基于无线网络的温度采集系统毕业设计(论文).doc

毕毕业业设设计计 基于无线网络的温度采集系统设计基于无线网络的温度采集系统设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导 下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的 地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为 获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究 提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表 示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规 定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权 保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校 可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的 前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 湖湖南南商商学学院院本本科科毕毕业业设设计计诚诚信信声声明明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明 引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业设计作者签名： 年 月 日 湖南商学院毕业设计 内容摘要内容摘要 由于数据采集系统的应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越 来越多、对测量的要求也越来越高，国内现在已有很多温度测量和采集的系统，但很 多温度采集系统存在功能单一、采集速率低、稳定性不高，操作复杂，并且对温度测 试环境要求比较高等等的许多问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的温度数据 采集系统。 基于单片机的温度数据采集系统是由将来自 DS18B20 数字温度传感器的信号直接 传输给单片机从机，单片机从机经过信号处并通过 nRF2401 无线模块发送给单片机主 机，并在主机上显示出温度，同时实现温度过高或者过低的报警功能，温度超过 50 摄 氏度时语音报警说明温度过高，温度低于 20 摄氏度时语音报警说明温度过低。该设计 具有数据处理界面友好、功能强大、性价比高、显示直观、应用广泛等特点，可以广 泛应用于智能家居、机电一体化、仪表、仪器、工农业控制等许多领域。 关键词关键词 无线；温度采集；单片机；报警 湖南商学院毕业设计 ABSTRACT since the wide range of data acquisition system, which involves the measurement signal and the type of signal source more and more, Surveyors are increasingly high requirements of the domestic now have a lot of data acquisition and measurement system But there are many single function systems, collecting less access, low collection rate, complicated operations, and the demands of the test environment and other issuesIt requires abroad scope of application, high reliability and low-cost data acquisition system Based on single-chip wireless temperature data acquisition system from the DS18B20 digital temperature sensor signal is transmitted directly to the microcontroller slave microcontroller slave signal processing and temperature nRF2401 wireless module is sent to the microcontroller host and displayed on the host, while temperature is too high or too low alarm function. The design has a powerful data processing, display and intuitive, friendly interface, cost-effective, wide range of applications can be widely used in many areas of industrial control, instrumentation, instrumentation, mechanical and electrical integration, and smart home. KEY WORDS Wireless；Temperature Acquisition ；Microcontroller ；Alerting 湖南商学院毕业设计 目目 录录 1 绪论.1 1.1 设计目的1 1.2 课题的研究现状和发展趋势1 1.2.1 课题的研究现状.1 1.2.2 发展趋势.3 2 总体方案设计.4 2.1 系统方案比较与选择4 2.1.1 控制器模块比较与论证.4 2.1.2 温度传感器模块比较与论证.5 2.1.3 无线模块的比较与论证.5 2.1.4 键盘显示模块的比较与论证.6 2.1.5 电源模块比较与论证.6 2.2 系统最终方案7 2.3 系统总体设计8 3 硬件电路的设计10 3.1 主控模块的电路设计10 3.1.1 SPCE061A 简介.10 3.1.2 SPCE061A 性能.10 3.1.3 结构概览.11 3.1.4 芯片的引脚排列和说明.11 3.1.5 凌阳开发板电路.13 3.2 电源电路14 3.2.1 外部稳压电路.14 3.2.2 凌阳单片机板稳压电路.15 3.2.3 12v 防爆聚合物锂离子蓄电池15 湖南商学院毕业设计 3.2.3 电源自动切换电路.15 3.3 温度采集电路16 3.3.1 DS18B20 简介16 3.3.2 DS18B20 的 4 个主要数据部件17 3.3.3 DS18B20 的高速缓存存储器18 3.3.4 电路设计.18 3.4 无线模块电路18 3.4.1 nRF2401A 无线模块基本特性与参数指标18 3.4.2 nRF2401A 无线模块功能简介18 3.4.3 nRF2401A 无线模块结构示意图19 3.4.4 nRF2401A 及其外围电路.19 3.4.5 nRF2401A 电源指示电路.20 3.4.6 nRF2401A 接口电路.20 3.5 键盘显示电路21 3.5.1 LED 显示器件的工作原理21 3.5.2 HD7279A 键盘显示电路设计.23 3.5.3 HD7279A 芯片简介.23 3.5.4 HD7279A 特点.23 3.5.5 HD7279A 引脚及说明.24 4 软件设计24 4.1 主控制程序设计25 4.2 无线模块NRF2401 程序设计.26 4.3 HD7279 程序设计.26 4.4 DS18B20 温度采集模块程序设计.27 5 调试及结果.27 5.1 测试环境及工具27 5.2 测试方法27 湖南商学院毕业设计 5.3 测试结果及分析28 5.4 误差分析28 5.4.1 DS18B20 的误差28 5.4.2 温度计测量误差.28 5.5 偏差分析29 6 总结.29 参考文献：.30 致 谢32 附录 1： 61 板原理图.34 附录 2： 主机部分主程序.35 附录 3： 从机部分主程序.35 附录 4： 无线模块 NRF2401A 程序37 附录 5： 无线模块 NRF2401A 通信协议程序.46 附录 6： HD7279 凌阳驱动程序.47 附录 7： DS18B20 温度采集模块程序.53 湖南商学院毕业设计 第 1 页 共 56 页 基于无线网络的温度采集系统设计基于无线网络的温度采集系统设计 1 绪论 1.1 设计目的 利用单片机技术、无线传输技术、温度测量技术等知识设计一个基于凌阳单片机控 制的无线温度采集系统，以 DS18B20 为传感器，检测比较精确的温度信号，并通过无 线传输模块将一个点的温度信号传到另一个地方。其涉及的知识面较广，它涵盖了电 子、机械、软件学等领域。通过本次设计掌握一般自动控制系统的软件（如 C 语言、 汇编语言） ，单片机以及其他芯片和模块（如 SPCE061A、DS18B20、nRF2401、HD7279）的设计原理及实现方法，能提高对系统设 计的总体试和整体把握能力，熟悉系统的开发安装调试过程，给大学画上一个句号。 1.2 课题的研究现状和发展趋势 1.2.1 课题的研究现状 21 世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步同时也带动了测量技 术的发展，现代测控设备不同于以前，它们在性能和结构发生了翻天覆地的变化。我 们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用 工程的各个领域。 温度是工业、农业生产中常见以及最基本的参考数据之一，在生产过程中常需要 对温度进行检测和控制，采用微型计算机机进行温度检测、信息存储、数字显示及实 时自动控制，对于提高产品质量和生产效率以及节约能源等都具有特别重要的作用。 伴随农业科技和工业科技的飞速发展，温度测量的需求越来越多，也越来越重要。但 是在一些特定的环境下温度监测范围大,待测点距离远,布线非常不方便。这时就要采用 无线的方式对温度数据进行传输。 当今无线通信存在于我们人类生活的方方面面。短距离通信的有蓝牙、红外线等。 远距离通信的有 GPS，手机等等。二十一世纪是无线通信应用高速发展的时代，手机， GPS 导航仪现在尤其火热，几乎每人都有手机，大部分车辆都安装了 GPS 导航仪。但 是无线温度测量系统发展非常缓慢。这是由于电子元器件在温度过高或者过低的时候 湖南商学院毕业设计 第 2 页 共 56 页 无法工作。但是在常规的温度测量的实际应用当中，比如说粮食仓库环境或者工业化 学反应的温度测量等等，无线温度测量系统还是能够满足测量的需求的。 就无线温度测量系统来说，我们仅仅需要在待测点放置一个传感器和一个能处理 传感器数据的单片机与能发送数据的无线模块。此时，主机外围含有的键盘显示模块 可以起到人为控制的作用，同时可以方便直观的观察到温度数据，人在此时可以针对 性地作出一些反应。无线模块的使用即节约了系统的成本，又减少了工作量，同时使 用更加长久，因为线路在一定环境下容易腐蚀和损坏，我们在家里也会常常出现电线 被老鼠咬坏的情况，基于更加安全和稳定的考虑，在使用的趋势上会越来越趋向于使 用无线模块，不仅仅是温度测量系统，其他的更多的系统会更多地应用到无线，无线 是未来的一个整体趋势。 