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基于 AT89C51 单片机的无线温度监控系统 应用设计 学生姓名： 学生学号： 院 （系）： 电气信息工程学院 年级专业： 指导教师： 二一五年五月 摘 要 在现代的生活环境下，温度扮演着越来越重要的角色。无论你的生活、学习、工 作的状况怎么样，温度都无时无刻的伴随着你。温度监控在工业生产中占有非常重要 的地位,并与工业生产的现代化有着密切关系。温度控制的速度和精度随着社会的的 发展也会不断增高。近年来,温度监控领域发生了巨大的变化,工业生产的控制不再局 限于温度的近距离传输或直接控制,需要远程控制,这就产生了无线温度监控。 本文论述的无线温度控制是将无线发送与接收和自动控制相结合的一种监控。基 于这种技术，本系统以 AT89C51 系列单片机为主控制单元，采用 Dallas 单线数字温 度传感器 DS18B20 和无线收发模块 NRF24L01 对试验现场温度数据进行无线传输。整 个系统包括主控制系统，其中主系统完成发送机对试验现场温度采集、单片机处理和 无线传输模块调制传输；接收机完成温度接受数据功能以及数码管显示温度测量值功 能。 通过接收机 USB 数据线接入上位机，上位机可以接收到接收机传来的数据，从而 上位机监控系统可以显示发送机采集的温度以及一段时间内的温度曲线。该系统结构 简单实用、造价成本低、功能齐全，通用性较强，占用体积小，可被应用于许多气象 部门、工业生产和现代农业生产领域，它可使操作人员与恶劣的工作环境分离开来， 实现生产自动化，提高企业的生产效率。 关键词 AT89C51,温度传感器 DS18B20,无线收发模块 NRF24L0,上位机监控 I ABSTRACT Under the modern living environment, the temperature plays a more and more important role. No matter hows your life, study, work condition, temperature all the time with you. Temperature monitoring occupies very important position in industrial production, and has close relationship with the modernization of industrial production. Temperature control of the speed and accuracy with the development of the society will also be increasing. In recent years, there have been great changes in temperature monitoring areas, industrial production control is no longer limited to the temperature of the close distance transmission or direct control, need to remote control, this creates a wireless temperature monitoring. This paper discusses wireless temperature control is combining the wireless sending and receiving and automatic control of a monitoring and control. Based on this technique, this system is given priority to with AT89C51 series single-chip microcomputer control unit, the Dallas single line digital temperature sensor DS18B20 and wireless transceiver module NRF24L01 temperature data for wireless transmission of test on the spot. The whole system including the main control system, including the main system to complete the transmitter to test the temperature acquisition, single