第八屆電子設(shè)計(jì)競賽之無線溫度遙測系統(tǒng)報(bào)告

HEFEIUNIVERSITY第八屆電子設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)報(bào)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10050760352023年2月27日目錄25672摘要:-1-171471引言-1-186892系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案-1-126052.1設(shè)計(jì)思想-1-101262.2可行性方案-2-76152.3系統(tǒng)組成模塊-3-156643技術(shù)路線-4-288064各模塊設(shè)計(jì)-7-67744.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)-7-97234.1.1溫度數(shù)據(jù)發(fā)射電路-7-102054.1.2溫度數(shù)據(jù)接收電路-8-132074.1.3溫度數(shù)據(jù)測量電路-8-82484.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)-9-79605電源部分-9-142416電路原理圖-10-174647器材選擇方案-12-68608總結(jié)-13-259149參考文獻(xiàn)-14-4577附錄1單片機(jī)最小系統(tǒng)原理示意圖-15-摘要:文章介紹了一種基于單片機(jī)STC89C52為控制核心的的遙控遙測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)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(hào)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和無線傳輸數(shù)據(jù)、顯示被測溫點(diǎn)數(shù)據(jù)溫度及聲光上限報(bào)警。整個(gè)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(bào)警模塊等若干部分組成。完成了實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫遙測的基本要求部分的全部功能指標(biāo)和發(fā)揮部分中絕大部分的功能指標(biāo)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)溫度傳感器無線發(fā)射芯片1引言溫度遙控遙測是遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)用廣泛。數(shù)字化溫度傳感器DS18B20直接將環(huán)境的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以數(shù)碼管方式串行輸出，當(dāng)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(jī)處理。則從被測的環(huán)境溫度就可以精確地計(jì)算出來。本系統(tǒng)正是基于此原理完成具有實(shí)時(shí)溫度檢測的無線溫度遙測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)思想為了實(shí)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(yù)處理模塊、無線發(fā)射與接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示與溫度上限報(bào)警模塊。各個(gè)模塊的組合如下圖所示：無線發(fā)送電路無線發(fā)送電路溫度數(shù)據(jù)發(fā)生器接收數(shù)據(jù)信號(hào)識(shí)別數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示及上限報(bào)警無線接收電路圖2-1數(shù)據(jù)發(fā)射與接收2.2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(duì)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(shí)，它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào),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(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；測溫范圍－55℃～＋125℃，在1050°C范圍內(nèi)精度高達(dá)0.1°C；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)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(duì)來說要簡單許多。對(duì)程序的編程也相對(duì)來說較方便。但是，數(shù)碼管占用的IO口較多。方案二:1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。這樣在顯示溫度數(shù)據(jù)的時(shí)候就比較的直觀同時(shí)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(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)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(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；其顯示分辨率為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。可以顯示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。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)換實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)；傳輸距離會(huì)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(duì)接收器的方向要求很高（30度以內(nèi)），不能實(shí)現(xiàn)任意角度的接收。方案二：本方案使用射頻收發(fā)芯片nrf2401來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，其工作于2.4～2.5GHzISM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(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)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(shí)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(bào)警模塊聲音報(bào)警我們選擇蜂鳴器來達(dá)到報(bào)警目的，光提醒我們選擇體積小、亮度高等優(yōu)點(diǎn)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(chǔ)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(huì)有效的發(fā)出聲響的。必須用2kHz~5kHz的方波信號(hào)去控制驅(qū)動(dòng)它，那樣它才能順利的工作。2.3系統(tǒng)組成模塊1、控制器STC公司的單片機(jī)主要是基于8051內(nèi)核,是新一代增強(qiáng)型單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,速度快8~12倍,帶ADC,4路PWM,雙串口,有全球唯一ID號(hào),加密性好，抗干擾強(qiáng)。同時(shí)其價(jià)格低，體積小，功耗低，可靠實(shí)用。2、發(fā)射電路模塊使用射頻收發(fā)芯片nrf24l01來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，其工作于2.4～2.5GHzISM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(jìn)行配置。3、接收電路模塊接收電路中也是使用nrf2401來實(shí)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(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)精確顯示。