【正文】 .............................................................. 33 致 謝 ............................................................................................................................. 46 第 1 頁 引 言 隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展，無線傳輸技術(shù)應(yīng)用越來越被各行各業(yè)所接受 ，無線傳輸傳感器的檢測數(shù)據(jù)也不例外。而 實(shí)際溫度控制過程中既要求系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實(shí)時性，又需要使系統(tǒng)功耗低 、 保證溫度的均勻性 和數(shù)據(jù)可實(shí)時共享 ，因此可 設(shè)計一種低功耗的多點(diǎn) 可方便上傳至上位機(jī)的 無線溫度檢測系統(tǒng)。 無線溫度測量系統(tǒng)可以由無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、計算機(jī)采集處理軟件組成， 集溫度信號采集、大容量存儲、無線射頻發(fā)送、 LED 動態(tài)顯示、控制與通信等功能于一體的新型系統(tǒng) 。無線數(shù)字信號 傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和抗干擾能力。無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用無線網(wǎng)狀網(wǎng)設(shè)備，可以組成龐大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持多達(dá)上千個測點(diǎn)同時進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。 無線溫度測量設(shè)備被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動物體、不方便假設(shè)線路場所以及危險，有毒，有害等場所的溫度測量。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的發(fā)射 /接收和溫度采集設(shè)備，便于安裝，工作穩(wěn)定性高， 可以遠(yuǎn)距離測量溫度，易于集成化、智能化，在工農(nóng)業(yè)測控系統(tǒng) 中有著廣泛的應(yīng)用 前景。在生產(chǎn)過程中，可以實(shí)現(xiàn)對人類難以或無法到達(dá)的工作現(xiàn)場的監(jiān)測，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供了信息和手段。測溫節(jié)點(diǎn)工作在各個測溫地點(diǎn)，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送。基站與多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，并通過 LED顯示將數(shù)據(jù)顯示出來，同時可以通過 無線傳輸技術(shù) 將數(shù)據(jù)發(fā)送給 PC。 在本系統(tǒng)中，數(shù)字化無線溫度傳感器將體現(xiàn)數(shù)字化、信息化和智能化的特點(diǎn)，包括溫度測量部分、溫度數(shù)據(jù)處理部分和溫度值顯示三部分構(gòu)成。溫度測量用到了一線式數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，該器件體積小 ，集成度高，自帶 A/D 轉(zhuǎn)換功能，更重要的是功耗低。處理器選用最常用的 MCS51 單片機(jī)。溫度數(shù)據(jù)的傳輸將會采用低功耗發(fā)射與接收模塊 nRF24L01，它在測量點(diǎn)接收單片機(jī) 的傳感器數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)以無線方式傳輸出去，接收部分通過接收模塊（同樣是 nRF24L01）接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)字濾波，然后再將接收到的數(shù)據(jù)以異步串行通信方式上傳給上位機(jī)。 第 2 頁 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本設(shè)計采用 AT89C52 作為主控 CPU，外加 DS18B20 溫度采集模塊、 nRF24L0l無線收發(fā)模塊和數(shù)碼顯示模塊組成整個系統(tǒng)，如下圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)框架圖 本系統(tǒng)上位機(jī)與無線收發(fā)模塊通過 RS232 連接，主要完成單片機(jī)與 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)即 MCS51 與無線收發(fā)模塊采用串行通信， LED 為一個四合一共陰數(shù)碼管，溫度傳感器采用 DS18B20。主要完成溫度采集，同步顯示，同步上傳至上位機(jī)。無線收發(fā)模塊完成上位機(jī)和下位機(jī)數(shù)據(jù)的交換，分別由兩塊獨(dú)立的單片機(jī)控制其收發(fā)。 系統(tǒng)控制核心 —— AT89C52 AT89C52是一個低電壓，是一款高性能的有 8位的片內(nèi)的 8k bytes 可反復(fù)擦寫的只讀與 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù) 存儲器，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51，片內(nèi)置有通用的 8位和 Flash，因此這種 AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。