基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计

基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 1 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 摘摘 要 要 设计了一种由 ATMEGA16 单片机 无线模块和 DS18B20 温度传感器构 成的多点温度智能监控系统 介绍了系统组成结构 工作原理 硬件电路和软件 设计 适用于复杂环境下的仓库温度监测 具有结构简单 成本低 功耗低等特 点 本设计由远程终端单片机实时采集温度数据 通过无线数传模块上传给主监 控中心 主监控中心根据所测量数据向远程终端单片机发出无线信号控制外部降 温设备的运行 保证仓内合适的温度环境 关键词 关键词 ATMEGA16 无线模块 DS18B20 The design of the warehouse based on the system of multi spot temperature intelligent monitoring of wireless transmission Abstract We designed a multi point temperature intelligent surveillance system that consists of the ATMEGA16 microcontroller wireless module and the temperature sensor DS18B20 This paper presents its system structure working principle as well as hardware circuit and software design The system is suitable for temperature monitoring for warehouse in complex environments It features a simple structure low cost and power consumption among others The design of the remote terminal microcontroller collected real time temperature data through the wireless module to the main control center the main control center according to the measurement data sent to the remote terminal microcontroller wireless signals to control external cooling equipment operation to ensure proper temperature warehouse environment Keywords ATMEGA16 wireless module DS18B20 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 2 目录 第一章 绪论 4 1 1 课题设计背景和意义 4 1 2 系统功能说明 4 第二章 方案论证 5 2 1 系统总体方案论证 5 2 2 单片机的选择 5 2 3 显示器的选择 6 2 4 串口通信方案论证 6 2 5 数据传输方案论证 7 第三章 系统硬件电路设计 8 3 1 总体硬件电路设计 8 3 2 单片机主控制电路设计 8 3 2 1 ATMEGA16单片机介绍 8 3 2 2 ATMEGA16引脚功能 9 3 2 3 AVR与其他8位单片机的比较 11 3 2 4 ATMEGA16单片机最小系统电路 11 3 3 LCD显示模块的设计 12 3 3 1 1602字符液晶简介 12 3 3 2 1602管脚说明 12 3 3 3 字符集 13 3 3 4 显示地址 14 3 3 5 基本的读写时序图 15 3 3 6 1602与单片机连接 15 3 4 无线数据收发模块的设计 15 3 4 1 无线模块的相关参数 15 3 4 2 XL02 232AP1的接口电路说明 17 3 5 数据采集模块 18 3 5 1 温度传感器DS18B20简介 18 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 3 3 5 2 DS18B20的主要特性 19 3 5 3 DS1820使用中注意事项 19 3 6 声光电路设计 20 3 6 1 声控电路设计 20 3 6 2 光控电路设计 21 3 7 上位机接口模块的设计 22 3 7 1 串行异步通信 22 3 7 2 RS 232技术 23 3 7 3 MAX232数据操作原理 23 3 7 4 MAX232电路设计 24 第四章 系统软件设计 25 4 1 主程序设计 25 4 2 按键程序设计 25 4 3 温度报警程序设计 27 4 4 上位机软件流程设计 27 第五章 总结 30 5 1 测试环境及工具 30 5 2 设计总结 30 致谢 31 参考文献 32 附录 33 整机系统运行图片 33 单片机部分程序 33 