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摘要设计了一种由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ATMEGA16无线模块DS18B20THEDESIGNOFTHEWAREHOUSEBASEDONTHESYSTEMOFMULTISPOTTEMPERATUREINTELLIGENTMONITORINGOFWIRELESSTRANSMISSIONABSTRACTWEDESIGNEDAMULTIPOINTTEMPERATUREINTELLIGENTSURVEILLANCESYSTEMTHATCONSISTSOFTHEATMEGA16MICROCONTROLLER,WIRELESSMODULEANDTHETEMPERATURESENSORDS18B20THISPAPERPRESENTSITSSYSTEMSTRUCTURE,WORKINGPRINCIPLE,ASWELLASHARDWARECIRCUITANDSOFTWAREDESIGNTHESYSTEMISSUITABLEFORTEMPERATUREMONITORINGFORWAREHOUSEINCOMPLEXENVIRONMENTSITFEATURESASIMPLESTRUCTURE,LOWCOSTANDPOWERCONSUMPTION,AMONGOTHERSTHEDESIGNOFTHEREMOTETERMINALMICROCONTROLLERCOLLECTEDREALTIMETEMPERATUREDATA,THROUGHTHEWIRELESSMODULETOTHEMAINCONTROLCENTER,THEMAINCONTROLCENTERACCORDINGTOTHEMEASUREMENTDATASENTTOTHEREMOTETERMINALMICROCONTROLLERWIRELESSSIGNALSTOCONTROLEXTERNALCOOLINGEQUIPMENTOPERATION,TOENSUREPROPERTEMPERATUREWAREHOUSEENVIRONMENTKEYWORDSATMEGA16WIRELESSMODULEDS18B20目录第一章绪论411课题设计背景和意义412系统功能说明4第二章方案论证521系统总体方案论证522单片机的选择523显示器的选择624串口通信方案论证625数据传输方案论证7第三章系统硬件电路设计831总体硬件电路设计832单片机主控制电路设计8321ATMEGA16单片机介绍8322ATMEGA16引脚功能9323AVR与其他8位单片机的比较11324ATMEGA16单片机最小系统电路1133LCD显示模块的设计123311602字符液晶简介123321602管脚说明12333字符集13334显示地址14335基本的读写时序图153361602与单片机连接1534无线数据收发模块的设计15341无线模块的相关参数15342XL02232AP1的接口电路说明1735数据采集模块18351温度传感器DS18B20简介18352DS18B20的主要特性19353DS1820使用中注意事项1936声光电路设计20361声控电路设计20362光控电路设计2137上位机接口模块的设计22371串行异步通信22372RS232技术23373MAX232数据操作原理23374MAX232电路设计24第四章系统软件设计2541主程序设计2542按键程序设计2543温度报警程序设计2744上位机软件流程设计27第五章总结3051测试环境及工具3052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第1章绪论11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，XL02232AP1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。12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。第二章方案论证21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XL02232AP1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。22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8KBROM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，18V55V，最低全速运行功耗32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图316数据传送时序图374MAX232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5V工作，额定电流为300A，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS232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317为MAX232的电路连接图。图317MAX232电路连接图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。41主程序设计下图41为主程序流程设计图图41主程序流程设计图42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42，键盘的抖动时间一般为510MS,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43；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NY图42按键抖动图43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/VOIDKEYSCAN_STOPUCHARJDDRD|BITPD5PORTD|BITPD5DDRDJPINDJ/00100000IFJ0DELAY5JPINDJ/00000100IFJ0FLAG_START1WHILEPIND43温度报警程序设计下图44为温度报警流程设计图图44温度报警流程设计图44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NY通过查阅相关资料，将传到串口助手上的数据经过在VISUALBASIC的相关控件中编写代码就能将数据通过VISUALBASIC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VISUALBASIC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45为上位机软件流程设计图图45上位机软件流程设计图MSCOMM的代码PRIVATESUBFORM_LOADMSCOMM1SETTINGS“9600,N,8,1“MSCOMM1COMMPORT4MSCOMM1INBUFFERSIZE16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MSCOMM1OUTBUFFERSIZE2MSCOMM1RTHRESHOLD16MSCOMM1STHRESHOLD1MSCOMM1INPUTLEN0MSCOMM1INPUTMODECOMINPUTMODETEXTMSCOMM1INBUFFERCOUNT0TEXT1TEXT“00“TEXT2TEXT“00“ENDSUB下图46为上位机运行图图46上位机运行图第五章总结51测试环境及工具PROTEUSISIS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。52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01C。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。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。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78825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年第四版附录整机系统图片单片机部分程序INCLUDEINCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUCHARFLAG_QH,FLAG_START0,FLAG_AB,FLAG_FIR,FLAG_SET0UINTTEMP1,TEMP2UCHARKEY_NUM,TEMPA_H,TEMPA_L,TEMPB_H,TEMPB_LUCHARJ1,K1,J2,K2INTTA_H350,TA_L200INTTB_H350,TB_L200VOIDDELAYUINTMSUINTI,JFORI0I1UCHARDS18B20B_READ_BYTEVOID/从低位读进来UCHARI,VALUEFORI0I1DQB_OUTDQB_CLRDELAY_10USDQB_SETDQB_INIFDQB_RVALUE|0X80DELAY_50USRETURNVALUE/串口通信程序/DEFINEMCLK7372800PRAGMAINTERRUPT_HANDLERUART_RX12UCHARRDATAVOIDUART_INITUINTBAUDUINTUBRRUCSRB0X00UCSRA0X00/控制寄存器清零UCSRC18/设置波特率UCSRB1TA_H|TEMP1TB_H|TEMP2TA_LVOIDMAIN/中间变量声明/UCHARITEMPA_HTA_H/10TEMPA_LTA_L/10TEMPB_HTB_H/10TEMPB_LTB_L/10/系统初始化/DDRB0XFF/LED灯关PORTB0DDRD|BITPD6/蜂鸣器关PORTD|BITPD6UART_INIT9600/9600BPS/1602LCD初始化/DDRA0XFFDDRC|BIT5|BIT6|BIT7PORTCWRITE_COM0X38DELAY5WRITE_COM0X01DELAY5WRITE_COM0X0CDELAY5WRITE_COM0X06DELAY5/系统登录/DELAY2000WRITE_COM0X800X10DELAY5FORI0I16IWRITE_DATTABLE1IDELAY5WRITE_COM0X800X5ADELAY5FORI0I6IWRITE_DATTABLE2IDELAY5FORI0I16IWRITE_COM0X18DELAY500DELAY2000WRITE_COM0X01/清屏DELAY5/FIR_DISPL/温度采集/WHILE1DOWENDUA_CJWENDUB_CJUART_TAU