毕业设计（论文）-多点温度采集及发射系统的设计.doc

设计（论文）内容1、设计一个具有多点温度采集和传输功能的系统。可对多路环境温度实时数据采集，并传送到处理中心进行处理。2、要求给出合理可行的设计方案及其理论分析；3、要求给出主要器件的选择依据；要详尽给出必要的外围电路参数的计算过程；4、在分析、计算和仿真的基础上给出规范的电路原理图；根据电路原理图给出合理的PCB图及系统原型；5、制作出符合设计要求的实物模型；6、翻译与设计内容相关的英文文献一篇。系统的功能及技术指标要求(论文研究的目标)1、本数据采集与传输系统既可对8 路数据进行轮检，也可设置为对一路数据单独监控。可由外部指令调用任一路数据，通过调频方式传送给主机。主机通过解调的方式，获得所需数据，并在液晶上显示。数据传输可通过单片机的串行通信方式来实现。2、也可对8路数据分别设定温度预警值，温度预设范围：-9999摄氏度。当温度达到警戒值时，发出报警信号。每超过警戒值10度，输出频率增加一倍，报警声音音调提高。3、 控制信号的处理要求基于51单片机来实现；4、 系统设计完后要求进行仿真，并对仿真结果作相关分析；仿真结果符合设计值，给出结论；不符合，则分析原因，提出改进方案，再重新仿真；设计说明书（论文）撰写要求（1）毕业设计说明书或论文应包括题目、摘要、目录、绪论、正文、结论、参考文献、致谢、附录等几部分构成，格式应符合印刷出版物的规范。（2）题目应确切、精炼、传神,能概括整个设计或者论文的中心内容,一般应包括设计或研究的目标及方法。（3）摘要是设计或论文的高度概括，是全文的缩影,应包括设计或研究内容、方法、结果和结论等要素。要求用中、英文分别书写，中文摘要不宜超过400字，英文摘要不宜超过350个实词。结尾要列出35个关键词。（4）绪论部分陈述设计的目的和意义、设计项目发展情况综述、设计原理、设计方法等，或者论文背景及意义、现状评述、研究目标、研究方法和技术路线等。（5）正文部分主要叙述设计（子）目标及其设计过程、设计结果、对设计结果的仿真分析及硬件在回路调试、测试以及对测试结果的分析等，或者理论分析的方法、算法、计算结果及分析讨论等。（6）结论是对整个设计或研究工作进行归纳和综合而做出的总结，包括设计或研究工作的结果、所用设计或研究方法与已有方法的比较、所得结果与已有结果的比较；并应联系实际结果，指导出它的应用价值和在实际中推广应用的可能性或学术意义；在课题研究中尚存在的问题，对进一步开展研究的见解与建议等。（7）设计中所参考的方法或研究论文中引用过的论点论据，必须一一列出其出处文献。（8）对于毕业设计（论文）的指导教师、对毕业设计（论文）提过有益建议或给予过帮助的同学与集体，都应在论文的结尾部分书面致谢，言辞应恳切，实事求是。（9）在论文之后附上不便放进正文的重要数据、表格、公式、图纸、程序等资料，供读者阅读论文时参考。外文专业文献的翻译也应放在附录的最末部分。设计（论文）进展安排2017年1月查找相关资料的准备工作，给出合理的设计方案，完成开题报告；2017年2月至3月完成硬件电路功能模块的逻辑架构；2017年4月至5月完成软件的功能代码开发调试；2017年5月撰写毕业设计（论文）；2017年6月毕业答辩。指导老师(签名)：2016年12月15日南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目多点温度采集及传输系统的设计设计（论文）题目来源自选课题设计（论文）题目类型工程设计起止时间2016.12-2017.6一、 设计（论文）依据及研究意义：温度监测在日常生活中应用广泛，国内外在温度监测、采集方面都有广泛的研究。目在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果,前苏联（俄罗斯）的压电石英频率温度计、日本石英温度频率转换器、我国生产的石英温度传感器，分辨能力皆可达到0.0001级别，测量范围在-40到200之间;美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计,电桥分辨0.00002。在温度传感器上的技术一路朝着更高测量精度、更大测量范围的方向发展。本文主要阐述的是以C51单片机力核心，实现数字式多路温度的监测。通过本设计可实现一个单片机处理器对8路温度检测器的温度信息的采集、传输、显示。二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）本设计主要研究C51单片机采集、传输、显示多路温度检测器数据的过程。本人设计的温度监测系统由以下模块组成：电源模块、温度传感器模块、数据监测与发射控制模块、调制与发送模块、接收与解调模块、数据接收处理与显示控制模块、按键输入模块、显示模块（见下图）其中温度传感器模块使用DS18B20温度传感器作为核心元件；调制与发送、接收与解调模块皆使用NRF905无线模块作为核心元件；控制模块实现8路温度监测频道的切换与预警温度设置的功能；显示模块使用LCD1602液晶屏，利用动态扫描的方式显示数值；C51单片机作为本设计的数据处理中心，起控制温度传感器频道、处理温度数据、控制显示模块显示相应的数值、控制报警器报警的功能。