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 4 第 1 章 绪论 1 1 课题设计背景和意义 数字温度传感器广泛应用于各种监测系统中 如工农业生产 气象 环保 医学等 它们已影响到我们各方面的日常生活 因此 研究温度传感器的测量精 度和远程智能监控具有重要的意义 目前应用于仓库的温度监测系统大多由温度传感器 AD 转换器及单片机等 组成 这种系统需要在仓库内布置大量的电缆才能把现场各点传感器采集的信号 送到监控中心 系统安装和拆卸复杂 而且不具有灵活性 监测的位置较为固定 现介绍的利用 ATMEGA16 单片机作为控制器 利用微型计算机控制和短距离无 线通信技术 设计了一种成本低 功耗低 结构简单和便于安装的仓库温度多点 智能监控系统 现在市场上的无线通信系统很多都是复杂的系统 通常涉及到高频的领域 设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备 传统 的电路方案不是电路繁琐就是调试困难 因而影响了用户的使用和新产品的开发 XL02 232AP1 无线通讯芯片采用具有较强抗干扰能力的 FSK 调制方式 工作频 率稳定可靠 功耗低 适合于便携式及手持式产品的设计 由于采用了低发送功 率和高接收灵敏度的设计 因而可以满足无线管制要求 无需使用许可证 是目 前低功率无线数据传输的理想选择 可广泛用于控制 遥测 小型无线网络 无 线抄表 门禁系统 小区传呼 工业数据采集 无线标签 身份识别 非接触 RF 智能卡 小型无线数据终端 安全防火 无线遥控 生物信号采集 水文气 象监控 机器人控制等系统 目前市场上对于单片机之间的无线通信很少 高校 也没有相关的课程 研究的也不多 由于单片机无线通信系统成本不高 研发费 用低而且应用广泛 可见市场前景是很大的 还可以将系统集成化小型化 开发 各种应用系统 投入市场 这就是赋予本设计的实际意义 1 2 系统功能说明 基本功能说明 1 采集多点温度并实时显示 同时可以单独查看各点的温度 2 设置温度上下限 超过范围做声光报警处理 3 温度数据的无线传输 远程显示及监控处理 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 5 第二章 方案论证 2 1 系统总体方案论证 方案一 采用数字电路方式 利用逻辑电路构成控制部分 开关实现数值的 输入 而且由于整个系统采用数字信号控制方式 仅仅显示部分的硬件就非常庞 大 可见整个系统的硬件电路非常的复杂 并且控制的方式也不容易实现 方案二 采用单片机来实现控制 通过键盘的功能键控制单片机实现各个功 能 单片机软件编程灵活 自由度大 可编程实现温度传感器的控制及运行 并 且程序都模块化 方便利用 硬件电路方面与方案一相比较非常简单 在硬件确 定的情况下 只要修改程序就能使整个系统达到设计要求 故相比较而言 采用方案二来实现此设计 整个系统采用 ATMEGA16 作为主控芯片 通过单片机的串口 TXD 和 RXD 对 XL02 232AP1 无线收发芯片实现控制并实现数据的输入和输出 为了跟上计 算机发展的步伐 能够实现实际应用中与 PC 机的人机交互 就必须通过一个电 平转换电路 将下位机的数据信息传输给上位机 而这个电平转换电路采用电平 转换电路芯片 MAX232 另外的设计部分还有显示和按键 显示部分采用了低功 耗 使用方便的 LCD1602 液晶屏 按键部分因为数量少 所以采用了简单的独 立式按键 方便程序的编写 将各个部分连接起来就构成了系统的硬件部分 软 件部分主要是对单片机进行编程 主要编写各个子程序 例如键盘子程序 数据 收发子程序 显示程序和一些控制程序 将硬件和软件结合并通过调试就可以实 现单片机的无线串口通信 2 2 单片机的选择 方案一 采用 STC89C52 单片机 40 脚直插 工作电压 5V 51 内核兼容性 强 该芯片内部存储器为 8KB ROM 存储空间 同样具有 89C51 的功能 且具有 在线编程可擦除技术 用 MAX232 下载程序 但是此单片机响应速度稍慢 无法 完成个别快速显示的需要 方案二 采用 ATMEGA16 单片机 性价比远高于 51 高速 RISC 结构 主 频最高达 20MHz 低功耗 宽电压 1 8V 5 5V 最低全速运行功耗 300uA IO 口驱动能力强 推拉电流能力均达 30mA 可以直接驱动蜂鸣器 继电器等 片 内资源丰富 外部中断 定时 计数器 UART SPI IIC ADC 模拟比较器 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 6 型号齐全 而且 40 脚以下的 AVR 均具有 DIP 的封装形式 因 AVR 的时钟源 晶振 内部 RC 等 不经过分频直接提供给 CPU 使用 而 51 的 CPU 主频等于 晶振的 12 分频 同等条件下响应速度较快 因此选用 ATMEGA16 作为主控单片 机 2 3 显示器件的选择 方案一 采用LED数码管显示 LED数码管也称半导体数码管 是目前数字 电路中最常用的显示器件 它是以发光二极管作笔段并按共阴极方式或共阳极方 式连接后封装而成的 数码管只能显示固定数字和字母 而且其接口及驱动电路 比较复杂 如图2 1 图2 1 数码管与单片机连接图 方案二 采用LCD显示 LCD显示具有接口简单 可显示文字 图形 输出 信息相当丰富 并具有一屏输出多路信息的特点 比较适合本设计 