【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)據(jù)傳輸方式有很多，需要根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的實際環(huán)境和工況來確定數(shù)據(jù)傳輸方式。由于系統(tǒng)要求應(yīng)用在辦公樓區(qū)內(nèi)，其應(yīng)用環(huán)境較復(fù)雜，要做到布點容易、安裝簡單、易于操作，需要采用無線的方式傳輸數(shù)據(jù)。 (2)無線通信質(zhì)量被測現(xiàn)場的周圍環(huán)境比較復(fù)雜，存在墻體和樹木等物體帶來的干擾，所以系統(tǒng)需要選擇有效的無線收發(fā)模式來克服傳輸距離和障礙物干擾的問題，以確保無線通信質(zhì)量。 (3)數(shù)據(jù)安全性 應(yīng)用射頻技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸 j存在安全性阿題：在公共頻段下數(shù)據(jù)的傳輸處于公開狀態(tài)，任何人都有可能接收到系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)在發(fā)送之前 要進(jìn)行嚴(yán)格的加密，接受數(shù)據(jù)時要進(jìn)行嚴(yán)格的校驗和解密，以確保數(shù)據(jù)安全。 (4)低成本 低成本是節(jié)點設(shè)計的基本要求，這是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛進(jìn)入實際應(yīng)用的必要前提。 2． 3 系統(tǒng) 方案 的 選擇 方案一： 此方案采用 PC 機(jī)實現(xiàn)。他可以實現(xiàn)在線編程，在線仿真。在這種方案中，調(diào)試十?dāng)?shù)字溫度傳感器 1 數(shù)字溫度傳感器 2 數(shù)字溫度傳感器 3 單 片 機(jī) Nrf24L01無線模塊 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 分方便，而且人機(jī)交互友好。但是 PC 機(jī)與 DS18B20 之間不能直接通訊，需要通過 RS232電平轉(zhuǎn)換兼容，硬件的合成在線調(diào)試，較為繁瑣。而且在一些條件較為惡劣的場合， PC機(jī)體型過大，攜帶安裝不方便，性能不穩(wěn)定，會給工程帶來諸多麻煩。 方案二： 此方案采用 8051 單片機(jī)實現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可以通過編程實現(xiàn)各種邏輯控制和算術(shù)算法，其體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨對多個DS18B20 進(jìn)行控制，又可以和 PC 機(jī)進(jìn)行通訊。 綜上所述，本無線溫度控制系統(tǒng)以及主控部分都采用方案二。由于經(jīng)費有限，本系統(tǒng)暫時實現(xiàn)單點溫度無線測量。 DS18B20 采集溫度數(shù)據(jù)送到從單片機(jī)，再從單片機(jī)送到NRF24L01 無線模塊發(fā)送出去，接收端 NRF24L01 無線模塊接收發(fā)送過來的信號，并把它送到主單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種方案實現(xiàn)簡單，擴(kuò)展性好，成本低。實際采用電 路方案如圖 23 所示。 圖 23本系統(tǒng)采用的電路方案框圖 DS18B20 從單片機(jī) 鍵盤 nrf24L01 收 /發(fā)模塊 主單片機(jī) nrf24L01 收 /發(fā)模塊 電腦 顯示模塊 朱野：基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 8 第 3 章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)電路主要硬件元件介紹 根據(jù)上一章的論證選取的系統(tǒng)方案需要選取一定的硬件， 本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)說用到的元件有： 8051 單片機(jī)， DS18B20 數(shù)字溫度傳感器， LCD1602，nRF21L01 等。 8051 單片機(jī) 為了實現(xiàn)溫度的采集，與上微機(jī)的通訊及對外設(shè)的控制，本系統(tǒng)的采用 8051為內(nèi)核。 1. 8051基本參數(shù) 8位 CPU 4KB字節(jié)的掩膜 ROM 程序存貯器 128字節(jié)的 RAM 4個 8位的 IO口（ P0~P3） 2個 16位定時器 /計數(shù)器 1個全雙工異步串行口 5個中斷源， 2個中斷優(yōu)先級的中斷控制器 時鐘電路，時鐘頻率在 ~12MHz 2. 芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)： 中央處理器 (CPU)：運算器、控制器、寄存器 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)：有 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)和 21 個專用寄存器單元 SFR 統(tǒng)一編址 內(nèi)部程序存儲器 (ROM) ： 4K字節(jié)程序存儲器 (ROM) 。 定時 /計數(shù)器：兩個 16位的可編程定時 /計數(shù)器。 