无线水温检测系统(最新).doc

浙江水利水电专科学校毕业论文ZHEJIANG WATER CONSERVANCY AND HYDROPOWER COLLEGEz毕业论文题目： 无线水温检测系统 系 （部）： 电气系 专业班级： 电子信息工程技术 姓 名： 陈峰 学 号： 20100809 指导教师： 范烨 2013年 4月 4日摘 要温度检测在日常生活、工作和工程实践中具有重要的应用。随着生活水平的提高和科学技术的进步，无论是工业还是农业或者是日常生活中对温度检测的要求越来越高。不仅要做到低耗，还要求进行一定距离的传输。基于这点我们运用两片主控芯片，一个温度传感器，及数码管显示部分，解决了这个日常生活工作中的问题。出于低功耗本设计我们选择了以低功耗见长的430单片机中的F149系列作为主控芯片，工作场所的温度采集用到了温度采集芯片DS18B20来达到一定的准确度和精确度，最后采用nRF24L01模块对采集到的温度数据进行无线传输，从而打破传统温度操作受到距离限制的缺陷。在经过软硬件测试后，我们基本实现了用温度传感器采集温度，用nRF24L01进行一定距离传输后在接受端的数码管上显示出来的模型。传输距离30m,温度范围达到0至125摄氏度，精度1摄氏度。 关键词msp430f149；nRF24L01；温度；无线传输 ABSTRACTTemperature measurement have important applications in daily life,work and engineering practice.With the improvement of living standards and technological progress，whether industry，agriculture or daily life become increasingly demanding of temperature detection. Not only to achieve low power consumption,but also requires a certain distance transmission. For this reason we solved the problem of daily life and work using two control chips, a temperature sensor, and the led display part. For low-power design we have chosen the low-power microcontroller known for the F149 series of 430 as the master chip, temperature acquisition DS18B20 has used to achieve a certain accuracy and precision, Finally nRF24L01 module temperature data collected by wireless transmission, thus breaking the distance limitations of traditional temperature operation. After software and hardware testing, we basically realize our Initial target. Transmission distance30m, temperature range 0 to 125 degrees, 1 degree accuracy.Keywords: msp430f149;nRF24L01;Temperature;Wireless目 录第1章 绪 论1.1 课题的背景与意义1.2 国内外课题研究状况1.3 课题研究内容1.4 论文结构第2章水线水温检测系统方案设计2.1 系统方案设计2.2 系统方案组成第3章 硬件系统的设计与实现3.1 STC89C52单片机控制系统3.1.1 STC89C52单片机简述3.1.2下载电路3.1.3 复位电路3.1.4 晶振电路3.2 水温传感器电路3.2.1 水温传感器DS18B20概述3.2.2 水温传感器DS18B20引脚描述3.2.3 水温传感器DS18B20内部结构3.2.4 水温传感器DS18B20工作原理3.3 无线数传模块3.3.1 nRF24L01概述3.3.2 nRF24L01引脚功能及描述3.3.3 GFSK数字调制原理3.3.4 nRF24L01工作原理3.3.5 nRF24L01软件配置字3.4 LCD1602液晶显示器3.4.1 LCD1602液晶显示器硬件结构3.4.2 LCD1602原理图设计第4章 软件系统的设计与实现4.1 系统软件调试运行平台4.1.1 KEIL软件概述4.1.2 KEIL软件运行步骤4.2 水温传感器DS18B20软件控制4.2.1 DS18B20单总线控制时序4.2.2 DS18B20功能命令4.2.3 DS18B20控制子程序设计4.3 无线数传模块nRF24L01软件控制4.3.1无线数据发送模块软件设计4.3.2无线数据接收模块软件设计4.4 LCD1602液晶显示器软件设计第5章 系统的调试及实验结果5.1 调试步骤5.2实验结果结论参考文献致谢第1章 绪 论1.1 课题的背景与意义随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行数据采集。在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了1。1.2国内外课题研究状况在2.4GHz非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等多个标准无线协议。，具有带宽高（ 2Mbps），双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围），耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合。nRF24.L01模块是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟2。同样随着传感器及电子电路的发展，集成的温度检测器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。类似美国DALLAS公司推出的数字测温芯片DS18B20层出不穷，国内外的研究在这方面的研究也趋近完善3。1.3 课题研究内容 本课题主要研究了无线水温检测系统的组成及工作原理，并对其各个组成部分进行详细分析，包括水温检测传感器DS18B20的功能和工作原理，无线数传模块nRF24L01的工作原理及其个引脚的具体功能，对STC89C52单片机系统设计进行分析。1.4 论文结构本文基于本次毕业设计的过程与要求，将论文分为五章。具体内容如下：第1章 绪论 本章简单介绍了课题的研究背景和意义，无线温度检测的国内外研究状况，该课题研究的内容介绍。第2章 水线水温检测系统方案设计 本章主要介绍了无线水温检测系统的方案设计和组成。第3章 硬件系统的设计与实现 本章介绍本课题硬件系统各部分电路的设计、实现，讲述了各模块的原理和功能。