温度采集系统设计毕业论文要点.doc

桂林航天工业学院桂林航天工业学院 毕业论文毕业论文 题目 题目 无线温度采集系统设计无线温度采集系统设计 专业 机电一体化技术专业 机电一体化技术 姓名 范志刚姓名 范志刚 学号 学号 201103320344 指导教师 李欧迅指导教师 李欧迅 20 14 年年 5 月月 16 日日 第 II 页 共 20 页 桂桂林林航航天天工工业业学学院院 自自动动化化系系 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 专专业业 年年级级 姓姓名名学学号号 指指导导教教师师 签签名名 李李欧欧迅迅 毕毕业业设设计计题题目目无线温度采集系统设计无线温度采集系统设计 任任务务下下达达日日期期设设计计提提交交期期限限 设设计计主主要要 内内容容 以单片机为核心 设计并制作一个数控直流稳压电源 实现步 进控制功能 可增可减 主主要要技技术术 参参数数指指标标 1 最大输出电压 20 伏 2 电压步进 0 1 伏 3 显示当前电压值 成成果果提提交交 形形式式 实物加论文 设设计计进进度度 安安排排 教教研研室室 意意见见 签签名名 2 20 01 1 年年 月月 日日 系系主主任任 意意见见签签名名 2 20 01 1 年年 月月 日日 目目 录录 1 引言 1 1 1背景和意义 1 1 2本课题研究的意义 2 1 3本文的主要任务及结构 3 2 系统总体设计 3 2 2LPC2103 简介 3 2 3温度测量方案 6 2 4数据无线传输方案 8 3 系统硬件设计 10 3 1电源模块 10 3 2温度采集模块 11 3 3无线收发模块 11 4 系统软件设计 12 4 1无线收发模块驱动程序 12 4 2发送端程序 13 4 3接收端程序 15 5 系统调试 16 5 1调试方法 16 6 结 论 17 6 1系统优缺点分析 18 6 2全文总结 19 致 谢 21 参考文献 22 附 录 23 0 1 引言 1 1 背景和意义 近年来 在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展 温度采集已成为工业 对象控制中一种重要的参数 特别是在冶金 化工 机械等各类工业中 广泛使 用各种加热炉 热处理炉 反应炉等 由于炉子的种类及原理不同 因此所采用 的加热方法及燃料也不同 如煤气 天然气 油电等 对于不同生产情况和工艺 要求下的温度控制 所采用的加热方式 选用的燃料 控制方案也有所不同 例 如冶金 机械 食品 化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉 热处理炉 反应炉等 燃料有煤气 天然气 油 电等 随着生产技术的提高 环境温度指标越来越多的影响到生产效率 能源消耗 和生活水平 不管是工业 农业 军事及气象领域 还是日常生活环境 都需要 对温度进行监测 因而 设计可靠且实用的温度采集系统显得非常重要 温度采 集系统作为车辆导航 油田远程监控 船载导航系统以及农田信息采集系统等控 制系统的重要组成部分 它的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号 温度传感器上电流将随环境温度值线性变化 再把电流信号转换成电压信号 使 用AD转换器将模拟电压信号转换成处理器能够进行数据处理的数字电压信号 工业应用中 现阶段基本上都是以有线的方式进行连接 实现各种控制功能 各种总线技术 局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便 利 改变了我们的生活 对社会的发展起到了极大的推动作用 有线网络速度快 数据流量大 可靠性强 对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择 的确 在实际应用中也达到了比较满意的效果 单片微型计算机的功能不断的增强 为先进的控制算法提供的载体 许多高 性能的新型机种应运而生 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 成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件 在工业生 产中成为必不可少的器件 在温度控制系统中 单片机更是起到了不可替代的核 心作用 1 1 2本课题研究的意义 随着微电子技术和数字信号处理技术的发展 数据采集系统得到了广泛的应 