【正文】 獻(xiàn) ........................................................... 16 附錄一 ............................................................ 16 附錄二 ............................................................ 19 1 基于 STC89C52 單片機(jī)的無(wú)線溫度采集監(jiān)測(cè)報(bào)警器的設(shè)計(jì) 摘 要： 本文介紹了由單片機(jī)、溫度傳感器、報(bào)警器和 NRF24L01 組成 的專用無(wú)線溫測(cè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)以 STC89C52 單片機(jī)為控制核心，利用溫度傳感器 DS18B20完成溫度的采集和數(shù)據(jù)的處理， nRF24L01 實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的無(wú)線傳輸。用戶可以通過(guò)按鍵來(lái)自定義報(bào)警上、下限值，一旦溫度超過(guò)所設(shè)定的極限值，接收端單片機(jī)便啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 ： 1602 液晶顯示屏 ； 溫度傳感器 ； 單片機(jī) ； 報(bào)警 器 2 Remote monitoring and alarm design microcontrollerbased wireless temperature Abstract： This paper introduces the special wireless temperature and posed of singlechip microputer, temperature sensor,alarm and NRF24L01 monitoring alarm system takes the STC89C52 single chip microputer as control core, using the temperature sensor to plete the processing temperature collection and data, nRF24L01 wireless transmission of en. This paper designs a host from machine, from machine monitoring environmentalironment , the host shows the current monitoring of the environment temperature. The user can through button from the definition of alarm,lower value limit,once the temperature exceeds a set value, receiver chip will activate alarm system. This system is of high precision, simple structure, safe,reliable, lowest power consumption, realtime,low cost, in the industrial, medical, military life and so on many occasions widely used. Key words： 1602 LCD screen； Temperature sensor； Single chip microputer；alarm 3 前 言 溫度與人類的生活息息相關(guān)。在人類社會(huì)中，無(wú)論工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系。 在工業(yè)中，由于生產(chǎn)環(huán)境的好壞，工作人員不能在現(xiàn)場(chǎng)較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)設(shè)備是否有運(yùn)行正常，就需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)環(huán)境相對(duì)好的操控室中，這樣就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。而且， 當(dāng) 數(shù)據(jù)采集點(diǎn) 在 運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 時(shí) ，環(huán)境不能鋪設(shè)電纜，數(shù)據(jù)不得轉(zhuǎn)讓，這個(gè)時(shí)候需要使用 溫度 采集無(wú)線傳輸 。在日常生活中，隨著人們生活水平的提升，居住條件漸漸變得智能化。 無(wú)論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)還是日常生活中， 凡是布線復(fù)雜或不能布線的地方都希望可以通過(guò) 無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 來(lái)解決。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)采用 價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便，低功耗的 AT89S52 單片機(jī)作為主控芯片。由 美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 可編 程 DS18B20 溫度傳感器作為溫度檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為 55～ 125℃。采用高速低功耗的 NRF24L01 無(wú)線射頻模塊， 具有自動(dòng)重發(fā)的功能、數(shù)據(jù)包識(shí)別及 CRC校驗(yàn)功能，增強(qiáng)型 ShockBurstTM 模式可以同時(shí)控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無(wú)需增加 MCU 的工作量。所以選擇價(jià)格便宜、操作 簡(jiǎn)便，低功耗的傳統(tǒng)的 AT89S52 單片機(jī)。而 DS18B20 體積小，使用方便 、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 在顯示模塊的選擇上， LED7 段數(shù)碼顯示管，成本低，容易顯示控制，但不能夠顯示字符。 