基于51单片机和CC1101的无线温度监控系统设计综述

1、基于51单片机和CC1101无线温度监控系统设计、尸、 亠前言目前，科学技术的发展日新月异，单片机等大规模集成电路的进步与发展， 温度监控技术的应用越来越广泛。 在传统微机化的温度监控系统中， 均是以有线 方式来实现温度监控。 传统的温度监控系统， 其突出的问题是由于有线通信， 线 缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便 ,且实用性不强 , 成本高，造成系统的 普及性降低，同时也带来了制作繁琐，外围电路复杂的缺点。近年来，随着各种 单片机及无线收发芯片的出现与推广，使得基于 CC1101的无线温度监控系统的 实现成为可能。温度是工业、 农业生产中常见的和最基本的参数之一， 在生产过程中常需对

2、温度进行检测和监控， 采用微型机进行温度检测、 数字显示、 信息存储及实时控 制，对于提高生产效率和产品质量、 节约能源等都有重要的作用。 伴随工业科技、 农业科技的发展， 温度测量需求越来越多， 也越来越重要。 但是在一些特定环境 温度监测环境范围大 , 测点距离远 , 布线很不方便。这时就要采用无线方式对温度 数据进行采集。利用无线技术实现数据传输比使用传统的有线电缆有不可比拟的 优点，如可移动性、 方便灵活性等多方面都更能满足人们的实际需要。 实现无线 数据传输的方法多种多样， 使用高频无线电技术、 激光技术、 红外技术等等均能 满足无线传输要求。本设计是以宏晶科技推出的 STC89C5

3、2RC单片机作为控制核心，提出以 DS18B20的单线分布式温度采集与控制系统,通过CC1101无线收发模块收发信 息。监控点将接收到主控点的信息后， 经过一些处理， 然后相应的监控点将采集 并发送数据给主控点。主控点通过串口将收到的温度信息回馈到上位机 （PC机）， 从而远程实现对整个系统的检测与控制。一总体方案设计 温度监控系统有着共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监 控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号， 则需要设计信号调理电路、 A/D 转换及相应的接口电路， 才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算 机去处理。 这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；

4、 又因为检测环境复 杂、测量点多、 信号传输距离远及各种干扰的影响， 会使检测系统的稳定性和可 靠性下降 。所以在多点温度监控系统的设计中，我们必须正确选用温度传感器和收发端电路的设计。1.1 温度传感器在这个系统的设计当中我们采用数字温度传感器DS18B2C测量温度，输出信号全数字化。因而便于单片机处理及控制， 省去传统的测温方法的很多外围电路。 且该芯片的物理化学性很稳定， 它能用做工业测温元件， 此元件线性度较好。 在 0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20勺最大特点之一采用了 单总线的数据传输，由数字温度计 DS18B2C和微控制器STC89C52勾成的温度测 量装

5、置，它直接输出温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的 结勾就比较简单，体积也不大，抗干扰性强。采用温度芯片DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能 电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的 使用，有效地避免外界的干扰， 提高测量电路的精确度。 所以集成芯片的使用将 成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。1.2 收发模块XL1101-D01微功率无线数传模块，采用Chipcon公司最新的高性能CC1101 （CC1101完全兼容CC1100性能较CC1100更胜一筹）无线通信芯片，最大传 输数率达500k

6、bps,并可软件修改波特率，开阔地传输最远距离达到 300-500米, 具有无线唤醒等功能，灵敏度达到-110dBm，可靠性高，可广泛应用于各种场合 的短距离无线通信领域。 XL1101-D01 模块配备弹簧天线，具有极高的性价比。 因而，无线收发模块我们首选 CC1101 收发模块。1.3 控制部分我们采用STC89C52单片机实现。STC89C52R单片机是宏晶科技推出的新 一代高速 /低功耗/ 超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机， 12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。单片机软件编程的自由度 大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。 而且

7、体积小， 硬件实现简 单，安装方便。既可以单独对多DS18B20空制工作，还可以与PC机通信.运用主 从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数 据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统 , 实现远程控制。另外 AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟.电源电路指示灯电路复位电路STC89C52串通信电路昂振自路CC1101模块指示灯电路复位电路DS18B20昌振电碍图1主控点电路系统框图STC89C52图2监测点电路系统框图CC1101模块2硬件电路的设计我们所设计的外围电路包括：电源电路、温度采集、晶振电路、

