毕业设计（论文）-大型服务器机箱内环境监控系统的设计.doc

装订线长 春 大 学 大型服务器机箱内环境监控系统的设计大型服务器机箱内环境监控系统的设计摘要 本设计由主机和从机两个部分组成，主机是基于STC89C52单片机的主控板具有显示，查询和报警的功能。从机是基于STC89C52单片机设计的主板作为采集环节的节点。从机和主机之间通过NRF24L01无线通讯。从机作为采集终端分布与服务器机箱，将采集到的信息发送给主机。本系统监测的环境因数包括温度、电压、风扇转速。主机将接收到的信息通过LCD1602显示出来。若某个因数超过或低于阈值，主机会报警让人来处理。系统主机由无线传输模块，显示模块和报警模块组成。NRF24L01具有一对多的功能，主机通过循环查询模式来接收每个模块发来的信息，然后进行分析，判断，处理。系统从机有无线传输模块、温度采集模块、电压采集模块、风扇转速采集模块组成。从机将各个模块的信息采集出来，然后向主机请求发送，轮到本模块发送，从机就将编码好的信息发送给主机。关键词 单片机STC89C52 NRF24L01 DS18B20 CS3020 LCD1602共 II 页 第 I 页Large Server Chassis Design Environment Monitioring SystemAbstract The design by the master and slave composed of two parts , the host is based on the control board has STM32F103VET6 display , query, and alarm functions. A cluster is a single-chip design based on STC89C52 collected as part of the motherboard nodes . From between the machine and the host through NRF24L01 wireless communications. Slave as distribution and collection terminal server chassis , the collected information is sent to the host. The system monitors environmental factors , including temperature, voltage, fan speed. Host will receive the information via color display. If a factor exceeds the threshold , the host will alarm people to deal with.By the wireless transmission system of the host module , display module and the alarm module. NRF24L01 has many functions , each module host to receive the information sent through the cycle query mode , and then analyzed to determine the processing .System from a machine with a wireless transmission module , temperature acquisition module, voltage acquisition module, fan speed acquisition module. The information collected from the machine out of each module , and then send the request to the host , turn the module send coded messages from the machine will be sent to the host.KeyWords SCM STC89C52 NRF24L01 DS18B20 CS3020 LCD1602共 II 页 第 II 页目 录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 国内外发展现状1第2章 整体方案设计32.1 设计的内容32.2 设计的要求32.3设计整体思路32.4 总体方案设计3第3章 主机硬件电路设计53.1 整体设计思路53.2 单片机电路设计53.2.1 STC89C52简介53.2.2复位电路83.2.3晶振电路83.2.4电源电路93.3 NRF24L01无线接收电路设计103.4 LCD1602液晶显示电路设计123.5 声光报警电路设计14第4章 从机硬件电路设计164.1 整体思路设计164.2 DS18B20温度采集电路设计164.2.1 DS18B20介绍164.2.2测温操作184.3电压采集电路设计184.4风扇转速采集电路设计194.4.1霍尔传感器204.4.2霍尔传感器的应用204.5 NRF24L01发射电路设计214.6 A/D转换电路设计22第5章 软件设计245.1主机程序设计245.1.1uC/OS-II介绍245.1.2程序框图255.1.3程序流程图255.2 从机程序设计26第6章 总结与展望276.1 总结276.2 展望27致 谢29参考文献30附录31附录1：电路原理图31附录2：程序清单32共 ii 页 第 ii 页第1章 绪论1.1 研究背景计算机网络和通信规模的不断扩大以及网络结构的日益复杂和异构化，网络监控也随之迅速发展。网络监控系统可以给网络管理员提供良好的信息来源，减少网络故障概率，缩短失败时间。提供应用服务的中心设备服务器，无论从提供商还是使用者的角度看，其性能和稳定性逗居于核心地位。