基于mega128无线温度测量论文.doc

第III页 共页摘 要鉴于目前日常生产生活中对复杂环境温度测量的需求，我们提出了无线温度测量这个课题，主要适用于工农业生产和日常生活中。传统的温度测量多是采用机械式温度计或者是有线是电子测量系统，对于一些特殊环境的温度测量显得很难实现，比如说环境腐蚀性强、温度传送距离较远的情况。本文通过对无线温度测量课题的阐述，重点向人们介绍了无线温度测量方法的可操作性，和具体的制作过程。本课题主要分为多点温度值的测量，无线数据传输，数据处理和显示这四个部分。选用DS18B20作为测温节点，ATMEGA8作文温度采集控制芯片，采用CC1101作为无线传输模块，最后传到系统控制芯片ATMEGA128上面。在制作结束调试的过程中发现作品中存在一些误差。其中包括温度传感器误差和无线传输距离的误差，误差均在可控范围内。该课题作品可应用于暖棚温度监测、室温监测、或者是工业生产中温度监测。关键词：无线传输；温度测量；DS18B20；AbstractGiven the current daily production and life of the complex environment of temperature measurement needs, we propose a wireless temperature measurement on the subject, mainly applicable to industrial and agricultural production and daily life.More traditional temperature measurement is the use of mechanical thermometer or an electronic measurement system is wired, for some special circumstances oftemperature measurement seems difficult to achieve,for example, corrosiveenvironment, temperature, transfer distance situation.Based on the elaboration of the wireless temperature measurement issues, with emphasis to introduce people to the wireless temperature measurement method can beoperational, and the specific production process. The main topic is divided intomulti-temperature measurements, wireless data transmission, data processing and display of four parts. DS18B20 selected node as the temperature, ATMEGA8 essaycollection temperature control chip, the use of CC1101 as a wireless transmission module, and finally reached the top of the system control chip ATMEGA128.Debugging process in the production end of the works found there are some errors. These include temperature sensors and wireless transmission distance error of the error, errors are manageable. The project work can be applied to Cattle temperature monitoring, temperature monitoring or temperature monitoring in industrial production.Key words：Wireless transmission; temperature measurement; real-time monitoring;目 录引言11 绪论21.1 温度测量的应用范围21.2 温度测量的发展现状21.3 本章小结32 系统总体方案设计42.1 系统设计要求42.2 设计框图42.3 本章小结53 元器件的选择和方案设计63.1 温度传感器的选择63.2 单片机的选择63.3 无线通信模块选择73.4 电源电路方案选择73.4.1主机电源电路方案83.4.2从机电源方案83.5 