【正文】 絡(luò)工程 任務(wù)起止時(shí)間： 2021 年 3 月 7 日至 2021 年 6 月 23 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于 nRF905 的 無(wú)線 溫度測(cè)量 系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容： 1． 學(xué)習(xí)閱讀文獻(xiàn)資料補(bǔ)充專業(yè)知識(shí)，了解有關(guān)單片機(jī)在溫度采集系統(tǒng)的應(yīng)用和 nRF905 的收發(fā) 原理；（ 3 月 7 日 — 3 月 31 日） 2． 建立整體框架，并畫(huà)出整體的硬件連接圖。 （ 4 月 1 日 — 4 月15 日） 3． 根據(jù)硬件電路原理圖及系統(tǒng)的流程圖，用 Keil C 編寫(xiě)軟件部分 。（ 5 月 16 日 — 5 月 30 日） 5． 論文整理、撰寫(xiě)及答辯。然而，生產(chǎn)環(huán)境的多變性、不確定性，導(dǎo)致許多工作場(chǎng)所不太方便布線，需要采用無(wú)線傳輸方式 。 該 設(shè)計(jì)以射頻收發(fā)芯片 nRF905 為核心，以模塊搭建設(shè)計(jì)為指導(dǎo) 思想，搭建無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線傳輸模塊組成。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò) nRF905 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)處理，最后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 傳到 PC機(jī)。 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(zhǎng)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(wèn)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(wú)法鋪設(shè)電纜時(shí)，數(shù)據(jù)甚至無(wú)法傳輸，此時(shí)便需要利用無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。而且大棚和糧倉(cāng)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(wú)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(guó)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(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)通信，這樣的研究也變得更加有意義了。和傳統(tǒng)的有線傳輸方式相比，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)具有巨大的優(yōu)越性。系統(tǒng)集成 80C51 單片機(jī) 在低功耗應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)和 nRF905 特有的多頻道 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 支持及功耗低、易控制等優(yōu)點(diǎn)，以及 DS18B20 的單總線數(shù)據(jù)傳送模式，特別適合于低功耗、小數(shù)據(jù)量的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線技術(shù)的要求也趨于專業(yè)化，功能化。 目前使用較廣泛的近距無(wú)線數(shù) 傳技術(shù)有藍(lán)牙（ Bluetooth）、無(wú)線局域網(wǎng) （ WiFi）、紅外數(shù)據(jù)傳輸（ IrDA）、 RFID和 ISM band等，同時(shí)還有一些極具發(fā)展?jié)摿Φ慕酂o(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它們分別是： ZigBee，超寬頻（ UWB）、短距通信（ NFC）、 WiMedia、 GPS、 DECT、無(wú)線 1394和專用無(wú)線系統(tǒng)等等。它能夠在 10米的半徑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)和聲音傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá) 1Mbps。 藍(lán)牙通訊技術(shù)的特點(diǎn) ： 1． 藍(lán)牙工作在全球開(kāi)放的 ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段； 2． 使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道（ hop channel），在一次連接中，無(wú)線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道 “跳 ”到另一個(gè)信道； 3． 一臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與其它七臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備建立連接； 4． 數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1Mbit/s； 5． 低功耗、通訊安全性好； 6． 在有效范圍內(nèi)可越過(guò)障礙物進(jìn)行連接，沒(méi)有特別的通訊視角和方向要求； 7． 支持語(yǔ)音傳輸； 8． 組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便 ； 藍(lán)牙通訊技術(shù)的用途 ： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 藍(lán)牙技術(shù)是一種新興的技術(shù)，尚未投入廣泛應(yīng)用，目前許多藍(lán)牙設(shè)備還處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段。同時(shí)藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和語(yǔ)音傳輸技術(shù)使它還可以實(shí)現(xiàn)紅外技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的某些特定功能，如無(wú)線電話、多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)等等。紅外通訊技術(shù)是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，是傳統(tǒng)的設(shè)備之間連接線纜的替代。 紅外通訊技術(shù)的特點(diǎn) ： 1． 它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無(wú)線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)所支持； 2． 通過(guò)數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)線的數(shù)據(jù)收發(fā)。 紅外數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的用途 （ 常被應(yīng)用在下列設(shè)備中 ） ： 筆記本電腦、臺(tái)式電腦和手持電腦；打印機(jī)、鍵盤(pán)鼠標(biāo)等計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備；電話機(jī)、移動(dòng)電話、尋呼機(jī)；數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算器、游戲機(jī)、機(jī)頂盒、手表；工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器。它是基于現(xiàn)在運(yùn)行的 GSM 的基礎(chǔ)上發(fā)展的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，類似 于固定交換技術(shù)里的數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)，原來(lái)的 GSM 業(yè)務(wù)為電路交換業(yè)務(wù)， GPRS 采用了 GSM 同樣的無(wú)線調(diào)制技術(shù)，一樣的頻率，同樣的 TDMA 幀結(jié)構(gòu)。 GPRS 允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。 GPRS 業(yè)務(wù)能提供不間斷的信息服務(wù)，信 息的適時(shí)性在未來(lái)的運(yùn)用中是十分重要的，例如在遠(yuǎn)程信用卡的認(rèn)證應(yīng)用。 論文研究?jī)?nèi)容 本課題所研究的無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)是短距離無(wú)線通信技術(shù)在溫度測(cè)量方面的一個(gè)具體應(yīng)用。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面 【 3】 ： 1． 對(duì)于 溫度傳感器 的選用 ，應(yīng)重點(diǎn)考慮測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，信號(hào)易于處理、傳送，便于多路測(cè)量，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單的器件； 2． 對(duì)于 硬件設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)要盡 量簡(jiǎn)單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)盡量實(shí)用各種總線技術(shù)，以節(jié)約系統(tǒng)有限的 I/0 資源，并使系統(tǒng)電路盡量簡(jiǎn)單； 3． 