基于nRF24L01的温度测试装置设计

2012 届毕业设计说明书1基于 nRF24L01 的温度测试装置设计与实现摘要温度检测在日常生活、工作和工程实践中具有非常重要的应用。尤其在工业生产中，对温度的的检测要求越来越高，包括测量范围、精度、实时性、低功耗、远程传输等。本设计将系统分为发送和接收两个部分，基于此，采用两个主控芯片 STC89C51。其实现过程为：发射部分 PT100 温度传感器采集温度信息的模拟量，将模拟量进行处理后传至模数转换器 ADS7816 将温度模拟量转换成数字量，然后利用单片机 89C51 控制的无线传输模块 nRF24L01 将转化后的温度信息量进行无线传输，在接收部分利用配对的传输模块实现温度信息的接收，信息接收后用单片机进行处理，1602 显示出实时温度，达到实现温度的远程传输。在经过软硬件测试后，基本实现了用温度传感器采集温度，nRF24L01 远程传输后在接收端 1602上显示温度信息。传输距离20m,温度测量范围 0C 至 475C ，精度 1C，相对误差 1%3%。关键字：PT100 温度传感器，89C51， nRF24L01，无线模块 ，1602 液晶2012 届毕业设计说明书2Based on nRF24L01 temperature testing device design and ImplementationABSTRACTTemperature measurement have important applications in daily life,work and engineering practice. Especially in industrial production become increasingly demanding of temperature detection.Including measuring range、accuracy、real-time 、low-power、 remote transmission and so on. Base on this， this design use two master chips. Its implementation process is: Temperature sensor collects analog information of temperature,deal with analog data,transmit the data to the analog to digital converter which is named of ADS7816 for the digital data.then using SCM which is named of STC89C51 control nRF24L01 module temperature data collected by wireless transmission, thus breaking the distance limitations of traditional temperature operation. In the accePT module uses pair transmission module to receive the information of temperature ,deal with the data after receiving the information using the SCM.1602 show real time data. Achieving the target to remote transmission.After software and hardware testing, I basically realize our Initial target. remote transmission show the information of temperature on 1602. Transmission distance20m, temperature range 0 to 475 degrees, 1 degree accuracy.，relative error 1%3%.Keywords: PT100 Temperature sensor 89C51 nRF24L01 wireless module 1602 liquid crystal2012 届毕业设计说明书3目录1 绪论 .11.1 课题的背景与意义 .11.2 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果 .11.3 对设计任务的分析 .31.4 预期结果 .31.5 论文结构和安排 .32 主控芯片及编程环境的介绍 .42.1 STC89C51 简介 .42.2keil 开发软件及 STC_ISP 烧写程序软件 .52.2.1Keil 开发软件介绍 .52.2.2 STC_ISP 烧写程序软件介绍 .63 硬件系统的设计与实现 .83.1 发送模块系统设计 .83.1.1 稳压 电源模块设计 .93.1.2 温度采集模块设计 .103.1.3 AD 转换模块设计 .163.1.4 发射模块设计 .173.2 接收模块系统设计 .183.2.1 电源模块设计 .183.2.2 接收模块设计 .193.2.3 显示模块设计 .194 软件系统的设计与实现 .204.1 AD 转换程序 .204.2 无线收发模块程序 .214.3 液晶 1602 程序 .234.4 总程序流程图 .254.5 接收发 总程序 .265 系统测试结果 .272012 届毕业设计说明书45.1 制作过程 .275.2 调试步骤 .275.3 实验结果 .276 结论 .30附录 .31附录 A：发射 sch 总图 .31附录 B：接收 sch 总图 .32附录 C：发射模块 PCB 图 .33附录 D：接收模块 PCB 图 .34附录 E：发射模块 3D 图 .35附录 F：接收模块 3D 图 .36附录 G：发射和接收模块实物图 .37附录 H：PT100 温度分度表 .38附录 I：发射模块程序 .40附录 J：接收模块程序 .49参考 文献 .62致谢 .642012 届毕业设计说明书第 1 页 共 64 页1 绪论1.1 课题的背景与意义随着科技不断的进步、生产的需要，利用远程无线通信来进行温度的采集、传输已经是一个相当重要的课题，其应用已渗透到生活生产的方方面面。在日常生活中，随着人们的生活水平提高，对温度的敏感度也越来越高。如今许多家庭都会有安装室内温度采集系统。利用无线通信将温度信息传至升温或降温系统，以此来调节室内的气温达到舒适的生活环境，改善生活的质量。在工业生产上，对温度的测量范围要求是相当高的。普通的测温传感器已经达不到要求了。工业的生产车间，对温度的测量范围需求基本上在 0500，而且在机器化的时代，不可能一台一台机器去检测温度。现如今，许多厂家都采用批量测温，远程传输，统一观测，这在生产上大大提高了效率。在农业生产中，远程测温同样扮演了很重要的角色。像传统的烤烟房，都是配对普通的温度计对温度进行测量，而且需要对温度分阶段测量。在深夜离开暖暖的被窝去烤烟房测量温度是多么让人厌烦的事。远程无线温度传输很好的解决了这个问题，直观、简洁、方便。以上只是简单的列举了几个例子。在现实生活中，还有很多方面都用到了无线温度采集系统。例如军事国防、医疗设备、环境监测、工农业、机器人控制等领域。该系统解决了很多布线麻烦的问题，避免了要到采集地点读取温度的弊端。应用该系统，需要好的无线传输设备，设想假如在对温度要求极其精确的情况下，由于传输设备编码等问题导致数据错乱，编码失败，使温度传输错误，这样带来的后果轻则是财产损失，重则关乎性命。这样对该研究的意义就显而易见了。嵌入式的无线通信和无线网络正在向我们走来，以无线片上系统（SoC）为核心的低功耗、小体积、低价格嵌入式无线通信和无线网络系统近年来得到了迅速发展，已经产生出无数的新应用和新市场。这种新的嵌入式无线通信和无线网络，也是本课题所研究的重点。1.2 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果在相关学科的不断发展和进步，无线环境监测系统网络同时还具有了获取多2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 64 页种信息的综合处理能力，并通过与传感控制器相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。近年来， 随着无线通信技术的发展， 无线通讯设备的集成化越来越高。本文介绍了一种选用高性能、低功耗的传输模块。在 2.4GHz 非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee 等多个标准无线协议,本来各协议可以相安无事开发自己的专有应用,但现在,非标准无线射频协议的涌入打破了这一平衡,该协议意图蚕食蓝牙、Zigbee 已有的市场。该芯片支持的数据率可以高达 2Mbps,接收模式电流消耗仅有 12.5mA！ 不单是支持高速数据传 ,nRF24L01 还支持无线组网,可支持同时接收六路无线设备数据。由于在 2.4GHz 非授权频段上已经有多种无线应用,如何确保信息发送接收的在干扰状态下保持连续性就很重要。nRF24L01 片上的检测功能可以检测任何固定频率的网络,例如,如果检测到附近有工作的无线局网,nRF24L01 可以利用很短的时间快速从拥挤的通道中转换出来。另外,nRF24L01 集成了自动发送和接收数据包、发送和应答信号、检测和重发都是丢失数据包、存储没有收到应答信号的数据包等功能,所以可以自动重发丢失的数据包,可以确保用户终端的可靠性。 nRF24L01 内嵌了 ANT 协议,可以方便地组建无线网络。ANT 是一个无线个人局域网（PAN）通讯技术,可以确保连接数据完整性,并是一个低成本、低功耗无线网络协议。该协议调制方式是采用 GFSK 调制,支持星型和端对端等多种组网形式,支持的节点是 2 到数千个以上,所以,它不但威胁到蓝牙应用还威胁到 Zigbee 应用。