2017毕业论文-多点无线温度采集系统的设计与制作.doc

I 摘摘 要要 本文介绍一种多点无线温度采集系统的设计与制作。该系统能在一定时间内通 过 DS18B20 测量多达 6561 个点的温度，并能将温度数据显示在 LED 数码管上。其中 从机能将温度数据通过 DF 无线模块和 PT2262/2272 芯片用无线方式发送给主机，实 现温度的无线采集。 温度传感器选用 DS18B20，实际应用中测量范围可达-1050,精度可达 0.1。 通过 LED 四位数码管显示温度，无线传输模块选用 DF 模块以及配套芯片 PT2262/2272，可在 10m 范围内进行传输。用 KEIL 软件编写程序并最终通过 AT89S52 单片机作为控制核心使整个系统顺利运行。 关键词关键词：多点温度采集；无线传输；DF 模块；DS18B20； - II - Abstract This paper introduces the design and production of a kind of multi-point wireless temperature gathering system. This system can measure temperature of 6561 points in a certain period via DS18B20, and can display temperature data in the LED digital display tube. Temperature data can be sent from client to host through wireless means such as DF module and PT2262/2272. DS18B20 is used as temperature sensor. It can measure temperature range from -10 to 50 and precision can reach 0.1. Temperature displayed by LED four digital pipe, using DF module and PT2262/2272 to realize 10m wireless transmission ,writing programs by KEIL software, and running system smoothly by AT89S52. Keyword: temperature gathering; wireless; DF module; DS18B20; III 目录目录 1 绪 论1 1.1温度测量背景及意义1 1.2无线通信技术概述1 1.3短距离无线通信特征2 1.4课题主要工作3 1.5本章小结3 2系统相关技术介绍4 2.1 DS18B20 简介.4 2.1.1 DS18B20 主要特性.4 2.2 DS18B20 内部结构.4 2.2.1 DS18B20 工作原理.5 2.2.2高速缓存存储器8 2.3 DF 无线传输模块介绍.10 2.4 AT89S52 单片机简单介绍.12 2.4.1内部结构12 2.4.2 AT89S52 单片机引脚功能描述.13 2.5本章小结15 3系统硬件和软件设计16 3.1系统硬件设计16 3.1.1主机设计17 3.1.2从机设计17 3.2系统软件设计18 3.3本章小结20 4系统测试与分析21 4.1无线传输距离与延迟测试与分析21 4.2温度采集测试与分析21 4.3多点采集测试与分析21 - IV - 5成果及展望22 5.1取得的成果22 5.2工作展望22 参考文献23 致 谢24 附录25 附录一：实物图25 附录二：源程序26 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 1 - 1 1绪绪 论论 1.1 温度测量背景及意义温度测量背景及意义 日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，在冶金、食品加工、 化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，都要求对 温度进行严格控制。在日常生活中，电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等电器也 需要进行温度检测与控制。温度是一种最基本的环境参数，人们生活与环境温度息 息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在工业生产中也离不开温度的测量， 因此研究温度的测量方法具有重要的意义。 1.2 无线通信技术概述无线通信技术概述 无线通信系统(Wireless Communication System) 也称为无线电通信系统，是 由发送设备、接收设备、无线信道三部分组成，是利用电磁波信号可以在自由空间 中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，在移动中实现的无线通信又被称移动 通信，该技术的发展始于上世纪 20 年代，经历了五个发展阶段1。 第一阶段从上世纪 20 年代到 40 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短 波几个频段上开发出专用移动通信系统，起代表是美国底特律市警察使用的车载无 线电系统。该系统工作频率为 2MHz，到 40 年代提高到 3040MHz。可以认为这个阶 段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。 第二阶段从 40 年代中期至 60 年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始 问世。这一阶段的特点是从专用移动向公用移动网过度，接续方式为人工，网容量 较小。 第三阶段从 60 年代中期至 70 年代中期，使用 150MHz 和 450MHz 频段，实现了 无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。