正是基于此，本設(shè)計才采用 AT89C52作為核心控制器件。下面簡單介紹該芯片。 單片機(jī)的引腳介紹 第 3 頁 ① AT89C52 的引腳圖如圖 2 所示 。 圖 2 AT89C52 的管腳排列 ②管腳說明 。 電源接口： VCC供電電壓； GND接地。 I/O 接口： P0 口， P0 口為一個 8 位雙向 I/O 口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須接上拉電阻，常用的上拉電阻為 1K。 P1 口， P1 口 是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P2 口， P2 口為一個內(nèi)部存在上拉電阻的8 位雙向 I/O 口，且常常結(jié)合 P0 口控制外圍數(shù)字化設(shè)備。 P3 口， P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 11 所示。 第 4 頁 表 11 P3 口引腳功能表 口管腳 備選功能 RXD（串行數(shù)據(jù)輸入口） TXD（串行數(shù)據(jù)輸出口） /INT0（外部中斷口 0） /INT1（外部中斷口 1） T0（計時器 0 外部輸入端） T1（計時器 1 外部輸入端） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通端） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通端） 獨(dú)立功能接口： RST，復(fù)位輸入。當(dāng)需要復(fù)位時，要控制并保持 RST 腳上兩個機(jī)器周期的高電平。 ALE/PROG，當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖控制單片機(jī) I/O口輸出的低位字節(jié)信號，微處理器 AT89C52 可以控制讓外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止。 /PSEN，外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。在訪問外部數(shù)據(jù) 存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不會出現(xiàn)。 /EA/VPP，在 AT89C52 訪問外部程序存儲器期間，不管是否有內(nèi)部程序存儲器， /EA 都要保持低電平。 XTAL1，反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2，來自反向振蕩器的輸出。 單片機(jī)內(nèi)部資源介紹 單片機(jī)內(nèi)部有定時器。常說的計數(shù)器其實(shí)和這里的定時器是同一個物理的電子元件，只不過區(qū)別在于計數(shù)器記錄的是單片機(jī)外部發(fā)生的事情 (接受的是外部脈沖 ),而定時器則是由單片機(jī)自身提供的一個非常穩(wěn)定的計數(shù)器，這個穩(wěn)定的計數(shù)器就是單片機(jī)上連接的晶振 部件， MCS51 單片機(jī)的晶振經(jīng)過分頻之后能提供給單片機(jī)相應(yīng)的穩(wěn)定脈沖，而且晶振的頻率非常準(zhǔn)確，這樣就能保證單片機(jī)的計數(shù)脈沖之間的時間間隔同樣也非常準(zhǔn)確。 MCS51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖 3 示 。 第 5 頁 圖 3 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 作為定時器使用時，定時器計數(shù)常將 89C52 單片機(jī)片內(nèi)振蕩器輸出的脈沖經(jīng)過 12 分頻后的脈沖個數(shù)，即每個機(jī)器周期使定時器 T0/T1 的寄存器值自動累加 1，直到溢出，溢出后繼續(xù)從 0 開始計數(shù)，循環(huán)，所以定時器的分辨率是時鐘振蕩頻率的 1/12。 作為計數(shù)器使用時，單片機(jī)通過對引腳 T0()或 T1()外部脈沖信號的計數(shù)，在輸入的外部脈沖信號發(fā)生從 1 到 0 的跳變時，計數(shù)器的值就自動加 1，這樣計數(shù)器的最高頻率一般可以是時鐘振蕩頻率的 1/24。 89C52 單片機(jī)設(shè)計了兩個 8 位的特殊功能寄存器來控制定時器 /計數(shù)器的工作狀態(tài)，即 TMOD 和 TCON，它倆都在特殊功能寄存器區(qū)。 系統(tǒng)工作原理簡介 溫度傳感器 DS18B20 主要完成溫度的測量， DS18B20 根據(jù)環(huán)境溫度情況，依據(jù)其內(nèi)部的工作原理，將周圍的溫度模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量通過 1wire 總線輸出給單片機(jī)微控制器。微控制器主要控制各個外圍模塊，并與其 通信。本文主要利用MCS51 單片機(jī)、 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、 nRF24L01 單片無線收發(fā)器和四合一 第 6 頁 數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)無線溫度測量系統(tǒng)，解決上述問題。其溫度檢測原理為單片機(jī)利用溫度傳感器檢測溫度，在數(shù)碼管上進(jìn)行溫度顯示并實(shí)時上傳至上位 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)處理軟件。因此該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對溫度實(shí)時并多點(diǎn)溫度檢測，是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的無線溫度檢測系統(tǒng)。 