基于单片机的温度测控系统的设计.doc

。教学单位 信息工程系学生学号 2061224218孝感学院新技术学院本科毕业论文(设计)题 目 基于单片机的温度测控系统的设计学生姓名 王 卓专业名称 电子信息科学与技术指导教师 王 新 民教师职称 教 授2009年9月10日-可编辑修改-。 基于单片机的温度测控系统的设计摘要：本论文介绍了一种以单片机为主要控制器件，以DS18B20温度传感器及用NRF2401组成无线传输模块的温度测控系统。主要包括硬件电路的设计和系统程序的设计。硬件电路主要包括主控制器，测温电路，数据传输电路，通信电路和显示电路等，主控制器采用单片机STC89C52，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20，数据传输部分用NRF2401芯片，显示电路采用LCD1602和PC机显示。系统程序主要包括主程序，温度采集程序，数据传输程序，上位机通信程序，数据显示程序等。此外，还介绍了系统的调试和性能分析。 由于采用了改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，与传统的温度采集相比，本温度采集部分减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20温度传感器还可以在高温报警、远距离多点测温控制等方面进行应用开发，具有很好的发展前景。关键词：温度传感器；DS18B20；STC89C52；NRF2401；LCD1602Temperature measurement and control system based on MCU designAbstract：This paper describes a single-chip microcomputer as the main control device in order to DS18B20 integral temperature sensor and wireless transmission module with NRF2401 temperature measurement and control system. Include hardware circuit design and system program design. Hardware circuit includes the main controller, temperature measurement circuits, data transmission circuits, communications circuits and display circuit, the main controller, using SCM STC89C52, temperature sensor using the United States produced by DALLAS Semiconductor DS18B20, data transmission partly NRF2401 chips, display circuit using LCD1602 and PC-display. System procedures include the main program, temperature and collection procedures, data transmission process, host computer communication program, the data show procedures. In addition, also introduced the system debugging and performance analysis.Because used the advanced version intelligence temperature sensor DS18B20 as the examine part, compared with the traditional thermometer, this digital thermometer reduced the exterior hardware electric circuit, has characteristic that the low cost and was easy to use. The DS18B20 thermometer also may used to the high temperature warning, the long-distance range multi- spots temperature measured aspect and so on temperature control carries on the application development, has the very good prospects for development.Key Words：Temperature Sensor；DS18B20；STC89C52; NRF2401；LCD1602目 录1 前言.- 1 1.1选题的背景和意义.- 1 1.2温度传感器的发展现状.- 1 1.3单片机的特点及发展.- 2 1.4本设计的主要工作. 42 设计方案论证与选择.- 5 2.1 设计方案.- 5 2.1.1设计方案一.- 5 2.1.2设计方案二.- 6 2.2 方案选择.- 73 系统的功能和原理. 3.1温度测控系统的网络拓扑结构. 3.2系统的工作原理.-8 4 系统的硬件电路的设计.- 8 4.1 单片机电路.8 4.1.1 单片机的选型.- 8 4.1.2 STC89C52单片机的介绍.- 9 4.1.3 STC89C52单片机的优点. 4.2温度采集电路设计.- 13 4.2.1 DS18B20温度传感器介绍.- 13 4.2.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路.- 17 4.3 无线传输模块的设计.4.3.1NRF2401无线模块的介绍.4.3.2NRF2401无线模块与单片机的接口电路.4.4 LED显示电路的设计.- 18 4.4.1 LED1602的结构.- 18 4.4.2 显示电路与单片机的接口.- 19 4.5串口驱动电路的设计.4.6电源电路的设计.4.7时钟电路的设计.4.7.1时钟芯片DS1302的工作原理.4.7.2DS1302与单片机的接口电路.4.8蜂鸣器驱动电路的设计.4.9调整报警温度电路的设计.5 软件设计.- 22 5.1上位机程序设计.- 22 5.2下位机程序设计.- 22 5.2.1 温度数据采集模块.- 24 5.2.2 数据传输模块.- 27 5.2.3 LCD显示模块.-285.2.4 时钟模块.5.2.5 按键功能选择部分.6 调试运行.7 设计小结.结束语.- 28 参考文献.- 30 致谢.- 291 绪论1.1 选题的背景和意义 随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中温度测控系统就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 温度测量在物理实验、医疗卫生、食品生产等领域，尤其在热学试验（如：物体的比热容、汽化热、热功当量、压强温度系数等教学实验）中，有特别重要的意义。