本模塊的主要功能是實(shí)時(shí)顯示描述系統(tǒng)狀態(tài)的各種信息以及記錄各階段運(yùn)行的時(shí)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?cè)跍囟葦?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(bào)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(bào)警器。經(jīng)過上述論證，系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)方案如下圖所示：圖2-2系統(tǒng)最終方案無線發(fā)送電路無線發(fā)送電路溫度數(shù)據(jù)發(fā)生器接收數(shù)據(jù)信號(hào)識(shí)別數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示及上限報(bào)警無線接收電路3技術(shù)路線根據(jù)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)可按以下程序路線進(jìn)行：圖1主程序流程圖圖2DS18B20子程序流程圖4各模塊設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1.1溫度數(shù)據(jù)發(fā)射電路圖4-1NRF2401引腳圖nRF2401芯片引腳排列見圖4-1．各引腳具體功能如下：VSS—PA、VSs為參考接地端；VDD為電源端，范圍1．9V～3．6V；VDD—PA為功率放大+1．8V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22kQ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(duì)nRF2401的PWR—UP、CE和CS引腳狀態(tài)組合設(shè)置，控制nRF2401的工作方式，當(dāng)狀態(tài)組合為分別為1、1、O，1、0、1，1、o、o及o，×，×?xí)r，芯片分別處于激活、配置、待機(jī)及低功耗方式。CLKl、CLK2為通道1、2時(shí)鐘信號(hào)端，由控制器提供，在突發(fā)模式下控制器在時(shí)鐘上升沿由DATA引腳向nRF2401寫入數(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(hào)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)臄?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(shù)為RX提供了兩個(gè)獨(dú)立的專用數(shù)字信道，因而可代替兩個(gè)單獨(dú)接收系統(tǒng)。圖4-1NRF2401引腳圖接口引腳為CE，CLK1，DATAA.當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其把CE置高，使nRF2401工作；B.把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF2401；C.微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401進(jìn)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(yàn)碼)；G.高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；H.發(fā)射完成，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。4.1.2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(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大小；B.進(jìn)入接收狀態(tài)，把CE置高；C.200us后，nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；D.當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC校驗(yàn)碼)，nRF2401自動(dòng)把字頭、地址和CRC校驗(yàn)位移去；E.nRF2401通過把DR1(這個(gè)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(shí)，如果CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開始其它工作流程。單片機(jī)的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)通過P2口進(jìn)行交換，S1開關(guān)用于設(shè)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)。4.1.3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(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。圖4-2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無線溫度遙測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、溫度數(shù)據(jù)處理程序、聲光報(bào)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(shè)定的地址就可以找到ROM序列碼，要注意的是數(shù)據(jù)線要掛一個(gè)器件，之后再度下一個(gè)器件。并記錄器件的序列號(hào)。nRF24L01的各種命令字都只有一個(gè)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(shí)，MISO輸出STATUS寄存器的內(nèi)容。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OX500800DODDDD—DDooDDDDDD834A04。配置后通道1數(shù)據(jù)寬度8bit，地址為00DDDDDD，地址長度32位，CRC校驗(yàn)16位，單通道接收，晶振12M，工作頻率2402MHz，輸出功率一5dBm。程序在每次完成發(fā)射或接收任務(wù)后，都會(huì)監(jiān)測一下P1.0的電平，來確定下一個(gè)循環(huán)的工作模式。5電源部分由于無線模塊供電為3.3V，不同于單片機(jī)5V供電。因此需要將適應(yīng)單片機(jī)工作的5V電源通過電源轉(zhuǎn)換芯片AMS—11173.3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6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)接收整體電路圖圖4聲光報(bào)警電路圖5無線傳輸芯片nRF24L01外圍電路7器材選擇方案在這系統(tǒng)中我們所用到得器材如表7-1所示器件名規(guī)格數(shù)量（個(gè)）器件名規(guī)格數(shù)量（個(gè)）單片機(jī)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1kΩ2插座——10電阻200Ω240P插座——2電阻560Ω4杜邦線——30電位器10kΩ4二極管IN40074排阻10kΩ2自鎖開關(guān)——4溫度傳感器18b201無線傳輸模塊NRF24012表7-1器材選擇8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(shù)，本文就是針對(duì)溫度遙控遙測所進(jìn)行的探討與設(shè)計(jì)方案的選定，溫度遙控遙測是遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)用廣泛。對(duì)他的學(xué)習(xí)與研究是完全有必要的!學(xué)院舉行電子設(shè)計(jì)競賽也是非常有意義的。他給了我們更大的平臺(tái)去接觸去學(xué)習(xí)我們的專業(yè)知識(shí)，讓我們將理論結(jié)合實(shí)際，更加完善自己!當(dāng)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(shè)計(jì)報(bào)告書。還記得剛開始接觸到這個(gè)題目時(shí)，我們就像無頭蒼蠅一樣，不知從何下手。對(duì)于大二的我們，數(shù)電剛接觸，單片機(jī)開沒開設(shè)，模電雖然學(xué)完了，但始終沒與實(shí)踐相結(jié)合過，到底學(xué)得怎么樣我們自己心里也沒譜?？墒且牒芎玫?/p>