这一阶段是移动通信系统改进和 完善的阶段，其特点是采用大区制，中小容量，使用 450MHz 频段，实现了自动选频 和自动接续。 第四阶段从 70 年代中期至 80 年代中期，这是移动通信蓬勃发展时期。1978 年 底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS）,建成了蜂窝状移动通信网， 大大提高了系统容量。 第五阶段从 80 年代中期开始，这是数字移动通信系统发展和成熟时期，开发 了新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统 - 2 - 容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与 ISDN 等兼容。实际上， 早在 70 年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂 窝移动通信系统的研究。到 80 年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网 （GSM）的体系。 目前，正处在第五阶段的第三代数字移动通信系统时代。这一时代的特点是通 信频带进一步加宽，数据业务所占的比重大幅度增加，全面走向移动多媒体通信。 当今无线移动通信的发展主要体现在五大技术的发展中：一是举世瞩目的 3G 技术， 二是 3.5Gghz 宽带固定无线接入的推广应用，三是 WLAN 标准的选用，四是宽带无线 技术新宠 WIMAX，五是超宽带无线接入技术 UWB2。这些技术的发展和应用促使无线 移动通信的总体走势是接入多元、网络一体和综合布局。 1.3 短距离无线通信特征短距离无线通信特征 低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三大重要特征和优势3。 首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大， 要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。 其次，低功耗是相对其他无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这 个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都 很低，通常在 1 毫瓦量级。 短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线 电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米内，就可以称为 短距离无线通信。 目前几种主流的短距离无线通信技术包括：高速 WPAN 技术；UWB 高速无线 通信技术，包括 MB-OFDM、DS-UWB；WirelessUSB 是一个全新无线传输标准， 可提供简单、可靠的低成本无线解决方案，帮助用户实现无线功能。因此低速 WPAN 技术和 IEEE802.154Zigbee，Zigbee 是一种低速短距离无线通信技术。它的 出发点是希望发展一种拓展性强、易建的低成本无线网络，强调低耗电、 双向传输 和感应功能等特色。ZigbeePHY 和 MAC 层由 IEEE802.15.4 标准定义。 IEEE802.15.4a 是作为 IEEE802.15.4 的一个补充，其物理层的标准可能采用低速 UWB 技术。蓝牙底层 PHY 层和 MAC 层协议的标准版本为 IEEE802.15.1，大多数 标准的制订工作还由蓝牙开发小组 SIG 负责4。RFID 是一种非接触的自动识别技 术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输性来实现对被 识别物体的自动识别。RFID 技术的发展得益于多项技术的综合发展，包括芯片技术、 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 3 - 天线技术、无线技术、电磁传播技术、数据交换与编码技术等。一套典型的 RFID 系统有电子标签、读写器和信息处理系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识 别对象的信息采集功能；信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。 高速 WPAN，目前主要应用于连接下一代便携式消费和通信设备。它支持各种 高速率的多媒体应用、高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。 低速 WPAN，主要用于家庭、工厂与仓库的自动控制，安全监视、保健监视、 环境监视，军事行动、消防队员操作指挥，货单自动更新、库存实时跟踪以及游戏 和互动玩具等方面的低俗应用。 1.4 课题主要工作课题主要工作 本文将重点研究短距离无线温度采集系统的实现，主要包括以下几个方面。 (1) 在调研无线数据采集系统的实际应用基础上，本文将制作基于单片机的无 线温度数据采集系统。将制作硬件和编写主机发送程序，从机接收程序，显示程序。 为实现此系统功能，对硬件设备进行如下选型，采用 AT89S52 单片机作为 DF 无线 收发模块的编解码控制芯片。 (2) 利用 protel 进行系统电路绘制。 (3) 将在硬件电路焊接完成后，开始设计系统软件，在 Keil C 开发环境下，用 C 语言编写单片机的内核程序。基本实现预期的功能后，将对该系统进行可靠性和 有效性评估，主要是对其有效传输距离的测量，以及误码率的测试。 (4) 最后，将针对系统调试时反应出来的缺陷和不足，提出优化方法，使其在 操作上更简单，功能上更加复杂，使整个系统具有一定的使用价值，而不仅仅停留 在实验模拟的基础上。预计本系统稍加改进就可以实现遥控器的功能，用于家用电 器的自动化控制，高级玩具的智能控制等。 1.5 本章小结本章小结 本章主要介绍了设计制作温度采集系统的意义以及无线技术的相关知识介绍。 - 4 - 2 2系统相关技术介绍系统相关技术介绍 本章首先介绍了 DS18B20 的性能和工作原理；接着详细介绍本系统所用到的 DF 无线数据收发模块；详细描述了整个系统的控制芯片 AT89S52。 2.1 DS18B20DS18B20 简介简介 2.1.12.1.1 DS18B20DS18B20 主要特性主要特性 1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线 供电； 2、独特的单线接口方式，DS18B20 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； 3、DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实 现组网多点测温； 4、DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在 形如一只三极管的集成电路内； 5、温范围55125，在-10+85时精度为0.5； 6、可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、 0.125和 0.0625，可实现高精度测温； 7、在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多 在 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。 8、测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线“串行传送给 CPU，同时可传 送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力； 9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 2.2 DS18B20DS18B20 内部结构内部结构 DS18B20 内部结构主要由四部分组成，如图 2.2：64 位光刻 ROM、温度传感器、 非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的外形及管脚排列如图 2.1： 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 5 - 图 2.1:DS18B20 引脚图 DS18B20 引脚定义： (1)DQ 为数字信号输入/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）。 存储器和控制器 温度灵敏原件 低温触发器 TL 高温触发器 TH 配置寄存器 高速 缓存 存储器 8 位 CRC 生成 器 64 位 ROM 和 单线 接口 电 源 检 测 图 2.2： DS18B20 内部结构图 2.2.12.2.1 DS18B20DS18B20 工作原理工作原理 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同，只是得到的温度值的位数因 分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由 2s 减为 750ms。 DS18B20 测温原理 如图 2.3 所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频 率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产 生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器被预置在55所对应 的一个基数值。计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数 器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重新被装入， 计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数 器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温 度。图 2.3 中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正 计数器 1 的预置值。 - 6 - 斜率累加器 低温度系数晶振 比较预置 预置 高温度系数晶振计数器 2 计数器 1 =0 =0 温度寄存器 加 1 停止 LSB 置位/清除 图 2.3： DS18B20 测温原理框图 DS18B20 有 4 个主要的数据部件： （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。64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H）是产品类型标号， 接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码 （CRC=X8+X5+X4+1）。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。 表 2.1: DS18B20 温度值格式表 Bit 7Bit 6Bit 5Bit 4Bi t3Bit 2Bit 1Bit 0 LS Byte232221202-12-22-32-4 Bit 15Bit 14Bit 13Bit 12Bit 11Bit 10Bit 9Bit 8 MSByteSSSSS262524 这是 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。 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 7 - 例如+125的数字输出为 07D0H，+25.0625的数字输出为 0191H，- 25.0625的数字输出为 FF6FH，-55的数字输出为 FC90H。 