8、复位电路以 及串口等电路。下面将依次对各个模块进行说明。2.1 电源电路我们采用USB供电，但是由于CC1101模块的使用电压为 3.3V，因此我们用LM1117-3.3 将5V电压转为3.3V给CC1101模块供电。具体电路如下：图3电源电路图22温度采集温度芯片DS18B20是Dallas公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚T4 92小体积封装形式。测温分辨率可达 0.0625 C,被测温度用符号扩展 的16位数字量方式串行输出。测量温度范围为-55 C+125 C,在-10 C+85 C 范围内，精度为).5 C。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产 生。CPL只需一根

9、端口线就能与诸多 DS18B2C通信，占用微处理器的端口较少， 可节省大量的引线和逻辑电路。由于每一个DS18B2C都有唯一系列号，因此多个 DS18B2C可以存在同一条单总线上。这允许许多不同地方放置温度灵敏器件。此 特性的应用范围包括HAVC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及 过程监控和控制中的温度检测等。图4温度采集电路图2.3晶振电路2.4复位电路图6复位电路2.5串口电路图7串口电路2.6主控点电路D.7-2 T3 2tq rj 4 TL Pj J! W3LW 点 RDT i - XTXLL XTAUMM Iff If亡-r岂鼻咋:个L-F卫 d i 4 J 2 .- 科

10、T2殆児;-打FT77士*i 4 - - G .-o 1 : 94彳羊 丁 L L L L ,:; L 点 字F F 片；匸p FR2C 11 -O0 OK二签M誥b 就誥W胃* A1：丄J?d亠 -怎盟盟珂图8 主控点电路2.7监测点电路11 Pi 44 AL JT1 J j 5Pl J AL Jh a .PS - AUT4 FJ 4M d AL 4IocJe cc拘 C： 3DC K :.北佝 ?e：A5MM J A3 DJK .4 jU IMM j Ai D5dE Lrmh计vo巾丹;用cOKD3EyHElf|r13KTpNF-*-j11：L.QXtALL XT心f L 4* T-fi

11、-KS.-* i 1 J 苗icTi2.8 STC89C52RC单片机1.K ； AAJF-4BISCE W3KK SXO图9 监测点电路T2/PL 0T2EX/P1. 1Pl. 2PL 3PL 4 |FL 5 IPl. 6Pl. 7 IRST IRXD/P3. 0TXD/P3.1 IWTQ/P3. 2 INT1/P3.3T0/P3.4U/P3. 5RD/P3.7XTAL2 IXTAL1 VSS 01234 56789W1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 IX 1 1 -PDIP4009876 543 210987 654 32 143333333 333222 2

12、2222 2vccP0 O/ADOPO. 1/AD1PO 2/AD2PCL 3/AD3PO.4/AD4PO. 5/AD5PO.6/AD6PO.7/AD7EA ALE/PROGPSENP2. 7/Al5P2. 6/A14P2. 5/Al3PN 4/Al2P2. 3/A11F2,2/A1OP2.1/A9P2. 0/A8图10 STC89C52R引脚图STC89C52R引脚功能说明VCC（ 40引脚）：电源电压VSS（20引脚）：接地P（端口（ P0.0P0.7, 3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O 口。 作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口 P0写入“ 1时，可以作

13、为高 阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数 据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接 收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（ P1.0P1.7, 18引脚）：P1 口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式） 4个TTL俞入。对端口写入 1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（）。此外，P1（和P1.1还可以作为定时器/计数器2的

14、外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX，具体参见下表：在对Flash ROM程和程序校验时，P1接收低8位地址表XXP1.0和P1.1引脚复用功能引脚号功能特性P1.0T2 （定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX （定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）P2端口（ P2.0P2.7, 2128引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的 8位双 向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL俞入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被

15、外部信号拉低的引脚会输出 一个电流（）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVXDPT”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执 行“MOVXR1指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR区中的 P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash ROM程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7, 1017引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4个TTL俞入。对端口写入 1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口

16、。P3故输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流 （）。在对Flash ROM程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。P3口除作为一般I/O 口外，还有其他一些复用功能，如 下表所示：表XXP3 口引脚复用功能引脚号复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0 （定时器0的外部输入）P3.5T1 （定时器1的外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST（ 9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效， 用来完成单片机单片机的复位初始

17、化操作。看门狗计时完成后，RSTH脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址8EH）上的DISRTQ&可以使此功能 无效。DISRT默认状态下，复位高电平有效。ALE/ （30引脚）：地址锁存控制信号（ALE是访问外部程序存储器时，锁 存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部 定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE永冲将会跳过。如果需要，通过将地址位8EH的SFR勺第0位置“ 1, ALE操作将无效。这一位 置“ 1，ALE仅在执行MOVX或MOV指