无线温度采集系统可被广泛应用于温度测量或相应的可转换为温度量或供电故障 监控的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中，例如：城市路灯故障检测和 供电线路防盗监视、环保工程、大型仓库温度检测、城市居民小区供热检测、大型仓 库温度检测、工业生产测控、农业生产温度测控、环保工程、故障监控工程等。考虑 到许多工农业环境中对多点温度进行监控，一般需要测量几十个点以上。本文设计多 点无线温度采集系统。 本设计是以凌阳公司的 SPCE061A 单片机作为控制核心，以 DS18B20 为采集终端 的温度采集与控制系统。设定与键盘和显示部分相连的单片机为主机，每个温度传感 器对应一个单独的单片机，设为从机。主机与从机之间通过无线模块建立通信。控制 器通过温度传感器实时检测各节点的温度变化，并在 LED 上显示各点温度的变化，并 实现温度超过限定值报警的功能。 因为对环境进行温度检测、数字显示、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，并且温度参数对工业生产的十分重要，所以温度测 量系统的精确度和智能化一直受到企业的重视。所以学习并研究温度测量及相关知识 可做为一个较为实用的课题的方向，能获得较实用的知识和方法。因此温度测控技术 是一个很实用、也很重要的技术，值得去研究掌握。它应用的领域也相当广泛，可以 应用到消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备的过热故障预知检测，空调系 统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健 湖南商学院毕业设计 第 3 页 共 56 页 诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测。因此前景是相当的可观。 1.2.2 发展趋势 温度是一个十分重要的物理量，因为它直接影响烘烤、燃烧、煅烧、蒸馏、结晶、 空气流动、温度漂移等各种化学过程和物理过程。温度控制失误就可能引起产品产量 低下，产品质量不过关甚至导致生产安全以及威胁人们生活安全等一系列问题。从而 温度的检测是必不可少的一个课题，而如何让它在社会生活中发展得越来越完善，为 人们的生产生活带来更多更大的方便就需要我们当代青年来不断的探求和摸索。 温度采集控制系统在科学研究、工农业生产以及人们的生活领域中，得到了广泛 应用。在工农业生产过程中，很多时候都需要对温度进行非常严格的检测和控制，以 使得生产能够顺利的进行，让产品的质量得到充分的保证。使用无线温度采集系统可 以对生产环境的温度进行及时而方便的察觉，从而做出反应。实际生活生产当中，人 们经常将此设计应用在智能控制中，从而保证生产的自动化、智能化能够顺利而安全 进行，从而提高生产效率。 在过去的一段时间，触摸开关风靡一时。触摸开关正是通过温度信号的检测来控 制开关的状态。只是一般的居民地区没有必要用到无线传输，这样也不划算。但是在 工农业中的应用还是特别多的，而且越来越先进，功能越来越强大，测温范围也越来 越大，最重要的是大都趋向于无人全自动机械化，大大节约了人力成本，而且安全性 与保证性也更大了。 现在推出了新型环保家居的设想，虽然在社会上并没有完全普及，但是这个想法 将会是人们未来生活的预景。全智能的环保家居系统当中也很大程度上需要温度检测 系统来完成部分功能，然后对温度数据做出反应，比如说智能打开窗户或者空调，当 没有人在系统中出现的关闭所有应该关闭的电源来节约能源，以达到环保的效果。 总之温度是与我们人类生活各个方面密切相关的一个方面，本设计方案旨在用合 适的方法更加精准地采集温度数据，并实现无线传输。突出在无线这一方面。所以此 设计的应用面十分广，应用前景也是无可计量的。 湖南商学院毕业设计 第 4 页 共 56 页 2 总体方案设计 温度检测系统有许多共同的特点：环境复杂、测量点多、布线分散、现场离监控 地点很远等等。如果使用一般温度传感器采集温度数据，就必须设计信号 A/D 转换电 路、调理电路以及对应的接口电路，才能将传感器输出的模拟信号转换成数字信号， 再将数字信号送到单片机去处理。这样，由于外围电路过多会使整个检测系统稳定性 不高，系统收集最终数据偏差较大；又由于检测环境的复杂、测量点又多、信号传输 距离较远及各种其他干扰的影响，随着时间的推移，检测系统的稳定性和可靠性逐日 下降 。所以温度采集系统的设计的关键在于下面三部分：主控单元的设计和温度传感 器的选择以及无线模块的选择。 2.1 系统方案比较与选择 为了更好的实现系统的可靠性与高性价比，我针对以上这些模块分别提出几种方 案以供选择。 2.1.1 控制器模块比较与论证 单片机是本系统的控制核心，其性能的优劣将从根本上影响整个系统的性能。针 对本系统，特提出以下二种方案以供选择 方案一：采用 AT89S52 八位单片机。AT89S52 单片机的软件编程自由度比较大， 可通过编程实现各种算法以及逻辑控制。并且体积较小，引脚不多，方便安装使用。 可以单独对数字温度传感器 DS18B20 进行控制，另外 AT89S52 在工农业控制上也有 着比较广泛的应用，编程技术和外围电路的配合使用都相当成熟。但是使用 51 或者 52 单片机该系统的外围电路较多，实际操作比较麻烦，一次只能处理八位数据，计算比 较繁琐。 方案二：使用 SPCE061A 凌阳 16 位单片机。SPCE061A 是凌阳科技经典的一款 16 位的具有语音处理结构的微控制器。SPCE061A 采用 SOC 架构，其内核是凌阳科技公 司自主研究开发的 nSP 架构内核，该芯片自带硬件乘法器，可以实现乘法，内积等 各种复杂的运算。它运算能力强，处理速度快，单周期最高能达到 49MHz 内置的专用 MIC 接口和双路 10bitDAC，使得它非常适合开发语音电子产品。