粮仓环境参量无线遥测系统的设计与实现

1、学号：南湖学院毕业设计文档材料题 目：粮仓环境参量无线遥测系统的设计与实现作 者王永届 别2012系 别机械与电子工程系专 业电子信息工程指导老师杨宣兵职 称讲师完成时间2012.05目 录一、南湖学院毕业设计任务书二、南湖学院毕业设计开题报告三、湖南理工学院南湖学院毕业设计中期检查表四、湖南理工学院南湖学院毕业设计答辩申请暨资格审查表五、湖南理工学院南湖学院毕业设计指导教师评价表六、湖南理工学院南湖学院毕业设计评阅教师评价表七、湖南理工学院南湖学院毕业设计答辩记录表八、外文文献翻译南湖学院毕业设计任务书课题名称：粮仓环境参量无线遥测系统设计与实现学生姓名：王 永 系 别：机械与电子工程系专

2、业：电子信息工程指导教师：杨 宣 兵 2011 年 12 月 8 日1、 主题词、关键词温度；湿度； 无线遥测； NRF905；2、 毕业设计（论文）内容要求任务实现粮仓的温度、湿度以及光照条件的测量，并完成测量数据的无线传输，传输距离20m50m，所设计系统包括远端测量节点和中心控制节点。要求1、完成温度、湿度、光照测量传感器的选型，MCU可以选择C8051单片机或者TI公司的MSP430系列单片机，无线通信可以选用NRF905芯片；2、通信速率：1200bps或者2400bps；3、实现远端节点和中心节点硬件电路设计。4、完成测量与数据通信软件设计，远端节点测量数据通过无线方式传输到中心节

3、点，中心节点通过UART串口传输给上位机，可以通过串口调试工具在上位机查看测量数据。5、完成论文以及其他文档撰写。3、 文献查阅指引1.孙肖子等.电子设计指南.北京：高等教育出版社，2006.012.孙肖子等. 模拟及数模混合器件的原理与应用（上册）.北京：科学出版社，2009.093.康华光.电子技术基础（模拟部分，第5版）.北京：高等教育出版社，2006.014.罗杰等.电子线路设计，实验，测试（第4版）.北京：电子工业出版社，2008.045.（日）远坂俊昭.测量电子电路设计模拟篇.北京：科学出版社，2006.066.史锡腾等.单片机开发应用实例基于PC网络的心电监护仪设计与制作.武汉：

4、华中科技大学出版社，2009.037.谢兴红.MSP430单片机基础与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2008.014、 毕业设计进度安排下达毕业设计任务书 2011.12.10完成毕业设计开题报告 2011.12.10 - 2012.01.31毕业设计中期检查 2012.04.10 - 2012.04.15毕业设计定稿与完善 2012.05.10之前毕业设计论文评阅 2012.05.10 - 2012.05.20毕业设计资格审查 2012.05.21 - 2012.05.22毕业设计答辩 2012.05.26 - 2012.05.28教研室意见： 负责人签名： 年 月 日注：本任务书一式

5、三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份交指导教师，一份留系里存档。南湖学院毕业设计开题报告课题名称：粮仓环境参量无线遥测系统设计与实现学生姓名：王 永系 别：机械与电子工程系专 业：电子信息工程指导教师：杨 宣 兵 2011 年 2 月 10 日一、综述国内外对本课题的研究动态，说明选题的依据和意义：（一） 研究动态：人类的日常生活、生产活动和科学实验都离不开测试和信息采集。信息采集就是获取信息，是对实际工作中物理、化学、工程技术等方面的参量和数值信息进行提取的过程。由于信息本身不具备处理、传输的功能，只能通过一定的手段和方法将信息转化为可知的信号，并进行传输。在日常生活、生

6、产活动中，环境中的温度指标在许多场合中都是重要的参数，需要对其进行采集和控制。温度参数很多时候用于对工业工场、仓库管理、粮食蔬菜大棚、花卉温室、医疗制药等领域，需要对其监控，以达到生产生活需要，并及时对测试结果做出相应的处理。故研究温度数据采集系统具有很好的实际应用价值。随着科技的不断发展，传感器技术已成为国内外优先发展的科技领域之一，应用越来越广。温度数据采集的实现需要从对现场温度数据的有效获取开始，采用温度传感器能够实现对温度数据的有效采集及简单处理。随着集成芯片及各种无线技术的发展，针对一些现场环境比较复杂的地方，有线传输方式的布线会比较繁琐且不适宜在偏远、环境恶劣的情况下使用，而无线传

