无线温度遥测系统.doc

合肥学院 第六届电子设计大赛无线温度遥测系统（J题）摘 要：基于对远方环境温度探测设计的无线温度遥测系统。本系统由控制器部分、温度采集部分、无线传输部分、设置部分、存储部分、报警部分和显示部分组成，设计以单片机AT89S52为主控核心器件，采用DS18B20数字温度传感器实时采集温度并通过无线传输芯片nRF24L01将采集到的温度数据发送给监测终端，同时终端存储并实时显示当前的温度信息。关键词：温度遥测 无线传输 红外遥控 实时采集1.引言通过对赛题的分析和本组成员的讨论，所要设计的无线温度遥测系统应实现以下功能：1）在五米以外的地点，通过温度传感器采集温度，单片机将数据处理后经无线发射模块将温度数据发送到监测终端。2）接收模块接收、解调出无线数据，经单片机对接收到得温度信息进行处理并通过LCD液晶屏实时显示。3）监测终端有友好人机界面，方便对各监测点上限温度设置和关闭声光报警等操作。2总体设计方案论证与比较2.1设计思路基于以上分析，将系统设计为主控机和从机两个部分，并采用模块设计的方案实现系统的各项功能，系统主要由主控制器部分、温度采集部分、无线传输部分和显示部分、人工设置界面，具体的实现方案如系统主框图1所示： 图1 系统主框图2.2模块方案论证2.2.1控制部分选择方案一：采用FPGA作为系统的控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，所有数字逻辑器件集中在一块芯片上，体积小，稳定度高。同时，FPGA可用EDA软件仿真调试，易于进行功能扩展。但FPGA引脚较多，布线复杂，成本偏高，结合分析本系统要求如果采用FPGA作为控制器利用率不高，造成资源浪费。方案二：采用单片机作为控制器。单片机使用简单，软件编程灵活。选用Atmel 公司AT89S52做为主控制器件。AT89S52的主要性能参数：低功耗、高性能CMOS8位微控制器，32个可编程I/O口，三个十六位定时、计数器，八个中断源等。足够满足本系统要求，而且价格低廉。经比较，此系统采用方案二。2.2.2 温度传感器部分温度传感器大致可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器两类。模拟温度传感器，其输出的信号通常是电流、电压等线性信号，要通过信号前端调理电路和AD转换电路来实现数字化，才能输入到PIC控制核心来运算。其优点是常用、采购容易、价格低廉，配合不同类型的ADC，可实现不同档次的精度需求。缺点是电路复杂、易受外部干扰、通常要进行硬件或者软件算法的补偿措施。而数字化的温度传感器则是内部集成了传感器、调理电路和AD转换等电路，可直接输出数字信号，也可直接与PIC单片机相连。其优点是直接输出数字信号，省去了信号调理电路、补偿电路和AD电路等。一般的监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种外界干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量 的准确度。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器”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55125，温度传感器可编程的分辨率为912位。支持多点组网功能，在使用中不需要任何外围元件，工作电源: 35V/DC。基于以上分析，我们采用方便实用的数字温度传感器DS18B20。2.2.3无线发送/接收部分本模块采用了Nordic公司nRF24L01高速无线收发芯片设计了无线数据传输的，设工作于PC串口等多种模式下。它是一款单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM波段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制解调器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行设置。芯片能耗非常低，支持多种低功率工作模式，节能设计很方便。当射频通信的速率为1Mbs、250kbs时，在实验室条件下，10m之内可以保证数据准确可靠的传输。在空旷地带，实现可靠通信的距离可达到40m。因此适用于多种无线通信场合。nRF24L01芯片有四种工作模式，分别为收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。本系统采用nRF24L01芯片，主要使其工作于收发模式，与从机控制模块配合工作，以完成对温度数据信号的发送、接收功能。2.2.4设置部分设置模块包括：键盘输入设置方式和红外遥控设置方式，两者均可实现上限温度值的设置以及启动和关闭报警器。1、常用于键盘设置模块的选择，有按键式键盘和触摸屏控制器。方案一（按键式输入）：此方法操作简单，而且采用此方式控制，由于键盘的数目少，也不会占用单片机太多的资源，且价格便宜。