而目前攻击目标主机的技术变得越来越先进，渗透网络的切入点数量变得越来越多，仅仅对服务器周边的中继设备实施监控已不能准确快速的表达服务器运行状态，此外分布式服务群的存在，以及服务集群、网络接口负载均衡、处理负载均衡、超线程处理器等等新技术的应用，使监控网络服务器的环境更加复杂。如何快速知晓网络服务器的可靠性和稳定性，判断异常的发生，单靠监控通讯设备的网路参数已不能满足目前复杂网络环境监控和管理的需要。随着信息网络技术的不断发展，各类规模大小不等，设备种类、数量不同的网络设备机房广泛分布于用户各分支机构所在地域，由于欠缺与运行网络的规模体系相对称的运维系统，数量众多的无人值守机房的物理运行环境状况、动力配电状况、设备运行状况、人员活动状况以及消防状况的变化包括可能出现的危急状况，均无法得到及时的发现和处理，也就很难被有效预见、防范和避免。因此，一套完善的服务器环境监控系统对于机房、IDC等场所非常重要。环境监控系统是一个综合利用计算机网络技术、数据库技术、通信技术、自动控制技术、新型传感技术等构成的计算机网络，提供的一种以计算机技术为基础、基于集中管理监控模式的自动化、智能化和高效率的技术手段，系统监控对象主要是机房动力和环境设备等设备（如：配电、UPS、空调、温湿度、漏水、烟雾、视频、门禁、防雷、消防系统等）。目前，信息化从基础网络建设，应用系统建设，逐步进入了一个应用和网络融合发展，网络应用系统复杂度和规模不断扩大的时期。其中，服务器监控系统是整个网络运维系统中的一个重要的环节，通过服务器监控系统可以实时监控服务器的运行状态，以帮助管理人员提升运维效率。1.2 国内外发展现状环境监控系统的是伴随着通信事业而发展的。自从20世纪80年代出现了第一代环境集中监控系统，经过了最近二十几年的发展，监控系统的规模、技术都取得了很大的进步。在初期进行的环境监控系统主要是以少量的干点接入来反应通信电源简单的运行信息，而另外环境相关参数信息是混合在传输设备或交换设备的进行传送的。监控系统只是简单的提供一到二个字节的信息来反应设备的运行状态。这就是第一代简单的提供少量开关量的动力设备及环境集中监控系统。而在这种监控系统下，维护人员只能知道少量的设备信息，虽然能及时知道设备故障，但不能准确分析出设备的故障。这种监控系统只能在一定的程度上解决设备维护的问题。第二代动力设备及环境监控系统能够提供大量的模拟量和开关量，并能对设备进行相应的遥控、遥调。系统能记录设备在一段时间内的重要数据，根据这些数据就能分析设备的一些运行状况，比如机房内点出一段时间充电和放电情形，依次可以分析电池的性能。自从1997年邮电部颁发和实施了通信电源和空调监控系统技术要求对监控系统进行了统一的规定后，第二代动力设备及环境集中监控系统走上了一条新的发展道路，相应的投入到动力设备及环境集中监控系统的厂家也日益增多。随着第二代动力设备及环境集中监控系统的应用越来越广泛，技术也越来越成熟和全面。机房的监控也由原来的人工巡逻维护变成现在的具有专家系统功能的动力设备及环境集中监控系统，技能实现对机房电信设备的监控接入，并能够及时对设备的故障进行告警显示。随着我国通信事业的发展，动力设备及环境监控系统已经发展了将近二十几年，在技术、系统规模都有了长足的发展，具体可以总结一下五个方面：（1）随着通信网络增大和通信质量要求的提高增加，监控系统规模和数据也逐渐增加；（2）监控系统的实时性、稳定性有了很大的提高，技术更加成熟；（3）监控系统与运行维护系统相互结合，相互促进，相互完善；（4）监控系统的相关技术日益完善；（5）监控系统在走上市场的过程中更加规范化。这些进展也为研发动力设备及环境集中监控的厂家提供了一个良好的平台。在此平台上，国内外厂家、研究所在原有的技术基础上，将更对的新技术上应用到动力设备及环境集中监控系统上，如CAN总线、ProfiBus总线、LonWorks总线等总线技术。将这些现场总线拘束应用到动力设备及环境集中监控系统上是一个新的发展方向。共 39 页 第 39 页第2章 整体方案设计2.1 设计的内容系统主要用于服务器机箱内的电压、风扇及温度的监控，从而确保服务器能够长期稳定地工作。通过对机箱内的环境监控，可以及时反映机箱的工作状况，一旦电压、风扇或温度出现异常，系统立刻进行声光报警。2.2 设计的要求（1）系统风扇转速，在21802220rpm为正常，超出这个范围需声光报警。（2）系统温度，在2075 摄氏度为正常，超出这个范围需声光报警。（3）系统电压，在200240V 为正常，超出这个范围需声光报警。（4）声光报警：出现异常时发光二级管会闪烁，并采用语音提示报警。2.3设计整体思路 本系统由主机和从机两个模块组成，主机为显示、报警和控制模块，从机是采集信息的终端分布在服务器机箱内，然后通过无线将数据传输给主机，主机处理数据后做出判断。主机通过判断从机采集到的信息是否超出过低于域值确定是否报警。2.4 总体方案设计 根据设计要求，本系统主要由电源电路、电压采集电路、温度采集电路、风扇转速采集电路、无线传输电路、显示电路、报警电路等组成。系统框图如2-1所示：STC89C52LCD液晶NRF接收报警器STC89C52电压采集温度采集转速采集NRF发射 图2-1 系统整体框图从机部分放大服务器机箱中，负责采集电压、温度和风扇转速，把采集到的信息通过NRF24L01无线发送到主机。主机通过NRF24L01接收从机发送过来信息，经过判断是否超出或低于所规定的阈值。如果超出或低于域值，则进行声光报警；如果处于临界点，进行声光报警，发光二级管为黄色；如果没有超出或低于域值，则蜂鸣器不报警，发光二级管为绿光。并通过LCD1602把数值显示出来。第3章 主机硬件电路设计3.1 整体设计思路主机控制器采用STC89C52单片机，此款单片机带有SPI模块，可以控制基于SPI通信的NRF24L01无线模块。LCD1602作为显示屏，将信息处理后显示出来，可以直接接到单片机的I/O口上。蜂鸣器，作为报警装置，当环境出现恶劣的变化时发出报警。 从机控制器也采用STC89C52单片机，此款单片机带有SPI模块，可以控制基于SPI通信的NRF24L01无线模块，8路10位精度的ADC，可以采集模拟的环境信息。普通的一个I/O口采集温度传感器的模拟数据值，一个普通的I/O口读取DS18B20的数据，一个I/O口采集转速传感器的模拟数据值。