第八屆電子設計競賽之無線溫度遙測系統(tǒng)報告

1、精品 hefei university 第八屆電子設計競賽設計報告 題 目 無線溫度遙測系統(tǒng)（c 題） 成 員 何 義 10 電氣六班 1005076019 成 員 鄧華青 10 電氣六班 1005076036 成 員 姜 瀟 10 電氣六班 1005076035 2012 年 2 月 27 日 . 精品 目錄 摘要摘要: :.- - 1 1 - - 1 1 引言引言.- - 1 1 - - 2 2 系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計方案方案.- - 1 1 - - 2.1 設計思想.- 1 - 2.2 可行性方案.- 2 - 2.3 系統(tǒng)組成模塊.- 3 - 3 3 技術路線技術路線.- - 4 4 - -

2、4 4 各模塊設計各模塊設計 .- - 7 7 - - 4.1 系統(tǒng)硬件電路設計.- 7 - 4.1.1 溫度數(shù)據(jù)發(fā)射電路.- 7 - 4.1.2 溫度數(shù)據(jù)接收電路.- 8 - 4.1.3 溫度數(shù)據(jù)測量電路.- 8 - 4.2 系統(tǒng)軟件設計.- 9 - 5 5 電源部分電源部分.- - 9 9 - - 6 6 電路原理圖電路原理圖.- - 1010 - - 7 7 器材選擇方案器材選擇方案.- - 1212 - - 8 8 總結(jié)總結(jié).- - 1313 - - 9 9 參考文獻參考文獻.- - 1414 - - 附錄附錄 1 1 單片機最小系統(tǒng)原理示意圖單片機最小系統(tǒng)原理示意圖.- - 1515

3、 - - . 精品 摘要摘要: : 文章介紹了一種基于單片機 stc89c52 為控制核心的的遙控遙測系統(tǒng)的設計， 根據(jù)設計其溫度傳感器 ds18b20 采用單總線協(xié)議、直接將被測環(huán)境的溫度轉(zhuǎn)化成數(shù) 字信號的特點，實現(xiàn)了環(huán)境溫度的實時監(jiān)測和無線傳輸數(shù)據(jù)、顯示被測溫點數(shù)據(jù)溫 度及聲光上限報警。整個系統(tǒng)由溫度數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、 顯示模塊、聲光上限報警模塊等若干部分組成。完成了實時監(jiān)測環(huán)境溫遙測的基本 要求部分的全部功能指標和發(fā)揮部分中絕大部分的功能指標。 關鍵詞：單片機 溫度傳感器 無線發(fā)射芯片 1 1 引言引言 溫度遙控遙測是遠程實現(xiàn)對溫度的測量與控制，特別適合那些環(huán)境惡

4、劣，測量 人員不容易接近的場合，近年來在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛。數(shù)字化溫度傳感器 ds18b20 直接將環(huán)境的溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，以數(shù)碼管方式串行輸出，當其與 無線發(fā)射芯片 nrf24l01 相互傳輸數(shù)據(jù)，且 nrf24l01 將數(shù)據(jù)以無線電磁波的形式 發(fā)送出去，接受模塊則將數(shù)據(jù)傳送給單片機處理。則從被測的環(huán)境溫度就可以精確 地計算出來。本系統(tǒng)正是基于此原理完成具有實時溫度檢測的無線溫度遙測系統(tǒng)的 設計。 2 2 系統(tǒng)設系統(tǒng)設計計方案方案 2.12.1 設計思想設計思想 為了實現(xiàn)無線溫度的遙測，則該系統(tǒng)中需要包含溫度測量模塊、數(shù)據(jù)預處理模 . 精品 塊、無線發(fā)射與接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)

5、顯示與溫度上限報警模塊。各個模 塊的組合如下圖所示： . 精品 圖 2-1 數(shù)據(jù)發(fā)射與接收 2.22.2 可行性方案可行性方案 1、測量溫度傳感器選擇方案 方案一：使用熱電偶溫度傳感器。它測量精度高（熱電偶直接與被測對象接觸， 不受中間介質(zhì)的影響），測量范圍廣（常用的熱電偶從-50+1600均可連續(xù)測量)。 在使用時，它能將溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電勢信號, 通過電氣測量儀表的配合, 就能測 量出被測的溫度。 方案二：使用數(shù)字型 ds18b20 溫度傳感器。它是單線接口方式，在與微處理器 連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 ds18b20 的雙向通訊；測溫范圍 55125，在 10-50c 范圍內(nèi)

