智能化环境无线监测系统的设计与研究)毕业论文.doc

毕业设计（论文）题 目：智能化环境无线监测系统的设计与研究目 录1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 环境无线监测系统在国内外的研究现状11.3 本课题所涉及的问题和产品设计综述21.4 本课题完成内容32 系统设计方案论证与选择42.1 三种系统设计方案的比较42.2 设计方案的论证选择53 环境无线监测硬件系统的设计63.1 环境监测硬件系统的设计框图63.1.1 监测系统电路的设计73.1.2 温度检测及报警系统设计113.1.3 系统的输入、输出电路设计123.1.4 无线收发电路设计154 环境无线监测系统软件设计184.1设计思路184.2 程序设计184.2.1 主程序194.2.2 读出温度子程序194.2.3 计算温度子程序194.2.4 显示数据刷新子程序204.2.5 LED显示程序模块204.2.6 LCD1602 显示程序模块204.2.7 JF24D收发模块的发射和接收流程215 系统调试225.1 硬件调试225.1.1 硬件静态的调试225.1.2 系统硬件调试225.2 软件调试235.2.1 系统软件调试方法235.2.2 系统软件调试步骤235.3 软硬联调245.4 电路实物图266 结论与展望27致 谢28参考文献29附录 A30附录 B31附录 C32智能化无线音频接收装置的设计与研究摘 要在当今信息化高速发展中，无线电技术在人们的生活中也应用的更加广泛，其从最初的模拟信号的传输到现在的多媒体信息的传输。而温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用，利用新型数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发，本文设计了一种基于STC89C51的温度检测显示及报警系统，并利用JF24D无线收发模块以达到无线远程传输的目的。该系统用温度传感器DS18B20对环境温度进行采集，并将采集到的温度值与设定值进行比较。当超出设定的温度时，蜂鸣器报警并将实时温度和报警信号通过无线传输模块传送总部终端。文中给出了对温度的检测、显示、报警及无线传输的设计方法，并给出了系统实现的硬件原理图及软件流程图。经实验测试表明,该系统测量精度高、抗干扰能力强、报警及时准确,具有一定的使用价值。而且该系统体积小，重量轻，性价比高，扩展方便，在大型农场仓库，工厂，智能化建筑等领域的温度检测中有广阔的应用前景。关键词 单片机，数字温度传感器，无线收发模块，JF24D，DS18B20，STC89C51，LED、LCD显示器，报警信号Intelligent design of wireless audio receiver and ResearchABSTRACTWith todays rapid development in information technology, Radio technology in peoples lives are more widely applied , From the original analog signal transmission to the present multi-media information transmission.and Temperature detection and control of industrial production process, one of the more typical applications, with sensors in production and life is more widely used, using a new single-bus digital temperature sensor to achieve the test and control the temperature more rapidly development, this paper is designed based on STC89C51 temperature detection,display and alarm systems. Wireless transceiver module using JF24D to achieve the purpose of wireless remote transmission. The system with temperature sensor DS18B20 collecting environmental temperature, and collected temperature compared with the set value. When it exceed the set temperature, the buzzer alarm and real-time temperature