Zigbee節(jié)點的液晶顯示設(shè)計.doc

ZigBee節(jié)點的液晶顯示設(shè)計摘要針對傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)中布局復(fù)雜、線路過多、成本過高、維護困難等諸多問題，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了基于ZigBee的無線溫度傳感器設(shè)計方案。該方案基于一個簡單的數(shù)據(jù)包裝協(xié)議SPP(Simple Packet Protocol），選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20對溫度進行采集，通過滿足ZigBee規(guī)范的無線射頻芯片CC2530傳輸采集到的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)接收芯片處理數(shù)據(jù)后用液晶屏1602顯示出來。首先從理論上研究cc2530芯片的數(shù)據(jù)收發(fā)原理及l(fā)cd1602液晶顯示器的顯示原理給出了無線傳感器的結(jié)構(gòu)，和系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計方案和具體實現(xiàn)，并從硬件和軟件方面考慮了低功耗設(shè)計的要求，隨后通過IAR編程軟件對cc2530和lcd1602進行程序的編寫，最后以仿真實驗驗證并分析了基于zigbee技術(shù)的無線通信模塊可以在較低功耗下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接受并將所傳送的信息通過液晶顯示器加以顯示出來。研究結(jié)果表明,該無線溫度傳感器可以實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的溫度實時監(jiān)測，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、耗電量低、可靠性高、擴展性好、配件靈活等特點，在生產(chǎn)生活中有非常廣泛的推廣應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；Zigbee協(xié)議；CC2430；DS18B20；LCD1602The Liquid Crystal Display Design ZigBee NodesABSTRACTThe traditional wired monitoring system has some problems such as complex design, high expensive, difficult servicing. So, we propose a program that is wireless temperature sensor based on the ZigBee technology. We discussed the systems tructure, the design of software and hardware of temperature sensor based on ZigBee technology. In this paper, based on the Simple Packet Protocol (SPP) of ZigBee protocal stack, I take the temperature sensor DS18B20 to collect the temperature data, use the CC2530 RF chip to transmit the message and read the date from the Liquid Crystal Display (LCD) 1602.Firstly I studied the cc2530 chip and the principle of lcd1602 theoretically and shown the structures of wireless sensor communication and the hardware and software design which considers the requirement of low-power. Then I programmed the software of cc2530 and lcd1602 through IAR which is just the programming software. Finally I simulated the results of this experiment to prove the achievment in transmitting data with Zigbee wireless communication module at low power use and showing the data on the screen of lcd1602.The experimental results show that the wireless temperature sensor has simple structure, low power, low cost, high reliability, good extensibility and flexible configuration. The wirelss temperature sensor will widely apply to our production and living.Key words: wireless sensor network ；zigbee protocol ；cc2530; ds18b20; lcd1602 1目 錄 1 引言3 1.1 Zigbee概述及其特性3 1.1.1 Zigbee概述3 1.1.2 Zigbee特性3 1.2 國內(nèi)外ZigBee技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3 1.2.1 國內(nèi)外Zigbee技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀3 1.2.2 Zigbee發(fā)展趨勢3 1.