6、精度高達 0.1c；支持多點組網(wǎng)功能，多個 ds18b20 可以并聯(lián)在唯一的三線上；且在使用中不需要任何外圍元件。 2、顯示溫度數(shù)據(jù)模塊選擇方案 溫度數(shù)據(jù)的顯示模塊我們一共有兩種選擇方案，分別是：數(shù)碼管顯示， lcd1602 液晶屏顯示： 方案一: 采用通用的 led 數(shù)碼管，這樣顯示的相對來說要簡單許多。對程序的 編程也相對來說較方便。但是，數(shù)碼管占用的 io 口較多。 無線發(fā)送電 路 溫度數(shù) 據(jù)發(fā)生 器 接收 數(shù)據(jù) 信號 識別 數(shù)據(jù)存儲顯示 及上限報警 無線接 收電路 . 精品 方案二: 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，這些字

7、符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、 和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。這樣在顯示溫度數(shù)據(jù)的時候就比 較的直觀同時在一定程度上也增加了字符的豐富感。比如大寫的英文字母“a”的 代碼是 01000001b（41h），顯示時模塊把地址 41h 中的點陣字符圖形顯示出來， 我們就能看到字母“a”。 方案三：采用 lcd12864 顯示，帶中文字庫的 128x64 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(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣 圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內(nèi)置 8192 個 16*16 點漢字，和 128 個 16

8、*8 點 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)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示 84 行 1616 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(gòu)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(jié)構(gòu)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。 3、無線數(shù)據(jù)傳輸方案 在本套系統(tǒng)中，要求的傳輸距離至少要大于 2m，最好能大于 5m，傳輸速率至 少要在每秒 1kb 以上。目前的近距離數(shù)據(jù)傳輸模塊主要分為無線傳輸和紅外線傳輸。 方案一：紅外線傳輸。它通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換

9、實現(xiàn)無 線的數(shù)據(jù)收發(fā)；傳輸距離會受到方向性和外界光的干擾,一般為 3-5m；由于它是直 線傳輸，所以對接收器的方向要求很高（30 度以內(nèi)），不能實現(xiàn)任意角度的接收。 . 精品 方案二：本方案使用射頻收發(fā)芯片 nrf2401 來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，其工作于 2.42.5ghz ism 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器 等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以- 5dbm 的功率發(fā)射時，工作電流只有 10.5ma，接收時工作電流只有 18ma，多種低 功率工作模式，節(jié)能設計更方便。其 duoceivertm 技術使 nrf2401 可以使用同一天

10、 線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。 nrf2401 內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時鐘處理器、 gfsk 濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的 外圍元件，因此使用起來非常方便。 4、溫度上限聲光報警模塊 聲音報警我們選擇蜂鳴器來達到報警目的，光提醒我們選擇體積小、亮度高等 優(yōu)點的 led 發(fā)光二極管。 方案一：有源蜂鳴器內(nèi)部帶有振蕩源，所以，只需要通上其正常的工作直流電 壓就可以有效的工作。故，其連接線路簡單，占用的程序儲存空間小。 方案二：無源蜂鳴器內(nèi)部不帶振蕩源，所以，直接用工作的直流電是不會有效 的發(fā)出聲響的。必須用 2khz5khz 的方波信

11、號去控制驅(qū)動它，那樣它才能順利的 工作。 2.32.3 系統(tǒng)組成模塊系統(tǒng)組成模塊 1、控制器 . 精品 stc 公司的單片機主要是基于 8051 內(nèi)核,是新一代增強型單片機,指令代碼完全 兼容傳統(tǒng) 8051,速度快 812 倍,帶 adc,4 路 pwm,雙串口,有全球唯一 id 號,加密性好， 抗干擾強。同時其價格低，體積小，功耗低，可靠實用。 2、發(fā)射電路模塊 使用射頻收發(fā)芯片 nrf24l01 來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，其工作于 2.42.5ghz ism 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出 功率和通信頻道可通過程序進行配置。 3、接收電路模塊 接收電路

12、中也是使用 nrf2401 來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接受，nrf2401 芯片是收發(fā)一體 的。 4、溫度數(shù)據(jù)顯示模塊 采用 lcd1602 與 lcd12864 液晶屏，按照實時測量的數(shù)據(jù)精確顯示。本模塊的 主要功能是實時顯示描述系統(tǒng)狀態(tài)的各種信息以及記錄各階段運行的時間。液晶顯 示屏（lcd）不僅顯示信息量大，畫面效果好，節(jié)省 i/o 口，因此本模塊可選擇液 晶屏（lcd）顯示。 具體的我們在溫度數(shù)據(jù)采集發(fā)射的模塊上采用了 lcd1602 液晶顯示，在溫度數(shù) 據(jù)的接收模塊采用了 lcd12864 顯示。 5、溫度上限聲光報警模塊 采用有源蜂鳴器和高亮度的 led 發(fā)光二極管作為聲光報警器。 經(jīng)過上述