本设计预期目标是，在完成毕业设计指导书上基本的设计指标的同时，提高本设计的指标，例如温度监测输出的精度控制在1摄氏度以内；温度传感器与单片机之间的通信通过无线传输实现等。三、设计（论文）的研究重点及难点：本设计重点研究传感器的工作原理、数据传输的基本原理以及单片机处理数据的基本原理。其中单片机的数据处理原理是本设计的重中之重，其重点体现在单片机作为整个设计电路的核心模块，发挥了功能最主要的温度数据处理、数据输出与显示的功能。本设计的难点主要体现在如何实现多路数据的同步采集、传输、接收与处理，在温度数据的传输过程涉及到的调制与解调技术、在温度数据处理过程中涉及到的单片机程序编写，都是本设计所需要克服的难点。四、 设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：本设计的研究方法主要有：先收集、查阅相关专业的教科书、参考书、网上资料、现有论文，如有外国著作就先进行翻译再阅读；将资料整理，系然后统性地进行知识框架梳理，找出关键的知识内容；最后将相关的资料运用到本设计中，如相关的公式定理、电路的运作模式、芯片的基本使用方法等。在设计中遇到的难以解决障碍时，把它们收集起来，最后向指导老师请教。本设计的进行步骤是，第一周，与设计相关的资料收集与整理，参考别人现有的方法，自己加以吸收；第二到四周，理出设计框架图，分布设计出各个模块的功能；第五到十周，编写单片机代码并用仿真软件进行局部模块的仿真，最后记录总结仿真结果；第十一到十二周，搭建实际电路，烧写程序，并检测各个功能模块的运作情况；第十三周，在各个功能模块运作成功的前提下，组建最终电路，并完成最终电路的测试；第十四到十五周，书写毕业设计报告，向导师汇报毕业设计成果。五、 进行设计（论文）所需条件：1.个人电脑、单片机开发板；2.组建实物电路所需的基本芯片等原材料；3.示波器、函数信号发生器、稳压电源、万用表等实验室基本测试仪器。4.与设计相关的资料、参考文献，如：l 黄智伟.电子电路计算机仿真设计M.北京:电子工业出版社，20042 陈忠平.单片机原理及接口(第2版) M.北京：清华大学出版社，2011.53 张永瑞.电子测量技术基础M.西安：西安电子科技大学出版社，2004年12月4 何立民.单处机中级教程原理与应用M .北京：北京航空航天大学出版,1999,103-1155 Kenneth D.Reed. Protocol AnalysisJ. WestNet, 2014,70-81.6 Paul H. Young. Electronic Communication Techniques Published by Arrangement with Original PublisherM, 2013.3,39-55.六、 指导教师意见：签名： 年 月 日目 录1、绪论11.1 国内外现状11.2 本设计的意义21.3 本设计的特点22、方案论证33、单元电路设计53.1 温度传感器模块设计53.2 数据监测与发射控制模块设计63.3 无线发射/接收模块设计73.4 数据接收处理与显示控制模块设计83.5 按键输入模块设计93.6 显示模块设计103.7 报警模块设计114、软件设计144.1 发射机控制主程序的设计144.2 读DS18B20序列号主程序的设计174.3 接收机控制主程序的设计175、仿真和测试结果分析215.1 仿真测试215.2 实物测试256、总结与展望32参考文献33附录A：系统总设计原理图34附录B：实物图36附录C：系统总设计程序37英文原文58英文译文64知网查重报告68致谢69摘要：随着生产技术以及社会的发展，人们越发重视温度因素，许多场景对温度要求严格。而目前市场上与测温相关的产品普遍都是单点检测，并且它们都是基于有线信道传输，在大面积环境中监测温度时的灵活性大打折扣。在这种市场需求下，开发一套能够同时测量多点、通过无线信道传输数据，并且实用性高、成本低的温度测量系统就很有必要。本多点温度采集及传输系统由温度传感器模块、数据采集与发射控制器模块、无线信号发送与接收模块、数据接收与处理控制模块、按键输入模块、显示模块、报警模块、电源模块组成。本设计采用DS18B20作为温度传感器，其与控制器的通信方式为串行传输；采用NRF905作为无线收发模块；采用STC89C52单片机作为控制器和数据处理器；采用LCD1602作为显示屏输出测量数据。本设计系统能够通过信号无线传输的方式实时监测8路温度数据。