本章小结84 ATMEGA系列单片机94.1 ATMEGA8单片机结构94.2 ATMEGA128L单片机结构104.3 本章小结115 硬件电路设计125.1 电源电路设计125.1.1主机电源电路125.1.2从机电源电路125.2 温度采集电路设计135.3 无线通信模块电路设计135.4 报警电路设计155.5 液晶显示电路设计155.6 本章小结166 软件设计176.1 主机程序流程图176.2 从机程序流程图186.3 部分程序设计186.3.1温度采集程序186.3.2通信程序设计206.3.3液晶控制程序236.4 本章小结247 系统调试257.1 硬件调试257.2 软件调试257.3 综合调试267.4 本章小结268 系统测试及数据分析278.1 系统测试278.1.1温度测试278.1.2传输距离测试278.2 数据分析278.3 误差分析288.4 本章小结289 总结29参考文献30附 录31 第51页 共51页引言近几十年由于人类对于环境保护的消极对待导致全球气候越来越恶化，其表现为气候变暖，洋流变迁，北极冰川融化等等。气候对于人类生产生活有极大影响，气候的回暖对于地球上生活的生物产生无法估计的影响，最直接表现为据预测在未来几十年里被誉为大西洋明珠的马尔代夫群岛就会被海水淹没；还有北极冰川融化大量淡水注入海水中导致洋流发生变化对人类捕鱼影响极其巨大。在面对自然界强大的力量时我们无法反抗，但生物都有极其强大的进化功能，面对气候的变化我们应该在已知的变化环境中争取主动，在对抗大自然时占据有利位置。资料显示，自从生命起源时起温度就是与生命的延续变异有着极其重要的关联。地球经历了几次大的温度变化周期才形成今天的多姿多彩，而我们人类更是从很早就懂得了御寒保暖，通过合理的对环境的利用来发展延续。温度一直都与我们生产生活息息相关。工业监控，人们的生产出行，处处都与温度有着密切关系。像仓库、农田、塑料大棚以及其他生产过程，温度过大会引起霉变和变质；温度还会影响品质、精密仪器、半导体器件，温度过高或者过低会导致性能降低。由此可见，温度测量应用范围是很广泛的。随着生产的发展，各种工业设备对温度的控制要求越来越高，同时，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的。针对目前已有的一些温度测量方法类型的不足，以及应用环境不够广发的缺点，我们提出了使用无线温度传感器测量温度的方法。其重点体现在整个系统灵活运用在不同网络中，在短距离温度测量过程中使用无线传输方式，节省大量电缆，并能在一定程度上很好的克服恶劣环境带来的不利因素。1 绪论温度是实际应用中使用最多的参数之一,温度监测被广泛用于工农业生产、科学研究以及人们的日常生活等各领域。下面主要介绍一下关于温度测量的应用范围和温度测量的发展现状。1.1 温度测量的应用范围温度是实际应用中使用最多的参数之一,温度监测被广泛用于工农业生产、科学研究以及人们的日常生活等各领域。温度与人们生活有重大联系，人们把观看天气预报作为每天生活的必须内容，根据气温情况来安排日常生活；温度与工农业生产也是息息相关，农业生产中作物的长势，以及作物的耕作时间与温度联系更是极为密切，在古代没有当今这样方便迅捷的温度监测设备及技术，所以就把二十四节气歌作为农业生产的温度标杆；工业生产中温度监测更是极为重要。温度是工业生产中重要参数之一，温度的变化可能会影响产品性能。在传统的监测方法中使用物理式温度计对于数据的统一处理显得十分繁琐，所以使用数字化监控显得十分必要。在数字化监控温度的发展过程中，对多点温度监测通常是使用有线式的方法。也就是说传感器与处理器之间采用电缆进行连接。这种方法在很大程度上制约了监测环境，对于一些腐蚀性强，密封度高，主机与传感器距离远的特殊环境下，极大的影响了测量结果，并对缆线的消耗非常巨大，这对于我们提出的节约理念是有很大出入的。所以无线温度测量技术就应运而生了。针对不同工作环境下温度测量的难题,提出了一种基于无线数传输技术与数字式温度传感器相结合的温度测量电路设计方案,使显示终端与温度传感器分离,避免了由于传输电缆过长产生的误差和恶劣环境对电缆的腐蚀算坏等，并能有效的处理目标单位运动过程中的测量问题。1.2 温度测量的发展现状目前，温度测量已被广泛应用于工农业生产的各个领域，它在工农业生产，科技发展中是一种十分普遍而重要的测量参数。随着生产的发展，新型的温度传感器还会不断开发出来，目前国内外常见的几种温度传感器及测温仪器有以下几种：热膨胀式温度计、电阻式温度计、辐射式温度传感器等等。对温度监测并对温度进行控制已经成为生产过程中十分重要的措施。而其中有些过程对于温度很敏感，需要实时监测并能在超程后报警；还有些测量环境非常恶劣。而传统的有线测温装置，在这种测温环境下，或无法应用，或受到很多限制。这就要求研发无线温度监测系统。这种系统要能够耐受恶劣的环境，还要具有高的测量精度和温度采集速度，并能在远距离由主控机接收。