and alarm signals transmitted by wireless transmission module based terminal. This paper presents the temperature detection, display, alarm and radio transmission design methods and gives the system implementation of hardware and software flow diagram. The experimental test shows that the system with high precision, strong anti-interference capability, alarm timely and accurate, has a certain value. And the system is small, light weight, cost-effective, easy expansion, in large farm warehouses, factories, construction and other intelligent temperature measurement in the field of potential applications. KEY WORDS singlechip, digital temperature sensor, wireless transceiver module, JF24D, DS18B20, STC89C51, LED, LCDdisplay, alarm signal 1 绪论1.1 课题研究的目的和意义众所周知，世界各个国家，由于现代工业发展的需求，不断蚕食着可耕的土地，同时也严重地破坏了生态环境，造成全球气候变暖的温室效应日趋突出，如何共同保护好地球这个绿色大家园已成为世界各国政府共同关心的话题。因此智能化生态新农庄将会是未来农业的发展方向，而环境检测是智能化生态新农庄建设的必备设施。 对于环境监测指标，温度是一种最基本的环境参数，日常生活和工农业生产中经常要检测温度。传统的方式是采用热电偶或热电阻，但是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须经过A/D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，使得硬件电路结构复杂，制作成木较高。近年来，美国DALLAS公司生产的DS18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器以其突出优点广泛使用于工农业生产制造以及日常生活中。DS18B20集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，传输距离远，可以很方便地实现多点测量，硬件电路结构简单，与单片机接口几乎不需要外围元件。文章将介绍DS18B20的结构特征及控制方法，给出以此传感器和STC89C51单片机组成的最小温度测量报警系统,同时结合无线收发模块,构成无线远程环境监测系统。本设计应用性比较强，可以作为各种环境温度监控系统， 同时稍微改装也可做为温室温度、仓库温度、实验室温度等各类温度监控系统。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度实时监控、显示、报警等。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。1.2 环境无线监测系统在国内外的研究现状通过网上查询、翻阅图书了解到目前国内外市场无线温度监测系统很多的，而且方案灵活，应用面比较广，可用于工业加工，农业生活，环境监测等各个领域。而且应用也比较广泛，如工业化工环境监测，动植物生长环境温度检测，自然环境检测等。依据的课题比对和对当前的温度监测系统的产品及研究现状了解，根据其系统组成、使用技术、功能特点、技术指标。选出其中具有代表性的几种如下：（1）GPRS无线数据传送农情监测系统，精准农业(Precision Agriculture)是近年来国际上农业科学研究的热点领域，是传统农业与现代信息技术紧密结合的产物。精准农业把传统农业经验型的粗放管理模式转变为科学精确的数字管理模式 ，被许多学者看作是21世纪中国农业发展的模式之一。精准农业的实质是利用各种类型的传感器、遥感技术(RS)、地理信息系统 (GIS)和全球卫星定位系统(GPS)等技术所构成的一个数据信息采集、处理和可用于实时实地操作的农业变量管理技术体系。 以往采用的信息处理方式一般把信息进行现场获取，然后处理或在采集点建立工作站，把所需要的信息通过Internet 传送到采集检测中心。这种方式耗费的人力和物力相对比较大，不利于大规模监测网络的建立。移动通信的迅速发展为解决这一问题提供了可能。