关键词：温度采集；无线传输；多点测温；STC89C52；DS18B20Abstract:With the development of production technology and society, people pay more and more attention to temperature factors. The current market and temperature related products are generally single point detection, and they are based on wired channel transmission, the flexibility to reduce the temperature monitoring in a large area. In this kind of market demand, it is necessary to develop a set of temperature measurement system which can measure multi points and transmit data through wireless channel. The multi-point temperature acquisition and transmission system is composed of temperature sensor module, data acquisition and transmission control module, wireless signal transmitting and receiving module, data receiving and processing module, control module, manual control display module, alarm module, power supply module. This design uses DS18B20 as the temperature sensor, and the communication controller for serial transmission; using NRF905 as the wireless transceiver module; using STC89C52 microcontroller as controller and data processor; LCD1602 is used as the display output measurement data. The design of the system through the way of wireless signal transmission real-time monitoring of 8 temperature data.Key words:Temperature acquisition; wireless transmission;Multipoint temperature measurement;STC89C52;DS18B20iii南华大学电气工程学院毕业设计温度测量在生产与生活中的应用非常广泛。通过温度测量，我们在生活中可以获知环境气温，在生产中可以控制产品品质、预防事故发生。本设计的多点温度采集及发射系统集温度采集、无线数据传输、温度预警、数据显示功能于一体，通过本系统，将大大方便人们在生产与生活中对温度数据的收集与监控。1、绪论1.1 国内外现状在国内外，对于温度传感器相关方面已经有十分广泛的研究，温度测量范围和测量精度已经达到非常高的水平。传统的温度测量方法大多基于热敏电阻、电桥差分放大这种模拟电子元器件搭建的测量平台，其精度较低，且易受干扰。在电子元器件快速进步的今天，使用数字器件，能提高电路的整体性能。51单片机是应用了8031指令系统的芯片统称，51单片机是当今典型的数字逻辑控制器件，其芯片具有CPU、RAM、ROM、I/O、两组定时/计数器、5个中断源。毫无疑问，51单片机具有强大的数据处理与外围设备控制能力。51单片机的国外产品有Atmel、Intel等，国内产品主要是宏晶（STC）出产1。在大多数测温系统中，设计者应用DS18B20这种数字输出的温度传感器，其抗干扰能力强，测量精度最高达到0.0625。采用单总线结构的DS18B20只需要一根数据线即可让一个或多个DS18B20与主机之间实现通信，因此在实际工程上能大大因减少布线带来的问题，实用性和可靠性特别高。关于无线传输的产品，自上世纪80年代无线通讯开始普及到民用领域后，对无线产品的研发到了黄金阶段，出现了高通公司、NORDIC公司、飞利浦公司、TI公司等著名企业。如今，无线产品的发展方向朝着高通信质量、高传输速率、高带宽、低成本的方向发展，无线通信正逐步取代有线通信成为通讯产品的主流2。目前无论是国内还是国外，基于多点测温和无线传输温度的相关研究还处于新兴阶段。随着传感器技术和无线传输技术的进步，研发新型多点温度测量及无线传输系统的困难将相比以前降低。多点温度测量及无线传输系统的研发，将进一步方便人们在生产与生活中对温度数据的获知。1.2 本设计的意义传统的温度测量大多是单点测量，且数据传输方式是有线传输。