【正文】 ................................. 29 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 第 1 章 緒 論 在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設(shè)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(nèi)，這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題。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(jīng)不能滿足當前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。 在現(xiàn)實生活中，這種無線溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，內(nèi)部布線很短，其抗 工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的 CPU。 （ 4）易擴展 片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件。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(nèi)的 ROM 容量可達 62MB， RAM 容量則可達 2MB。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。擁有 Shock Burst 和 Enhanced Shock Burst 兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。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(nèi)精度為177。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。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機器，并進行過程監(jiān)測和控制。 隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來 單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。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℃。 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 5 第 2 章 關(guān)鍵技術(shù)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。 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(fù)雜的運算、邏輯控制、通信等功能。 開源軟件無線電 技術(shù)對無線電的行業(yè)影響頗深，無線收發(fā)模塊也不例外。 數(shù)碼管顯示電路 顯示模塊在單片機系統(tǒng)中有著非常重要的作用，根絕系統(tǒng)需求的不同會設(shè)計不同的顯示電路。數(shù) 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 6 碼管實際上是由七個發(fā)光管組成 8 字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是 8 個。供電電路由電源芯片為主要組成，他能夠提供穩(wěn)定的合適的電源以使電路能夠正常穩(wěn)定的運行，電源供電電路是一切運行的基礎(chǔ)。時鐘電路也是單片機系統(tǒng)運行的必須器件之一，本系統(tǒng)選用了 12M 的晶振，主要系統(tǒng)是通信系統(tǒng)，故選用 12M 的晶振，以方便通信。 （ 3）無線收發(fā)模塊功能 無線收發(fā)模塊是利用 NRF24L01 為基礎(chǔ)研發(fā)的， NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件。其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。液晶顯示電路在設(shè)置完成后，需要實時顯示接收到的溫度信息。兩部分由各自的單片機進行控制，各自獨立運行，互不影響。片上Flash 允許程序存儲器 在系統(tǒng)在中編程，亦適于常規(guī)編程器?？臻e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。 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 9 系統(tǒng)安全性分析 本系統(tǒng)選擇了單片機 STC89C52，顯示部分選擇了 LED 數(shù)碼管。保證了系統(tǒng)的安全性。對于無線收發(fā)功能主要是依靠 NRF24L01 模塊，通過兩個模塊之間的通信進行數(shù)據(jù)交流。 溫度檢測電路主要是由單片機最小系統(tǒng)、電源電路、 NRF24L01 模塊和溫度檢測電路。 溫度顯示電路主要有單片機最小系統(tǒng)、電源電路、 NRF24L01 模塊和溫度顯示用的 LED 數(shù)碼管電路。電路中溫度檢測模塊單片機將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊單片機即可實現(xiàn)無線模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送。兩部分電路相互依 存也相互獨立，兩部分電路其實是兩個系統(tǒng)，其完全可以獨立運行。本系統(tǒng)在單片機最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的電源電路、檢測電路和無線收發(fā)模塊就完成電路設(shè)計。 電路圖見附錄圖 2 和圖 3。比如有個“做菜”程序 ，那么“做菜”這個過程就是“主函數(shù)”。再比如，用于專業(yè)環(huán)境的程序 如機器人中的控制芯片 可能不需要 main 函數(shù)。 發(fā)送程序功能介紹 發(fā)送程序主要根據(jù)硬件電路進行的劃分，發(fā)送程序中包含了各個不同的函數(shù)。 發(fā)送程序中包含 NRF24L01 的初始化函數(shù)，用于 對 NRF24L01 進行初始化。硬件電路的簡單必然導(dǎo)致軟件控制的繁瑣。 接收程序中包含 NRF24L01 的初始化函數(shù)，用于對 NRF24L01 進行初始化。以此保證系統(tǒng)能夠準確無誤的運行。 for(i=8。 _nop_()。 _nop_()。 } return(temp)。 tem18b201 = DS18B20_Reset()。 //等待 500us 轉(zhuǎn)換時間 tem18b202 = DS18B20_Reset()。 tempH = DS18B20_Read()。 