表 2.2: DS18B20 温度数据表 TEMPERRATURE DIGITAI OUTPUT(bina) DIGITAI OUTPUT(hex) 1250000 0111 1101 000007D0h 850000 0101 0101 00000550h 25.06250000 0001 1001 00010191h 10.1250000 0000 1010 001000A2h 0.50000 0000 0000 10000008h 00000 0000 0000 00000000h -0.51111 1111 1111 1000FFF8h -10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh -25.06251111 1110 0110 1111FE6Fh -551111 1100 1001 0000FC90h （3）DS18B20 温度传感器的存储器 DS18B20 温度传感器的内部存储器包括一个高速缓存 RAM 和一个非易失性的可 电擦除的 EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL 和结构寄存器。 （4）配置寄存器 该字节各位的意义如下： 表 2.3： 配置寄存器结构 TMR1R011111 低五位一直都是“1“，TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20 在工作模式还是在 测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。R1 和 R0 用来设置 分辨率，如下表所示：（DS18B20 出厂时被设置为 12 位） - 8 - 表 2.4： 温度分辨率设置表 R1R0 分辨率温度最大转换时间 00 9 位 93.75ms 01 10 位 187.5ms 1 0 11 位 75ms 11 12 位 750ms 2.2.22.2.2高速缓存存储器高速缓存存储器 高速缓存存储器由 9 个字节组成，其分配如表 5 所示。当温度转换命令发布后， 经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速缓存存储器的第 0 和第 1 个字节。 单片机可通过单线接口读到该数据，数据格式如表 2.1 所示。表 2.2 是对应的一部 分温度值。 表 2.5： DS18B20 缓存寄存器分布 寄存器内容字节地址 温度值低位 （LS Byte） 0 温度值高位 （MS Byte） 1 高温限值（TH） 2 低温限值（TL） 3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 CRC 校验值 8 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 9 - 根据 DS18B20 的通讯协议，主机（单片机）控制 DS18B20 完成温度转换必须经 过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500ms，然后释放，当 DS18B20 收到信号后等待 1660ms 左右， 后发出 60240ms 的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 表 2.6： ROM 指令表 指 令 约定 代码 功 能 读 ROM 33H 读 DS1820 温度传感器 ROM 中的编码（即 64 位地址） 符合 ROM 55H 发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该 编码相对应的 DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS1820 的读 写作准备。 搜索 ROM 0FOH 用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 R M 地址。为操作各器件作好 备。 跳过 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于 单片工作。 告警搜 索命令 0ECH 执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。 - 10 - 表 2.7： RAM 指令表 指 令 约定代 码 功 能 温度变换 44H 启动 DS1820 进行温度转换，12 位转换时最长为 750ms（9 位为 93.75ms）。结果存入内部 9 字节 RAM 中。 读缓存器 0BEH 读内部 RAM 中 9 字节的内容 写缓存器 4EH 发出向内部 RAM 的 3、4 字节写上、下限温度数据命令，紧跟 该命令之后，是传送两字节的数据。 复制缓存 器 48H 将 RAM 中第 3 、4 字节的内容复制到 EEPROM 中。 重调 EEPROM 0B8H 将 EEPROM 中内容恢复到 RAM 中的第 3 、4 字节。 读供电方 式 0B4H 读 DS1820 的供电模式。寄生供电时 DS1820 发送“ 0 ”，外 接电源供电 DS1820 发送“ 1 ”。 2.3 DFDF 无线传输模块介绍无线传输模块介绍 DF 数据发射模块的工作频率为 315MHz，采用声表谐振器 SAW 稳频，频率稳 定性极高，当环境温度在-25+85之间变化时，频率飘移仅为 3ppm/。特别 适合多发一收无线遥控及数据采集系统。一般的 LC 振荡器频率稳定度及一致性较 差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生 偏移。 DF 发射模块未设置编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管 Q1，这种结 构使得它可以方便地和其他固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑 编码的工作电压和输出幅度信号值的大小。DF 数据模块具有较宽的工作电压 312V，当电压变化时发射频率基本不变，和发射模块配套的接收模块无需任何调 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 11 - 整就能稳定地接收。