chip processing and wireless transmission module modulation transmission; Receiver complete accept data function and the digital tube display temperature measurement function. By receiver USB cable connected to the PC, PC can receive data from the receiver, and PC monitoring system can display the transmitter collection of temperature and temperature curve of a period of time. The system structure is simple and practical, low cost, complete function, strong commonality, being a small volume, can be used in many of the meteorological department, industrial production and modern agricultural production areas, it can make the operator and the separation of poor working environment, realize the production automation, improve the production efficiency of enterprises. Keyword AT89C51, the temperature sensor DS18B20, NRF24L0 wireless transceiver module, PC monitor 0 目 录 摘摘 要要.I ABSTRACTABSTRACT.II 1 1 绪论绪论.1 1.11.1 选题的目的和意义选题的目的和意义 .1 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 .1 1.31.3 本设计主要研究内容本设计主要研究内容 .2 2 2 设计要求与方案论证设计要求与方案论证.3 2.12.1 设计要求设计要求 .3 2.22.2 系统基本方案选择和论证系统基本方案选择和论证 .3 2.2.1 单片机芯片选择方案与论证 .3 2.2.2 温度采集模块选择方案与论证 .3 2.2.3 无线收发模块的选择方案与论证 .4 2.2.4 显示模块的选择方案与论证 .4 2.32.3 电路设计最终方案的确定电路设计最终方案的确定 .5 3 3 系统的硬件设计与实现系统的硬件设计与实现.6 3.13.1 系统硬件概述系统硬件概述 .6 3.23.2 主要单元电路的设计主要单元电路的设计 .6 3.2.1 单片机主控制系统电路的设计 .6 3.2.2 温度采集电路的设计 .9 3.2.3 无线温度传输模块的设计 .12 3.2.4 温度显示电路的设计 .13 3.2.5 电路原理及说明 .15 4 4 系统软件的设计系统软件的设计.16 4.14.1 主控制系统的设计主控制系统的设计 .16 4.24.2 温度采集程序设计温度采集程序设计 .16 4.34.3 无线温度传输模块程序的设计无线温度传输模块程序的设计 .17 4.44.4 温度显示程序设计温度显示程序设计 .19 4.54.5 KEILKEIL UVISION2UVISION2 编程开发工具编程开发工具 .20 5 5 PCBPCB 设计设计.22 5.15.1 PCBPCB 设计软件设计软件 .22 5.1.1 PCB 原理图设计 .22 5.1.2 PCB 板制作方法 .22 1 5.25.2 PCBPCB 的的 EMCEMC 设计设计 .23 5.2.1 元器件布局的基本原则 .23 5.2.2 布线设计原则 .23 6 6 调试及结果调试及结果.25 6.16.1 软件调试软件调试 .25 6.26.2 硬件软件联合调试硬件软件联合调试 .25 6.36.3 实物调试实物调试 .25 结论结论.29 参参 考考 文文 献献.30 附录附录 1 1：无线温度监控系统应用设计源程序代码：无线温度监控系统应用设计源程序代码.31 附录附录 2 2：系统电路原理图：系统电路原理图.47 附录附录 3 3：PCBPCB 板图板图.48 附录附录 4 4：实物展示：实物展示.49 致致 谢谢.50 0 1 绪论 1.1 选题的目的和意义 温度的控制是现代农业、工业生产中非常常见的被控参数之一。