本设计是基于DS18B20温度传感器而设计的无线传输温度系统，本系统能同时监察多路温度数据，并且传感器模块与显示模块之间的通信方式是无线通信。本系统的研发将极大满足生产行业对温度测量的需求，本系统将在工业生产、食品、医疗、勘察、科研等行业得以广泛应用。1.3 本设计的特点本设计突破传统单点温度测量、有线传输温度信号的界限，其特点如下，1.实时巡检功能：本系统能够同时检测8路温度，检测温度范围-9999。2.远距离传输功能：使用无线传输，温度传感器模块与显示模块完全分离，无线信号传送距离大于100米，传输过程抗干扰能力强。3. 人性化功能：（1）可通过键盘选择显示各个点的实时检测温度；（2）可通过键盘设定报警温度值并显示，超过此温度即自动报警，且超温越多，报警声音音调越高；（3）DS18B20温度传感器与主机之间采用共用一根总线传输的方式，方便布线。2、方案论证本设计需要解决温度测量、温度数据发送与接收、温度数据处理、数据显示等问题，在这些问题上本系统在设计之前提出以下几个总体方案：方案一，使用主从控制的半双工传输方式：本方案中电路分为两大部分，一个是从机部分，从机的主要功能是采集多个温度传感器的温度数据，并根据主机的控制命令，向主机发送所需的某路温度数据。令一个是主机部分，主机部分的主要功能是实现控制从机发送数据，处理数据，控制显示模块显示温度数值。按照本方案的设计思想，本方案的整体电路运作过程是，主机控制无线模块向从机发送信号，命令从机传回指定频道的温度，从机在接收到命令后，根据主机的命令去指令指定序号的温度传感器测量温度并传回从机，然后从机将温度信息通过无线模块发送回主机，主机在接收到数据后，进行数据的处理，然后驱动显示模块显示。本方案的优点是，主机在无下达指令给从机的时候，从机可以一支处于待命状态，因而从机在耗电方面的表现十分优秀。缺点是，主机和从机之间为半双工通信，对于电路的设计与调试将十分复杂，因而电路的可靠性也难以保证。方案二，使用单工传输方式：本方案中电路分为两大部分，一个是发射机部分，另一个是接收机部分。发射机的主要功能是在运行周期内同时采集多路温度传感器的数据，然后将所有温度传感器的数据打包并传送给无线发射模块进行数据发送，数据发送后，发射机无需理会接收机是否成功接收数据，继续进行下一轮的温度采集与数据发送。接收机的主要功能是控制无线接收模块接收来自发射机的数据信息，然后将接收到的多路温度数据进行处理，并根据用户的控制信号选择出其中一路所需的温度数据并通过显示模块进行显示3。按照本方案的设计思想，本方案的整体电路包括温度传感器模块、温度传感器模块、数据监测与发射控制模块、调制与发送模块、接收与解调模块、数据接收处理与显示控制模块、按键输入模块、显示模块，模块之间的信号流向只有一个方向。本方案的优点是，发射机与接收机之间的数据的传输方式是单工模式，因而在电路的实现上较为简单、可靠。缺点是，发射机一直在进行无休止的温度采集与数据发送操作，因而发射机的耗电量较大。方案二中耗电量的问题可以通过给发射机接入市电电源的方式来解决，从设计的实用性、可靠性角度考虑，选择方案二更为适合。方案二的系统总设计框图如下图2.1所示：图2.1 系统总设计框图根据方案二的设计思路，本设计对主要模块的器件选择方案如下：温度传感器模块选用DS8B20，控制模块选用STC89C52单片机，发送/接收模块选用nRF905，显示模块选用LCD1602液晶屏。3、单元电路设计3.1 温度传感器模块设计温度传感器是一种将温度这种模拟量转化为电信号的器件，温度传感器的选择在本设计中直接影响到最终测量结果的准确与否。在本模块中，需要达到的指标是，模块能同时测量八个温度源，温度传感器的测量误差在1之内。本模块的方案选择有，（1）使用热敏电阻、电桥、差分放大电路组建模拟温度传感器；（2）使用DS18B20数字温度传感器。方案1的元件成本较低，但是电路调试复杂，精度低。方案2的元件控制、输出方式为数字信号控制，电路可靠，精度可调。因此本模块选用DS18B20。本模块受据监测与发射控制模块的控制，产生的温度数据流向数据监测与发射控制模块。本模块采用DS18B20温度传感器，其输出信号为数字信号，具有测量精度高、抗干扰能力强的特点。DS18B20的输入电压范围为3-5.5V，测量范围为-55至 +125，输出温度数据可设置为9-12位，输出位数越少，传感器温度转换周期越短，DS18B20最高分辨率可达0.0625。DS18B20与主机之间的通信只需一根数据线（如图3.1），其2号引脚为通信脚，正常通信时需要往该引脚加5-10k的上拉电阻。需要监测多个DS18B20数据的时候，因为DS18B20内部有全球唯一的序列号，因此通过匹配序列号的方式，多个DS18B20可以共用一根数据线进行通信而不互相干扰4。图3.1 DS18B20与主机连接方式原理图本设计需要用到多个温度传感器，采用一线总线的方式可以减少布线带来的麻烦（见图3.2）图3.2 多个DS18B20与主机采用一线总线通信方式原理图当DS18B20以9位数据格式输出时，DS18B20的分辨率为0.3，本设计对温度精度的指标为1，因此采用9位数据输出格式已经足够。