無線溫度采集與顯示系統(tǒng)

王苗青

無線溫度采集與顯示系統(tǒng)

王苗青

本設(shè)計為無線溫度采集與顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有極高的應(yīng)用價值，為更好地完成本次設(shè)計，小組設(shè)計成員在前期進行了精心準(zhǔn)備，通過收集材料，請教教員，制定了一套可行的設(shè)計方案。為提高設(shè)計的效率，本設(shè)計從硬件和軟件兩個方面入手。對各部分的電路進行了分析，最終成功地實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件電路。我們搜集資料后，將電路原理圖繪制了出來，并在線路板上接上了元件，完成了相應(yīng)的硬件測試。依照硬件的設(shè)計和測控系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，本設(shè)計也對軟件進行了逐個設(shè)計，并通過多次的模擬運行、調(diào)試、修改，簡化了軟件系統(tǒng)，最終構(gòu)成了一套較為完整的程序系統(tǒng)。

DS18B20 傳感器；NRF905；AT89C51

無線溫度采集與顯示系統(tǒng)是一種通過射頻技術(shù)，將采集到的信息傳送并處理的無線測溫裝置。系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、接收發(fā)射模塊、單片機處理器模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊四部分。傳感器模塊采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器芯片，中央處理器為AT89C51單片機，NRF905作為無線收發(fā)裝置。因為采用了專業(yè)的無線發(fā)射裝置NRF905，該系統(tǒng)具有可靠性好，測量精度高，誤差小，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點。溫度傳感器是無線溫度采集與顯示系統(tǒng)的重要組成部分，而其作為頂尖高新技術(shù)產(chǎn)品之一，在各行各業(yè)的生產(chǎn)生活中都具有廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

采用51單片機為核心控制器，測溫裝置采用專業(yè)集成溫度傳感器DS18B20，無線發(fā)射接收模塊采用先進的NRF905模塊，顯示模塊采用功能更為強大的LCD1602液晶顯示裝置。

1.1 溫度傳感器的選擇

溫度傳感器采用DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，其耐磨性好，輕巧靈便，接線方便，封裝類型多樣等特點使其在各種狹小空間的溫度監(jiān)測和控制領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值。測溫范圍在-55～+125℃，使用過程中不需要任何外圍元件，且測溫分辨率可達0．0625度，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和電路，且誤差較小。

（1）DS18B20特性。簡單的多點分布應(yīng)用，無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電，零待機功耗。測溫范圍-55～+125℃，以0．5℃遞增；溫度以9位數(shù)字量讀出；溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間200ms。

（2）DS1820的工作原理。DS1820是這樣測溫的：用具有較高溫度系數(shù)振蕩器確定一個門時期，在這段時間內(nèi)，計數(shù)器的計數(shù)脈沖對低溫度系數(shù)振蕩器計數(shù)，得到溫度值，計數(shù)器在計數(shù)器末端達到0之前預(yù)設(shè)在門周圍的對應(yīng)于55℃的值，溫度寄存器值增加，表明測量溫度大于55℃。

1.2 無線發(fā)射模塊的元器件選擇

（1）NRF905簡介。NRF905無線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ的ISM頻段。主要由頻率調(diào)制器、接收器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)節(jié)器五部分組成。該模塊在超低耗無線收發(fā)器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遙感監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。且該發(fā)射模塊可以很容易通過SPI接口進行編程配置。且功率較小耗電量較低。

（2）NRF905的特性。輸出頻率4MHZ，外部時鐘腳負(fù)載為5PF，晶體為4MHZ，POWERDOWN模式時SPI時鐘為1MHZ，工作在433、868、915MHZ的ISM頻段；通道寬度和通道間隔為200kHZ。

1.3 AT89C51單片機

（1）AT89C51簡介。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory） 的 低 電 壓、 高 性 能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。

（2）AT89C51特性。4K字節(jié)可編程FLASH存儲器；壽命：一千寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間：10年；三級程序存儲器鎖定。

2 硬件電路設(shè)計

本論文設(shè)計的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集/傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由單片機、溫度傳感器、無線傳輸芯片和天線組成。數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)由天線、無線接收芯片nRF905，單片機和液晶顯示屏組成。

2.1 溫度采集發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計

溫度采集與傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境溫度的采集，然后轉(zhuǎn)換成單片機所能識別的數(shù)字信號，信號無線模塊nRF905發(fā)射出去。

（1）溫度采集模塊。該模塊是由美國達拉斯精選公司開發(fā)的一種溫度傳感器DS18B20，用于溫度采集。DS18B20溫度傳感器的溫度測量范圍，負(fù)55到125度，可實現(xiàn)9～12的溫度分辨率，數(shù)據(jù)傳輸方式簡單。該信息通過單線接口發(fā)送給DS18B20，所以從主機CPU到DS18B20只需要一行（接地線）。DS18B20電源可由數(shù)據(jù)線本身提供，無需外部電源。

（2）無線發(fā)送接收模塊。無線傳輸模塊選用低功耗的無線射頻收發(fā)芯片nRF905。芯片工作在ISM的433mh頻段，有一個完全集成的頻率調(diào)制器和解調(diào)器、接收器、功率放大器、晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器。芯片能耗非常低，10dBm的的功率發(fā)射時，工作電流只有30mA，接收電流僅為12．5mA，多種低功耗模式，待機電流僅為12．5ua，節(jié)能設(shè)計更方便。

