【正文】 ................................................. 21 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設計 IV 第 6 章 系統(tǒng)測試 ........................................................................................................ 24 測試方案 .......................................................................................................... 24 讀取數(shù)據(jù)并對比 .............................................................................................. 24 系統(tǒng)運行結果 ................................................................................................... 24 結 論 ............................................................................................................................ 26 參 考 文 獻 .................................................................................................................. 27 致 謝 ........................................................................................................................ 28 附錄 1............................................................................................................................. 29 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設計 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設計 第 1 章 緒 論 在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設備是否運行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個環(huán)境相對好的操控室內，這樣就會產生數(shù)據(jù)傳輸問題。由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯誤換線困難。而且，當數(shù)據(jù)采集點處于運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設電纜時，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時便需 要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)采集。 在農業(yè)生產上，不論是溫室大棚的溫度監(jiān)測，還是糧倉的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉占地面積大，檢測目標分散，測點較多，傳統(tǒng)的方法已經不能滿足當前農業(yè)發(fā)展的需要。當前的科技水平下，無線通信技術的發(fā)展使得溫度采集測量精確，簡便易行。 在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室內溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術采集室內溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內溫度情況進行遙控通風等操作，自動調節(jié)室內溫度 濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。 在現(xiàn)實生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經被成功應用于工農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機器人控制等許多重要領域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網絡已經被廣泛的應用到民用和軍事領域。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此，需要設計相應的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通信，這樣的研究也變得更加有意義了。 論文研究主要內容 本次設計主要采用 STC89C52 單片機，之所以采用單片機系統(tǒng)，主要是由于單片系統(tǒng)具備如下特點 （ 1） 高集成度，體積小，高可靠性 單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，內部布線很短，其抗 工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的 CPU。單片機程序指令，常數(shù)及表格等固化在 ROM 中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。 （ 2）控制功能強 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設計 2 為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件 :分支轉移能力， I/O 口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 （ 3）低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品 為了滿足廣泛 使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機內的工作電壓僅為 ～ ，而工作電流僅為數(shù)百微安。 （ 4）易擴展 片內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入 /輸出管腳，很容易構成各種規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)。 （ 5）優(yōu)異的性能價格比 單片機的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機已開始使用 RISC 流水線和 DSP 等技術。單片機的尋址能力也已突破 64KB的限制，有的已可達到 1MB和 16MB，片內的 ROM 容量可達 62MB， RAM 容量則可達 2MB。由于單片機的廣泛使用，因 而銷量極大，各大公司的商業(yè)競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比極高。 本系統(tǒng)的無線部分設計采用了 Nordic 公司新推出的工作于 頻段NRF24L01 射頻芯片，由 STC89C52 單片機控制實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。