温度测量在保证产品质量，提高生产效率，安全生产，节约能源等多方面起到了至关重要的作用。有资料表明，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%左右，由于许多物质的特征参数与温度有密切关系，因而温度测量在工农业生产、现代科学研究等领域得到了广泛应用和发展。1.3 本章小结温度作为一种普遍应用的参数，在各个领域广泛应用。随着技术不断进步，温度测量的方式方法逐渐变得多种多样。适应多种不同环境、实时发送温度数据的温度测量系统也逐渐受到追捧。本文主要介绍的多点无线温度测量系统正是能适用于不同环境中实时显示当前所测温度数据的温度测量系统。2 系统总体方案设计本系统是无线温度测量系统，其主要任务是用从机测温系统测量某一环境下的多点温度值，通过无线传输模块发送数据到主机系统所控制的液晶显示屏上显示出来。我们测量的是一个特定的温度范围，超出范围后主机控制的报警电路会产生报警信号。本系统可运用于大棚温度监测，室温温度监测等多种环境，所以能在多种复杂环境下应用是本课题的一个重点内容。2.1 系统设计要求（1）实现对温度的测量，并将温度数据进行显示。（2）要求通过无线方式实现多路温度数据的传输。（3）温度数据存储，实现最近查询 。（4）温度曲线绘制（320*240液晶）。（5）测温范围1040C；显示位数3位，分辨率0.1C，测量精度达到0.5C；传输距离不小于10米；可设置温度的上下限。超程报警。2.2 设计框图图2.1系统总体框图本系统分共分为温度采集，ATMEGE128最小系统，无线温度传输，液晶显示电路和电源电路五个部分。工作过程具体如下：DS18B20负责实时温度数据的采集，ATMEGA8对其进行控制，每一秒采集一次，采集到的数据由CC1101芯片负责传送至ATMEGA128芯片储存并在液晶上显示温度值并画出温度曲线图。图2.2 温度数据信号流图2.3 本章小结本章主要对系统设计要求和总体设计框图有一个简单的介绍，对温度信号具体的工作流程有一个概括性的介绍。3 元器件的选择和方案设计目前市场上各种电子元件应有尽有，种类繁多，作用也一一不同。系统中运用了多种电子元件，其中包括温度传感器，控制芯片，无线传输模块等等。因此选用适当的电子元件是我们工作的第一步。3.1 温度传感器的选择温度传感器是能感受温度并把温度转换成可用输出信号的传感器。按照输出信号模式可以把温度传感器分为三类：数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器和模拟式温度传感器。与数字式温度传感器相比，模拟传感器电路设计较为复杂，且测量精度没有数字式准确。数字式传感器设计电路不需要A/D转换电路，节省资源，降低能耗。对于逻辑式温度传感器来说，测量精度低，这种传感器主要是应用在测量一定温度范围的情况下，并不能用在精确在一定精度的温度测量过程中。综合考虑，采用数字式温度传感器，型号选择为DS18B20。DS18B20是一种非接触式数字温度传感器，具有以下特点：耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20可以多个并联使用，最多不要超过8个，否则会出现供电不足导致传感器不能正常工作。DS18B20的工作原理是电桥一个桥臂用对温度敏感的材料做成,在温度改变的时候电阻随着改变,使得电桥失去平衡,达到测量温度的效果。3.2 单片机的选择单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，自动控制领域的智能仪表等多个方面。本课题控制系统采用单片机进行控制。主要有三个类型单片机可供选择：常见的51系列单片机、PIC系列单片机和AVR系列单片机。51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。电源供电为单一5V，与cc1101电源不兼容，并且51单片机运算速度慢、内部存储空间小。PIC系列单片机有低功耗，保密性好等优点，其可靠性强，性价比高广泛应用在各个领域，但其烧写程序时需要特定的13V电压，操作复杂，固不采用。AVR系列单片机具有低功耗、保密性好、性价比高、可靠性强等特点，但对于本课题来讲它最大的优势在于电源环境比较宽松，适用于2.7V-5.5V。从操作性、造价、功耗、性能等多方面来考虑，选用ATMEGA系列单片机作为系统主从控制芯片。3.3 无线通信模块选择无线通信模块广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能 卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、水文气象监控、机器人控制、数字音频、数字图像传输等领域中。相比较而言使用无线通信模块有成本低廉、可扩展性好、适应性好等优点。本课题要求温度数据在大于10m的距离内进行无线传输，所以要用到无线通信模块。