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢4 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計6 2.1 單片機CC25306 2.1.1 CC2530簡介6 2.1.2 CC2530引腳及功能描述6 2.1.3 CC2530應(yīng)用電路圖7 2.2 溫度傳感器設(shè)計8 2.2.1 DS18B20簡介8 2.2.2 DS18B20引腳介紹8 2.2.3 DS18B20工作原理9 2.3 1602液晶顯示器10 2.3.1 1602液晶顯示器簡介10 2.3.2 1602液晶顯示器的引腳及功能描述11 3 Zigbee無線傳感器系統(tǒng)軟件的設(shè)計13 3.1 Zigbee傳輸13 3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計14 3.3 協(xié)議棧14 3.4 DS18B20溫度場采集軟件設(shè)計15 3.5 1602液晶顯示驅(qū)動程序流程17 3.6 電源接口19 3.7 軟件試驗中注意的事項19 4 開發(fā)環(huán)境及實驗結(jié)果20 4.1 開發(fā)環(huán)境20 4.2 實驗結(jié)果21 5 總結(jié)22 參考文獻23 致 謝241裝訂線1 引言1.1 Zigbee概述及其特性1.1.1 Zigbee概述Zigbee一詞來源于蜜蜂的舞蹈，因為蜜蜂發(fā)現(xiàn)食物時，會通過跳一種Z形的舞蹈來傳遞信息，所以在中國被譯為紫蜂。它是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，可嵌入各種各樣的設(shè)備，應(yīng)用于自動遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(Router)、傳感器節(jié)點(EndDevice)等三種角色。1.1.2 Zigbee特性 低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作624個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格大約為2美元。低速率。ZigBee工作在20250kbps的速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。近距離。傳輸范圍一般介于10100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到13km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。短時延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要310s、WiFi 需要3 s。高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。免執(zhí)照頻段。使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2. 4GHz(全球)。1.2 國內(nèi)外ZigBee技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 國內(nèi)外Zigbee技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，各種無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展，極大的提高了人們的工作效率和生活質(zhì)量。然而，在日常生活中，我們?nèi)匀槐桓鞣N電纜所束縛，所以在近距離的各種設(shè)備間的無線通信如雨后春筍般的發(fā)展起來?？v觀目前發(fā)展比較成熟的幾大無線通信技術(shù)，往往比較復(fù)雜，不但資源的消耗大，成本也比較高，并不能很好的適用于短距離無線通信的場合。藍牙技術(shù)的出現(xiàn)使得算距離無線通信成為可能，但其協(xié)議復(fù)雜，功耗高。所以一種基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的且具有低功耗，低復(fù)雜度，更適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的zigbee技術(shù)在自動控制，傳感，監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。國內(nèi)不少人已經(jīng)開始關(guān)注Zigbee這們新技術(shù)，而且也有不少單位開始涉足Zigbee技術(shù)的開發(fā)工作，然而，由于Zigbee 本身是一種新的系統(tǒng)集成技術(shù)，應(yīng)用軟件的開發(fā)必須和網(wǎng)絡(luò)傳輸，射頻技術(shù)和底層軟硬件控制技術(shù)結(jié)合在一起。因而深入理解這個來自國外的新技術(shù)，再組織一個在這幾個方面都有豐富經(jīng)驗的配套的隊伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前為止，國內(nèi)目zigbee產(chǎn)品還是比較少。在國外，為了推動ZigBee技術(shù)的發(fā)展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)，包括有許多IC設(shè)計、家電、通訊設(shè)備、IP服務(wù)提供、玩具等廠商相繼加入，目前該聯(lián)盟已經(jīng)包含150多家會員。在ZigBee Alliance的成員中，有不少是提供ZigBee解決方案的業(yè)者。