7、输方式可以避免以上的问题，且在采集点较多和需更换采集位置的场合显得更为方便简单。（二）依据和意义：目前无线传输有很多种方式，根据通信距离可以分为无线广域网（WAN）、无线局域网（WLAN）和无线个人网（WPAN）。GSM、CDMA 和第三代移动通信技术（3G）能实现远距离的通信，属于 WAN 领域；WLAN 和 WPAN 领域中，短距离无线通信技术有 UWB 无载波通信技术、ZigBee 技术、Wireless USB 技术、蓝牙、Wi-Fi 技术等。本文采用由无线射频收发芯片与 MCU 组成的无线通信模块进行温度数据的无线收发。射频收发芯片可工作在免费 2.4GHz 的 ISM 频段，无需向

8、中国无线电申请频段，具有低功耗的优点从而能够免除布线的麻烦，提高设备的可移动性，方便移动测试位置和随时增减点采集数目。此种构成的无线的模块，在传输速度和可靠性等通信实现能力上能够基本达到有线通信的标准。本文单片射频收发芯片采用挪威公司的 nRF905，其可满足低功耗、开发周期短的要求且集成模块小便于嵌入其他设备中使用。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：研究的基本内容：1基于单片机设计一无线测温系统。2整个系统分为四个模块：电源模块、温度数据采集模块、无线通信模块和上位机显示模块。3采用Verilog HDL语言对模块进行编程。4设计出无线测温的结构电路。拟解决的主要问题：1温度传感器的原理

9、：（1） 预置计数器1和温度寄存器。预置值为-55所对应的某一基数。（2） 当低温系数振荡器产生一个脉冲时，计数器1就减1。（3） 当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器加1，同时将计数器1重置。（4） 在计数器2减到0（即门周期结束）之前，重复对低温系数振荡器产生的脉冲进行计数。2用Verilog语言来编写它的四个模块，然后完成电路设计。3通过QuartusII软件仿真，在频率计的测量范围，通过4位数码管显示出结果。三、研究的步骤、方法、措施及进度安排研究的步骤：1查阅文献，了解国内外研究动态。2完成了理论部分的研究。3基于单片机实现有以下功能的无线测温： 1）测量范围：300米； 2）4位

10、数码管显示数字温度。4使用QuartusII仿真平台上编译、仿真、调试。5撰写论文。研究的方法：系统可以有多个温度数据采集点，每个数据采集点包括一个小的温度数据采集系统和一个无线模块。当有多个数据采集点时，采集点与上位机的通信通过无线模块，采用轮询的方式对各个采集点进行通信。进度计划：2011.12.10 下达毕业设计任务书2011.12.112011.03.01 查阅资料，完成开题报告2012.03.022012.04.09 电路设计、原理分析、论文撰写2012.04.102012.04.15 中期检查2012.04.162012.05.10 论文修改与完善，英文文献翻译2012.05.11

11、2012.05.17 送指导老师和评阅老师评审2012.05.182012.05.20 答辩资格审查2012.05.212012.05.23 毕业设计答辩四、主要参考文献：1孙肖子等.电子设计指南.北京：高等教育出版社，2006.012孙肖子等. 模拟及数模混合器件的原理与应用（上册）.北京：科学出版社，2009.093康华光.电子技术基础（模拟部分，第5版）.北京：高等教育出版社，2006.014罗杰等.电子线路设计，实验，测试（第4版）.北京：电子工业出版社，2008.045（日）远坂俊昭.测量电子电路设计模拟篇.北京：科学出版社，2006.066史锡腾等.单片机开发应用实例基于PC网络的

12、心电监护仪设计与制作.武汉：华中科技大学出版社，2009.037谢兴红.MSP430单片机基础与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2008.018苏晓龙，王香婷.基于RS-485总线的数据采集系统J.仪表技术与传感器，2007.069付浩伟，向凤红，程加堂，李静.基于DS18B20传感器的温度数据采集系统的设计J.机械工程与自动化，2007.1210张红霞, 丁国清. 一种嵌入式数据采集及传输系统的设计与实现J.电子测量技术，2008.0311彭永供,杨若波. 3种温度数据采集系统的设计与选型J. 传感器与微系统，2009.0413黄慧，段兴辉. 基于DS18B20的高分辨率温度数据采集J.

