基于单片机的温度测控系统的设计

教学单位 信息工程系 学生学号 孝感学院新技术学院孝感学院新技术学院 本科毕业论文本科毕业论文 设计设计 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 基于单片机的温度测控系统的设计 1 基于单片机的温度测控系统的设计基于单片机的温度测控系统的设计 摘要 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 关键词关键词 温度传感器 DS18B20 STC89C52 NRF2401 LCD1602 基于单片机的温度测控系统的设计 2 Temperature measurement and control system based on MCU design Abstract 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 基于单片机的温度测控系统的设计 3 目目 录录 1 1 前言前言 1 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 4 2 2设计方案论证与选择设计方案论证与选择 5 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 7 3 3系统的功能和原理系统的功能和原理 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 4系统的硬件电路的设计系统的硬件电路的设计 8 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 基于单片机的温度测控系统的设计 4 4 9 调整报警温度电路的设计 5 5软件设计软件设计 2222 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 28 5 2 4 时钟模块 5 2 5 按键功能选择部分 6 6 调试运行调试运行 7 7 设计小结设计小结 结束语 28 参考文献 30 致谢 29 基于单片机的温度测控系统的设计 5 1 1 绪论绪论 1 11 1 选题的背景和意义选题的背景和意义 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 21 2 温度传感器的发展现状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 基于单片机的温度测控系统的设计 6 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 31 3 单片机的特点及发展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 41 4 本设计的主要工作本设计的主要工作 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 基于单片机的温度测控系统的设计 7 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 55 125 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 2 设计方案论证与选择设计方案论证与选择 2 12 1 设计方案设计方案 2 1 1 方案一方案一 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 22 1 2 方案二方案二 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 22 2 方案选择方案选择 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 55 125 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 基于单片机的温度测控系统的设计 8 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 3 系统的功能和原理系统的功能和原理 3 13 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 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 23 2 系统的工作原理系统的工作原理 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 基于单片机的温度测控系统的设计 9 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 4 系统的硬件电路的设计系统的硬件电路的设计 4 14 1 单片机电路单片机电路 4 1 14 1 1 单片机的选型单片机的选型 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 24 1 2 STC89C52STC89C52 单片机介绍单片机介绍 MCS 51 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 8051CPU 2 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 0 80MHz 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 RAM 基于单片机的温度测控系统的设计 10 6 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 UART 14 工作温度范围 0 75 40 85 15 封装 PDIP 40 4 1 3 STC89C52 单片机的优点单片机的优点 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 2mA 4 正常工作模式 典型功耗 4mA 7mA 5 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 基于单片机的温度测控系统的设计 11 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 0v 7 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 24 2 温度采集电路设计温度采集电路设计 4 2 14 2 1 DS18B20DS18B20 温度传感器介绍温度传感器介绍 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 基于单片机的温度测控系统的设计 12 图图 3 3 DS18B20DS18B20 外形及引脚排列图外形及引脚排列图 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 0 5 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 55 125 在 10 85 时精度为 0 5 6 可编程的分辨率为 9 12 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 基于单片机的温度测控系统的设计 13 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 表表 2 2 DS18B20DS18B20 温度数据表温度数据表 温度数字输出换成 16 进制 125 07D0H 85 0550H 25 0625 0191H 10 125 00A2H 0 5 0008H 0 0000H 0 5 FFF8H 10 125 FFE5H 25 0625 FF6FH 55 FC90H 基于单片机的温度测控系统的设计 14 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 表表 3 3 温度分辨率设置表温度分辨率设置表 