多點溫度測量系統(tǒng)

1、多點溫度測量系統(tǒng)班級 電子091姓名 呂江斌學號 目錄一.系統(tǒng)設計31.1設計任務與要求31.1.1設計任務31.1.2設計要求31.2設計分析31.3各模塊的選擇和論證31.3.1主控制器的選擇31.3.2 外部溫度采集控制器的選擇41.3.3溫度傳感器的選擇41.3.4終端顯示模塊的選擇51.3.5無線模塊的選擇51.3.6按鍵輸入部分的選擇51.3.7時鐘芯片的選擇51.3.8 PC上位機通信硬件實現(xiàn)方式選擇6二 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)62.1 外部檢測部分62.1.1 溫度測量電路62.1.2 外部控制與數(shù)據(jù)發(fā)送電路62.2主控制臺電路72.3 上位機與PC機顯示電路82.4 DS1302時間

2、顯示電路9三 .系統(tǒng)的軟件設計10四. 系統(tǒng)測試124.1主要性能測試124.2測試結(jié)果分析12五. 設計體會12一.系統(tǒng)設計1.1設計任務與要求1.1.1設計任務測量二點以上地點處的實時溫度。1.1.2設計要求（1）、基本要求溫度范圍室溫90度以上，精度0.5度以上，地點能分辨。（2）、發(fā)揮部分測量處與顯示端能實現(xiàn)無線通信，某點處溫度有變化時有報警。地點多、顯示內(nèi)容多，精度高、通信遠。1.2設計分析根據(jù)題意，系統(tǒng)可分為五個部分：外部溫度檢測，并能將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送出來；主控制臺；外部顯示與報警；外部設置數(shù)據(jù)手動輸入；通過上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)在PC機上的顯示。得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2.1 ： P

3、C機數(shù)據(jù)顯示ATmega 16 主控制臺顯示界面自動報警設置數(shù)據(jù)DS1302外部檢測點 A外部檢測點B外部檢測點C 圖1.2.11.3各模塊的選擇和論證1.3.1主控制器的選擇方案一：采用51系列單片機。如STC89S52,它能用I/O口模擬SPI控制無線模塊、普通液晶顯示、以及溫度傳感器等，但該芯片運行速度較慢，并且Flash及RAM容量較小。方案二：采用ATmega16L作為主控制器，它具有豐富的外設，能很好的控制我們所需用到的模塊，自帶可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口能很好地控制無線模塊，并且運行速度是STC89C52系列單片機的10倍，具有16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash

4、 ，512 字節(jié)的EEPROM，方便處理終端顯示界面，ATmega16L工作電壓2.7-5.5V; 正常模式1.1mA,空閑模式0.35mA功耗等特性。綜上：我們選擇ATmega16L作為主控制芯片，它能提供給我們更為方便、靈活的編程空間及實時溫度無線傳輸速度的要求。1.3.2 外部溫度采集控制器的選擇方案一：采用STC89C52來控制，它完全能實現(xiàn)溫度檢測控制和無線數(shù)據(jù)發(fā)送的功能，但它體積較大,速度較慢。方案二：使用STC12C2052AD來控制，共20個管腳，它不但能實現(xiàn)我們所需實現(xiàn)的溫度采集，無線傳輸數(shù)據(jù)的功能，并且體積較小，運行速度是STC89C52的10倍，自帶硬件SPI及AD，價格

5、也比較便宜。綜上：我們選擇STC12C2052AD作為外部地點溫度采集控制器它體積小、價格便。1.3.3溫度傳感器的選擇方案一：熱電阻測溫。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響同般采用三線制或四線制。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。它的缺點是金屬導體材料易受環(huán)境影響而改變其并改變電阻與溫度之間的關系。方案二：熱電偶傳感器測溫。將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路。當導體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個

6、大小的電流 ,這種現(xiàn)象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是： 測量精度高。因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均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。由熱電偶測溫原理知道，只今當熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電動勢才是被測溫度的單位函數(shù)。在實際應用時，由于熱電偶的冷端離熱端很近，冷瑞又暴露在空間，容易受到周圍環(huán)境溫變化的影

7、響，因而沖端溫度難以保持恒定。為此必須進行冷端溫度補償處理方案三: 采用集成溫度傳感器DS18B20,測量溫度范圍為 -55C+125C，在-10+85C范圍內(nèi),精度為0.5C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，連接方便,占用口線少，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。DS18B20可以程序設定912位的分辨率，精度為0.5C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。綜上：采用集成溫度傳感器DS18B20，具有硬件連接的簡單性和軟件編程的靈活性，