本系統(tǒng)主要由六個(gè)模塊組成：、測(cè)溫電路、發(fā)送電路、接收電路、顯示電路和報(bào)警電路。 （ 2）發(fā)送電路和接收電路：由 nRF24L01 來(lái)完成無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸。 （ 4）顯示電路：顯示當(dāng)前所測(cè)得的溫度。 （ 6）電源模塊：提供電源。 采用 STC89C52 單片機(jī) 作為主控芯片 。發(fā)射端端電路圖見附錄一圖 1。同時(shí)程序可以設(shè)定上下限報(bào)警溫度。 本文設(shè)計(jì)一從機(jī)與一主機(jī)。主機(jī)為接收端，由 AT89S52 單片機(jī)，nRF24L01 無(wú)線射頻模 塊，顯示模塊，報(bào)警電路組成。 STC89C52 主 控 制 器 發(fā)射 DS18B20 接收 STC89C52 主 控 制 器 顯示電路 報(bào)警電路 5 圖 11 溫度無(wú)線采集報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2 主要元器件介紹 AT89S52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC89C52 是一種低功耗、高性能具有 8K 可編 Flash 使用高密度存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)器。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié)的 Flash， 256 字節(jié)的 RAM， 32 位 I / O線，看門狗定時(shí)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 十六 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一 個(gè) 六 向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu) ，全雙工串行口，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。在 CPU 工作停止，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作的空閑模式。這個(gè)模塊以單片機(jī)為中心，把程序代碼燒進(jìn)去，然后外接復(fù)位電路、振蕩電路、鍵盤控制、 LED 顯示電路、報(bào)警電路等子模塊。要使單片機(jī)工作起來(lái)最基本的電路構(gòu)成為單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 21 示。連接方式為單片機(jī)中的 40 腳 VCC 接正極 5V，而 20 腳 VSS 接電源地端。單片機(jī)在接通電源時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)這一過(guò)程確定單片機(jī)的起始工作狀態(tài)。 一般復(fù)位包含上電自動(dòng)復(fù)位與外部按鍵的手動(dòng)復(fù)位，單 6 片機(jī)要是在時(shí)鐘電路的工作以后，在 RESET 端持續(xù)的給出 2 個(gè)機(jī)器周期高電平就可以完成復(fù)位的操作。 時(shí)鐘電路就相當(dāng)于單片機(jī)的一個(gè)心臟，掌握著單片機(jī)的整個(gè)工作節(jié)奏。 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出，反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有六個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為兩個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有十二個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 12MHZ，那么一個(gè)振蕩周期是 1/12us。一般 STC 單片機(jī)資源比其它單片機(jī)要多，而且執(zhí)行的速度快； STC 系列單片機(jī)使用串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行燒寫 ,下載程序較為方便； STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部集成了看門狗電路；且具有很強(qiáng)抗干擾能力 [3]。 nRF24L01 概述 nRF24L01 是一款功耗低的新型單片射頻收發(fā)器件，工作 ～ ISM頻段。 nRF24L01 可以通過(guò)配置寄存器配置為 發(fā)射、接收、空閑及掉電 這 四種工作模 7 式 ，具體如表 21 所示。C~+125176。由于 DS18B20 溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出都集中在一個(gè)芯片上，所以大大提高了抗干擾能力 [5]。用于存放 DS18B20ID 編碼的 ROM 只讀存儲(chǔ)器，它共有 64 位 ROM。 DS18B20 測(cè)量的精度高，電路的連接相對(duì)簡(jiǎn)單，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)至 3 根或 2 根端口線上，并且 CPU 只需要一根線就能夠和多個(gè) DS18B20 進(jìn)行通信，其占用的微處理器端口比較少，可以節(jié)約較多的引線與邏輯電路。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 隨著生活水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的逐漸進(jìn)步，人們對(duì)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度要求也越來(lái)越嚴(yán)格。本設(shè)計(jì)選用 DS18B20 作為溫度采集元件，配合低功耗單片機(jī)的使用就能夠很巧妙地克服傳統(tǒng)上的不足。本設(shè)計(jì)由 STC89C52 作為主控 CPU， DS18B20溫度采集模塊、 nRF24L0l 無(wú)線收發(fā)模塊和顯示模塊組成整個(gè)系統(tǒng)，如圖 31 所示。 nRF24L01 作為單片射頻收發(fā)芯片。如圖 32 與圖 33。 圖 34 顯示電路 聲光報(bào)警電路 電路通過(guò)三極管基極串連一個(gè)電阻與單片機(jī) 端口連接從而達(dá)到控制蜂鳴器是否報(bào)警。電路如圖 35 所示。設(shè)置鍵控制溫度上下限的選擇，加減 鍵調(diào)節(jié)溫度的上下限值。 