在單片機(jī)控制的系統(tǒng)中還存在更多的電路，對系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用。下面就系統(tǒng)中的基于單片機(jī)的外圍電路功能做如下講述。 （ 1）、 復(fù)位電路 。 就是利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài) ， 它的作用如下。 復(fù)位電路是保 證本 系統(tǒng)中 硬件 電路穩(wěn)定可靠工作必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位 。單片機(jī)系統(tǒng)電路的硬件要求有復(fù)位電路，是因?yàn)?微機(jī)電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當(dāng) VCC超過 低于 以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復(fù)位信號才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。 （ 2）、電源電路。本系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的溫度采集系統(tǒng)，單片機(jī)的電源要求是 +5V 標(biāo)準(zhǔn)直流電源供電。另外， nRF24L01 是單獨(dú)采用 直流電源供電，這里的電源需要通過電源轉(zhuǎn)換，即 5V 轉(zhuǎn) ，本系統(tǒng)采用 AMS1117 穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。 AMS1117 貼片式穩(wěn)壓芯片如圖 4。 圖 4 ASM1117 穩(wěn)壓芯片 第 7 頁 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 是美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，從 DS18B20讀出或?qū)懭诵畔H需要一根口線，這是它的最大特點(diǎn)和優(yōu)勢。 DS18B20 具有獨(dú)特的單線接口方式，測量溫度范圍為 55176。 C~+125176。 C，在 10~+85176。 C 范圍內(nèi)精度為177。 176。 C。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，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，電源上支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。 DS18B20 雖然只與微處理器鏈接一條口線，但仍然可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通訊。 目前大多數(shù)傳感器系統(tǒng)都采用放大 傳輸 數(shù)模轉(zhuǎn)換這種處理模式。這種模式一般要占用數(shù)條數(shù)據(jù) /控制線，限制了單片機(jī)功能的擴(kuò)展。而一線總線技術(shù)則很好地解決了這個問題 。這里需要注意， 掛在單總線上的器件稱為單總線器件，為了區(qū)分總線上的不同器件 ， 生產(chǎn)單總線器件時 ， 廠家都刻錄了一個 64 位的二進(jìn)制 ROM代碼作為芯片的唯一序列號 ，但是由于本系統(tǒng)不考慮多點(diǎn)采集，所以本 設(shè)計中的DS18B20 不涉及編程系列號問題 。 DS18B20 的引腳如圖 5 所示。 圖 5 DS18B20 電路圖 無線傳輸 該系統(tǒng)的無線傳輸模塊采用的是挪威 VLSI 公司推出的單片射頻收發(fā)一體器件 nRF24L01 芯片，而本文采購的是基于 nRF24L01 開發(fā)的由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率、晶體振蕩器和調(diào)制器組成的無線收發(fā)模塊，也因此有了相應(yīng)的固定的豐富的軟件資料，硬件上也不需外加，該模塊會自動處理字頭和 CRC(循環(huán)冗余 第 8 頁 碼校驗(yàn) )。 該模塊使用 SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其突出特點(diǎn) 是功耗非常低，輸出發(fā)射模式時電流只有 11mA，接收模式時的電流也只為 ，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，便于節(jié)能。通過 nRF24L01 模塊接收發(fā)送端發(fā)出的溫度信息，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成后產(chǎn)生接收完成中斷信號，單片機(jī)確認(rèn)有中斷信息后讀取 nRF24L01 接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)包協(xié)議將接收到的信息通過數(shù)碼管動態(tài)掃描方式顯示當(dāng)前溫度。 Nrf24l01 無線收發(fā)模塊如圖 6。 圖 6 無線收發(fā)模塊電路圖 無線收發(fā)模塊的各引腳直接和單片機(jī)相連，在單片機(jī)的控制下，通過 SPI 接口完成溫度數(shù)據(jù)的讀入讀出，發(fā)送模塊和接收模 塊的 nRF24L01 完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。在無線模塊接收到數(shù)據(jù)時，將 CD、 AM 信號置高電平 ,在數(shù)據(jù)接收完后，將DR 端置為高電平，再將接收到的數(shù)據(jù)通過 SPI 接口 MISO 和 MOSI 口傳輸?shù)絾纹?