該接口設計具有成本低、傳輸速率高、軟件設計簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點。整個系統(tǒng)有發(fā)送和接收二部分，通過 NRF24L01 無線數(shù)據(jù)通信收發(fā)模塊來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送部分以單片機 STC89C52 為核心，使用溫度轉換芯片 DS18B20 實時采集溫度并通過 NRF24N01 將采集的溫度無線傳送給接收部分 ，然后在數(shù)碼管上顯示，通過蜂鳴器實現(xiàn)對溫度過高或過低進行報警。 NRF24L01 是一款工業(yè)級內置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。該器件工作于 GHz 全球開放 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，并融合增強型 Shock Burst 技術，其輸出功率和通信頻道可通過程序配置。擁有 Shock Burst 和 Enhanced Shock Burst 兩種數(shù)據(jù)傳輸模式?？芍苯优c單片機 I／ O 連接，外接元件數(shù)目少。 NRF24L01 功耗低，以 6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流僅 9 mA；接 收時，工作電流僅 123 mA，多種低功率工作模式 (掉電和空閑模式 )更利于節(jié)能設計。 本系統(tǒng)測溫模塊采用的是 DS18B20 溫度傳感器， DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有 LTM8877， LTM8874 等等。主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各 種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設計 3 DS18B20 獨特的一線接口，只需要一條口線通信 多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用 無需外部元件 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 V 至 V 無需備用電源 測量溫度范圍為 55 攝氏度 至 +125 攝氏度 。華氏相當于是 67 華氏度 到 257華氏度 10 攝氏度 至 +85 攝氏度 范圍內精度為177。 攝氏度。 溫度傳感器可編程的分辨率為 9~12 位，溫度轉換為 12 位數(shù)字格式最大值為750 毫秒，用戶可定義的非易失性溫度報警設置，應用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費電子產品溫度計、或 任何熱敏感系統(tǒng) 。 描述該 DS18B20 的數(shù)字溫度計提供 9 至 12 位（可編程設備溫度讀數(shù) )。由于DS18B20 是一條口線通信，所以中央微處理器與 DS18B20 只有一個一條口線連接。為讀寫以及溫度轉換可以從數(shù)據(jù)線本身獲得能量，不需要外接電源。 因為每一個 DS18B20 的包含一個獨特的序號，多個 DS18B20 可以同時存在于一條總線。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調環(huán)境控制，感測建筑物內溫設備或機器，并進行過程監(jiān)測和控制。 國內外現(xiàn)狀 溫度采集控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然已經十 分廣泛，但從國內生產的溫度監(jiān)控來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有著較大的差距。成熟的溫控產品主要以“點位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，它們只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，而用于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。隨著我國經濟的發(fā)展及加入 WTO，我國政府及企業(yè)對此都非常重視，對相關企業(yè)資源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我國儀表工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。 隨著新技術的不斷開發(fā)與應用，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興起，單片機的應用已經滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式已不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點是溫度波動范圍大， 由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如： PID 控制，模糊控制，神經網絡及遺傳算法控制等。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設計 4 且使產品的質量更好，降低了產品的成本，提高了生產效率。本系統(tǒng)要求有數(shù)據(jù)處理，顯示功能等 ,被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)和一階積分環(huán)節(jié)的組合，慣性時間常數(shù)為 2s，開環(huán)增益 k=10，溫度控制范圍為 50～ 150℃。 本設計使用單片機作為核心進行控制。單片機 具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。本系統(tǒng)使用 STC89C52 單片機，使溫度采集大為簡便。 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設計 5 第 2 章 關鍵技術介紹 單片機最小系統(tǒng)介紹 單片機最小系統(tǒng)即是單片機運行的最基本電路，最小系統(tǒng)中的組成缺一不可。最小系統(tǒng)主要是由三部分組成，其中包括單片機、復位電路、時鐘電路等幾部分組成。這幾部分是單片機系統(tǒng)必不可少的，既然被稱為單片機最小系統(tǒng)，他的每一部分都是單片機系統(tǒng)必不可少的部分，單片機是一切控制的核心 ，他負責單片機軟件的運行，協(xié)調各個硬件電路之間的協(xié)調運行。軟件代碼需要燒寫在單片機內，供電后，單片機運行程序即可開始運行，隨著事先的設定實現(xiàn)相應的功能。 單片機又稱單片微控制器，是在一塊芯片中集成了 CPU 中央處理器、 RAM數(shù)據(jù)存儲器、 ROM 程序存儲器、定時器 /計數(shù)器和多種功能的 I/O 輸入 /輸出接口等一臺計算機所需要的基本功能部件，從而可以完成復雜的運算、邏輯控制、通信等功能。單片機的最小系統(tǒng)就是讓單片機能正常工作并發(fā)揮其功能時所必須的組成部分也可理解為是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。 無線 收發(fā)模塊 無線數(shù)據(jù)傳輸 廣泛地應用于社會的各個行業(yè)，主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、無線網絡和信號采集系統(tǒng)。因為其穩(wěn)定的性能和性價比很高深受大眾喜愛。 開源軟件無線電 技術對無線電的行業(yè)影響頗深，無線收發(fā)模塊也不例外。它提供信號運行和處理模塊，用它 可以在易制作的低成本射頻（ RF）硬件和