線模塊電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.3 顯示電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.4 傳感器電路設(shè)計(jì)17</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)20</b></p><p>　　4.

13、1 主程序設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2 無線發(fā)送與接收程序流程21</p><p>　　4.3 無線發(fā)射/接收程序22</p><p>　　4.4 液晶顯示程序33</p><p>　　5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果37</p><p>　　5.1 調(diào)試及結(jié)果分析37</p><p>　　5

14、.2 實(shí)物介紹38</p><p><b>　　總結(jié)39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：40</b></p><p><b>　　附錄:41</b></p><p><b>　　致謝54</b></p><p&

15、gt;<b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 意義及背景</b></p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中迅速的得到應(yīng)用，溫度作為一個(gè)重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)量的要求也越來越高。因此，溫度測(cè)量的研究和測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為了一

16、個(gè)重要的研究課題。無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更是以優(yōu)越的性能備受關(guān)注。作為無線產(chǎn)業(yè)新領(lǐng)域，短距離無線通信技術(shù)顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，在安全生產(chǎn)，家用電器，數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，甚至在一些特殊情況下，無線數(shù)據(jù)傳輸方式是唯一的數(shù)據(jù)傳輸方式。但以往的無線產(chǎn)品存在范圍和方向上的局限性。例如，一些無線產(chǎn)品在使用時(shí)，無法將信息反饋給控制者；還有一些無線產(chǎn)品不能很好地顯示參數(shù)和狀態(tài)信息，如果能在系統(tǒng)中增加一塊小型液晶顯示電路，產(chǎn)品不僅能向用戶顯示其

17、狀態(tài)和狀態(tài)的改變，而且可以大大降低成本。正如人們所發(fā)現(xiàn)的，只要建立雙向無線通信雙工通信并且選擇成本低的收發(fā)芯片，就會(huì)出現(xiàn)許多新應(yīng)用[1]。</p><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)三種。本系統(tǒng)由一臺(tái)主機(jī)（單片機(jī)）和3臺(tái)從機(jī)（單片機(jī)）組成。主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通過無線傳輸方式進(jìn)行，構(gòu)成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。利用無線收發(fā)電路，加上單片機(jī)控制與液晶顯示制成一套完整的數(shù)據(jù)收發(fā)顯示系統(tǒng)。考

18、慮到目前市場(chǎng)上的一些需求，設(shè)計(jì)的主要要求是方案成本低，體積小，功耗低，集成度高，盡量無需調(diào)外部元件，傳輸時(shí)間短，接口簡單。NRF24L01是國外最新推出的單片無線收發(fā)一體芯片，它在一個(gè)20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、GFSK調(diào)制、多頻道切換等功能，并且外圍元件少，便于設(shè)計(jì)生產(chǎn)，功耗極低，集成度高，是目前集成度較高的無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，它為低速率、低成本的無線技術(shù)提出了解決方案。而本系統(tǒng)采用的最新智能溫度傳感器DS18B

19、20，儀器可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，安置方便靈活，支持現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（單總線技術(shù)），信號(hào)易于處理和傳輸，降低系統(tǒng)成本[1]。 </p><p>　　本系統(tǒng)針對(duì)有線溫度測(cè)量技術(shù)的局限性，充分利用無線采集系統(tǒng)的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的多點(diǎn)無線溫度采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)于促進(jìn)溫度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展有著重要現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p>&l

20、t;p>　　人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測(cè)量，因此研究溫度的測(cè)量方法和裝置具有重要的意義。測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)，在我國各領(lǐng)域已經(jīng)引用的非常廣泛，可以說是滲透到社會(huì)的每一個(gè)領(lǐng)域。溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能集成溫度傳感器。目前的智能溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫

21、度傳感器）是在20世紀(jì)90年代中期問世的，它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶，特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）。社會(huì)的發(fā)展使人們對(duì)傳感器的要求也越來越高，現(xiàn)在的溫度傳感器正在基于單片機(jī)的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展[2]。<

22、/p><p>　　目前，國內(nèi)外很多溫度采集系統(tǒng)都利用有線通信。因此，在實(shí)際應(yīng)用空間上具有局限性。另外，溫度采集系統(tǒng)多采用熱電偶，熱敏電阻，鉑電阻和集成電路AD590作為溫度傳感器，這些傳感器的輸出信號(hào)均為模擬信號(hào)，需經(jīng)過放大電路和A/D轉(zhuǎn)換后才能與計(jì)算機(jī)連接，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[2]。本課題中溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度集成芯片DS18B20，該芯片可以直接提供單片機(jī)接收的數(shù)字溫度信號(hào)。本

23、課題的溫度采集系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)通信方式，選取Nordic公司的NRF24L01無線收發(fā)器完成了對(duì)溫度信號(hào)的無線傳輸。該系統(tǒng)不僅克服了溫度采集系統(tǒng)在使用空間上的局限性，而且大大簡化了系統(tǒng)硬件電路。</p><p>　　盡管有線溫度傳感器在一定程度上達(dá)到了比較理想的結(jié)果，但因其布線的復(fù)雜，而且存在斷線和短路的隱患和易老化的缺點(diǎn)，給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增大了難度，一般不被廣泛使用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)

