毕业设计（论文）-基于单片机和无线射频模块的无线数据收发系统设计.doc

装订线基于单片机和无线射频模块的无线数据收发系统设计 二 一 四 届 毕 业 设 计基于单片机和无线射频模块的无线数据收发系统设计学 院：信息工程学院专 业：电子信息工程姓 名：杜 婧学 号：2403100122指导教师：冯兴乐完成时间：2014.06.12 二一四年六月摘 要在如今的日常生活以及工农业的生产中，需要进行温度采集的场合越来越多，如何更直观简便的测量温度就显得尤为重要。在传统的有线数据传输方式就需要预先布线，浪费资源，占用空间，可操作性差，不具有便携性，而且当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许布线时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。该系统是是基于STC89C52单片机、DS185B20以及nRF2401射频模块实现温度的短距离无线传输系统，实现温度的实时采集、无线传输和动态显示等功能。单片机在本系统中作为温度输入和显示控制器件，DS18B20被用作温度数据的采集和温度输出器件，nRF2401作为温度数据的无线收发器件。本系统结构简单，误码率低，可靠的实现了数据的无线传输，可被广泛应用于温度控制、温度检测、温度采、消防等系统中。关键词：温度测量，无线数据传输，STC89C52，nRF2401，DS18b20 ABSTRACT In todays daily life as well as industrial and agricultural production, more and more occasions will need the temperature acquisition. How to be more intuitive and easy to measure the temperature is particularly important. In traditional wired data transmission requires pre-wired, waste of resources, space, operability is poor, do not have portability. Moreover, when the data collection point is in motion, the environment does not allow cabling, data transmission cannot even, at this time we need to use the wireless transmission of data collection. The system is based on STC89C52 microcontroller, DS185B20 and nRF2401 RF module to achieve temperatures short-range wireless transmission system to achieve real-time acquisition of temperature, wireless transmission and dynamic display. In this system the microcontroller as the temperature input and a display control device, DS18B20 temperature is used as the output device and collecting temperature data, nRF2401 wireless transceiver devices as temperature data. The system is simple, low error rate, to achieve a reliable wireless data transmission, which can be widely used in temperature control, temperature detection, temperature collection and fire protection systems.KEY WORDS:temperature measurement,wireless data transmission,STC89C52,nRF2401,DS18b20 目 录第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 数据采集系统简单介绍21.2.1 基于通用微型计算机的数据采集系统21.2.2 基于单片机的数据采集系统21.2.3 基于DSP 数字信号微处理器的数据采集系统21.2.4 基于混合型计算机采集系统21.3 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果31.4 论文的内容及结构31.4.1 论文的内容31.4.2 论文的结构32.1 系统总体设计思路42.2 系统方案52.2.1 温度检测模块传感器的选择52.2.2 无线发射接收模块的选择52.2.3 显示模块方案6第三章 系统硬件设计73.1 单片机STC89C5273.1.1 单片机的结构特点73.1.2 STC89C52引脚配置83.1.3 时钟电路93.1.4 复位电路103.1.5 串行通信103.1.6 报警电路103.2 DS18B20数字温度传感器113.2.1 DS18B20特点性能113.2.3 DS18B20的测温原理133.2.4 DS18b20的供电方式143.2.5 单片机对DS18B20操作流程143.3 nRF2401射频模块153.3.1 nRF2401概述15 3.3.2 nRF2401引脚功能及描述153.4 显示电路18 3.4.1 LED数码管简介18 3.4.2 LED数码管的基本参数和引脚功能193.5 电源转换电路20第四章 系统软件设计214.1 温度传感器DS18B20软件设计214.2 数码管显示234.3 nRF2401无线收发程序234.4 接收节点报警子程序27第五章 原理图与PCB板的绘制285.1 制板285.2 结论30致 谢31参考文献32附录33附件42 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着科技的进步和社会生产发展的需要，我们在生活中有越来越多的地方将使用到无线通信进行数据采集。进入21 世纪随着信息社会的到来，越来越多的智能操作经已经替代了人们基本的手工操作，信息是获得技术的关键所在，这就要求人们能在第一时间获得数据。 图1.1短距离无线通信的应用 在工业现场，在生产运作中时常需要对温度进行实时监测。但由于环境人力等问题，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要数据的采集并短距离传输到一个工作室内，这样就会产生数据传输问题。传统有线数据传输方式的由于距离远、需要传输数据多，在使用中需要铺设很多很长的通讯线，造成浪费资源，占用空间，不具有良好的可操作性，换线较困难，在移动状态或是出于恶劣环境的数据采集点更是难以监测，此时就需要采用无线传输的方式进行数据采集。