从日常生活中的 食品生产到化工生产，从燃料生产到金属提炼等等，无不涉及到对环境温度的控制， 可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化， 对温度控制的速度和精度的要求也会越来越高。近年来，温度控制领域发生了很大的 变化，现代农业、工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是 需要进行远距离的控制，这就产生了无线温度控制。 温度控制的常用通信方式有多种，比如通过有线网络、无线电等等。每一种方式 都有其各自优势和缺点。利用无线电通信，方便、灵活，可靠性高而且经济。它不需 要像有线网络控制需要耗费巨大的通信资源，也不受网络速度的影响。 在温度控制的方法上，传统的控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理的过程 中具有非线形或不精确特性的被控对象时使温度的监测变得十分困难。而传统的温度 系统为大滞后系统，较大的纯滞后可能会引起系统性能不稳定。 在温度采集方法上，通常是利用热电偶把转化为电信号，再将电信号进行放大就 可以进行显示。这种方法的速度比较慢，而且精度不是特别高。综合以上的考虑，本 次毕业设计采用了基于无线电通信的无线温度控制系统。 现代工业设计、农业设计、工程建设及人们的日常生活中常常需要用到温度控制， 早期温度控制大部分应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不 同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品的质量或 数量。在现代社会生活环境中，无线温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也在 各个方面得到了体现，随着广大群众生活质量的提高，酒店厂房及居家用品中都会见 到无线温度控制的影子，无线温度控制将更好、更广泛的服务于社会。 近年来，单片机发展十分迅速，单片机又称单片微处理器，把计算机系统集成到 一片芯片，因为单片机简单可靠而且性能不错所以单片机已经渗透到日常生活中的各 个领域。传统的温度采集的方法不仅速度较慢，而且精度不够高，满足不了各行业对 于温度数据有效性高，设备的抗干扰性强的需求。单片机的出现使得温度数据的采集 和处理得到了很好的解决。选择适当的单片机和温度传感器以及前端处理电路，可以 获得较高的测量精度，不但方便快捷，造价成本低廉，省事省力，开发周期短，占用 体积小而且大幅度提高了测量精度。 1.2 国内外研究现状 在现代社会的生活环境中，温度扮演着非常重要的角色。无论你生活在哪里，目 1 前从事什么工作，无时无刻不与温度打着交道。自 18 世纪工业革命以来，现代农业、 工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶炼金属、农业、运输、食品、制药、 气象等行业，可以说几乎各行各业都不得不考虑着温度的因素。 虽然有各种温度测量方法,但在许多情况下,实际的温度测量在一些特殊条件下, 如极端温度的高温腐蚀介质温度、空气温度、表面温度、固体的内部温度分布,微观 目标温度的大小,温度分布在一个大空间,在体内温度、电磁干扰条件下的温度测量, 为了获得准确、可靠的结果是很困难的,需要非常熟悉各种方法的测量原理和特点,结 合测量对象要求选择合适的测量方法来完成。同时继续探索温度测量的新方法,改进 现有的测量技术来满足各种条件下的温度测量的需要。 温度是表征物体冷热程度的物理量,是国际单位制中七个基本物理量之一,它与人 类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断提高,温度 测量监控技术也得到了不断的发展。在传统的温度测量监控技术基础上发展起来的现 代测温技术主要有红外非接触测温技术、基于彩色 CCD 三基色的测温技术、单总线数 字式测温技术和激光测温技术等。 目前国内外涉及到温度监测的研究和应用已经非常的广泛，但有关于单片机的无 线温度监测这方面的研究和应用仍然有非常大的上升空间。无线温度监控不仅可以应 用在工厂生产方面，其作用也体现到了农业、国防、气象各个方面。 1.3 本设计主要研究内容 本设计是基于 Atmel 公司生产的 51 单片机的无线温度控制系统，经过大量查阅 资料和认真的研究，最终确定采用 AT89C51 单片机为主控制芯片，Dallas 公司生产 的 DS18B20 作为温度采集芯片，新型单片射频收发器件 NRF24L01 作为无线接收和发 射模块，采用 LED 数码管进行显示温度。该设计由无线发送系统和接收系统组成，无 线发送系统进行温度采集以及数据发射，接收系统作为主系统对数据接收处理并在数 码管上显示出来。