【正文】 .........................................................................................................30第四章 系統(tǒng)的調(diào)試及實驗結(jié)果 ............................................................31 調(diào)試步驟 ............................................................................................................31 硬件電路調(diào)試 ..............................................................................................31 軟件調(diào)試 ......................................................................................................32 實驗結(jié)果 ............................................................................................................33 本章小結(jié) ............................................................................................................35第五章 總 結(jié) ........................................................................................36參考文獻 ..................................................................................................38致 謝 ......................................................................................................39附 錄 ......................................................................................................40第一章 緒 論 課題的背景與意義溫度是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的和最基本的參數(shù)之一。伴隨著工業(yè)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的科技飛速發(fā)展，對產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中溫度的測量需求也越來越多，也顯得越來越重要。尤其是對溫度要求比較嚴格，但是布線又不方便的情況下，這時就采用無線溫度測量。進入 21 世紀后，特別在我國加入 WTO 后，國內(nèi)產(chǎn)品面臨巨大挑戰(zhàn)。各行業(yè)特別是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)都急切需要應(yīng)用電子技術(shù)、自動控制技術(shù)進行改造和提升。例如在商業(yè)中紡織行業(yè)，溫濕度是影響紡織品質(zhì)量的重要因素，但紡織企業(yè)對溫濕度的測控手段仍很粗糙，十分落后，很多仍在使用測溫貼片，采用人工觀測，人工調(diào)節(jié)閥門、風機的方法，其控制效果可想而知。在醫(yī)學制藥行業(yè)中，由于微生物對溫度的要求很高，就需要高精度的溫度監(jiān)測，如果采用無線溫度測量的話可以完全保證測溫的無菌化。在農(nóng)業(yè)中隨著農(nóng)業(yè)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，許多農(nóng)民意識到必需擺脫落后的傳統(tǒng)耕作、養(yǎng)殖方式，采用現(xiàn)代科學技術(shù)來應(yīng)付進口農(nóng)產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，并打進國外市場。各地建立了越來越多的新型溫室大棚，種植反季節(jié)蔬菜，花卉。調(diào)溫冷庫的大量興建都給溫濕度測控技術(shù)提供了廣闊的市場。考慮到以上方面本文設(shè)計一個基于 AT89S52 的無線溫度測量系統(tǒng)。 國內(nèi)外研究狀況及相關(guān)領(lǐng)域中已有的研究成果溫度是表征物體冷熱程度的物理量,它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究有著密切關(guān)系。隨著科學技術(shù)水平的不斷提高,溫度測量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。在溫度測量方面各國均取得了許多可喜的成果,其中前蘇聯(lián)的壓電石英頻率溫度計分辨能力可達 ℃，理論上可達 ℃，而且在40℃~230℃范圍內(nèi)具有溫度與頻率的線性特性，日本利用所謂石英溫度頻率轉(zhuǎn)換器80℃~200℃的溫度范圍 ,最大分辨率達 ℃，美國標準局研制的電阻溫度計 25歐標準鉑電阻溫度計電橋分辨 ℃，我國生產(chǎn)的石英溫度傳感器分辨率達到 ℃，誤差在 ℃以內(nèi)。