常见的无线通信模块有NRF2401无线收发芯片、CC1101芯片。对比NRF2401芯片和CC1101芯片会发现他们有各自不同的特点，其中CC1101无线收发模块具有如下性能特点: （1）工作电压：1.8V-3.6V， 推荐接近3.3V，但是不超过3.6V。（2）工作在433M ISM频段。（3）最高工作速率500kbps，支持2-FSK、GFSK和MSK调制方式。（4）高灵敏度（1.2kbps下-110dDm，0.1数据包误码率）。（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，最大输出功率+10dBm，符合相关法规。（7）无线唤醒功能,支持低功率电磁波激活功能 ,无线唤醒低功耗睡眠状态的设备。（8）模块可软件设地址，软件编程非常方便。（9）传输距离：开阔地传输300-500米（视具体环境和通信波特率设定情况等而定）。NRF2401功能特点如下所示：最大传输速率可达2Mbps，工作频断为2.4G到2.524G。但其工作距离有限，且工作频断高，对建筑物的穿透能力不强，无法进行远距离室内外通信。NRF2401的PCB采用双层板，底层不放置元件作为地层，顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。NRF2401的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给nRF2401提供稳定的电源。在PCB中，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。所以PCB设计在nRF2401收发系统的开发过程中主要的工作之一，在PCB设计时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。电路板设计布局过于复杂。通过对两者传输距离、功耗、传输速率和电路复杂程度上综合考虑采用cc1101作为本课题通信用的无线通信芯片。3.4 电源电路方案选择电源作为整个系统的正常工作提供能量，因此电源系统应该满足可靠性、稳定性、并要求低功耗，能更长久的工作并符合节能减排理念。电源部分分为主机电源和从机电源。主机电源以是否能够稳定工作作为选定标准，从机电源以灵活、适应性强作为选择标准。3.4.1主机电源电路方案主机电源需要给ATMEGA128芯片、液晶显示屏和CC1101无线收发模块提供工作电压。电子设计中常见的电源有开关稳压电源和二极管整流电源。开关稳压电源是一种利用间歇震荡设计的电源，目前应用广泛。开关电源的既可降压也可升压、没有最小降落电压的要求、效率高（尤其在大压差、大电流的情况下）；但其纹波可能较大些、而且电路形式略微复杂些。开关稳压电源较之模拟电源有着效率高，自身发热小的优点；但是它的纹波一般较大，较难控制到很小。对器件影响比较大。二极管整流电源。此种电源功耗较大，需要进行良好的散热。需要大量的电解电容进行滤波。但是该电路性能优良，整流效率高，稳定性好。但该电路优点在于常见并且相对简单易操作。从实用性和电路的复杂程度来分析，选用二极管整流电源作为主机电源。3.4.2从机电源方案从机独立于主机存在，从机电源主要给无线收发模块、从机控制芯片和温度传感器提供工作电压，这几种器件工作电压相对于主机系统比较低，所以除了上面提到的二极管整流电路、开关稳压电路之外还可以采用电池供电。采用电池供电作为从机电源，方法简单且适应力强。由于从机功耗低，应用环境多变，所以采用电池作为电源是最优选择。从机系统采用两节南孚电池串联作为从机电源。3.5 本章小结本章介绍了包括温度传感器、无线通信传输模块、单片机的选择和电源电路方案的选定。在器件及电源方案设计方案选择上我们本着从实际出发，包括环境适应性、组成系统复杂程度、功耗等多方面考虑。4 ATMEGA系列单片机ATMEGA单片机属于AVR中的高档产品，它继承了前一系列AT90所具有的特点，并在AT90（如 AT9058515、AT9058535）的基础上，增加了更多的接口功能，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。本系统主从机分别使用ATMEGA128L和ATMEGA8单片机作为控制芯片。下面分别说明一下这两种单片机。4.1 ATMEGA8单片机结构ATMEGA8单片机芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGA系列的全部性能和特点。小引脚封装，使它具备了和低档单片机相竞争的价格。所以ATMEGA8是一款性价比极高的单片机。ATMEGA8主要性能如下：高性能、低功耗的8位AVR微控制器，先进的RISC精简指令集结构。片内继承了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器。丰富强大的外部接口性能。特殊的微控制器性能。I/O口和封装。