【正文】 .........................................................................................................30第四章 系統(tǒng)的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果 ............................................................................................................33 本章小結(jié) ............................................................................................................35第五章 總 結(jié) ........................................................................................36參考文獻(xiàn) ..................................................................................................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(duì)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中溫度的測(cè)量需求也越來越多，也顯得越來越重要。尤其是對(duì)溫度要求比較嚴(yán)格，但是布線又不方便的情況下，這時(shí)就采用無線溫度測(cè)量。進(jìn)入 21 世紀(jì)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(dòng)控制技術(shù)進(jìn)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(duì)溫濕度的測(cè)控手段仍很粗糙，十分落后，很多仍在使用測(cè)溫貼片，采用人工觀測(cè)，人工調(diào)節(jié)閥門、風(fēng)機(jī)的方法，其控制效果可想而知。在醫(yī)學(xué)制藥行業(yè)中，由于微生物對(duì)溫度的要求很高，就需要高精度的溫度監(jiān)測(cè)，如果采用無線溫度測(cè)量的話可以完全保證測(cè)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(shí)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(xué)技術(shù)來應(yīng)付進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，并打進(jìn)國外市場(chǎng)。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(cè)控技術(shù)提供了廣闊的市場(chǎng)?？紤]到以上方面本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于 AT89S52 的無線溫度測(cè)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(xué)研究有著密切關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,溫度測(cè)量技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。在溫度測(cè)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(jì)分辨能力可達(dá) ℃，理論上可達(dá) ℃，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(dá) ℃，美國標(biāo)準(zhǔn)局研制的電阻溫度計(jì) 25歐標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)電橋分辨 ℃，我國生產(chǎn)的石英溫度傳感器分辨率達(dá)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(cè)溫片，其靜態(tài)測(cè)溫精度為 %，快速響應(yīng)時(shí)間小于。溫度的測(cè)量方式也多種多樣，傳統(tǒng)的熱電偶以測(cè)量方便，電路簡(jiǎn)單，使用方便等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)在的測(cè)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(cè)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(hù)套管材料；輻射測(cè)溫技術(shù)；光纖測(cè)溫技術(shù)。雖然溫度測(cè)量方法多種多樣,但在很多情況下，對(duì)于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)或一些特殊條件下的溫度測(cè)量，比如對(duì)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(biāo)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(cè)量來講,要想得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)果并非易事，需要非常熟悉各種測(cè)量方法的原理及特點(diǎn),結(jié)合被測(cè)對(duì)象要求選擇合適的測(cè)量方法才能完成。同時(shí)，還要不斷探索新的溫度測(cè)量方法，改進(jìn)原有測(cè)量技術(shù)，以滿足各種條件下的溫度測(cè)量需求。 方案的選擇根據(jù)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)方法以及硬件連接方式，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為信號(hào)采集與放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、無線發(fā)射模塊、液晶顯示模塊、電源模塊。 信號(hào)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(jià)格便宜，硬件簡(jiǎn)單，傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，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(gè)傳感器，易于擴(kuò)展。但是 DS18B20 的溫度精度為 176。C，對(duì)于溫度要求很嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域不大適合，本系統(tǒng)的測(cè)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(shí)現(xiàn)了溫度的電量測(cè)量，而且靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間短，因此可作為恒溫控制電路的信號(hào)檢測(cè)器。與目前大量使用的接點(diǎn)式水銀溫度計(jì)相比，它具有控溫精度(溫控在某點(diǎn)時(shí)的溫度最大波動(dòng)范圍)高、體積小、無污染、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。從上述兩個(gè)方案的對(duì)比看出 DS18B20 無法滿足系統(tǒng)指標(biāo)，我們采用 AD590作為溫度傳感器。 運(yùn)算放大器的選擇方案一：采用運(yùn)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(gè)運(yùn)放，輸出動(dòng)態(tài)范圍大，軌到軌輸出。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)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(dá)到了177。7mV，對(duì)于此系統(tǒng)中小信號(hào)的放大不大適合。