【正文】 ....................................... 37 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論 研究的目的和意義 21 世紀(jì)的今天，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步同時(shí)也帶動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備不同于以前，它們?cè)谛阅芎徒Y(jié)構(gòu)上發(fā)生了翻天覆地的變化。伴隨工業(yè)科技、農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，溫度測(cè)量需求越來越多，也越來越重要。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于 20 世紀(jì) 50 年代， 1956 年美國首先研究了用在軍事上的測(cè)試系統(tǒng)，目標(biāo)是測(cè)試中不依靠相關(guān)的測(cè)試文件，由非成熟人員進(jìn)行操作，并且測(cè)試任務(wù)是由測(cè)試設(shè) 備高速自動(dòng)控制完成的。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展。這類系統(tǒng)主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也有一定的應(yīng)用。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAS）。相較于數(shù)據(jù)采集板卡成本和功能的限制，單片機(jī)具多功能、高效率、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，而雙單片機(jī)又具有精度較高、轉(zhuǎn)換速度快、能夠?qū)Χ帱c(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采集，因此能夠開發(fā)出能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的、電路結(jié)構(gòu)簡單的、可靠性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也呈現(xiàn)出了速度快、通道多、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。 數(shù)據(jù)采集器是 80 年代中期出現(xiàn)的 先進(jìn)技術(shù)，是一種具有現(xiàn)場(chǎng)記錄和離線分析機(jī)器設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)功能的便攜式分析儀器。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國目前生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集器的廠已有 11 家，應(yīng)用進(jìn)口或國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集器記性設(shè)備青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 3 監(jiān)測(cè)和診斷的企業(yè)已有數(shù)百家。 目前國內(nèi)外通用的做法都是用嵌入式架構(gòu)來做便攜式數(shù)據(jù)采集器，采集器內(nèi)裝有嵌入式操作系統(tǒng)（各個(gè)生產(chǎn)廠家獨(dú)立研制開發(fā)，互不兼容），如 WINCE、windows mobile 或 andrios 操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序需要在操作系統(tǒng)上獨(dú)立開發(fā)?；谶@樣的出發(fā)點(diǎn)，旭龍條碼整合多年的自主開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)聯(lián)合內(nèi)外部資源，開發(fā)出了 XL828 這款便攜式數(shù)據(jù)采集終端產(chǎn)品。 本設(shè)計(jì)采用 AT89S52 單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)控制模塊、顯示模塊等幾部分。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)性能良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展與升級(jí)，可以有效的滿足各種數(shù)據(jù)采集的需要。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。因此選擇基于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很有意義也是很有必要的?？傊?，不論在哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理越及時(shí)，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益也越高。本次設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的是室內(nèi)溫度的采集，首先我們要對(duì)溫度采集系統(tǒng)所需要的硬件有個(gè)正確的選擇，以便能夠在設(shè)計(jì)既能打到目的，又能節(jié)省資源。所以多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于兩部分：溫度傳感器的選擇和主控單元的設(shè)計(jì)。 方案二：采用單片模擬量的溫度傳感器，比如 AD590， LM35 等。因此采用模擬量 的傳感器顯然也不合適。 DS18B20的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì) DS1820 和微控制器AT89S52 構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，可直接與計(jì)算機(jī)連接。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。 主控部分 方案一：采用 AT89S52 八位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。