24、控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中迅速得到了應(yīng)用。作為無線通訊產(chǎn)業(yè)新領(lǐng)域，短距離無線通信技術(shù)顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，在安全生產(chǎn)，家用電器，數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域發(fā)揮出越來越重要的作用，甚至在一些特殊情況下，無線數(shù)據(jù)傳輸方式是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ环绞?。農(nóng)業(yè)溫棚實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用效果和良好的應(yīng)用前景[4]。</p><p>　　1.3 課題研究內(nèi)容及要求</p><p>　　本系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)基于無線傳

25、輸?shù)亩帱c(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)，并完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。主要內(nèi)容包括方案論證、單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線收發(fā)裝置電路設(shè)計(jì)、溫度傳感器電路設(shè)計(jì)、顯示電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。</p><p><b>　　具體內(nèi)容如下:</b></p><p>　?。?）方案論證。完成無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)整體方案的論證工作，包括多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的整體構(gòu)架、單片機(jī)型號(hào)、無線收發(fā)模塊和溫度傳感

26、器的選型等，為后續(xù)的研究和實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；</p><p>　?。?）單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源電路、時(shí)鐘電路、顯示電路等；</p><p>　　（3）無線收發(fā)裝置電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)無線收發(fā)功能電路，實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫度測(cè)量終端跟主機(jī)的通信；</p><p>　?。?）溫度傳感器電路設(shè)計(jì)。根據(jù)所選的溫度傳感器，設(shè)計(jì)溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路； </p>

27、<p>　?。?）顯示電路設(shè)計(jì)。根據(jù)所選的液晶顯示模塊12864的產(chǎn)品參數(shù)情況，設(shè)計(jì)出外圍顯示電路；</p><p>　?。?）軟件設(shè)計(jì)。包括主程序設(shè)計(jì)、無線傳感器子程序設(shè)計(jì)、溫度傳感器自程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)主機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)等；</p><p>　?。?）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，完成無線多點(diǎn)溫度傳輸實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性和有效

28、性。</p><p><b>　　課題研究要求：</b></p><p>　?。?）完成各模塊硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；</p><p>　?。?）系統(tǒng)實(shí)物焊接組裝完成，使系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)硬件檢測(cè)正常無誤；</p><p>　　（3）系統(tǒng)程序調(diào)試完成無誤；</p><p>　　（4）各模塊能完成單

29、點(diǎn)溫度精確測(cè)量；</p><p>　?。?）能完成多點(diǎn)溫度測(cè)量與短距離無線傳輸。各從機(jī)能分別采集并顯示環(huán)境溫度并發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)能接收并匯總顯示各從機(jī)傳送來的溫度，能實(shí)時(shí)反映出各從機(jī)采集到的溫度的變化。</p><p><b>　　2 方案論證</b></p><p>　　溫度檢測(cè)系統(tǒng)有著共同的特點(diǎn)：測(cè)量點(diǎn)多、環(huán)境復(fù)雜、布線分散、現(xiàn)場(chǎng)離監(jiān)控室遠(yuǎn)

30、等。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號(hào)，則需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的接口電路，才能把傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到計(jì)算機(jī)去處理。這樣，由于各種因素會(huì)造成檢測(cè)系統(tǒng)較大的偏差；又因?yàn)闄z測(cè)環(huán)境復(fù)雜、測(cè)量點(diǎn)多、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)及各種干擾的影響，會(huì)使檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降[2]。所以多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于三部分：控制器芯片、溫度傳感器和無線傳輸模塊的選擇。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線溫度采集系統(tǒng)采用的無線傳輸模塊在很大程度

31、上解決了多點(diǎn)測(cè)控系統(tǒng)中布線麻煩及信號(hào)傳輸過程中易受環(huán)境因素干擾的問題。溫度傳感器應(yīng)用范圍廣泛、使用數(shù)量龐大，也高居各類傳感器之首。本系統(tǒng)采用的STC系列單片機(jī)能很好的處理溫度傳感器采集到的信號(hào)，并能夠很好的完成無線傳輸模塊的收發(fā)功能。</p><p>　　2.1 控制器芯片方案論證</p><p>　　方案一基于STC12C5A60S2的方案論證：采用STC12C5A60S2八位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

32、。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨(dú)控制多個(gè)DS18B20工作，還可以進(jìn)行各單片機(jī)間的相互通信。運(yùn)用主從分布式思想，由一臺(tái)主機(jī)（單片機(jī)），3臺(tái)從機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集、傳輸并顯示，組成兩級(jí)分布式多點(diǎn)溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。另外STC12C5A60S2在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。</p

33、><p>　　方案二基于MSP430的方案論證：使用MSP430作控制器，德州儀器（TI）的超低功率16位RISC 混合信號(hào)處理器MSP430產(chǎn)品系列為電池供電測(cè)量應(yīng)用提供了最終解決方案。作為混合信號(hào)和數(shù)字技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，TI創(chuàng)新生產(chǎn)的MSP430，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在保持獨(dú)一無二的低功率的同時(shí)同步連接至模擬信號(hào)、傳感器和數(shù)字組件。但在溫度采集和實(shí)施控制這個(gè)重要的場(chǎng)合低功耗相對(duì)來說顯得就不是那么重要了，而應(yīng)該考慮它的穩(wěn)