中國航天工業(yè)總公司 702 所研制的5901(STP1000)型粘貼式測溫片，其靜態(tài)測溫精度為 %，快速響應(yīng)時間小于。溫度的測量方式也多種多樣，傳統(tǒng)的熱電偶以測量方便，電路簡單，使用方便等特點廣泛應(yīng)用在現(xiàn)在的測溫領(lǐng)域中。隨著新材料、新工藝以及一些新技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用范圍更加拓展。測量技術(shù)有：利用薄膜溫度傳感器；熱電偶材料性能的提高；溫度傳感器保護套管材料；輻射測溫技術(shù)；光纖測溫技術(shù)。雖然溫度測量方法多種多樣,但在很多情況下，對于實際工程現(xiàn)場或一些特殊條件下的溫度測量，比如對極限溫度、高溫腐蝕性介質(zhì)溫度、氣流溫度、表面溫度、固體內(nèi)部溫度分布、微尺寸目標溫度、大空間溫度分布、生物體內(nèi)溫度、電磁干擾條件下溫度測量來講,要想得到準確可靠的結(jié)果并非易事，需要非常熟悉各種測量方法的原理及特點,結(jié)合被測對象要求選擇合適的測量方法才能完成。同時，還要不斷探索新的溫度測量方法，改進原有測量技術(shù)，以滿足各種條件下的溫度測量需求。 方案的選擇根據(jù)各項功能的實現(xiàn)方法以及硬件連接方式，將整個系統(tǒng)劃分為信號采集與放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機模塊、無線發(fā)射模塊、液晶顯示模塊、電源模塊。 信號采集與放大模塊 溫度傳感器的選擇方案一：由于傳感器 DS18B20 價格便宜，硬件簡單，傳感器直接輸出數(shù)字信號，便于控制，并且 DS18B20 可以采用單總線傳輸，一根總線能掛載多個傳感器，易于擴展。但是 DS18B20 的溫度精度為 176。C，對于溫度要求很嚴格的應(yīng)用領(lǐng)域不大適合，本系統(tǒng)的測溫精度為 176。C， DS18B20 無法滿足要求。方案二：于是考慮采用了高精度溫度傳感器 AD590， AD590 不但實現(xiàn)了溫度的電量測量，而且靈敏度高、反應(yīng)時間短，因此可作為恒溫控制電路的信號檢測器。與目前大量使用的接點式水銀溫度計相比，它具有控溫精度(溫控在某點時的溫度最大波動范圍)高、體積小、無污染、使用方便等優(yōu)點。從上述兩個方案的對比看出 DS18B20 無法滿足系統(tǒng)指標，我們采用 AD590作為溫度傳感器。 運算放大器的選擇方案一：采用運用非常廣泛的 LM324，單電源供電，供電范圍大，從 伏到 32 伏，并且一塊芯片集成 4 個運放，輸出動態(tài)范圍大，軌到軌輸出。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。但 LM324 的失調(diào)電壓大，一般為177。2mV，最大達到了177。7mV，對于此系統(tǒng)中小信號的放大不大適合。并且噪聲大，抗干擾性不強。方案二：采用 AD632 作為系統(tǒng)的放大芯片是最適合不過的了，AD623 是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3V 到 +12V)下提供滿電源幅度的輸出。它允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，以得到更好的靈活性。符合 8 引腳的工業(yè)標準配置。增益放大倍數(shù)可調(diào)，使用簡單。噪聲小，輸入阻抗大。從上述兩個方案對比我們采用 AD623 專用儀表放大器作為整個系統(tǒng)的放大器。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊方案一：ADC0809 是 8 位逐次逼近式 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片。單電源+5V 供電，轉(zhuǎn)換時間為 100μs(時鐘為 640kHz 時)，130μs（時鐘為 500kHz 時）低功耗，約 15mW，成本低廉。但是 8 位的分辨率太低，我們可以計算，信號采集時溫度每變化 1℃，電壓變化 10mV，放大 5 倍后電壓隨溫度的變化為 50mV/℃，也就是信號采集到的溫度每變化 ℃，電壓變化 5mV。而系統(tǒng)對溫度精度的要求是 ℃，而對于 ADC0809 而言每變化 信號電壓的變化必須大于 AD 的分辨率 5V/255 =，要使用一個電壓分辨率為 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器去分辨電壓變化為5mV 的模擬信號，很明顯 AD 是分辨不出來的。如果采用 ADC0809 那么系統(tǒng)的精度就變成了 ≈℃，遠遠小于系統(tǒng)要求的精度。那我們可以通過計算，我們需要選擇至少多少位的 AD 芯片如果選擇 10 位的 AD 芯片，那么他的分辨率就為 5V/（2 101）= 滿足要求，所以必須采用不小于 10 位的 AD。方案二：采用 AD7896 高速高精度高分辨率的 AD 轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置采樣、保持電路，逐次比較轉(zhuǎn)換片內(nèi)時鐘，最大轉(zhuǎn)換頻率 100 KHz，連續(xù)轉(zhuǎn)換時間8μS，高速，操作簡單、串口輸出，12 位串口輸出，單電源供電： + V 至 + V ，模擬電壓輸入范圍：0 V 至 VDD，輸出精度：?1LSB 即177。從上述兩個方案對比由于 ADC0809 無法滿足系統(tǒng)要求的精度，我們采用AD7896 為系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 單片機模塊方案一：采用傳統(tǒng)的 AT89S52 單片機作為主控芯片。