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 表表 4 4 DS18B20DS18B20 暂存寄存器分布暂存寄存器分布 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 基于单片机的温度测控系统的设计 15 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7 CRC 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 16 60 微秒左右 后发出 60 240 微秒的存在低脉冲 主 CPU 收到此信号表 示复位成功 表表 5 5 ROMROM 指令表指令表 指 令约定代码功 能 读 ROM 33H 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 表表 6 6 RAMRAM 指令表指令表 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 基于单片机的温度测控系统的设计 16 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 24 2 2 DS18B20DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路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 基于单片机的温度测控系统的设计 17 图图 4 4 DS18B20DS18B20 寄生电源强上拉供电方式电路图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 10 S 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 基于单片机的温度测控系统的设计 18 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 34 3 无线传输模块的设计无线传输模块的设计 4 3 1NRF24014 3 1NRF2401 无线模块的介绍无线模块的介绍 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 3V 3 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 基于单片机的温度测控系统的设计 19 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 基于单片机的温度测控系统的设计 20 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 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 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 基于单片机的温度测控系统的设计 21 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 基于单片机的温度测控系统的设计 22 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 2NRF24014 3 2NRF2401无线模块与单片机的接口电路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 3V 3 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 基于单片机的温度测控系统的设计 23 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 44 4 LEDLED 显示电路显示电路 4 4 14 4 1 LED1602LED1602的结构的结构 LCD1602TC 字符型液晶显示屏是一种用 5 7 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 5 7 点阵字符 32 个 5 10 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 基于单片机的温度测控系统的设计 24 图图 LCD1602TC 的外观图的外观图 LCD1602TC 共有 16 个引脚 其各引脚的功能介绍如下表 表表 2 LCD1602TC 的引脚功能的引脚功能 引脚名称功能说明 1VSSVSS 为电源地 接 GND 2VDDVDD 接 5V 正电源 3VL VL 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最 弱 接地电源时对比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对 比度 4RS RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平 时选择指令寄存器 5RW RW 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时 进行写操作 当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入 指令或者显示地址 当 RS 为低电平 RW 为高电平时 可以读忙信号 当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以 写入数据 6E E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液 晶模块执行命令 7 14D0 D7D0 D7 为 8 位双向数据线 15BLABLA 背光电源正极 5V 输入引脚 16BLKBLK 背光电源负极 接 GND 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 通过编程设置相关的指 令可以让 LCD1602 工作在不同的状态 11 条控制指令分别为 1 清屏指令 指令代码为 01H 2 光标复位 光标返回到地址 00H 3 光标和显示模式设置 可设置光标和屏幕上的文字的左移和右移 当 基于单片机的温度测控系统的设计 25 D1 为高时光标右移 D1 为低时光标左移 当 D0 为高时屏幕上的文字移动 4 显示开关的控制 可设置屏幕的和光标的开与关 当 D2 为高时开屏幕 显示 当 D2 为低时关显示 当 D1 为高时显示光标 为低时不显示 当 D0 为 高时光标闪烁 为低时光标不闪烁 5 光标或显示移位 可设置文字移动或光标移动 D3 为高时移动文字 为 低时移动光标 6 功能设置命令 可设置四位总线或八位总线和单行显示或多行显示等 7 字符发生器 RAM 地址设置 8 DDRAM 地址设置 9 读忙信号和光标地址 当 D7 为低为低时表示不忙 D7 为高时表示忙 10 写数据 RS 1 RW 0 时 11 读数据 RS 1 RW 1 时 4 4 24 4 2 显示电路与单片机的接口显示电路与单片机的接口 Lcd1602的第3脚 V0为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源时对比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 此电路中通过一个10K 的电位器调整对比度 具体的连接图如下所示 4 54 5 串口驱动电路的设计串口驱动电路的设计 单片机 STC89C52 支持串口通信 它提供的是 CMOS 电平的串口数据 但 PC 基于单片机的温度测控系统的设计 26 机进行串口通信时其 CMOS 口出来的信号是 RS 232 协议的串口数据电平 同时 由于串口数据传输距离较远 需要加驱动电路 因此需要在两者之间加转换芯 片 电路如下图所示 为了方便与上位 PC 机进行串口通信 我们增加了一个 DB9 的串口座 4 64 6 电源电路的设