无线温度采集设计

无线温度采集装置设计摘要温度是一个非常重要的参数。在工业、医疗、军事和生活等许多地方，都需要用到测温装置来检测温度。传统直接布线测量不满足要求，特别是在某些环境恶劣的工业环境和户外环境，通过直接布线测量不现实。因此采用无线传输温度检测尤为必要。目前有些设计能够实现无线温度采集，但价格过高是其最大的缺点。在实际温度控制过程中既要求系统具有稳定性、实时性又需要降低功耗。因此设计一种低功耗的无线温度检测系统很有意义。本文提出一种采用单片机AT89S52控制DS18B20实现的无线温度测量系统。通过简单的无线通信协议，实现可靠性与功耗平衡，该系统能实现对温度的检测，能够同时进行温度检测，是可以实现远程控制的无线温度检测系统。低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。无线传输采用NRF24L01模块传输。该系统结构简单，可靠，功耗较低，成本低，是一种无线传感器的解决方案。关键字单片机AT89C51无线传输CC1101DS18B20ABSTRACTTEMPERATUREISAVERYIMPORTANTPARAMETERSINTHEINDUSTRIAL,MEDICALANDMILITARYANDLIFEANDMANYOTHERPLACE,ITNEEDSTOUSETHETEMPERATUREMEASUREMENTDEVICETODETECTTEMPERATURETHETRADITIONALDIRECTMEASUREMENTWIRINGDOESNOTMEETTHEREQUIREMENTS,ESPECIALLYINSOMEENVIRONMENTALBADINDUSTRIALENVIRONMENTANDOUTDOORENVIRONMENT,THROUGHTHEDIRECTWIRINGMEASUREMENTISNOTPRACTICALSOUSINGWIRELESSTRANSMISSIONTEMPERATURETESTINGISNECESSARYATPRESENTSOMEDESIGNCANREALIZETHEWIRELESSTEMPERATUREGATHERING,BUTTHEPRICEISTOOHIGH,ITSBIGGESTWEAKNESSINTHEACTUALTEMPERATURECONTROLPROCESSREQUIRESBOTHSYSTEMHASSTABILITY,REALTIMEANDTHENEEDTOREDUCEPOWERCONSUMPTIONSOTHEDESIGNOFAKINDOFLOWPOWERCONSUMPTIONWIRELESSTEMPERATUREDETECTIONSYSTEMISVERYMEANINGFULTHISPAPERPRESENTSAUSESTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITAT89S52CONTROLDS18B20OFTHEREALIZATIONOFTHEWIRELESSTEMPERATUREMEASURINGSYSTEMTHROUGHTHESIMPLEWIRELESSCOMMUNICATIONPROTOCOL,REALIZETHERELIABILITYANDPOWERBALANCE,THESYSTEMCANREALIZETOTHETEMPERATUREDETECTION,CANSIMULTANEOUSLYDETERMINETHETEMPERATURE,CANBEREALIZEDTHEWIRELESSREMOTECONTROLTEMPERATUREDETECTIONSYSTEMLOWPOWERCONSUMPTION,REALTIMEWIRELESSTEMPERATUREDETECTIONISTHEBIGGESTCHARACTERISTICOFTHEDESIGNWIRELESSTRANSMISSIONUSINGNRF24L01MODULETRANSMISSIONTHESYSTEMSTRUCTUREISSIMPLE,RELIABLE,LOWPOWERCONSUMPTION,LOWCOST,ITISAKINDOFWIRELESSSENSORSOLUTIONSKEYWORDMCUAT89S52WIRELESSTRANSMISSIONNRF24L01DS18B20目录摘要IABSTRACTII目录III前言11系统方案分析与选择论证311系统方案设计3111主控芯片方案3112无线通信模块方案3113温度传感方案4114显示模块方案412系统最终方案52主要芯片介绍和系统模块硬件设计721AT89SC517211单片机控制模块1122CC1101无线模块12221引脚功能及描述1223温度传感器DS18B2017231DS18B20简介1824显示模块23241发送接收端显示模块2325报警电路254系统仿真3042发送端温度采集与显示仿真3043接收端LCD1602显示温度仿真315硬件电路板设计3351系统硬件原理3355硬件调试结果39参考文献46前言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系统方案分析与选择论证11系统方案设计111主控芯片方案方案一采用传统的AT89C52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。方案二采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。方案三采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。此芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到1MPS。而且价格适中。考虑到此系统需要不用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一，即用AT89C52作为本系统的主控芯片。112无线通信模块方案方案一采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。