此芯片價格便宜、操作簡便，低功耗，比較經(jīng)濟實惠。方案二：采用宏晶科技有限公司的 STC12C5A60S2 增強型 51 單片機作為主控芯片。此芯片內(nèi)置 ADC 和 SPI 總線接口，且內(nèi)部時鐘不分頻，可達到1MPS。而且價格適中。從性能和價格上綜合考慮我們選擇方案一，即用 AT89S52 作為本系統(tǒng)的主控芯片。 無線發(fā)射模塊方案一：采用 GSM 模塊進行通信， GSM 模塊需要借助移動衛(wèi)星或者手機卡，雖說能夠遠距離傳輸，但是其成本較大、且需要內(nèi)置 SIM 卡，通信過程中需要收費，后期成本較高。方案二：采用 TI 公司 CC2430 無線通信模塊，此模塊采用 Zigbee 總線模式，傳輸速率可達 250kbps，且內(nèi)部集成高性能 8051 內(nèi)核。但是此模塊價格較貴，且 Zigbee 協(xié)議相對較為復雜。方案三：采用 NRF24L01 無線射頻模塊進行通信，NRF24L01 是一款高速低功耗的無線通信模塊。如果加 PA 能傳輸上千米的距離，而且價格較便宜，采用 SPI 總線通信模式電路簡單，操作方便。考慮到系統(tǒng)的復雜性和程序的復雜度，我們采用方案三作為本系統(tǒng)的通信模塊。 顯示模塊方案一：選擇主控為 ST7920 的帶字庫的 LCD12864 來顯示信息。12864 是一款通用的液晶顯示屏，能夠顯示多數(shù)常用的漢字及 ASCII 碼，而且能夠繪制圖片，描點畫線，設(shè)計成比較理想的結(jié)果。方案二：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息，1602 是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價格便宜，容易控制。綜合以上方案，我們選擇了經(jīng)濟實惠的字符液晶 LCD1602 來作為接收端的顯示。 設(shè)計要求采用 AT89S52 作為系統(tǒng)的 MCU，采用 AD590 作為系統(tǒng)的溫度傳感器，要求系統(tǒng)有溫度顯示部分，要求完成硬件電路的設(shè)計、調(diào)試和電路板的制作，溫度測量范圍為 0℃至 100℃，溫度精度為 ℃，采用無線傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)。 本章小結(jié)本章主要是對文章編寫目的、背景、國內(nèi)外在測溫領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀以及系統(tǒng)設(shè)計要求，根據(jù)系統(tǒng)要求詳細介紹了系統(tǒng)方案的選擇。第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)溫度檢測在日常生活、工作和工程實踐中經(jīng)常用到，隨著生活水平和科學技術(shù)的不斷進步，對檢測溫度數(shù)據(jù)的精度要求也越來越苛刻，傳統(tǒng)的溫度測量裝置很難滿足現(xiàn)在的要求，本設(shè)計采用 AD590 作為溫度采集元件，精度高，線性度好，而且此系統(tǒng)采用 nRF24L01 模塊對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行無線傳輸，打破了傳統(tǒng)操作中距離受限的問題，使測溫操作更易實現(xiàn)。將整個系統(tǒng)劃分為信號采集與放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機模塊、無線發(fā)射模塊、液晶顯示模塊、電源模塊。其系統(tǒng)總體框圖如圖 所示。信號采集放大模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊單片機模塊無線發(fā)射模塊單片機模塊無線接收模塊顯示模塊顯示模塊 圖 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖在系統(tǒng)總體框圖中，信號采集與放大模塊主要作用是溫度傳感器 AD590 采集溫度信號輸出電流信號，再經(jīng)過一個電阻后采集信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要完成模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到單片機中進行處理。發(fā)送端單片機主要完成控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7896，并且將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成溫度值，并且為提高精度，減小系統(tǒng)誤差，做了一些數(shù)據(jù)處理，除此之外，單片機還負責控制LCD1602 顯示溫度，控制無線發(fā)射模塊將測量的溫度值發(fā)送出去。在接收端無線接收模塊接收到了發(fā)送端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)送給單片機模塊，單片機模塊接收到數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理后送給 LCD1602 進行顯示。 單片機模塊 AT89S52 簡介AT89S52[1]是 ATMEL 生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微型控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。該單片機使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。按功能劃分 AT89S52[2]由中