凌阳单片机 SPCE061A 内嵌 32k 字 Flash 程序存储器和 2 路 16 位定时器、8 通道 湖南商学院毕业设计 第 5 页 共 56 页 10bitADC、UART 接口、2K 的 SRAM、看门狗、电压检测以及时基输出等模块。丰富 的外部资源和优秀的检测机制使芯片性能稳定、功能丰富，可作为通用的微控制器， 广泛而深入地应用于智能家电、工业控制、家居安防等多领域。在温度数据采集上， 利用 IO 口连接数字温度传感器 DS18B20 的数据引脚，显示上用 HD7279 控制键盘和 显示，单片机控制喇叭可实现语音报警。 2.1.2 温度传感器模块比较与论证 温度传感器用来进行温度采集，我们把采集到的数据送到单片机上，单片机处理后 把数据通过一个无线模块发送到另一个无线模块。所以在这个系统中温度传感器的作 用是至关重要的。我们需要做到数据采集的准确，并且能够保持系统的稳定。有以下 几个方案可以供选择： 方案一：采用热敏电阻，可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、 重复性、可靠性较差，对于检测 1 摄氏度的信号是不适用的。 方案二：采用单片模拟量的温度传感器，比如 AD590,LM35 等。但这些芯片输出 的都是模拟信号，必须经过 A/D 转换后才能送给单片机，这样就使得测温装置的结构 较复杂。另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量。即 使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。 方案三：采用 DS18B20 来测量待测电的温度，数字温度传感器 DS18B20 输出的信 号全数字化。方便单片机处理及控制，省去传统的测温系统的很多外围电路。且该芯 片的物理化学性都很稳定，它能作为工业测温元件。此元件线性度好，在 0到 100 时，最大线形偏差小于 1。DS18B20 的最大特点是单总线的数据传输，由数字温度 计 DS18B20 和微控制器 SPCE061A 构成的温度采集系统，它可以直接输出温度的数字 信号，而且直接显示在数码管上。因此该温度采集系统的结构就比较简单，体积也较 小。 2.1.3 无线模块的比较与论证 无线传输模块主要是用于主机和从机之间的数据传输，主机先发送信号给从机， 从机接收到主机发送的信号后给主机发送温度数据。 方案一：采用红外收发芯片 NB9148、NB9149。NB9148 是通用红外遥控发射器集 成芯片，该器件与 NB9149 配合使用可完成 10 个功能控制。NB9148 采用 CMOS 工艺 湖南商学院毕业设计 第 6 页 共 56 页 制造，功耗极低，工作电压可在 2.5-5.5V 之间变化，NB9148 的集成度高，工作时所需 外围元件少，其振荡电路只需外接 LC 或陶瓷震荡器即可起振，并支持多键组合。此外 NB9148 的位码可与其他模式相兼容。 方案二：采用 nRF2401 无线模块。无线芯片 nRF2401 是单片射频收发芯片，工作 于 2.42.5GHz ISM 频段，芯片内嵌晶体振荡器、地址解码器、时钟处理器、调制器、 低噪声放大器、GFSK 滤波器、功率放大器和频率合成器等功能模块，通信频道和输 出功率可通过程序进行调配。芯片能耗相当低，以-5dBm 的功率发射的时侯，工作的 电流只有 10.5mA，接收的时侯工作电流只有 18mA。该无线模块有多种低功率工作模 式，设计节能而且使用更为方便。无线芯片 nRF2401 内置了相当多的功能模块，外围 电路需要得很少，因此使用起来相当方便。 2.1.4 键盘显示模块的比较与论证 键盘和显示是整个系统人机交互的桥梁。选择好的键盘显示模块能够更简单、更 方便、更直观的实现人机交互。 方案一：单片机控制键盘、液晶显示屏（LCD）显示温度数据。液晶显示屏 （LCD）具有显示清晰、轻薄短小、无辐射危险、低耗电量，影像稳定不闪烁以及平 面直角显示等优点，可视面积较大，画面效果较好，分辨率较高，抗干扰能力较强等 特点。但由于只显示温度数据，信息量比较少，但是液晶工作量较大，控制器的资源 占用较多，使得系统效率变低，而且使用液晶显示器的成本偏高。 方案二：使用单片机控制键盘和传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损 耗、低压，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，称量快，精确可靠， 操作简单。数码管是采用 BCD 编码显示数字，编程容易，资源占用较少。 方案三： HD7279A 控制键盘与 LED 显示。HD7279A 是一个具有串行接口的智能 显示与键盘驱动芯片。它可以同时驱动 8 位共阴数码管，还能同时连接多达 64 键的键 盘矩阵，单片就可完成 LED 数据显示和键盘驱动的全部功能。HD7279A 内置译码器， 可直接接受 BCD 码以及 16 进制码，并同时具备 2 种译码方式，此外还它还具有多种 控制指令 ，如左移、右移、消隐、段寻址和闪烁等。HD7279A 具有片选信号，可非 常方便地实现多位 LED 显示和键盘驱动。 湖南商学院毕业设计 第 7 页 共 56 页 2.1.5 电源模块比较与论证 方案一：采用稳压源提供正负 5V 的电压。稳压源可以提供多种不同的电压，为单 片机、信号处理电路供电。 方案二：采用 4 节五号电池串联给整个系统供电。但经过实验验证，当电池为直 流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。 方案三：采用 12V 蓄电池变压后为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以 及稳定的电压输出性能，并且移动方便，成本低。