第4章 软件系统的设计与实现 本章根据系统的总方案，设计出各模块的软件程序，并对软件调试运行平台进行介绍第5章系统的调试及实验结果 本章根据已有的软硬件，进行调试，得到的相应成果。最后总结本论文，得出相关结论。第2章水线水温检测系统方案设计2.1 系统方案设计2.2 系统方案组成第3章 硬件系统的设计与实现3.1 STC89C52单片机控制系统3.1.1 STC89C52单片机简述 STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。3.1.2下载电路3.1.3 复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位(复位电路如3.10所示)。 图3.10 复位电路图3.1.4 晶振电路晶振电路MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器(DCO)、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、LCD显示、定时器、计数器等。数字控制振荡器DCO已经集成在MSP430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。低速晶体振荡器(LFXTl)满足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求。LFXTl振荡器默认工作在低频模式，即32768kHz，也可以通过外接450kHz8MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本电路中我们使用低频模式，晶振外接2个22pF的电容经过XIN和XOUT连接到MCU。高速晶振也称为第二振荡器XT2，它为STC89C52工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8MHz。在系统中XT2采用4MHz的晶体，XT2外接2个22pF的电容经过XT2IN和XT2OUT连接到MCU13（晶振电路如图3.11所示）。图3.11晶振电路3.2 水温传感器电路3.2.1 水温传感器DS18B20概述 DSl820数字温度计提供9位(二进制)温度读数指示器件的温度信息经过单线口送入DSl820或从DSl820送出因此从主机CPU到DSl820仅需一条线(和地线)DSl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl820可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl820的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在l s(典型值)内把温度变换成数字。3.2.2 水温传感器DS18B20引脚描述引脚定义： (1)DQ为单数据总线，是数字信号输入/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）。3.2.3 水温传感器DS18B20内部结构内部结构如图3.3所示。图3.3 DS18B20内部结构图（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。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。 （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。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。3.2.4 水温传感器DS18B20工作原理DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是（1） ROM 只读存储器，用于存放DS18B20的ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。 （2）RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。控制器对18B20操作流程： 复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480S的低电平信号。当18B20接到此复位信号后则会在1560S后回发一个芯片的存在脉冲。 存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在1560S后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60240uS的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。 控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。 执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。3.3 无线数传模块3.3.1 nRF24L01概述nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便10。nRF24L01主要特性如下： 1、GFSK调制，硬件集成OSI链路层； 2、具有自动应答和自动再发射功能； 3、片内自动生成报头和CRC校验码； 4、数据传输率为l Mb/s或2Mb/s；5、SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s；6、125个频道与其他nRF24系列射频器件相兼容； 7、QFN20引脚4 mm4 mm封装；8、供电电压为1.9 V3.6 V；3.3.2 nRF24L01引脚功能及描述nRF24L01的封装及引脚排列如图所示11。各引脚功能如图3.5所示。 图3.5 nRF24L01封装图CE：使能发射或接收； CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01： IRQ：中断标志位；VDD：电源输入端； VSS：电源地；XC2，XC1：晶体振荡器引脚； VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V； ANT1,ANT2：天线接口；IREF：参考电流输入；3.3.3 GFSK数字调制原理 GFSK 高斯频移键控调制是把输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行FSK调制的数字调制方式。它在保持恒定幅度的同时,能够通过改变高斯低通滤波器的3dB带宽对已调信号的频谱进行控制，具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄等无线通信系统所希望的特性。3.3.4 nRF24L01工作原理发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。 接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。3.3.5 nRF24L01软件配置字SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。 nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表3.2所示。表3.2 常用配置寄存器地址（H）寄存器名称功能00CONFIG设置24L01工作模式01EN_AA设置接收通道及自动应答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发数据时间和次数07STATUS状态寄存器，用来判定工作状态0A0FRX_ADDR_P0P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置接收接点地址1116RX_PW_P0P5设置接收通道的有效数据宽度3.4 LCD1602液晶显示器3.4.1 LCD1602液晶显示器硬件结构LCD1602是2x16字符型液晶显示模块，其外观形状如图7.1所示。 (a) 正面 (b) 背面 图7.1 RT-1602C的外观 (a) 图是LCD1602的正面，(b)图LCD1602的背面。标准的16引脚接口如下： 第1脚：VSS，电源地。 第2脚：VDD，+5V电源。 第3脚：VEE，液晶显示对比度调整输入端。接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高。使用时通常通过一个10K的电位器来调整对比度。 第4脚：RS，数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W，读/写选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W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、R/W为高电平时，可以读忙信号；当RS为高电平、R/W为低电平时，可以写入数据。 第6脚：E，使能端，当E为高电平时读取液晶模块的信息，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行写操作。 第714脚：D0D7，为8位双向数据线。 第15脚：BLA，背光源正极。 第16脚：BLK，背光源负极。3.4.2 LCD1602原理图设计 LCD1602原理图第4章 软件系统的设计与实现4.1 系统软件调试运行平台4.1.1 KEIL软件概述 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。4.1.2 KEIL软件运行步骤 第1步 打开Keil51软件首先弹出一个开机启动画面。 第2步 然后进入Keil51的开发界面。 第3步 下面以建立一个简单的项目为例来说明Keil51开发项目的一般方法。单击Project菜单项选择New Project项。 第4步 此时弹出Create New Project对话框选择合适的路径口在文件名一栏中填入新工程的名字。单击保存。 第5步 根据所用的器件选择CPU的型号单击确定。 第6步Keil51询问是否生成默认的配置文件这个可选可不选这里选定。单击Yes观察项目文件管理窗口的变化。 第7步在File菜单下单击New选项新建文件。此时在代码窗口出现一“Text1”空白文档。 第8步 在“Text1”中编辑完代码后单击File菜单中的保存项弹出保存对话框。保存名写为text.c。单击保存。注意在对文件命名时必须加扩展名。 第9步 在项目导航栏中Source Group 上单击右键选Add File to Group Source Group 1。 第10步 此时弹出Add File 对话框。选中刚才保存的text.c文件。单击Add。 此时在项目文件管理窗口中就会出现刚才所添加的文件text.c。 第11步 单击快捷菜单栏中的编译按钮 可以编译程序。 第12步 单击Project菜单项选择Option for Target Target 1选项。 在弹出的对话框中可以对Project进行总体配置。 第13步 选择Output 选项卡单击Create HEX File ,代码输出格式应为HEX-80 。 第14步 单击确定后并重新编译。可以看到编译成功之后Build 选项卡里又多了一项。这是生成的HEX 文件。 第15步 单击Debug 菜单项中的Start/Stop Debug Session 命令或工具栏中的 进入调试界面。 第16步 单击调试界面Debug 菜单项中的Go命令或工具栏中的 运行程序单击Stop Running 命令或 来结束程序。观察运行结果若结果正确，便可通过下载软件将它烧写到目标板上去。4.2 水温传感器DS18B20软件控制4.2.1 DS18B20单总线控制时序 根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤： 1. 每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位； 2. 复位成功后发送一条ROM指令； 3. 最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。4.2.2 DS18B20功能命令功能命令如下图：4.2.3 DS18B20控制子程序设计4.3 无线数传模块nRF24L01软件控制4.3.1无线数据发送模块软件设计首先进行初始化操作，初始化包括设置单片机IO和SPI相关寄存器两部分其可以和nRF24L01通信。通过SPI总线配置射频芯片使其进入正确的工作模式。发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式。接着把发送端待发射数据的目标地址TXADDR和数据TXPLD写入nRF24L01缓冲区，延时后发射数据，其流程图如图4.2所示14。图4.2 无线发射软件流程图4.3.2无线数据接收模块软件设计接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式。接着延迟进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效地址和CRC时，就将数据包储存在接收堆栈中，同时状态寄存器中的中断标志位RXDR置高，产生中断使IRQ引脚变为低电平，以便通知MCU去取数据，其流程图如图4.3所示。图4.3 无线接收软件流程图4. .4 LCD1602液晶显示器软件设计LCD1602液晶显示器显示框图如图所示： LCD1602液晶显示器程序如下：#include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code display_1=good morning; uchar code display_2=miss you; sbit lcden=P34; sbit lcdrs=P35; /sbit lcdrw=P36; uchar num; uint i=0; void delayms(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); void write_com(uchar com) lcdrs=0; lcden=0; P0=com; delayms(5); lcden=0; lcden=1; delayms(5); lcden=0; void write_data(uchar date) lcdrs=1; P0=date; delayms(5); lcden=0; l