在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是仓库的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和仓库占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。在日常生活中，智能化也更逐步改善正人们的居住条件。如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。可以说现代社会生活的各方面都对实时、即时的数据存在着依赖。在现实生活中，无线数据采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。采用单片机来对数据采集进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控数据的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。1.2 数据采集系统简单介绍随着自动控制、监测及远程控制的发展，数据采集越来越被广泛应用，如医疗、工业等方面，数据采集是指将温度，压力，流量，位移等模拟量通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤采集，转换成数字量后，传给PC 机进行存储，处理，显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统，可分为以下几种：1.2.1 基于通用微型计算机的数据采集系统 将采集来的信号通过外部的采样和A/D 转换后的数字信号通过接口电路送入微机内进行处理，然后再显示处理结果或经过D/A 转换输出，主要有以下几个特点:（1）系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软硬件资源都可以用来支持系统进行工作。 （2）具有自开发能力。 （3）系统的软硬件的应用配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时，软硬件扩展能力较好。 （4）在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高；程序在RAM 中运行，易受外界干扰破坏。1.2.2 基于单片机的数据采集系统 它是由单片机及其些外围芯片构成的数据采集系统，是近年来微机技术快速发展的结果，它具有如下特点: （1）系统不具有自主开发能力，因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。 （2）系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统的软硬件应用配置具有最佳的性价比。系统的软件一般都有应用程序。 （3）系统的可靠性好、使用方便。应用程序在ROM 中运行不会因外界的干扰而破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。1.2.3 基于DSP 数字信号微处理器的数据采集系统 DSP 数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式，常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP 芯片，一种是通用DSP 芯片。基于DSP 数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下：精度高、灵活性好、可靠性好、容易集成、分时复用等，但其价格不菲。1.2.4 基于混合型计算机采集系统 这是一种近年来随着8位单片机出现而在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机（PC 机）与单片机通过标准总线（例如RS-232-C 标准）相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形显示等任务。混合型计算机数据采集系统有以下特点: （1）通常具有自开发能力； （2）系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统；（3）主机可远离现场而构成各种局域网络系统； （4）充分利用主机资源，但不会占有主机的全部CPU时间。1.3 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果 在2.4GHz非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、WiFi、Zigbee等多个标准无线协议。，具有带宽高（ 2Mbps），双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围），耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合。Nordic公司等公司已成功推出nRF24L01芯片，2.4G全球开发ISM频段免许可证使用。同时许多公司也相继推出基于nRF24L01的无线传输模块。nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。类似美国DALLAS公司推出的数字测温芯片DS18B20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也趋近完善。1.4 论文的内容及结构1.4.1 论文的内容 （1）数据发送端的多点温度信息采集，采集端在设计时，使用单总线设计的数字温度传感器，既节约了I/O口资源，又能降低开发成本，使得开发电路变得更简单。 （2）接收端的温度数据采集。通过无线传输接受到温度信息并显示温度数据，若过安全线报警。1.4.2 论文的结构 论文总共分为四章，其中的三、四章设计为本文核心。 第一章主要介绍了研究背景及意义、数据采集系统并简单介绍国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果。 第二章主要介绍温度无线数据收发的设计思路和总体方案，确定本系统的总体方案。 第三章主要介绍该系统的硬件设计部分，包括电源转换电路、温度数据采集和接受电路、射频模块电路等设计。 第四章着重介绍系统的软件设计，介绍了多个模块子程序和射频模块流程和代码的实现。第 43 页 共 51 页 第二章 无线温度采集系统的方案设计 为了实现无线温度的遥测，则该系统中需要包含温度检测模块、数据收集与处理模块、无线信号发射与接收模块、数据显示与温度上限报警模块。在设计方案中，由测温模块测出温度后，采集来的数字信号由无线数据传输模块把温度数值发送给数据处理模块进行进一步数据处理，在单片机的控制下，在显示模块上显示。通过单片机控制使整个系统能够达到要求的功能。由于温度采集多用于工农业等复杂环境，因此，系统的设计方案要以完成任务为前提，考虑设计场景，应选用具有参数可设、成本低、不易坏、易更换等特点的器件。