【正文】 sbit CE=P2^0。 sbit CSN=P2^1。 sbit MISO=P0^5。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 29 附錄 Ⅲ 實物接線圖 系統(tǒng)實物接線圖如下圖所示。 設(shè)計得以順利完成 ,得感謝我的指導(dǎo)老師唐杰副教授，在這個過程中他都一直指導(dǎo)著我，雖然他沒有時時刻刻在我們身邊親歷指導(dǎo)，但是他每天都 詢問我的進(jìn)展情況，對我基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 26 遇到的問題給予我解答，并對我的設(shè)計進(jìn)行一些優(yōu)化。 本系統(tǒng)是一個 較為 完善的系統(tǒng)， 但是也 還有許多需要改進(jìn)的地方。 其中，除了硬件影響產(chǎn)生的誤差暫時難以消除以外，時間允許的情況下還可以通過適當(dāng)?shù)能浖绦虻恼{(diào)整對現(xiàn)有誤差進(jìn)行修正，使系統(tǒng)性能再次得到優(yōu)化。 具體試驗結(jié)果比對如表 所示。 以上展示的實物照片充分驗證了本系統(tǒng)的無線溫度傳輸 功能精 確、真實，可行。中間為 0 號 主機(jī)，左邊為3 號從機(jī)，右邊為 2 號從機(jī)。 在 觀察到從 機(jī)溫度升高的同時 注意 主機(jī)模塊上顯示的 對應(yīng) 的 從機(jī)溫度是否在同步變化。如果各主從模塊顯示的 本機(jī) 溫度與溫度計 測量的 溫度一致 ， 則說明各主從模塊能夠 精確的采集 到當(dāng)前所處 環(huán)境的 溫度 ； （ 2） 測試 系統(tǒng)是 否能進(jìn)行 無線 溫度信號 傳輸 。 由于 無線通信環(huán)境的不確定性， 在 各種環(huán)境下的傳輸 效果是不盡相同的，路徑損耗、建筑物影響、人體影響、外界干擾 和周圍環(huán)境的吸收等都會對傳輸?shù)男Чa(chǎn)生一定的影響，但采用 NRF24L01 無線模塊 能在一個 電磁環(huán)境較差 的條件下進(jìn)行測試 。測試方法目測，看電源指示燈是否發(fā)亮并且一直保持亮度不變。 圖 系統(tǒng) 無線發(fā)送程序流程圖 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 22 開 始系 統(tǒng) 初 始 化接 收 數(shù) 據(jù) ？分 別 接 收 數(shù) 據(jù)顯 示 溫 度接 收 完 成 ？系統(tǒng) 無線接收程序流程圖 如圖 所示。而調(diào)用指令則不同，調(diào)用指令使得程序結(jié)構(gòu)清晰，無論是修改還是維護(hù)都比較方便。 無線通訊程序：實現(xiàn)從機(jī)與主機(jī)通訊， 命令從機(jī) 將溫度數(shù)據(jù)傳送給主機(jī) 。 主程序調(diào)用了 4 個子程序，分別是液晶顯示程序、溫度測試程序、中斷控制程序、從機(jī)與主機(jī)無線通訊程序。所以，在整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，無線數(shù)據(jù)的傳輸 功能的設(shè)計 是最為重要的。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 20 4 軟件設(shè)計 整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。 （ 1） 對硬件結(jié)構(gòu)簡單的單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行操作，需要用較為復(fù)雜的程序完成。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)格式如圖所示。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 18 6 4 位R O M和單 線接 口存 儲 器 和 控 制 器 件8 位 C R C 生 成 器溫 度 靈 敏 元 件低 溫 觸 發(fā) 器 T L高 溫 觸 發(fā) 器 T H配 置 寄 存 器高 速 緩 存 存 儲 器電源檢測 圖 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 在 0 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 所示。 ③ 非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) [6]： （ 1） DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 圖 所示。176。C~+125176。測溫分辨率可達(dá)℃ ，被測溫度用符號擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出。顯示電路 具體的 I/O 口控制接線 如圖 所示。各從機(jī)模塊上的 12864 液晶主要是用作顯示本機(jī)采集到的環(huán)境溫度和溫度的實時變化?？梢燥@示 84 行 1616 點陣的漢字 ， 也可完成圖形顯示 。最后接收成功時，若 CE 變低，則 NRF24L01 進(jìn)入空閑模式 1[1]。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功， TX_DS 置高，同時 TX_PLD 從 TX_FIFO 中清除 ； 若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)，若重發(fā)次數(shù)（ ARC）達(dá)到上限， MAX_RT 置高，TX_FIFO 中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā) ； MAX_RT 或 TX_DS 置高時，使 IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 MCU。