同时对液晶 的控制口线也不多 由于LED数码显示器显示方面的局限性 不能提供文字画面显示 而LCD灵 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 7 活的接口方式和简单 方便的操作指令 可构成人机交互图形界面 低电压低功 耗是其又一显著特点 综上所述 同时考虑到本设计要显示多路数字信息 采用 LCD显示信息比较方便 故采用LCD液晶屏显示 2 4 串行通信方案论证 方案一 RS 232串口通信方案 利用RS 232串口通信及现场总线技术 可方便地实现1台微机与多台机器的近距离通信 通用性好 成本低 方案二 RS 485串口通信方案 RS 485半双工异步通信总线是一种被广 泛使用的数据通信总线 它具有通信距离远 通信速度高 成本低等特点 在远 程监控系统中 由于设备数量多 分布较远 现场的各种干扰也较大 往往通信 的可靠性及质量不高 RS 485收发器采用的平衡发送和差分接收具有抑制共模 干扰的功能 加上收发器具有很高的灵敏度 能检测低达200mV的电压 因此 传输信号可在千米以外得到恢复 因为这次课题并不是运用在真正的实际运作当中 所以我采用了方案一 如 果是在实际场合中使用 建议采用方案二 2 5 数据传输方式方案论证 方案一 电缆传输方案 电缆数据传输的主要好处有 1 数据传输速度快 2 数 据不易丢失 可靠性强 方案二 无线传输方案 无线数据传输解决了地域的局限性 解决了拉线拉 网的烦恼 具有很强的发展空间和运用前景 虽然电缆的传输速率高 可靠性强 但价格昂贵 而无线传输成本低 没有 地域限制 所以我采用方案二 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 8 第三章 系统硬件电路设计 3 1 总体硬件电路设计 系统总体电路主要由单片机单片机主控制电路 LCD显示模块 按键控制电 路 无线数据收发模块 数据采集模块以及声光显示模块部分 下图3 1为系统部 分电路图 数据终端包含4个区 分别是 MAX232电平转换模块 无线数据收发 模块 上位机接口模块 声光显示模块 图3 1 系统部分电路图 3 2 单片机主控制电路设计 3 2 1 ATMEGA16 单片机介绍 ATMEGA16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间 ATMEGA16 的数据吞吐率 高达 1MIPS MHz 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾 ATMEGA16 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器 所有的寄 存器都直接与算逻单元 ALU 相连接 使得一条指令可以在一个时钟周期内同时 访问两个独立的寄存器 这种结构见图 3 2 大大提高了代码效率 并且具有比普 通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 9 图 3 2 ATMRGA16 内部结构图 ATMEGA16 有如下特点 16K 字节的系统内可编程 Flash 具有同时读写的能力 即 RWW 512 字节 EEPROM 1K 字节 SRAM 32 个通用 I O 口线 32 个通用 工作寄存器 用于边界扫描的 JTAG 接口 支持片内调试与编程 三个具有比较 模式的灵活的定时器 计数器 T C 片内 外中断 可编程串行 USART 有起始条 件检测器的通用串行接口 8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益 TQFP 封装 的 ADC 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器 一个 SPI 串行端口 以及六个可 以通过软件进行选择的省电模式 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的 片内 ISP Flash 允许程 序存储器通过 ISP 串行接口 或者通用编程器进行编程 也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程 引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应 用 Flash 存储区 ApplicationFlash Memory 在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区 Boot Flash Memory 的程序继续运行 实现了 RWW 操作 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内 ATMEGA16 成为一个功能强大 的单片机 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案 3 2 2 ATMEGA16 引脚功能 端口 A PA7 PA0 端口 A 做为 A D 转换器的模拟输入端 端口 A 为 8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 10 输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电阻使能 