方案二采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用ZIGBEE总线模式，传输速率可达250KBPS，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且ZIGBEE协议相对较为复杂。方案三采用CC1101串口无线模块，此模块电压范围宽，无需对模块编程，只需对单片机串口编程，使用简单方便。考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。113温度传感方案方案一采用AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。方案二采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，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。经济，方便。使用DS18B20线路简单，编程容易，但是比AD590精度低。AD590还需要其它辅助电路，线路复杂，编程难度大，但是温度精确。考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案二，即用DS18B20作为本系统的温度传感器。114显示模块方案方案一选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。方案二采用字符液晶LCD1602显示信息，1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。方案三采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为接收端的显示。12系统最终方案发送端发送端由温度传感器DS18B20，AT89C52单片机，CC1101无线模块，LCD1602显示模块组成。AT89C51DS18B20LCD1602无线模块图12发送端系统方框图接收端接收端由AT89S52单片机，NRF24L01无线射频模块，LCD1602显示模块，报警电路和串口组成。STC89C51无线模块LCD1602报警电路图13接收端系统方框图2主要芯片介绍和系统模块硬件设计21AT89C52单片机是一种集成的电路芯块采用了超大规模技术把具有运算能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路PWM，模拟多路转换及A/D转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能AT89C52是一个低电压高性能CMOS8位单片机片内含8KBYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256BYTES的随机存取数据存储器RAM器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术生产兼容标准MCS51指令系统片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口也即地址/数据总线复用口作为输出口用时每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路对端口P0写1时可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时这组口线分时转换地址低8位和数据总线复用在访问期间激活内部上拉电阻在FLASH编程时P0口接收指令字节而在程序校验时输出指令字节校验时要求外接上拉电阻P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路对端口写1通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平此时可作输入口作输入口使用时因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL与AT89C51不同之处是P10和P11还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入P10/T2和输入P11/T2EXFLASH编程和程序校验期间P1接收低8位地址P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口P2的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路对端口P2写1通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平此时可作输入口作输入口使用时因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器例如执行MOVXDPTR指令时P2口送出高8位地址数据在访问8位地址的外部数据存储器如执行MOVXRI指令时P2口输出P2锁存器的内容FLASH编程或校验时P2亦接收高位地址和一些控制信号P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口P3口输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路对P3口写入1时它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口此时被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流IILP3口除了作为一般的I/O口线外更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号RST复位输入当振荡器工作时RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时ALE地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