应用中国移动提供的GPRS服务来传送数据，可以方便地接入基于TCP协议/IP的网络，省去了繁杂的布线工程，并且系统的应用会更加灵活 。（2）基于ARM的分布式远程多参数环境监测系统，这是一种分布式远程多参数环境监测系统的设计，综合运用嵌入式技术、传感器技术、自动检测技术、通信技术、网络技术和微型计算机技术，实现对多种环境参数的低成本分布式监测管理。按照方案的设计，该系统主要由监测主机、监测分机和远程监测系统PC机组成。监测主机采用了基ARM7TDMI内核的S3C44B0X作为核心芯片，完成了Flash存储模块、SDRAM模块、UART模块和以太网模块的设计。监测主机移植了嵌入式操作系统Clinux，移植了JFFS2文件系统，并针对主机硬件进行了驱动程序和应用程序的开发。监测分机的参数采集程序的编写按照模块化设计，并针对无线数传电台编写了通信程序。构建了基于Boa嵌入式服务器的远程监测系统。将Boa移植在监测主机上，使用BoaCGI的形式实现了监测的网络化和远程化。（3）现在市场上有一种对环境进行实时检测人手持检测产品。该产品具有多项功能，包括：二氧化碳、温湿度、土壤水分、光照度、光量子、土壤温度。这类产品适用于各类环境监测，特别是对环境要求严格的场所，如珍贵动植物的培养。（4）无线温湿度监测站，无线温湿度监测站采用无线技术将测量温度和湿度数据发送到监视器单元，这个无线传感器单元能安装在监视器单元400米半径内，可同时监视多个无线传感器单元，并具有警报功能，当您监测的环境中的温度超过或者低于您设定的温度时，监视器会自动报警。可应用领域有：温室、大棚的温度湿度管理监测、仓库的温度管理和温度控制、蘑菇栽培的温度湿度管理等。1.3 本课题所涉及的问题和产品设计综述在现如今的社会高速发展过程中，电子科学技术也在不断的发展当中，而针对智能化控制系统中各类电子产品也层出不穷，包括各类对环境进行监测的电子产品，使得智能化得以完善。然而在无线监测方面虽有很多产品，但其成本较高，针对于小型环境的监测产品并不多见，且对使用环境要求较高。对此本课题是要设计出一款针对性更强的小型环境无线数据监测系统，具有操作方便简单，成本低，而且可以应用于各种小型环境。其可以稳定地传送数据，有利于大规模监测网络的建立。该设计产品是FSK/GFSK（频移键控/高斯频移键控）调制方式，采用收发模块与单片机给合，操作方便，同时可以对产品进行升级，也可针对特定环境进行定制。智能化环境无线监测系统是集智能化技术和无线通讯技术于一体的学科。智能化环境无线监测系统给我们的生活、社会生产等带来的方便日益显著。它采用无线传输方式，无需布线，无线数据传输已成为实现近距离、小范围监控的一种有效手段，在各个领域得到广泛的应用。这个课题重点研究小功率无线收发模块与单片机技术结合使其实现智能化控制。这个课题的目的在于希望能够使这个系统在应用上能够有个新的突破创新，也使得自己能更好的掌握高频电子线路知识。在这个课题里，我准备设计一个类似于小型农场环境监测的无线传输系统，重点在于对环境的监测。把环境监测到的温度等数字信号经过调制后发射出去，再考虑用单片机理论对发射机进行智能化控制。然后结合接收机对发射机发出来的数据进行显示、判断等，同时采用单片机理论进行智能化控制，达到预期目的。这样就能很好的保证对环境的智能化操作，成为智能化生态农庄的有力补充。1.4 本课题完成内容（1）制作完成一台实物样机；（2）实现现场温度的实时采集与显示，可应用于环境温度的检测；（3）在温度检测的基础上完成报警功能，即完成对现场温度的设定比对，超过设定值现场及时报警。同时根据程序的智能设定，在系统报警时可采取相应的措施，如高温则喷水降温，低温时则加热升温；（4）无线传输及控制部分已完成硬件电路的原理设计，同时完成硬件实物电路的制作及控制部分电路完成测试；（5）完成无线传输模块JF24D的双工多通道通信程序设计；（6）由于时间仓促，毕业设计制作时间有限，暂时未能完成整机的统调。2 系统设计方案论证与选择2.1 三种系统设计方案的比较方案一、信号调制采用调频方式进行，分机发射部分可采用发射芯片或分立元件进行设计，而总机接收部分使用SONY的CAX1191s收音机专用接收芯片。不同的探测节点靠不同的发射频率被监测端加以区分，但不同的发射频率容易使线路产生干扰。而对于数字信号的传送则采用编解码芯片MT8880与STC89C51结合对数字信号进行编码，然后经过音频发射部分进行发射。同样在接收部分用编解码芯片MT8880与STC89C51结合对接收机所接收到的音频信号进行解码，对不同的站点接收到的信号可在发射时在软件部分加上一个站点代号，这样即可了解到不同站点所采集到的数据。故此方案即可进行音频传送又可进行数字传送，可在个别场所可以进行监听与监测。其大概框图2.1.1如下：MT8880与STC89C51组成编解码模块采集的数据信息用发射芯片或分立元件制作的音频发射装置音频信号分机发射部分CXA1191S芯片制作的音频接收装置音频信息数据信息显示MT8880与STC89C51组成编解码模块总机接收部分 图2.1.1 方案一框图简介方案二、信号调制采用调频方式进行，分机发射部分可采用数字发射模块进行设计，而总机接收部分使用数字接收模块。