采用此种供电方式后，单片机和各 部分电路工作稳定，易于安装，能够满足系统的要求。 方案四：采用稳压电源 12V 经过滤波稳压为 5V 后给系统供电，同时使用 12V 蓄 电池变压为 5V 后为系统提供备用电源。 2.2 系统最终方案 经过反复比较与论证，最终确定了如下方案： （1） 采用单凌阳单片机 SPCE061A 作为控制核心； 由于系统要求精度高且性价比高，经综合考虑后选用凌阳 16 位单片机 SPCE061A 实现本系统。凌阳 SPCE061A 单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由空间大， 可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低，体积小，技术成熟和成 本低的优点，使其在各个领域应用广泛。相比之下 51 单片机就逊色很多，51 单片机不 仅内部资源很少，而且它的内部寄存器只能处理 8 位数据，所以具有很大的局限性和 不稳定性。且在学校有凌阳开发板可供使用，大大方便了我的设计。 （2） 采用数字温度传感器 DS18B20 来采集温度数据； 采用温度温度传感器 DS18B20 测量温度，体现了系统芯片化这个发展趋势。部分 外围电路的集成，使总体电路更加简洁，搭建电路以及焊接电路时更加方便快捷。集 成块能有效的避免外界干扰，提高系统的精确度，所以集成芯片的普及使用时电路发 展的一种趋势。本方案应用这一数字温度芯片 DS18B20，也是顺应系统芯片化的趋势。 （3） 采用与凌阳配套的低功耗芯片 nRF2401 做无线传输； 采用与凌阳单片机配套的nRF2401 模块来搭建系统，使用起来更加方便，各方面性能 湖南商学院毕业设计 第 8 页 共 56 页 都比较优秀。而主机和从机之间进行无线通信时，信号传输的可靠性及元器件的低功 耗非常重要，所以无线传输模块采用方案二。 （4） 采用 HD7279 键盘显示芯片控制键盘和 LED 显示； 由于控制器模块选择的是 16 位的凌阳单片机，所以选择方案三可以使系统更加稳 定，并且选择方案三线路跟外围电路都比较少，所以减少了线路出错的的几率。使系 统的可靠性增加。 （5） 采用 5V 的稳压电源给系统供电，同时使用 12V 电池来作为备用电源，即 选择方案四。采用方案四可以在保障系统长期稳定的同时，保障系统在停电或者断电 以及其他突发情况下能照常运行，从可行性上来考虑，应选择方案四。 2.3 系统总体设计 系统的硬件分为两个分开的部分，在测温点放置的是从机，用于检测温度并传输 数据。主机放置在离人近或者方便看见的地方，用于接收数据并显示温度，同时实现 不在限温范围内报警的功能（超过 50即报警还有低于 20即报警） 。系统采用凌阳 单片机为处理控制器，主机从机都有各自的控制器。由于凌阳单片机自带报警电路， 所以只需接一个喇叭就可以直线报警的功能，在图中就没有画出来。nRF2401 无线模 块是在可以直接应用到凌阳单片机上的应用模块，使用方便，可实现发射与接收功能 的半双工无线模块。键盘显示电路都是由 HD7279 和单片机实现控制。温度传感器 DS18B20 来实现温度数据的获取，并直接传输给从机单片机。本系统采用单凌阳单片 机，完全满足系统需求，充分利用了各项资源，使得本设计更趋向智能化，人性化。 湖南商学院毕业设计 第 9 页 共 56 页 图 2.1 主机硬件组成框图 图 2.2 从机硬件组成框图 系统主控模块的主机电路方框图如图 3.1 所示，凌阳单片机控制无线模块接收和发 送信号的半双工状态，主机接收从机从温度传感器 DS18B20 传来的温度信号，控制键 盘显示模块。无线模块之间的最大无障碍距离约 50m 最大有障碍距离约 20m。 无线 模块 IOB0 IOB7 IOB15 凌 阳 单 片 机 2 温度传感器 模块 最大无障碍 距离约 50m 最大有障碍 距离约 20m 键盘显 示模块 无线 模块 IOA12 IOA15 IOB0 IOB7 凌 阳 单 片 机 1 图 2.3 系统总电路框图 湖南商学院毕业设计 第 10 页 共 56 页 3 硬件电路的设计 本系统的硬件电路包括主控模块和其他外围电路，外围电路又包括：稳压电路、 温度采集电路、键盘显示电路等，下面将依次对各个模块进行说明。 3.1 主控模块的电路设计 3.1.1 SPCE061A 简介 SPCE061A 是继 nSP 系列产品 SPCE500A 等之后凌阳科技推出的一款 16 位结构微型控制器。与 凌阳 SPCE500A 不同之处在于，在存储器资源方面考虑到用 户较少资源需求同时方便程序调试等功能，凌阳 SPCE061A 里内嵌 32K 字的闪存， 它的比较高的处理速度使 nSP 能够非常快速而容易地处理相对复杂的各种数字信 号。 湖南商学院毕业设计 第 11 页 共 56 页 3.1.2 SPCE061A 性能 表 3.1 SPCE061A 的特性参数 3.1.3 结构概览 SPCE061A 的结构如图 3.1 所示： 湖南商学院毕业设计 第 12 页 共 56 页 图 3.1 SPCE061A 的结构图 3.1.4 芯片的引脚排列和说明 SPCE061A 有两种封装片，一种为 84 个引脚，PLCC84 封装形式；它的排列如图 3.2 所示；另一种为 80 个引脚，LQFP80 封装。它的排列如图所示。 图 3.2 SPCE061 封装引脚排列图 湖南商学院毕业设计 第 13 页 共 56 页 表 3.2 芯片的引脚说明 湖南商学院毕业设计 第 14 页 共 56 页 3.1.5 凌阳开发板电路 凌阳最小系统电路包括电源电路，晶振电路，倍频电路，滤波电路，复位电路。 如下图所示： 图 3.3 凌阳小系统电路图 湖南商学院毕业设计 第 15 页 共 56 页 凌阳开发板的外围电路有 A/D 电路,D/A 电路，下载电路,I/O 口，键盘电路等，如 图 3.4 所示。 