现在所使用的温度测量通常都是精度为1和0.1的水银、煤油或酒精温度计。这些温度测控系统的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。本设计所介绍的温度测控系统与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确等优点，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，工厂或科研实验室使用。目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等，温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度、灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。但是，作为应用系统设计人员需要根据系统要求选用适宜的传感器，并与自己设计的系统连接起来，从而构成性能优良的温度测控系统。1.2温度传感器的发展现状温度传感器是各种传感器中最常用的一种，早期使用的是模拟温度传感器，如热敏电阻，随着环境温度的变化，它的阻值也发生线性变化，用处理器采集电阻两端的电压，然后根据某个公式就可计算出当前环境温度。随着科技的进步，现代的温度传感器已经走向了数字化，外形小，接口简单，广泛应用在生产实践的各个领域，为我们的生活提供便利。随着现代仪器的发展，微型化，集成化，数字化正成为传感器发展的一个重要方向。美国DALLAS半导体公司生产的温度传感器DS18B20采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无需任何外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，从而大大简化了传感器与微处理器的接口。1.3 单片机的特点及发展单片微型机又称嵌入式微控制器，是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件。它在一块芯片内集成了计算机的各种功能部件，构成一种单片式的微型计算机。20世纪80年代以来，国际上单片机的发展迅速，其产品之多令人目不暇接，单片机应用不断深入，新技术层出不穷。单片机的应用技术是一项新型的工程技术，其内涵随着单片机的发展而发展。为使教学面向国民经济主战场.随着电子技术，特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展，人类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容易，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走人家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。由于MSC-51系列单片机的模块化结构比较典型，应用灵活，为许多大公司所采纳，使8051系列的单片机产品日新月异，在国内外单片机应用中占有重要的地位。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。1.4 本设计的主要工作本设计研究的内容就是以单片机为主要控制元件，通过温度传感器DS18B20实现对温度的采集，利用NRF2401无线传输模块完成数据传输、使用DS1302时钟芯片实现温度实时显示，通过lcd1602液晶显示所测温度和时间。并且通过USB转串口线实现与PC机的通信，使温度值可以在PC机上显示出来，通过PC机可以实时监控各点的温度状况。本设计所介绍的单片机控制的温度测控系统基本测温范围在-55125，精度误差小于0.5，无传输温度并用LCD液晶显示器和PC机显示温度值，可以任意设定温度的上下限报警功能，与传统的温度计相比，具有读数方便，显示实时温度，测温范围广，测温准确等优点，其输出温度采用数字显示，可以用于对测温比较准确的场所，或工厂、仓库及科研实验室等各个领域。2 设计方案论证与选择2.1 设计方案 2.1.1方案一本设计的测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，用数码管就可以将被测温度显示出来，在数据传输方面可以用红外发射对管发射和接受数据，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。 2.1.2 方案二 进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。在无线传输方面，可以考虑用NRF2401无线模块，用1602液晶显示。2.2 方案选择 传统的测温元件有热电偶和热电阻，而它们测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，电路及软件调试复杂，制作成本高。从以上两种方案中，很容易看出采用方案二所设计的电路和软件都比较简单，采用一种智能温度传感器DS18B20作为检测元器件，测温范围-55125，分辨率最大可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值。采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。本设计方案系统可由主控制器、显示电路、数据传输电路、串口通讯电路及测温器件组成。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，方案二中用DS18B20可直接采集温度，测温方便。用NRF2401无线传输模块传输数据比较稳定，抗干扰能力强，与红外对管相比，优势明显。时钟和温度的显示可以用数码管，但是数码管的只能显示简单的数字，我们设计的系统有很多东西需要显示，还是用显示功能更好的液晶显示器比较好，它能显示更多的数据，用可以显示数字和英文的液晶显示器还可以增加显示信息的可读性，让人看起来会很方便,故采用方案二。3 系统的功能和原理 3.1 温度测控系统的网络拓扑结构温度测控系统的网络拓扑结构如下图（1）所示，控制器采用单片机STC89C52，温度传感器采用DS18B20，用LED1602液晶以串口传送数据实现温度显示，并且用NRF2401实现温度无线监控。图（1） 3.2 系统的工作原理本系统使用两块STC89C52单片机为主控器件，用自制的稳压电源对系统进行供电。温度采集模块使用两片DS18B20温度传感器，采集两个不同点的温度。第一片单片机将读回的温度信号通过NRF2401无线传输模块传送给第二片STC89C52单片机，第二片STC89C52将接收到的温度数据经过处理后通过LCD1602液晶显示出来，同时利用USB转串口模块与PC机进行通信，在PC机上显示出温度。同时DS1302时钟电路将时钟信号传输到第二片单片机经其处理后在LCD1602液晶上显示，即此系统可以实现显示某一时刻的温度亦温度的实时显示。此系统还可以通过按键调整电路调整上、下限报警温度，当温度达到及超过报警温度时，通过蜂鸣器驱动电路驱动蜂鸣器发出报警声。并且当报警声被管理者识别之后，可以通过按键关停此次报警声，然后管理者对事件做出处理。