2.2 模擬SPI口的實現(xiàn)

因為單片機不存在SPI口，為實現(xiàn)單片機nRF905的通訊，需要模擬SPI端口，SPI端口可以通過SPI命令設(shè)置。首先，必須建立設(shè)備的發(fā)送接收模式，以確保有效的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

2.3 液晶顯示模塊（LCD1602）

液晶LCD1602顯示，數(shù)符發(fā)生器ROM可以顯示192個字符，64個字節(jié)的自定義字符RAM，可以自定義8個5′8點陣符或四個5′11點陣符。80個字節(jié)的RAM，標(biāo)準(zhǔn)的接口特性，適配于M6800系列微處理器的操作時序。該模塊結(jié)構(gòu)緊湊、裝配容易、體積小，像素尺寸小、分辨率高。

2.4 串行通信模塊

串行通信模塊采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，采用RS232接口與PC機相連接，完成了單片機與PC機之間的通信配置，串口控制登記端口可以設(shè)置串口通信頻率、數(shù)據(jù)位和波的頻率的設(shè)計參數(shù)是9600bps、數(shù)據(jù)是8位，1個停止位，無奇偶校驗。

3 軟件設(shè)計與調(diào)試

（1）采集模塊軟件設(shè)計。首先，令DS18B20初始化，把收集到的溫度信息發(fā)送到單片機，通過單片機的P1．6和P1．7腳控制DS18B20的SCK和DATA。主機通過SPI接口向905配置寄存器寫入信息并發(fā)送，在這個時候?qū)?shù)據(jù)顯示在LCD1602上。主要是用于和接收模塊顯示的數(shù)據(jù)作為對比，檢驗發(fā)送過程是否出錯。

（2）發(fā)送接收模塊軟件設(shè)計。發(fā)射部分的工作過程為：經(jīng)過熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器對單片機的控制下，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進行收集溫度數(shù)據(jù)的信息加以理后，再把信息發(fā)送給單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，與此同時，由放大器將被測熱電偶的輸出數(shù)據(jù)輸入到單片機當(dāng)中，單片機需先將這些數(shù)據(jù)分組進行打包，然后將其發(fā)送給無線收發(fā)芯片。

在采集模塊軟件設(shè)計這一部分開展的時候，第一步是要把nRF905設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)，TX_EN=1，TRX_ CE=0。

nRF905在ShockBurstTM發(fā)送模式的時候會自行生產(chǎn)CRC檢驗碼和字頭，在發(fā)送過程完成且數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳之后，微處理器會收到數(shù)據(jù)發(fā)射完畢的信息。由以上所述的內(nèi)容不難知道，nRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式的益處在于節(jié)省存儲器和微控制器資源，以及減少了編寫程序所需要用的時間。

（3）顯示模塊軟件設(shè)計。顯示模塊軟件設(shè)計過程為，第一步先將LCD1602初始化。利用數(shù)據(jù)傳輸端口P0．0～P0．6由單片機向顯示器傳輸溫度數(shù)據(jù)的信息。顯示LCD1602正確接收的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成的溫度信息。延時0．8s后，對下一個時間段的溫度數(shù)據(jù)進行重新讀取，進入循環(huán)。

（4）調(diào)試。軟件調(diào)試時，我們主要使用了教員所教的Proteus軟件和keilC51兩個軟件。在軟件調(diào)試的過程中，我們先利用Proteus軟件進行繪制電路圖，并將各個元器件的參數(shù)進行了設(shè)置。然后利用Keil C51 軟件進行編寫程序，并在編譯后再利用Proteus軟件中進行仿真。

在元器件放置方面，把相互之間有所關(guān)聯(lián)的元件放在一起。例如為了提高電路的抗干擾能力，則接地線應(yīng)當(dāng)選擇形成閉合回路，電路提供的電源為+5 V穩(wěn)壓電源。為了有利于得到?jīng)]有誤差的波特率，單片機應(yīng)選用12MHZ的晶振。選用這種晶振尤其有利于與單片機通信。

4 結(jié)語

我們把大部分的時間用在了單片機軟件程序的編輯和調(diào)試以及電路模塊的制作方面，測溫方面由于選擇了單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，測溫比較精準(zhǔn)。在本次的設(shè)計中，我們從開始的迷茫到最后的熟悉，經(jīng)過了無數(shù)次的學(xué)習(xí)。通過本次對畢業(yè)設(shè)計的學(xué)習(xí)，我們的學(xué)習(xí)能力與實踐能力都得到了極大的提升。實驗的過程里，我們遭遇過失敗與挫折，但在教員的指導(dǎo)下都得到了克服。溫度采集與顯示系統(tǒng)的完成，也給予我們信心與成就感。

[1]高雪飛．基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸與液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計．

[2]祝鳳蓮．LCD1602在數(shù)學(xué)鐘中的應(yīng)用．

[3]馬文偉．基于多元統(tǒng)計原理的室內(nèi)舒適度評價系統(tǒng)的設(shè)計．

[4]張舒．基于nRF系列射頻芯片的三導(dǎo)聯(lián)心電遙測系統(tǒng)．

[5]林華．基于ARM的無線數(shù)據(jù)通信模塊的實現(xiàn)．

TP274.2

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1671-0711（2017）08（下）-0194-02