该系统上位机监控设有按键，分别进行温度高低限定值的选择、设 定。该系统具有操作方便，远距离操控，精度高，功能多样，电路简洁，造价成本低 廉，速度快等优点，符合现代电子技术的发展趋势，有非常广阔的市场前景。 经过硬件设计和一系列的软件调试，测试结果几乎达到了该设计预期制定的各项 指标，顺利地完成了本次毕业设计的目标。 2 2 设计要求与方案论证 2.1 设计要求 温度监测范围：温度-55125； 接收系统显示温度实际值，收发距离：50 米以内； 可以人工设定报警温度上、下限定值； 观测值可以直接看到此时的温度值； 用户可以随时查询之前某一时刻的温度值； 人们可以看到整个温度变化曲线及规律并且可以大致预测将来某一时刻的温度； 2.2 系统基本方案选择和论证 2.2.1 单片机芯片选择方案与论证 方案一：使用 FPGA(现场可编程阵列)作为主要控制系统控制器。可以使用 FPGA 实现各种复杂的逻辑编程,大规模、高密度,这需要所有设备集成在一个芯片上,减小 体积,提高稳定性,可用的 EDA 软件仿真,软件仿真调试器很容易进行功能的扩展，,响 应速度快。但成本高,因为引脚较多,电路板的布线复杂使电路设计和焊接工作变得困 难。 方案二：采用 8 位单片机作为主要的控制芯片。8 位单片机具有价格比较合适， 并且技术比较成熟，功耗较低，造价成本低便于购买等优点，但是 8 位机程序执行速 度比较慢，内部资源比 16 位单片机少很多。考虑到本设计对程序运行速度的要求不 高以及成本因素，最后选择用 8 位单片机，由于 AT89C51 单片机比其他 8 位单片机价 格合适，并且其内部具有丰富的资源，故采用 AT89C51 单片机作为本系统主控制芯片。 这样的一个无线温度控制系统,它采用无线发送与接收,具有比较强的灵活性,解决了 有线传输所不能实现的问题。随着现代社会的发展和电子科学技术的发展 ,无线温度 控制的应用范围将不断的扩大。 2.2.2 温度采集模块选择方案与论证 方案一： 使用热敏电阻作为温度传感器，温度的变化转换成电信号的变化。热 敏电阻与相应的阻值的电阻串联分压。利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性， 因此热敏电阻两端的电压发生变化，收集的电阻变化的两个分压值，放大和处理。这 种设计需要的 A / D 转换电路，该电路变得更复杂，提高了硬件的成本和热电阻温度 特性曲线不是严格线性的，会产生测量温度和实际温度值有更大的测量误差。因此此 方案不可行。 方案二：采用 DS18B20。DS18B20 的数字温度输出通过 1-Wire 总线，又称为“一 3 线”总线， ，它与传统的热敏电阻有所不同是，他是直接将被测温度转化成串行数字 信号供微机处理，并且根据具体要求，通过简单地编程实现多位的温度读数。具有线 路简单，体积小的特点。因此用它作为一个测温器件，线路简单，在一根通信线，它 可以并接到多个地址线上与单片机通信。由于每一个 DS18B20 出厂时可有唯一的一个 序列号并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量 的引线和逻辑电路。DS18B20 直接输出数字温度值，不需要校正，因此温度采集选择 此方案。 2.2.3 无线收发模块的选择方案与论证 方案一：采用 TX315A-T01 和 TX315A-R01 的无线接收发送模块。TX315A 可应用 于警戒系统、数据传送、自动抄表系统、无线键盘操作、无线遥控系统。TX315A 由 TX315A-T01 无线发射模块和 TX315A-R01 无线接收模块两部分组成，由于它们的频率 几乎完全相同，所以在使用时可以随意添加发射和接收组件，以构成所需要的功能系 统。此系统用此模块很好，但是这个模块的价格太昂贵，所以放弃此方案。 方案二：采用 NB9148 和 NB9149 红外收发模块。NB9148 通常采用 CMOS 工艺制造， 功率消耗低，工作电压在 2 到 6V 区间变化。NB9148 的集成程度高，正常运行时需要 的外围器件较少，其晶体振荡电路也只需外接 LC 或陶瓷振荡器即可完成，并支持多 键组合。另外，NB9148 的位码可以和其他模式相兼容。但红外线的波长在 760nm 至 1mm 的电磁波，是人的眼睛看不见的光线。因为波长较短，对障碍物的衍射能力比较 差，因此红外收发模块适合短距离点对点的直线数据传输，并且设计起来较复杂所以 此方案不可行。 方案二：采用一对 NRF24L01 作为无线收发模块。NRF24L01 是一款新型单片射频 收发器件，工作在 2.4 GHz2.5 GHz ISM 频段。内置调制器、功率放大器、晶体振 荡器、频率合成器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst 技术，其中可通过程序 进行配置调整输出功率和通信频道。