不同的探测节点靠不同的站点代号进行发射加以区分。但同步接收可能会引起一定的信号干扰，从而出现接收效果不好的情况，而使用发射模块和接收模块可以使数据的传送更加完整，实现单工通信。故此方案可以很好的完成数据信息的采集与传送。其大概框图2.1.2如下：采集的数据信息用发射模块制作的发射装置分机发射部分用接收模块制作的接收装置数据信息显示总机接收部分图2.1.2 方案二框图简介方案三、信号调制采用调频方式进行，分机与总机均采用数字收发模块进行设计，这样可以达到双工通讯。不同的探测节点靠不同的站点代号进行发射加以区分。而且收发模块有多个不同的通道可以选择，可以降低信号的干扰，使数据的传送更加完整。故此方案可以很好的完成数据信息的采集与传送及相应的控制操作。其框图如2.1.3所示：采集的数据信息用收发模块制作的收发装置分机部分用收发模块制作的收发装置数据信息显示总机部分操作命令图2.1.3 方案三框图简介2.2 设计方案的论证选择 方案一：采用CXA1191S作为接收机电路的核心芯片。具有很好的音频接收效果，对于发射部分无论是采用芯片还分立元件制作，都有存在传送距离和频段的干扰问题。而对于数据信息的传送采用编解码芯片进行数模的转换，会对数据传送的完整性有一点的欠缺。然而在同时传送数据信息与音频信号时容易造成干扰。如果强调对环境的监听则可使用该方案，不过不适用于生态新农庄。方案二：系统采用315MHz的发射模块与接收模块制作，可以很好的对数据信号进行传送，而且距离的传送及频段的应用都有一定的保证，但对于多机的同时传送可能有会一定的频率干扰而造成相应的数据丢失。方案三：系统采用2.4GHz的收发射模块制作，可以很好的对数据信号进行传送，距离的传送及频段的应用都有一定的保证。同时收发模块的使用可以进行双工通信，易于对分机进行控制操作。模块的多个传送通道可以满足多机数据的同步传送。方案选择：上述三种方案实现的功能基本相同，如果强调系统的音频信号的采集与传送，那么选择方案一；对于强调数据信息的采集，可选择方案二三，方案二对系统的设计比较简单，对分机要求少的系统，则可以选择其方案二；而如要求对系统进行双工通信，使其具有远程控制功能，同时分机分布多，可选择方案三。对于智能化生态农庄建设的补充与实用效果来考虑，则选择方案三。3 环境无线监测硬件系统的设计3.1 环境监测硬件系统的设计框图（1）环境无线监测系统包括监测、显示、报警及无线传送，其中分机发射部分电路设计方框图如图3.1.1所示，控制器采用单片机STC89C51，温度传感器采用DS18B20，试验采用蜂鸣器报警（实际产品可加扬声器进行放大）, 无线收发模块JF24D进行数据传送，用4位8段式LED数码管实现温度显示。 单片机按键输入电路显示电路收发电路测温电路时钟电路复位电路报警电路图3.1.1 分机发射部分设计方框图检测电路由温度传感器DS18B20组成，DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，该器件将半导体温敏器件、A/D转化器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。信号传输采用两芯（或三芯）电缆构成的单总线结构。一条单总线上可以挂接若干个数字温度传感器，每个传感器有一个唯一的地址码。微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某个传感器的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构。与传统的热敏电阻等测温元件相比，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9-12位的数字值读数方式，适合于各种温度测控系统。显示电路主要用于实时温度显示，根据温度传感器DS18B20检测到的温度经过单片机处理进行显示。自动报警主机的核心器件是单片机，它是整个系统的心脏，由它来接受报警信号并控制协调各功能模块的正常工作，考虑到系统的功能和经济性因素，采用的是当今流行的性价比比较高的STC89C51芯片。收发电路采用了具有无线双向传输能力的模块JF24D，JF24D 2.4G无线双向模块整合了高频键控（GFSK）收发电路的功能，以特小体积更低成本实现高速数据传输的功能。同时，JF24D模块的传输速率有1M/2M 并具有快速跳频校验等功能，可在拥挤的ISM频段中达到稳定可靠的短距离数据传输。工作在全球开放的ISM 频段，免许可证使用。（2）环境无线监测系统的总机接收部分电路设计方框图如图3.1.2所示，控制器采用单片机STC89C51，报警采用蜂鸣器报警（实际产品可加扬声器进行放大）,无线收发模块JF24D进行数据传送，用LCD1602来实现温度显示。 