2.1 系统总体设计思路对于本论文无线温度采集系统来说，整个系统由温度的数据采集节点和数据接收节点两个部分组成，两者之间通过无线通道通信。系统整体结构图如图2.1所示：单片机2NRF2401 模块NRF2401 模块单片机1 显 示 DS18B20 显 示 采集模块 接收模块图2.1 系统整体结构图对于本文设计的无线温度采集系统来讲，整个系统由温度数据采集模块，一个温度数据接收模块组成，两者之间通过无线通道通信。数据采集模块负责资料的采集和发送；数据接收模块负责数据的接收和处理。温度采集模块由一个无线收发模块、一个微控制器、一个显示器和温度传感器组成，在单片机1的控制下，温度传感器把温度数据传至单片机1进行判断、显示，并控制无线模块1把数据发射出去。无线模块2收到数据后，把数据传至单片机2，单片机2在对数据进行再判断与显示。由于STC89 系列单片机与MCS-51 系列单片机兼容，并支持在线下载，线路简单，所以本系统采用STC89C52单片机。根据系统的特点，总结系统的要求如下：（1）体积小，便于携带和操作。 （2）具有良好的可靠性，有一定的抗干扰能力，便于实时的检测和传输，使用无线数据传输技术，系统越稳定越好。经过软件设计要降低传输的误码率。 （3）可移动性。设计的系统便于在不同的环境中进行操作，选用传感器时应考虑结构简单、无损伤、精度高、可重复使用，使用时舒适等优点。 （4）低成本。在工农业生产应用中，更应考虑其实用性和成本。 该系统的主要功能如下： （1）无线温度采集传输功能 （2）接收节点报警功能 （3）温度数据显示功能2.2 系统方案2.2.1 温度检测模块传感器的选择 方案一：使用热电偶温度传感器。两种不同成分的导体（称为热电偶丝或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电动势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量。 方案二：使用TN9红外温度传感器。TN9红外测温模块属于非接触温度传感器，测量范围广和可同时测量环境温度和目标温度的特点，测量距离可以达到30米，回应时间大约0.5秒，温度范围为-33220C。测量反应较快，精度比较高。方案三：采用AD590是美国ANALO GDEVICES 公司的单片集成两端感温电流源。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。 方案四：使用DS18B20数字温度传感器。DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的世界上第一片支持“一线总线”接口的数字式温度传感器，供电电压范围为35.5V，测温范围为-55+125，可编程的912位分辨率，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，出厂设置默认为12位，在12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字信号。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路，且在使用中不需要任何外围元件。基于以上的分析和题目的要求，我们选择方案四。2.2.2 无线发射接收模块的选择 在本系统中，要求的短传输距离应最好能大于5m，传输速率至少要在每秒1KB以上。目前的近距离数据传输模块主要有红外线传输和射频信号传输。 方案一：红外线传输。它通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；传输距离会受到方向性和外界光的干扰,一般为35m；由于它是直线传输，所以接收器一般会受到方向限制，不能实现任意角度的接收。方案二：使用射频收发芯片nrf2401来实现数据的无线传输，其工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。方案三：蓝牙技术支持网络语音数据传输。使用时以多个无线的微微网组成分布式网络，从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。蓝牙定义了100mw、25mw和lmw三种功率等级。蓝牙在使用时发现了很多优点，但也存在许多不足，而且成本还不低。综上所诉选用射频收发芯片其种类多，在设计中可以节约开发成本并缩短开发周期。2.2.3 显示模块方案 方案一：选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。 方案二：采用字符液晶LCD1602显示信息，1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。 方案三：采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制。综合以上方案，我们选择了经济实惠并且控制简单的7段数码管显示。第三章 系统硬件设计系统的硬件设计时既要做到电路简单，系统的抗干扰能力强，具有良好的稳定性，同时应能节约成本。本系统的温度采集节点由温度传感器DS18B20、单片机STC89C52、射频模块nRF2401和四位一体七段数码显示管组成。数据节点由射频模块nRF2401、单片机STC89C52、和四位一体七段数码显示管组成。3.1 单片机STC89C523.1.1 单片机的结构特点控制电路设计是系统的控制和数据处理的核心，而作为控制核心的单片机种类很多，如PIC等等。根据任务书的要求以及系统实际的需要，本次毕业设计采用STC89C52作为系统的微控制器芯片。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。核心处理单元使用的是80C51、而且兼容8051单片机的指令代码。本系统选用11.0592MHz的晶振为单片机提供晶振频率。主要性能： 1、与MCS-51 产品指令系统完全兼容； 2、片内集成4KB 的FLASH 存储器，可反复编程/擦除1000 次； 3、数据保留时间：10 年； 4、全静态设计，时钟频率范围为024MHz、33MHz； 5、三个程序存储器保密位； 6、1288 字节的内部RAM； 7、32 条可编程的I/O 口线； 8、2 个可工作于4 种模式的16 位定时/计数器； 9、5 个中断源/2 个中断优先级； 10、可编程串行通道； 11、具有4 种工作模式的全双工串行口； 12、低功耗的待机工作模式和掉电工作模式； 13、片内振荡器和时钟电路； 14、具有4 种工作模式的全双工串行口； 15、低功耗的待机工作模式和掉电工作模式； 16、片内振荡器和时钟电路；3.1.2 STC89C52引脚配置图3.1 STC89C52引脚 单片机采用40引脚双列直插封装（DIP）形式。对于CHMOS单片机除采用DIP形式外，还采用方形封装工艺。由于受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。在单片机的40条引脚中，有2条用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，控制或其他电源复用引脚RST/ Vpd、ALE、和VPP，32条输入/输出引脚。