34、定性、準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)比STC12C5A60S2能夠在性能和資源都可以到達(dá)一個(gè)最佳的狀態(tài)，可以避免用MSP430的不必要的資源浪費(fèi)[3]。</p><p>　　綜上，控制器芯片采用方案一中的STC12C5A60S2單片機(jī)更符合系統(tǒng)要求。</p><p>　　2.2 溫度傳感器方案論證</p><p>　　方案一基于熱敏電阻的方案論證：</p><p

35、>　　采用熱敏電阻，可滿足40攝氏度至90攝氏度測(cè)量范圍，雖然熱敏電阻精度、重復(fù)性較好、但可靠性較差，對(duì)于檢測(cè)誤差在1攝氏度范圍內(nèi)的信號(hào)是不適用的。而且在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用單片溫度傳感器，比如AD590，LM35等.但這些芯片輸出的都是模擬信號(hào)，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能送給單片機(jī)，這樣就使得測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，這種測(cè)溫裝置的一根線上只能掛一個(gè)傳感器，不能進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。即使能實(shí)現(xiàn)，也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件

36、實(shí)現(xiàn)的難度。導(dǎo)致增加設(shè)計(jì)成本、延長設(shè)計(jì)周期等[2]。</p><p>　　方案二基于DS18B20傳感器的方案論證：</p><p>　　在多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測(cè)溫方法是將模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離采樣進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，而為了獲得較高的測(cè)溫精度，就必須采用措施解決由長線傳輸，多點(diǎn)測(cè)量切換及放大電路零點(diǎn)漂移等造成的誤差補(bǔ)償問題。采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。便于單片機(jī)處理及控

37、制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該傳感器的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫傳感器，此傳感器線形較好。在0~100攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于1攝氏度。DS18B20傳感器的最大特點(diǎn)之一就是采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，提高了信號(hào)的穩(wěn)定性和精度。由數(shù)字溫度傳感器DS1820和微控制器STC12C5A60S2構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置，數(shù)字溫度傳感器DS1820能直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，可直接與單片機(jī)直接連接。這樣,測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡單，體積

38、也小,且由于STC12C5A60S2功能強(qiáng)大可以輕松的兼容無線模塊，因此可以非常容易實(shí)現(xiàn)無線多點(diǎn)測(cè)量，輕松的組建無線網(wǎng)絡(luò)[2]。</p><p>　　采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化、集成化使得部分測(cè)溫功能電路集成，從而使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更加快捷方便。而且，數(shù)字溫度傳感器DS18B20的使用，能有效地避免外界的干擾，提高測(cè)量電路的精確度。所以數(shù)字集成芯片的使用將成為

39、電路發(fā)展的一種趨勢(shì)。本方案采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，也是順應(yīng)這一趨勢(shì)[4]。</p><p>　　綜上所述，傳感器采用方案二選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度更符合系統(tǒng)要求。</p><p>　　2.3 無線裝置方案論證</p><p>　　方案一基于NRF905的方案論證：</p><p>　　采用NRF905單片無線收發(fā)器。

40、NRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9V~3.6V，32引腳QFN封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3個(gè)ISM頻道。NRF905可以自動(dòng)完成處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，在接收模式時(shí)電流為12.5mA。 NRF

41、905單片無線收發(fā)器工作由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。Shock Burst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，可以很容易通過SPI接口進(jìn)行編程配置。相比NRF24L01其工作頻率適用范圍較窄，無法在高頻狀態(tài)下工作，達(dá)不到系統(tǒng)要求。另外NRF24L01在工業(yè)控制上的應(yīng)用也很廣泛，與各種外圍電路的配合應(yīng)用也比較成熟[2]。</p><p>　　

42、方案二基于NRF24L01的方案論證：</p><p>　　采用NRF24L01單片無線收發(fā)芯片。NRF24L01是Nordic公司推出的一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz~2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型Shock Burst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。NRF24L 01功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作

43、電流也只有9 mA；接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。它采用SoC方法設(shè)計(jì), 只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。它能夠達(dá)到現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于無線傳輸領(lǐng)域的藍(lán)牙的大部分功能。它與藍(lán)牙不同的地方是NRF24L01沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。在無線通信領(lǐng)域顯示出了越來越廣泛的應(yīng)用范圍與強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α８匾氖?，NRF24L01比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。

44、所以NRF24L01是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。因此使用該芯片也可以在很大程度上降低系統(tǒng)成本[2]。</p><p>　　綜合以上情況分析決定采用方案二的NRF24L01芯片更符合本系統(tǒng)，能夠很好的達(dá)到系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。</p><p>　　2.4 系統(tǒng)方案論證</p><p>　　綜上所述，溫度傳感器以及無線模塊部分都采用第二方案，

45、主控部分采用第一方案。</p><p>　　系統(tǒng)采用針對(duì)傳統(tǒng)溫度測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫點(diǎn)少，系統(tǒng)兼容性及擴(kuò)展性較差的特點(diǎn)，運(yùn)用主從分布式通訊的思想。設(shè)計(jì)一種可以用于無線多點(diǎn)溫度測(cè)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)通過3個(gè)從機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的溫度采集，溫度數(shù)據(jù)既可以由從機(jī)模塊實(shí)時(shí)顯示，也可以送回主機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總顯示，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快，擴(kuò)展性好，成本低的特點(diǎn)。系統(tǒng)示意圖如圖2.1所示:</p><p&