节一般情况下ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号因此它可对外输出时钟或用于定时目的要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲对FLASH存储器编程期间该引脚还用于输入编程脉冲PROG如有必要可通过对特殊功能寄存器SFR区中的8EH单元的D0位置位可禁止ALE操作该位置位后只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活此外该引脚会被微弱拉高单片机执行外部程序时应设置ALE禁止位无效PSEN程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号当AT89C52由外部程序存储器取指令或数据时每个机器周期两次PSEN有效即输出两个脉冲在此期间当访问外部数据存储器将跳过两次PSEN信号EA/VPP外部访问允许欲使CPU仅访问外部程序存储器地址为0000HFFFFHEA端必须保持低电平接地需注意的是如果加密位LB1被编程复位时内部会锁存EA端状态如EA端为高电平接VCC端CPU则执行内部程序存储器中的指令FLASH存储器编程时该引脚加上12V的编程允许电源VPP当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPPXTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端XTAL2振荡器反相放大器的输出端单片机控制模块由AT89S52最小系统组成，其中包括单片机，晶振电路和复位电路。（1）、晶振电路晶振电路由两个30PF电容和一个12MHZ晶体振荡器构成，接入单片机的X1、X2引脚。（2）、复位电路单片复位端低电平有效。单片机最小系统如图22图22单片机最小系统EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U180C52C130PFC230PFX112MHZX1X2VCCR110KC310UFRESETP10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P27P26D0D1D2D3D4D5D6D7RESETRXDTXDALEPSENINT0INT1T0T1RDWRX1X222434MHZ无线串口模块简介工作原理23温度传感器DS18B20DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件“体积更小、适用电压更宽、更经济DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线“接口的温度传感器。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。DS18B20、DS1822“一线总线“数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线“接口，测量温度范围为55C125C，在1085C范围内,精度为05C。DS1822的精度较差为2C。现场温度直接以“一线总线“的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。231DS18B20管脚配置和内部结构DS18B20图27DS18B20引脚及封装引脚定义1DQ为单数据总线，是数字信号输入/输出端；2GND为电源地；3VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。233DS18B20的时序初始化时序DS18B20的所有通信都是以由复位脉冲组成的初始化序列开始的。该初始化序列由主机发出，后跟由DS18B20发出的存在脉冲（PRESENCEPULSE）。下图阐述了这一点。DS18B20发出存在脉冲，以通知主机它在总线上并且准备好操作了。在初始化时序中，总线上的主机通过拉低单总线至少480S来发送复位脉冲。然后总线主机释放总线并进入接收模式。总线释放后，47K的上拉电阻把单总线上的电平拉回高电平。当DS18B20检测到上升沿后等待15到60US，然后以拉低总线60240US的方式发出存在脉冲。如上所述，主机将总线拉低最短480US，之后释放总线。由47K上拉电阻将总线恢复到高电平。DS18B20检测到上升沿后等待15到60US，发出存在脉冲拉低总线60240US。至此，初始化和存在时序完毕。写时序主机在写时隙向DS18B20写入数据，在读时隙从DS18B20读取数据。在单总线上每个时隙只传送一位数据。有两种写时隙写“0”时间隙和写“1”时间隙。总线主机使用写“1”时间隙向DS18B20写入逻辑1，使用写“0”时间隙向DS18B20写入逻辑0所有的写时隙必须有最少60US的持续时间，相邻两个写时隙必须要有最少1US的恢复时间。两种写时隙都通过主机拉低总线产生（见下图）。为了产生写1时隙，在拉低总线后主机必须在15S内释放总线。在总线被释放后，由于47K上拉电阻将总线恢复为高电平。为了产生写0时隙，在拉低总线后主机必须继续拉低总线以满足时隙持续时间的要求至少60S。在主机产生写时隙后，DS18B20会在其后的15到60US的一个时间窗口内采样单总线。在采样的时间窗口内，如果总线为高电平，主机会向DS18B20写入1；如果总线为低电平，主机会向DS18B20写入0。如上所述，所有的写时隙必须至少有60US的持续时间。相邻两个写时隙必须要有最少1US的恢复时间。所有的写时隙（写0和写1）都由拉低总线产生。读时序DS18B20只有在主机发出读时隙后才会向主机发送数据。因此，在发出读暂存器命令BEH或读电源命令B4H后，主机必须立即产生读时隙以便DS18B20提供所需数据。另外，主机可在发出温度转换命令T44H或RECALL命令E2B8H后产生读时隙，以便了解操作的状态。所有的读时隙必须至少有60US的持续时间。相邻两个读时隙必须要有最少1US的恢复时间。所有的读时隙都由拉低总线，持续至少1US后再释放总线（由于上拉电阻的作用，总线恢复为高电平）产生。