NRF24L01 功耗低，在以-6dBm 的功率发射时，工 作电流也只有 10mA 以内；接收时，工作电流只有 10mA 左右，多种低功率工作模式 (掉电模式和空闲模式)使节能设计变得更加简单，通信速率高，与 51 单片机接口简 单而且价格相对其他无线模块较便宜，适合购买，因此选择此方案。 2.2.4 显示模块的选择方案与论证 方案一：采用 LCD1602 液晶屏显示，显示的内容较多，方便组合，可视面积大， 画面效果非常好，抗干扰能力较强，调用方便简单，而且可以节省软件中断资源。低 压、微功耗 极低的工作电压，只要 1V-4V 即可工作，而工作电流一般小于十微安， 但是黑暗中不容易观看温度数据，只是用来显示数字温度显得浪费。 方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成。 对于显示文字比较适合，如采用在点阵式数码管显示数字显得太浪费，且价格也相对 较高,功耗相对较高所以也不用此种作为显示。 4 方案三：采用 LED 数码管显示，成本比较低、亮度高。数码管是一种显示屏，可 以通过对其不同的管脚输入相对的电流 使其发亮从而显示出数字能够显示出所需要 的时间、日期、温度等所有可用数字或一些简单字符表示的参数。因为它的成本低， 使用非常简单，在电器，特别是家用电器领域得到广泛应用。LED 是被完全的封装在 环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使 得 LED 数码管不易损坏。 节约能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗所以适合 本设计显示数字与字符。 比较上述三种方案，方案三电路简单、功耗低、显示信息量大、方便购买能很好 的满足题目要求，因此采用方案三 。 2.3 电路设计最终方案的确定 由以上讨论的各种方案最终得出本次设计的方案为：以 AT89C51 系列单片机为主 控制单元，采用 Dallas 单线数字温度传感器 DS18B20 和无线收发模块 NRF24L01 对试 验现场温度数据进行无线传输，4 位数码管作为显示模块。工作过程中接收机将温度 检测出来并显示在数码管上，然后通过无线发送模块 NRF24L01 将温度数据发送出去， 然后接收机通过的无线接收模块 NRF24L01 芯片将发送机发送的数据接收通过单片机 处理显示在接收机上的数码管上。通过接收机 USB 数据线接入上位机，上位机可以接 收到接收机传来的数据，从而上位机监控系统可以显示发送机采集的温度以及一段时 间内的温度曲线。 5 3 系统的硬件设计与实现 系统硬件电路主要分为：单片机 AT89C51 主控制系统、DS18B20 温度采集电路、 NRF24L01 无线接收和发送模块电路、LED 数码管显示电路。设计总框图如图 3.1 所示， 系统设计总原理图见附录 1。 DS18B20温度采集NRF24L01无线发送 AT89C51单 片机处理 数码管显示 NRF24L01无线接收 AT89C51单 片机处理 上位机监控 图 3.1 总设计框图 3.1 系统硬件概述 硬件电路是由单片机芯片 AT89C51 为控制核心，单片机芯片体积小、成本低，可 广泛的嵌入到工业控制单元及各种通信产品中。DS18B20 数字温度传感器达拉斯公司 生产的 1-Wire 器件，它与传统的热敏电阻有所不同是，他是直接将被测温度转化成 串行数字信号供微机处理，并且根据具体要求，通过简单地编程实现多位的温度读数。 具有线路简单，体积小的特点。无线收发模块用 NRF24L01，工作于 2.4GHz2.5GHz ISM 频段。NRF24L01 功耗低，在以-6dBm 的功率发射时，工作电流也低于 10mA;接收 时，工作电流一般在 10mA 左右。多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能 设计变得更容易；温度显示部份由 LED 数码管来完成。 3.2 主要单元电路的设计 3.2.1 单片机主控制系统电路的设计 单片机是一种集成电路芯片，它是一种把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能集 成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机的全称是单片微型计算机 （Single Chip Microcomputer） 。为了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件： 中央处理器（CPU） 、数据存储器（RAM） 、程序存储器（ROM、EPROM、E2PROM 或 FLASH） 、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成 了一个完整的计算机系统，因此它又被称为微控制器（Microcontroller） 。 