46、gt;<b>　　圖2.1系統(tǒng)示意圖</b></p><p>　　基于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念， 在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上還可以增設(shè)上位機(jī)（PC機(jī)）一臺(tái)，匯總接收顯示并處理下位機(jī)（單片機(jī)）傳來的溫度數(shù)據(jù)，從而做到對(duì)整個(gè)溫度采集系統(tǒng)的整體監(jiān)控。還可以對(duì)下位機(jī)之間進(jìn)行菊聯(lián)，這樣就大大的改善了NRF24L01因有效信號(hào)傳輸距離較短引起的無法進(jìn)行中遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題。極大地?cái)U(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。對(duì)無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的發(fā)

47、展有著重大的意義。</p><p>　　由于時(shí)間有限，本人暫時(shí)只能提出以上理論以供參考。利用已具備的硬件條件制作了以單片機(jī)作為上位機(jī)匯總顯示各個(gè)從機(jī)傳來的溫度信號(hào)的實(shí)物系統(tǒng)模塊以作驗(yàn)證。</p><p><b>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)由單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線模塊電路設(shè)計(jì)、液晶顯示電路設(shè)計(jì)、溫度傳感

48、器電路設(shè)計(jì)4部分組成。電路主要硬件包括單片機(jī)STC12C5A60S2、無線傳輸模塊NRF24L01、顯示模塊12864和溫度傳感器DS18B20。</p><p>　　STC12C5A60S2是增強(qiáng)型8051單片機(jī)，速度快，集成度高，電壓范圍寬（2.2～3.8 V），和MCS-51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)完全兼容。其內(nèi)部還有8 KB Flash程序存儲(chǔ)器，512字節(jié)RAM、2 KB EEPROM、4路PWM以及硬件看門

49、狗（WDT）等資源性價(jià)比高[3]。 DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字1-Wire溫度傳感器，可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理，采用1-Wire接口。DS18B20的數(shù)據(jù)端DQ可通過4.7kΩ的上拉電阻接STC12C5A60S2。NRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ引腳則可接STC12C5A60S2的任意端口，但需在編程時(shí)注意，這里接至P1端口。由于NRF24L01具有接

50、收數(shù)據(jù)功能，所以接收顯示電路由單片機(jī)STC12C5A60S2、NRF24L01和顯示液晶12864組成。所采集的數(shù)據(jù)也通過無線模塊NRF24L01發(fā)送至主機(jī)進(jìn)行匯總顯示。</p><p>　　3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)。</p><p>　　STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏品

51、科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（IT）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S，即25萬次/秒），針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。它有高速、高可靠、低功耗、超低價(jià)、強(qiáng)抗靜電、強(qiáng)抗干擾的功能[3]。</p><p>　　STCI2C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)有如下

52、特點(diǎn)[3]：</p><p>　?。?）增強(qiáng)型8051 CPU，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；</p><p>　　（2）工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V~3.5V；</p><p>　　（3）工作頻率范圍：0MHz~35MHz，相當(dāng)于普通8051的0MHz~420MHz；</p><p>　?。?

53、）用戶應(yīng)用空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節(jié)；</p><p>　?。?）片上集成1280字節(jié)RAM；</p><p>　?。?）通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超

54、過120mA；</p><p>　?。?）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；</p><p>　?。?）有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM）；</p><p><b>　　（9）看門狗電路；</b&

55、gt;</p><p>　?。?0）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部品體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）；</p><p>　?。?1）外部掉電檢測(cè)電路：在P4.6口有一個(gè)低壓門檻比較器5V單片機(jī)為1.33V，誤差為5%，3.3V單片機(jī)為1.31V，誤差為3%；</p><p>　?。?2）時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器（溫漂為5%~1

56、0%以內(nèi)）用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：11MHz~17MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)；</p><p>　?。?3）共4個(gè)16位定時(shí)器。兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)1

57、6位定時(shí)器；</p><p>　?。?4）3個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘，獨(dú)立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時(shí)鐘；</p><p>　?。?5）外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，并新增了支持上升沿中斷的PCA模塊；</p><p>　?。?6）PWM（2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器

58、陣列2路）；</p><p>　　也可用來當(dāng)2路D/A使用；再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器；可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷（上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持）；</p><p>　?。?7）A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S（每秒鐘25萬次）；</p><p>　?。?8）通用全雙工異步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定

59、時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口；</p><p>　?。?9）STCI2C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才是雙串口，RxD2/P1.2（可通過寄存器設(shè)置到P4.2），TxD2/P1.3（可通過寄存器設(shè)置到P4.3）。</p><p>　　（20）工作溫度范圍：40 ℃~85℃（工業(yè)級(jí)）/0℃~75℃（商業(yè)級(jí)）；</p><p>　　（21）封裝：LQFP-4

60、8，LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，QFN-40；</p><p>　　在I/O口不夠時(shí)，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來擴(kuò)展I/O口，還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU，二線通信，還多了串口。</p><p>　　本設(shè)計(jì)所用單片機(jī)最小系統(tǒng)由STCI2C5A60S2作為核心芯片，該系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組