用 在工业生产和控制中 应用数据系统可以采集工业现场的温度 湿度 电压 电流 压力 流量等诸多工艺参数 在将这些模拟信号转变成数字量并进行相应 的计算处理后 所得的结果可以反馈给用户或控制系统 为提高产品质量 降低 成本提供信息和手段 在科学研究上 数据采集系统可以为我们提供大量的动态 信息 成为探索科学奥秘的重要手段 目前 数据采集几乎无孔不入 它已渗透 到了地质 医药器械 雷达 通讯 遥感遥测等各个领域 为我们更好的获取信 息提供了良好的基础 无线数据采集特别适用于复杂地形条件 高腐蚀性 建筑群 爆炸等场合 或者被采集对象是运动 旋转等情况 随着数字电路和射频电路制作工艺 低功 耗电路 高能电池 微电子技术及集成电路技术的进步 无线通信技术取得了飞 速的发展 无线通信的实现越来越容易 传输速度越来越快 可靠性越来越高 并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平 无线传输越来越多的被应用在工业及民用的数据采集上 解决了一些布线复 杂 甚至无法布线的情况 无线方式具有如下几个显著的特点 传输介质采用的 是电磁波 节省了架设电缆的所需的占地和各种花费及其给其他建筑的建设带来 的不便 应用起来更加方便 在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中 采用多字节地址编码 收发器的数量不受限制 具有电路简单 功耗小 体积小 成本低等优点 非常便于使用 设计设施都很简便适合更换场合反复利用 温度作为一个重要的物理量 是工业生产过程中最普遍 最重要的工艺参数 之一 随着工业的不断发展 对温度测量的要求越来越高 而且测量的范围也越 来越广 对温度的检测技术的要求也越来越高 因此 温度测量的研究也是一个 重要的研究课题 总之 本课题将数据采集与无线传输相结合 发挥无线传输的优势 并且解 决硬件 软件及通信协议优化等问题 2 1 3 本文的主要任务及结构 本论文所完成的任务是对基于LPC2103和无线收发模块的温度采集系统的设 计方法进行研究 从实际需要出发 并从性能 价格等因素考虑 对主要元器件 进行了选型 并在此基础上设计出了一个新型无线温度采集系统 并且进行软硬 件的调试和制作 最终完成具有体积小 数据传输稳定可靠 使用灵活等优点的 作品 可以很好地应用在无线数据采集及其它短距离无线数据传输的场合 本论 文在总体结构上共分为5章 第1章引言 本章介绍了无线通信和温度采集的基础知识及其发展 第2章系统总体设计 本章简要介绍了无线温度采集系统的总体设计及功能 第3章系统硬件设计 本章主要介绍了无线温度采集系统的硬件部分总体设 计以及硬件部分各个模块的功能及设计 第4章系统软件设计 本章主要介绍了无线温度采集系统的主要程序部分的 代码及思路 第5章系统调试 本章主要介绍了本系统的调试过程 第6章结论 本章主要介绍了系统已实现的功能 效果 系统特点 还需要 完善的地方 该系统的应用领域等 2 系统总体设计 2 4LPC2103 简介 LPC2103 是基于一个支持实时仿真的 32 位 ARM7 TDMI S CPU 的微控制器 并带有 32KB 的高速 Flash 存储器 128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行 对中断服务程序和 DSP 算法中性能要求 严格的应用来说 这增加的性能比在 Thumb 模式 1 下的性能超出多达 30 对代 码规模有严格控制的应用 使用 16 位的 Thumb 模式将代码规模降低超过 30 而性能的损失却很小 3 较小的 LQFP48 封装和很低的功耗使 LPC2103 特别适用于访问控制和 POS 机等小型应用中 由于内置了宽范围的串行通信接口 2 个 UART SPI I2C 总 线 和 8KB 的片内 SRAM 他们也非常适合于通信网关和协议转换器 高级性 能还使这些器件适合用作数学协处理器 多个 32 位和 16 位定时器 一个改良的 10 位 ADC 所有定时器上输出匹配的 PWM 特性 以及具有多达 13 个边沿或电 平触发的外部中断管脚的 32 位高速 GPIO 线 使这些微控制器特别适用于工业控 制和医疗系统中 2 5温度测量方案 温度是表征物体冷热程度的物理量 它在工业自动化 家用电器 环境保护 安全生产和汽车工业等行业中都是基本的检测参数之一 温度是温度监控系统中 最基本 最为核心的衡量指标 也是测温系统中最为重要的测控参数 因此对温 