13、論證，系統(tǒng)最終設計方案如下圖所示： . 精品 圖 2-2 系統(tǒng)最終方案 3 3 技術路線技術路線 根據(jù)設計，整個系統(tǒng)可按以下程序路線進行： 無線發(fā)送電 路 溫度數(shù) 據(jù)發(fā)生 器 接收 數(shù)據(jù) 信號 識別 數(shù)據(jù)存儲顯示 及上限報警 無線接 收電路 . 精品 圖 1 主程序流程圖 . 精品 圖 2 ds18b20 子程序流程圖 . 精品 4 4 各模塊設計各模塊設計 4.14.1 系統(tǒng)硬件電路設計系統(tǒng)硬件電路設計 4.1.14.1.1 溫度數(shù)據(jù)發(fā)射電路溫度數(shù)據(jù)發(fā)射電路 nrf2401 芯片引腳排列見圖 4-1各引腳具體功能如下：vsspa、vss 為參考 接地端；vdd 為電源端，范圍 19 v36

14、v；vddpa 為功率放大+18 v 電 源輸出端；antl、ant2 為天線接口端；xcl、xc2 為晶 振端；iref 為參考電流端，通過 22 kq 電阻接地 pwr up 為上電端；ce 為工作狀態(tài)使能端；cs 為片選端，控 制器通過對 nrf2401 的 pwrup、ce 和 cs 引腳狀態(tài) 組合設置，控制 nrf2401 的工作方式，當狀態(tài)組合為分 別為 1、1、o，1、0、1，1、o、o 及 o，時，芯 片分別處于激活、配置、待機及低功耗方式。 clkl、clk2 為通道 1、2 時鐘信號端，由控制器提供，在突發(fā)模式下控制器在時鐘 上升沿由 data 引腳向 nrf2401 寫入

15、數(shù)據(jù)，在下降沿從 nrf2401 的 data 引腳讀 出數(shù)據(jù)；drl、dr2 為通道 1、2 接收數(shù)據(jù)就緒信號端；data、dout 為通道 1、2 數(shù)據(jù)端，控制器與 nrf2401 由 clk、dr 和 data 組成的三線接口交換傳輸?shù)?數(shù)據(jù)，通道 1 可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，通道 2 只能接收數(shù)據(jù)。nrf2401 的 duoceivertm 技術為 rx 提供了兩個獨立的專用數(shù)字信道，因而可代替兩個單獨接收系統(tǒng)。 接口引腳為 ce，clk1，data a. 當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，其把 ce 置高，使 nrf2401 工作； 圖 4-1 nrf2401 引腳圖 . 精品 b. 把接收機的地

16、址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時序送入 nrf2401； c. 微控制器把 ce 置低，激發(fā) nrf2401 進行 shockbursttm 發(fā)射； d. nrf2401 的 shockbursttm 發(fā)射 e.給射頻前端供電； f. 射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、crc 校驗碼)； g.高速發(fā)射數(shù)據(jù)包； h .發(fā)射完成，nrf2401 進入空閑狀態(tài)。 4.1.24.1.2 溫度數(shù)據(jù)接收電路溫度數(shù)據(jù)接收電路 接口引腳 ce、dr1、clk1 和 data(接收通道 1) a. 配置本機地址和要接收的數(shù)據(jù)包大??； b. 進入接收狀態(tài)，把 ce 置高； c. 200us 后，nrf2401 進入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的

17、到來； d. 當接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和 crc 校驗碼)，nrf2401 自動把字頭、 地址和 crc 校驗位移去； e. nrf2401 通過把 dr1(這個引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器； f. 微控制器把數(shù)據(jù)從 nrf2401 移出； g. 所有數(shù)據(jù)移完，nrf2401 把 dr1 置低，此時，如果 ce 為高，則等待下一 個數(shù)據(jù)包，如果 ce 為低，開始其它工作流程。 單片機的控制信號和數(shù)據(jù)通過 p2 口進行交換，s1 開關用于設置 nrf2401 處于 發(fā)射或接收狀態(tài)，發(fā)光二極管 d1 亮表示系統(tǒng)處于發(fā)射模式，d2 亮表示處于接收狀 態(tài)，d3 亮表示已收到數(shù)據(jù)。