（1）主电源引脚VCC和GND VCC：接+5V电源 GND：接电源地（2）钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶体的一端。在单片机内部，它是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。在采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机，此引脚必须接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬空。（3）信号引脚RST/Vpd RST/Vpd:复位/备用电源输入端。单片机上电后，只要在该引脚上输入24个振荡周期（2个机器周期）宽度以上的高电平就会使单片机复位；若在RST与VCC之间接一个10F的电容，而在RST与GND之间接一个8.2K的下拉电阻，则可实现单片机上电自动复位。 RST/Vpd具有复用功能，在主电源VCC掉电期间，该引脚可接上+5V备用电源。当VCC下掉到低于规定的电平，而Vpd在其规定的电压范围内时，Vpd就向片内RAM提供备用电源，以保持片内RAM中的信息不丢失，复电后能继续正常运行。（4）PSEN PSEN ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器读取指令期间，每个机器周期两次PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号将不出现。（5）EA /VPP EA /VPP：当EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，EA 将内部锁定为RESET；当EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（VPP）。（6）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2和P3 P0 口：P0 口为一个8 位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8 个TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FLASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH 进行校验时，P0 输出原码，此时P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4 TTL 门电流。P1 口管脚写入1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作为低八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4 个TTL 门电流。当P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为ST89C52的一些特殊功能口,P3 口管脚备选功能:3.1.3 时钟电路STC89C52单片机的时钟产生方法有两种，一种是内部方式，利用时钟内部的振荡电路产生时钟信号；另一种是外部方式，时钟信号由外部引入。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振电路。振荡晶体可以在1.2MHZ到24MHZ之间选择，常用的晶振频率有6MHZ、12MHZ和11.0592MHZ。电容CX1和CX2主要是帮助起振，称为谐振电容，电容值无严格要求，但电容的取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值。所以本设计中振荡晶体采用11.0592MHZ，电容选择30pF。图3.2 时钟电路3.1.4 复位电路 为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。STC89C52的复位是由外部的复位电路实现的如图。图3.3 复位电路3.1.5 串行通信经MAX232电平转换可实现单片机程序下载与升级。 图3.4 串行通信电路3.1.6 报警电路在接收模块中，当外界温度超过预设温度上下限时，为更加有效的引起用户的注意，及时关注温度的变化，本系统设计了声报警电路。该电路由蜂鸣器组成，具体电路如图3.5所示。 图3.5 报警电路3.2 DS18B20数字温度传感器3.2.1 DS18B20特点性能DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温原件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。（1）采用独特的单线接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与的双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，供电电压范围+3.0V5.5V。（4）测温范围55125。固有测温分辨率为0.5。当在10 +85范围内，可确保测量误差不超过0.5，在55125范围内，测量误差也不超过2。（5）通过编程可实现912 位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B2不会因发热而烧毁。但此时芯片无法正常工作。（9）DS18B20 的转换速率比较高，进行9 位的温度转换仅需93.75ms。（10）适配各种单片机或系统。（11）内含64 位激光修正的只读存储ROM，扣除8 位产品系列号和8 位循环冗余校验码（CRC）之后，产品序号占48 位。出厂前产品序号存入其ROM 中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20。3.2.2 DS18B20的管脚配置和内部结构DS18B20 采用脚封装或脚封装。其管脚排列见图3.6。图3.6 DS18B20引脚图引脚定义： （1）DQ为单数据总线，是数字信号输入/输出端； （2）GND为电源地； （3）VCC为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 内部结构如图3.7所示。图3.7 DS18B20内部结构图 （1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 高8 位是CRC 校验码，接着是每个器件的惟一的序号，共有48 位，低8 位是产品类型的编号，前56 位的这也是多个DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。 （2）非易失性温度报警触发器TH 和TL，可通过软件写入用户报警上下限。 （3）高速暂存存储器 DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM 和一个非易失性的可电擦除的的E2RAM。后者用于存储TH，TL 值。数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5 个字节，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义见表3.1。