【正文】 通信方式有多種，如通過有線網(wǎng)絡、無線電等等。每一種方式都有其優(yōu)點和缺點。利用無線電通信，方便、靈活，而且經(jīng)濟。它不需要像有線網(wǎng)絡控制耗費巨大的通信資源，也不受網(wǎng)絡速度的影響。 在溫度控制的 方法 上， 傳統(tǒng) 的控制 方法 (包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制 )在處理具有非線形或不精確特性的 被控對象時十分困難。而溫度系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng)，較大的純滯后可引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。 在溫度采集方法上，通常是利用熱電偶把熱化為電信號，再通過 A/D 轉換得到溫度值。這種方法速度慢，而且精度不是很高。綜合上面的考慮，本次畢業(yè)設計設計了基于無線電通信的遠程溫度控制系統(tǒng)。 現(xiàn)代工業(yè)設計、工程建設及日常生活中常常需要用到溫度控制 ， 早期溫度控制主要應用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產(chǎn)品了。在現(xiàn)代社會中，溫度控制不僅應用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體 現(xiàn)到了各個方面，隨著人們生活質量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務于社會。 近年來，單片機發(fā)展十分迅速，一個以 微機應用為主的新技術革命浪潮正在蓬勃發(fā)展，單片機已經(jīng)滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、 國防，科研以及日常生活等各個領域。傳統(tǒng)的溫度采集的方法不僅費時，而且精度差滿足不了各行業(yè)對于溫度數(shù)據(jù)提高精度，設備高可靠性的需求。單片機的出現(xiàn)使得溫度數(shù)據(jù)的采集和處理得到了很好的解決。選擇適當?shù)膯纹瑱C和溫度傳感器以及前端處理電路，可以獲得較高的測量精度，不但方便快捷，成本低廉，省事省力，而且大 幅度提高了測量精度。 緒論 2 國內外研究現(xiàn)狀 在人類的生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要的角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自 18 世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對是否能掌 握溫度有著絕對的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等 行業(yè)，可以說幾乎所有的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。 目前國內外對于溫度監(jiān)控的研究和應用已非常普遍，但對于無線遠程溫度監(jiān)控這方面的研究和應用還有相當大的提升空間。無線溫度監(jiān)控 不僅 可以應用在 工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個方面，隨著人們生活質量的提高，酒 店廠房及家庭生活中都 將 會見到 它 的影子， 無線遠程溫度監(jiān)控將會有更廣闊的發(fā)展空間。 本設計主要研究內容 本設計是基于單片機的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過大量查閱資料和研究，最終確定采用 AT89S51 為主控芯片， DS18B20 作為溫度采集芯片， NRF24L01 作為無線接收和發(fā)射模塊，采用 LCD1602 液晶屏進行顯示。該系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成，發(fā)射系統(tǒng)進行溫度采集以及數(shù)據(jù)發(fā)射，接收系統(tǒng)作為主系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)接收處理并顯示出來。該系統(tǒng)具有溫度過限報警功能，設有 4 個獨立按鍵，分別進行溫度高低限定值的選擇、設定，清除 報警聲和報警燈。該系統(tǒng)具有操作方便，遠距離操控，功能多樣，電路簡潔，成本低廉等優(yōu)點，符合電子技術的發(fā)展趨勢，有很廣闊的市場前景。 經(jīng)過設計 和一系列的調試，測試結果 基本 達到了該設計預期制定的各項要求 ，順利地完成了本次畢業(yè)設計的 目標。 設計要求與方案論證 3 2 設計要求與方案論證 設計要求 （ 1）溫度監(jiān)測范圍：室溫 ～ 125℃ ； （ 2）接收系統(tǒng)顯示溫度實際值，收發(fā)距離： 60 米以內； （ 3）可以人工設定報警溫度上、下限定值； （ 4）超過溫度限定值時蜂鳴器報警和發(fā)光報警 。 系統(tǒng)基本方案選擇和論證 單片機芯 片選擇方案與論證 方案一：采用 FPGA（現(xiàn)場可編程們陣列）作為系統(tǒng)的控制器。 