4 系统的硬件电路的设计 4.1 单片机电路 4.1.1 单片机的选型单片机的种类很多，许多厂家都有自己的单片机系列产品。本项目中只是对温度传感器的数据进行采样，在LCD1602上显示，功能不是特别复杂，实时性不太强，运算量不是太大，因此选用8位单片机。该应用还涉及单片机与上位机PC机的串口通讯。因此选用的单片机还应有一个串口。满足这两个条件的单片机很多，考虑到价格，本人已有的单片机集成开发环境和仿真器等因素，选用宏晶公司生产的STC89C52。 4.1.2 STC89C52单片机介绍MCS51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。主要特性介绍如下：1. 增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU2. 工作电压：5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）3. 工作频率范围：0-40MHz，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32K字节5. 片上集成1280字节/512字节RAM6. 通用I/O口（32/36个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），P0口是开漏输出，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/仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片8. EEPROM功能9. 看门狗10 .内部集成MAX810专用复位电路（D 版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路11.共3个16位定时器/ 计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用12.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒13. 通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART14.工作温度范围：0-75/-40-+8515.封装：PDIP-404.1.3 STC89C52单片机的优点超低功耗1. 掉电模式：2. 典型功耗0.1uA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序3. 空闲模式：典型功耗2mA4. 正常工作模式：典型功耗4mA-7mA5. 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备超强抗干扰1. I/O口：输入/输出口经过特殊处理，很多干扰是从I/O口进去的，每个I/O口均有对VCC/对GND二级管钳位保护。2. 电源：单片机内部的电源供电系统经过特殊处理，很多干扰是从电源进去的3. 时钟：单片机内部的时钟电路经过特殊处理，很多干扰是从时钟部分进去的4. 看门狗：单片机内部的看门狗电路经过特殊处理，打开后无法关闭，可放心省去外部看门狗5. 复位电路：单片机内部的复位电路经过特殊处理，很多干扰是从复位电路部分进去的，STC89C51RC/RD+系列单片机为高电平复位。6. 宽电压，不怕电源抖动5V：5.5v-3.4v；3V：3.8v-2.0v7. 高抗静电(高ESD保护)，轻松过4000V快速脉冲干扰(严格的日本及欧洲EFT标准)4.2温度采集电路设计4.2.1 DS18B20温度传感器介绍为了满足本设计需要，所选用的是DS18B20智能温度传感器。它是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，世界上第一片支持一线总线接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。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。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。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位的数字值读数方式。1.DS18B20的特点DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如图3。图3 DS18B20外形及引脚排列图DS18B20引脚定义：（1）DQ为数字信号输入/输出端。 （2）GND为电源地。（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。DS18B20的性能特点如下：（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）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（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。（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。（5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5。（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。（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。（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。（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。2.DS18B20工作原理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。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。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。DS18B20有4个主要的数据部件： （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。表2: DS18B20温度数据表温度数字输出换成16进制+12500000111 1101000007D0H+8500000101 010100000550H+25.062500000001 100100010191H+10.12500000000 1010001000A2H+0.500000000 000010000008H000000000 000000000000H-0.511111111 11111000FFF8H-10.12511111111 01011110FFE5H-25.062511111110 01101111FF6FH-5511111100 10010000FC90H（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20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）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EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 （4）配置寄存器低五位一直都是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。