并且以9位数据输出时，DS18B20的温度转换时间最短，仅为100ms。这有利于对所有的温度传感器进行快速扫描。3.2 数据监测与发射控制模块设计本模块简称发射机控制模块，主要功能是控制温度传感器采集温度数据和控制无线发射模块发送数据。本模块的指标要求是能同时采集8路DS18B20的温度数据，并加以处理和发送。本模块的方案选择有STM32系列单片机和51系列单片机，在功能和处理速度上，STM32单片机无疑是更有优势，但是从实用性的角度出发，使用成本更低的51单片机已经能满足要求，因此本模块选用51单片机作为核心元件。本模块的控制信号流向温度传感器模块和无线发射模块，接收的温度信号来自温度传感器模块5。STC89C52是51系列单片机中一个十分常用的型号，其拥有32个I/O口，时钟频率最高可达40MHz，具有强大的外围设备控制能力和数据处理能力。本模块中STC89C52采用12MHz时钟频率，它与8个DS18B20温度传感器之间的信号传输方式是单总线串行传输。因为STC89C52不具有SPI数据线，因此STC89C52与无线发射模块nRF905之间的SPI通信用P1.6、P1.1、P1.5、P1.0这4个I/O口来模拟。STC89C52与DS18B20、nRF905之间的连线方式如下图3.3所示。STC89C52单片机引脚P1.0-P1.7以及P3.1-P3.2与无线发射模块nRF905相连，引脚P3.7与温度传感器模块DS18B20阵列相连，引脚P3.1与LED相接用于提示发射机成功发送数据。图3.3 STC89C52控制DS18B20与nRF905原理图3.3 无线发射/接收模块设计本模块主要是实现将温度传感器的测量结果发送到接收机以向用户显示。本模块分为发射器部分和接收器部分。发射器部分受数据监测与发射控制模块的控制，在发射控制模块的控制下，发射器把温度数据以无线电波的形式发送到空气中。接收器部分受数据接收处理与显示控制模块的控制，在控制模块的控制下，接收器获得发射机发送的温度数据。使用本模块将摆脱传统设计中使用有线电缆的传输方式，使得在大范围多点温度测量的实用性得以提高。本模块的指标是能达到100米距离的无障碍传输，发射机的温度数据能在一个发射周期内全部发送出去。本发射/接收模块的芯片选择有RX3310A和nRF905，RX3310A与nRF905芯片内部都具有滤波器、振荡器、谐振放大器等集成器件，使用、调试都非常方便。不同的是，RX3310A的传输方式为ASK，nRF905为GFSK，在相同的距离下，nRF905的信号收发过程更加可靠，因此本模块发射/接收部分均选用nRF905。nRF905具有100-200米的无障碍传输距离，调制方式为GFSK，最大发射功率+10dBm，接收灵敏度-100dBm，最大数据传输速率50kbps，工作频段为422-473MHz，工作电压1.9-3.6V。nRF905具有收发功能，通过软件设置即可改变nRF905的发射/接收状态6。nRF905的电源端需要输入1.9-3.6V的电压，本系统默认VCC供电为5V，因此需要对输入电压进行转换。本设计使用LM1117芯片，LM1117为3.3V稳压芯片，给LM1117输入5V电压，其输出电压正好能满足nRF905的供电要求。nRF905的2号引脚具有发送/接收状态切换功能，当输入高电平时，nRF905为发送模式，当输入低电平时，nRF905为接收模式。nRF905的3号引脚为发送/接收使能引脚，当该引脚处于高电平时，nRF905立刻开始发送/接收数据。3号引脚为nRF905的工作使能引脚，当该引脚处于高电平时，nRF905开始工作，当处于低电平时，nRF905处于待机状态。nRF905的6、7、8引脚分别用于载波检测、地址匹配和接收/发射数据完成标志。nRF905的9、10、11、12引脚为SPI通信引脚，主机与nRF905之间的数据传输由这4个引脚完成7。6图3.4 nRF905与主机通信原理图3.4 数据接收处理与显示控制模块设计本模块简称接收机控制模块，本控制模块在整个发射机系统中作为链接无线接收模块、按键输入模块、显示模块和报警模块的桥梁，主要功能是控制无线接收模块接收数据、处理接收得到的数据、处理按键输入模块的按键命令、控制显示模块显示温度数据和控制控制报警模块工作。本模块的指标是一个控制芯片能同时控制无线接收模块、按键输入模块、显示模块、报警模块工作。本模块的器件选择与发射机控制模块一样，采用STC89C51单片机，它与其他关联模块信号流向是，输入信号来自接收模块、按键输入模块，控制信号流向接收模块、显示模块和报警模块8。STC89C52与无线接收模块、显示模块、报警模块之间的连接如下图3.5所示。其中单片机引脚P1.0-P1.7以及P3.1-P3.2与无线接收模块nRF905相连，单片机引脚P0.0-P0.7以及P2.0-P2.2与显示模块相接，单片机引脚P2.3-P2.7与按键输入模块相接，P3.2-P3.7与报警模块相接，P3.0用于测试DS18B20序列号时与DS18B20相接，P3.1与LED相接用于提示接收机成功接收到数据。