并且噪聲大，抗干擾性不強(qiáng)。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(gè)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(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，以得到更好的靈活性。符合 8 引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置。增益放大倍數(shù)可調(diào)，使用簡(jiǎn)單。噪聲小，輸入阻抗大。從上述兩個(gè)方案對(duì)比我們采用 AD623 專用儀表放大器作為整個(gè)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(gè) 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(hào)，只選通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)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(shí)間為 100μs(時(shí)鐘為 640kHz 時(shí))，130μs（時(shí)鐘為 500kHz 時(shí)）低功耗，約 15mW，成本低廉。但是 8 位的分辨率太低，我們可以計(jì)算，信號(hào)采集時(shí)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(hào)采集到的溫度每變化 ℃，電壓變化 5mV。而系統(tǒng)對(duì)溫度精度的要求是 ℃，而對(duì)于 ADC0809 而言每變化 信號(hào)電壓的變化必須大于 AD 的分辨率 5V/255 =，要使用一個(gè)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(hào)，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(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)要求的精度。那我們可以通過計(jì)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(shí)鐘，最大轉(zhuǎn)換頻率 100 KHz，連續(xù)轉(zhuǎn)換時(shí)間8μS，高速，操作簡(jiǎn)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(gè)方案對(duì)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(jī)模塊方案一：采用傳統(tǒng)的 AT89S52 單片機(jī)作為主控芯片。此芯片價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便，低功耗，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。方案二：采用宏晶科技有限公司的 STC12C5A60S2 增強(qiáng)型 51 單片機(jī)作為主控芯片。此芯片內(nèi)置 ADC 和 SPI 總線接口，且內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，可達(dá)到1MPS。而且價(jià)格適中。從性能和價(jià)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(jìn)行通信， GSM 模塊需要借助移動(dòng)衛(wèi)星或者手機(jī)卡，雖說能夠遠(yuǎn)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(fèi)，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(dá) 250kbps，且內(nèi)部集成高性能 8051 內(nèi)核。但是此模塊價(jià)格較貴，且 Zigbee 協(xié)議相對(duì)較為復(fù)雜。方案三：采用 NRF24L01 無線射頻模塊進(jìn)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(jià)格較便宜，采用 SPI 總線通信模式電路簡(jiǎn)單，操作方便?？紤]到系統(tǒng)的復(fù)雜性和程序的復(fù)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(diǎn)畫線，設(shè)計(jì)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(jià)格便宜，容易控制。綜合以上方案，我們選擇了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的字符液晶 LCD1602 來作為接收端的顯示。 設(shè)計(jì)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(jì)、調(diào)試和電路板的制作，溫度測(cè)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(duì)文章編寫目的、背景、國內(nèi)外在測(cè)溫領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)系統(tǒng)要求詳細(xì)介紹了系統(tǒng)方案的選擇。第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)在日常生活、工作和工程實(shí)踐中經(jīng)常用到，隨著生活水平和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)的精度要求也越來越苛刻，傳統(tǒng)的溫度測(cè)量裝置很難滿足現(xiàn)在的要求，本設(shè)計(jì)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(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，打破了傳統(tǒng)操作中距離受限的問題，使測(cè)溫操作更易實(shí)現(xiàn)。將整個(gè)系統(tǒng)劃分為信號(hào)采集與放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)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(hào)采集放大模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊單片機(jī)模塊無線發(fā)射模塊單片機(jī)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(hào)采集與放大模塊主要作用是溫度傳感器 AD590 采集溫度信號(hào)輸出電流信號(hào)，再經(jīng)過一個(gè)電阻后采集信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要完成模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中進(jìn)行處理。發(fā)送端單片機(jī)主要完成控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7896，并且將數(shù)字信號(hào)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(jī)還負(fù)責(zé)控制LCD1602 顯示溫度，控制無線發(fā)射模塊將測(cè)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(jī)模塊，單片機(jī)模塊接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后送給 LCD1602 進(jìn)行顯示。 單片機(jī)模塊 AT89S52 簡(jiǎn)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(chǔ)器。該單片機(jī)使用高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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