18、令时有效。否则，ALE各被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址位8EH的SFR勺第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下 无效。（29引脚）：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当 AT89C51R从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而 访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP （31引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接 GND。注意加密方式1时，将内部锁定位 RESET为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash程期间，也接收12伏VPP 电压。XTAL1 （19引脚）：振荡器反相放

19、大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2 （18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。特殊功能寄存器在STC89C52R片内存储器中，80HFFH共 128个单元位特殊功能寄存器（SFR，SFR勺地址空间如下表1所示并非所有的地址都被定义，从80HFFH共 128个字节只有一部分被定义。还 有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确 定，而写入的数据也将丢失。不应将“ 1写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”STC89C52R除了有定时器/计数器0和定时器/计数器1之外，还增加了一个一 个定时器/计数器

20、2定时器/计数器2的控制和状态位位于T2CON （见表2）和 T2MOD （见表 4）。定时器2是一个16位定时/计数器。通过设置特殊功能寄存器 T2CON中的 C/T2位，可将其作为定时器或计数器（特殊功能寄存器 T2CON的描述如表2所 列）。定时器2有3种操作模式：捕获、自动重新装载（递增或递减计数）和波 特率发生器，这3种模式由T2CON中的位进行选择（如 表2所列）。表1STC89C52R（的特殊功能寄存器BitJr Bit0/33/B4/C5/D6/Er/FFfhFFhFCHlB0000. 0000F7hEhhsssx#1111cEFhMhACC0000, oooc|ex0(1 0

21、000l：SP_DATA piLiuiIP_ABIO QUOO. 0000IEP_ADDEL0 000, QOOOI：SF_CMD 111L locoISP.TMQ:zxzxI P_CDNmOQOk,xOOOEED31loKFTlDihP2W0000, 0000IThTXON0000, ooooT30Dzxx zzOO班塘2L oooa ooooBCAPZH 0000. 0Q00TL20000, QW0TK20000, 0IK0CFhCQhXICOHOOOC, 0000CTIl血hIP zsOO, 00005 ATEN 00叫 0000J-FhRhP31111U111iph oooaoooo5

22、AShIE0M0, 0000SAHDR000QP 0000kFh応hPSUlljlllAUKR1 茎亚甜OzzOA7hPhSCOOT 000 GOODseuf姉30hII1111,1111c97hTCOW0000, (JOOCTJCD000% ocooTLQ 000% 0000TL1 cm ooooTHD0000. OWOTfflOOOOp OWOAUXRMhiiibiiiiSP OOOCL 0111LF】.0004 0000DPH 000 0000KWS7ho/s3?E4/Cs/b；.Et/f表2特殊功能寄存器T2C0N的描述T2CQN 地址=0C8H 可位寻址疑位值=0讯1654S 210

23、T?2EXF2RCLKTCLKEXEN2TR2C/T2CP/RL2表3定时/计数器2控制寄存器各位功能说明符号TF2EXF2RCLK功能定时器2溢出标志。定时器2溢出时，又由硬件置位，必须由软件请0.当RCLK=TCLK=时，定时器2溢出，不对TF2S位。定时器2外部标志。当EXEN2=1且当T2E刈脚上出现负跳变而出现 捕获或重装载时，EXF2S位，申请中断。此时如果允许定时器 2中 断，CPU各响应中断，执行定时器2中断服务程序，EXF2必须由软 件清除。当定时器2工作在向上或向下计数方式时（DCEN=1 , EXF2 不能激活中断。接收时钟允许。RCLK=时，用定时器2溢出脉冲作为串口（

24、工作于工作方式1或3时）的接收时钟，RCLK=0用定时器1的溢出脉冲作 为接收脉冲TCLK发送时钟允许。TCLK=时，用定时器2溢出脉冲作为串口（工作于工作方式1或3时）的发送时钟，TCLK=0用定时器1的溢出脉冲作为发送脉冲EXEN2TR2C/定时器2外部允许标志。当EXEN2=时，如果定时器2未用于作串行 口的波特率发生器，在T2E端口出现负跳变脉冲时，激活定时器 2 捕获或者重装载。EXEN2=时，T2EX端的外部信号无效。定时器2启动/停止控制位。TR2=时，启动定时器2.疋时器2疋时方式或计数方式控制位。C/=0时，选择疋时方式，C/=1 时，选择对外部事件技术方式（下降沿触发）。C