6 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机。片内含 4KB 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器 （RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51 单片机的功能强大可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制 领域，单片机内部结构如图 3.2 所示。 图 3.2 单片机内部结构图 AT89C51 单片机为 40 引脚双列直插芯片，管脚说明如下： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：8 位，漏极开路的双向 I/O 口。当 AT89C51 扩展外部存储器及 I/O 接口芯 片时，P0 口作为地址总线（低 8 位）及数据总线的时分复用端口。P0 口也可作为通 用的 I/O 口使用，但需加上拉电阻，这时为准双向口。当作为通用的 I/O 口输入时， 应先向端口输出锁存器写入 1。 P0 口可驱动八个 LS 型 TTL 负载。 P1 口：8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。P1 口是专为用户使用的准双 向 I/O 口。当作为通用的 I/O 口输入时，应先向端口输出锁存器写入 1。P0 口可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 P2 口：8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。当 AT89C51 扩展外部存储器及 I/O 时，P2 口作为地址总线（高 8 位）输出高 8 位地址。P2 口也可作为通用的 I/O 口使用，当作为通用的 I/O 口输入时，应先向端口输出锁存器写入 1。 P2 口可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 P3 口：8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。P3 口也可作为通用的 I/O 口 使用，当作为通用的 I/O 口输入时，应先向端口输出锁存器写入 1。 P3 口可驱动 4 7 个 LS 型 TTL 负载。P3 口还可提供第二功能。 ；P3.0 RXD（串行数据输入口） ；P3.1 TXD（串行数据输出口） ；P3.2 /INT0（外部中断 0 输入） ；P3.4 T0（定时器 0 外部计 数输入） ；P3.5 T1（记时器 1 外部计数输入） ；P3.6 /WR（外部数据存储器写选通输 出） ；P3.7 /RD（外部数据存储器读选通输出） ；P3 口同时为闪烁编程和编程校验接 收一些控制信号。 XTAL2：片内反向振荡放大器的输出端。 RST（RESET）：复位信号输入端，高电平有效。在此引脚加上持续时间大于 2 个 机器周期的高电平，就可以使单片机复位。当看门口定时器溢出输出时，该引脚将输 出长达 96 个时钟振荡周期的高电平。 由 Atmel 公司生产的 AT89C51 单片机有四个 I/O 口 P0 口,P1 口,P2 口,P3 口,每 一个 I/O 端口都可独立地作为输出端或输入端。AT89C51 单片机具有以下标准功能： 4KBFlash，256BRAM，4 个 8 位 I/O 口的外部引脚，看门狗定时器。2 个数据指针， 三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶体振荡 电路及时钟复位电路。 单片机主控制电路既包括单片机的晶体振荡电路也包括复位电路。本系统采用的 是内部晶体振荡电路。单片机内部有一个用于构成振荡器的高放大倍数反相放大器， 18 引脚 XTAL1 是晶体振荡器反向放大器的输入端，19 引脚 XTAL2 是片内晶体振荡器 反向放大器的输出端，这两个引脚之间跨接的石英晶体和微调电容作为反馈元件一起 构成一个稳定的自激振荡器。9 引脚 RESET 是 AT89C51 单片机的复位输入端，接上电 容，电阻及电阻和按钮实现手动复位电路，如图 3.3 所示。 图 3.3 单片机复位和晶振电路 8 3.2.2 温度采集电路的设计 由达拉斯公司生产的 DS18B20 数字温度传感器 1-Wire 线器件。它与传统的热敏 电阻不同的是，他是将直接测得的温度转换为用于计算机处理的串行数字信号，并根 据具体的要求，通过以上简单编程来实现温度读数。