R1和R0用来设置分辨率，如表3所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）表3： 温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms 0110位187.5ms 1011位375ms 1112位750ms 高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表4所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。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。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值，第九个字节是冗余检验字节。表4： DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容 字节地址温度值低位 （LS Byte）0温度值高位 （MS Byte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤。每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。表5： ROM指令表指 令约定代码功 能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址） 符合 ROM 55H发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS1820 的读写作准备。 搜索 ROM 0FOH用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。 跳过 ROM 0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。 告警搜索命令 0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。 表6： RAM指令表指 令约定代码功 能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。读暂存器 0BEH 读内部RAM中9字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器 48H 将RAM中第3 、4字节的内容复制到EEPROM中。 重调 EEPROM 0B8H 将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3 、4字节。 读供电方式 0B4H 读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“ 0 ”，外接电源供电 DS1820发送“ 1 ”。 4.2.2 DS18B20温度传感器与单片机的接口电路DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。DS18B20寄生电源供电方式电路图如下面图4所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。独特的寄生电源方式有三个好处：（1）进行远距离测温时，无需本地电源（2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM（3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温图4 DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，图4电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10S内把I/O线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。DS18B20的外部电源供电方式电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。本设计中采用外部电源供电方式，其与单片机的接口电路如下图所示4.3 无线传输模块的设计 4.3.1NRF2401无线模块的介绍1. 模块简介：RF2401B无线通讯模块，采用2.4G全球开放ISM频段，免许可证使用，最高工作速率达1Mbps，125频道满足多点通信和跳频通信需要，体积小巧约34mm*17mm，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制领域。它的工作电压为3.3V3.6V, 推荐3.6V,但是不能超过3.6V.可以把电压尽可能靠近3.6V但是不超过3.6V。其特点有：(1) 2.4Ghz 全球开放 ISM 频段免许可证使用(2) 最高工作速率 1Mbps，高效 GFSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，可以传输音频、视频(3) 125 频道，满足多点通信和跳频通信需要(4) 内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址控制(5) 低功耗 1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为 1uA(6) 内置 2.4Ghz 天线，体积小巧 34mm X 17mm(7) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便(8) 内置专门稳压电路，使用各种电源包括 DC/DC 开关电源均有很好的通信效果(9) 标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用(10) 传输距离开阔地无干扰视距100米，（具体距离视环境而定）(11) 能方便的控制距离，做RFID等(12) 支持无线唤醒2. 2401的芯片结构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。nRF2401 的功能模块如下图所示。3.工作模式nRF2401 有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401 的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN 和CS 三个引脚决定，详见下表。 