端口被外部电路拉 低时将输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未起振 端口 A 处于高阻状态 端口 B PB7 PB0 端口 B 为 8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其 输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若 内部上拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系 统时钟还未起振 端口 B 处于高阻状态 端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能 端口 C PC7 PC0 端口 C 为 8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其 输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若 内部上拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即使系 统时钟还未起振 端口 C 处于高阻状态 如果 JTAG 接口使能 即使复位出现引 脚 PC5 TDI PC3 TMS 与 PC2 TCK 的上拉电阻被激活 端口 C 也可以用做其 他不同的特殊功能 端口 D PD7 PD0 端口 D 为 8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作为输入使用时 若内部上拉电阻使能 则端口被外部电路拉低时将输出电流 在复位过程中 即 使系统时钟还未起振 端口 D 处于高阻状态 端口 D 也可以用做其他不同的特 殊功能 RESET 复位输入引脚 持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位 持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端 XTAL2 反向振荡放 大器的输出端 AVCC AVCC 是端口 A 与 A D 转换器的电源 不使用 ADC 时 该引脚应直 接与 VCC 连接 使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接 AREF A D 的模拟基准输入引脚 下图 3 3 为 ATMEGA16 引脚功能图 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 11 图 3 3 ATMEGA16 引脚功能图 3 2 3 AVR 与其他 8 位单片机的比较 1 哈佛结构 具备 1MIPS MHz 的高速运行处理能力 2 超功能精简指令集 RISC 具有 32 个通用工作寄存器 克服了如 8051 MCU 采用单一 ACC 进行处理造成的瓶颈现象 3 快速的存取寄存器组 单周期指令系统 大大优化了目标代码的大小 执 行效率 部分型号 FLASH 非常大 特别适用于使用高级语言进行开发 4 作输出时与 PIC 的 HI LOW 相同 可输出 40mA 单一输出 作输入时可 设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入 具备 10mA 20mA 灌电流的能力 5 片内集成多种频率的 RC 振荡器 上电自动复位 看门狗 启动延时等功能 外围电路更加简单 系统更加稳定可靠 6 大部分 AVR 片上资源丰富 带 E2PROM PWM RTC SPI UART TWI ISP AD Analog Comparator WDT 等 7 大部分 AVR 除了有 ISP 功能外 还有 IAP 功能 方便升级或销毁应用程序 3 2 4 ATMEGA16 单片机最小系统电路 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 12 下图 3 4 为 ATMEGA16 单片机最小系统典型电路图 主要由时钟电路及复位 电路组成 图 3 4 ATMEGA16 单片机最小系统电路图 3 3 LCD 显示模块的设计 3 3 1 1602 字符液晶简介 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母 数字 符号等点阵式 LCD 工业字符型液晶 能够同时显示 16X2 即 32 个字符 16 列 2 行 注 为了表示 的方便 后文皆以 1 表示高电平 0 表示低电平 一般 1602 字符型液晶显示器 实物如图 3 5 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 13 图 3 5 1602 实物图 3 3 2 1602 管脚说明 1602 字符型 LCD 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 LCD 多出来的 2 条 线是背光电源线 VCC 15 脚 和地线 GND 16 脚 其控制原理与 14 脚的 LCD 完 全一样 具体管脚说明见下表 3 1 表 3 1 1602 管脚定义表 3 3 3 字符集 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 