61、成。具體的各個(gè)設(shè)計(jì)部分如下圖所示[3]。</p><p>　?。?）電源電路：如圖3.2所示將帶鎖的開關(guān)裝在+5的輸人端，控制整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的供電。在電源兩端設(shè)計(jì)電源指示燈，用來指示系統(tǒng)供電是否正常，同時(shí)能根據(jù)指示燈的亮度判斷相關(guān)故障。由于發(fā)光二極管的最大電流為20mA，考慮到節(jié)能和發(fā)光二極管的長期使用設(shè)計(jì)發(fā)光二極管工作在5mA。選用的限流電阻R1=1k。具體的設(shè)計(jì)如圖3.1所示。</p><

62、p>　　圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電源電路圖</p><p>　?。?）復(fù)位電路：本設(shè)計(jì)采用直接的上電復(fù)位。具體電路設(shè)計(jì)如圖3.2所示。</p><p>　　圖3. 2單片機(jī)上電復(fù)位電路圖</p><p>　?。?）時(shí)鐘電路：本最小系統(tǒng)采用的是外部晶振電路，利用11.0596MHz的晶體振蕩器和兩個(gè)30pF的電容構(gòu)成。</p><p>　　

63、其中晶體振蕩器起振蕩作用，兩電容起到去耦合的作用。具體設(shè)計(jì)如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3單片機(jī)時(shí)鐘電路圖</p><p>　　STCI2C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　3.2 無線模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　

64、3.2.1 NRF24L01無線模塊的功能介紹</p><p>　　NRF24L01是一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。該器件工作于2.4GHz全球開放ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合增強(qiáng)型Shock Burst技術(shù)，其輸出功率和通信頻道可通過程序配置。擁有Shock Burst和Enhanced Shock Burst兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。可直接與單片機(jī)I／

65、O連接，外接元件數(shù)目少。NRF24L01功耗低，以6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅9 mA；接收時(shí)，工作電流僅12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電和空閑模式）更利于節(jié)能設(shè)計(jì)[1]。</p><p>　　NRF24L01結(jié)構(gòu)方框圖如下[1]：</p><p>　　圖3.5 NRF24L01結(jié)構(gòu)方框圖</p><p>　　NRF24L01主要特性：</p&g

66、t;<p><b>　　GFSK調(diào)制； </b></p><p>　　硬件集成OSI鏈路層； </p><p>　　具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能； </p><p>　　片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼； </p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸率為lMb/s或2Mb/s； </p><p>　

67、　SPI速率為0Mb/s～10Mb/s； </p><p><b>　　125個(gè)頻道； </b></p><p>　　與其他NRF24系列射頻器件相兼容； </p><p>　　QFN20引腳4mm×4mm封裝； </p><p>　　供電電壓為1.9V～3.6V。</p><p>　　

68、NRF24L01的封裝及引腳排列如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 NRF24L01的封裝及引腳排列圖</p><p>　　NRF24L01引腳功能及描述</p><p><b>　　各引腳功能如下： </b></p><p>　　CE：使能發(fā)射或接收；</p><p>　　CSN，S

69、CK：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置NRF24L01；</p><p>　　MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置NRF24L01； </p><p>　　IRQ：中斷標(biāo)志位；</p><p>　　VDD：電源輸入端； </p><p><b>　　VSS：電源地； </b></p>

70、;<p>　　XC1：晶體振蕩器引腳；</p><p>　　XC2：晶體振蕩器引腳； </p><p>　　VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V； </p><p>　　ANT1：天線接口；</p><p>　　ANT2：天線接口；</p><p>　　IREF：參考電流輸入。 　</p

71、><p>　　具體對(duì)應(yīng)功能及描述如表3. 1所示:</p><p>　　表3.1 NRF24L01引腳功能</p><p>　　NRF241L01工作模式: </p><p>　　通過配置寄存器可將NRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式。 　　 </p><p>　　表3.2 NRF24L01

72、四種工作模式</p><p>　　待機(jī)模式I。快速啟動(dòng)時(shí)減少系統(tǒng)平均消耗電流待機(jī)模式I下晶振正常工作在待機(jī)。</p><p>　　待機(jī)模式II。下部分時(shí)鐘緩沖器處在工作模式當(dāng)發(fā)送端TX_FIFO寄存器為空并且CE為高電平時(shí)進(jìn)入待機(jī)模式II在待機(jī)模式期間寄存器配置字內(nèi)容保持不變。</p><p>　　在掉電模式下，NRF24L01各功能關(guān)閉保持電流消耗最小進(jìn)入掉電模式

73、后NRF24L01停止工作寄存器內(nèi)容保持不變掉電模式由寄存器中PWR_UP位來控制。</p><p>　　3.2.2 NRF24L01無線模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)用</p><p>　　發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將NRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入NRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入

74、一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);若自動(dòng)應(yīng)答開啟，那么NRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX_FIFO中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)，若重發(fā)次數(shù)（ARC）達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX_FIFO中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā)；MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。<

75、;/p><p>　　接收數(shù)據(jù)時(shí),首先將NRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX FIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則NRF24L01進(jìn)入空閑模式1[1]。</p><p&