并行輸入輸出口： 4 個 8位并行 I/O口 (P0P3) 。 串行口： 一個全雙工異步串行通信口。 中斷控制系統(tǒng)：五個中斷源（ 2外、 3內(nèi)） 時鐘電路 位處理器：又稱為布爾處理器。 3. 8051信號引腳介紹 單片機(jī)的 40個引腳大致可分為 4類：電源、時鐘、控制和 I/O引腳。 (1)電源 : ① VCC 芯片電源，接 +5V； ② VSS 接地端； (2)時鐘 :XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 (3) 控制線 :控制線共有 4根， ① ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM編程脈沖 ② PSEN:外 ROM讀選通信號。 ③ RST/VPD:復(fù)位 /備用電源。 ④ EA/Vpp:內(nèi)外 ROM選擇 /片內(nèi) EPROM編程電源。 ⒋ I/O線 80C51共有 4 個 8位并行 I/O端口： P0、 P P P3口，共 32個引腳。 P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 （ 1） DS18B20 數(shù)字溫度傳感器概述 DS18B20 數(shù)字溫度計是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測 溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。 其 引腳分布見圖 31， 引腳功能描述見表 31。 圖 31 DS18B20引腳分布圖 表 31 DS18B20詳細(xì) 引腳功能描述 序號 名稱 引腳功能描述 1 GND 地信號 2 DQ 數(shù) 字輸入輸 出引腳 ,開漏單總線接口引腳 ,當(dāng)使用寄生電源時 ,可向電源提供電源 3 VDD 可 選擇 的 VDD引腳 ,當(dāng)工作于寄生電源時 ,該引腳必須接地 （ 2） DS18B20 的命令序列 ① 初始化 ② ROM 命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)； ③ 功能命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)。 訪問 DS18B20必須嚴(yán)格遵守這一命令序列，如果丟失任何一步或序列混亂， DS18B20都不會響應(yīng)主機(jī)（除了 Search ROM 和 Alarm Search 這兩個命令，在這兩個命令后，主機(jī)都必須返回到第一步）。 a．初始化： DS18B20 所有的數(shù)據(jù)交換都由一個初 始化序列開始。由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟在其后的由 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。當(dāng) DS18B20 發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時，即朱野：基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 10 向主機(jī)表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。 b. ROM 命令： ROM 命令通過每個器件 64bit 的 ROM 碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多個器件掛在總線上）與之進(jìn)行通信。 DS18B20 的 ROM 如表 33 所示，每個 ROM 命令都是 8 bit 長。 表 32 ROM的內(nèi)存指令 指令 約定代碼 功能 讀 ROM 33H 讀 DS18B20中的編碼 (即 64 位地址 ) 符合 ROM 55H 發(fā)出此命令 后，接著發(fā)出 64 位 ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的 DS18B20,使之作出響應(yīng)，為下一步對該 DS18B20的讀寫作準(zhǔn)備 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64位 ROM地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備 跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM地址，直接向 DS18B20V 溫度轉(zhuǎn)換命令，適用于單個 DS18B20 工作 告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后，只有溫度超過廟宇值上限或下限的片子才做出響應(yīng) 溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間最長為500ms(典型為 200ms),結(jié)果豐入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM中 讀暫存器 BEH 讀內(nèi)部 RAM中 9字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM的第 4字節(jié)寫上、下溫度數(shù)據(jù)命令，緊該溫度命令之后，傳達(dá)兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM中第 4字內(nèi)容復(fù)制到 E2PROM中 重調(diào) E2PROM 0B8H 將 E2PROM中內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 4字節(jié) 讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電模式，寄生供電時 DS18B20發(fā)送“ 0”，外部供電時 DS18B20 發(fā)送“ 1” （ 4） DSl8B20 芯片的工作原 理 DSl8B20 芯片溫度測量的啟動，發(fā)送指令，存取時鐘等，全部在一組數(shù)據(jù)線上完成，因為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)上集成了溫度電路、存儲器等多功能模塊。 