粮库多点温度测量.doc

： 刘 林余伟聪 柳兔宝： 梁喜幸摘要. 41 系统方案.4 1.1 系统组成42 各功能模块方案选择和论证. 5 2.1寻迹车 5 2.2电对光探测器的选择5 2.3控制模块.62.4电机选择模块.62.5电机驱动选择.72.6车体3 硬件的设计与实现93.1系统硬件的基本组成部分 94 系统软件的设计和算法实现. 10 41系统软件.102 4.2超声波饶障程序 114.3寻迹的测试方法125.3物体定位测试.136误差分析146.1电机.146.2光电对管147设计总结148 参考文献15 摘要本设计使用STC89C52RC型单片机作为系统输入，控制，输出的核心，采用CC1100为无线电发送接收模块，采用DB18B20作为温度传感器模块，采用DS1302作为显示实时时刻的模块，采用NOKIA作为液晶显示器模块，采用红外遥控器和红外线接收头模块传输红外线号，采用声光提示运行到不同的位置，成功实现粮库多点温度监控。二 总体方案设计1.1系统组成 根据题目的要求，整个系统分为主机控制板和分机测温板两个大模块。主机控制板主要由单片机控制模块，温度传感器模块，液晶显示模块，无线电发射接收模块，红外线遥控模块，实时时钟模块，声光提示模块，PC模块。主机原理框图如下：1-1 对于每个模块，先提出多个方案进行比较和论证，最终确定适合整个系统。声光提示模块液晶显示模块无线电发射接收模块温度传感器单片机控制模块键盘时钟模块PC显示图1-1主机系统原理框图分机测温板主要是由：温度传感器，无线接收发送模块，声光提示模块，鼓风机模块，单片机控制模块。分机原理框图如下：1-2单片机控制模块无线电接收发送模块鼓风机模块温度传感器模块声光提示模块主机与分机由无线接收发送模块连接；主机与分机的连接原理图如下图：1-3分机测温模块无限接收发送模 块无限接收发送模 块主机控制模块三 单元模块设计1. 主机模块主机控制板主要由单片机控制模块，温度传感器模块，液晶显示模块，无线电发射接收模块，键盘模块，实时时钟模块，声光提示模块，PC模块。 2. 温度传感器模块 方案一：采用热敏电阻传感器方案二：采用红外线传感器方案三：采用DB18B02温度传感器 分析：采用方案一，热敏电阻传感器的优点是半导体元件，价格低廉，体积小，产品丰富，容易买到；热敏电阻的工作原理是对热敏感的半导体电阻。其阻值随温度变化的曲线呈非线性，但是热敏电阻的最大缺点是不能传送连续的温度变化值，而且受温度的影响变化很大，不易在实践中调节，精确度很差；方案二价格昂贵，不合适我们比赛参加；所以我们采用了方案三，DB18B02温度传感器只要求一个端口即可以实现通信，且每个器件上都有独一无二的序列号，实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温，测量温度范围在55.C到125.C之间，内部有温度上、下限告警设置，由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。 补充 3. 液晶显示器模块方案一：采用LCD1602显示器方案二：采用NOKIA5500显示器方案三：采用LCD12864显示器分析：采用方案一LCD1602显示器是在实验中常用到的显示器，8个引脚，其中6个与单片机的/O连接，价格便宜，在实验中经常用到，对其的应用十分熟悉，但是此显示器一次可显示的内容很少，所以不作为我们这次参赛的元件；方案三采用LCD12864显示器，这个显示器优点是自带字库，可以任意实现一般的汉字，数字，字符等，但是LCD12864显示器占用单片机的/O较多，对于我们此次参赛的题目需要大量的元件，所以此次参赛放弃使用LCD12864显示器；方案二补充 4. 无线电发射接收模块方案一：采用CC1100发射接收模块方案二：采用红外线遥控器和接收模块方案三：采用433M发射模块 分析：方案三，数据模块具有较宽的工作电压范围312V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约2050米，发射功率较小，当电压5V时约100200米，当电压9V时约300500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700800米，发射功率约500毫瓦。当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。天线最好选用25厘米长的导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时收很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少，这点需要开发时注意。但是此次我们参赛题目要求传输距离比较短，所以放弃使用这种性能虽好的元件；方案二采用遥控器由红外接收及发射电路、信号调理电路、中央控制器8031、程序及数据存储器、键盘及状态指示电路组成。遥控器有两种状态：学习状态和控制状态。当遥控器处于学习状态时，使用者每按一个控制键，红外线接收电路就开始接收外来红外信号，同时将其转换成电信号，然后经过检波、整形、放大，再由CPU定时对其采样，将每个采样点的二进制数据以8位为一个单位，分别存放到指定的存储单元中去，供以后对该设备控制使用。当遥控器处于控制状态时，使用者每按下一个控制键，CPU从指定的存储单元中读取一系列的二进制数据，串行输出（位和位之间的时间间隔等于采样时的时间间隔）给信号保持电路，同时由调制电路进行信号调制，将调制信号经放大后，由红外线发射二极管进行发射，从而实现对该键对应设备功能的控制。控制简单，性能稳定，抗干扰能力强，所以本实验中我们采用了红外线遥控器和接收模块。 补充5. 