第八届电子设计竞赛之无线温度遥测系统报告

HEFEI UNIVERSITY 第八届电子设计竞赛设计报告 题 目 无线温度遥测系统 C 题 成 员 何 义 10 电气六班 1005076019 成 员 邓华青 10 电气六班 1005076036 成 员 姜 潇 10 电气六班 1005076035 2012 年 2 月 27 日 合肥学院第八届电子设计竞赛 I 目录 摘要摘要 1 1 1 引言引言 1 2 2 系统设计系统设计方案方案 1 2 1 设计思想 1 2 2 可行性方案 2 2 3 系统组成模块 3 3 技术路线技术路线 4 4 各模块设计各模块设计 7 4 1 系统硬件电路设计 7 4 1 1 温度数据发射电路 7 4 1 2 温度数据接收电路 8 4 1 3 温度数据测量电路 8 4 2 系统软件设计 9 5 电源部分电源部分 9 6 电路原理图电路原理图 10 7 器材选择方案器材选择方案 12 8 总结总结 13 9 参考文献参考文献 14 附录附录 1 1 单片机最小系统原理示意图单片机最小系统原理示意图 15 合肥学院第八届电子设计竞赛 0 摘要摘要 文章介绍了一种基于单片机 STC89C52 为控制核心的的遥控遥测系统的设计 根据设计其温度传感器 DS18B20 采用单总线协议 直接将被测环境的温度转化成数 字信号的特点 实现了环境温度的实时监测和无线传输数据 显示被测温点数据温 度及声光上限报警 整个系统由温度数据采集模块 数据发射模块 数据接收模块 显示模块 声光上限报警模块等若干部分组成 完成了实时监测环境温遥测的基本 要求部分的全部功能指标和发挥部分中绝大部分的功能指标 关键词 单片机 温度传感器 无线发射芯片 1 1 引言引言 温度遥控遥测是远程实现对温度的测量与控制 特别适合那些环境恶劣 测量 人员不容易接近的场合 近年来在工农业生产中应用广泛 数字化温度传感器 DS18B20 直接将环境的温度信号转变为数字信号 以数码管方式串行输出 当其与 无线发射芯片 NRF24L01 相互传输数据 且 NRF24L01 将数据以无线电磁波的形式发 送出去 接受模块则将数据传送给单片机处理 则从被测的环境温度就可以精确地 计算出来 本系统正是基于此原理完成具有实时温度检测的无线温度遥测系统的设 计 2 2 系统设系统设计计方案方案 2 1 设计思想设计思想 为了实现无线温度的遥测 则该系统中需要包含温度测量模块 数据预处理模 块 无线发射与接收模块 数据处理模块 数据显示与温度上限报警模块 各个模 块的组合如下图所示 合肥学院第八届电子设计竞赛 1 图 2 1 数据发射与接收 2 2 可行性方案可行性方案 1 测量温度传感器选择方案 方案一 使用热电偶温度传感器 它测量精度高 热电偶直接与被测对象接触 不受中间介质的影响 测量范围广 常用的热电偶从 50 1600 均可连续测量 在使用时 它能将温度信号转换成热电势信号 通过电气测量仪表的配合 就能测 量出被测的温度 方案二 使用数字型 DS18B20 温度传感器 它是单线接口方式 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 在 10 50 C 范围内精度高达 0 1 C 支持多点组网功能 多 个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 且在使用中不需要任何外围元件 2 显示温度数据模块选择方案 温度数据的显示模块我们一共有两种选择方案 分别是 数码管显示 LCD1602 液晶屏显示 方案一 采用通用的 LED 数码管 这样显示的相对来说要简单许多 对程序的 编程也相对来说较方便 但是 数码管占用的 IO 口较多 方案二 1602 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 这样在显示温度数据的时候就比较 的直观同时在一定程度上也增加了字符的丰富感 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 方案三 采用 LCD12864 显示 带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种接口方式 内部含有国标一级 二级简体中文字库的点阵图形 液晶显示模块 其显示分辨率为 128 64 内置 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 利用该模块灵活的接口方式和简单 方便的操作指令 可构 无线发送电 路 温度数 据发生 器 接收 数据 信号 识别 数据存储显示 及上限报警 无线接 收电路 合肥学院第八届电子设计竞赛 2 成全中文人机交互图形界面 可以显示 8 4 行 16 16 点阵的汉字 也可完成图形 显示 低电压低功耗是其又一显著特点 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的 图形点阵液晶显示模块相比 