DSl8B20 芯片工作原理示意圖見圖 32所示： 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 32 D18B20工作原理圖 單片 無線射頻收發(fā)芯片 nRF24L01 nRF24L01 是一款工作在 ~ 世界通用 ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片無線收發(fā)器包括 :頻率發(fā)生器增強(qiáng)型 SchockBurstTM 模式控制器功率放大器晶體振蕩器調(diào)制器解調(diào)器功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過 SPI 接口進(jìn)行設(shè)置極低的電流消耗當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 6dBm 時電流消耗為 接收模式時為 。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。 芯片的引腳排列如圖 33所示 圖 33 nRF24L01芯片引腳圖 主機(jī)初始化脈沖 DS18B20 芯片響應(yīng)脈沖 DS18B20 芯片準(zhǔn)備好 DS18B20 芯片完成其他功能 主機(jī)儲存器指令 主機(jī) ROM 指令 否 朱野：基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng) 12 ： GFSK 調(diào)制： 硬件集成 OSI 鏈路層 。 具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功 能 。 片內(nèi)自動生成報頭和 CRC 校驗碼 。 數(shù)據(jù)傳輸率為 l Mb/s 或 2Mb/s。 SPI 速率為 0 Mb/s～ 10 Mb/s。 125 個頻道： 與其他 nRF24 系列射頻器件相兼容 。 QFN20 引腳 4 mm4 mm 封裝 。 供電電壓為 V～ V。 CE：使能發(fā)射或接收 。 CSN， SCK， MOSI， MISO： SPI 引腳端，微處理器可通過此引腳配置 nRF24L01： IRQ：中斷標(biāo)志位 。 VDD：電源輸入端 。 VSS：電 源地： XC2， XC1：晶體振蕩器引腳 。 VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為 V。 ANT1,ANT2：天線接口 。 IREF：參考電流輸入。 ： ①收發(fā)模式 ； ②配置模式 ； ③空閑模式 ； ④關(guān)機(jī)模式 ； 工作模式由 PWR_UP register 、 PRIM_RX register 和 CE 決定。 其它外圍電路 1. 復(fù)位電路：在單片機(jī)的 RST 引腳引入高電平并保持 2 個機(jī)器周期時，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作。實際應(yīng)用中，復(fù)位操作 有兩種形式：一種是上電復(fù)位，另一種是上電與按鍵均有效的復(fù)位。本設(shè)計采用按鍵復(fù)位。 2. 晶振電路：單片機(jī)的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。 本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，在單片機(jī)內(nèi)部有一震蕩電路，只要在單片機(jī)的 XTAL1和 XTAL2腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自己震蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。 如圖 34 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD108051 CON AT62BC1122PFC1022PFY2 12mhz 圖 34 晶振電路 圖中電容器的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在 5～ 30pF,典型值為 30pF。晶振 CYS的震蕩頻率范圍在 ～ 12MHz間選擇，典型值為 12MHz和 6MHz。本設(shè)計采用 12MHz晶振，電容值為 22 pF。 本系統(tǒng)的硬件電路 電源部分 ＋ 5V 電源，采用的電源電路如圖 35 所示。該電路是把本人的8V 直流輸入進(jìn)行全橋整流，成為脈動直流，經(jīng)過，一級濾波后送至 三端穩(wěn)壓集成電路lm7805 穩(wěn)壓，再經(jīng)二級濾波后即為＋ 5V 輸出，圖 45 的四個二極管組成了全橋整流電路， C1， C3 是一級濾波電容， U1 是穩(wěn)壓管 lm7805， C4 是二級濾波電容。 123J18