最多23个可编程I/O口，可任意定义I/O口输入/输出方向。28脚TQFP封装和32脚MLF封装。宽工作电压。Atmega8L工作电压范围2.7V5.5V；Atmega8工作电压范围4.5V5.5V。高运行速度，Atmega8L工作速度为08MHz，Atmega8工作运行速度为016MHz。低功耗。共分为三个工作模式，分别是正常模式，工作电流3.6mA；空闲模式，工作电流是1.0mA；掉电模式，工作电流为0.5uA。Atmega8管脚结构图如下所示：图4.1 Atmega8系列28管脚结构图图4.2 Atmega8系列32管脚结构图4.2 ATMEGA128L单片机结构ATMEGA128是一款精简指令集RISC的高速8位单片机，简称AVR。目前广泛应用于计算机外设、工业控制领域，仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。目前AVR单片机广泛应用在各个领域主要是因为可靠性高、功能强、高速度、低功耗、低价位。与ATMEGA128L的主要性能与ATMEGA8是一样的，I/O功能强大，低功耗等。ATMEGA128L结构图如下图所示：图4.3 ATMEGA128L管脚结构图ATMEGA128L共有六组I/O口，每组端口相应的都具有第二功能。在本系统中端口B与CC1101相连接的端口采用了第二功能。端口A的第二功能是外部存储器低字节的地址端口及数据；端口B的第二功能如下表所示：表4-1 端口B第二功能表引脚第二功能PB7T/C2的输出比较和PWM输出PB6T/C1的输出比较和PWM输出BPB5T/C1的输出比较和PWM输出APB4T/C0的输出比较或PWM输出PB3SPI总线主机输入，从机输出信号PB2SPI总线主机输出，从机输入信号PB1SPI总线的串行时钟PB0SPI从机选择引脚ATMEGA128L内置独立预分频时钟计数器，本系统中时序要求比较严格，所以我们不适用单片机内置的时钟系统，内置时钟系统受环境影响震荡不够稳定。我们采用一个外接的11.097MHz的晶振作为主机的时钟信号。系统的复位采用上电复位，即上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。4.3 本章小结本章简单的介绍了系统中采用的控制芯片，ATMEGA128L和ATMEGA8L两款芯片。这两款芯片共同特点是电压适用范围广，功耗低，I/O口功能强大。5 硬件电路设计硬件部分是本系统的主体内容，设计时是按照模块来单独设计的。分模块设计的优点是各个部分独立起来，相互之间联系减少，把复杂问题简单化。硬件电路共分为温度采集电路、复位电路、无线通信电路、电源电路等。下面进行一一介绍。5.1 电源电路设计由于系统采用的是无线测量方式，所以电源分为两个部分，分别是主机供电电源和从机供电电源。主机供电电源采用的是220V交流电经过可调变压器调节至5.5V；从机电源采用的是电池供电，电压为3V。5.1.1主机电源电路主机电源电路图如下所示：图5.1 主机电源电路图电路中有两个二极管，D1、D2。D1的型号是SS14，是一款贴片肖特基二极管，主要参数是1A、40V；与普通二极管最大的不同是它的压降为0.2V而不是0.7V，它在电路中所起到的作用是电源防反接保护。D2型号是SK50，一款防浪涌二极管，主要作用是防止瞬间电压激增；管子两端压降为5.0V，在电路中起电压过高保护，防止主机电源电路损毁。F1是一个自愈合保险丝，防止电路中电流过大烧坏电路，它的主要特点是当电流过大时自动熔断，短时间后又恢复到正常工作状态。主机电源输入为5.5V经过D1后电压降到5V为液晶提供工作电压。再经过AMS1173.3稳压芯片输出3.3V为ATMEGA128L和无线通信芯片CC1101提供工作电压。5.1.2从机电源电路从机电源电路如下图所示：图5.2 从机电源电路图从机功耗较低，ATMEGA8L芯片和CC1101通信模块工作电压都比较低，所以选择两节电池并联作为从机系统供电电源。如图所示，二极管D2型号为SS14，贴片肖特基二极管，为电源防反接保护。在电路中两个电阻中间设置一个电压节点，作为监控电池电量的数据。具体原理为：从机工作最低电压为2.7V，从机电源电压满状态为3.0V，所以在节点处输出电压约为2.7V，以0.003V作为一个数量级，使用单片机内置A/D转换做数据处理，这样就得到电池电量的百分数显示了。5.2 温度采集电路设计DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字温度传感芯片，具有耐磨耐碰，体积小封装形式多样的特点。此产品具有独特的单线接口方式，及传感器与控制芯片通过一条口线及可进行双向通信。DS18B20可以采用多个共存于一条总线上，本系统设计则是三个温度传感器并联在三个数据端口。DS18B20是一线半双工通信模式。DS18B20可以用于多点组网，一条总线上最多可以同时使用8个，如超出8个电源供电不足，将影响正常工作。