76、gt;　　NRF24L01無線模塊在本系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)圖如下所示：</p><p>　　圖3.7NRF24L01電路接線圖</p><p>　　3.3 液晶顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)中顯示部分是使用STC12C5A60S2單片機(jī)控制12864顯示。</p><p>　　帶中文字庫的128×64是一種具有4位/8位并行、

77、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；液晶的顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)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(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖

78、形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。</p><p>　　本課題在實(shí)物驗(yàn)證中使用了4塊12864液晶，分別安裝在4個(gè)主從模塊上作為數(shù)據(jù)顯示模塊。各從機(jī)模塊上的12864液晶主要是用作顯示本機(jī)采集到的環(huán)境溫度和溫度的實(shí)時(shí)變化。而主機(jī)模塊上的12864液晶除了顯示主機(jī)采集到的環(huán)境溫度外，還要匯總顯示出各從機(jī)模塊通過無線傳輸芯片NRF24L01發(fā)

79、送過來的溫度數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崟r(shí)反映出各從機(jī)模塊采集到的溫度的變化。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是串行顯示，實(shí)現(xiàn)顯示功能僅用了5個(gè)I/O口控制E，R/W，RS，PSB和RST。這樣使得單片機(jī)系統(tǒng)電路更加精簡、效率更高，同時(shí)節(jié)約了單片機(jī)的I/O口，為系統(tǒng)的升級(jí)和功能的擴(kuò)展預(yù)留了足夠的空間。顯示電路具體的I/O口控制接線如圖3.8所示。</p><p>　　本課題的顯示電路設(shè)計(jì)如圖3.8所示

80、。</p><p>　　圖3.8溫度顯示部分設(shè)計(jì)圖</p><p>　　3.4 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)</p><p>　　這里我們用到溫度芯片DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式。測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生

81、電源方式產(chǎn)生。CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。</p><p>　　圖3.9DS18B20電路接線圖</p><p>　　DS18B20傳感器支持“單線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10°C ~+85°C范圍內(nèi),精度為±0.1°C?，F(xiàn)場(chǎng)

82、溫度直接以“單線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等[6]。</p><p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6]：</p><p>　?。?）DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.10所示。</p><p>　　DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：</p><p&

83、gt;　?、?4位激光ROM。64位激光ROM從高位到低位依次為8位CRC、48位序列號(hào)和8位家族代碼（28H）組成;</p><p><b>　?、跍囟褥`敏元件;</b></p><p>　?、鄯且资詼囟葓?bào)警觸發(fā)器TH和TL。可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限值;</p><p>　?、芘渲眉拇嫫?。配置寄存器為高速暫存存儲(chǔ)器中的第五個(gè)字節(jié)。<

84、;/p><p>　　圖3.10DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　DS18B20在0工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值，其各位定義如表所示。</p><p>　　表3.3DS18B20配置寄存器結(jié)構(gòu)表</p><p>　　其中，TM：測(cè)試模式標(biāo)志位，出廠時(shí)被寫入0，不能改變；R0、R1：溫度計(jì)分辨率設(shè)置位，其對(duì)應(yīng)四種分

85、辨率如下表所列，出廠時(shí)R0、R1置為缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。</p><p>　　表3.4配置寄存器與分辨率關(guān)系表</p><p>　?。?）高速暫存存儲(chǔ)器</p><p>　　高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如下圖所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存

86、儲(chǔ)器的第0和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如圖所示。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。</p><p>　　DS18B20最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，DS18B20的數(shù)據(jù)I/O均由同一條線來完成。</p><p>　　表3.5DS18B20存儲(chǔ)器映像表</p&

87、gt;<p>　　DS18B20溫度數(shù)據(jù)表：</p><p>　　表3.6溫度值格式圖DS18B20溫度數(shù)據(jù)表</p><p>　　表3.7典型對(duì)應(yīng)的溫度值表:</p><p>　　對(duì)DS18B20的應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該注意的問題如下。</p><p>　?。?）對(duì)硬件結(jié)構(gòu)簡單的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行操作，需要用較為復(fù)雜的

88、程序完成。編制程序時(shí)必須嚴(yán)格按芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的有關(guān)操作順序進(jìn)行，讀、寫時(shí)間片程序要嚴(yán)格按要求編寫。尤其在使用DS18B20的高測(cè)溫分辨力時(shí)，對(duì)時(shí)序及電氣特性參數(shù)要求更高；</p><p>　?。?）有多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)傳感器出錯(cuò)自動(dòng)指示，進(jìn)行自動(dòng)DS18B20序列號(hào)和自動(dòng)排序，以減少調(diào)試和維護(hù)工作量；</p><p>　?。?）實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要注意單線的驅(qū)動(dòng)能力，不能掛接過多的

89、DS18B20，同時(shí)還應(yīng)注意最遠(yuǎn)接線距離。另外還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇其接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件主程序），它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)

90、行軟件（子程序），它是用來完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測(cè)量、顯示、通訊等。每一個(gè)執(zhí)行軟件也就是一個(gè)小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以規(guī)劃監(jiān)控程序了[7]。</p><p>　　本系統(tǒng)中無線溫度傳輸主要由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器、單片機(jī)、顯示器和溫度傳感器組成，收發(fā)器與單片機(jī)間之用串行口通信。整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都是服務(wù)于無線溫度傳輸這個(gè)目的。所以，在整個(gè)