25、P/捕获/重装载选择。CP/=1时，如EXEN2=1且T2EX端出现负跳变脉 冲时发生捕获操作。CP/=1时，若定时器2溢出或EXEN2-条件下， T2EX端出现负跳变脉冲，都会出现自动重装载操作。当RCLK=TCLK=时，该位无效，在定时器2溢出时强制其自动重装载。表4 定时器2工作方式RCLK+TCLKCP/TR2模式00116位自动重装01116位捕获1X1波特率发生器XX0（关闭）2.9 CC1101收发模块QNaIB SVAHV QttoQWQzowrsH$CLK 1S0 GDO1 ；二GDO2 3D/DD 4DCOUPL 57 8C x S O3$O to15 A.OC14 A V

26、OD13 RFJI12RF_P11 匸.OCUGIWE-posed de attach ad图11外部引脚俯视图引脚编号引脾名称引脚类型描述1SCLK数字输入申行配置接口，时钟输入2SO (GDO1)数字输山串行配置接口.数据输出当CSn为高电平时.可选通用输出引脚3GDO2数字输出通用数字输出引抑： 测试信号 FIFO状态信号 空闲信道指示 时钟输山从XOSC分频 串行输出RX数据4DVDD电源（数字）用于数字I/O和数字内核稳压器的1.83.6 V 数字电源5DCOUPL电源（数字）用于去耦的1.62.0 V数字电源输出请注意：该引脚为CC1100E专用.其不能用于 向其它器件提供电源电压

27、6GDOO (ATEST)数字I/O通用数字输出引同： 测试信号 FIFO状态信号 空闲信道指示 时钟输1B从XOSC分频 串行输IB RX数据 串行输入TX数据还可用作原型产品/产品测试的模拟测试I/O7CSn数字輸入串行配置接片选8XOSC Q1模拟I/O晶体管振蕩器引脚J或外裁时钟輸入9AVDD电源（模拟）1.83,6V蟆拟电源连接10XOSC Q2模拟I/O晶体管振荡器引拗211AVDD电源（模拟）1.8-3.6V模拟电源连接12RF_PRF I/O接攻模式下到LNA的正RF输入信号 发送模式下来自PA的负RF输出信号13RF_NRF I/O接收模式下到LNA的正RF输入信号 发送模式

28、下来自PA的负RF输出信号14AVDD电源（模拟）1.8-3.6V蟆拟电源连接15AVDD电源1摸拟）1.836V摸拟电諒连接16GND接迪模拟）模拟接甩连接17RBEAS模拟I/O参考电流的外部偏置电阻18GUARD电源（数字数字噪声隔离的电源连接19GND接地（数字数字噪声隔离的接地连接20SI数字输入串行配置接数据输入外引脚概述组件描述C51数字部件片上穗压器的去耦电容C81/C101晶体负载电容C121/C131RF平衡一不平衡转换器/匹配电容C122RF LC滤浚器/區配濾波器电容（470MHz）. RF平衡一不平淒转换器魁配 电容（950 MHz）C123RF LC滤波器/匹配电容

29、C124RF平衡一不平衡转换器DC阻断电容C125RF LC滤波器DC阻苦电容和部仆可选RF LC滤波器（950MHz）C126部分可选RFLC滤波器和DC魁曉（950 MHz）L121/L131RF平衡一不平衡转换器/匹配电感（绕线或层叠型）L122RF LC淺波器f匹配澆波器电感（470MHz）. RF平蔭一不平鹫转换器f匹配 电慝器（950 MHz）.（绕线或层叠型L123RFLC滤波器f匹配涯波器电感绕线或层叠型）L124RFLC澆波器f匹配滤波器电:惑（绕线或层叠型L125可选RF LC浇波器/匹配涯波器电慈（950 MHz）（绕线或层叠型L132RF平衡一不平衡韩據器/匹配电感器h

30、 （绕线或层叠空R171内部编置堪流参考电阻XTAL26MHz-27MHz 晶体外部组件一览表（不包含电源去耦电容）Antenna (SOOhmf丄一-drXTALC81CIO)5000-SOS图12典型应用和评估电路3程序设计3.1系统概述整个系统的功能是由硬件电路配合程序来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。程序分为三大类：一是主控点程序，它是整个控制 系统的关键部分，上位机主要通过主控点向各个监测点发出信息， 主控点收到监 测点的信息后返回给上位机。二是监测点程序，当检测点收到主控点的信息后， 读取其中的地址码和命令码，看地址码与本地地址是否一致，如果一致，则执行 相应的命令，如果不一致，则不执行相应的命令。三是上位机软件，用户可以在 该软件上选择需要采集数据的点以及采集的方式（多点采集和单点采集），选好后由该软件通过串口向主控点发出相应的信息， 并且也由串口接受主控点返回的 信息。所有的监测点都有唯一的一个地址码，我们预先给每个监测点设置不同的 地址码，因而每个监测点即使都收到主控点的信息， 但是只有与自己的地址码相 同时候才