DF 数据模块采用 ASK 方式调试，以降低功耗，当数据信号停 止时发射电流降为零，数据信号与 DF 发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而 不能用电容耦合，否则 DF 发射模块将不能正常工作。数据电平应接近 DF 数据模块 的实际工作电压，以获得较高的调制效果。DF 发射模块最好垂直安装在主板的边缘 应离开周围器件 5mm 以上，以免分布参数影响。DF 模块的传输距离与调制信号频 率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关。图 2.4 为 DF 发射模块的电路原理图。 图 2.4 DF 发射模块电路原理图 DF 超外差接收模块的工作电压为 5V，它为超再生接收电路，接收灵敏度为 105dbm，接收天线最好为 2530cm 的导线，最好能竖立起来。接收模块本身不带解 码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才 能发挥应有的作用，它可以和各种解码电路或者单片机配合，DF 模块自身辐射极小， 加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄露外界干扰信 号的侵入。图 2.5 为超外差接收模块的电路原理图。 - 12 - 图 2.5 超外差接收模块电路原理图 2.4 AT89S52AT89S52 单片机简单介绍单片机简单介绍 2.4.12.4.1内部结构内部结构 AT89 系列单片机是以 Intel 公司的 MCS-51 单片机为核心的部件结构，它与 8051 其他型号的单片机是兼容的。单片机是把微型计算机的主要部分集成在一个芯 片上的单芯片微型计算机。它的结构和指令都是按照工业要求设计的，也称为微控 制器。AT89 系列单片机的精简结构如 2.6 所示。 频率基准源 计数器 T0/T1 控制 并行 I/O 口 串行输入/输出 图 2.6 AT89 单片机简单结构方框图 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储技术制造。片上 Flash 允许程序 存储器在系统可编程，也适合于常规编程。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在 系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效 的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能：8K 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静 态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存， 振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52 内部总线 振荡 器及定时 电路 8KB 程序存储 器 ROM 数据 存储器 RAM 2 个 16 位定时 器 CPU 64KB 总线 扩展控制 可编程 I/O 口 48 位 可编程 串行口 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 13 - 型号单片机几乎涵盖了所有结构功能，它的主要功能特点是： (1) 8 位字长 CPU，指令、引脚、与 MCS51 全兼容； (2) 8KB 系统内可编程 Flash 存储器； (3) 1000 次擦写周期； (4) 4 个 I/O 口共 32； (5) 4.0V5.0V 的工作电源电压； (6) 振荡器和时钟电路，全静态操作，033MHz； (7) 3 级程序存储器锁存； (8) 2568B 片内 RAM； (9) 3 个可编程定时器：T0、T1 和 T2； (10)8 个中断源； (11) 全双工串行口通道； (12) 低功耗休闲和降压模式； (13) ISP 端口，即在线编程； (14) 定时监视器，又称看门狗； (15) 双数据指针； (16) 电源下降标志。 2.4.22.4.2 AT89S52AT89S52 单片机引脚功能描述单片机引脚功能描述 AT89S52 单片机是 MSC-51 系列产品的升级版，由世界著名半导体公司 ATMEL 在购买 MSC-51 设计结构后，利用自身优势技术对旧技术进行改进和扩展， 同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。图 2.7 是该单片机引脚排列封 装图，使用双列直插 DIP-40 的封装。 - 14 - 图 2.7 AT89S52 单片机引脚图 在单片机的 40 条引脚中有 2 条专用于主电源的引脚，2 条外接晶振的引脚，4 条控制或与其他电源复用的引脚，32 条 I/O 引脚。部分引脚功能是： (1)主电源引脚 VSS和 VCC Vss或 GND：接地脚； VCC:电源供电，正常为+5V 电压； (2)外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2 当外接晶体振荡器时，XTAL1 和 XTAL2 分别接在外接晶体振荡器的两端。片内 振荡器由一个单级反相器组成，XTAL1 为反相器的输入，XTAL2 为输出。当采用外部 振荡器提供的时钟信号时，XTAL1 端作为输入，而 XTAL2 脚悬浮。 (3)控制引脚 RST、ALE/、/VppPSENEA RST：当振荡器正常工作时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平是单 片机复位。而在定时监视器定时输出后，引脚置成高电平并持续 96 个振荡周期。在 VCC掉电期间，此引脚还外接外加的备用电源，以保持内部的 RAM 的数据。当 VCC下 降到低于规定的水平，该引脚在规定的电压范围内，向内部 RAM 提供备用电源。 ALE：地址锁存使能端； ：程序存储器读选通信号，低电平有效。