图3.5 STC89C52控制nRF905、LCD1602、报警模块原理图3.5 按键输入模块设计本模块的作用是让用户可以通过开关与按钮控制要显示的指定频道的温度数据、改变屏幕显示内容为实时温度或者报警温度、增加或减少报警温度值。本模块的指标是能实现控制测温频道的切换、控制显示模块显示实时温度或者是报警温度、控制报警温度值增加或者减少。本模块的控制信号直接传输给接收机控制模块。本模块选用高低电平开关、按钮来向主机指定I/O口输入控制信息9，其原理图如下图3.6所示，图3.6 按键输入模块原理图本模块中各个开关与按钮状态对应的控制功能如下表3.1所示，表3.1 开关与按钮状态对应的控制功能一览键名键含义状态功能KEY1自动切换频道按下自动切换弹起手动切换KEY2实时/报警温度切换按下显示报警温度弹起显示实时温度KEY3手动切换频道按下频道+1弹起KEY4报警温度值增加按下温度+1弹起KEY5报警温度值减少按下温度-1弹起3.6 显示模块设计本模块的功能是将温度数据向用户显示出来。本模块的方案选择有，（1）以7段数码管作为基本元件，电路使用动态扫描的方式10；（2）使用集成液晶屏。方案1的优点是元件成本低廉，缺点是数码管不能显示除数字以外的字符，功能较为单一。方案2的优缺点与方案一正好相反。本设计中能显示英文字符这些辅助信息，无疑能更加方便用户使用，使得设计更加人性化，因此本模块选用集成液晶屏。本模块的所有动作响应受接收机控制模块的控制信号控制。本模块选用LCD1602液晶屏作为核心元件，LCD1602功耗低、接线方便，且能显示标点符号、图形和英文字母，因其内部集成锁存器，所以与主机相连后，主机无需一直发送信号对它进行动态扫描而LCD1602可以保持内容显示，因而大大节约主机CPU资源11。LCD1602的2号引脚通电后将开启屏幕背光，3号引脚为液晶屏的对比度调节，本设计对3号引脚加入电位器来调节屏幕显示的对比度。LCD1602的4，5，6号引脚为状态、使能控制引脚。7-14号引脚为指令输入、字符编码输入引脚，通过7-14引脚不仅可以输入控制指令配置LCD1602的工作模式，还可以输入字符编码让LCD1602进行显示。图3.7 主机控制LCD1602原理图3.7 报警模块设计本模块的功能是当前温度超过警戒温度值时，发出报警声以提示用户。当前温度超出警戒温度越多，报警声音音调越高。本模块的方案有，（1）使用额外一块单片机专门输出可变频方波，变频过程受接收机的主单片机控制；（2）使用晶振分频电路，在主单片机与多选一模拟开关的控制下，输出可变频方波。方案1的电路最为简单，只因单片机在输出方波时CPU资源被完全占用，因此本方案显得浪费。方案2的电路元件较多，但是正好能节省单片机的CPU资源，并且数字电路可靠性十分大，因此本模块选用方案2晶振分频电路。本模块的动作受接收机控制模块控制信号的直接控制。本模块使用32.768KHz有源晶振和分频芯片产生不同频率的方波，再通过8选1模拟开关获得其中一种频率的方波12，最后将模拟开关的输出方波通过三极管放大驱动喇叭报警（原理图见下图3.8）。图3.8 报警模块原理图表3.2 主机对报警模块的控制码C3C2C1EA报警声频率（Hz）XXX1喇叭不响000016k00108k01004k01102k10001k101051211002561110125本方案中主机只进行超温多少的计算，然后产生相应的地址码（C3，C2，C1）和使能信号（EA）控制模拟开关（见上表3.2），主机不参与方波发生运算。主机每比较一次当前温度值与预警温度值，就会根据超温的多少，控制报警模块发出相应频率的报警声。4、软件设计本设计的软件部分用于写入控制模块（单片机），从而让单片机完成系列的控制与处理指令。本设计的程序分为读DS18B20序列号程序、发射机控制程序和接收机控制程序。其中测序列号程序仅用于调试阶段读取温度传感器DS18B20的内部序列号，不用于实际成品；发射机程序用于控制温度传感器模块、无线发射模块的运行；接收机程序用于控制无线接收模块、显示模块、报警模块的运行和一般数据处理。4.1 发射机控制主程序的设计本模块中发射机的控制核心是STC89C2单片机。STC89C52采集温度与发送数据的工作流程是，首先STC89C52对DS18B20和nRF905进行初始化，然后STC89C52先控制DS18B20测量温度并传回，STC89C52接收到温度数据后，对它图4.1 STC89C52采集温度与发送数据的工作流程图们进行打包处理，然后STC89C52控制nRF905将数据发送出去13。本控制模块的工作流程图如图4.1所示。本模块中STC89C52在结束一次温度采集和数据发送后，立即进入下一周期的温度采集和数据发送。发射端程序不收接收端硬件的控制一直无休止循环进行。