下面簡單介紹一下著名的相關(guān)產(chǎn)品。TI/CHIPCON公司的CC2420：CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，以0.18um CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達250kbps可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。1.2.2 Zigbee發(fā)展趨勢Zigbee技術(shù)的目標(biāo)就是針對工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護理等,例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。另外它還可以對局部區(qū)域內(nèi)移動目標(biāo)例如城市中的車輛進行定位。Zigbee技術(shù)和RFID 技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快，市場前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的兩個。關(guān)于這方面的報道，你只需在百度，或GOOGLE搜索欄中鍵入 “Zigbee”,你就會看到大量的有關(guān)報道?？傊窈笕舾赡辏紝⑹荶igbee技術(shù)飛速發(fā)展的時期。因此Zigbee技術(shù)將成為未來自動化發(fā)展的一個重要的方向，將成為各個領(lǐng)域中不可缺少的技術(shù)。1.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢（1）系統(tǒng)復(fù)雜性ZigBee的系統(tǒng)復(fù)雜性要遠(yuǎn)小于藍牙的系統(tǒng)復(fù)雜性。ZigBee協(xié)議棧簡單，實現(xiàn)相對容易，需要的系統(tǒng)資源也較少，據(jù)估計運行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28Kb；藍牙協(xié)議棧相對復(fù)雜，它需要系統(tǒng)資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種類型的設(shè)備：全功能設(shè)備FFD和簡化功能設(shè)備RFD。網(wǎng)絡(luò)為主從結(jié)構(gòu)，一個網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者(Coordinator)和最多可達65535個從屬設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD，它負(fù)責(zé)管理和維護網(wǎng)絡(luò)，包括路由、安全性、節(jié)點的附著與離開等。一個網(wǎng)絡(luò)只需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)備可以是RFD，也可以是FFD3。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用系統(tǒng)資源僅約為4Kb，因此網(wǎng)絡(luò)的整體成本比較低。從這一點來說，ZigBee非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，如傳感網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動化等。（2）功耗ZigBee的MAC信道接入機制有兩種：無信標(biāo)（Beacon）模式和有信標(biāo)模式。無信標(biāo)模式就是標(biāo)準(zhǔn)的ALOHACSMA-CA的信道接入機制，終端節(jié)點只在有數(shù)據(jù)要收發(fā)的時候才和網(wǎng)絡(luò)會話，其余時間都處于休眠模式，這樣低平均功耗非常低。有信標(biāo)模式下，終端設(shè)備可以只在信標(biāo)被廣播時醒來，并偵聽地址，如果沒有偵聽到自己的地址，則又轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。信標(biāo)對簇形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)的節(jié)點同步尤為重要，節(jié)點不用長時間偵聽信道而消耗能量。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對功率節(jié)省也有很重要的關(guān)系。星形和簇形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)更有利于功率節(jié)省4。因為前者的終端節(jié)點不充當(dāng)路由器的功能，只收發(fā)自己的數(shù)據(jù)，這樣可以更節(jié)省更多功率。2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計2.1 單片機CC25302.1.1 CC2530簡介 CC2530 是用于IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。 CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧（Z-Stack），提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。 CC2530F64 結(jié)合了德州儀器的黃金單元RemoTI，更好地提供了一個強大和完整的ZigBee RF4CE 遠(yuǎn)程控制解決方案。2.1.2 CC2530引腳及功能描述CC2530引腳圖如下圖2-1所示。圖2-1 cc2530引腳圖cc2530引腳功能描述如下表2-1。