比如大写的英文字母 A 的代码是 B 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 因为 1602 识别的是 ASCII 码 试验可以用 ASCII 码直接赋值 在单片机 编程中还可以用字符型常量或变量赋值 如 A 下图 3 6 是 1602 的 16 进制 ASCII 码图 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 14 图 3 6 1602 的 ASCII 码图 读的时候 先读上面那列 再读左边那行 如 感叹号的 ASCII 为 0 x21 字 母 B 的 ASCII 为 0 x42 前面加 0 x 表示十六进制 3 3 4 显示地址 下图 3 7 为 1602 显示地址图 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 15 图 3 7 1602 显示地址图 3 3 5 基本的读写时序图 读写操作时序如图 3 8 所示 图 3 8 1602 读写操作时序图 3 3 6 1602 与单片机连接 下图 3 9 为连接图 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 16 图 3 9 1602 与单片机连接图 3 4 无线数据收发模块的设计 3 4 1 无线模块的相关参数 XL02 232AP1 是 UART 接口半双工无线传输模块 可以工作在 433MHz 公 用频段 此模块专为用于各种串口之间的无线通讯 如电脑 单片机 各种机器 设备串口等 完全兼容有线通讯串口协议 使用简单方便灵活 XL02 232AP1 的各项参数及技术指标 表 3 2 工作频率在 428 8 435 1MHz 默认 433 92MHZ 可设置 ID 范围 0 65535 默认 ID 12345 串口速率 1 2K 115 2KBPS 默认 9 6KBPS 数据格式 8N1 表 3 2 XL02 232AP1 参数及技术指标表 工作频率428 5 435 1MHz 调制方式FSK 发射功率0dBm 5dBm 10dBm 15dBm 默认 15dBm 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 17 接收灵敏度 110dBm 工作电压 5V 谐波 60dBc 杂散 60dBm 串口速率1 2k 2 4k 4 8k 9 6k 19 2k 38 4k 57 6k 115 2k 发射电流24mA 0dBm 29mA 5dB 38mA 10dBm 4 5mA 15dBm 接收电流16mA 接口数据格式8N1 用户接口方式TTL 工作温度 30 70 工作湿度10 90 相对湿度 无冷凝 外形尺寸24mm 40mm 3 4 2 XL02 232AP1 的接口电路说明 下图 3 10 为无线模块的接口连接电路图 该模块共 7 个引脚 各引脚定义如下 引脚 1 VCC 接 5V 引脚 2 GND 接地 引脚 3 TXD 串口信号发送端 接单片机的 RXD 引脚 4 RXD 串口信号接收端 接单片机的 TXD 引脚 5 SET 模块内部参数设置端 低电平有效 引脚 6 GND 接地 引脚 7 NC 空脚 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 18 图 3 10 无线模块的接口连接电路图 3 5 数据采集模块 3 5 1 温度传感器 DS18B20 简介 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器 具有 3 引脚 TO 92 小体积封装形式 温度测量范围为 55 125 可编程为 9 位 12 位 A D 转换精度 测温分辨率可达 0 0625 被测温度用符号扩展的 16 位数字 量方式串行输出 其工作电源既可在远端引入 也可采用寄生电源方式产生 多 个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上 CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信 每个温度传感器的 ROM 里有不同的识别号码 占用微处理器的 端口较少 可节省大量的引线和逻辑电路 以上特点使 DS18B20 非常适用于远 距离多点温度检测系统 DS18B20 内部结构如图 3 11 所示 主要由 4 部分组成 64 位 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 的管脚排列 如图 3 12 所示 DQ 为数字信号输入 输出端 GND 为电源地 VDD 为外接供 电电源输入端 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 每个 DS18B20 的 64 位序列号均不相同 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 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 19 图 3 11 DS18B20 内部结构图 图 3 12 DS18B20 管脚图 3 5 2 DS18B20 的主要特性 