键盘模块 方案一：独立键盘 方案二：矩阵键盘 方案三：红外线遥控器和接收头 分析：采用方案一，独立键盘的优点是连接简单，但是当键盘数量多的时候占用单片机的I/O比较的，不实际，所以此次参赛我们不采用此元件；方案二采用矩阵键盘矩阵键盘的优点是在用到较多的按键时占用较少的I/O，但是矩阵键盘连线复杂，方案三采用红外线遥控器和接收头，只占用单片机的一个中断口，采用红外线发射，利用中断口，可以快速的响应键盘发出的命令，并且红外线在较短的距离内抗干扰比较好，红外线遥控器上的按键齐全可以实现一些常用的功能，所以本次参赛我们采用此模块作为键盘使用。 6. 时钟模块方案一：采用软件控设定时间的方法 ，单片机定时器方案二：采用时钟芯片设定时间 分析：方案一利用单片机内部的定时器中断可以利用软件编程的方法做一个程序来同步计算时间的，优点是不用除单片机外的元件，直接利用晶振的频率，而且定时器中断是优先执行的命令，不受单片机内其它程序的影响，使用方便，但是单片机中晶振的工艺不是那么精确，存在着误差，所以用软件控制编写出的时间不一定准确，而且调节起来比较费力，难以条准确。方案二采用DS1302时钟芯片是一种高性能，低功耗，带RAM的实时时钟芯片，它可以对年，月，日，周日，时，分，秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压宽大2.5V5.5V。采用三线接口与单片机进行同步通信，同时，提供了对后背电源进行涓细电流充电能力；所以本次参赛采用方案二实现同步显示时间。7. PC模块方案一:采用PC机作为同步显示的同能方案二:采用液晶显示器同步显示 分析：本次题目是模拟现实生活中的远距离检测粮堆的温度，所以我们用PC机显示实时数据，工管理员查看，并且及时解决问题，所以不采用液晶显示器四 特殊器件的介绍 我们小组参加本次比赛用到的特殊器件如下：特殊器件一CC11001 模块介绍 (1)315、433、868、915Mh 的ISM 和SRD 频段 (2) 最高工作速率500kbps，支持2-FSK、GFSK 和MSK 调制方式 (3) 高灵敏度（1.2kbps 下-110dDm，1数据包误码率）(4) 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制 (5) 较低的电流消耗（RX 中，15.6mA，2.4kbps,433MHz） (6) 可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+10dBm (7) 支持低功率电磁波激活功能 (8) 支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统 (9) 快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统 (10) 模块可软件设地址，软件编程非常方便 (11)1.27MMDIP 间距接口，便于嵌入式应用 (12) 单独的64 字节RX和TX数据FIFO2、接口电路 (1)VCC 脚接电压范围为 1.9V-3.6V 之间，不能在这个区间之外， 超过3.6V 将会烧毁模块。推荐电压3.3V 左右。 (2) 除电源VCC 和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V 单片机 IO 口直接相连，无需电平转换。当然对3V 左右的单片机更加 适用了。 (3) 硬件上面没有SPI 的单片机也可以控制本模块，用普通单片机3、模块结构 NRF1100 模块使用Chipcon 公司的CC1100 芯片开发而成。 NRF1100 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的接收器一个功率 放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作特点是自动产生前导 码 和 CRC 可以很容易通过SPI 接口进行编程配置，电流消耗低。特殊器件二： DS-18B20 数字温度传感器1: 技术性能描述1.1 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。1.2 测温范围 55125，固有测温分辨率0.5。1.3 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，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，实现多点测温1.4 工作电源: 35V/DC1.5 在使用中不需要任何外围元件1.6 测量结果以912位数字量方式串行传送1.7 不锈钢保护管直径 61.8 适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温1.9 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选1.10 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：应用范围2.1 该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域2.2 轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。2.3 汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。2.5 供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制3：产品型号与规格型 号 测温范围 安装螺纹 电缆长度 适用管道TS-18B20 -55125 无 1.5 mTS-18B20A -55125 M10X1 1.5m DN1525TS-18B20B -55125 1/2”G 接线盒 DN40 604：接线说明特点 独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源 测量温度范围为-55 C至+125 。