单片机按键输入电路显示电路收发电路时钟电路复位电路报警电路图3.1.2 总机接收部分设计方框图收发电路同样采用了具有无线双向传输能力的模块JF24D，JF24D模块可以接收6个不同分机信号。可根据输入电路对不同分机在LCD1602上进行显示，同时结合核心器件单片机来判断它所接受的信号进行报警等相关工作，同进控制协调各功能模块的正常工作，考虑到系统的功能和经济性因素，采用的是当今流行的以及性价比比较高的STC89C51。3.1.1 监测系统电路的设计根据系统方案设计要求，环境无线监测系统的的主电路图如下，分机原理图图3.1.3,总机原理图图3.1.4图3.1.3 分机电路原理图图3.1.4 主机电路原理图根据整体系统的设计要求，系统具有温度检测、报警、输入输出以及无线收发模块等功能。所以系统选用51芯片做为其核心控制模块。而STC89C51相对其他同类芯片可完成ISP在线编程，而且功能更强，速度更快，寿命更长，价格更低。同时，STC89C51内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失。还增加了两级中断优先级，等等。（1）主控单片机采用一片STC宏晶科技STC89C51。根据题目要求，充分利用了单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，采用单片机控制显示信号灯，提高了系统的灵活性，设置方便。STC89C51芯片本身集成了看门狗（WDT）电路，这是为了系统更加的稳定可靠，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生,这种做法对于实际上长时间运行在恶劣状况的控制系统来说是十分必要的。它可以完成自动加载复位，省去人工调整的麻烦，可以做到无人职守。（2）STC89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写10000次的Flash只读程序存储器，器件采用宏晶科技公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。STC89C51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，512 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。如图3.1.1所示图3.1.1 STC89C51芯片3.1.2 温度检测及报警系统设计本系统主要是基于单片机实现其温度检测和报警功能，温度检测采用DS18B20传感器进行采集，而报警电路是根据从环境采集到的温度与设定的温度进行判断比较，同时依照智能化系统的设计，在相应的情况下可自动采取相应的措施。温度检测控制及报警系统大体设计如下。（1）温度检测控制硬件电路设计温度的检测主要依据DS18B20来采集，根据DS18B20的特点，本电路采用寄生电源供电方式，如图3.1.5所示单片机端口接单线总线，同时，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个排阻来完成对总线的上拉。图3.1.5 DS18B20与单片机的接口电路环境温度检测采用的传感器DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于与未处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。该器件将半导体温敏器件、A/D转化器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，传感器直接输出的就是温度信号数字值。信号传输采用两芯（或三芯）电缆构成的单总线结构。一条单总线上可以挂接若干个数字温度传感器，每个传感器有一个唯一的地址码。微控制器通过对器件的寻址，就可以读取某个传感器的温度值，从而简化了信号采集系统的电路结构。（2）温度报警系统硬件电路设计本电路用于实现对环境温度的判断并产生相应的信号，达到预警的目的。我们要求的温度在一定的范围内为安全温度，设置的温度的上下限，当测量值在正常范围内时，程序控制P0.2输出低电平，音频信号不发声，当达到一定的上限或者下限时，报警电路开始工作，P0.2同时为高电平，发音报警信号，操作人员观察其实际情况就可采取相应的措施。报警电路如图3.1.6所示图3.1.6 报警电路3.1.3 系统的输入、输出电路设计系统的输入输出电路是实现单片机工作的基础，同时也是对系统工作状态的了解。（1）系统输入电路设计对于系统的输入控制电路其结构如图3.1.7所示，当按下按键时，单片机引脚产生一个高电平，系统在扫描判断时，检测到高电平就会根据系统程序设定的功能采取相应的操作。图3.1.7 按键输入电路同时，单片机的复位电路也与输入电路设计大体相同。单片机复位电路是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从该状态开始工作。