在主机产生读时隙后，DS18B20开始发送0或1到总线上。DS18B20让总线保持高电平的方式发送1，以拉低总线的方式表示发送0当发送0的时候，DS18B20在读时隙的末期将会释放总线，总线将会被上拉电阻拉回高电平（也是总线空闲的状态）。DS18B20输出的数据在下降沿（下降沿产生读时隙）产生后15US后有效。因此，主机释放总线和采样总线等动作要在15S内完成。显示模块本设计在发送接收端部分采用LCD1602液晶显示模块来显示温度，,P0由上拉电阻提高驱动能力，作为数据输出并作为LCD的驱动，P2口的P20P22分别作为液晶显示模块的使能信号E，数据/命令选择RS，R/W端则配置成写。LCD1602简介所谓1602是指显示的内容为162,即可以显示两行，每行16个字符。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD1602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VCC15脚和地线GND16脚，其控制原理与14脚的LCD完全一样基本操作时序读状态输入RSL，RWH，EH输出DB0DB7状态字写指令输入RSL，RWL，E下降沿脉冲，DB0DB7指令码输出无读数据输入RSH，RWH，EH输出DB0DB7数据写数据输入RSH，RWL，E下降沿脉冲，DB0DB7数据输出无25报警电路当外界温度超过预设温度上下限时，为更加有效的引起用户的注意，及时关注温度的变化，本系统设计了声报警电路。该电路由蜂鸣器和NPN三极管组成，具体电路如图213所示。Q18550U13BELLBR100VCCP37图213接收端报警电路4系统仿真42发送端温度采集与显示仿真图43温度采集及显示仿真43接收端LCD1602显示温度仿真图44接收端LCD1602液晶显示仿真511发送端原理电源模块4节干电池提供5V高电平，为单片机和无线模块提供高电平。显示模块P1口接1602的8为数据。P20P23接1602控制端。无线模块无线模块连接串口RXD与TXD。模块的TXD接单片机RXD，模块的RXD接单片机的TXD,温度采集模块温度采集由DS18B20I/O端接入单片机P25口。单片机最小系统X1，X2接外部振荡电路，RESET端接复位电路，EA端接高。512接收端原理接收端由单片机主控电路、电源5V接入、串口通信电路、LCD1602液晶显示接口和报警电路组成。单片机主控电路由AT89C51最小系统组成。5V电源由4节干电池提供给单片机和无线模块模块。无线模块无线模块连接串口RXD与TXD。模块的TXD接单片机RXD，模块的RXD接单片机的TXD,LCD1602显示模块数据端接单片机P0口，RS，RW，E分别接单片机的P20P22。报警电路接单片机的P37脚。由一个三极管和喇叭组成。52发送端程序代码INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARUCHARWENDU10,0,0X2E,0,0SBITDQP25UCHARHANZI1“DH30DL00“UCHARHANZI2“TEMP“SBITRSP20SBITRWP21SBITENP22VOIDDELAYUINTZ/MSUINTX,YFORXZX0XFORY110Y0YVOIDWRITE_INSTCHARINSTRS0EN1_NOP_NOP_NOP_P0INSTDELAY1EN0DELAY5VOIDINIT_LCMVOIDWRITE_INST0X38/SETLONG8BITWRITE_INST0X01/CLEARDISPLAYWRITE_INST0X06/GUANGBIAOFANGXIANGWRITE_INST0X0C/ONDISPLAYVOIDWRITE_CHARUCHARCHARACTERRS1EN1DELAY1P0CHARACTERDELAY1EN0DELAY50CHARJIVOIDSHUA1WRITE_INST0X80FORJI0JI1DQ0_NOP_/1USDQ1IFDQU|0X8000DELAY18205RETURNUVOIDWRITEUNSIGNEDCHARDATINTI0FORI0I1DELAY18205VOIDREAD1820VOIDUINTT1CHARFLAGUINTTWENDU1LONGFLOATLSBRSTWRITE0XCCWRITE0X44RSTWRITE0XCCWRITE0XBETWENDU1READIFTWENDU1FLAG1ELSEFLAG0LSBTWENDU1T1LSB100WENDU110X30T1/1000IFWENDU110X30WENDU110X20WENDU12T1/100T1/1000100X30WENDU14T1/10T1/100100X30IFFLAG1WENDU10ELSEWENDU10WENDU130X2E/串口通讯部分/VOIDCHUANKOU_INITSCON0X50/串口初始化，设置其工作在方式一，为接收状态PCON0X00/选用110592MHZ晶振，波特率为9600BPSTMOD0X20TH10XFDTL10XFDTR11EA1/开中断ES1VOIDSENDUCHARCHSBUFCHWHILETI0TI0DELAY10CHARACHARFLAGUCHARWENVOIDMAINRSTINTDISP1602SHUA1CHUANKOU_INITWHILE1READ1820FORWEN0WENINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARUCHARWENDU10,0,0X2E,0,0UCHARHANZI1“18B20“UCHARHANZI2“TEMP“SBITRSP20SBITRWP21SBITENP22SBITBEEPP37SBITREDP25SBITGREP26VOIDALARMIFWENDU113REDREDGRE1IFWENDU110XFORY110Y0YVOIDWRITE_INSTCHARINSTRS0EN1_NOP_NOP_NOP_P0INSTDELAY1EN0DELAY5VOIDINIT_LCMVOIDWRITE_INS