度进行准确的检测一直是一个重要的研究课题 因此 测量温度的仪器在测温系 统中占有至关重要的地位 随着国内外科技的发展 温度测量技术不断提高 目 前各种温度测量方法种类繁多 应用范围广泛 主要包括以下几种 1 传统的利用物体热胀冷缩原理的方法 水银温度计至今仍然广泛应用于 各种温度测量场合 可是它的缺点是只能近距离观测 易碎 而且有毒 代替它 的有填充酒精 煤油等玻璃温度计和利用金属不同的膨胀系数制成的金属片温度 计 它们的缺点都是测量精度很低 2 利用热电效应的方法 此方法制成的温度检测元件主要是热电偶 热电 偶发展较早 比较成熟 至今仍为应用最广泛的检测元件 热电偶具有结构简单 制作方便 测量范围宽 精度高 热惯性小等特点 它的缺点是线性不好 冷端 需要温度补偿 3 利用热阻效应的方法 利用该方法的测温元件大致有电阻测温元件 导 体测温元件和陶瓷热敏元件 其中电阻测温元件是利用感温元件的电阻随温度变 化的性质 将电阻的变化值用显示仪表反映出来 达到测温的目的 这类元件如 铜电阻 镍电阻 铂电阻等 它们的特点是稳定性好 耐高温 如铂电阻有的可 达六 七百度 但它们的缺点是当传输线路长短不等时 需要进行温度补偿 4 4 利用热辐射原理 热辐射高温计通常分为单色辐射高温计和全辐射高温 计 它的原理是物体受热辐射后 视物体本身的性质 能将其吸收 透过或反射 而受热物体放出的辐射能的多少 与它的温度有一定的关系 5 利用声学原理的测量方法 近年发展起来的声学温度检测技术 可以对 炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测 判断炉的燃烧状况 进行实时调节 和控制 其基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重 建温度的测量方法 6 晶体管测温器件 半导体的电阻温度系数比金属大1 2个数量级 二极 管和三极管的PN结电压 电容对温度灵敏度很高 由此制成的这类器件的优点是 在 50 150 范围内有良好的特性 体积小 响应时间快 价格低 但它的缺 点是一致性差 不易做到互换 而且PN结容易受外界辐射的影响 稳定性难以保 证 7 光纤温度检测技术 在常规办法无法测量的场合 光纤测温得到快速发 展 已开发了开关式温度检测器 辐射式温度检测器等多种实用型的品种 检测 精度在 1 以内 测温范围可以从绝对0 2000 8 激光温度检测技术 激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测 量 用氦氖激光源的激光作反射计 可测很高的温度 精度达0 01 用激光干 涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度 上限可达 3000 专门用 于核聚变研究 但在工业上应用还需进一步开发和实验 9 微波温度检测器是利用在不同温度下 温度与控制电压成线性关系的原 理制成的 这种检测器的灵敏度为250kHz 精度为l 左右 热电偶发展较 早 比较成熟 至今仍为应用最广泛的检测元件 热电偶具有结构简单 制作方 便 测量范围宽 精度高 热惯性小等特点 它的缺点是线性不好 冷端需要温 度补偿 10 近年来 随着微电子技术 计算机技术和自动测试技术的发展 人们开 发出将温度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器 数字式 温度传感器内部一般都包含温度传感器 A D转换器 信号处理器 存储器 或 寄存器 和接口电路 有的产品还带多路选择器 中央控制器 CPU 随机存取存 储器 RAM 和只读存储器 ROM 与模拟传感器相比 数字式传感器在精度 分 辨率 可靠性 抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点 而且 输出的 温度数据和相关的温度控制量可以适配各种微控制器 但是受半导体器件本身限 5 制 数字式传感器还存在一些不足 比如测温范围不宽 一般为 50 150 由于简化了硬件外围电路使得软件设计变得更为复杂 是一种得到广泛使用的温度传感器 由于它采用内部补偿 所以输出可以从 0 开始 在常温下 不需要额外的校准处理即可达到 0 5 的准确率 其电源 供应模式有单电源与正负双电源两种 单电源模式在 20 下静止电流约 50 A 工作电压较宽 可在 4 20V 的供电电压范围内正常工作非常省电 另外 工作 电压在 4 36V 时 