【正文】 ???????? 35 附 錄 ? ? ???????????? ?? ??? ????????? ???????????? 36 致 謝 ? ?? ????? ????? ?? ??? ???? ?????? ???????????? 39 1 摘要 溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。傳統(tǒng)直接布線測(cè)量不滿足要求，特別是 在某些環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境 和戶外環(huán)境，通過直接布線測(cè)量 不現(xiàn)實(shí) 。 目前有些設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)無線溫度采集，但 價(jià)格 過高是其最大的缺點(diǎn)。 因此設(shè)計(jì)一種低功耗的無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)很有意義。 通過簡(jiǎn)單的無線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)可靠性與功耗平衡， 該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)，能夠同時(shí)進(jìn)行溫度檢測(cè)，是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)。 無線傳輸采用 NRF24L01模塊傳輸。 關(guān)鍵字： 單片機(jī) 無線傳輸 NRF24l01 DS18B20 2 ABSTRACT Temperature is a very important parameters. In the industrial, medical and military and life and many other place, it needs to use the temperature measurement device to detect temperature. The traditional direct measurement wiring does not meet the requirements, especially in some environmental bad industrial environment and outdoor environment, through the direct wiring measurement is not practical. So using wireless transmission temperature testing is necessary. At present some design can realize the wireless temperature gathering, but the price is too high, its biggest weakness. In the actual temperature control process requires both system has stability, realtime and the need to reduce power consumption. So the design of a kind of low power consumption wireless temperature detection system is very meaningful. This paper presents a USES the monolithic integrated circuit AT89C51 control DS18B20 of the realization of the wireless temperature measuring system. Through the simple wireless munication protocol, realize the reliability and power balance, the system can realize to the temperature detection, can simultaneously determine the temperature, can be realized the wireless remote control temperature detection system. Low power consumption, realtime wireless temperature detection is the biggest characteristic of the design. Wireless transmission using NRF24L01 module transmission. The system structure is simple, reliable, low power consumption, low cost, it is a kind of wireless sensor solutions. Key word: MCU AT89C51 wireless transmission NRF24l01 DS18B20 3 1 緒論 本章對(duì) 基于 NRF24L01無線溫度測(cè)量系統(tǒng) 的研究背景、研究意義進(jìn)行了綜合評(píng)述，對(duì) 基于 NRF24L01無線溫度測(cè)量系統(tǒng) 的國內(nèi)外發(fā)展歷史做了拋磚引玉式的回顧，通過目前國內(nèi)外具有代表性的公司生產(chǎn)的波形發(fā)生器產(chǎn)品的比較，得出目前本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，在本章的最后明確了本設(shè)計(jì)的具體研究內(nèi)容。 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時(shí)間停留在現(xiàn)場(chǎng)觀察設(shè)備是否運(yùn)行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個(gè)環(huán)境相對(duì)好的操控室內(nèi)，這樣就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設(shè)電纜時(shí)，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時(shí)便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。而且大棚和糧倉占地面積大，檢測(cè)目標(biāo)分散，測(cè)點(diǎn)較多，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。 在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。 以上只是簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子，在現(xiàn)實(shí)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(cè)、軍事國防、機(jī)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。為此，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通信，這樣的研究也變得更加有意義了。 Nordic公司等公司已成功推出 NRF24L01芯片， ISM頻段免許可證使用。 模塊是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM頻段。 NRF24L01 功耗低 ,在以 6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9mA。至此這種基于此頻段的通信方式已日漸趨向成熟。類似美國 DALLAS公司推出的數(shù)字測(cè)溫芯片 DS18B20 層出不窮，國內(nèi)外的研究在這方面的研究也趨近完善。該接口設(shè)計(jì)具有成本低、傳輸速率 高、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以及通信穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。