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 3 5 3 DS1820 使用中注意事项 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 20 DS1820 虽然具有测温系统简单 测温精度高 连接方便 占用口线少等优点 但在实际应用中也应注意以下几方面的问题 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿 由于 DS1820 与微处理器间 采用串行数据传送 因此 在对 DS1820 进行读写编程时 必须严格的保证读写 时序 否则将无法读取测温结果 在使用 PL M C 等高级语言进行系统程序设 计时 对 DS1820 操作部分最好采用汇编语言实现 在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820 数量问题 容易使人 误认为可以挂任意多个 DS1820 在实际应用中并非如此 当单总线上所挂 DS1820 超过 8 个时 就需要解决微处理器的总线驱动问题 这一点在进行多点 测温系统设计时要加以注意 连接 DS1820 的总线电缆是有长度限制的 试验中 当采用普通信号电缆传 输长度超过 50m 时 读取的测温数据将发生错误 当将总线电缆改为双绞线带屏 蔽电缆时 正常通讯距离可达 150m 当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽 电缆时 正常通讯距离进一步加长 这种情况主要是由总线分布电容使信号波形 产生畸变造成的 因此 在用 DS1820 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总 线分布电容和阻抗匹配问题 在 DS1820 测温程序设计中 向 DS1820 发出温度转换命令后 程序总要等待 DS1820 的返回信号 一旦某个 DS1820 接触不好或断线 当程序读该 DS1820 时 将没有返回信号 程序进入死循环 这一点在进行 DS1820 硬件连接和软件设计 时也要给予一定的重视 3 6 声光电路设计 3 6 1 声控电路设计 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 广泛应用于计 算机 打印机 复印机 报警器 电子玩具 汽车电子设备 电话机 定时器等 电子产品中作发声器件 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器 压电蜂鸣片 阻抗匹配器及共鸣箱 外壳等组 成 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成 当接通电源后 1 5 15V 直流工作电 压 多谐振荡器起振 输出 1 5 2 5kHZ 的音频信号 阻抗匹配器推动压电蜂鸣 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 21 片发声 电磁式蜂鸣器由振荡器 电磁线圈 磁铁 振动膜片及外壳等组成 接通电源后 振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈 使电磁线圈产生磁场 振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下 周期性地振动发声 下图 3 13 为声控 电路图 图 3 13 声控电路图 3 6 2 光控电路设计 发光二极管简称 LED 采用砷化镓 镓铝砷 和磷化镓等材料制成 其内部 结构为一个 PN 结 具有单向导电性 当在发光二极管 PN 结上加正向电压时 PN 结势垒降低 载流子的扩散运动大于漂移运动 致使 P 区的空穴注入到 N 区 N 区的电子注入到 P 区 这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合 复合时 产生的能量大部分以光的形式出现 因此而发光 发光二极管在制作时 使用的 材料有所不同 那么就可以发出不同颜色的光 发光二极管的发光颜色有 红色光 黄色光 绿色光 红外光等 发光二极 管的外形有 圆形 长方形 三角形 正方形 组合形 特殊形等 常用的发光 二极管应用电路有四种 即直流驱动电路 交流驱动电路 脉冲驱动电路 变色 发光驱动电路 使用 LED 作指示电路时 应该串接限流电阻 该电阻的阻值大 小应根据不同的使用电压和 LED 所需工作电流来选择 发光二极管的压降一般 为 1 5 2 0 V 其工作电流一般取 10 20 mA 为宜 下图 3 14 为光控电路设计 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 22 图 3 14 光控电路图 3 7 上位机接口模块的设计 如果在传递字节的过程中组成字节的所有比特在总线上一个接一个地顺序传 输 这种方式叫串行通信 串行通信又分为异步串行通信和同步串行通信 异步 方式下 每发送一个字节都需要在接收和发送方进行数据同步 因此速度低 但 可靠性高 而同步串行通信则分面向字符 面向比特和面向字节三种 一次传递 一个由若干字节 或比特 字符 组成的数据块 并且具有通信控制字 3 7 1 串行异步通信 在异步通信中 连接线不包括时钟线 时钟信号由发送端和接收端各自提供 因为连接的每一端都提供自己的时钟信号 