再具体操作中注意不要将管脚接反，这样虽然不会烧毁传感器，但电路不能正常工作。DS18B20温度传感器的量程为55125，固有分辨率为0.5。最低分辨率可达到0.0625。读取温度时共读取16位，所以把后11位的2进制转化为10进制后在乘以0.0625便为所测的温度，还需要判断正负。前5个数字为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。温度传感器电路图如下所示：图5.3 温度传感器电路图5.3 无线通信模块电路设计无线通信模块采用CC1101模块，最大传输速率可达到500kbps，并能通过软件修改波特率，在开阔地传输距离可以达到300-500米，并具有无线唤醒功能，可靠性高，可广泛应用于各种场合的短距离无线传输。其性能特点如下：（1）工作电压：1.8V-3.6V， 推荐接近3.3V，但是不超过3.6V 。（2）工作在433M ISM频段 。（3）最高工作速率500kbps，支持2-FSK、GFSK和MSK调制方式 。（4）可软件修改波特率，功率，频率等相关参数，方便客户在不同条件下的使用要求 。高波特率：更快的数据传输速率但距离会相对近些 。低波特率：更强的抗干扰性和穿透能力，更远的传输距离 。（5）高灵敏度（1.2kbps下-110dDm，0.1数据包误码率）。 （6）较低的电流消耗（RX中，15.6mA，2.4kbps,433MHz）。 （7）可编程控制的输出功率，最大输出功率+10dBm，符合相关法规 。（8）无线唤醒功能,支持低功率电磁波激活功能 ,无线唤醒低功耗睡眠状态的设备 。（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）单独的64字节RX和TX数据FIFO 。（12）传输距离：开阔地传输300-500米（视具体环境和通信波特率设定情况等而定）。表5.1 CC1101技术指标技术指标参数备注工作电压直流3.0V-3.6V功放VDS 3-9V工作频率433MHz可编程配置+-5M频率误差+-10KHz调制方式FSK/GFSK/ASK/00K/MSK可编程配置输出功率20-30dBm接收灵敏度-112dBm2.4Kbps饱和度-15dBm接收电流20mA2.4Kbps发射电流90-250mA与输出功率有关待机电流2uA传输速率1.2-500Kbps可编程配置数据接口SPI接口通信距离1200m2.4Kbps可视距离天线阻抗50ohm存贮温度-50-150C工作温度-40-85C外形尺寸26.0*17.0*2.4mm系统中采用的编码方式是2-FSK，二进制频移键控。实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。在主机系统中CC1101工作电压为3.3V，从机系统中工作电压为3V。从机系统中CC1101可以进入睡眠模式，工作电流小，功耗低；在主机系统中需要实时检测从机状态，所以没有睡眠模式。从机系统有一个红色的发送数据指示灯，指示灯闪烁时表示从机部分的无线传输模块处于工作状态中；主机部分有两个指示灯，红色的灯闪烁时表示主机部分无线传输模块正常工作，而绿色的灯以一定频率闪烁时表示通信模块正常的首发数据。5.4 报警电路设计系统中有一项超程报警的要求，所以需要设计一个报警电路来实现报警功能。其原理是当单片机给出一个报警信号时，要求蜂鸣器鸣响报警。具体设计方法如下图所示：图5.4 报警电路单片机给出一个报警信号ALARM，由于蜂鸣器采用电流驱动，而单片机输出电流不能驱动蜂鸣器，所以需要一个三极管对电流进行放大。根据设计要求选用一个NPN管进行电流放大，如果选用PNP型三极管发射极电压过低无法驱动蜂鸣器。5.5 液晶显示电路设计液晶显示屏作为操作人与系统交互的窗口，液晶显示屏的现实质量对于人们对系统的操作有着重大的影响。液晶显示屏采用LCD302240。LCD302240采用功能强大的S1D13305作为控制器。适配Intel8080系列和M6800系列MPU的两种操作时序电路，通过硬件设置，可选择二者之一。4位显示数据线，传输迅速；支持图形显示、文本显示、图形文本混合显示。具备简洁的MPU接口功能和齐全的指令控制集。其电路原理图如下所示：图5.5 液晶显示电路液晶显示的主要内容有系统开机界面、操作界面、温度曲线绘制等。液晶复位方式为上电复位，对比度可调节。5.6 本章小结本章对系统硬件设计做了说明，主要体现在电路功能和设计思路上面。一些原理性的理论没有加以详细说明。由于按键电路的设计比较简单，直接把按键连接到ATMEGA128L的I/O上，所以本章没有叙述。6 软件设计软件部分主要完成各个模块应该实现的功能。其中主要包括以下几个模块：（1）与CC1101进行通信；（2）DS18B20温度读写；（3）实时刷新液晶屏幕；ATMEGA8与CC1101采用SPI协议进行通信。SPI协议通信是指高速同步串行口通信。