毕业设计（论文）-基于51单片机和CC1101的无线温度监控系统设计.doc

基于51单片机和CC1101无线温度监控系统设计前言 目前，科学技术的发展日新月异，单片机等大规模集成电路的进步与发展，温度监控技术的应用越来越广泛。在传统微机化的温度监控系统中，均是以有线方式来实现温度监控。传统的温度监控系统，其突出的问题是由于有线通信，线缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便,且实用性不强,成本高，造成系统的普及性降低，同时也带来了制作繁琐，外围电路复杂的缺点。近年来，随着各种单片机及无线收发芯片的出现与推广，使得基于CC1101的无线温度监控系统的实现成为可能。温度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控，采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。伴随工业科技、农业科技的发展，温度测量需求越来越多，也越来越重要。但是在一些特定环境温度监测环境范围大,测点距离远,布线很不方便。这时就要采用无线方式对温度数据进行采集。利用无线技术实现数据传输比使用传统的有线电缆有不可比拟的优点，如可移动性、方便灵活性等多方面都更能满足人们的实际需要。实现无线数据传输的方法多种多样，使用高频无线电技术、激光技术、红外技术等等均能满足无线传输要求。 本设计是以宏晶科技推出的STC89C52RC单片机作为控制核心，提出以DS18B20的单线分布式温度采集与控制系统,通过CC1101无线收发模块收发信息。监控点将接收到主控点的信息后，经过一些处理，然后相应的监控点将采集并发送数据给主控点。主控点通过串口将收到的温度信息回馈到上位机（PC机），从而远程实现对整个系统的检测与控制。一 总体方案设计温度监控系统有着共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降 。所以在多点温度监控系统的设计中，我们必须正确选用温度传感器和收发端电路的设计。1.1温度传感器在这个系统的设计当中我们采用数字温度传感器DS18B20测量温度，输出信号全数字化。因而便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线性度较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器STC89C52构成的温度测量装置，它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的结构就比较简单，体积也不大，抗干扰性强。采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。1.2收发模块XL1101-D01微功率无线数传模块，采用Chipcon公司最新的高性能CC1101（CC1101完全兼容CC1100,性能较CC1100更胜一筹）无线通信芯片，最大传输数率达500kbps，并可软件修改波特率，开阔地传输最远距离达到 300-500米，具有无线唤醒等功能，灵敏度达到-110dBm，可靠性高，可广泛应用于各种场合的短距离无线通信领域。XL1101-D01模块配备弹簧天线，具有极高的性价比。因而，无线收发模块我们首选CC1101收发模块。1.3控制部分我们采用STC89C52单片机实现。STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟. 图1 主控点电路系统框图 图2 监测点电路系统框图2 硬件电路的设计我们所设计的外围电路包括：电源电路、温度采集、晶振电路、复位电路以及串口等电路。下面将依次对各个模块进行说明。2.1 电源电路 我们采用USB供电，但是由于CC1101模块的使用电压为3.3V，因此我们用LM1117-3.3将5V电压转为3.3V给CC1101模块供电。具体电路如下： 图3 电源电路图2.2温度采集温度芯片DS18B20是Dallas公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。测量温度范围为 -55+125，在-10+85范围内，精度为0.5。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。由于每一个DS18B20都有唯一系列号，因此多个DS18B20可以存在同一条单总线上。这允许许多不同地方放置温度灵敏器件。此特性的应用范围包括HAVC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监控和控制中的温度检测等。 图4温度采集电路图2.3晶振电路 图5晶振电路2.4复位电路 图6 复位电路2.5串口电路 图7 串口电路2.6主控点电路 图8 主控点电路2.7监测点电路图9 监测点电路2.8 STC89C52RC单片机图10 STC89C52RC引脚图STC89C52RC引脚功能说明VCC（40引脚）：电源电压VSS（20引脚）：接地P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（）。此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体参见下表：在对Flash ROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。表XX P1.0和P1.1引脚复用功能引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash ROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流（）。