nRF24L01 是 NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用 FSK 调制，内部集成 NORDIC 自己 Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信。无线通信速度可以达到 2M（bps） 。NORDIC 公司提供通信模块的GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留 5 个 GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为 MCU 系统构建无线通信功能。2012 届毕业设计说明书第 3 页 共 64 页1.3 对设计任务的分析本系统的设计采用了工作于 2.4GHz 频段 nRF24L01 射频芯片，并有低功耗单片机 STC89C51 控制实现短距离无线数据通信。整个系统主要分为发送和接收两个部分。发送部分又可以分为电源稳压模块、稳压桥式电路模块、放大电路模块、AD 转换模块、nRF24L01 驱动模块，接收部分又可以分为电源稳压模块、1602 液晶显示模块、nRF24L01 接收模块。通过 nRF24L01 进行无线通信，主控芯片STC89C51 控制外围电路，包括 AD 转换模块、1602 液晶显示模块、nRF24L01 发送和接收模块。1.4 预期结果采用STC89C51单片机作为主控CPU ，PT100为温度采集模块，nRF24L01 作为无线收发模块，加上液晶显示模块构成系统。要求完成硬件模块的设计和电路板的制作。软件模块包括温度检测模块、无线发射模块、无线接收模块和显示模块。温度测量范围：0C至475C，传输距离25m 。1.5 论文结构和安排本文基于本次毕业设计的过程与要求，将全文分为五章。具体内容如下：第 1 章 绪论 本章简单介绍了课题的研究背景、目的和意义、无线温度检测的国内外发展现状和相关领域中已有的研究结果、该设计的预期结果。第 2 章 主控芯片及编程环境的介绍 本章介绍了本次毕业设计的主控芯片及相应的编程环境，让我们熟悉了整个系统的调试方法。第 3 章 硬件系统的设计与实现及芯片的选取 本章介绍本课题硬件系统各部分电路的设计、实现，讲述了各模块的芯片选取和功能。第 4 章 软件系统的设计与实现 本章根据系统的总方案，设计出程序的总流程图，并利用 C 语言编写相应的程序。第 5 章 系统的调试及实验结果 本章根据已有的软硬件，进行调试，得到的相应成果。最后总结本文，得出相关结论。2012 届毕业设计说明书第 4 页 共 64 页2 主控芯片及编程环境的介绍2.1 STC89C51 简介随着大规模集成电路的技术的发展，可以将 CPU、RAM、ROM、定时器/输出（I/O）接口电路等主要计算机部分，集成在一块电路芯片上。这样所组成的微型计算机称为单片机微型计算机（single chip microcomputer） ，直译为单片机或单片微机。STC 系列单片机是美国 STC 公司最新推出的一种 51 内核的单片机。片内含有 Flash 程序储存器、STAM、UART、SPI、AD、PWM 等模块。该器件的基本功能与普通的 51 单片机完全兼容。STC89C51 单片机的特点：新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，是 MCS-51 系列单片机的派生产品；它们在指令系统中、硬件系统和片内资源与标准的8052 单片机完全兼容，DIP-40 封装系列与 8051 为 pin-to-pin 兼容，指令代码是与 8051 完全兼容的单片机。STC89C51 单片机具有增强型 12 时钟/机器周期、6 时钟机器/周期任意选择，工作电压为 5.5V-3.4V（5V 单片机）/3.8V-2.0V（5V 单片机） ；工作频率范围：0-40MHZ，相当于普通 8051 的 0-80MHZ。实际频率可达48MHZ。用户应用程序空间为 4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K 字节 ；片上集成 1280字节/512 字节 RAM；有 32/36 个通用 I/O 口，P1/P2/P3/P4 是准双向口；集成ISP（在系统可编程）/IPA（在应用可编程） ，无需专用的编程器/仿真器，可通过串行口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K 程序 3 秒就可以完成一片，具备EEPROM 功能，工作温度范围在 0-750，共有 3 个 16 位定时器/计数器，其中定时器 T0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用；封装形式有 DIP-40，PLCC-44，PQFP-44等。2012 届毕业设计说明书第 5 页 共 64 页图 2.1 STC89C51 单片机管脚图2.2 keil 开发软件及 STC_