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 15 temp1 = tempp/1000。 TxBuf[0]=temp1。 } //*********************************主函數(shù) *********************************** void main(void) { init_NRF24L01() 。 while(1) { TmReadTemp()。//clear RX_DR or TX_DS or MAX_RT interrupt } 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 16 } 硬件實現(xiàn) 單片機接口及功能介紹 單片微控制器簡稱單片機，是一塊集成了 CPU 中央處理器、 ROM 程序存儲器、定時器 /計數(shù)器、 RAM 數(shù)據(jù)存儲器和多種功能的 I/O 輸入 /輸出接口等的一臺微型計算機?？山忉尀槭褂米钌俚脑M成的單片機可以工作的系統(tǒng)。 晶振電路設(shè)計 時鐘電路是為系統(tǒng)提供時鐘脈沖的，是系統(tǒng) 電路中必不可少的一部分。在單片機系統(tǒng)中時鐘信號的頻率是運行的關(guān)鍵，頻率高了或者低了都無法運行。電容 C7 和 C外部晶振和單片機內(nèi)部的放大器一起構(gòu)成了自激震蕩電路。 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 17 圖 時鐘電路圖 復(fù)位電路設(shè)計 外部復(fù)位電路是保證單片機電路的程序在不能正常運行時，可以從指定的程序開始運行。復(fù)位電路成為電路的必要作用就顯現(xiàn)出來。如果 RST 引腳持續(xù)的高電平，單片機就處于尋壞復(fù)位狀態(tài)的周期。在一般情況下，只要 RESET 引腳保持 10ms以上的高電平，就可以使單片機復(fù)位，重置為經(jīng)典的值 。在該電路中， BEEP 連接在單片機引腳上， 接口 LS1 為蜂鳴器，晶體管工作在飽和狀態(tài)，相當于一個開關(guān)。 DS18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： ROM 只讀存儲器，用于存放 DS18B20ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（ DS18B20 的編碼是 19H），后面 48 位是芯片唯一的序列號 ，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 碼（冗余校驗）。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要是靠軟件代碼對時序的控制。 與 LCD 液晶顯示器相比，數(shù)碼管雖沒有液晶顯示器那樣的顯示效果，也沒有液晶顯示器做圖形界面具有人機交互美觀的特點。 1 位顯示器由 8 個發(fā)光二極管組成，其中 7 個發(fā)光二極管 a～ g控制 7 個筆畫的亮或暗 ，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字符。利用這一工作原理可以將單片機中的數(shù)據(jù)在 LED數(shù)碼管上顯示出來。 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。每個數(shù)碼管的各相同的顯示位都連接在一起，每個數(shù)碼管的公共端都分別引出。若數(shù)碼管位較多時應(yīng)采用增加驅(qū)動能力的措施，從而提高顯示亮度。 另外，也可以使用 74HC244 等其他電路， 74HC244 比 74HC245 多了鎖存器，實物圖如圖 所示。 第 1118 腳“ B”信號輸入輸出端，功能與“ A”端一樣，不再描述。 數(shù)碼管的驅(qū)動總電路如圖 所示。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。如果收到應(yīng)答，則認為此次通信成功，TX_DS 置高，同時 TX_PLD 從 TX FIFO 中清除 。 接收數(shù)據(jù)時 ， 首先將 NRF24L01 配置為接收模 式，接著延遲 130μ s 進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。 （ 2） NRF24L01 應(yīng)用領(lǐng)域 ● 無線鼠標 鍵盤 游戲機操縱桿 ● 無線門禁 ● 無線數(shù)據(jù)通訊 ● 安防系統(tǒng) 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 23 ● 遙控裝置 ● 遙感勘測 ● 智能運動設(shè)備 ● 工業(yè)傳感器 ● 玩具 （ 3） NRF24L01 性能參數(shù) ◆ 小體積， QFN20 4x4mm封裝 ◆ 寬電壓工作范圍， ~，輸入引腳可承受 5V 電壓輸入 ◆ 工作溫度范圍， 40℃～ +80℃ ◆ 工作頻率范圍， ～ ◆ 發(fā)射功率可選擇為 0dBm、 6dBm、 12dBm和 18dBm ◆ 數(shù)據(jù)傳輸速率支持 1Mbps、 2Mbps[2] ◆ 低功耗設(shè)計，接收時工作電流 ， 0dBm 功率發(fā)射時 ，掉電模式時僅為 900nA ◆ 126 個通訊通道， 6 個數(shù)據(jù)通道，滿足多點通訊和調(diào)頻需要 ◆ 增強型“ ShockBurst”工作模式，硬件的 CRC 校驗和點對多點的地址控制 ◆ 數(shù)據(jù)包每次可傳輸 1～ 32Byte 的數(shù)據(jù) ◆ 4 線 SPI 通訊端口，通訊速率最高可達 8Mbps，適合與各種 MCU 連接，編程簡單 ◆ 可通過軟件設(shè)置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長度 ◆ MCU 可通過 IRQ 引腳快判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 24 第 6 章 系統(tǒng)測試 系統(tǒng)測試是檢測系統(tǒng)功能的重要組成部分，基本的檢測后對系統(tǒng)有基本的要求后，要對系統(tǒng)的功能進行全面的驗證。另一種是使用軟件仿真，因為各種原因可能系統(tǒng)并不制作成實物。我實際中使用的單片機為 STC89C52 單片機 。 在 5 分鐘的時間內(nèi)，對 LED 數(shù)碼管的顯示溫度進行讀取并記錄。此次測試中忽略不計。 基于 51 單片機的無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計 26 結(jié) 論 在整個設(shè)計過程中，發(fā)揮團隊精神，分工合作，充分發(fā)揮人的主觀能動性，自主學習，學到了許多沒學到的知識，完成了對單片機的設(shè)計，達到了預(yù)期的目的。程序編寫中，由于思路不清晰，開始時遇到了很多的問題 ，經(jīng)過靜下心來思考，理清了思路，終于能夠完成它。 在軟件設(shè)計的過程中，利用了 Keil這個軟件在程序錄入和調(diào)試的時候的優(yōu)越性，讓我能夠在編寫軟件的時候很方便的發(fā)現(xiàn)軟件中的錯誤，現(xiàn)在已經(jīng)能夠使用Keil 對所設(shè)計的程序