例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是：使RST/VPD引脚加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。若时钟频率为12MHz，每机器周期为1us，则只需2us以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位电路如图3.1.8按键复位电路所示。图3.1.8 按键复位电路该电路只要按下图3.1.8中的S1键，此时电源VCC经电阻R6分压，在RESET端产生一个复位高电平，系统进行复位。（2）系统输出电路设计系统输出电路主要实现显示目的，根据设计要求实现分机的实时温度的显示以及总机从不同地点采集到的温度数据信息的显示。根据系统的功能要求，分机选择使用4位8段式LED数码管，总机选择使用LCD1602显示，其电路设计如下。 4位LED数码显示电路：图3.1.9 LED数码管显示电路电路采用的是共阴数码管，其引脚图如下：管脚顺序：从数码管的正面观看，以第一脚为起点，引脚的顺序是逆时针方向排列。片选：DIG1-12, DIG2-9, DIG3-8, DIG4-6公共脚：A-11, B-7, C-4, D-2, E-1, F-10, G-5, DP-3 LCD1602显示电路： 图3.1.10 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，引脚说明图如下所示寄存器选择控制表：3.1.4 无线收发电路设计根据系统方案，实现电路的进行双工工作，即所采用的收发模块既可作为发射模块也可作为接收模块。根据系统的功能要求，系统选择了安阳市新世纪电子研究所有限公司的JF24D2.4G无线双向模块。图3.1.11 收发电路图JF24D2.4G无线双向模块整合了高频键控（GFSK）收发电路的功能，以特小体积更低成本实现高速数据传输的功能。JF24D模块的传输速率有1M/2M 并具有快速跳频校验等功能，可在拥挤的ISM频段中达到稳定可靠的短距离数据传输。（1）JF24D模块主要性能参数：频率范围：2397（1M）/2398（2M）-2483Mhz 工作电压：2.1-3.6V可编程输出功率：-35 -25 -15 -5 0 5(dbM) 调制方式：GFSK/FSK发射电流：14mA (0dBm) 最大速率：1M/2M接收电流：21mA (1Mbps). 接收灵敏度：-85dBm休眠电流：3.5uA 最大距离：100米待机电流：410uA. 编程接口：SPI数字接口天线形式：PCB天线 模块尺寸：21X12.5X3mm(2) JF24D模块引脚功能说明脚位脚位功能说明1+3.3V正电源3.3V （1.9-3.6V）2SPI-MISOSPI总线数据输出（JF24D数据输出）3CERX、TX使能4SPI-SCKSPI总线时钟5SPI-MOSISPI总线数据输入（JF24D数据输入）6SPI-CSNSPI总线使能7NC空脚，没有使用8IRQ TX active low发送或接受数据包标志9NC空脚，没有使用10GND 接地（3）JF24D模块使用说明电源VCC电压范围为1.93.6V之间，推荐电压3V，超过3.6V会损坏器件。模块的脚距为1.27mm,孔径为0.6mm,可以采用针径为0.46mm 脚距为1.27mm 的排针固定。可以直接将模块直接焊在PCB主板上，但模块的PCB天线部位底下的PCB主板不可以敷铜。模块与单片机硬件连接后上电，单片机对模块初始化，寄存器值被写入模块并保持直至断电寄存器值自动清除。上电又重新对模块初始化，在休眠模式寄存器值被保存。出现死机，可以重新初始化。模块寄存器值需要先写入单片机才能对模块初始化。JF24D模块可以接收6个不同地址从机的信号。可以设置不同的通道（修改RF寄存器值）而互不干扰。模块在初始化后复位或短暂断电，上电后对寄存器FEATURE初始化前要先读，如果是0，再下Activate+0x73命令，再初始化；如果不是0，就不需要初始化。设置合理的休眠与唤醒时间可以降低JF24D 的待机电流，但休眠时间不可以设置太长，否则会增加误码率。2比8比较合适，比如唤醒20ms休眠80ms ，发射的时间必须要大于休眠时间以保证唤醒后能检测到前导码和同步码才能接收数据。模块电源不可以接反，否则会损坏器件。模块与单片机连接上电后如果需要插拔模块或单片机请断开电源，否则易损坏器件。 （4）收发模块工作模式SPI接口： 图3.4.2 JF24D模块SPI接口时序在时钟SCK下降沿时，JF24D向MISO输出数据，MCU向MOSI写入数据；在时钟SCK上升沿时，JF24D从MOSI读数据，MCU从MISO读取数据。初始化上电后，MCU必须对JF24D时行初始化，其中寄存器组0的初始化就是将所有的寄存器写一遍，具体的初始化值用户可以自行设计。而寄存器组1初始化必须按照特定的方式进行，JF24D才能进入正确和最佳的工作状态。发射流程是先对系统进行初始化，然后在寄存器组中时行设定，将芯片设置到PTX模式。