4.1.1 DS18B20温度传感器控制子程序的设计发射机部分的控制核心STC89C52单片机在温度采集时，需要调用控制DS18B20温度传感器的相关函数，STC89C52对DS18B20的控制流程如下：图4.2 主机向多个DS18B20读取温度程序流程图主机STC89C52每次在匹配序列号后，发送的指令只对序列号匹配成功的的DS18B20产生影响。以该方式进行温度测量的流程为：主机向所有的DS18B20下达温度转换指令；接着主机下达匹配序列号指令，所有的DS18B20将处于等待接收序列号的状态，然后主机发送传感器1的序列号，序列号相同的DS18B20匹配成功；主机下达读取温度指令，传感器1接下来将发送温度数据。成功接收传感器1的温度数据后，主机再次发送匹配序列号指令，然后发送2号传感器的序列号，紧接着主机发送读取温度指令，传感器2接下来将发送温度数据并被主机记录（流程见图4.2）当八个温度传感器的数据读取完毕后，主机将进入下一轮的温度转换与读取周期14。4.1.2 nRF905无线发射模块控制子程序的设计nRF905用作数据发送时，发射机控制核心STC89C52单片机的工作流程如下，首先主机STC89C52往nRF905寄存器中写入初始化信息，包括工作频率、待发图4.3 主机控制nRF905发送数据流程图送/待接收数据字节数、数据校验方式、地址长度与地址、发射功率等等。配置完成后，主机将nRF905设置为发送模式，接着主机发出装载数据指令，然后主机将待发送数据传到nRF905寄存器中。下一步，主机向nRF905写入装载待接收地址指令，主机向nRF905寄存器写入待接收地址，该步骤后，主机指令nRF905发射信号15。发射端主机控制nRF905发送数据流程图如图4.3所示。4.2 读DS18B20序列号主程序的设计本程序基于接收机的部分硬件电路运行，具体只需用到图3.5显示模块和图3.8的控制核心16。在用作测序列号时，每次测试只允许一个DS18B20连接到主机STC89C52的P3.0口，主机读取DS18B20序列号流程图如下图4.4所示，图4.4 主机从DS18B20的ROM中读序列号程序流程图上述程序在正式产品中不会使用，在获得每个DS18B20的序列号后，上述程序将被丢弃。4.3 接收机控制主程序的设计本模块中接收机的控制核心是STC89C2单片机。STC89C52控制nRF905接收数据、处理数据、控制LCD1602显示、控制报警模块报警的工作流程是，首先STC89C52对nRF905、LCD1602和报警模块进行初始化，然后STC89C52控制nRF905接收数据并传回，STC89C52接收数据后，对数据进行解包，然后检查按键KEY2，假如KEY2弹起，则将实时温度数据传到LCD1602进行显示，假如KEY2按钮按下，则将预警温度数据传到LCD1602显示。该步骤后，STC89C52判断实时温度是否超过预警温度，假如实时温度大于预警温度，则进一步计算超过预警值有多少，然后根据超温的值对报警模块发出控制码，控制报警模块发出相应频率的报警声（见上一章表3.1）。假如实时温度没有超过预警温度，则程序结束17。本控制模块的工作流程图如下图4.5所示，图4.5 STC89C52控制nRF905、显示模块、报警模块流程图4.3.1 nRF905无线接收模块控制子程序的设计nRF905用作数据接收时，接收机控制核心STC89C52的工作流程如下，首先主机STC89C52对nRF905进行初始化，初始化完成后，主机将nRF905设置为接收模式，接下来主机开始处于等待数据接收状态，若nRF905接收到数据，主机将跳出等待，然后主机发出读取数据指令，主机开始读取nRF905的数据并存储18。接收端主机控制nRF905接收数据流程图如下图4.6所示，图4.6 主机控制nRF905发送数据流程图在本设计中，发射方nRF905无需理会接收方是否成功接收数据，一直不断地将温度传感器的温度数据打包发送。接收方nRF905若无法接收到数据，接收方主机将一直处于等待接收状态，无法进行其它任务。4.3.2 显示模块控制子程序的设计接收机控制核心STC89C52对LCD1602的控制流程为，首先主机STC89C52对LCD1602进行初始化，包括设置字形、设置单双行显示方式等。接着主机对LCD1602发送待显示字符的起始目标地址，然后主机依次逐个发送字符的ASCII码，这时LCD1602将根据ASCII码显示相应的字符，LCD1602每显示一个字符，显示地址自动加119。主机控制LCD1602工作流程图如下图4.7所示，图4.7 主机控制的LCD1602工作流程图5、仿真和测试结果分析在硬件电路和控制程序设计完成后，需要进行一定的仿真测试和实物测试。仿真测试主要是针对模块进行，实物测试是针对整个电路系统进行。5.1 仿真测试本设计的仿真过程基于软件Proteus ISIS进行。Proteus ISIS拥有强大的数字电路仿真功能，其仿真单片机运行前只需引入烧写单片机的HEX文件20。本仿真测试中，由于Proteus ISIS元件库中没有nRF905无线模块，因此本次仿真只能针对部分设计模块进行。测试结果以反映各个模块的功能正常与否。