另外 AT89S52在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)及外圍功能電路的配合使用都很成熟。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 7 數(shù)據(jù)傳輸部分 方案一：使用 CC1101 做無線發(fā)送和接收部分，這種模塊功耗低，最大發(fā)射功率 10mW，基于 FSK 的調(diào)制方式，采用高頻前向交錯(cuò)和信道交織編碼技術(shù)，隨機(jī)抗干擾和突發(fā)抗干擾的能力都比較強(qiáng)，誤碼率也比較低。 125 個(gè)頻點(diǎn)，滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信使用，支持 2M 的高速數(shù)據(jù)傳輸，減少發(fā)射的時(shí)間。那么該采集系統(tǒng)通過 18B20 分點(diǎn)采集溫度之后經(jīng)過 AT89S52 的數(shù)據(jù)處理后分別經(jīng)過 24L01 模塊的發(fā)射和接收，傳送到主機(jī)的 AT89S52，經(jīng)過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理之后在 LCD 上顯示出來。 單片機(jī) AT89S52 及其最小電路 AT89S52 簡介 如圖 31 所示為 AT89S52 芯片的引腳圖。具有兩個(gè) 16 位可編程定時(shí)器；中斷系統(tǒng)是具有6 個(gè)中斷源、 5 個(gè)中斷矢量、 2 級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)；震蕩器頻率 0到 33MHZ，因此我們?cè)诖诉x用 12MHZ 的晶振是比較合理的；具有片內(nèi)看門狗定時(shí)器；AT89S52 引腳圖如圖 所示。 P0 也可用做訪問外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)的低 8 位地址 /數(shù)據(jù)總線的復(fù)用線。 P1 口可作普通 I/O 口。在串行編程和效驗(yàn)時(shí)， 、輸出和移位脈沖引腳。 CPU 訪問外部 16位地址的存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口提供高 8 位地址。 P3 口用做輸出口時(shí)，輸出緩沖器可吸收 4 各 TTL 的灌電流；用做輸入口時(shí)，首先將引腳置 1，由 內(nèi)部上拉電阻抬位高電平。 表 31 P3 口的替代功能 引腳 符號(hào) 說明 RXD 串行口輸入 TXD 串行口輸出 /INT0 外部中斷 0 /INT1 外部中斷 1 T0 T0 定時(shí)器的外部的計(jì)數(shù)輸入 T1 T1 定時(shí)器的外部的計(jì)數(shù)輸入 /WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫選 通 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 11 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀選通 RST：復(fù)位端。在正常操作情況下， ALE 以振蕩器頻率的 1/6 的固定速率發(fā)出脈沖，它是用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，需要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。若微控制器在外部執(zhí)行方式， ALE禁止位無效。 /EA/Vpp：訪問外部程序存儲(chǔ)器允許端。 XTAL1：振蕩器反向放大器輸入端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖 所示。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(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域?！?。這允許許多不同地方放置溫度靈敏器件。 64 位激光 ROM 從高位到低位依次為 8 位 CRC、 48 位序列號(hào)和 8 位家族代碼 (28H)組成。 D、配置寄存器。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(cè)量溫度范圍為 55 176。 C 至 +85 176。 溫度傳感器可編程的分辨率為 9~12 位 溫度轉(zhuǎn)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(bào)警設(shè)置 應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng) 。 因?yàn)槊恳粋€(gè) DS18B20 的包含一個(gè)獨(dú)特的序號(hào)，多個(gè) DS18B20 可以同時(shí)存在 于一條總線。 本系統(tǒng)為多點(diǎn)溫度測(cè)試。在實(shí)際應(yīng)用中還可以使用一個(gè) MOSFET 將 I/O 口線直接和電源相連，起到上拉的作用。 （ 2）有多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)傳感器出錯(cuò)自動(dòng)指示，進(jìn)行自 動(dòng)DS18B20 序列號(hào)和自動(dòng)排序，以減少調(diào)試和維護(hù)工作量。 （ 4）實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要注意單線的驅(qū)動(dòng)能力，不能掛接過多的 DS18B20，同時(shí)還應(yīng)注意最遠(yuǎn)接線距離。原理圖如圖 。 nRF24L01 功耗低 ,在以 6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9 mA 接收時(shí)，工作電流只有 mA，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。 