将CE管脚置1,芯片进入发射就绪状态。对于整个系统而言，直接设定成优先发射模式，只有在分机接收到操作命令时有中断。 接收流程先对系统进行初始化，然后在寄存器组中时行设定，将芯片设置到PRX模式。将CE管脚置1,芯片进入接收就绪状态。对于整个系统而言，直接设定成优先接收模式，显示芯片实时显示接收到的数据，只有在要发送操作命令时，中断响应相应的操作命令。 六通道使用JF24D作为接收时有六个接收通道，可分别对应六个不同地址的发射机，除通道0外，其余五个通道地址高位相同，在通道1中设置；接收时，通过读寄存器组0的寄存器STATUS，可以得到通道号。2M模式：1M模式和2M模式除了速率不同外，射频起始频率也不同，分别为2397MHz (1Mbps速率)和2398MHz(2Mbps速率)。发射连续波：在按照表1完成初始化后，将寄存器组1寄存器REG4该为0x41110421可以让JF24D在当前设置的信道发射连续波。此时可以方便的测量发射功率和频率误差。躲避干扰：JF24D提供载波检测机制，能够检测的载波能量范围为从97dBm到-67dBm。这种方法仅适合检测连续的干扰，比如WLAN,而不适合检测蓝牙类似的瞬间干扰。当存在蓝牙干扰时，由于蓝牙通常在一个频点的驻留时间小于625us，将重发延迟设置为700us就可以保证两次发射不会都受干扰。4 环境无线监测系统软件设计4.1设计思路在子程序设计中，要求系统结构清晰，尽可能地保证单入口单出口，减少与其他程序之间的耦合，但为了提高这类滞后对象的实时性指标，可以在个程序适当的部分进行揉合。例如在传送数据时，需要调用一段延时，在本程序中，利用 CPU 执行温度转换这段代码占有的时间代替这段延时。在正常执行温度转换时，同样需要调用一段延时，而本系统利用CPU 执行显示子程序占有的时间代替这段延时。总之，系统设计时要协调这种时间滞后，使系统满足实时性要求。具体软件流程图如图 4.1.1所示： 图4.1.1 软件流程图4.2 程序设计系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序，收发子程序等。4.2.1 主程序主程序的主要功能是负责温度的实时显示及发送，读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次，同时实时进行发送信息。这样可以在一秒之内测量一次被测温度，其程序流程见图4.2.1所示。 图4.2.1 主程序流程图图4.2.2读温度流程图4.2.2 读出温度子程序读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。其程序流程图如图4.2.2示4.2.3 计算温度子程序计算温度子程序将RAM中读取值进行BCD码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图4.2.3所示。图4.2.3计算温度流程图 图4.2.4显示数据刷新流程图4.2.4 显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对显示缓冲器中的显示数据进行刷新操作，当最高显示位为0时将符号显示位移入下一位。程序流程图如图4.2.44.2.5 LED显示程序模块LED显示程序就是将DS18B20在单片机上所读取的数据实时的在4位的LED上显示出来。LED数据显示流程图如图4.2.54.2.6 LCD1602 显示程序模块LED显示程序就是将总机收到的各个分机的温度信息和机位代号在1602上显示出来,同时根据单片机系统设定的键盘命令显示相关内容。LCD1602数据显示流程图如图4.2.6图4.2.5 LED数据显示流程图 图4.2.6 LCD1602数据显示流程图4.2.7 JF24D收发模块的发射和接收流程JF24D是双向的收发模块，根据系统的要求不同设定不同的传送方式，以及传送通道的选择，其具体的收发模式编程流程图如图4.2.7发射程序流程图，图4.2.8接收程序流程图。图4.2.7发射程序流程图 图4.2.8接收程序流程图5 系统调试5.1 硬件调试近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。根据方案设计的要求，调试过程共分三大部分：硬件调试、软件调试和软硬联调。 单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。5.1.1 硬件静态的调试 （1）排除逻辑故障 这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。（2）排除元器件失效造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。（3）排除电源故障 在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在4.8V5V之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。