芯片从电源吸收的电流几乎是不变的 约 25 A 所以芯片 自身几乎没有散热的问题 这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合 比如在电池供电的场合中 输出可以由第三个引脚取出 根本无需校准 基于本 设计需要精度高 可靠性强 器件体积小的器件 同时又考虑到价格上的因素 最终选择 LM35 温度传感器来采集温度数据 2 6数据无线传输方案 随着网络和通信技术的迅速发展 无处不在的网络终端 以人为本 个性化 智能化的移动计算以及方便快捷的无线接入 无线互联等新概念和新的产品 已 经逐渐融入人们的日常生活和工作领域 随着而来的便携式终端以及无线通信技术得到了极大的发展并在我们的日常 生活中得到了广泛的应用 目前应用广泛的无线通信技术主要有 GSM CDMA GPRS IEEE802 11WLAN 蓝牙 IrDA Home RF ZigBee UWB 微功率短距离无线通信技术等 以上列出了五种常用的无线通信方式 这些通信方式各有优点 各有不同的 适用范围 下面针对它们的使用范围和各自特点进行比较 IrDA是一种视距传输技术 通信设备中间不能有任何阻挡物 通信设备的位 置也需要相对固定 不适宜用于移动数据传输 其次 IrDA只能实现点对点的无 线通信 不能完成点对多点的无线通信 最后 IrDA设备的核心器件 红外 LED容易损坏 因而设备寿命有限 IEEE 802 1lx无线局域网技术基于计算机网络技术发展而来 是专门针对计 算机网络通讯而设计的无线通讯技术 其有效传输距离为50米 传输速率为 11M 54M不等 经常应用于企业学校等场所 IEEE 802 11x的通讯协议复杂 6 协议实现对硬件要求较高 因此基于IEEE 802 11x无线局域网技术所开发的无线 数据传输设备的成本较高 安装调试复杂 维护困难 蓝牙 Blue Tooth 技术专门为近距离无线数据传输而设计 其有效传输距离为 10米 传输速率为10M 从蓝牙 Blue Tooth 技术正式公布到现在 蓝牙 Blue Tooth 技术一直没有得到预期的大范围的应用 是因为其芯片以及开发设备价格 相对高 基于GSM CDMA GPRS无线通讯网络的数据传输技术是近几年发展起来 的一种新型的无线数据传输技术 该技术依托于GSM CDMA GPRS无线通讯 网络进行无线数据传输 因此其没有传输距离的限制 只要 GSM CDMA GPRS无线通讯网络覆盖的地区均可以进行无线数据传输 基于 GSM CDMA GPRS无线通讯网络的数据传输技术的传输速率为10KB 60KB 由于其利用GSM CDMA GPRS无线通讯网络进行无线数据传输 因此其运营 成本较高 基于嵌入式的射频无线收发的无线数据传输技术是近几年发展起来的一种无 线数据传输技术 其核心技术是 2 4G 无线收发技术 嵌入式射频无线收发一体 型芯片是国外各大公司近年来推出的一种新型无线传输芯片 该芯片将信号调制 发射 接收 数字电路接口等功能集成在一枚芯片中 具有价格低廉 外围电路 简单 体积小巧 通讯可靠性高 抗干扰能力强 传输速率快 低耗节能等诸多 优点 同时 嵌入式无线射频收发一体型芯片普遍采用了标准的数字通讯接口 如 SPI UART 等 可以很方便的与 DSP 或单片机等微处理器芯片结合使用 基 于嵌入式无线射频收发一体型芯片的上述优点 采用嵌入式无线射频收发一体型 芯片技术解决低速率无线数据传输问题是比较理想的解决方案 通过无线射频收 发一体型芯片与单片机或 DSP 的结合使用 再在数据传输过程中配合先进的通讯 协议数据处理算法实现纠错 校验以及加密等功能 可满足无线数据传输的要求 7 2 1电源模块 C5 10u C6 10u R9 0R DP1V8 D2 LED R10 1K DP1V8 C4 0 1u GND1 VOUT 2 VIN 3 4 U2 SPX1117M3 1 8 3 3V 1 8V DP3V3 C3 0 1u C1 10u C2 10u R8 0R R7 0R DP3V3 GND1 VOUT 2 VIN 3 4 U1 SPX1117M3 3 3 3 3V 5V D1 4007 Vin 1 1 1 1 2 2 NC 3 NC 4 2 1 5 2 2 6 BT1 BUTTON POWER DP3V3 图 3 1 电源模块 由于 LPC2103 需要 3 3V 和 1 8V 双电源供电 所以在本系统的电源模块主要 由两部分组成 一部分首先将输入电压变为 3 3V 另一部分再将 3 