图 3.4 凌阳板总外围电路图 3.2 电源电路 从稳压电源接出 12V 的电压，经过外部稳压电路，得到 5V 的稳定电压，可为传 感器或者键盘显示模块供电。5V 的稳定电压经过凌阳单片机自带的稳压电路后，得到 3.3V 的稳定电压，给单片机供电。同时 12V 的电池电源接上一个二极管，再通过稳压 模块后作为系统备用电源。 3.2.1 外部稳压电路 稳压电路原理如图 3.5 所示。电源 12V 电压输入，经过滤波稳压电路后输出稳定 的 5V 给单片机供电。 湖南商学院毕业设计 第 16 页 共 56 页 图 3.5 稳压电路原理图 3.2.2 凌阳单片机板稳压电路 凌阳单片机 SPCE061A 内部自带稳压电路，如图 3.6 所示。5V 输入，3.3V 输出。 图 3.6 凌阳单片机板稳压电路图 3.2.3 12V 防爆聚合物锂离子蓄电池 输入电压：12.6VDC 输出电压：12.6-10.8VDC 电池容量：3000 mAh 输出插头参数：公头，DC 外径 5.5mm ， 内径 2.1mm 体积大约：100*60*19 mm 充电器 上面标 1A 电流，实测 700mA 充电电流，输出电压 12.6V 3.2.3 电源自动切换电路 将稳压电源跟串联了二极管的电池一起并联接入，作为总的电源电路。系统在正 常情况下是使用外部的稳压电源，但是当外部的稳压电源出现状况，比如说电源损坏， 湖南商学院毕业设计 第 17 页 共 56 页 断电等等，这时跟电池串联的二极管就导通了，此时由电池供电。这样的模式有效的 避免了突发情况而导致应用的失败。也让整个系统更加稳定，使用长久。 3.3 温度采集电路 3.3.1 DS18B20 简介 数字温度传感器 DS18B20 是 Dallas 公司生产的一线式温度传感器，测温分辨率可 达 0.0625，被测温度用带符号扩展的 16 位二进制数字量方式串行输出。测量温度范 围为 -55+125，在-10+85范围内，其精度为0.5。单片机只需一根端口 线就能与 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和其他逻辑电 路。DS18B20 数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如磁铁吸附式， 螺纹式，不锈钢封装式，管道式，型号多种多样，有 LTM8874，LTM8877 等等。主要 根据应用场合的不同来改变其外观。封装后的 DS18B20 可用于农业大棚测温，机房测 温，锅炉测温，电缆沟测温，洁净室测温，高炉水循环测温，弹药库测温等各种非极 限温度的场合。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。 DS18B20 的内部结构如图 3.7 所示。 图 3.7 DS18B20 内部结构图 3.3.2 DS18B20 的 4 个主要数据部件 A、 64 位激光 ROM。64 位激光 ROM 从高位到低位依次为 8 位 CRC、48 位序列 号和 8 位家族代码(28H)组成。 湖南商学院毕业设计 第 18 页 共 56 页 B、 温度灵敏元器件。 表 3.3 DS18B20 温度数据表 温度/二进制表示十六进制表示 +125 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55 00000111 11010000 00000001 10010001 00000000 10100010 00000000 00001000 00000000 00000000 11111111 11111000 11111111 01011110 11111110 01101111 11111100 10010000 07D0H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FE6FH FC90H C、 非易失性温度报警触发器 TH 和 TL。可以通过软件写入用户报警上限值和 下限值。 D、 配置寄存器。配置寄存器是高速暂存存储器中第五个字节。其中 R0、R1 是 温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如表 3.2 所列， R0、R1 置是缺省值， R0=1，R1=1（即 12 位分辨率） ，可根据需要改写配置寄存器来获得合适的分辨率。 表 3.4 分辨率关系表 R0R1分辨率/bit最大转换时间/us 00993.75 0110187.5 1011375 1112750 3.3.3 DS18B20 的高速缓存存储器 高速缓存存储器由 9 个字节组成，其分配如表 3.5 所示。当温度转换命令发出后， 温度值转换为二进制的补码形式，经转换所得的数据存放在高速暂存存储器的第 0 和 第 1 个字节。单片机可通过单线接口读去到该数据，读取时先低位，后高位。当符号 湖南商学院毕业设计 第 19 页 共 56 页 位 S=0 时，直接将二进制位转换为十进制；当 S=1 时，先将补码变为原码，再转换成 十进制值。 表 3.5 DS18B20 存储器 温度 LSB 温度 MSB THTL保留保留计数寄存器计数寄存器8 位 CRC 3.3.4 电路设计 本系统为多点温度测试。DS18B20 采用外部供电方式，单片机的多个 I/O 来驱动 DS18B20。使用一个上拉电阻将 I/O 口线直接和电源相连。电路如图 3.8 图 3.8 温度传感器 DS18B20 原理图 3.4 无线模块电路 无线传输模组以nRF2401A芯片为核心，提供了一路的无线发射和两路的无线接收 功能，该模组通一个10Pin接口直接插接到61板上，方便使用。 