發(fā)送部分以單片機(jī) AT89C51 為核心，使用溫度轉(zhuǎn)換芯片 DS18B20 實(shí)時(shí)采集溫度并通過 NRF24l01將采集的溫度無線傳送給接收部分，然后在 LCD1602 上顯示，并通過串口發(fā)送到 PC 機(jī)上顯示，通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度過高或過低進(jìn)行報(bào)警 。本系統(tǒng)主要用于測(cè)量 糧庫、 蔬菜大棚 等場(chǎng)所 的溫度，所以與傳統(tǒng)的溫度計(jì)相比，測(cè)溫系統(tǒng)的體積要盡可能的小，這樣才能減少占用的空間，而且更便于安裝和更換。為了保證系統(tǒng)能夠正常工作，并且盡可能減少測(cè)溫誤差，要求接收端與發(fā)射端之間的無線通信可靠。 。 主控芯片方案 方案一：采用傳統(tǒng)的 AT89C51單片機(jī)作為主控芯片。 方案二：采用 TI公司生產(chǎn)的 MSP430F149系列單片機(jī)作為主控芯片。但其價(jià)格比較昂貴，而且是 TPFQ貼片封裝，不利于焊接，需要 PCB制板，大大增加了成本和開發(fā)周期。此芯片內(nèi)置 ADC和 SPI總線接口，且內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，可達(dá)到 1MPS。 考慮到此系統(tǒng)需要不用到 ADC，從性能和價(jià)格上綜合考慮我們選擇方案一，即用 AT89C51作為本系統(tǒng)的主控芯片。 方案二：采用 TI公司 CC2430無線通信模塊，此 模塊采用 Zigbee總線模式，傳輸速率可達(dá) 250kbps，且內(nèi)部集成高性能 8051內(nèi)核。 方案二：采用 NRF24L01無線射頻模塊進(jìn)行通信， NRF24L01是一款高速低功耗的無線通信模塊。 考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和程序的復(fù)雜度，我們采用方案三作為本系統(tǒng)的通信模 塊 [2]。 AD590 測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場(chǎng)合由于 AD590精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測(cè)溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。 方案二： 采用美國 DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片，具有耐磨耐碰，體積小，使 用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域 ； 經(jīng)濟(jì)，方便 [3]。 AD590還需要其它輔助電路，線路復(fù)雜，編程難度大，但是溫度精確 。 顯示模塊方案 方案一：選擇主控為 ST7920的帶字庫的 LCD12864來顯示信息。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 顯示信息， 1602 是一款比較通用的字符液晶模塊，能顯示字符和數(shù)字等信息，且價(jià)格便宜，容易控制 。 綜合以上方案，我們選擇了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的字符液晶 LCD1602來作為接收端的顯示 ， 發(fā)送端用 7段數(shù)碼管顯示。 RS232 串口 是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會(huì) (Electronic Industries Association， EIA) 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地 線 [4]。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有 2500pF 的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m 的通信電纜時(shí)，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容 量減小，通信距離可以增加。 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。所以，以 RS232C 為主來討論。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在 0～ 20200b/s 范圍內(nèi)的通信。由于 通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS232C 制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。 MAX232作為 RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片，完成 TTL電平到 RS232電平的轉(zhuǎn) 換 [5]。 系統(tǒng)方案確定 對(duì)于本論文的 基于 NRF24L01 無線溫度測(cè)量系統(tǒng) 來說，整個(gè)系統(tǒng)由溫度采集端和溫度接收端兩個(gè)部 7 份組成，兩者之間通過無線信道通信。數(shù)據(jù)接收端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和處理。 圖 MAX232與 PC的串口通信電路 下位機(jī) 上位機(jī) 圖 數(shù)據(jù)采集端由傳感器、微處理器和無線模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)接收端接收到采集端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議拆包，取出里面的有效數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。 無 線 收 發(fā) 模 塊 單片機(jī) AT89C51 PC機(jī) 控制模塊 顯示模塊 溫度傳感器 單片機(jī) AT89C51 無線收發(fā)模塊 8 3 無線溫度采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 單片 NRF24L01 無線模塊 NRF24L01 芯片概述 NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。 NRF24L01功耗低 ,在以 6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9 mA。 NRF24L01主要特性如下： 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。各引腳功能如下： 圖 NRF24L01 封裝圖 CE：使能發(fā)射或接收 。 VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為 V； 9 ANT1,ANT2：天線接口 ； IREF：參考電流輸入。 待機(jī)模式 1 主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的 ； 待機(jī)模式 2 則是在當(dāng) FIFO 寄存器為空且 CE=1 時(shí)進(jìn)入此 模式； 待機(jī)模式下，所有配置字仍然保留。 表 31： NRF24L01 四種工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 發(fā)射模式 1 0 1 數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中 發(fā)射模式 1 0 1→0 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機(jī)模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 待機(jī)模式 1 1 0 無數(shù)據(jù)傳輸 掉電 0 工作原理 發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將 NRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址