8、且溫度測量準確，抗環(huán)境干擾性強等諸多優(yōu)點，因此選用集成溫度傳感器DS18B20作為系統(tǒng)的溫度測量工具。1.3.4終端顯示模塊的選擇方案一：使用普通12864液晶顯示，它控制簡單，但液晶分辨率很低，只有兩種顏色，而且功耗很大。方案二：使用北京迪文公司生產(chǎn)的迪文液晶，它的主要特點有：簡單的串行接口，最小系統(tǒng)與用戶的連線只需要4 根線（VCCGNDRXDTXD），使用異步、全雙工串口與控制器通信，不需額外電路；統(tǒng)一的指令集和硬件接口的兼容設計非常容易；具有65k真彩色顯示，內(nèi)部存儲空間，海量的用戶界面，極大簡化了用戶界面開發(fā)，提高了開發(fā)效能；此外，它還具有低功耗、可靠性高等特點。綜上：考慮到以上所說

9、的迪文液晶的優(yōu)勢，我們選擇迪文液晶作為我們的終端界面顯示屏。1.3.5無線模塊的選擇方案一：nRF905可以自動完成處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼/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)射時電流只有11mA，在接收模式時電流為12.5mA。 nRF905單片無線收發(fā)器工作由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。ShockBurst工作模式的特點是自動產(chǎn)生前導碼和CRC，可以很容易通過SPI接口進行編程配置。方案二：nRF24.L01是一款新型

10、單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz2.5 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,并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9 mA;接收時，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)能設計更方便。綜上：考慮我們當時的實際情況，由于我們擁有nRF24L01模塊，所以我們選擇nRF24L01。1.3.6按鍵輸入部分的選擇方案一：使用4*4矩陣鍵盤，它控制簡單，鍵盤掃描比較復雜，擴展性不強并且占用資源較多。方案二：使用小

11、巧的紅外遙控遙控器，使用SM1838集成紅外接收頭，只需占用一個外部中斷口即可，能方便用戶在不同的范圍內(nèi)對系統(tǒng)進行輸入控制，使用靈活、方便。控制距離10米內(nèi)有效，方便用戶近距離基本輸入控制。綜上：為更加人性化設計，我們選擇紅外遙控器作為輸入控制部分。1.3.7時鐘芯片的選擇方案一：使用DS12C887作為時鐘芯片，內(nèi)部自帶電池及晶振，能很好實現(xiàn)全日歷顯示功能，該芯片能在掉電的情況下繼續(xù)運行10年，具有精度高等特點。但它的體積卻大，價格較貴，并且占用I/O 口13個。方案二：使用DS1302作為時鐘芯片，該芯片在掉電的情況下不能繼續(xù)運行。它可以對年、月、日、周、日、時、分、秒進行計時，且具有閏年

12、補償?shù)榷喾N功能。它也具有較高的精度，體積小，價格非常便宜，并且硬件結(jié)構(gòu)非常簡單，可工作于SPI接口方式，也可用普通3 個I/O口控制即可，但為了掉電顯示，需要外加電池及晶振。綜上：考慮到精簡的硬件結(jié)構(gòu)及價格等我們選擇DS1302時鐘芯片。1.3.8 PC上位機通信硬件實現(xiàn)方式選擇方案一：使用PDIUSBD12芯片實現(xiàn)與PC通信；最高傳輸率可達12 Mb/s提供低速方式速率為1.5 Mb/s，可工作于usb1.1協(xié)議規(guī)范，但應用相當復雜必須對usb通信協(xié)議有較好的掌握，難度較大。方案二：使用CH341T芯片方便usb轉(zhuǎn)串口與PC機通信，硬件電路簡單，波特率可達pb/s，用此波特率時完全可滿足此溫

13、度采集系統(tǒng)速度要求，軟件編程簡單。綜上：我們選擇方案二CH341T芯片作為usb轉(zhuǎn)串口芯片與PC機串口通信。二 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 根據(jù)題意，我們需要制作一個具有檢測和監(jiān)測功能的智能溫度測量系統(tǒng)。在設計中運用了檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)分為外部檢測、主控制臺、上位機與PC機顯示三大部分。2.1 外部檢測部分2.1.1 溫度測量電路 溫度檢測傳感器我們采用DS18B20，DS18B20應用電路具體電路圖如圖2.1.1。由于采用單總線器件，DS18B20的硬件電路連接很簡單，1腳為接地端，2腳DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，它與TTL電平兼容，與單片機的I/O口線相接，同時要接4.7K左右的上拉電