對(duì)于 硬件電路和軟件 的 設(shè)計(jì)，一定要增加抗干擾措施，提高系統(tǒng)的抗干擾 能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 根據(jù)多點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的特點(diǎn)，我所提出的測(cè)溫方案，具有以下幾個(gè)方面的特征： 1． 采用新型的數(shù)字溫度傳感器，簡(jiǎn)化測(cè)溫電路； 2． 采用射頻芯片進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送； 3． 對(duì)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)際得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以 通過(guò)軟件進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫度 信息的智能化管理。 nRF905 單片無(wú)線收發(fā)器工作由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。 nRF905 管腳圖和引腳功能說(shuō)明 nRF905 的管腳圖見(jiàn)圖 21。 ShockBurst 技術(shù)使nRF905 能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速 MCU 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 /時(shí)鐘覆蓋。nRF905 通過(guò) ShockBurst 工作模式在 RF 以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來(lái)降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。在 ShockBurst TX 模式中， nRF905 自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和 CRC 校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 DR 信號(hào)通知 MCU 數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 nRF905 有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。 nRF905 的工作模式由 TRX_CE、 TX_EN 和 PWR_UP 三個(gè)引腳決定。由于 nRF905 工作在ShockBurstTM 模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在 ShockBurstTM 發(fā)送模式， nRF905 自動(dòng)產(chǎn)生字頭和 CRC 校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過(guò)程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。下面具體詳細(xì)分析 nRF905 的發(fā)送流程和接收流程。 ShockBurstTM 工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程開(kāi)始，無(wú)論 TRX_EN 和TX_EN 引腳是高或低，發(fā)送過(guò)程都會(huì)被處理完。 nRF905 接收數(shù)據(jù)流程： 1．當(dāng) TRX_CE 為高、 TX_EN 為低時(shí)， nRF905 進(jìn)入 ShockBurstTM 接收模式； 2． 650us 后， nRF905 不斷監(jiān)測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)； 3．當(dāng) nRF905 檢測(cè)到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測(cè)引腳被置 高； 4．當(dāng)接收到一個(gè)相匹配的地址，地址匹配引腳被置高； 5．當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢， nRF905 自動(dòng)移去字頭、地址和 CRC 校 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高 ； 6．微控制器把 TRX_CE 置低， nRF905 進(jìn)入空閑模式； 7．微控制器通過(guò) SPI 口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)； 8．當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢， nRF905 把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳和地址匹配引腳置低； 9． nRF905 此時(shí)可以進(jìn)入 ShockBurstTM 接收模式、 ShockBurstTM 發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。當(dāng)微處理器接到地址匹配引腳的信號(hào)之后，其就知道 nRF905 正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓 nRF905 繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個(gè)工作模式。 在關(guān)機(jī)模式， nRF905 的工作電流最小，一般為 。 空閑模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動(dòng)時(shí)間也比較短。nRF905 在空閑模式下的工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關(guān)。 SPI 接口的工作方式可通過(guò) SPI指令進(jìn)行設(shè)置。 SPI 接口配置： SPI 接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器 5 個(gè)寄存器組成。 射頻配置： 射頻寄存器的各位的長(zhǎng)度是固定的。 nRF905 進(jìn)入關(guān)機(jī)模式或空閑模式時(shí)，寄存器中的內(nèi) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 容保持不變。 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸及接收后再被傳輸至接受端的 80C52 單片機(jī)中，然后再由 MAX232 將數(shù)據(jù)傳輸至 PC。相比較而言 ATMEL 公司的 80C52 更實(shí)用，因他不但和 80C51 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲(chǔ)器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)，一般專為 ATMEL AT89xx 做的編程器均帶有這些功能。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了我們的勞動(dòng)成果 【 5】 。 GND：接地。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 單片機(jī) 80C52 的引腳圖見(jiàn)圖 22。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口作為 AT89C51 的 一些特殊功能口，管腳 備選功能 。 TXD（串行輸出口） 。 /INT1（外部中斷 1） 。 T1（記時(shí)器 1 外部輸入） 。 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 電平時(shí)間。 在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪問(wèn)外 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 80C52 工作詳情 數(shù)據(jù)被傳輸至單片機(jī) 80C52，八位數(shù)據(jù)分兩次傳輸，然后數(shù)據(jù)又被送至低功耗射頻傳輸單元 nRF905進(jìn)行無(wú)線傳輸 【 6】 。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，比如電腦的串口是 RS232 電平的，而單片機(jī)的串口是 TTL 電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片 MAX232 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡(jiǎn)單可靠。這是最簡(jiǎn) 單的連接方法，但是對(duì)我們來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠使用了， MAX232 的第 10 腳和單片機(jī)的 11 腳連接，第 9 腳和單片機(jī)的 10 腳連接，第 15 腳和單片機(jī)的 20 腳連接。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 C~+125176。 C 范圍內(nèi) ， 精度為177。 C。 2176。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以 “ 一線總線 ” 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性 。 圖 23 DS18B20 芯片封裝 引腳定義： 1． DQ 為單數(shù)據(jù)總線，是數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 2． GND 為電源地； 3． VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）