方案二（触摸屏输入）：通过触摸检测部件检测用户触摸位置，接受触摸信息后送触摸屏控制器，触摸屏控制器将它转换成触点坐标送给CPU，它同时接收CPU发来的命令并加以执行。此方法操作方便，简单，但价格昂贵。经过比较，我们采用三个独立式键盘作为输入控制模块。2、红外遥控设置模块红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其它电器设备。由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。采用红外遥控设置上限报警温度值、启动和关闭报警器，人工设置系统的时候，不需要考虑装置所在的位置和所处的环境，更方便实用。方案三：采用红外遥控设置因此设计同时采用方案一和方案三，更好的方便用户对系统的控制。2.2.5显示部分方案一：LED数码管传统数码管具有低能耗、低损耗，对外界环境要求低，易于维护等特点；同时其操作简单，程序编写容易，但采用动态扫描显示温度值的时候，会占用单片机太多的资源。方案二：LCD液晶屏显示。LCD液晶显示器功耗低、无辐射危险。此外，液晶显示器和单片机系统的接口更简单、操作更加方便，占用的I/O口较少。同时其功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，相比其他显示器件要小很多。这些都是数码管显示所不能具备的优点，而且使用LCD液晶显示时，只需要将线路接到单片机上就可以显示出内容，使用很方便，无其他外围电路，实际的显示操作，仅仅是由软件驱动，避免了因硬件焊接等问题导致的误差。综合分析来看，数码管虽然对外界环境要求低，但是相比LCD显示来说，电路要复杂的多，占用的资源太多，所以我们采用方案二的液晶显示，显示信息比采用方案一更加丰富。考虑到系统只需要显示所测得温度值和温度上限值，所以我们采用1602液晶显示模块。3.系统设计与实现3.1单元电路的设计3.1.1 温度采集电路DS18B20的电源供电方式有两种：一种是外部电源供电，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是寄生电源供电，Vdd、GND接地，I/O线接单片机I/O，在工作现场外部供电不方便实现的情况下，采用此种方式比较简单。工作过程：从机探测结点首先控制DS18B20完成初始化操作，再发送44h指令进行温度转换，延时一段时间后，再进行初始化，发送beh指令进行读取温度值，然后将测得的温度值通过无线模块传输到监测终端。本系统采用外部电源供电方式，DS18B20温度传感器电路：图2 DS18B20温度传感器电路图3.1.2无线传输芯片 nRF24L01及其外围电路nRF24L01及其外围电路如图 2.1，包括nRF24L01芯片部分、稳压部分、晶振部分、天线部分。电压VDD经电容C1、C2、C3处理后为芯片提供工作电压；晶振部分包括Y1、C9、C10，晶振Y1允许值为：4MHz、8MHz、12 MHz、16 MHz，如果需要1Mbps的通信速率，则必须选择16MHz晶振。天线部分包括电感L1、L2，用来将nRF24L01芯片ANT1、ANT2管脚产生的2.4G电平信号转换为电磁波信号，或者将电磁波信号转换为电平信号输入芯片的ANT1、ANT2管脚。图3 无线传输芯片nRF24L01外围电路3.1.3红外遥控外围电路红外遥控常用的载波频率为38kHz，这是由发射端所使用的455kHz晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz1237.9 kHz38kHz。也有一些遥控系统采用36kHz、40kHz、56kHz等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。本系统采用常用的红外遥控器红外遥控接收可采用较早的红外接收二极管加专用的红外处理电路的方法较好的接收方法是用一体化红外接收头，它将红外接收二极管、放大、解调、整形等电路做在一起，只有三个引脚分别是+5V电源、地、信号输出。红外接收头的信号输出接单片机的INTO或INTl脚典型电路如下图所示图中增加了一只PNP型三极管对输出信号进行放大。图4 红外接收芯片HS0038外围电路3.1.4存储部分本系统采用AT24C02作为存储器件。AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM，达到掉电后数据不丢失的目的。其内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。AT24C02支持IC，总线数据传送协议IC，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。3.1.5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AMS1117 3.3转换成3.3V供给无线模块使用。（5V电源直接用市场上常见的电源转换器由220V交流直接转换为直流5V提供，在此省略不提）图5 稳压芯片AMS1117外围电路3.2系统软件设计3.2.1从机系统流程图3.2.2