所以每个中断的时钟频率必须保持一 致 否则将产生失步 每个传输的字节都用一个起始位来与时钟同步 以及一个 或几个停止位来表示传输字节的结束 串口通信中大多采用异步通信 如PC上的 RS 232C端口所使用的就是异步通信方式 异步通信有很多种格式 最通用的是8 N 1 在这种方式中 发送端以一个起 始位表示传输开始 后跟8位数据 并以一个停止位表示一个字节传输结束 当 接收端辨认出起始位后 就知道一个字节的传输开始了 并利用自己的时钟读取 后面的8位数据 当接收到停止位后 就停止读取 并把接收的数据送往接收缓 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 23 冲 8 N 1中的N表示传输不使用奇偶校验位 8 N 1异步传输时序图如图3 15所示 图 3 15 异步传输时序图 3 7 2 RS 232 技术 RS232C 是 1969 年 EIA 制定的在数据终端设备 DTE 和数据通讯设备 DCE 之间的串行的二进制数据交换的接口 全称是 EIA RS 232 C 协议 也 称 EIA 232 最初采用 DB 25 作为连接器 包含双通道 但是现在也有采用 DB 9 的单通道接口连接 RS232 的通讯信号电平为正负 5 15V 这不同于数字电路 的 0 3V 或 0 5V 所以要以 RS232 的方式进行通讯 源信号需要进行电平转换 典型应用是微型计算机的串行接口 由于计算机通信用的是 RS 232 电平 单片机使用的是 CMOS TTL 电平 要 想实现单片机与计算机之间的数据传输 就需要将单片机进行 RS 232 电平转换 如下表 3 7 1 为 RS 232 电平与 CMOS TTL 电平的对比表 表 3 3 RS 232 电平与 CMOS TTL 电平的对比表 3 7 3 MAX232数据操作原理 MAX232数据传送方式和时序分析 数据传送时序如图3 16所示 逻辑值 RS 232 V CMOS TTL V 0 3 15V 3 2 停 止 位数据位 校 验 位 起 始 位 LSBMSB 空 闲 下一字符 起始位 空 闲 一个字符帧 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 24 图 3 16 数据传送时序图 3 7 4 MAX232 电路设计 MAX232 芯片的结构和引脚都非常简单 内部含有驱动器和接收器 采用单一 电源 5 V 工作 额定电流为 300 A 采用半双工通讯方式 它完成将 TTL 电平 转换为 RS 232 电平的功能 RIOUT 和 TIIN 端分别为接收器的输出和驱动器的 输入端 与单片机连接时只需分别与单片机的 RXD 和 TXD 相连即可 TIOUT 和 RIIN 分别与计算机的 COM 口相连 下图 3 17 为 MAX232 的电路连接图 图 3 17 MAX232 电路连接图 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 25 第四章 系统软件设计 整个软件程序分为四个部分 主程序部分 按键部分 显示部分 报警部分 4 1 主程序设计 下图4 1为主程序流程设计图 图 4 1 主程序流程设计图 4 2 按键程序设计 按键在闭合和断开时 触点会存在抖动现象 如图 4 2 键盘的抖动时间一般 为 5 10ms 抖动现象会引起 CPU 对一次键操作进行多次处理 从而可能产生错误 消除抖动不良后果的方法有两种 一种是硬件消抖 如图 4 3 另一种是软件消 抖 判断按键 是否按下 初始化 显示子程序 开始 调用相应界 面处理函数 返回 N Y 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 26 图 4 2 按键抖动 图 4 3 硬件消抖 此处 我采用了延时和上升沿触发来实现软件消抖 程序如下 按键扫描子程序 void keyscan stop uchar j DDRD BIT PD5 PORTD BIT PD5 DDRD j PIND j if j 0 delay 5 j PIND j if j 0 flag start 1 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 27 while PIND 4 3 温度报警程序设计 下图4 4为温度报警流程设计图 图4 4 温度报警流程设计图 4 4 上位机软件流程设计 开始 初始化 读取温度 显示子程序 温度是否 超限 声光报警 显示子程序 返回 N Y 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 28 通过查阅相关资料 将传到串口助手上的数据经过在Visual Basic的相关控件 中编写代码就能将数据通过Visual Basic软件显示出来 并且能实现管理人员对仓 库运作情况的一个远程控制 在具体编写中 涉及到Visual Basic中的一个 MSComm通信控件 因为只有一个串口上传 需要将上传的字符区分出来 下图 4 5为上位机软件流程设计图 图4 5 上位机软件流程设计图 MSComm的代码 Private Sub Form Load MSComm1 Settings 9600 N 8 1 MSComm1 CommPort 4 MSComm1 InBufferSize 16 开始 初始化串口 初始化无线 模块 初始化上位 机 发生数据 