nRF2401 工作模式3.1 收发模式nRF2401 的收发模式有ShockBurstTM 收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。3.1.1 ShockBurstTM 收发模式 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(1Mbps)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(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401 的ShockBurstTM 技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM 收发模式下，nRF2401 自动处理字头和CRC 校验码。在接收数据时，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，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。ShockBurstTM 发射流程 接口引脚为CE，CLK1，DATAA. 当微控制器有数据要发送时，其把CE 置高，使nRF2401 工作；B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401；C. 微控制器把CE 置低，激发nRF2401 进行ShockBurstTM 发射；D. nRF2401 的ShockBurstTM 发射 给射频前端供电；射频数据打包(加字头、CRC 校验码)；高速发射数据包；发射完成，nRF2401 进入空闲状态。ShockBurstTM 接收流程 接口引脚CE、DR1、CLK1 和DATA(接收通道1)A. 配置本机地址和要接收的数据包大小；B. 进入接收状态，把CE 置高；C. 200us 后，nRF2401 进入监视状态，等待数据包的到来；D. 当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC 校验码)，nRF2401 自动把字头、地址和CRC 校验位移去；E. nRF2401 通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器；F. 微控制器把数据从nRF2401 移出；G. 所有数据移完，nRF2401 把DR1 置低，此时，如果CE 为高，则等待下一个数据包，如果CE 为低，开始其它工作流程。3.1.2 配置模式 在配置模式，15 字节的配置字被送到nRF2401，这通过CS、CLK1 和DATA 三个引脚完成，具体的配置方法请参考本文的器件配置部分。3.1.3 空闲模式 nRF2401 的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz 时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz 时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF2401 片内。3.1.4 关机模式 在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF2401 片内，这是该模式与断电状态最大的区别。4.器件配置 nRF2401 的所有配置工作都是通过CS、CLK1 和DATA 三个引脚完成，把其配置为ShockBurstTM 收发模式需要15 字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2 字节的配置字。由上文对nRF2401 工作模式的介绍，我们可以知道，nRF2401 一般工作于ShockBurstTM 收发模式，这样，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，因此，下文着重介绍把nRF2401 配置为ShockBurstTM 收发模式的器件配置方法。ShockBurstTM 的配置字使nRF2401 能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401 工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。ShockBurstTM 的配置字可以分为以下四个部分：数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF2401 能够区分接收数据包中的数据和CRC 校验码；地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF2401 能够区分地址和数据；地址：接收数据的地址，有通道1 的地址和通道2 的地址；CRC：使nRF2401 能够生成CRC 校验码和解码。当使用nRF2401 片内的CRC 技术时，要确保在配置字中CRC 校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。nRF2401 配置字的各个位的描述如下表所示。 在配置模式下，注意保证PWR_UP 引脚为高电平，CE 引脚为低电平。配置字从最高位开始，依次送入nRF2401。在CS 引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。4.3.2NRF2401无线模块与单片机的接口电路nRF2401 通过ShockBurstTM 收发模式进行无线数据发送，收发可靠，其外形尺寸小，需要的外围元器件也少，因此，使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。由于2401工作在3.3V3.6V的电压之间，因此稳压电源产生的5V电压必须经过转换才能给芯片供电。在此用HT7133电压转换芯片将5V电压转换成3.3V电压。NRF2401无线模块与单片机的接口电路如下图所示： 说明：除电源VCC和接地端，其余脚直接和STC89C52单片机P1口直接相连，无需电平转换，但如果电流超过10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧坏模块。6脚和12脚为接地脚，需要和母板的逻辑地连接起来。此设计中使用的无线模块为PCB板载天线，没有外置天线，它的传输距离约为30-50m，由于2.4GHz的无线传输容易受到外界干扰，传输的可靠性或传输距离会受到一定的影响。4.4 LED显示电路 4.4.1 LED1602的结构LCD1602TC字符型液晶显示屏是一种用57点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，最常用的为2行16个字。LCD1602TC液晶模块内带标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了192个57点阵字符，32个510点阵字符，可以在编程时向LCD1602TC的数据寄存器中写入字符的代码和显示的地址，就可以在屏幕相应的位置上显示相关的字符。另外还有字符生成RAM（CGRAM）512字节，供用户自定义字符。LCD1602TC的外观图如下：图 LCD1602