【正文】 廣東藥學(xué)院 課程設(shè)計論文報告 設(shè)計項目： 無線網(wǎng)絡(luò)控制的溫度監(jiān)測器 班級 : 組員： 指導(dǎo)老師 : 2020/1/8 目錄 一 、設(shè)計要求 二 、設(shè)計原理及方案 三 、系統(tǒng)硬件設(shè)計 設(shè)計主要器件 、 AT89C52 單片機(jī) 、溫度傳感器 DS18B20 、 NRF24L01無線收發(fā)器 硬件電路設(shè)計 、發(fā)射端 、溫度采集模塊 、 控制單元 STC89C52單片機(jī) 、 無線收發(fā)模塊 NRF24L01 、電源模塊 、 時鐘振蕩電路設(shè)計 、 復(fù)位電路設(shè)計 、接收端 、蜂鳴器報警模塊 、鍵盤電路模塊 、液晶顯示模塊 四、 系統(tǒng)軟件設(shè)計 程序流程圖 、 數(shù)據(jù)采集 流程圖 、 無線發(fā)送流程圖 、 無線接收流程圖 源程序代碼 、發(fā)射板 、 、 、 、 、 、 、接收板 、 、 、 、 、 、 五 、總結(jié)與心得 正文 基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 摘要 ：無線溫度 監(jiān)控器 是一種用于倉庫和蔬菜大棚等具有溫度檢測、無線傳輸、溫度顯示和超限報警功能的儀器。系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端兩部分組成。發(fā)送端將溫度傳感器檢測到的溫度值經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過無線收發(fā)模塊無線發(fā)送，接收端將接收到的數(shù)據(jù)信息顯示在液晶屏上，并附加溫度限設(shè)置和超限報警功能。本設(shè)計利用軟件 Keil 進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計，利用單片機(jī)學(xué)習(xí)板進(jìn)行硬件仿真，待仿真成功后進(jìn)行了實物制作和調(diào)試，最終成功設(shè)計出 了無線溫度檢測器。文中詳細(xì)介紹了溫度采集模塊、無線傳輸模塊、顯示模塊、溫度限設(shè)置模塊和報警電路的設(shè)計方法和過程。當(dāng)采樣點的溫度值超出規(guī)定值時，系統(tǒng)通過報警電路提醒監(jiān)測人員。同時，檢測人員可以通過鍵盤對具體報警點的溫度值進(jìn)行設(shè)置。另外，該系統(tǒng)溫度檢測具有較高的精度，無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，而且傳輸距離較遠(yuǎn)。 關(guān)鍵詞 ：溫度檢測；單片機(jī)；無線傳輸 一 、【設(shè)計要求】 設(shè)計并制作一款基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)測器。 分主機(jī)和從機(jī)，從機(jī)采集溫度數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。主機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)接收從機(jī)數(shù)據(jù)，通過液晶屏顯示溫度，當(dāng)溫度到達(dá)規(guī)定 值時，主機(jī)通過蜂鳴器報警。 二 、【設(shè)計原理及方案】 采用單片集成電路 AT89C52 結(jié)合數(shù)字型溫度傳感器 DS18B20 設(shè)計實現(xiàn)。無線數(shù)據(jù)傳輸部分通過無線收發(fā)模塊 NRF24L01 傳輸。其中 AT89C52 及其外圍電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及輸出的控制，溫度傳感器 DS18B20 采集溫度參數(shù)并通過無線傳輸模塊發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)通過 LCD1602 液晶顯示溫度值。 三 、【系統(tǒng)硬件設(shè)計】 系統(tǒng)主要由主從機(jī)兩部分組成，從機(jī)主要完成溫度的采集及無線發(fā)送；主機(jī)完成無線信號的接收、顯示及報警功能。溫度采集部分采用數(shù)字化溫 度傳感器DS18B20，單片機(jī)實現(xiàn)溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過 NRF24L01無線收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；數(shù)據(jù)顯示及報警模塊由無線收發(fā)器將接收到的信號傳送給控制器，通過液晶顯示模塊將溫度值顯示出來，并能通過蜂鳴器和 LCD進(jìn)行報警。 設(shè)計主要器件 AT89C52 單片機(jī)，溫度傳感器 DS18B20， NRF24L01 無線收發(fā)器， LCD1602 液晶顯示器。 、 AT89C52 單片機(jī) 目前使用最為廣泛的是 51系列單片機(jī)，其中 STC89C52系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干 擾 /高速 /低功耗的單片機(jī)，是一款增強(qiáng)型 51單片機(jī)，完全兼容 8051單片機(jī)，增加了新的功能，新增兩級中斷優(yōu)先級，多一個外中斷，內(nèi)置 EEPROM，看門狗，具有掉電模式， 512B內(nèi)存，支持 ISP在線編程，不用編程器，程序可擦寫 10萬次，管腳完全兼容，性能更好，驅(qū)動能力更強(qiáng)，超強(qiáng)抗干擾能力，價格也比傳統(tǒng)的 89系列低。