接收数据 返回 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 29 MSComm1 OutBufferSize 2 MSComm1 RThreshold 16 MSComm1 SThreshold 1 MSComm1 InputLen 0 MSComm1 InputMode comInputModeText MSComm1 InBufferCount 0 Text1 Text 00 Text2 Text 00 End Sub 下图4 6为上位机运行图 图 4 6 上位机运行图 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 30 第五章 总结 5 1 测试环境及工具 PROTEUS ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件 它可以 仿真 分析 SPICE 各种模拟器件和集成电路 在完成单片机及其外围电路系统仿 真 确认电路可行后 制作硬件 鉴于本设计是无线传输调试 硬件实际效果至关重要 常见问题 VCC GND是否接入对应电路 是否共地 单片机晶振是否起振 周围电磁场是否干扰 显示欠缺 由于主程序设计过于冗长 导致显示程序调用间隔过长 从而出现上图的不良效 果 在之后的程序调试中采用只刷数据不刷界面的方法解决该问题 5 2 设计总结 本次设计是以ATMEGA16单片机为核心的无线数据传输 在低功耗方面远比 51等8位单片机性能高 通过上位机采集显示及下传相关数据 达到同时监测和控 制仓库内各个点的实时温度信息 完成智能化管理 系统以有线和无线技术相结 合 可根据需要灵活增置远程终端节点 实际测试表明 系统各监控点工作稳定 无线数据传送距离达300米左右 且误码率低 温度测量精度达0 1 C 致此本人的设计完成了预期的目标 系统在软件仿真 硬件测试 实时显示方面 做的较为理想 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 31 致谢 在此我很感谢毕业设计指导老师王立巍老师 在百忙之中抽出宝贵的时间为 我指导 给了我许多的资料和辅导 为此设计指出了许多不足之处 并建议了一 些有效可行的改进方案 他严谨的治学作风和精益求精的治学态度给我留下了深 刻的印象 在此对王老师表示崇高的敬意和衷心的感谢 本毕业设计的顺利完成离不开院系领导老师的大力支持和帮助 同时还要感 谢在设计制作过程中 社团小组成员给予我的支持与帮助 由衷的感谢物电学院的所有老师 感谢这4年来每一位不辞劳苦的向我传授知 识的老师 你们精心的栽培为我以后的学习工作打下了坚实的基础 谢谢你们 电子技术正在飞速发展 人们总是处在不断学习阶段 再加上我水平有限 所以 本设计肯定存在许多不尽如人意的地方 欢迎广大老师和同学批评指正 最后衷心感谢在百忙之中抽出时间来评阅我的论文和参加答辩的各位老师 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 32 参考文献 1 张迎新等编著 单片机初级教程 北京航天航空大学出版社 2000年6 月第一版 2 何立明编著 单片机应用系统设计 系统配置与接口技术 北京航天航 空大学出版社 1990年1月第一版 3 谢维成 杨加国 单片机原理与应用及C51程序设计 M 北京 清华大学 出版社 2006年8月第1版 4 纪宗南 单片机外围器件实用手册 M 北京 北京航空航天大学出版社 1998年78 82 5 张友德等编著 单片机微型机原理 应用与实验 复旦大学出版社 2003 年第四版 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 33 附录 整机系统图片 单片机部分程序 include include include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar flag qh flag start 0 flag AB flag fir flag set 0 uint temp1 temp2 uchar key num tempa h tempa l tempb h tempb l uchar j1 k1 j2 k2 int TA H 350 TA L 200 int TB H 350 TB L 200 void delay uint ms 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 34 uint i j for i 0 i ms i for j 0 j 1141 j 温度时序程序 define DQA IN DDRD DQB OUT DQB CLR delay n100us 5 DQB SET delay 100us DQB IN i DQB R delay n100us 5 return i void ds18b20B write byte uchar value 从低位写进去 基于无线传输的仓库多点温度智能监控系统设计 35 uchar i for i 0 i 1 uchar ds18b20B read byte void 从低位读进来 uchar i value for i 0 i 1 DQB OUT DQB CLR delay 10us DQB SET DQB IN if DQB R val