特点具有电路简单，体积小。因 此，使用它作为一个温度测量装置，该电路很简单，在一根通信线上，它可以并接到 多个地址线上与单片机的实现通信。由于每个 DS18B20 出厂只能有一个序列号，并存 储在 ROM 中，所以用的 CPU 简单的通信协议是可以识别，从而节省大量的引线和逻辑 电路。DS18B20 的引脚封装如图 3.4 所示。 图 3.4 DS18B20 的引脚封装 DS18B20 的单总线技术具有电路简单，硬件体积小，成本低，易于总线扩展和维 护等优点。单总线适用于单片机系统中，主机可以是一个微控制器，机器也可以是单 总线器件，他们的数据交换只通过一条信号线便可实现，DS18B20 产品的特点如下： 所有的应用模块都集中在一个和普通三极管大小相同的芯片内，只需要一个端 口即可实现通信； 具有 3 至 5.5V 很广范围的工作电压并且可以使用寄生电容供电的方式，此时 只需只要在数据线上连接一个电容即可完成供电； 实际应用中不需要任何外部元器件即可实现测温； 测量温度范围在-55+125C，其中在-1085 度的区间内测量精度为 0.5 摄 氏度； 内部有温度上下、限警告设置； 在中的每个器件都有独一无二的序列号； 温度以 9 或 12 位数字，在 9 位精度是转化过程仅耗时 93.75ms，在 12 为精度 时则需要 750ms； 9 支持在同一条 1-wire 总线上挂多个 DS18B20 器件形成多点测试，在数据传输 过程中可以跟随 CRC 效验。 本设计是使用 51 单片机驱动 DS18B20 进行温度采集，51 单片机使用 P3.7 引脚 扩展了一个 DS18B20 温度传感器。DS18B20 的温度传感器应用电路如图 3.5 所示。 图 3.5 DS18B20 温度传感器应用电路 51 单片机和 DS18B20 一线(单线)总线连接,只有物理电缆,传输时钟,而且传输数 据,和沟通是双向的,也可以使用总线设备完成供电任务。1-wire 总线接口的外部器 件通过一个漏极开路的三态端口连接到总线上，这样使得这些期间在不使用总线的时 候可以释放总线一边与其它器件使用。由于漏级开路，所以这些器件都要在总线上拉 一个电阻到 VCC，并且如果使用寄生方式供电，为了保证器件在所有的工作状态下都 有足够的电量，在总线上还可以连接一个 MOSFET 管以储存电能。如上图所示，51 单 片机使用 P3.7 引脚扩展了一个 DS18B20 传感器采集当前温度。 操作简介： DS18B20 工作时需要接收特定的指令来完成相应功能（指令：可以简单的理解为 可以被识别并有相应意义的一系列高低电平信号） ，它的指令可分为 ROM 指令和 RAM 指令；ROM 指令主要对其内部的 ROM 进行操作，如查所使用 DS18B20 的序列号等，如 果只使用一个 DS18B20，ROM 操作一般就可以直接跳过了；RAM 指令主要是完成对其 内 RAM 中的数据进行操作，如让其开始进行数据采集、读数据等。DS18B20 数字温度 传感器是单总线器件，数据的读写只通过一条数据线进行并且这一条线上允许挂很多 该传感器；这样对器件进行读写指令时就会麻烦一些，必须应用特定时序来识别高低 电平信号（如写高电平 1，并不是把数据线直接拉高，而是用有一定时序关系的高低 电平来代表写 1） ，所以指令表中的 0、1 在写给 DS18B20 时就得变成代表 0、1 电平 的时序段序列。同样，从 DS18B20 读数据时，也是由特定的时序来完成数据读取。 DS18B20 的内部结构如图 3.6 所示。 10 ROM和1-WIRE总 线 接 口 CRC校验和生成器 温度传感器 配置寄存器 低温触发器 高温触发器 存储器和控制器 高速缓存 图 3.6 DS18B20 的内部结构 DS18B20 的工作过程： 复位操作 执行 ROM 操作的 5 条指令之一：1）读 ROM，2）匹配 ROM，3）搜索 ROM，4） 跳过 ROM，5）报警搜索。 存储器操作命令：温度转换、读取温度、设定上下限温度值等指令 读取温度数据：主机读取温度数据后进行数据处理。 可以初始化数据精度，按芯片手册写入固定指令。数据位数可设置成 9、10、11、12 位，其中 7 位为温度整数部分，1 位表示温度正负，其余位数为小数。 如 9 位数据时，有 1 位为小数，精度为 0.5。 ROM 操作指令： 读 ROM 指令。Read ROM 33h。这个命令允许总线控制器读到 DS18B20 的 8 位系列编码、唯一的序列号和 8 位 CRC 码。只有在总线上存在单只 DS18B20 的时候 才能使用这个命令。如果总上有不止一个从机，当所有从机试图同时传送信号时就会 发生数据冲突（漏极开路连在一起开成相与的效果） 。 匹配 ROM 指令：Match ROM 55h。