3.4.1 nRF2401A 无线模块基本特性与参数指标 工作电压：3.3V 模块尺寸：27mm*31mm 3.4.2 nRF2401A 无线模块功能简介 可以进行无线数据发送和接收 可以开发无线的电子产品：如无线遥控器、无线麦克、无线耳机、无线的文件 传输系统等 湖南商学院毕业设计 第 20 页 共 56 页 3.4.3 nRF2401A 无线模块结构示意图 图 3.9 无线传输模组结构示意图 3.4.4 nRF2401A 及其外围电路 nRF2401A 及其外围电路如图 3.10 所示 ，包括 nRF2401A 芯片部分、晶振部分、 晶振部分、天线部分和稳压部分。电压 VDD 经过电容 C1、C2、C3 滤波处理后为芯片 提供工作电压；晶振部分包括 C9、C10 和 Y1，晶振 Y1 允许值为：4 MHz 、8 MHz 、12 MHz 和 16 MHz，当需 1 Mbps 的通信速率时必须选择 16 MHz 的晶振。天线部 分包含电感 L1 和 L2，用来将 nRF2401A 芯片 ANT1 和 ANT2 管脚产生的 2.4G 电平 信号转为电磁波信号，或将电磁波信号转换为电平信号输入芯片的 ANT1 及 ANT2 管 脚。 湖南商学院毕业设计 第 21 页 共 56 页 图 3.10 nRF2401A 及其外围电路 3.4.5 nRF2401A 电源指示电路 电路板上提供了一个电源指示灯，其电路如图 3.11。 图 3.11 电源指示电路 3.4.6 nRF2401A 接口电路 为方便与凌阳 61 板的连接，模组提供了两个接口 J1 和 J2 ，其中 J1 为 nRF2401A 的控制端口和通道 1 的收发通道，J2 为预留端口，是通道 2 的接收通道。 J1 接口为 10Pin 的插孔，其布局和 61 板的 I/O 端口布局一致，可以直接插接到 61 板的 I/O 端口使用。J2 预留，需要采用双通道接收时，可将 J2 对应的 3 根信号线引 出，接到单片机的 I/O 上即可。 图 3.12 接口电路 对应的 I/O 连接和功能描述如表 3.6 所示。 湖南商学院毕业设计 第 22 页 共 56 页 表 3.6 芯片管脚连接及功能描述 3.5 键盘显示电路 3.5.1 LED 显示器件的工作原理 LED 是一种电流发光器件它不但能够工作在恒定电流状态，而且能够工作在脉 冲电流状态。平均电流相同时，脉冲工作状态可产生较直流工作状态更强的亮度，一 般每秒钟可以导通 100500 次，每次为几个毫秒：LED 有单个发光二极管、七段(或 八段)LED 显示器和 LED 点阵显示器等类型。发光颜色有红、绿、黄等。LED 显示器 每段正常发光需直流电流 10-20mA，发光二极管发光时其正向导通压降为 1.7v 左右。 七段 LED 显示器是由 7 个 LED 按定的图形排列组成，如图 3-13(a)所示，七段 LED 显示器的各个二极管分别称为 a、b、c、d、e、f、g 段，有些七段显示器增加一 个 dp 段表示小数点，也称为八段 LED 显示器。 七段 LED 显示器有两种结构：共阴极七段 LED 显示器和共阳极七段 LED 显示器， 如图 3-13(b)、(c)所示。所有二极管的阴极接在一起的称为共阴极七段 LED 显示器； 所有二极管的阳极接在一起的称为共阳极七段 LLD 显示器。共阳极七段 LED 显示器 工作时，二极管的公共阳极接向电平“1”各段的阴极接与共阳七段码相对应的低电 平。共阴极七段 LED 显示器工作时，其公共极接到低电平，各段的阳级接与共阴七段 码相对应的高电平。在实际应用中，除公共极外，其他各极应串接一个电阻后再接到 相应电平。电阻的作用是限制流过 LED 中的电流以保证在发光时二极管不因电流过大 而被烧坏。 LED 的显示有静态显示方式和动态显示方式。在静态显示方式下，N 块显示器件 湖南商学院毕业设计 第 23 页 共 56 页 都处于选通状态；每一块显示器件的段选线和一个 8 位的并行口相连，只要控制显示 位的段选码，就可显示出相应的字符。由于显示器件由不同的 I/O 控制，所以静态显 示方式中的每一位都可以独立显示，在同一时刻每一位显示的字符可以各不相同。 LED 动态显示就是将所有显示位的段选线并联在一起，有一个 8 位 I/O 口控制， 而位选线则有其他的 I/O 口控制，通过程序控制，不断循环输出相应的段选码和位选 码，由于人的视觉暂留效应，就可以获得视觉稳定的显示状态。 将数码管的引脚和单片机的数据输出口相连，控制输出的数据可以使数码管显示 不同的数字和字符，通常称控制发光二极管的 8 位字节数据为段选码。7 段 LED 段选 码如表 3-1 所示。可以看出，共阳极和共阴极的段选码互为补数。 a bf c g d e D PY L ED gn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g D S? D PY _7-S EG D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED vcc a b c d e f g h D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED a b c d e f g h （a）典型的七段 LED 器件 （b）共阳极 LED 显示器 （c）共阴极 LED 显示器 图 3.13 七段 LED 显示器的结构原理 湖南商学院毕业设计 第 24 页 共 56 页 3.5.2 HD7279A 键盘显示电路设计 图 3.14 HD7279 键盘显示电路图 3.5.3 HD7279A 芯片简介 HD7279A 是一片具串行接口的智能显示与键盘驱动芯片。它可以同时驱动 8 位共 阴式数码管，还能同时连接多达 64 键的键盘矩阵，单片就可完成 LED 数据显示和键 盘驱动的全部功能。