FPGA 可實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并可用 EDA 軟件仿真、在線調試，易于進行功能擴展，響應速度快。但成本高，同時由于引腳較多，電路板的布線比較復雜，加重了電路設計和實現(xiàn)焊接的工作。 方案二：采用 8 位單片機作為主要的控制芯片。 8 位單片機具有價格比較便宜，并且技術比較成熟，低功耗，易于購買等優(yōu)點，但是 8 位機程序執(zhí)行速度比較慢，內部資源比 16 位單片機少很多?？紤]到本系 統(tǒng)對程序運行速度的要求不高以及成本問題，最后選擇用 8 位單片機，由于 AT89S51 單片機比其他 8 位單片機價格便宜，并且其內部具有豐富的資源，故采用 AT89S51 單片機作為 本系統(tǒng) 主控制芯片。 溫度采集 模塊選擇方案與論證 方案一：使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個相應阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個電阻變化的分壓值，并進行A/D 轉換。 此設計方案需用 A/D 轉換電路，增加了線路的復雜程度，增加硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴格線性的，會產(chǎn)生較大的測量誤 差。因此此方案不可行。 方案二：采用 DS18B20。 DS18B20 的數(shù)字溫度輸出通過 1Wire 總線，又稱為“一線”總線，這種獨特的方式 可以使多個 DS18B20 方便地組建成傳感器網(wǎng)絡，為整個測量系統(tǒng)的建立和組合提供了更大的可能性。它在測溫精度、轉換時間、測數(shù)距離、設計要求與方案論證 4 分辨率等方面比其他溫度傳感器有了很大的進步，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。 DS18B20 直接輸出數(shù)字溫度值，不需要校正，因此選擇此方案。 無線收發(fā)模塊 的選擇方案與論證 方案一：采用 TX315AT01 和 TX315AR01 的無線收發(fā)模塊。 應用目前最先進的聲表面波器件和數(shù)據(jù)專用 ASK 超外差式單片接收電路開發(fā)生產(chǎn)了 TX315 系列模塊電路，其中含有 RF、 TF、 DATA 等高頻 、 中頻 、 數(shù)字處理電路。 TX315A 可應用于 無線遙控 、 數(shù)據(jù)傳送 、 自動抄表系統(tǒng) 、 無線鍵盤操作系統(tǒng) 、 警戒系統(tǒng)。 TX315A 由TX315AT01 發(fā)射組件和 TX315AR01 接收組件兩部分組成，因其頻率絕對一致，故在使用時可隨意增加發(fā)射和接收組件，以組成所需的功能系統(tǒng)。 此系統(tǒng)用此 模塊很好，但是這個模塊的價格太昂貴，所以放棄此方案。 方案二：采用一對 NRF24L01 作為 無線收發(fā)模塊。 NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ， 工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊 ， 并融合了增強型 Shock Burst 技術，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 6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9mA； 接收時，工作電流只有 ，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，而且價格相對其他無線模塊較低，易于購買，因此選擇此方案。 顯示模塊 的選擇方案與論證 方案一：采用數(shù)碼管顯示，成本低、亮度高。但本系統(tǒng)所要實現(xiàn)較多的內容，硬件電路設計會比較復雜，而且功耗大，所以不適合本設計。 方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合 ， 如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費 ， 且價格也相對較高 ,所以也不用此種作為顯示。 方案三：采用 LCD1602 液晶屏顯示，顯示內容較多，方便組合，可視面積大 ，畫面效果好，抗干擾能力強，調用方便簡單，而且可以節(jié)省軟件中斷資源。系統(tǒng)中需要顯示溫度和上限溫度等信息，要求顯示內容豐富。 比較上述三種方案，方案三電 路簡單、顯示信息量大、能很好的滿足題目要求，因此采用方案三 。 報警模塊的選擇方案與論證 方案一：采用 555 定時器構成蜂鳴器，常用于定時報警， 非常實用，其時間可控，設計要求與方案論證 5 但本設計報警時間是隨機的，取決于試驗現(xiàn)場的溫度，因此不可行。 方案二：采用 9102 三極管驅動蜂鳴器，當達到溫度上下限值，就會給三極管一個高電平驅動蜂鳴器，實現(xiàn)聲音報警，并且可以接個發(fā)光二級管，同時點亮二極管，實現(xiàn)發(fā)光 報警。此方案實行起來方便，電路也簡單，因此選用此 方案。 