5.1.2 系统硬件调试电路的调试主要看接口以及连线是否正确，特别是4位数码管的连线，由于4位数码管的型号很多，刚开始制作电路板前最好先进行引脚的测试，不同厂家生产的数码管有所区别。硬件的调试是电路原理能不能实现的基础，所以要认真的调试，依次仔细检查，直到正常工作。同时，在测试电路过程中，注意电路的保护以防元件烧毁，特别是在测试电路引脚电压时，万用表不要将电路给短路了，这样极易引起部分耐压比较低的元器件毁坏。5.2 软件调试本系统的软件系统较大，全部采用 C语言编写，除语法与逻辑差错外，当确认程序没问题时，直接下载到单片机仿真调试。采取自下到上的方法，单独调好每一个模块，最后完成一个完整的系统调试。5.2.1 系统软件调试方法软件调试在keil uvision3编译器和 protues仿真软件下进行，源程序编译及仿真调试应分段或以子程序为单位一个一个进行，最后可结合硬件实时调试。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，而且Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。易于学习和操作。而Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。 5.2.2 系统软件调试步骤 先是在Proteus软件将电路原理图画出来，对相应的模块进行相应的仿真，由于Proteus软件相当的完善，所以很多外围电路可以省略不用话，在仿真调试时相对实物板要简单一些。根据系统设计要求，首先对系统程序中的显示子程序进行调试，在Keil软件上编好相应的程序，先编写固定值进行显示，在程序的编写过程中，要注意4位数码管的型号，是共阳还是共阴的以及字模的选择，特别是数码管的管脚连线。完成程序的编写后，设定相应的编译参数输出编译文件，然后在Proteus中选择该文件进行仿真，查看显示是否正确。调试完显示子程序后开始对温度子程序进行调试，正确设定端口有利于程序的编译，而DS18B20的端口设计比较简单。但相对外部电路的简单，内部软件的设计比较复杂，根据实际设计需要进行相应的精度选择，以及在数码管上的正负温度的显示问题等。完成温度子程序和显示子程序就可以一目了然的知道环境的温度，这时进行报警子程序的编写，对DS18B20采集到的温度与所设定的温度值进行比较，超出设定范围时进行报警。对于本电路的设计相对来说比较简单，只采用蜂鸣器，进行报警，只要超出设定的温度范围就进行报警，所以软件的设计与仿真也比较容易实现。在完成温度的的显示和报警等相关子程序的设计后，最重要的收发子程序的设计，对于这个部分由于模块的选择，无法在Proteus上进行相应的仿真，所以在完成上面几部子程序的实物硬件上正常后，将相应收发程序烧写到实物板上进行调试。先单独的对发射程序和接收程序进行编译，还有相应的按键设定。对于总机的软件设计大体与分机相同，少了温度子程序的设计，而显示子程序也采用了更好的LCD1602进行显示，这样可以同时显示多台分机情况。其软件程序设计与仿真与4位数码管的步骤差不多相同。总机的完成需要接收子程序的正确接收，才能完好的完成总体设计要求。所以本系统的设计难点在于收发子程序的调试，而且是在实物上进行相应的调试，使其正常正确的收发完成设计。5.3 软硬联调 系统做好后，进行系统的完整调试。联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具。这些工具是单片机开发的最基本工具。信号线是联络89C51和外部器件的纽带，如果信号线连结错误或时序不对，那么都会造成对外围电路读写错误。51系列单片机的信号线大体分为读、写信号线、片选信号线、时钟信号线、外部程序存贮器读选通信号（PSEN）、地址锁存信号（ALE）、复位信号等几大类。这些信号的检测需在仿真软件上时行相应的测试。对于系统的显示报警等相应的可视功能测试在硬件上容易实现，只要采取相应的操作就可以达到测试要求。相对直观化的测试，收发子程序的测试就需要采用相关的工具进行测试。对相应的管脚进行测试，测试其收发频率，以及相应的操作结果。在系统的测试过程中，首先完成DS18B20温度采集的显示，在硬件中要注意4位数码管的驱动，这样才成比较清晰的显示当前温度。同时根据系统的设计方案要求，温度显示的范围可以从负温度到正的一百多度，而采用4位数码管就是为了精确显示，所以在软件编写时对温度的显示最小值变化为0.1C。其次，对输入电路的测试，采用LED灯的显示来判断输入电路是否正常，即在按下键时LED灯点亮。最后是结合收发模块的整机调试，由于无法了解电路是否有发射信号，所以采用高频的示波器进行输出测定，将示波器接到电路的发射端，观察输出波形的情况。在无法测出波形时，采用万用表对芯片管脚进行测量，依照说明书分析判断是否有电路错误。至此检测出输出波形时，才能说明有信号输出，同时在加入数据时观察波形是否正常变化。完成上述调试时，