不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多 且该模 块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块 3 无线数据传输方案 在本套系统中 要求的传输距离至少要大于 2m 最好能大于 5m 传输速率至 少要在每秒 1KB 以上 目前的近距离数据传输模块主要分为无线传输和红外线传输 方案一 红外线传输 它通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无 线的数据收发 传输距离会受到方向性和外界光的干扰 一般为 3 5m 由于它是直 线传输 所以对接收器的方向要求很高 30 度以内 不能实现任意角度的接收 方案二 本方案使用射频收发芯片 nrf2401 来实现数据的无线传输 其工作于 2 4 2 5GHz ISM 频段 芯片内置频率合成器 功率放大器 晶体振荡器和调制器 等功能模块 输出功率和通信频道可通过程序进行配置 芯片能耗非常低 以 5dBm 的功率发射时 工作电流只有 10 5mA 接收时工作电流只有 18mA 多种低功 率工作模式 节能设计更方便 其 DuoCeiverTM 技术使 nRF2401 可以使用同一天线 同时接收两个不同频道的数据 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 4 温度上限声光报警模块 声音报警我们选择蜂鸣器来达到报警目的 光提醒我们选择体积小 亮度高等 优点的 led 发光二极管 方案一 有源蜂鸣器内部带有振荡源 所以 只需要通上其正常的工作直流电 压就可以有效的工作 故 其连接线路简单 占用的程序储存空间小 方案二 无源蜂鸣器内部不带振荡源 所以 直接用工作的直流电是不会有效 的发出声响的 必须用 2kHz 5kHz 的方波信号去控制驱动它 那样它才能顺利的工 作 2 3 系统组成模块系统组成模块 1 控制器 STC 公司的单片机主要是基于 8051 内核 是新一代增强型单片机 指令代码完全 合肥学院第八届电子设计竞赛 3 兼容传统 8051 速度快 8 12 倍 带 ADC 4 路 PWM 双串口 有全球唯一 ID 号 加密性 好 抗干扰强 同时其价格低 体积小 功耗低 可靠实用 2 发射电路模块 使用射频收发芯片 nrf24l01 来实现数据的无线传输 其工作于 2 4 2 5GHz ISM 频段 芯片内置频率合成器 功率放大器 晶体振荡器和调制器等功能模块 输出功率和通信频道可通过程序进行配置 3 接收电路模块 接收电路中也是使用 nrf2401 来实现无线数据的接受 nrf2401 芯片是收发一 体的 4 温度数据显示模块 采用 LCD1602 与 LCD12864 液晶屏 按照实时测量的数据精确显示 本模块的 主要功能是实时显示描述系统状态的各种信息以及记录各阶段运行的时间 液晶显 示屏 LCD 不仅显示信息量大 画面效果好 节省 I O 口 因此本模块可选择液 晶屏 LCD 显示 具体的我们在温度数据采集发射的模块上采用了 LCD1602 液晶显示 在温度数 据的接收模块采用了 LCD12864 显示 5 温度上限声光报警模块 采用有源蜂鸣器和高亮度的 led 发光二极管作为声光报警器 经过上述论证 系统最终设计方案如下图所示 图 2 2 系统最终方案 3 技术路线技术路线 根据设计 整个系统可按以下程序路线进行 无线发送电 路 温度数 据发生 器 接收 数据 信号 识别 数据存储显示 及上限报警 无线接 收电路 合肥学院第八届电子设计竞赛 4 图 1 主程序流程图 合肥学院第八届电子设计竞赛 5 图 2 DS18B20 子程序流程图 合肥学院第八届电子设计竞赛 6 4 各模块设计各模块设计 4 1 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 4 1 1 温度数据发射电路温度数据发射电路 nRF2401 芯片引脚排列见图 4 1 各引脚具体功能如下 VSS PA VSs 为参考 接地端 VDD 为电源端 范围 1 9 V 3 6 V VDD PA 为功率放大 1 8 V 电源 输出端 ANTl ANT2 为天线接口端 XCl XC2 为晶振端 IREF 为参考电流端 通 过 22 kQ 电阻接地 PwR UP 为上电端 CE 为工作状态使能端 CS 为片选端 控制 器通过对 nRF2401 的 PWR UP CE 和 CS 引脚状态组合设 置 控制 nRF2401 的工作方式 当状态组合为分别为 1 1 O 1 0 1 1 o o 及 o 时 芯片分别 处于激活 配置 待机及低功耗方式 CLKl CLK2 为通 道 1 2 时钟信号端 由控制器提供 在突发模式下控制 器在时钟上升沿由 DATA 引脚向 nRF2401 写入数据 在下 降沿从 nRF2401 的 DATA 引脚读出数据 DRl DR2 为通道 1 2 接收数据就绪信号端 DATA DOUT 为通道 1 2 数 据端 控制器与 nRF2401 由 CLK DR 和 DATA 组成的三线 