表3.1字节定义TMR1R011111 低5 位一直都是1，TM 是测试模式位，用于设置DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在DS18B20 出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1 和R0 决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率。设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间两者中权衡考虑。高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8 个字节组成，其分配见表3.2。表3.2 字节定义温度地位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRC LSB MSB其中第1、2 字节是温度信息，第3、4 字节是TH 和TL 值，第68 字节未用，表现为全逻辑1；第9 字节读出的是前面所有8 个字节的CRC 码，可用来保证通信正确。当DS18B20 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2 字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。温度值格式见表3.3。表3.3 温度格式表低八位：232221202-12-22-32-4MSBLSB高八位： S S S S S 26 25 24 MSB LSB这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。3.2.3 DS18B20的测温原理 图3.8 DS18B20测温原理图 如图3.8，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振的振荡频率随温度变化而明显改变，所产生的信号作为减法计数器2 的脉冲输入。图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1 和温度寄存器中，减法计数器1 和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1 的预置值减到0 时温度寄存器的值将加1，减法计数器1 的预置将重新被装入，减法计数器1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2 计数到0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2-3 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20 的测温原理。3.2.4 DS18b20的供电方式DS18B20 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20 的1 脚接地，2 脚作为信号线，3 脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET 管来完成对总线的上拉。当DS18B20 处于写存储器操作和温度A/D 转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD 端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。本系统采用外接电源供电方式所以本系统采用外接电源供电方式。图3.9 DS18B20供电方式3.2.5 单片机对DS18B20操作流程（1）复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480S的低电平信号。当18B20接到此复位信号后则会在1560S后回发一个芯片的存在脉冲。 （2）存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在1560S后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60240S的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。 （3）控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。（4）控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。 （5）执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500S。如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。数据的读写方法将有下文有详细介绍。 当主机收到DSl8B20的响应信号后，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如下：Skip ROM（跳跃ROM指令） 这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。Read Scratchpad （从RAM中读数据） 此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9，完成整个RAM数据的读出。芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。Convert T（温度转换） 收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持500mS，来维持芯片工作。与DS18B20的所有通讯都是由一个单片机的复位脉冲和一个DS18B20的应答脉冲开始的。单片机先发一个复位脉冲，保持低电平时间最少480S，最多不能超过960S。然后，单片机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲。DS18B20在接受到复位脉冲后等待1560S才发出应答脉冲。应答脉冲能保持60240S。单片机从发送完复位脉冲到再次控制总线至少要等待480S。 读时隙需1560S，且在2次独立的读时隙之间至少需要1S的恢复时间。读时隙起始于单片机拉低总线至少1S。DS18B20在读时隙开始15S后开始采样总线电平。以单片机读取2 B的数据为例。 写时隙需要1575S，且在2次独立的写时隙之间至少需要1S的恢复时间。写时隙起始于单片机拉低总线。3.3 nRF2401射频模块3.3.1 nRF2401概述 nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401主要特性如下： 小体积，QFN24 5x5mm封装 宽电压工作范围，1.9V3.6V 工作温度范围，-40+80 工作频率范围，2.400GHz2.524GHz 数据传输速率，25