在外接扩展程序存储器和数据PSEN 存储器时，它们的地址是可以重合的，AT89 系列单片机就是通过相应的控制信号来 区别 P2 口和 P0 口送出的到底是程序存储器的地址还是数据存储器的地址。在访问 外部存储器读取指令或者常数时，每个机器周期产生两个有效信号，即输出两个 PSEN 有效信号，此时地址总线上送出的就是程序存储器的地址。而如果访问外部数 据存储器时，不产生两个 PSEN 信号。同时，在单片机执行访问内部程序存储器时也 不产生两个这样的信号； /Vpp：是访问内部或外部程序存储器的选择信号。当保持高电平时，EAEAEA 访问内部程序存储器。而这时如果还有外部扩展程序存储器时，CPU 在执行完成内 部存储的程序后自动跳转到执行外部存储的程序。而当保持低电平时，不管内EA 部有无存储器都只从起始地址开始访问外部程序存储器。VPP为 Flash 编程电压，就 是编程者在对片内的 Flash 编程时，此引脚施加 Flash 编程允许的电压，此电压一 般为 12V； (4)输入输出引脚 P0.0P0.7：P0 口是一个 8 位漏极并行准双向 I/O 口。在访问外部扩展存储器 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 15 - 时，它被定义的是低 8 位的地址/数据线，地址和数据总线分时复用，此时需要外接 上拉电阻，置“1”激活上拉电阻成高阻抗输入口。在编程者对片内 Flash 编程时， P0 接收指令字节，在验证程序时则输出指令字节，而验证期间也要外接上拉电阻。 P1.0P1.7：P1 口自己内部已有上拉电阻，也是 8 位准双向 I/O 口。在进行 Flash 编程和验证时，它接收低 8 位地址。 P2.0P2.7：P2 口内部也有上拉电阻，是一个 8 位准双向 I/O 口。在访问外部 程序存储器和数据存储器时送出高 8 位地址。用 MOVXDPTR 类指令访问外部数据存 储器时，P2 口为高 8 位地址；但用 MOVR0 和 MOVR1 类指令访问外部数据存储器时， P2 口上的内容是 SFR P2 的内容。 2.5 本章小结本章小结 本章首先对DS18B20温度传感器进行介绍。然后对DF收发模块的工作原理以 图形界面的方式解释出来，另外阐明了基于单片机的无线数据采集系统的概念。 - 16 - 3 3系统硬件和软件设计系统硬件和软件设计 单系统开发部分是整个系统开发流程中重要的一个环节，主要任务是根据用户 的需求，准确定义要完成的系统目标，编写开发程序并将其写入单片机中，从而使 系统的运行符合开发人员的要求。 3.1 系统硬件设计系统硬件设计 一般单片机的开发流程是先进行项目评估，为了实现预期的功能，讨论初步技 术开发方案，据此出预算，包括可能的开发成本、样机成本、开发耗时等等。本人 最初想实现的是无线数据采集系统，按照系统的要求必须用到无线模块，在此之前 对于无线模块了解的不多，所以第一步着手无线模块的选择，网上有许多这方面的 内容，里面用到的核心芯片是 nRF2401，这款芯片是挪威 Nordic 公司推出的单片 2.4GHz 无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9 通道 12 位 ADC、外围元件、 电感和滤波器全部集成到单芯片中。Nrf2401 工作在 2.42.5GHz 的 ISM 自由频段， 能够在全球无线市场畅通无阻，但是这样高的工作频率并不适用于本文中提及的系 统，而且也不具备调试高频率所要求的实验器材，所以改用结构简单、工作在低频 的 DF 无线模块。 信号的调制与解调在通信系统中具有重要的作用，调制过程是一个频谱搬移的 过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调是调制的逆过程，既是将已调 制的信号还原成原始基带信号的过程。调制和解调都是频谱交换的过程，必须用非 线性元件才能完成。 通信系统可用图 3.3 所示的框图来描述，是用来传输携带信息的波形给接受者， 一般可以分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统是指将信息从数字信源 传输到接收者的通信系统。 n(t) m(t) s(t) r(t) m(t) 图 3.3 通信系统框图 对数字通信系统来说，理想的系统应该是在一定的发送能量及信号带宽的条件 下，输出端有最小的比特错误概率。因此，比特错误概率及信号带宽是重要的指标。 信号 处理 载波 电路 传输媒介 (信道) 道) 载波 电路 信号 处理 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 17 - 在原理上，数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输，并且选用一组取值 有限的离散波形来表示。这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号，也可以是 调制后的信号。未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或 者很低频率开始， 称为数字基带信号。数字基带信号包括二进制线路码和多进制信号，本文用到的是 二进制的 ASCII 码。ASCII(American Standard Code for Information Interchange，美国 信息互换标准代码) 是基于拉丁字母的一套电脑编程系统。ASCII 码使用 7 位或 8 位二进制数字组合来表示 128 或 256 种可能的字符。标准 ASCII 码使用 7 位二进制 数来表示所有的大写和小写字母，数字 0 到 9、标点符号，以及在美式英语中使用 的特殊控制字符。 3.1.13.1.1主机设计主机设计 在进行无线数据采集系统设计之前，必须进行充分的调研，确定系统开发设计 的目的和目标。确定了系统预期的功能后，就应该对系统的具体实现进行分析，分 析设计的关键在于系统功能的认识和系统结构的合理设计、系统单片机及关键芯片 的选型、系统基本结构的确定和软硬件功能的划分，使所选器件能实现系统的预期 功能。本文中用到 protel 绘制原理图，并进行仿真处理。 