3.2 单片机电路设计3.2.1 STC89C52简介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4KBEEPROM，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。1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。2.工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）。3.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz。4.用户应用程序空间为8K字节。5.片上集成512字节RAM。6.通用I/O口（32个），复位后为：P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。8.具有EEPROM功能。9.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。10.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。11.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。12.工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。13.PDIP封装。STC89C52单片机引脚如图3-1所示: 图3-1 STC89C52引脚图P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉。电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI 指令）时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。3.2.2复位电路在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。无论用户使用哪种类型的单片机总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。基本的复位方式单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。复位电路如图3-2所示： 图3-2 复位电路3.2.3晶振电路晶体振荡器，简称晶振。在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。晶振电路如图3-3所示： 图3-3 晶振电路3.2.4电源电路任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略，其实有将近一般的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。单片机电源电路如图3-4所示： 图3-4 电源电路由图上看，变压器输入端经过一个保险连接电源插头，如果变压器或后面的电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温熔化后断开。变压器后面由4个二极管组成的桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个电解电容。变压器输出端的电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器背的电阻就会变小，而当负载电流小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。因为我们要输出5V电压，所以选用7805，,705前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限电流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好说了，这就跟散热条件有很大的关系。三端稳压器后面接一个电容，这个电容由滤波和阻尼作用。最后在C2两端接一个输出电源的插针，可用于与单片机连接。虽然7805最大电流是1A，但实际使用一般不要超过500mA，否则会发热很大，容易烧坏。一般浮在电容由200mA以上时需要散热片。3.3 NRF24L01无线接收电路设计NRF24L01是NORDIC公司最近生产的一款无线通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的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。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个终端输入引脚，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。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。NRF24L01可以兼容NRF2401A、NRF24L01+、NRF24LE1、NRF24LU1等无线模块。输出功率频道选择的协议的设置可以通过SPI接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA,接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。NRF24L01无线接收电路图如图3-5所示：图3-5 NRF24L01无线模块电路图从单片机控制的角度来看，我们只需要关注右面的六个控制盒数据信号，分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRO、CE。CSN：芯片的片选线，CSN为低电平芯片工作SCK：芯片控制的时钟线（SPI时钟）MISO：芯片控制数据线（Master input slave output）MOSI：芯片控制数据线（Master output slave input）IRQ：中断信号。