18、 . 精品 4.1.34.1.3 溫度數(shù)據(jù)測量電路溫度數(shù)據(jù)測量電路 ds18b20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻 rom、溫度傳感器、非揮發(fā) 的溫度報警觸發(fā)器 th 和 tl、配置寄存器。 圖 4-2 ds18b20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 4.24.2 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計 無線溫度遙測系統(tǒng)的軟件設計主要由主程序、溫度數(shù)據(jù)處理程序、聲光報警程 序、無線數(shù)據(jù)收發(fā)程序及顯示子程序組成。其單總線器件 rom 碼的獲取，可以借 用讀數(shù)據(jù)子程序提前讀出，要求其先發(fā)初始化命令，再發(fā) 33h 命令，既是讀 rom 碼命令，然后，再調(diào)用讀數(shù)據(jù)子程序。在程序設定的地址就可以找到 rom 序列碼， 要注意的是

19、數(shù)據(jù)線要掛一個器件，之后再度下一個器件。并記錄器件的序列號。 nrf24l01 的各種命令字都只有一個字節(jié)，分為讀寄存器、寫寄存器、讀數(shù)據(jù) 接收緩沖區(qū)、寫發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。在輸入任意命令字的同時，miso 輸出 status 寄存器的內(nèi)容。 . 精品 按照硬件電路，系統(tǒng)程序的基本思路如下：系統(tǒng)上電后先配置 nrf2401，發(fā)射 模式的狀態(tài)字為 ox500800dodddddd 一 00dddddd834a05，接收模式的狀態(tài) 字為 ox500800doddddddoodddddd834a04。配置后通道 1 數(shù)據(jù)寬度 8 bit， 地址為 00dddddd，地址長度 32 位，crc 校驗 1

20、6 位，單通道接收，晶振 12m， 工作頻率 2 402 mhz，輸出功率一 5 dbm。程序在每次完成發(fā)射或接收任務后，都 會監(jiān)測一下 p1.0 的電平，來確定下一個循環(huán)的工作模式。 5 5 電源部分電源部分 由于無線模塊供電為 3.3v，不同于單片機 5v 供電。因此需要將適應單片機 工作的 5v 電源通過電源轉(zhuǎn)換芯片 ams1117 3.3 轉(zhuǎn)換成 3.3v 供給無線模塊使用。 圖 5.1 電源模塊電路原理 . 精品 6 6 電路原理圖電路原理圖 圖 1 溫度數(shù)據(jù)發(fā)射整體電路圖 圖 2 溫度數(shù)據(jù)接收整體電路圖 . 精品 圖 4 聲光報警電路 圖 5 無線傳輸芯片 nrf24l01 外圍電

21、路 . 精品 7 7 器材選擇方案器材選擇方案 在這系統(tǒng)中我們所用到得器材如表 7-1 所示 表 7-1 器材選擇 器件名規(guī)格數(shù)量（個）器件名規(guī)格數(shù)量（個） 單片機 stc89c522 三極管 80501 晶振 12mhz2 有源蜂鳴器 1 瓷片電容 30pf4 穩(wěn)壓芯片 lm3171 瓷片電容 1044 穩(wěn)壓芯片 lm3371 發(fā)光二極管 6 穩(wěn)壓芯片 asm11172 電解電容 10uf/50v4 顯示器 16021 電解電容 2200uf/50v2 顯示器 128641 電解電容 100uf/25v 排插 10 電阻 1k2 插座 10 電阻 2002 40p 插座 2 電阻 5604

22、杜邦線 30 電位器 10k4 二極管 in40074 排阻 10k2 自鎖開關 4 溫度傳感器 18b201 無線傳 輸模塊 nrf24012 . 精品 8 8 總結(jié)總結(jié) 溫度遙控遙測系統(tǒng)是工業(yè)上使用比較多的一種控制技術，本文就是針對溫度遙 控遙測所進行的探討與設計方案的選定，溫度遙控遙測是遠程實現(xiàn)對溫度的測量與 控制，特別適合那些環(huán)境惡劣，測量人員不容易接近的場合，近年來在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 中應用廣泛。對他的學習與研究是完全有必要的!學院舉行電子設計競賽也是非常有 意義的。他給了我們更大的平臺去接觸去學習我們的專業(yè)知識，讓我們將理論結(jié)合 實際，更加完善自己! 當然經(jīng)過這幾天的努力，我們小組圓滿完成了這次競賽的初賽寫電子競賽 設計報告書。還記得剛開始接觸到這個題目時，我們就像無頭蒼蠅一樣，不知從何 下手。對于大二的我們，數(shù)電剛接觸，單片機開沒開設，模電雖然學完了，但始終 沒與實踐相結(jié)合過，到底學得怎么樣我們自己心里也沒譜。可是要想很好的參加此 次電子設計競賽，模電，數(shù)電，單片機的知識需要我們很好的掌握，基于這些因素 讓我們覺得很沒底氣?？删驮谖覀兒苊悦５臅r候?qū)W校組織了有關此次電子