主机部分的功能是单片机通过发射模块向外部发送数据，原理图如 3.4 所示。 - 18 - 图 3.4 主机原理图 3.1.23.1.2从机设计从机设计 从机部分实现的功能是：单片机通过无线接收模块接收主机发送来的温度信息， 每接收到一次信息，就在 LED 上显示相应数值，从机部分的电路原理图如 3.5 所示： 图 3.5 从机部分电路图 3.2 系统软件设计系统软件设计 短距离无线数据采集的总体设计，如图 3.6 所示。 315MHz 温度数据 控制芯片 AT89S52 DF 无线发射 数据显示 控制芯片 AT89S52 AT89S52 DF 无线接收 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 19 - 图 3.6 系统总体设计 无线数据采集的程序主要包括主机的发射程序和从机部分接收程序以及计算机 上的显示程序，主机的程序主要是温度采集程序和数据发送程序，主机程序流程图 如 3.7 所示 系统初始化 采集温度 显示温度 发送数据 图 3.7 主机部分流程图 从机作为接收机，通过无线模块传送过来的字符数据，然后进行核对如果接收 数据正确，就显示数值，从机程序流程图如 3.8 所示。 系统初始化 接收数据 接收标志位 Y N 显示数据 - 20 - 图 3.8 从机部分流程图 3.3 本章小结本章小结 着重介绍了系统硬件的仿真、开发平台，并在此基础上画出了原理图，在仿真 环境下运行本系统，保证其理论上的可行性。最后画出系统软件运行的流程图，清 晰直观的把系统的工作原理表示出来。 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 21 - 4 4系统测试与分析系统测试与分析 4.1 无线传输距离与延迟测试与分析无线传输距离与延迟测试与分析 将此无线数据采集系统的主发射板放置在距离从机 23m 远的地方，分别外接 +5V 的直流电压给主机和从机供电，主机与从机的地线不可以连在一起，这样真正 意义上实现了无线数据采集。系统初始化的延迟时间在 6s 左右，正常工作后延迟时 间在 3s 左右。本系统存在的问题是如果此系统的通信距离拉长，主机发送出数据后， 接收机的接收灵敏度降低，或者是根本就无法正常工作，针对这种现象的解决方法 是在发射和接受端安装 25cm 左右的天线，或者使用前向编码纠错技术，把基于二 进制线路码的 ASCII 码转换成 HDB3码，重新编写通信协议，不过后者已超出本文 的讨论范围。 4.2 温度采集测试与分析温度采集测试与分析 经过与标准温度源的对比，该系统的温度采集精度可达 0.1，温度采集延迟在 1s 以内。两项指标均可满足系统设计的要求。该系统的采集范围理论上可达-55 99，根据实际情况修正为-1050。 4.3 多点采集测试与分析多点采集测试与分析 PT2262/2272 编码译码芯片通过验证地址匹配与否来传输数据。在应用中，接 收端只需要每隔一段时间改变接收地址便能采集不同发射端传输的数据。 PT2262/2272 编码译码芯片采用 8 位地址码，最多可有 6561 组地址。 - 22 - 5 5成果及展望成果及展望 5.1 取得的成果取得的成果 本设计取得的成果主要包括以下几个方面： （1）成功运用了 DS18B20 进行温度采集; （2）通过 LED 数码管对 DS18B20 采集的温度数据进行动态扫描显示; （3）利用标准恒温箱对 DS18B20 的温度采集精度进行测定，精度可达 0.1; （4）利用 DF 模块和 PT2262/2272 芯片进行无线数据传输，传输范围可达 10m 左右，延迟时间在 810s 左右。 5.2 工作展望工作展望 尽管本设计基本实现了预期的功能，但是还可以进行许多完善。比如可以将整 个系统做成集成模块，这样更方便拥有不同需求的用户的需要；还可以在系统中加 入语音模块，让盲人也可以知道当前环境的温度。而且，本设计完成的只是个简单 的无线温度数据收发系统，现实中的无线通信系统是很复杂的，包括一系信号处理 装置，对所传输的信号进行编码、复接、滤波等。 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 23 - 参考文献参考文献 1. 候天星，王凤新. 基于 nRF2401 的无线数据采集系统J，中国农学通报.2009(5). 258-263. 2. 闵豫，李学华. 基于 nRF401 的短距离无线通信设计J，成都信息工程学院学报. 2006(12).21:05. 3. Naveen Erasala, David C. Yen. Bluetooth technology: a strategic analysis of its role in global 3G wireless communication era J, Department of Decision Sciences and Management Information System, Miami University, Oxford, OH 45056, USA. 4. J. Michael Tarn, Chuan Pang , David C. Yen , Jon Chen . Exploring the implementation and application of Bluetooth technology in the shipping industry J. Western Michigan University Kalamazoo, MI 49008-5412, USA 5. DALLAS DS18B20 使用手册 6. 李江全. 现代测控系统典型应用实例M. 北京：电子工业出版社，2010 7. 孙宁，沈湘衡. 多通道无线温度测量系统的设计. 微计算机信息, Microcomputer Information, 2009 年 11 期 8. 史军， 赵国荣. 多点温度传感无线采集系统的研究. 宁夏大学学报(自然科学版), Journal of Ningxia University(Natural Science Edition)2008 年 01 期 9. 万志平，杨亦红. 基于 PTR8000 的无线多点温度采集系统设计. 