在对Flash ROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：表XX P3口引脚复用功能引脚号复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/（30引脚）：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址位8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。（29引脚）：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP（31引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。注意加密方式1时，将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。特殊功能寄存器在STC89C52RC片内存储器中，80HFFH共128个单元位特殊功能寄存器（SFR），SFR的地址空间如下表1所示。并非所有的地址都被定义，从80HFFH共128个字节只有一部分被定义。还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。STC89C52RC除了有定时器/计数器0和定时器/计数器1之外，还增加了一个一个定时器/计数器2.定时器/计数器2的控制和状态位位于T2CON（见表2）和T2MOD（见表4）。定时器2是一个16位定时/计数器。通过设置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2位，可将其作为定时器或计数器（特殊功能寄存器T2CON的描述如表2所列）。定时器2有3种操作模式：捕获、自动重新装载（递增或递减计数）和波特率发生器，这3种模式由T2CON中的位进行选择（如表2所列）。表1 STC89C52RC的特殊功能寄存器表2 特殊功能寄存器T2CON的描述 表3 定时/计数器2控制寄存器各位功能说明符号功能TF2定时器2溢出标志。定时器2溢出时，又由硬件置位，必须由软件请0.当RCLK=1或TCLK=1时，定时器2溢出，不对TF2置位。EXF2定时器2外部标志。当EXEN2=1，且当T2EX引脚上出现负跳变而出现捕获或重装载时，EXF2置位，申请中断。此时如果允许定时器2中断，CPU将响应中断，执行定时器2 中断服务程序，EXF2必须由软件清除。当定时器2工作在向上或向下计数方式时（DCEN=1），EXF2不能激活中断。RCLK接收时钟允许。RCLK=1时，用定时器2溢出脉冲作为串口（工作于工作方式1或3时）的接收时钟，RCLK=0，用定时器1的溢出脉冲作为接收脉冲TCLK发送时钟允许。TCLK=1时，用定时器2溢出脉冲作为串口（工作于工作方式1或3时）的发送时钟，TCLK=0，用定时器1的溢出脉冲作为发送脉冲EXEN2定时器2外部允许标志。当EXEN2=1时，如果定时器2未用于作串行口的波特率发生器，在T2EX端口出现负跳变脉冲时，激活定时器2捕获或者重装载。EXEN2=0时，T2EX端的外部信号无效。TR2定时器2启动/停止控制位。TR2=1时，启动定时器2.C/定时器2定时方式或计数方式控制位。C/=0时，选择定时方式，C/=1时，选择对外部事件技术方式（下降沿触发）。CP/捕获/重装载选择。CP/=1时，如EXEN2=1，且T2EX端出现负跳变脉冲时发生捕获操作。CP/=1时，若定时器2溢出或EXEN2=1条件下，T2EX端出现负跳变脉冲，都会出现自动重装载操作。当RCLK=1或TCLK=1时，该位无效，在定时器2溢出时强制其自动重装载。表4 定时器2工作方式RCLK+TCLKCP/TR2模式00116位自动重装01116位捕获1X1波特率发生器XX0（关闭）2.9 CC1101收发模块 图11 外部引脚俯视图 外引脚概述 外部组件一览表（不包含电源去耦电容） 图12 典型应用和评估电路3 程序设计3.1 系统概述整个系统的功能是由硬件电路配合程序来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。程序分为三大类：一是主控点程序，它是整个控制系统的关键部分，上位机主要通过主控点向各个监测点发出信息，主控点收到监测点的信息后返回给上位机。二是监测点程序，当检测点收到主控点的信息后，读取其中的地址码和命令码，看地址码与本地地址是否一致，如果一致，则执行相应的命令，如果不一致，则不执行相应的命令。三是上位机软件，用户可以在该软件上选择需要采集数据的点以及采集的方式（多点采集和单点采集），选好后由该软件通过串口向主控点发出相应的信息，并且也由串口接受主控点返回的信息。所有的监测点都有唯一的一个地址码，我们预先给每个监测点设置不同的地址码，因而每个监测点即使都收到主控点的信息，但是只有与自己的地址码相同时候才会执行相应的命令。当使用多点采集的方式时，上位机在一定时间间隔内分别发送信息（每次发送的信息包括8个字节，其中包含地址码（一个字节），命令码（一个字节），还有六个保留不用，可以拿来扩展。主控点之在上位机两次发送信息的时间间隔中将监测点采集到的数据发送给上位机的，因此，在设置两次发送信息的时间间隔时候，必须保证监测点有充足的时间采集并发送数据信息。3.2 程序设计流程图3.2.1 上位机流程图 图13上位机流程图3.2.2主控点流程图 图14 主控点流程图注：信息1与信息2的地址码是一样的，指示命令码不同。3.2.3监测点流程图 图15