引腳名稱引腳引腳類型描述AVDD128電源（模擬）2V3.6V 模擬電源連接AVDD227電源（模擬）2V3.6V 模擬電源連接AVDD324電源（模擬）2V3.6V 模擬電源連接AVDD429電源（模擬）2V3.6V 模擬電源連接AVDD521電源（模擬）2V3.6V 模擬電源連接AVDD631電源（模擬）2V3.6V 模擬電源連接DCOUPL40電源（數(shù)字）1.8V 數(shù)字電源去耦。不使用外部電路供應(yīng)DVDD139電源（數(shù)字）2V3.6V 數(shù)字電源連接DVDD210電源（數(shù)字）2V3.6V 數(shù)字電源連接GND-接地接地襯墊必須連接到一個堅固的接地面GND1,2,3,4未使用的引腳連接到GNDP0_019數(shù)字I/O端口0.0P0_118數(shù)字I/O端口0.1P0_217數(shù)字I/O端口0.2P0_316數(shù)字I/O端口0.3P0_415數(shù)字I/O端口0.4P0_514數(shù)字I/O端口0.5P0_613數(shù)字I/O端口0.6P0_712數(shù)字I/O端口0.7P1_011數(shù)字I/O端口1.0-20-mA 驅(qū)動能力P1_19數(shù)字I/O端口1.1-20-mA 驅(qū)動能力P1_28數(shù)字I/O端口1.2P1_37數(shù)字I/O端口1.3P1_46數(shù)字I/O端口1.4P1_55數(shù)字I/O端口1.5P1_638數(shù)字I/O端口1.6P1_737數(shù)字I/O端口1.7P2_036數(shù)字I/O端口2.0P2_135數(shù)字I/O端口2.1P2_234數(shù)字I/O端口2.2P2_3/33數(shù)字I/O端口2.3/32.768 kHz XOSCP2_4/32數(shù)字I/O端口2.4/32.768 kHz XOSCRBAIS30數(shù)字I/O參考電流的外部精密偏置電阻RESET_N20事數(shù)字輸入復(fù)位，活動到低電平RF_N26RF I/ORX期間正負(fù)RF輸入信號到LANRF_P25RF I/ORX期間正RF輸入信號到LANXOSC_Q122模擬I/O32-MHz 晶振引腳1或外部時鐘輸入XOSC_Q223模擬I/O32-MHz 晶振引腳2表2-1cc2530引腳功能描述2.1.3 CC2530應(yīng)用電路圖CC2530操作只需要很少的外部元件，CC2530應(yīng)用電路圖如下圖2-2圖2-2 CC2530應(yīng)用電路圖2.2 溫度傳感器設(shè)計2.2.1 DS18B20簡介溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場合時DALLAS（達拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得DS18B20更受歡迎。DS18B20的主要特點：全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出；先進的單總線數(shù)據(jù)通信；最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度；12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒；可選擇寄生工作方式；檢測溫度范圍為-55C +125C (67F +257F)；內(nèi)置EEPROM，限溫報警功能；64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接；多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。2.2.2 DS18B20引腳介紹 DS18B20引腳如下圖2-3所示圖2-3 ds18b20引腳圖 DS18B20引腳說明如下表2-2：表2-2 DS18B20引腳說明序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。工作于寄生電源時，此引腳必須接地。2.2.3 DS18B20工作原理DS18B20的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。DS18B20共有三種形態(tài)的存儲資源，即:ROM 只讀存儲器；RAM 數(shù)據(jù)暫存器；EEPROM 非易失性記憶體。 DS18B20由4個主要數(shù)據(jù)部件即64位ROM存儲序列號、溫度傳感器、溫度報警寄存器和配置寄存器組成，DS18B20基本結(jié)構(gòu)方框圖如圖2-4所示圖2-4 DS18B20基本機構(gòu)圖在上面的結(jié)構(gòu)組成圖中，可以看作地址序列碼的64位序列號是出廠前就被光刻好的，確保每一個DS18B20都各不相同，從而實現(xiàn)一根總線上掛多個DS18B20的目的。溫度傳感器可以完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀書形式提供，其存儲格式如下表2-3所示。表2-3溫度值存儲格式 溫度值以9位數(shù)字量的形式表示，如果S為零，則所測的溫度為正，其計算方法為按位加權(quán)求和，即：T=MS.2*26+MS.1*25+MS.0*24+LS.7*23+LS.6*22+LS.5*2+LS.4+LS.3*2-1+LS.2*2-2+LS.1*2-3+LS.0*2-4 （2-1） 如果S為1，則所測的溫度為負(fù)，其計算方法為首先求補，再按位加權(quán)求和，一些溫度值和數(shù)字量的計算關(guān)系如下表2-4所示。表2-4溫度值和數(shù)字量的關(guān)系溫度二進制表示十六進制表示+1230000 0111 1101 000007D0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h0.51111 1111 1111 1000FFF8h10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh25.06251111 1110 0110 1111FF6Fh551111 1100 1001 0000FC90hDS18B20與CC2530的連接電路如下圖2-5所示。