5.1.1 DS18B20温度传感器仿真与结果本仿真过程主要是检测一线总线的通信模式下DS18B20是否能正确采集温度，为了显示仿真结果，本次仿真额外加入显示模块（实际电路不会加入），显示模块轮番显示8个DS18B20温度传感器的测量温度值，仿真过程原理图如下图5.1所示。图5.1 DS18B20仿真原理图启动仿真按钮，观察显示屏的显示内容，可以得到电路在工作时，从温度传感器上测量出来的温度数据，其结果如下图5.2所示。图5.2 8路DS18B20反馈回单片机的数据图5.3 8路DS18B20预设的温度数据对比温度传感器上的预设数据（如上图5.3），可以看出DS18B20的预设温度数据与显示数据基本相符，误差最大0.2，出现误差的原因是DS18B20温度传感器在本设计中输出数据格式为9位，此时分辨率0.3，出现的误差在设计指标（1）之内，符合设计要求。仿真结果说明DS18B20不但与STC89C52通信成功，DS18B20还能正确采集到温度。5.1.2 按键输入、显示与报警模块仿真与结果本仿真过程主要是检测接收机的LCD1602是否能正常显示，按键输入模块是否能正确控制单片机作出相应的动作，报警模块是否能正确报警。因为本模块没有nRF905无线模块的参与，所以仿真过程所需的温度数据预先写到单片机寄存器中，以此来假设单片机已经成功接收数据，仿真原理图如图5.4所示。图5.4：按键输入、显示与报警模块仿真原理图仿真过程单片机将预设的实时温度显示出来（如图5.5所示），图中右上角的数字“1”代表当前监测的为1号频道。图5.5 仿真过程显示实时温度当按下KEY1开关后，使得开关为按下状态，屏幕上显示的当前监测频道数由1-8自动循环。再次按下KEY1，使得开关为弹起状态，然后按下KEY3按钮，每按一次KEY3，屏幕上显示的当前监测频道数加一。按下KEY2开关，使得开关为按下状态，屏幕上显示的信息由当前温度改为警戒温度（如图5.6所示）。按下KEY4按钮，每按下一次，警戒温度+1；按下KEY5按钮，每按下一次，警戒温度-1。图5.6 仿真过程显示警戒温度假如预设的实时温度值超过预警温度，报警电路工作发出相应频率的报警声。仿真结果是，STC89C52能正确识别开关/按钮的输入并作出动作，显示屏能将预设到寄存器中的实时温度/警戒温度显示出来，当实时温度超过预警温度时，喇叭发出报警声，且随着实时温度超过预警温度值的越多，喇叭发出报警声的音调越高。5.2 实物测试本测试是基于整个实物电路来进行，测试内容包括功能测试、温度准确度的测试、无线传输距离的测试，测试结果将反映整个系统的性能。5.2.1 功能测试与结果本测试主要是检测整个系统是否能测量温度并显示、按下开关/按钮后系统是否响应相关的动作、报警模块是否能工作。测试过程先给系统通电，然后启动系统，见下图，图5.7 系统通电测试过程图观察发射机的指示灯，为闪烁状态，代表数据被发送出去；观察接收机的指示灯，为闪烁状态，代表数据被接收（见下图）。 图5.8 发射机与接收机的指示灯状态观察显示屏，显示出温度值，代表发射机的温度数据正确传到接收机且被接收机正确显示出来。用手焐热温度传感器（如下图所示），显示屏的数字增大，代表温度传感器能正常工作。图5.9 测试温度传感器过程图对照表3.2按下开关/按钮，显示屏作出相应的结果反馈，代表系统的功能按钮都能正常发挥作用。图5.10 按键输入模块键名图当按下KEY1开关后（如上图所示），使得开关为按下状态，屏幕上显示的当前监测频道数由1-8自动循环。再次按下KEY1，使得开关为弹起状态，然后按下KEY3，每按一次KEY3，屏幕上显示的当前监测频道数加一。测试结果良好，八路温度传感器能自由切换，并且都能传回测量数据（如下图所示），图5.11 实物测试过程显示实时温度按下KEY2开关，使得开关为按下状态，屏幕上显示的信息由当前温度改为警戒温度（如下图5.12所示）。按下KEY4按钮，每按下一次，警戒温度+1；按下KEY5按钮，每按下一次，警戒温度-1。图5.12 实物测试过程显示警戒温度把频道数固定在1，显示内容改为预警温度显示，长按KEY5，使得预警温度持续下降，当预警温度低于实时温度时，报警模块（如下图所示）发出报警声。图5.13 报警模块继续按着KEY5，随着预警温度的下降，预警温度与实时温度之间的差距越来越大，报警声的音调越来越高，说明报警系统正常工作。系统的功能测试通过。5.2.2 温度准确度测试与结果本测试主要是检测系统的测试温度跟实际温度的偏差是否在误差允许范围之内。本设计的指标是1误差，如果测试结果在1以内，代表测试通过。本测试的测试过程选择吹风机作为温度源，选择标准温度计作为测试结果参照，通过改变吹风机与温度传感器之间距离来改变测试环境的温度（见下图），由于条件的限制，本次测试只能是检测系统的零上温度监测表现。图5.14 温度准确度测试过程图测试结果见表5.1所示，表5.1 系统温度准确度测试结果一览传感器序号测试温度/实际温度/误差/是否误差允许范围内110.6 10.5 0.1 是38.4 38.5 0.1 是55.3 5