圖 36 按鍵連接電路圖 溫度采集模塊 溫度傳感器 DS18B20 可直接與單片機(jī)相連完成數(shù)據(jù)的采集與處理， 本 設(shè)計(jì)中與發(fā)送端單片機(jī)的 P26 連接 [8]，接口電路如圖 37 所示。 電源接口電路如圖 38 其中 P1 為電池接口， SW2 為電源開關(guān)。 圖 38 電源接口電路 4 系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)思路 應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的，應(yīng)穩(wěn)定正確的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。 (2)各 個(gè) 功能 的 程序?qū)崿F(xiàn)模塊化。 (3)在 程序存儲(chǔ)區(qū)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 需 要合理 的 規(guī)劃，既能 夠 節(jié)約內(nèi)存 的 容量，又 能操作方便 [9]。各個(gè)功能程序運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求都要設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志以便查詢，程序轉(zhuǎn)移，控制都可通過(guò)狀態(tài)標(biāo)志條件來(lái)控制。 發(fā)送部分 發(fā)送部分的一個(gè)循環(huán)的總體思路是這樣的，先初始化 nRF24L01，從 DS18B20 讀出溫度（ DS18B20 采用默認(rèn)的 12 位精度），將得到的溫度值的反碼轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制，取溫度數(shù)組的高兩位（即整數(shù)部分）寫入發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)組，然后初始化 nRF24L01，將溫度發(fā)送，其流程圖如圖 41 所示。如果有就從 FIFO_buffer 讀入二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制在數(shù)碼管上顯示出來(lái)，其流程圖如圖 42 所示。然后經(jīng)過(guò)溫度處理后通過(guò)調(diào)用無(wú)線發(fā)送程序?qū)囟葦?shù)據(jù)發(fā)送給接收端。傳感器在復(fù)位后，接收應(yīng)答的信號(hào)，跳過(guò)讀ROM 中序列號(hào)后，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，在等待溫度轉(zhuǎn)換完畢后，保存數(shù)據(jù)。 圖 43 溫度檢測(cè)軟件流程圖 無(wú)線發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì) 首先將進(jìn)行初始化的操作，初始化包含設(shè)置單片機(jī) I／ O 與 SPI 相關(guān)寄存器兩部分內(nèi)容，其可以與 nRF24L01 進(jìn)行通 信。在發(fā)射數(shù)據(jù)的時(shí)后，要首先將 nRF24L01 配置成發(fā)射模式。 初始化開始返回值為 1跳過(guò)讀取 ID發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換延時(shí) 800 ms復(fù)位跳過(guò)讀取 IDScratchpad 命令讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)碼管顯示 13 圖 44 無(wú)線發(fā)射軟件流程圖 無(wú)線接收模塊軟件設(shè)計(jì) 接收數(shù)據(jù)的時(shí)后，先將 nRF24L01 配置成接收模式。當(dāng)接收方監(jiān)測(cè)到有效的地址與 CRC 時(shí)，就把數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存在接收堆棧中，同時(shí)將狀態(tài)寄存器 中的中斷標(biāo)志位 RX— DR 置高，在產(chǎn)生中斷讓 IRQ 引腳變成低電平，以便告知 MCU 去取數(shù)據(jù)，其流程圖如圖 45 所示。 5 硬件 功能實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)調(diào)試 在完成硬件電路的焊接后。再將其中一片 STC89C52 與四位數(shù)碼管及溫度傳感器DS18B20 相連，寫入測(cè)量溫度的程序。然后將 nRF24L01 的收發(fā)部分分別與兩片 STC89C52 相連，寫入發(fā)射一個(gè)常數(shù)的程序，檢測(cè)收發(fā)模塊及程序是否好使。 調(diào)試結(jié)果 本系統(tǒng)采用的是單點(diǎn)通信傳輸溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)采集端傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)指示燈閃爍。如果將溫度上下限調(diào)為 10℃至 30℃時(shí)， LCD1602 顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)到的溫度，如圖 51 所示。 15 圖 52 溫度超過(guò)上下值報(bào)警器報(bào)警 6 總結(jié) 本文中無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在智能控的制方面，應(yīng)用了單片機(jī) STC89C52 作為系統(tǒng)控制的核心，最大限度的將具備的資源采用到設(shè)計(jì)中，既體現(xiàn)了單片機(jī)最小系統(tǒng)的應(yīng)用的靈活性， 又實(shí)現(xiàn)功能多樣智能控制。在實(shí)際使用中，適合環(huán)境復(fù)雜不適合布線的溫度采集。 基于 DS18B20數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)確實(shí)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn) 。單片機(jī)的語(yǔ)言編程理論知識(shí)并不深?yuàn)W，但在實(shí)際編程中沒那么簡(jiǎn)單，更多需要融入個(gè)人的編程思路和算法。在對(duì)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，利用所學(xué)的基本理論和查閱的相關(guān)