1腳接地，2腳接CC2530的P0.4口，3腳接電源并提供一個上拉點阻,這樣需要通過用軟件來完成P0.4口的電平模擬DS18B20的協(xié)議時序?qū)S18B20芯片的訪問。圖2-5 DS18B20連線圖2.3 1602液晶顯示器2.3.1 1602液晶顯示器簡介工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。2.3.2 1602液晶顯示器的引腳及功能描述 1602液晶顯示器引腳圖如下圖2-6所示。圖2-6 1602液晶顯示器引腳圖1602液晶顯示器引腳功能描述如下表2-5所示。1602采用的是標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中有兩條是背光電源線VCC（15腳）和地線（16腳），表2-5 1602液晶顯示器引腳說明引腳號引腳名電平輸入/輸出作用1Vss電源地2Vcc電源（+5V）3Vee對比調(diào)整電壓4RS0/1輸入0=輸入指令，1=輸入數(shù)據(jù)5R/W0/1輸入0=向LCD寫入指令或數(shù)據(jù)，1=從LCD讀取信息6E1,10輸入使能信號，1時讀取信息，10（下降沿）執(zhí)行指令714DB0DB70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line0（最低位）數(shù)據(jù)總線line7（最高位）15A+VccLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負(fù)極1602液晶顯示器與CC2530的接線圖如下圖2-7所示。圖2-7 1602顯示器接線圖3 Zigbee無線傳感器系統(tǒng)軟件的設(shè)計3.1 Zigbee傳輸現(xiàn)場Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點采用的是Zigee2007協(xié)議棧協(xié)調(diào)器程序，路由器節(jié)點采用的是協(xié)議棧路由器程序，終端節(jié)點采用的是協(xié)議棧終端節(jié)點程序。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端節(jié)點負(fù)責(zé)加入網(wǎng)絡(luò)。這里路由器很重要，路由協(xié)議采用AODV路由協(xié)議，它可以是路由找到最優(yōu)的傳輸路徑，而且在個別路由故障時路由器會自動組成新的路徑來傳輸信息。程序流程圖如圖3-1所示。圖3-1 zigbee傳輸流程圖3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計系統(tǒng)初始化主要包括各個參數(shù)初始化。參數(shù)初始化主要包括I/O接口和外設(shè)的初始化，定義系統(tǒng)時鐘信號、工作頻率、電源管理方式及Zigbee網(wǎng)絡(luò)地址和MAC層的參數(shù)。主程序主要包括信號的采集、計算處理、數(shù)據(jù)收發(fā)，可充分利用CC2530豐富的中斷資源對各類型的事件進行排序和處理。開始CC2530晶振選擇以及一些初始化程序啟動溫度檢測器DS18B20檢測溫度把檢測到的數(shù)據(jù)傳送給發(fā)送函數(shù)啟動液晶顯示模塊發(fā)送函數(shù)把數(shù)據(jù)給液晶顯示模塊等待接受數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接受顯示完成圖3-2 系統(tǒng)主程序3.3 協(xié)議棧 協(xié)議棧是使用C語言編寫的，協(xié)議棧使用閃存程序存儲器來存儲可配置的MAC地址、網(wǎng)絡(luò)表和綁定表。用戶應(yīng)用程序ZigBee設(shè)備對象應(yīng)用層應(yīng)用支持子層網(wǎng)絡(luò)層MAC層物理層圖3-3 協(xié)議棧構(gòu)架 協(xié)議棧根據(jù)ZigBee規(guī)范的定義將其邏輯分為多個層。實現(xiàn)每個層的代碼位于一個獨立的源文件中，而服務(wù)和應(yīng)用程序接口(API)則在頭文件中定義。要實現(xiàn)抽象性和模塊性，頂層總是通過定義完善的API和緊接著的下一層進行交互,該層的C頭文件定義該層所支持的所有API。3.4 DS18B20溫度場采集軟件設(shè)計溫度采集模塊使用數(shù)字溫度計DS18B20，要想實現(xiàn)溫度的實時采集，必須明白數(shù)字溫度計DS18B20的通訊協(xié)議，將它的初始化時序、讀時序和寫時序用程序語言（C語言）表示。其初始化時序如圖3-4所示，主機首先輸出0，確保DS18B20的DQ位至少可以保持480us的低電平，然后主機置1釋放總線，等待DS18B20的信號。DS18B20收到主機的信號后等待1560us后發(fā)出一個大約在60240us的0。主機總線的時間最小為480us，在此期間，如果主機收到DS18B20的相應(yīng)脈沖則表示初始化成功，否則從新開始初始化時序。圖 3-4 初始化 寫時序包括主機向DS18B20寫0時序和寫1時序兩種，其時序圖如圖3-4所示。從圖中可知，無論是那種寫時序，其寫時序完成后都需要至少1us的恢復(fù)時間。所以，寫0時序時，主機需要置0至少60us，保證15us后DS18B20可以進行采樣，采樣后主機置1恢復(fù)。寫1時序時，主機置0大約15us后置1釋放總線，DS18B20就可以進行采樣了。圖3-5 寫時序讀時序即主機從DS18B20中讀取數(shù)據(jù)，包括讀0時序和讀1時序兩種，其時序圖如圖3-5所示。主機拉低電平15us后，釋放總線開始讀取DQ位的電平，其采樣時間不得少于45us，讀取完成后需最少1us的置1恢復(fù)時間。