91、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，無線數(shù)據(jù)的傳輸功能的設(shè)計(jì)是最為重要的。這里使用C語言編寫單片機(jī)控制程序?？刂葡到y(tǒng)CPU采用STC12C5A60S2單片機(jī)，NRF24L01芯片的接收和發(fā)射模式由程序控制，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，主機(jī)和從機(jī)上的收/發(fā)程序自動(dòng)運(yùn)行。主機(jī)上NRF24L01芯片保持接收狀態(tài)，其余的從機(jī)上NRF24L01始終處于發(fā)送狀態(tài)。</p><p>　　主程序調(diào)用了4個(gè)子程序，分別是液晶顯示程序、溫度測(cè)試程序、中斷控制程序、

92、從機(jī)與主機(jī)無線通訊程序。</p><p>　　溫度測(cè)試程序：對(duì)溫度芯片送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行判斷和顯示。</p><p>　　LCD顯示程序：向液晶顯示送數(shù)，控制系統(tǒng)的顯示部分。</p><p>　　中斷控制程序：實(shí)現(xiàn)循環(huán)顯示功能。</p><p>　　無線通訊程序：實(shí)現(xiàn)從機(jī)與主機(jī)通訊，命令從機(jī)將溫度數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。</p>

93、<p>　　4.1 主程序設(shè)計(jì)</p><p>　　將各個(gè)功能程序以子程序的形式寫好，當(dāng)寫主程序的時(shí)候，只需要調(diào)用子程序，然后在寄存器的分配上作一下調(diào)整，消除寄存器沖突和I/O沖突即可。程序應(yīng)該盡可能多的使用調(diào)用指令代替跳轉(zhuǎn)指令。因?yàn)樘D(zhuǎn)指令使得程序難以看懂各程序段之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。而調(diào)用指令則不同，調(diào)用指令使得程序結(jié)構(gòu)清晰，無論是修改還是維護(hù)都比較方便。將功能程序段寫成子程序的形式，除了方便調(diào)用之外

94、，還有一個(gè)好處那就是以后寫程序的時(shí)候如果要用到，就可以直接調(diào)用這個(gè)單元功能模塊[8]。</p><p>　　系統(tǒng)程序總流程圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1系統(tǒng)程序總流程圖</p><p>　　4.2 系統(tǒng)無線發(fā)送與接收程序流程</p><p>　　系統(tǒng)無線發(fā)送程序流程圖如圖4.2所示。</p><p>

95、　　圖4.2系統(tǒng)無線發(fā)送程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)無線接收程序流程圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3系統(tǒng)無線接收程序流程圖</p><p>　　4.3 無線發(fā)射與接收程序</p><p><b>　　5 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果</b></p><p>　　5.1 調(diào)試及實(shí)驗(yàn)分析<

96、/p><p>　　5.1.1 硬件電路測(cè)試</p><p>　　本設(shè)計(jì)中將4個(gè)硬件模塊分為1個(gè)主機(jī)模塊和3個(gè)從機(jī)模塊，測(cè)試的步驟如下：</p><p>　?。?）檢測(cè)各模塊焊接是否到位。將各個(gè)模塊焊好，檢查確認(rèn)無虛焊、粘焊；</p><p>　　（2）測(cè)試各模塊電路能否正常運(yùn)行。先對(duì)主機(jī)模塊上電進(jìn)行測(cè)試，主要是測(cè)試主機(jī)模塊上電運(yùn)行是否正常。測(cè)試方

97、法目測(cè)，看電源指示燈是否發(fā)亮并且一直保持亮度不變。正常發(fā)亮并不會(huì)突然變亮或者變暗則電路正常無短路斷路情況。各從機(jī)模塊按以上方法各自測(cè)量。</p><p>　　5.1.2 功能測(cè)試及分析</p><p>　　DS18B20是集成芯片，所以對(duì)溫度感應(yīng)的靈敏度是相當(dāng)高，只要一個(gè)很短的時(shí)間就能達(dá)到穩(wěn)定。由于無線通信環(huán)境的不確定性，在各種環(huán)境下的傳輸效果是不盡相同的，路徑損耗、建筑物影響、人體影響、

98、外界干擾和周圍環(huán)境的吸收等都會(huì)對(duì)傳輸?shù)男Чa(chǎn)生一定的影響，但采用NRF24L01無線模塊能在一個(gè)電磁環(huán)境較差的條件下進(jìn)行測(cè)試。因此，分別選擇了不同的試驗(yàn)方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方法如下：</p><p>　?。?）測(cè)試各主從模塊是否能精確采集環(huán)境溫度。測(cè)試方法是將串口的程序?qū)懙礁髂K的STC12C5A60S2單片機(jī)芯片上，然后上電運(yùn)行各主從模塊，看各主從模塊顯示出的本機(jī)采集溫度與溫度計(jì)測(cè)量到的環(huán)境溫度是否相同。如