HD7279A 内置译码器，可直接接受 BCD 码以及 16 进制码，并同 时具备 2 种译码方式，此外还它还具有多种控制指令 ，如左移、右移、消隐、段寻址 和闪烁等。HD7279A 具有片选信号，可非常方便地实现多位 LED 显示和键盘驱动。 3.5.4 HD7279A 特点 串行接口，无需过多的外围元件，并可以可直接驱动 LED 各位具有独立控制译码/不译码以及消隐和闪烁的属性 具有段寻址指令，方便控制独立的 LED 数码管显示 64 键键盘控制器，内置去抖动电路 具有 DIP 和 SOIC 两种封装形式可供选择 湖南商学院毕业设计 第 25 页 共 56 页 3.5.5 HD7279A 引脚引脚及说明及说明 图 3.15 HD7279A 引脚图 表 3.7 HD7279A 引脚说明 4 软件设计软件设计 采用 unSP IDE 集成开发环境，C 语言编写程序。所有的软件程序都在该开发环境 中编译通过。采用模块化的设计方法，系统主要功能模块有：主程序模块、无线控制 程序模块、温度采集模块等。整个设计的功能是通过硬件电路配合软件程序来达到设 计目的的，当硬件的设计基本完成后，软件的功能即能确定了，此时再根据软件的功 能来进行软件编程。从软件的各部分功能不同可分为五大类: 主机程序：控制系统的核心部分，用来协调键盘显示和无线模块的运行。 从机程序：是控制系统的非常重要的部分，协调温度采集与无线模块的运行。 湖南商学院毕业设计 第 26 页 共 56 页 键盘显示程序：完成实质性的功能，按键跟显示。 温度采集程序：采集温度数据，传送给单片机。 无线模块程序：驱动无线模块的运行，同时协调收发之间的关系。 无线传输协议：无线模块之间专用的通信协议。 4.1 主控制程序设计 本系统控制模块采用一块 16 位凌阳单片机 SPCE061A，完成以下功能：7279 检测 按键是否按下，如果按下，单片机将通过无线模块 nRF2401 向从机发送信号，当从机 发来数据时，无线模块 nRF2401 接收数据，通过单片机处理后送给 HD7279A,HD7279A 来完成 LED 的显示功能，此时温度数据就显示在 LED 上。主机程 序流程图如图 4.1。 从机部分控制模块采用一块 16 位凌阳单片机 SPCE061A，完成以下功能：从机检 测无线模块 nRF2401 数据看主机是否发来开始的信号，如果发来开始的信号，温度传 感器开始工作，并将温度数据传输给从机单片机，从机单片机通过无线模块 nRF2401 将数据发送给主机单片机。从机程序流程图如图 4.2 图 4.1 主机程序流程图 图 4.2 从机程序流程图 湖南商学院毕业设计 第 27 页 共 56 页 4.2 无线模块 nRF2401 程序设计 系统所使用的无线模块的通信是半双工的，即一个在发送的时候，另一个必须是 接收的状态，但是一个无线模块可以有两种状态，即发送状态和接收状态。通过程序 来判断模块的模式是接收模式还是发送模式，从而执行接收数据或发总数据的操作。 图 4.3 无线模块 nRF2401 程序流程图 4.3 HD7279 程序设计 在本系统中，键盘显示采用了专用键盘、显示接口扩展芯片 HD7279，它具有自动 完成键盘输入和显示控制两种功能，有专门的指令及读写时序。其键盘扫描与显示的 流程图分别如图 4.4 和图 4.5 所示。 湖南商学院毕业设计 第 28 页 共 56 页 图 4.4 HD7279 按键程序流程图 图 4.5 HD7279 LED 显示程序流程图 4.4 DS18B20 温度采集模块程序设计 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： 在每一次读写前都要对 DS18B20 进行复位，复位成功之后发送一条 ROM 指令，再发 送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行操作。DS18B20 之后将温度数据传送给单片 机，再由单片机处理传来的温度数据。其程序流程图分别如图 4.6 所示。 图 4.6 DS18B20 温度采集程序流程图 5 调试及结果 5.1 测试环境及工具 测试温度：0100 摄氏度（模拟多点不同温度值环境） 。 测试仪器及软件：数字万用表，温度计 0100 摄氏度。 测试方法：目测。 5.2 测试方法 使系统运行，观察系统硬件检测是否正常（包括单片机最小系统，键盘电路，显 示电路，温度测试电路等） 。系统自带测试表格数据，观察显示数据是否相符合即可。 采用温度传感器和温度计同时测量多点水温变化情况（取温度值不同的多点） ，目测显 示电路是否正常。并记录各点温度值，与实际温度值比较，得出系统的温度指标。使 用串口调试助手与单片机通讯，观察单片机与串口之间传输数据正确否。 湖南商学院毕业设计 第 29 页 共 56 页 5.3 测试结果及分析 表 5.1 测试结果对比数据 数码管显示温度 28303538 温度计目测温度 28.230.135.338.2 误差+0.2+0.1+0.3+0.2 误差百分比7%3.3%8.5%5.2% 自检正常，各点温度显示正常，串口传输数据正确。 因为芯片是塑料封装，所以对温度的感应灵敏度不是相当高，需要一个很短的时 间才能达到稳定。 5.4 误差分析 5.4.1 DS18B20 的误差 (1) DS18B20 传感器的精度较差为2,这是由其内部构造而决定的。 (2) DS18B20 默认的配置是 12 位的转换精度，然而输出的结果只取到小数点后 两位，这也必然造成一小部分数据的丢失，从而造成误差。 (3) 数据在程序对数据的处理中以及各种进制转换中会出现小部分数据丢失的情 况。 5.4.2 温度计测量误差 表 5.2 温度计误差的各种可能 A.感温液体飞溅、断柱而引起的误差 B.感温液体挂壁、跳跃等而引起的误差一、产品原理结构带来的误差 C.非线性误差 A.分格间距不均匀引起的误差 B.分度线宽度引起的误差 C.标尺松动位移造成的误差 D