表 35 nFR24L01 工作模式 模式 PWRUP PRIMRX CE FIFO 寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 發(fā)射模式 1 0 1 數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中 發(fā)射模式 1 0 1→0 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機(jī)模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 待機(jī)模式 1 1 0 無數(shù)據(jù)傳輸 掉電 0 NRF24L01 工 作原理：發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將 nRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址 TX_ADDR 和有效數(shù)據(jù) TX_PLD 按照時(shí)序由 SPI 口寫入nRF24L01 緩存區(qū)， TX_PLD 必須在 CSN 為低時(shí)連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后 CE置為高電平并保持至少 10μs，延遲 130μs后發(fā)射數(shù)據(jù) 。MAX_RT 或 TX_DS 置高時(shí)，使 IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 MCU。 接收數(shù)據(jù)時(shí) ,首先將 nRF24L01 配置為青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 18 接收模式，接著延遲 130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。 24L01 的工作原理圖如 所示。 SPI 接口主要應(yīng)用在 EEPROM， FLASH，實(shí)時(shí)時(shí)鐘， AD 轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。 SPI 的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少 4 根線，事實(shí)上 3 根 也可以（用于單向傳輸時(shí)，也就是半雙工方式）。 接下來就負(fù)責(zé)通訊的 3 根線了。完成一位數(shù)據(jù)傳輸 ，輸入也使用同樣原理。 液晶顯示器 (LCD)具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其它顯示器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，近幾年來被廣泛用于單片機(jī)控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。 R/W=1,讀狀態(tài)。當(dāng) D/I=0 時(shí)，在 E 信號(hào)下降沿的作用下，指令碼 寫入 IR。 （ 3）忙標(biāo)志： BF BF 標(biāo)志提供內(nèi)部工作情況。 （ 4）顯示控制觸發(fā)器 DFF 此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。高 3 位是 X 地址計(jì)數(shù)器，低 6 位為 Y地址計(jì)數(shù)器， XY 地址計(jì)數(shù)器實(shí)際上是作為 DDRAM 的地址指針， X 地址計(jì)數(shù)器為 DDRAM 的頁指針， Y 地址計(jì)數(shù)器為 DDRAM 的 Y 地址指針。數(shù)據(jù)為 1 表示顯示選擇，數(shù)據(jù)為 0 表示顯示非選擇。 Z 地址計(jì)數(shù)器 可以用指令 DISPLAY START LINE預(yù)置。見附錄【 5】。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來給集成電路供電的，而要通過整流電路將交流電變成脈動(dòng)的直流電壓。10%左右的波動(dòng)，負(fù)載和溫度的變化而變化，因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。 5V 電源出來再經(jīng)過電解電容的二級(jí)濾波，使 5V 電源更加穩(wěn)定可靠。 112233con1DY+3～1～24bridge1DQC5470UFC6220UFC8C7123V VGNDIN OUTU278L05D1REDR110K1 2 3P1DYSWVCC5 圖 電源原理圖 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 24 第四章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概述 整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。此時(shí) 一個(gè)穩(wěn)定輸出 5V的電源已經(jīng)設(shè)計(jì)好，對(duì)于本設(shè)計(jì)它完全能夠滿足單片機(jī)及集成塊所需電源的要求。 220V 交流電通過 9V 變壓器變?yōu)?9V 的交流 電， 9V 交流電通過四個(gè)二極管的全橋整流后變?yōu)?9V 直流電，然后經(jīng)過電解電容（ 470μF）進(jìn)行一級(jí)濾波，青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 23 以去除直流電里面的雜波，防止干擾。濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，改造成接近穩(wěn)恒的直流電。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文 22 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20P1 Header 20GND1KR2RPotVCCGNDVCC10KR1Res2GND12864 LCDVCCEA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10U3AT89S52123456781615141312111091KR4Res Pack3VCC 圖 顯示電路 電源電路 電源變壓器是將交流電網(wǎng) 220V 的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?。此模塊的 DDRAM 共 64 行，屏幕可以循環(huán)滾動(dòng)顯示64 行。 (7) Z 地址計(jì)數(shù)器 Z 地址計(jì)數(shù)器是一個(gè) 6 位計(jì)數(shù)器，此計(jì)數(shù)器具備循環(huán)記數(shù)功能，它是用于顯示