99、果各主從模塊顯示的本機(jī)溫度與溫度計(jì)測(cè)量的溫度一致，則說明各主從模塊能夠精確的采集到當(dāng)前所處環(huán)境的溫度；</p><p>　?。?）測(cè)試系統(tǒng)是否能進(jìn)行無線溫度信號(hào)傳輸。測(cè)試方法是先運(yùn)行主機(jī)模塊，待其穩(wěn)定運(yùn)行后將編好號(hào)的各從機(jī)模塊放在不同的環(huán)境位置（距離，溫度各不相同），然后逐一給各從機(jī)模塊上電，待其穩(wěn)定運(yùn)行溫度顯示不再變化后觀察主機(jī)模塊上顯示的各從機(jī)溫度與對(duì)應(yīng)的從機(jī)模塊顯示的本機(jī)溫度是否相同。如果溫度顯示都一致則說

100、明能正常進(jìn)行無線溫度傳輸；</p><p>　?。?）檢測(cè)系統(tǒng)是否能進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度顯示。測(cè)試方法是用手指輕輕夾住任意從機(jī)模塊上的DS18B20。在觀察到從機(jī)溫度升高的同時(shí)注意主機(jī)模塊上顯示的對(duì)應(yīng)的從機(jī)溫度是否在同步變化。然后用同樣的方法逐一測(cè)試各從機(jī)模塊，如果都能在主機(jī)模塊上同步顯示出溫度的變化則說明能實(shí)時(shí)顯示出溫度的變化。</p><p>　　5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析</p>&

101、lt;p>　　5.2.1無線溫度傳輸功能結(jié)果及分析</p><p>　　系統(tǒng)實(shí)物裝置如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1實(shí)物裝置照片</p><p>　　如圖5.1所示顯示的是完成了各項(xiàng)系統(tǒng)功能的實(shí)物模塊。中間為0號(hào)主機(jī)，左邊為3號(hào)從機(jī)，右邊為2號(hào)從機(jī)。由于版面有限并未給1號(hào)從機(jī)上電列出。</p><p>　　如圖5.1所示圖

102、左側(cè)3號(hào)從機(jī)采集到的溫度為19.6攝氏度，傳輸?shù)街鳈C(jī)上顯示出來的溫度同樣是19.6攝氏度。圖右側(cè)2號(hào)從機(jī)采集到的溫度為20.1攝氏度，傳輸?shù)街鳈C(jī)上顯示出來的溫度同樣是20.1攝氏度與從機(jī)顯示一致。</p><p>　　以上展示的實(shí)物照片充分驗(yàn)證了本系統(tǒng)的無線溫度傳輸功能精確、真實(shí)，可行。</p><p>　　5.2.2溫度采集功能結(jié)果及分析</p><p>　　由于

103、同一型號(hào)的傳感器傳輸信號(hào)的能力會(huì)有一些細(xì)微的差異，所以各個(gè)模塊都會(huì)產(chǎn)生一些誤差，而且各個(gè)模塊的誤差也不盡相同。但是，這些誤差是可以通過程序進(jìn)行修正的，只是由于每個(gè)模塊的修正程序都不相同。因此，無法進(jìn)行批量生產(chǎn) 。</p><p>　　具體試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)如表5.1所示。</p><p><b>　　表5.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　表5

104、.1所示各主從模塊在不同溫度環(huán)境下單次測(cè)量誤差都小于0.5攝氏度，平均誤差在0.3攝氏度以下，測(cè)溫精度高于0.5攝氏度。</p><p>　　如上所述可以看出本系統(tǒng)溫度采集功能達(dá)到了課題要求。</p><p>　　至此，本人通過制作實(shí)物，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本人設(shè)計(jì)的無線多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案真實(shí)、可行。</p><p>　　其中，除了硬件影響產(chǎn)生的誤差暫時(shí)難以消除以外，

105、時(shí)間允許的情況下還可以通過適當(dāng)?shù)能浖绦虻恼{(diào)整對(duì)現(xiàn)有誤差進(jìn)行修正，使系統(tǒng)性能再次得到優(yōu)化。由于畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間有限本人暫時(shí)只能做出以上展望。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文研究的課題是基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是將溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過液晶顯示出來，然后利用無線傳輸模塊將各從機(jī)采集到的溫度傳送到主機(jī)上通過液晶匯總

106、顯示出來，并能夠?qū)崟r(shí)反映出各從機(jī)采集到的溫度變化。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、顯示直觀、界面友好、性價(jià)比高，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、機(jī)電一體化、智能家居等諸多領(lǐng)域。</p><p>　　本系統(tǒng)是一個(gè)較為完善的系統(tǒng)，但是也還有許多需要改進(jìn)的地方。設(shè)計(jì)中所采用的DS18B20搜索算法還存在不足，有時(shí)會(huì)發(fā)生重復(fù)或遺漏搜索。在通信協(xié)議不完整，沒有進(jìn)行發(fā)送超時(shí)出錯(cuò)處理。還有各種不足之處有待將來改進(jìn)。</p&g

107、t;<p>　　設(shè)計(jì)得以順利完成,得感謝我的指導(dǎo)老師xx副教授，在這個(gè)過程中他都一直指導(dǎo)著我，雖然他沒有時(shí)時(shí)刻刻在我們身邊親歷指導(dǎo)，但是他每天都詢問我的進(jìn)展情況，對(duì)我遇到的問題給予我解答，并對(duì)我的設(shè)計(jì)進(jìn)行一些優(yōu)化。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]潘焱、田華、魏安全等.無線通信系統(tǒng)與技術(shù)[M].人民郵電出版社, 2

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