华氏相当于是-67 F到257华氏度 -10 C至+85 C范围内精度为0.5 C温度传感器可编程的分辨率为912位 温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒 用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数。信息被发送到/从DS18B20 通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。 因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。8引脚封装 TO-92封装 用途 描述5 1 接地 接地4 2 数字 信号输入输出，一线输出：源极开路3 3 电源 可选电源管脚。见寄生功率一节细节方面。电源必须接地，为行动中，寄生虫功率模式。不在本表中所有管脚不须接线 。 DS18B20的应用电路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。下面就是DS18B20几个不同应用方式下的 测温电路图：5.1、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ROM3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温要想使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。结构框图如上：3-13 各单元模块的联接 如下式CC1100的连接框图：P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4AT89C52主机VCCGNDSISCLKSOGD02GD00Csn4 时钟模块的连接框图AT89C52 P0.5 P0.6 P0.7主机GND VCCSCLKI/ORST5 DS18B20连接原理框图 AT89C52P1.7DS18B02 DQ6 红外线遥控器和红外接头 红外线遥控器AT89C52INTO红外线接头7 NOKIA5500显示器连接框图AT89C52 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 VccGNDSCERSTDCDNSCLKLED VCC GND VCC8 PC机通信原理框图AT89C52RXDTXD VCC GN GND GB9 声光模块AT89C52 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2P2.0 P2.1四 系统调试五 系统功能、指标参数六 设计总结 本次参赛我们是使用AT89C52单片机作为主要控制芯片七 参考文献如：1 陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用.科学出版社，2002.01.2 3八 附3系统的硬件设计与实现1、 系统硬件的基本组成部分系统硬件由主控电路，电机驱动模块，光电对管探测器，超声波探测器，放光二极管。如下图3-1图3-1硬件电路原理图 4 系统软件的设计和算法实现1、系统软件本系统以STC89C52RC单片机做为控制器，在KEIL开发环境中，采用C语言对单片机进行编程。程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统协调稳定的运作。系统的各种功能主要通过主程序调用具体的子程序来实现。系统中的其他子程序有： （1） 超声波探测程序（2） 延时程序（3） 光电对管程序（4） 电机驱动程序（5） 寻迹车程序（6） 饶障程序下图为单片机主函数软件流程图，首先进行系统的初始化。 上电复位超声波开始测距调用寻迹程序小车直走等待轨迹前方是否有轨迹前方是否有障调用超声波测距程序 NYNY10 超声波饶障程序 超声波是指频率高于20KHZ的机械波。为了一超声波作为检测手段，不需产生超申博和接受超声波。完成这种功能能的专职就是超申博传感器，习惯上称为超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用雅典效应的原理将电能和炒成波相互转化。超声波测距的余力一般采用哪个渡越时间法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超申博的速度就得到二倍的生源与障碍物之间的距离，即D=ct/2；其中D为传感器与北侧障碍物之间的距离，C为申博在介质中的传输速率，在空气中声波传播速率一般为340m/s;工作时，微处理器AT89C51 先把P1.0 置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动 内部定时器T0 开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完 16 个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检 测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超 声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0 引脚，如果INT0 接收的信 号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时 器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。由于受环境温度、湿度的影响，超声传感器的测量值与实际值总有一些偏差.开始声波返回初始化定时器发射超声波关闭定时器读取所计数值开中断准备接收延时2.38ms启动定时器 N Y 超声波测距程序流程图我们将据小车前方50CM的物体看做是障碍物，大于50CM的视为无障碍物，小车可以畅通无阻的执行，当障碍物的距离小于制定的位置时我们通过指令不停的调试小车的方向，不停的调用超声波测试程序，