圖3-6 讀時序執(zhí)行初始化時序發(fā)出跳過ROM匹配命令啟動溫度轉(zhuǎn)換延時等待溫度轉(zhuǎn)換完成執(zhí)行初始化時序發(fā)出跳過ROM匹配命令讀取暫存器的內(nèi)容讀取溫度數(shù)據(jù)結(jié)束開始圖3-7 溫度采集子程序流程圖數(shù)字溫度計DS18B20依靠一根總線進行通信，一般要進行初始化、存儲器指令（寫數(shù)據(jù)）、存儲指令（讀數(shù)據(jù)）、讀取溫度、處理數(shù)據(jù)這五個步驟，其具體程序流程圖如上圖3-7所示。在本次實驗中，只使用了一個DS18B20，并不存在一根總線上掛多個DS18B20的情況，不需要通過ROM序列號來彼此區(qū)分。因此，為了使程序簡單明了，可以在編程時跳過對序列號的讀取。3.5 1602液晶顯示驅(qū)動程序流程通過設(shè)置指令寄存器來控制1602液晶顯示器輸出字符以及字符的顯示狀態(tài)，1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，因此我們在向DDRAM寫C51字符代碼程序時甚至可以直接用P1A這樣的方法。PC在編譯時就把“A”先轉(zhuǎn)為41H代碼了。開始初始化1602寫入控制命令輸出數(shù)據(jù)延時顯示數(shù)據(jù)圖3-8 液晶顯示流程LCD1602顯示程序如下：SLEEP &= 0x04; while(!(SLEEP & 0x40); /晶體振蕩器開啟且穩(wěn)定 CLKCON &= 0x47; /選擇1-32MHz 晶體振蕩器 SLEEP |= 0x04; P1SEL = 0x00; /P1.0 為普通 I/O 口 P0SEL = 0x00; P1DIR = 0xff;/P1.0 輸出 P0DIR = 0xff; lcd_init(); /液晶初始化 lcd_wcom(0x80); /顯示地址設(shè)為80H（即00H，）上排第一位 for(m=0;m16;m+) /將table中的數(shù)據(jù)依次寫入1602顯示 lcd_wdat(receiveBufferm); delay(5000); while(1); /動態(tài)停機3.6 電源接口本文使用5V的USB電源，可以直接給數(shù)字溫度計DS18B20和液晶顯示1602供電，但ZigBee芯片CC2430只需要3.3V的供電電壓，所以需要使用AMS1117將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V，其電路原理圖如下圖3-9所示。圖3-9 5V轉(zhuǎn)3.3V電路圖3.7 軟件試驗中注意的事項 在CC2530初始化設(shè)置時鐘時，執(zhí)行指令CLKCON &=0x47，從而CLKCON.OSC位置0，主時鐘振蕩器選擇32MHz的晶體振蕩器。又因為1個指令周期等于12個晶振周期,所以1個nop指令(即1個指令周期)的延時計算如下所示:T=1/32MHz*12=0.375us在程序的編寫中,尤其是數(shù)字溫度計DS18B20與主機間的通信,有著非常嚴(yán)格的時間要求。所以要想實現(xiàn)接收模塊對溫度的準(zhǔn)確讀取，必需提供準(zhǔn)確的延時。鑒于這種情況我們編寫了一個以us為單位的延時子程序,即:void Delay_nus(UINT16 s) /延時s微秒while (s-) asm(NOP); /執(zhí)行一次循環(huán)，大約延時1us asm(NOP); asm(NOP);4 開發(fā)環(huán)境及實驗結(jié)果4.1 開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench（簡稱EW）的C/C+交叉編譯器和調(diào)試器是當(dāng)今世界最完整和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。EW對不同的微處理器提供了一樣直觀的用戶界面。EW包括嵌入式C/C+優(yōu)化編輯器、匯編器、連接定位器、庫管理員、編輯器、項目管理器和C-SPY調(diào)試器。使用IAR的編譯器生成最優(yōu)化、最緊湊的代碼，從而節(jié)省硬件資源，最大限度地降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的競爭力。4.2 實驗結(jié)果圖4-1 測溫發(fā)送部分如圖4-1所示溫度傳感器ds18b20通過CC2530芯片控制其時序來使DS18B20測溫，并通射頻電路把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。圖4-2溫度顯示模塊如圖4-2所示,用DS18B20測溫通過Zigbee技術(shù)傳輸顯示在屏幕上。5 總結(jié)通過這次畢業(yè)設(shè)計的機會，我比較具體的學(xué)習(xí)了物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)的相關(guān)知識，并且較為綜合的運用以前所學(xué)過的知識來分析問題，簡化問題，解決問題。本人通過畢業(yè)設(shè)計不僅了解到了關(guān)于ZigBee技術(shù)的相關(guān)知識和運用集成了ZigBee通信協(xié)議的CC2530完成了數(shù)據(jù)短距離的無線通信和顯示等功能。還使我進一步了解到了，一個項目的具體研發(fā)過程，擺脫了單純理論的學(xué)習(xí)狀態(tài)。本文論述了基于ZigBee的無線溫度傳感器設(shè)計，首先介紹了課題的背景與提出。其次，提出了總體設(shè)計方案，以CC2430作為主控芯片，數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸后，由液晶1602顯示出來。然后，具體介紹了硬件實現(xiàn)與軟件實現(xiàn)，硬件實現(xiàn)中詳細(xì)說明了各模塊的功能結(jié)構(gòu)與線路連接，軟件實現(xiàn)中分別給出了溫度測試、數(shù)據(jù)傳輸和液晶顯示的流程圖。通過對CC2530和LCD1602芯片程序的編寫已經(jīng)可以完成數(shù)據(jù)短距離的傳輸和顯示功能，可以初步的應(yīng)用與一些成本低廉，近距無線通信