无线通信过程中MCU主要是通过IRQ与NRF24L01进行通信。CE：芯片来模块控制线。在CSN为低的情况下，CE协同NRF24L01的CONFIG寄存器共同决定NRF24L01的状态。NRF24L01的工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。而收发模式有Enhanced ShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种，收发模式由器件配置字决定。1.Enhanced ShockBurstTM 收发模式 Enhanced ShockBurstTM 收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能：低的系统费用：数据在空中停留时间短，抗干扰性高。Enhanced ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。 在Enhanced ShockBurstTM收发模式下，NRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在收发数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，在发送模式下，置CE为高，至少10us，将时发送过程完成后。2. Enhanced ShockBurstTM发射流程（1）把接收机的地址和要发送的数据按时序送入NRF23L01；（2）配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式。（3）微控制器把CE置高，激发NRF24L01进行Enhanced ShockBurstTM发射；（4）NRF24L01的Enhanced ShockBurstTM发射给射频前端供电：射频数据包；（5）高速发射数据包；（6）发射完成，NRF24L01进入空闲状态。3. Enhanced ShockBurstTM 接收流程：（1）配置本机地址和要接收的数据包大小；（2）配置CONFIG寄存器，使之进入接收模式，把CE置高；（3）130us后，NRF24L01进入监视状态，等待数据包的到来；（4）当接收到正确的数据包（正确的地址和CRC校验码），NRF24L01自动把字头、地址和CRC校验码位移去；（5）NRF24L01通过把STATUS寄存器的RX_DR置位（STATUS一般引起微控制器中断）通知微控制器；（6）微控制器把数据从NewMsg_RF2401读出；（7）所有数据读取完毕后，可以清除STATUS寄存器。NRF24L01可以进入四种主要的模式之一。3.4 LCD1602液晶显示电路设计工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。LCD1602液晶显示模块电路图如图3-6所示：图3-6 LCD1602显示电路1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。第1脚：GND为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。特性3.3V或5V工作电压，对比度可调内含复位电路提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能有80字节显示数据存储器DDRAM内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。因为CGROM储存的字符代码与我们PC中的字符代码是基本一致的，因此我们在向DDRAM写C51字符代码程序时甚至可以直接用P1=A这样的方法。PC在编译时就把A先转换为41H代码了。CGROM中字符码与字符字模关系对照表字符代码0x000x0F为用户自定义的字符图形RAM(对于5X8点阵的字符，可以存放8组，5X10点阵的字符，存放4组)，就是CGRAM了。0x200x7F为标准的ASCII码，0xA00xFF为日文字符和希腊文字符，其余字符码(0x100x1F及0x800x9F)没有定义。以下是1602的16进制ASCII码表地址：读的时候，先读左边那列，再读上面那行，如：感叹号！的ASCII为0x21，字母B的ASCII为0x42（前面加0x表示十六进制）。3.5 声光报警电路设计光报警电路如图3-7所示： 图3-7发光报警电路本电路采用的是发光二级管报警。采用三个发光二级管（绿、红和黄），如果主机接收到的三个信号均在所规定的域值内，那么绿灯常亮；如果主机通过无线接收到的三个信号中有一个或多个超出或低于了所规定的域值，那么红灯亮；如果主机接收到的三个信号中有一个或多个达到了规定域值的临界点，那么黄灯亮。声音报警电路如图3-8所示： 图3-8 声音报警电路本电路采用蜂鸣器来作为声音报警器件，如果主机接收到的三个信号中均在所规定的域值内，那么蜂鸣器不响；如果主机接收到的三个信号有一个或多个达到域值的临界或超过了域值之外，那么蜂鸣器进行声音报警。本电路是采用声音和灯光报警。CPU根据A/D转换结果和选取的边界域值，从而判断出此时对应的电压、温度、风扇转速是否正常，或偏高，或偏低。当正常时，使绿灯亮；当偏高时使红灯亮，同时蜂鸣器响；当偏低时使黄灯亮，同时蜂鸣器响。单片机的I/O口驱动能力不能让蜂鸣器发出声音，通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，当单片机输出高电平，三级管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音，当输出低电平时，三极管截止，没有电流通过蜂鸣器所以就不会发出声音。说明：a1提供报警电路的电源应与其他电路的电源分开，以免干扰。b1数字信号地和模拟信号地不要串接，应分别连接公共地，以防瞬间电流产生干扰。c1红灯、绿灯、黄灯（发光二级管）的导通电阻可能是不同的，所以发光报警电路上的配租要根据实际情况选用。第4章 从机硬件电路设计4.1 整体思路设计从机控制器也采用STC89C52单片机，此款单片机带有SPI模块，可以控制基于SPI通信的NRF24L01无线模块，8路10位精度的ADC，可以采集模拟的环境信息。