匹配 ROM 命令，后跟 64 位 ROM 序列，让 总线控制器在多点总线上定位一只特定的 DS18B20。只有和 64 位 ROM 序列完全匹配 的 DS18B20 才能响应随后的存储器操作命令。所有和 64 位 ROM 序列不匹配的从机都 将等待复位脉冲。这条命令在总线上有单个或多个器件时都可以使用。 跳过 ROM 指令:Skip ROM CCh。这条命令允许总线控制器不用提供 64 位 ROM 编码就使用存储器操作命令，在单点总线情况下右以节省时间。如果总线上不止一个 从机，在 Skip ROM 命令之后跟着发一条读命令，由于多个从机同时传送信号，总线 上就会发生数据冲突（漏极开路下拉效果相当于相与） 。 搜索 ROM 指令:Search ROM F0h。当一个系统初次启动时，总线控制器可能 11 并不知道单线总线上有多少器件或它们的 64 位 ROM 编码。搜索 ROM 命令允许总线控 制器用排除法识别总线上的所有从机的 64 位编码。 复位时序:DS18B20 需要严格的协议以确保数据的完整性。协议包括几种单线 信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写 0、写 1、读 0 和读 1。所有这些信号，除存在 脉冲外，都是由总线控制器发出的。和 DS18B20 间的任何通讯都需要以初始化序列 开始，初始化序列见上图。一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明 DS18B20 已经准备 好发送和接收数据（适当的 ROM 命令和存储器操作命令） 。 3.2.3 无线温度传输模块的设计 NRF24L01 是一款新的单片射频收发器，为 2.4GHz2.5GHz 的 ISM 频段工作。内 置频率合成器，功率放大器，晶体振荡器，调制器，如功能模块，并结合增强 ShockBurs 技术，包括输出功率和通信频道可以由程序来配置。 NRF24L01 低能耗， 在 - 6 dBM 功率发射，工作电流仅为 9 毫安;接收时，工作电流 12.3 毫安，各种低 功耗模式（掉电模式和空闲模式） ，设计更方便。NRF24L01 主要特性有 GFSK 调制： 硬件集成 OSI 链路层；具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头和 CRC 校 验码；数据传输率为 lMb/s 或 2Mb/s；SPI 速率为 0 Mb/s10 Mb/s；125 个频道：与 其他 NRF24 系列射频器件相兼容；QFN20 引脚 4mm4mm 封装；供电电压为 1.9V3.6V。NRF14L01 的引脚排列如图 3.7 所示。 CE 1 CSN 2 SCK 3 M OSI 4 M ISO 5 VDD_PA 11 ANT1 12 ANT2 13 VSS 14 VDD 15 16 VSS VSS DVDD 18VDD 17 19 IREF 20 7 6 VSS VDD 8 XC1 XC2 IRQ 10 9 图 3.7 NRF24L01 管脚图 发射数据时，首先将 NRF24L01 配置为发射模式：接着把接收节点地址 TX_ADDR 和有效数据 TX_PLD 按照时序由 SPI 口写入 NRF24L01 缓存区，TX_PLD 必须在 CSN 为 低时连续写入，而 TX_ADDR 在发射时写入一次即可，然后 CE 置为高电平并保持至少 10s，延迟 130s 后发射数据；若自动应答开启，那么 NRF24L01 在发射数据后立 即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址 TX_ADDR 一 致） 。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS 置高，同时 TX_PLD 从 TX FIFO 中 清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC) 12 达到上限，MAX_RT 置高，TX FIFO 中数据保留以便在次重发；MAX_RT 或 TX_DS 置高 时，使 IRQ 变低，产生中断，通知 MCU。最后发射成功时，若 CE 为低则 NRF24L01 进 入空闲模式 1；若发送堆栈中有数据且 CE 为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中 无数据且 CE 为高，则进入空闲模式 2。 接收数据时，首先将 NRF24L01 配置为接收模式，接着延迟 130s 进入接收状态 等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和 CRC 时，就将数据包存储在 RX FIFO 中，同时中断