3V 电压进一 步变为 1 8V 为增强该系统的可移动性 POWER 接口选择了三节干电池组成的 4 5V 直流电源输入 D1 为 4007 二极管 防止正负极反接烧坏电路 然后接入 SPX1117M3 3 3 将电压转换为 3 3V C1 C2 C3 C4 C5 C6 为滤波电容 由于电源模块部分为直流电源 所以选择 10 0 1 的电容作为滤波电容 同理 将 3 3V 电压接入 SPX1117M3 1 8 将电压转换为 1 8V D2 为电源指示灯 点亮 时电路接通 8 2 2温度采集模块 1 2 3 J2 LM35 R13 1K C10 104 DP3V3 P0 24 R14 1K C12 104 图 3 2 温度采集模块 该模块的作用是采集环境温度 100C 并将其传送给 LPC2103 核心板 管脚 1 作为输入端接 3 3V 电源 管脚 2 作为输出端与 LPC2103 核心板的 p0 24 口相连 接 管脚 3 接地 为防止电流过大烧坏 LPC2103 在管脚 1 和管脚 2 各接入一个 1K 的电阻 C10 与 C12 为滤波电容 该模块也为直流电路 所以选择 104 作为 滤波电容 2 3无线收发模块 12 34 56 78 JP4 nrf24l01 C13 104 P0 4P0 6 P0 5P0 14 P0 17P0 16 DP3V3 图 3 3 无线收发模块 该部分为 nrf24L01 无线收发模块 在发射端中的作用是将 LM35 传感器采集 到的温度发送给接收端的 nrf24L01 然后 LPC2103 在接收端再通过串口发送给上 9 位机 在接收板中的作用是接受发送板发送的数据 其中管脚 1 接地 管脚 2 接 电源 C12 为滤波电容 管脚 3 作为 CE 端与 p0 16 口直接相连 管脚 4 作为 CSN 端与 p0 17 直接相连 管脚 5 6 7 分别为 SPI 功能的 SCK MOSI MISO 接口 应该与 LPC2103 上的 SPI 接口一一对应 根据图 2 2 的管脚功能图 分别 与 p0 4 p0 5 p0 6 接口直接相连 管脚 8 为 IRQ 端 由于本设计中不需要用到 该功能 随便接个接口或者不接都可以 4系统软件设计 4 1无线收发模块驱动程序 由于 ARM 的引脚均是多功能复用 因此 需要先按照图 3 3 的硬件连接 设置 P0 4 P0 5 P0 6 的功能 设置方法如下 void ioset PINSEL0 PINSEL0 设置 SPI 引脚连接 PINSEL1 PINSEL1 3 16 IO0DIR CSN 将 CSN 方向设置为输出 IO0DIR CE 将 CE 方向设置为输出 LPC2103 工作在 SPI 的主机模式 nrf24L01 工作在 SPI 的从机模式 传输时 高位在前 并且禁止 SPI 中断 实现这些功能的代码如下 void MSPIInit void SPI SPCCR 0 x52 设置 SPI 时钟分频 SPI SPCR 0 3 CPHA 0 第一个时钟采样 0 4 CPOL 1 SCK 低有效 10 1 5 MSTR 1 设置为主模式 0 6 LSBF 0 SPI 传输 MSB 在 先 0 8 将 32 位的温度信息分成四个八位 只 取低十六位方便发送 TxBuf 2 temp if tf 1 nRF24L01 TxPacket TxBuf 发送温度数据 tf 0 Delay 100 return 0 12 4 3接收端程序 UART串口初始化 SPI初始化 接收温度数据 提取有效值 将温度数据发送 给上位机 IO口初始化 开始 图 4 2 接收端流程图 该部分的主要作用是将接收到的温度数据传送给上位机 方便观察结果 首 先定义一个八位数组 RxBuf 用来存放接收到的数据 然后进行 IO 口初始化 SPI 初始化 UART 串口通讯初始化 当 nrf24L01 接收到数据的时候 会将数据发送 给 LPC2103 存储在 RxBuf 中 首先我们通过数组的第一位来判断这个温度数据 是哪一个发送端采集到的数据 然后将后面两个 8 位的温度数据组合为一个 16 位的温度数据 由于此时这个温度数据还是一个电压值 我们将其根据 LM35 的 温度公式转换为温度值 然后将其通过 UART 传送给上位机观察结果 实现这部 分功能的部分代码如下 int main void uint8 RxBuf 20 13 ioset IO 口初始化 UARTInit 串口通讯初始化 MSPIInit SPI 初始化