普通的一个I/O口采集温度传感器的模拟数据值，一个普通的I/O口读取DS18B20的数据，一个I/O口采集转速传感器的模拟数据值。4.2 DS18B20温度采集电路设计4.2.1 DS18B20介绍DS18B20，常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20温度采集电路如图4-1所示： 图4-1 DS18B20温度采集电路DS18B20采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一： 1 ）读ROM， 2 ）ROM匹配， 3 ）搜索ROM， 4 ）跳过ROM， 5 ）报警检查。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有有多少，什么样的设备。若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 的数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读，写都是从最低位开始。1：技术性能描述、 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 、测温范围 55+125，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）0.5。、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。、工作电源: 35V/DC （可以数据线寄生电源） 、在使用中不需要任何外围元件、 测量结果以912位数字量方式串行传送 、不锈钢保护管直径 6 、适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温、 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。2：DS18B20的主要特性2.1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数 据线供电2.2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯2.3、 DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温2.4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内2.5、温范围55+125，在-10+85时精度为0.52.6、可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温2.7、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快2.8、测量结果直接输出数字温度信号，以一 线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力2.9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。4.2.2测温操作DS18B20的核心功能是它的直接读数字的温度传感器。温度传感器的精度为用户可编程的9，10，11或12位，分别以0.5，0.25，0.125和0.0625增量递增。在上电状态下默认的精度为12位。DS18B20启动后保持低功耗等待状态；当需要执行温度测量和AD转换时，总线控制器必须发出44h命令。在那之后，产生的温度数据以两个字的形式被存储到高速暂存器的温度寄存器中，DS18B20继续保持等待状态。当DS18B20由外部电源供电时，总线控制器在温度转换指令之后发起“读时序”，DS18B20正在温度转换中返回0，转换结束返回1。如果DS18B20由寄生电源供电，除非在进入温度转换时总线被一个强上拉拉高，否则将不会有返回值。DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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。中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。4.3电压采集电路设计电压采集电路如图4-2所示： 图4-2 电压采集电路图 首先通过变压器把220V的交流电压变成12V的小电压。然后运用整流桥堆进行整流，使用交流变成直流。桥式整流是由4个整流二极管组成的电路。这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算域全波整流相同。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二级管承受反压大的缺点，但多用了两个二极管。在半导体器件发展快，成本低的今天，此缺点并不突出，因而桥式整流电路在世纪应用较为广泛。然后运用整流桥堆进行整流，使用交流变成直流。桥式整流是由4个整流二极管组成的电路。这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算域全波整流相同。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二级管承受反压大的缺点，但多用了两个二极管。在半导体器件发展快，成本低的今天，此缺点并不突出，因而桥式整流电路在世纪应用较为广泛。半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。通过矩形波震荡电路有反相输入的滞回比较器和RC电路组成。滞回比较器起开关作用，RC电路的作用是产生暂态过程。RC回路既是延迟环节，亦是反馈网络，通过RC充、放电过程实现输出状态的自动转换。在运放的输出端引入限流电阻和两个背靠背的稳压管就组成了如图所示的双向限幅矩形波发生器。4.4风扇转速采集电路设计风扇转速采集电路如图4-3所示： 图4-3风扇转