商场现代化, Market Modernization, 2009 年 05 期 10.王美红，封百涛. 多点无线温湿度实时监控系统的设计与实现. 科技信息, Science sbit PS1=P25;sbit PS2=P26;sbit PS3=P27;sfr P_data=0 x80; sbit DQ=P36; bit DS18B20; void DS18B20_init(void);unsigned int get_temper(void); void DS18B20_write(unsigned char dat);unsigned char DS18B20_read(void); float temp;unsigned char T_sign; unsigned char tab12=0 x03,0 x9f,0 x25,0 x0d,0 x99,0 x49,0 x41,0 x1f,0 x01,0 x09,0 xf2,0 xff; void delay (unsigned int);unsigned int htd(unsigned int a);void display(unsigned int a); /*主函数*/ void main(void) unsigned int a,temp; while(1) temp=get_temper(); P1=0 xfc;for(a=0;a4) for(a=0;a8) for(a=0;a4) PS0=1;PS1=0;delay(200); P_data=tab(a8) PS1=1;PS2=0;delay(200); P_data=tabT_sign; PS2=1;PS3=0;delay(200);PS3=1;P_data=0 xff; /*DS18B20 读取温度函数*/ unsigned int get_temper(void) unsigned char k,T_L,T_H;DS18B20_init(); 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 27 - if(DS18B20) DS18B20_write(0 xcc);DS18B20_write(0 x44);delay(200); DS18B20_init();DS18B20_write(0 xcc);DS18B20_write(0 xbe); T_L=DS18B20_read();T_H=DS18B20_read();k=T_H if(k=0 xf8)T_sign=10;else T_sign=11;T_H=T_H temp=(T_H*256+T_L)*10*0.0625;else temp=60000;return(temp); /*DS18B20 写函数*/ void DS18B20_write(unsigned char dat) unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-) DQ = 0;DQ = datdelay(5);DQ = 1;dat=1;delay(5); /*DS18B20 读函数*/ unsigned char DS18B20_read() unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i0;i-) DQ = 0; dat=1;DQ = 1; if(DQ)dat|=0 x80;delay(5); return(dat); /*DS18B20 初始化函数*/ void DS18B20_init(void) unsigned char a;DQ=1;delay(8);DQ=0;delay(80);DQ=1;delay(10);a=DQ;delay(5); if(a)DS18B20=0;else DS18B20=1;delay(120); /*延时函数*/ void delay(unsigned int delay_time) for(;delay_time0;delay_time-) /*十六进制转换十进制*/ unsigned int htd(unsigned int a) unsigned int b,c; b=a%10;c=b;a=a/10; b=a%10;c=c+(b#include #include sbit PS0=P24;sbit PS1=P25;sbit PS2=P26;sbit PS3=P27;sfr P_data=0 x80; unsigned char tab12=0 x03,0 x9f,0 x25,0 x0d,0 x99,0 x49,0 x41,0 x1f,0 x01,0 x09,0 xfd,0 xff; void delay (unsigned int);unsigned int htd(unsigned int a);void display(unsigned int a); sbit a=P13;sbit b=P12;sbit c=P11;sbit d=P10; /*主函数*/ void main(void) unsigned char i,j,temp;/jieshou,; - 28 - while(1) while(1) switch(P1) case 0 xfc: for(j=20;j;j-) if(P1!=0 xfcelse j=20;temp=P1 for(i=0;i4)PS0=1;PS1=0;delay(200); P_data=tab(a8)PS1=1;PS2=0;delay(200); P_data=tab0;PS2=1;PS3=0;delay(200); PS3=1;P_data=0 xff; /*延时函数*/ void delay(unsigned int delay_time) for(;delay_time0;delay_time-) 多点无线温度采集系统的设计与制作 - 29 - /*十六进制转换十进制*/ unsigned int htd(unsigned int a) unsigned int b,c; b=a%10;c=b;a=a/10; b=a%10;c=c+(b4);a=a/10; b=a%10;c=c+(b8);a=a/10; b=a%10;c=c+(b12);return c;