接口交换传输的数据 通道 1 可接收和发送数据 通道 2 只能接收数据 nRF2401 的 DuoCeiverTM 技术为 RX 提供了两个独立的专用数字信 道 因而可代替两个单独接收系统 接口引脚为 CE CLK1 DATA A 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 E 给射频前端供电 F 射频数据打包 加字头 CRC 校验码 G 高速发射数据包 H 发射完成 nRF2401 进入空闲状态 图 4 1 NRF2401 引脚图 合肥学院第八届电子设计竞赛 7 4 1 2 温度数据接收电路温度数据接收电路 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 单片机的控制信号和数据通过 P2 口进行交换 S1 开关用于设置 nRF2401 处于 发射或接收状态 发光二极管 D1 亮表示系统处于发射模式 D2 亮表示处于接收状 态 D3 亮表示已收到数据 4 1 3 温度数据测量电路温度数据测量电路 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 图 4 2 DS18B20 内部结构图 合肥学院第八届电子设计竞赛 8 4 2 系统软件设计系统软件设计 无线温度遥测系统的软件设计主要由主程序 温度数据处理程序 声光报警程 序 无线数据收发程序及显示子程序组成 其单总线器件 ROM 码的获取 可以借用 读数据子程序提前读出 要求其先发初始化命令 再发 33H 命令 既是读 ROM 码命 令 然后 再调用读数据子程序 在程序设定的地址就可以找到 ROM 序列码 要注 意的是数据线要挂一个器件 之后再度下一个器件 并记录器件的序列号 nRF24L01 的各种命令字都只有一个字节 分为读寄存器 写寄存器 读数据接 收缓冲区 写发送数据缓冲区等 在输入任意命令字的同时 MISO 输出 STATUS 寄 存器的内容 按照硬件电路 系统程序的基本思路如下 系统上电后先配置 nRF2401 发射模式的状态字为 OX500800DODDDDDD 一 00DDDDDD834A05 接收模式的 状态字为 OX500800DODDDD DDooDDDDDD834A04 配置后通道 1 数据宽度 8 bit 地 址为 00DDDDDD 地址长度 32 位 CRC 校验 16 位 单通道接收 晶振 12M 工作频 率 2 402 MHz 输出功率一 5 dBm 程序在每次完成发射或接收任务后 都会监测 一下 P1 0 的电平 来确定下一个循环的工作模式 5 电源部分电源部分 由于无线模块供电为 3 3V 不同于单片机 5V 供电 因此需要将适应单片机 工作的 5V 电源通过电源转换芯片 AMS 1117 3 3 转换成 3 3V 供给无线模块使用 图 5 1 电源模块电路原理 合肥学院第八届电子设计竞赛 9 6 电路原理图电路原理图 图 1 温度数据发射整体电路图 图 2 温度数据接收整体电路图 合肥学院第八届电子设计竞赛 10 图 4 声光报警电路 图 5 无线传输芯片 nRF24L01 外围电路 合肥学院第八届电子设计竞赛 11 7 器材选择方案器材选择方案 在这系统中我们所用到得器材如表 7 1 所示 表 7 1 器材选择 器件名规格数量 个 器件名规格数量 个 单片机 STC89C522 三极管 80501 晶振 12MHz2 有源蜂鸣器 1 瓷片电容 30pF4 稳压芯片 LM3171 瓷片电容 1044 稳压芯片 LM3371 发光二极管 6 稳压芯片 ASM11172 电解电容 10uF 50V4 显示器 16021 电解电容 2200uF 50V2 显示器 128641 电解电容 100uF 25V 排插 10 电阻 1k 2 插座 10 电阻 200 2 40P 插座 2 电阻 560 4 杜邦线 30 电位器 10k 4 二极管 IN40074 排阻 10k 2 自锁开关 4 温度传感器 18b201 无线传 输模块 NRF24012 合肥学院第八届电子设计竞赛 12 8 总结总结 温度遥控遥测系统是工业上使用比较多的一种控制技术 本文就是针对温度遥 控遥测所进行的探讨与设计方案的选定 温度遥控遥测是远程实现对温度的测量与 控制 特别适合那些环境恶劣 测量人员不容易接近的场合 近年来在工农业生产 中应用广泛 对他的学习与研究是完全有必要的 学院举行电子设计竞赛也是非常 有意义的 他给了我们更大的平台去接触去学习我们的专业知识 让我们将理论结 合实际 更加完善自己 当然经过这几天的努力 我们小组圆满完成了这次竞赛的初赛 写电子竞赛 设计报告书 还记得刚开始接触到这个题目时 我们就像无头苍蝇一样 不知从何 下手 对于大二的我们 数电刚接触 单片机开没开设 模电虽然学完了 但始终 没与实践相结合过 到底学得怎么样我们自己心里也没谱 可是要想很好的参加此 次电子设计竞赛 模电 数电 单片机的知识需要我们很好的掌握 基于这些因素 让我们觉得很没底气 可就在我们很迷茫的时候学校组织了有关此次电子设计竞赛 的