下部分時鐘緩沖器處在工作模式當(dāng)發(fā)送端 TX_FIFO 寄存器為空并且CE 為高電平時進(jìn)入待機(jī)模式 II 在待機(jī)模式期間寄存器配置字內(nèi)容保持不變。 具體對應(yīng)功能及描述如表 3. 1 所示 : 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 14 表 NRF24L01引腳功能 引腳 名稱 引腳功能 描述 1 CE 數(shù)字輸入 RX 或 TX 模式選擇 2 CSN 數(shù)字輸入 SPI 片選信號 3 SCK 數(shù)字輸入 SPI 時鐘 4 MOSI 數(shù)字輸入 從 SPI 數(shù)據(jù)輸入腳 5 MISO 數(shù)字輸出 從 SPI 數(shù)據(jù)輸出腳 6 IRQ 數(shù)字輸出 可屏蔽中斷腳 7 VDD 電源 電源（ +3） 8 VSS 電源 接地（ 0V） 9 XC2 模擬輸出 晶體振蕩器 2 腳 10 XC1 模擬輸入 晶體振蕩器 1 腳 /外部時鐘輸入腳 11 VDDPA 電源輸出 給 RF 的功率放大器提供的 + 電源 12 ANT1 無線 無線接口 1 13 ANT2 無線 無線接口 2 14 VSS 電源 接地（ 0V） 15 VDD 電源 電源（ +3V） 16 IREP 模擬輸入 參考電流 17 VSS 電源 接地（ 0V） 18 VDD 電源 電源（ +3V） 19 DVDD 電源輸出 去耦電路電源正極端 20 VSS 電源 接地（ 0V） NRF241L01 工作模式 : 通過配置寄存器可將 NRF241L01 配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式 。可直接與單片機(jī)I／ O 連接，外接元件數(shù)目少。 圖 單片機(jī)時鐘電路圖 STCI2C5A60S2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 所示。具體電路設(shè)計如圖 所示。由于發(fā)光二極管的最大電流為 20mA，考慮到節(jié)能和發(fā)光二極管的長期使用設(shè)計發(fā)光二極管工作在 5mA。 本 設(shè)計所用單片機(jī)最小系統(tǒng)由 STCI2C5A60S2 作為核心芯片，該系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路組成。它有高速、高可靠、低功耗、超低價、強(qiáng)抗靜電、強(qiáng)抗干擾的功能 [3]。所采集的數(shù)據(jù)也通過 無線模塊 NRF24L01 發(fā)送至主機(jī)進(jìn)行匯總顯示。 DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字 1Wire 溫度傳感器，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機(jī)處理，采用 1Wire 接口。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 8 3 硬件電路設(shè)計 本系統(tǒng)硬件電路 設(shè)計由 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計、 無線模塊電路 設(shè)計、 液晶顯示 電路設(shè)計、溫度傳感器電路設(shè)計 4 部分組成。極大地擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。設(shè)計一種可以用于無線多點溫度測量的實時檢測系統(tǒng)。因此使用該芯片也可以在很大程度上降低系統(tǒng)成本 [2]。它 與藍(lán)牙不同的 地方 是 NRF24L01沒有復(fù)雜的通信協(xié)議 ， 它完全對用戶透明 ， 同種產(chǎn)品之間可以自由通信。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊 ， 并融合了增強(qiáng)型 Shock Burst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。相比 NRF24L01 其工作頻率適用范圍較窄，無法在高頻狀態(tài)下工作，達(dá)不到系統(tǒng)要求。 NRF905 是 挪威 Nordic 公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為 ~， 32 引腳 QFN 封裝（ 5mm5mm） ，工作于433/868/915MHz3 個 ISM 頻道。所以 數(shù)字 集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。 由數(shù)字溫度 傳感器 DS1820 和微控制器STC12C5A60S2 構(gòu)成的溫度測量裝置 ， 數(shù)字溫度 傳感器 DS1820 能 直接輸出溫度的數(shù)字信號 ， 可直接與 單片 機(jī) 直接 連接。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路。 即使能實現(xiàn) ， 也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。 綜上，控制器 芯片 采用方案一 中的 STC12C5A60S2 單片機(jī) 更符合系統(tǒng)要求。另外 STC12C5A60S2 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。