14、阻；3腳VDD，可接電源，也可接地。因為每只DS18B20都可以選擇兩種供電方式，即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部總線供電方式。采用數(shù)據(jù)總線供電方式時VDD接地，可以節(jié)省一根傳輸線，但完成溫度測量的時間較長；采用外部供電方式則把VDD接5V，雖然多用一根導線，但測量速度較快。 圖2.1.1 DS1820應用電路2.1.2 外部控制與數(shù)據(jù)發(fā)送電路 外部我們使用STC12C2052AD單片機作為輔助控制，它體積小，僅有20個引腳，STC12C2052AD的引腳圖如圖2.1.2。結(jié)合nRF24L01無線模塊的應用電路如圖2.1.3。 圖 2.1.2 圖2.1.32.2主控制臺電路我們使用ATmega16作為

15、主控芯片，ATmega16 有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。主控制部分的電路圖如圖2.2.1。使用紅外遙控器作為鍵盤輸

16、入，紅外接收頭使用的SM1838，紅外接收部分的電路如圖2.2.2。 圖2.2.1 圖2.2.22.3 上位機與PC機顯示電路各地溫度采集點通過nRF24L01傳至usb轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)接板與PC機通信，采用CH341T芯片可實現(xiàn)usb轉(zhuǎn)串口，電路圖如圖2.3.1。PC端用vc+語言采用MFC編寫。 圖2.3.12.4 DS1302時間顯示電路DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充電時鐘芯片內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31 字節(jié)靜態(tài)RAM 通過簡單的串行接口與單片機進行通信實時時鐘/日歷電路提供秒分時日日期月年的信息每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整時鐘操作可通過AM/PM 指示決定采用24 或1

17、2 小時格式DS1302 與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信僅需用到三個口線1 RES 復位2 I/O 數(shù)據(jù)線3 SCLK串行時鐘時鐘/RAM 的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31 個字節(jié)的字符組方式通信DS1302 工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW。在此時間顯示中，由于此Ds1302芯片不帶星期及農(nóng)歷顯示功能，為了更好地實現(xiàn)人性化人機交互界面，我們采用特殊算法，實現(xiàn)了農(nóng)歷顯示及星期自動隨日期改變而改變。與ATmega16L電路圖如圖2.4.1所示。圖2.4.1三 .系統(tǒng)的軟件設計在整個系統(tǒng)的設計中，仔細分析整體思路框架后，然后采用分模塊調(diào)試逐一實現(xiàn)功能，再綜合測試。具

18、體軟件實現(xiàn)如下：開始初始化及顯示等待接收溫度通道0有數(shù)據(jù)?YN通道1有數(shù)據(jù)?通道2有數(shù)據(jù)?獲取本地溫度顯示N顯示A地溫度顯示B地溫度顯示C地溫度YY(a)溫度監(jiān)控模式流程圖N開始系統(tǒng)初始化界面進度條顯示紅外命令menu?主界面菜單及時間顯示NYmenu=0NNYmenu=1menu=6menu=3menu=2Y溫度監(jiān)測模式N溫度報警設置N溫度曲線查看Ymenu=4時間日期設置menu=5退出系統(tǒng)關閉DwinNYNYY打開迪文Y (b)主程序流程圖 四. 系統(tǒng)測試4.1主要性能測試為了確定系統(tǒng)的性能是否能滿足設計要求，我們對系統(tǒng)的關鍵模塊進行了測試和分析：(1) 我們對時間日期進行了測試，當年月

19、日，時分秒改變后，星期數(shù)，農(nóng)歷日期隨著我們設計的算法自動改變，經(jīng)與萬年歷對照，完全準確無誤。有效時間年份為2000年至2099年。當斷開電源，測試斷電3天后在系統(tǒng)自帶電池下仍精確運行。(2) 對外部3個地點溫度及本地溫度進行實時監(jiān)控測試，并設置溫度報警上下限值，當3個地點溫度任一地點溫度達到上限或下限時，在PC上位機以及Dwin液晶顯示終端能自動報警、提示所在地點情況，能實時分辨出各地點溫度，可與顯示終端本地溫度比較差異。當所在地點超出監(jiān)控范圍或出現(xiàn)異常情況時，在PC上位機以及Dwin液晶顯示終端能實時顯示各地失去監(jiān)控提示。在迪文顯示終端上能很好地實時顯示各地溫度變化曲線。溫度精確度在0.5C 以內(nèi)，測試范圍為1090C。(3) 紅外遙控操作整個系統(tǒng)有效范圍為5米。此系統(tǒng)運行穩(wěn)定，經(jīng)測試一直帶電運行3天，仍然穩(wěn)定工作。4.2測試結(jié)果分析(1) 系統(tǒng)掉電運行3天后，實際測量時間與標準時間相差7s,誤差原因為32.768M晶振有誤差。(2) 由于無線模塊是舊的，本身傳輸距離限制，實際3