考慮到快速開發(fā)以及本系統(tǒng)的應(yīng)用要求，最后采用了最常用的 STC89C52單片機(jī)。 STC89C52單片機(jī)主要性能： （ 1）高速 :1個時鐘 /機(jī)器周期，增強(qiáng)型 8051內(nèi)核，速度比普通 8051快 8到 12倍。 （ 2）寬電壓 :— ， — 。 （ 3）低功耗設(shè)計 :空閑模式 (可由任意一個中斷喚醒 )和掉電模式 (可由任意一個外部中斷喚醒，可支持下降沿 /低電遠(yuǎn)程喚醒 )。 （ 4）工作頻率 :0— 35MHz，普通 8051:0— 420MHz。 （ 5）時鐘 :外部晶體或內(nèi)部 RC振蕩器可選，在 ISP下載編程用戶程序時設(shè)置。 （ 6）芯片內(nèi) EEPROM功能，擦寫次數(shù) 10萬以上。 （ 7） ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程 /在應(yīng)用可編程，無需編程器 /仿真器。 （ 8） 2個 16位定時器，兼容普通 8051的定時器 T0/T1。 （ 9）硬件看門狗 (WDT)。 （ 10）全雙工異步串行口 (UART)，兼容普通 8051，可當(dāng) 2個串口使用。 （ 11）先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通 8051指令集，有硬件乘法 /除法指令。 、溫度傳感器 DS18B20 DSl8B20是美國 Dallas半導(dǎo)體公司繼 DSl820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9～ 12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在 和 750ms內(nèi)完成 9位和 12位的數(shù)字量讀取。它采用獨(dú)特 的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時需要的 A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點，而且，可以通過總線供電，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的 DSl8B20供電，而無需額外電源，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。 DSl8B20的測溫范圍55℃～ +125℃，最高分辨率可達(dá) ℃，由于每一個 DSl8B20出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其 ROM中，因此 CPU可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。由于 DSl8B20具有獨(dú)特的單總線接口方式在測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用單片機(jī)的 I/O引腳資源少，和單片機(jī)的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，而且具有負(fù)壓特性（電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，只是不能正常工作），和其他數(shù)字溫度傳感器相比，它更適合本系統(tǒng)。所以，選用DSl8B20作為溫度測量的傳感器。 、 NRF24L01無線收發(fā)器 NRF24L01是 NORDIC公司最近生產(chǎn)的一款無線通信芯片，采用 FSK調(diào)制，內(nèi)部集成 NORDIC自己的 Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)點對點或是 1對 6的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到 2Mbps。 NORDIC公司提供通信模塊的 GERBER文件，可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機(jī)愛好者只需要為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留 5個 GPIO， 1個中斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為 MCU系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能。 硬件 電路設(shè)計 、發(fā)射端 無線溫度檢測器的溫度采集端由電源模塊、 STC89C52單片機(jī)、溫度采集電路、無線發(fā)送模塊 NRF24L0時鐘電路及復(fù)位 電路組成。溫度采集端硬件框圖如圖 所示。 電 源 模 塊單 片 機(jī)S T C 8 9 C 5 2無 線 收 發(fā) 模 塊N R F 2 4 L 0 1復(fù) 位 電 路溫 度 傳 感 器D S 1 8 B 2 0時 鐘 電 路 圖 溫度采集端硬件框圖 、溫度采集模塊 1. DSl8B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) DSl8B20芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。 