MAGA8单片机通过DS18B20温度传感器将温度采集完成后将数据写入CC1101的TX_FIFO的缓存中，然后通过编写程序使CC1101进入发送状态，完成数据的发送。ATMEGA128L通过CC1101模块接收来自ATMEGA8的温度数据，并实时刷新液晶显示屏，显示最新温度值，同时检测CC1101是否有新的数据接收完成。其中键盘是与ATMEGA128L的I/O口直接连接的。6.1 主机程序流程图在以下的程序设计中多采用程序流程图的方式来体现，结构清醒，便于描述，方便理解。主机作为系统总控制芯片，在整个系统中起到数据处理、控制各部分工作的作用。主机除了控制各个模块正常工作之外还要把各个部分模块连接起来确保系统正常工作。程序流程图如下图6.1所示：图6.1主机程序流程图6.2 从机程序流程图从机主要控制DS18B20温度传感器的温度采集和CC1101无线传输模块的数据发送端，以及从机电源电量显示。从机程序流程图如下所示：图6.2 从机程序流程图6.3 部分程序设计在程序设计过程中，主要分为温度采集部分的程序设计，通信程序设计，液晶控制程序设计。6.3.1温度采集程序DS18B20采用一线工作方式，就是数据传输只通过一条数据线，分时进行。其一线工作协议如下图6.3所示：图6.3一线工作协议与时序图6.4 DS18B20开始时序主机首先发出一个低电平脉冲，然后吃放总线变为高电平，并在随后的480微秒时间内对总线进行检测，如果出现低电平说明总线上有器件已经做出了应答。若无低电平出现说明总线上无器件应答。作为从器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480-660微秒的低电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待15-60微秒后将总线电平拉低60-240微秒做出响应存在脉冲，若没有检测到就一直在检测等待。图6.5 DS18B20读写时序主机发出各种操作命令，但各种操作命令都是向DS18B20写0和写1组成的命令字节，接收数据时也是从DS18B20读取0和1的过程。因此首先要搞清楚主机是如何进行写0、写1，读0、读1的操作。写周期最少为60微秒，最长不超过120微秒。写周期一开始作为主机线把总线拉低1微秒表示写周期开始。随后若主机想写0，则继续莱迪电平最少60微秒直至写周期结束，然后释放总线为高电平。对于读数据操作时也分为0时序和1时序两个过程。读时序是从主机把单总线拉低之后，在1微秒之后就得释放但总线为高电平，已让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，编开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。6.3.2通信程序设计无线通信采用CC1101芯片，CC1101与单片机通信采用SPI通信，SPI通信速度快、读写同步进行。CC1101通信过程中主机一直处于接收状态，从机处于睡眠状态，节省电源，等待下一轮数据发送。时序如下图6.6所示：图6.6 CC1101的SPI时序图表6-1 接口定时要求参数描述最小值最大值FSCLKSCLK频率010MHzTsp,pdCSn低到SCLK的正边缘，功率降低模式下TBDnsTspCSn低到SCLK的正边缘，活动模式下TBDnsTch时钟高50nsTcl时钟低50nsTrise时钟上升时间TBDnsTfall时钟上升时间TBDnsTsd时钟上升时间向SCLK正边缘建立数据TBDnsThd向SCLK正边缘后保持数据TBDnstnsSCLK到CNs高时的负边缘TBDnsCC1101程序流图如下图所示：图6.7 CC1101程序流图CC1101发送函数如下：void Send_Data_CC1101（uchar *TxBuffer, uchar size） Write_Registe_CC1101（CCxxx0_TXFIFO, size）;_delay_ms（2）; Write_Burst_Reg_CC1101（CCxxx0_TXFIFO, TxBuffer, size）; /写入要发送的数据Write_Command_CC1101（CCxxx0_STX）; /进入发送模式发送数据 while （!