【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)際環(huán)境和工況來(lái)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(diǎn)容易、安裝簡(jiǎn)單、易于操作，需要采用無(wú)線的方式傳輸數(shù)據(jù)。 (2)無(wú)線通信質(zhì)量被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的周圍環(huán)境比較復(fù)雜，存在墻體和樹(shù)木等物體帶來(lái)的干擾，所以系統(tǒng)需要選擇有效的無(wú)線收發(fā)模式來(lái)克服傳輸距離和障礙物干擾的問(wèn)題，以確保無(wú)線通信質(zhì)量。 (3)數(shù)據(jù)安全性 應(yīng)用射頻技術(shù)的無(wú)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(kāi)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(shí)要進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)和解密，以確保數(shù)據(jù)安全。 (4)低成本 低成本是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本要求，這是大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛進(jìn)入實(shí)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(shí)現(xiàn)。他可以實(shí)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(wú)線模塊 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(guò) 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(chǎng)合， PC機(jī)體型過(guò)大，攜帶安裝不方便，性能不穩(wěn)定，會(huì)給工程帶來(lái)諸多麻煩。 方案二： 此方案采用 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制和算術(shù)算法，其體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。既可以單獨(dú)對(duì)多個(gè)DS18B20 進(jìn)行控制，又可以和 PC 機(jī)進(jìn)行通訊。 綜上所述，本無(wú)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(fèi)有限，本系統(tǒng)暫時(shí)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)溫度無(wú)線測(cè)量。 DS18B20 采集溫度數(shù)據(jù)送到從單片機(jī)，再?gòu)膯纹瑱C(jī)送到NRF24L01 無(wú)線模塊發(fā)送出去，接收端 NRF24L01 無(wú)線模塊接收發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，并把它送到主單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性好，成本低。實(shí)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(pán) 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(wú)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(jì) 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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)說(shuō)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(shí)現(xiàn)溫度的采集，與上微機(jī)的通訊及對(duì)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(gè) 8位的 IO口（ P0~P3） 2個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1個(gè)全雙工異步串行口 5個(gè)中斷源， 2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制器 時(shí)鐘電路，時(shí)鐘頻率在 ~12MHz 2. 芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)： 中央處理器 (CPU)：運(yùn)算器、控制器、寄存器 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)：有 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)和 21 個(gè)專用寄存器單元 SFR 統(tǒng)一編址 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 (ROM) ： 4K字節(jié)程序存儲(chǔ)器 (ROM) 。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器：兩個(gè) 16位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 并行輸入輸出口： 4 個(gè) 8位并行 I/O口 (P0P3) 。 串行口： 一個(gè)全雙工異步串行通信口。 中斷控制系統(tǒng)：五個(gè)中斷源（ 2外、 3內(nèi)） 時(shí)鐘電路 位處理器：又稱為布爾處理器。 3. 8051信號(hào)引腳介紹 單片機(jī)的 40個(gè)引腳大致可分為 4類：電源、時(shí)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(shí)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(hào)。 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(gè) 8位并行 I/O端口： P0、 P P P3口，共 32個(gè)引腳。 P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線）。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè) 溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 其 引腳分布見(jiàn)圖 31， 引腳功能描述見(jiàn)表 31。 圖 31 DS18B20引腳分布圖 表 31 DS18B20詳細(xì) 引腳功能描述 序號(hào) 名稱 引腳功能描述 1 GND 地信號(hào) 2 DQ 數(shù) 字輸入輸 出引腳 ,開(kāi)漏單總線接口引腳 ,當(dāng)使用寄生電源時(shí) ,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(shí) ,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(wèn) 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(huì)響應(yīng)主機(jī)（除了 Search ROM 和 Alarm Search 這兩個(gè)命令，在這兩個(gè)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(gè)初 始化序列開(kāi)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(shí)，即朱野：基于無(wú)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(guò)每個(gè)器件 64bit 的 ROM 碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多個(gè)器件掛在總線上）與之進(jìn)行通信。 DS18B20 的 ROM 如表 33 所示，每個(gè) ROM 命令都是 8 bit 長(zhǎng)。 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(wèn)單總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的 DS18B20,使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該 DS18B20的讀寫(xiě)作準(zhǔn)備 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個(gè)數(shù)和識(shí)別 64位 ROM地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備 跳過(guò) 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(gè) DS18B20 工作 告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后，只有溫度超過(guò)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(dòng) DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)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(xiě)暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM的第 4字節(jié)寫(xiě)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(shí) DS18B20發(fā)送“ 0”，外部供電時(shí) DS18B20 發(fā)送“ 1” （ 4） DSl8B20 芯片的工作原 理 DSl8B20 芯片溫度測(cè)量的啟動(dòng)，發(fā)送指令，存取時(shí)鐘等，全部在一組數(shù)據(jù)線上完成，因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)上集成了溫度電路、存儲(chǔ)器等多功能模塊。 DSl8B20 芯片工作原理示意圖見(jiàn)圖 32所示： 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 32 D18B20工作原理圖 單片 無(wú)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(wú)線收發(fā)器芯片無(wú)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(guò) 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(shí)電流消耗為 接收模式時(shí)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(chǔ)存器指令 主機(jī) ROM 指令 否 朱野：基于無(wú)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(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功 能 。 片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和 CRC 校驗(yàn)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(gè)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(guò)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(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作。實(shí)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(jì)采用按鍵復(fù)位。 2. 晶振電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部時(shí)鐘方式。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)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(jiǎn)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(shí)鐘脈沖信號(hào)。 如圖 34 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)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(dòng)直流，經(jīng)過(guò)，一級(jí)濾波后送至 三端穩(wěn)壓集成電路lm7805 穩(wěn)壓，再經(jīng)二級(jí)濾波后即為＋ 5V 輸出，圖 45 的四個(gè)二極管組成了全橋整流電路， C1， C3 是一級(jí)濾波電容， U1 是穩(wěn)壓管 lm7805， C4 是二級(jí)濾波電容。 123J18