單片機(jī)軟件編程的自由度大，可通過編程實現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制。本系統(tǒng)設(shè)計的無線溫度采集系統(tǒng)采用的無線傳輸模塊在很大程度上解決了多點測控系統(tǒng)中布線麻煩及信號傳輸過程中易受環(huán)境因素干擾的問題。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 4 2 方案論證 溫度檢測系統(tǒng)有著共同的特點：測量點多、環(huán)境復(fù)雜、布線分散、現(xiàn)場離監(jiān)控室遠(yuǎn)等。包括主程序設(shè)計、無線傳感器子程序設(shè)計、溫度傳感器自程序設(shè)計、單片機(jī)主機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計等； （ 7） 實 驗驗證。設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源電路、時鐘電路、顯示電路等 ； （ 3） 無線收發(fā)裝置 電路設(shè)計。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 3 課題研究內(nèi)容及要求 本系統(tǒng)主要是設(shè)計基于無線傳輸?shù)亩帱c溫度采集系統(tǒng)設(shè)計及實驗，并完成相應(yīng)的實驗。 盡管有線溫度傳感器在一定程度上達(dá)到了比較理想的結(jié)果，但因其布線的復(fù)雜，而且存在斷線和短路的隱患 和 易老化的缺點，給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增大了難度，一般不被廣泛使用。另外，溫度采集系統(tǒng)多采用熱電偶，熱敏電阻，鉑電阻和集成電路 AD590 作為溫度傳感器，這些傳感器的輸出信號均為模擬信號，需經(jīng)過放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)換后才能與計算機(jī)連接，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 [2]。目前的智能溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫度傳感器 ） 是在 20 世紀(jì) 90 年代中期問世的，它是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù) （ ATE） 的結(jié)晶，特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（ MCU）。 本系統(tǒng)針對有線溫度測量技術(shù)的局限性，充分利用無線采集系統(tǒng)的優(yōu)越性，設(shè)計一種基于單片機(jī)的多點無線溫度采集系統(tǒng)，實現(xiàn)多點溫度的實時測量，對于促進(jìn)溫度測量技術(shù)的發(fā)展有著重要現(xiàn)實意義。利用無線收發(fā)電路，加上單片機(jī)控制與液晶顯示制成一套完整的數(shù)據(jù)收發(fā)顯示系統(tǒng)。正如人們所發(fā)現(xiàn)的，只要建立雙向無線通信雙工通信并且選擇成本低的收發(fā)芯片，就會出現(xiàn)許多新應(yīng)用 [1]。無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更是以優(yōu)越的性能備受關(guān)注。 5 實驗及結(jié)果 .................................................................................................. 22 調(diào)試及結(jié)果分析 ..................................................................................................... 22 實物介紹 ..................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。并在實驗室完成了溫度數(shù)據(jù)的測量和無線傳輸實驗。本系統(tǒng) 采用 了 STC12C5A60S2 單片機(jī)作為核心控制芯片、 DS18B20數(shù)字溫度傳感器和 NRF24L01 無線通訊模塊。基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) I 摘要 傳統(tǒng)的多點溫度測量存在著連線復(fù)雜、對測量環(huán)境要求高的缺點。論文完成了方案論證、硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。實驗表明滿足設(shè)計要求，具有一定的實用和推廣價值。 總結(jié) ................................................................................................................. 25 參考文獻(xiàn)： ..................................................................................................... 26 附錄 : ............................................................................................................... 27 致謝 ....................................................................