（CC1101_GD0）;/!GDO0）; while （CC1101_GD0）;Write_Command_CC1101（CCxxx0_SFTX）;Write_Command_CC1101（CCxxx0_SIDLE）;_delay_ms（2）;CC1101接收函数为：uchar Re_Data_CC1101（uchar *rxBuffer, uchar *length） uchar status2; uchar packetLength; / 具体多少要根据datarate和length来决定 Write_Command_CC1101（CCxxx0_SRX）; /进入接收状态 if （Read_Status_CC1101（CCxxx0_RXBYTES） & BYTES_IN_RXFIFO） /如果接的字节数不为0 packetLength = Read_Reg_CC1101（CCxxx0_RXFIFO）;/读出第一个字节，此字节为该帧数据长度 if （packetLength = length） /如果所要的有效数据长度小于等于接收到的数据包的长度 Read_Burst_Reg_CC1101（CCxxx0_RXFIFO,rxBuffer, packetLength）; /读出所有接收到的数据 length = packetLength;/把接收数据长度的修改为当前数据的长度 Read_Burst_Reg_CC1101（CCxxx0_RXFIFO, status, 2）; /读出CRC校验位 _delay_ms（2）;Write_Command_CC1101（CCxxx0_SFRX）;/清洗接收缓冲区Write_Command_CC1101（CCxxx0_SIDLE）;Write_Command_CC1101（CCxxx0_SRX）; /进入接收状态 return （status1 & CRC_OK）;/如果校验成功返回接收成功 else length = packetLength; Write_Command_CC1101（CCxxx0_SFRX）;/清洗接收缓冲区 return 0; else return 0;6.3.3液晶控制程序液晶显示模块是系统人机交互重要的窗口，液晶显示模块采用了MTG320240N型点阵液晶模块，由于液晶要显示的内容比较复杂，因此，液晶显示模块需要编写一套完整的函数库，其中应该包括显示ASCII码、字符串、整型数字、汉字等一系列函数，还有一系列画图的函数。图6.8 液晶时序图液晶驱动函数中主要有void CA320240lcd_clear（ uchar layer ）清指定层的屏幕；void locatexy（uint x,uchar y,uchar layer）光标定位函数，画图使用；void CA320240_displayGBK（uchar x,uchar y,uchar layer,uchar *hanzi）汉字显示函数；void point（uint x,uchar y,uchar layer,uchar attr）画点函数；void line_y（uint x,uint y,uchar l,uchar layer,uchar dot,uchar attr）画线函数等常用函数。程序流图如下图所示：图6.9 液晶程序流程图6.4 本章小结本章通过对软件的设计来进一步对系统进行设计完善。主要有主从机程序，温度传感器程序等。需要注意的是我们选用的液晶显示屏是不带有字库的，所以我们要自己构建需要用到的字符。7 系统调试调试时工程的重要一部分，是检验作品能否达到要求的重要一环。调试分为硬件调试和软件调试以及总体调试三个部分。其中总体调试即综合调试，是把各个模块装到一起后进行最后的调试。7.1 硬件调试硬件是系统的重要组成部分，相当于人的身体，硬件是否能正常工作直接影响测试结果，也影响了软件调试的进度。硬件调试是整个系统设计的至关重要的环节。本系统的硬件部分由多个模块组成，电路较为复杂，所以每个硬件模块需要经过单独调试之后，解决完问题后再将各个模块组装到一起。硬件调试的具体过程如下所述：首先测试测试电源部分，电源是整个系统的关键部位，为整个系统提供动力。电源电路加电后，测试各个电源端口和系统的电源部分能否工作正常，同时注意有无器件过热情况，如出现过热应立即断电避免器件烧毁。用万用表检测额定的5V、3.3V输出时发现，5V、3.3V的数去电压均正常，接通单片机最小系统电源电路，检查单片机电源端口电压是否在正常范围内，经过检查发现，电压在正常范围内。电源电路测试工作正常后，对单片机最小系统进行调试，用示波器检查晶振电路是否起振，然后通过下载器向单片机烧入I/O口测试程序，利用流水灯检测各组I/O口输出是否正常，测试后发现，各组I/O口可以正常输出。接下来是键盘和液晶显示电路的调试，使用万用表检测键盘模块上的每个按键能否正常的闭合和断开，液晶显示模块主要检查液晶背光和蜂鸣器的开启、关闭是否可以由输入端的高低电平控制，通过给输入端加高低电平检验，液晶背光和蜂鸣器可以正常开启和关闭。最后是无线通信的测试，先写入发送的程序，让从机一直处于不停的发送状态。然后调试接收装置。看发送数据是否正确。系统硬件电路调试完毕。在该环节中，电路正常，没有出现异常情况。7.2 软件调试软件是整个系统的灵魂，相当于人的大脑，所以软件的调试也非常重要。系统软件调试也是分模块来进行调试的，软件调试基本上是建立在硬件调试的基础之上，而且在后期也要和硬件调试混合在一起的。在软件的编写上，采用了模块化的设计，方便分解组合，将复杂过程简单化。将各个模块的程序单独调试成功之后，再整合到一起。所以软件的调试主要是混合调试。首先，调试好液晶模块，液晶显