存 儲 器 與 控 制 邏 輯6 4位R O M和單線接口溫 度 傳 感 器高速緩存8 位 C R C 發(fā) 生 器配 置 寄 存 器低 溫 觸 發(fā) 器 T L高 溫 觸 發(fā) 器 T HV d dC 圖 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 2. DSl8B20有 4個主要的數(shù)據(jù)部件： （ 1） 64位激光 ROM。 64位激光 ROM從高位到低位依次為 8位 CRC、 48位序列號和 8位家族代碼 (28H)。 （ 2）溫度靈敏元件。 （ 3）非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL。可通過軟件寫入用戶報警上下限值。 （ 4）配置寄存器。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第五個字節(jié)。 DSl8B20在工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值，其各位定義如表。 表 DS18B20配置寄存器模式設(shè)置表 TM R1 R0 1 1 1 1 1 其中， TM：測試模式標(biāo)志位，出廠時被寫入 0，不能改變； R0、 Rl：溫度計分辨率設(shè)置位，其對應(yīng)四種分辨率表 ，出廠時 R0、 Rl置為缺省值： R0=1， R1=1(即 12位分辨率 )，用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。配置寄存器與分辨率關(guān)系如表 。 表 配置寄存器與分辨率關(guān)系表 R0 R1 溫度計分辨率 /bit 最大轉(zhuǎn)換時間 /us 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 750 3. 高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由 9個字節(jié)組成，其分配如表 。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲器的第 1和第 2個字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù) ，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 。對應(yīng)的溫度計算：當(dāng)符號位 S=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1時，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值。 表 DS18B20存儲器映像表 溫度低位 溫度高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8位 CRC 4. 對 DSl8B20的設(shè)計，需要注意以下問題： （ 1)對硬件結(jié)構(gòu)簡單的單線數(shù)字溫度傳感器 DSl8B20進(jìn)行操作，需要用較為復(fù)雜的程序完成。編制程序時必須嚴(yán)格按芯片數(shù)據(jù)手冊提供的有關(guān)操作順序進(jìn)行，讀、寫程序要嚴(yán)格按要求編寫。尤其在使用 DSl8B20的高測溫分辨力時，對時序及電氣特性參數(shù)要求更高。 (2)測溫電纜線建議采用屏蔽 4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接 VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地。 DSl8B20在三線制應(yīng)用時，應(yīng)將其三線焊接牢固；在兩線應(yīng)用時，應(yīng)將 VCC與 GND接在一起，焊接牢固。若 VCC脫開未接，傳感器只送 ℃的溫度值。 、 控制單元 STC89C52 單片機(jī) 1. STC89C52單片機(jī)的特點 單片機(jī)是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機(jī)，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲 器 RAM、程序存儲器 ROM、定時器 /計數(shù)器和多種 I/O接口電路。STC89C52單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 。 時 鐘 電 路C P U中 斷 系 統(tǒng)串 行 接 口并 行 接 口定 時 / 計 數(shù) 器R A MR O MT 0T 1P 0P 1 P 2 P 3 T X DR X DI N T OI N T I 圖 STC89C52單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2. STC89C52 單片機(jī)的引腳及功能 STC89C52 單片機(jī)的管腳分布如圖 所示。 P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0 (R X D )10P 3. 1 (T X D )11P 3. 2 (IN T 0 )12P 3. 3 (IN T 1 )13P 3. 4 (T 0)14P 3. 5 (T 1)15P 3. 6 (W R )16P 3. 7 (R D )17X T A L 218X T A L 119GND20P 2. 0 (A 8)21P 2. 1 (A 9)22P 2. 2 (A 10 )23P 2. 3 (A 11 )24P 2. 4 (A 12 )25P 2. 5 (A 13 )26P 2. 6 (A 14 )27P 2. 7 (A 15 )28P S E N29A L E / P R O G30E A /V P P31P 0. 7 (A D 7)32