電路設計最終方案的確定 由以上討論的各種方案最終得出本次 設計的方案為：采用單片機芯片 AT89S51作為主控制芯片， DS18B20 數(shù)字溫度傳感， NRF24L01 作為無線收發(fā)模塊， LCD1602作為顯示模塊 ， 采用蜂鳴器和發(fā)光二極管進行聲光報警。 系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn) 6 3 系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn) 系統(tǒng)硬件電路主要分為：單片機 AT89S51 主、從 系統(tǒng)、接收電路、顯示電路、鍵盤電路、溫度采集電路、 發(fā)射電路。設計總框圖如圖 31 所示， 系統(tǒng)設計總原理圖見附錄 1。 圖 31 總設計框圖 系 統(tǒng)硬件概述 硬件電路是由單片機芯片 AT89S51 為控制核心，具有在線編程，豐富的中斷源、靈活性強、低功耗等功能，能在 3V低壓工作；溫度的采集由 DS18B20 來構成，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干擾能力強、易配處理器等優(yōu)點，特別適用于構成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉化成串行數(shù)字信號給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片；無線收發(fā)模塊用 NRF24L01，工作于 ～ ISM頻段， NRF24L01 功耗低 ， 在以 6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9mA。接收時，工作電流只有 ，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；顯示部份由 1602 LCD 來完成；報警電路采用三極管驅動蜂鳴器及發(fā)光二極管實現(xiàn)聲光報警。 主要單元電路的設計 單片機主控制模塊的設計 AT89S51單片機為 40引腳雙列直插芯片 , 如圖 32所示。 有四個 I/O口 P0,P1,P2,P3,每一條 I/O 線都能獨立地作輸出或輸入。 AT89S51 具有以下標準功能： 4k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /溫度采集 AT89S51 單片機（副） 無線發(fā)射 液晶顯示 AT89S51 單片機（主） 無線接收 聲光報警 獨立鍵盤 系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn) 7 計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S51 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 VCC403938373635343332EA/VPP31ALE30PSEN292827262524232221VSS20XLAT219XLAT118RES9RXD/1043215678TXD/11INT0/12INT1/13T0/14T1/15WR/16RD/17AT89S51 圖 32 AT89S51管腳圖 單片機主控制電路即包括了單片機的時鐘電路和復位電路。本設計采用的是內部時鐘電路。單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器， 18 引腳 XTAL1是放大器的輸入端， 19 引腳 XTAL2 是放大器的輸出端，這兩個引腳之間跨接的晶振和微調電容作為反饋元件一起構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 9 引腳是單片機的復位輸入端，接上電容，電阻及電阻和按鈕組成手動復位電路。如圖 33 所示。 VCC403938373635343332EA/VPP31ALE30PSEN292827262524232221VSS20XLAT219XLAT118RES9RXD/1043215678TXD/11INT0/12INT1/13T0/14T1/15WR/16RD/17AT89S5112Y1XTAL30pFC1130pFC12GNDGND22UFC91KR5S110KR6VCCGNDKEY1KEY2KEY3KEY4VCC 圖 33 單片機復位和時鐘電路 系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn) 8 溫度采集電路 模塊的設計 溫度采集電路如圖 34 所示。采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，它是 DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干擾能力強、易配處理器等優(yōu)點，特別適用于構成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉化成串行數(shù)字 信號（提供 9 位二進制數(shù)字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片。它具有 3 引腳 TO－