13、电子测量技术，2009.0814李虹,温秀梅,高振天.基于MSP430 单片机和DS18B20 的小型测温系统J. 微计算机信息,2006.09指导教师意见： 指导老师（签名）： 年 月 日教研室意见： 负责人（签名）： 年 月 日湖南理工学院南湖学院毕业设计中期检查表设计题目粮仓环境参量无线遥测系统设计与实现学生姓名王永学 号系 别机械与电子工程系专 业电子信息工程指导教师杨宣兵检查日期2014.4.12指导教师检查情况记载及修改意见：从开题到现在，该生认真执行指导老师下达的任务书内容，明确了课题的研究内容和具体要求，并严格按照开题报告中的研究进度在进行工作，工作进展总结如下：1） 1）查阅

14、了大量与MSP和DS18B20设计相关的文献材料，对课题进行了认真分析，完成了对课题研究动态的综述。2）用Verilog HDL语言编写了温度传感器实现程序并通过Qvuartus II进行了功能仿真。3）毕业论文已完成初稿。下阶段的工作安排：1）进一步完善设计部分。2）针对论文初稿的问题，对论文进行进一步的修改。3）完成英文文献的翻译工作。4）准备好答辩材料。签名： 注：此表用于指导教师在学生毕业设计（论文）初稿完成后对学生执行任务书情况进行中期检查时用，由指导教师填写。湖南理工学院南湖学院毕业设计答辩申请暨资格审查表学生姓名王永学 号系 别南湖学院机电系专 业电子信息工程班 级N电信08-1

15、F指导教师杨宣兵毕业设计题目：粮仓环境参量无线遥测系统的设计与实现内容综述： 本设计以射频收发芯片 nRF905 为核心，以模块搭建设计为指导思想，搭建无线温度采集系统，系统主要由数据采集模块和无线传输模块组成。搭建无线温度数据采集系统，并对该系统的可能性进行的探讨。利用该系统，我们可以快捷方便的收集到离接收端口五十米范围内的温度参数，适应于各种不同场合。数据采集模块以数字式温度传感器 DSl8B20 监测温度参数。无线数据传输模块通过 nRF905 芯片进行数据收发处理。本设计给出其与MSP430F449 的接口电路设计和接收端通过电平转换芯片 MAX3232 与 PC 机连接。 以上就论文

16、的主要内容进行了叙述。综上所述，我认为已经符合答辩的要求，再次，郑重地向各位老师提出答辩申请，恳请老师批准。 申请人： 资 格 审 查 项 目是否01工作量是否达到所规定要求02文档资料是否齐全（任务书、开题报告、答辩申请、定稿论文及其相关附件资料等）03文档是否符合规范化要求04是否按时向指导教师提交全部正式材料05是否剽窃他人成果或者直接照抄他人设计（论文）06是否为已公开发表的个人论著备选是否多人设计一个系统或者合作一个课题(多人设计一个系统或者合作一个课题)内容是否雷同系毕业设计（论文）工作领导小组意见：符合答辩资格，同意答辩 不符合答辩资格，不同意答辩（公章）_年 月 日注：此表为学

17、生毕业设计（论文）定稿后申请答辩，及系领导小组对申请答辩学生进行资格审查时用；资格审查项目由指导教师填写。湖南理工学院南湖学院毕业设计评价表毕业设计题 目基于FPGA的频率计的设计学生姓名曹诗章系 别机械与电子工程系专 业电子信息工程指导教师邓己媛评 价 项 目ABCD选题质量01选题符合专业培养目标，体现综合训练基本要求02题目难易度03题目工作量04题目与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度毕业设计质量05综合运用知识的能力（涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）06应用文献资料的能力07实验（设计）能力08计算能力（数据运算与处理能力等）09外文应用能力10计算机应用能力11对实验结果

18、的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）12插图（或图纸）质量13论文（或设计说明书）撰写水平14论文（或设计）的实用性与科学性15论文（或设计）规范化程度（论文（或设计）栏目齐全合理、SI制的使用等）16创见性综合评价优 良 中 及格 不及格 评语 该生基于FPGA设计了一数字频率计，实现了对09999HZ的频率进行测量的功能，符合电子信息工程专业培养目标。整个设计思路比较清晰、合理，实现的过程衔接性较好，体现了一定的分析、解决问题的能力。同时撰写的论文结构较严谨，论述层次较清晰，格式规范，语句通顺，基本符合论文的规范化要求，建议提交论文答辩。 论文评分：72分 签名： 注：此表为指导

19、教师对学生毕业设计的定稿分别进行评阅时用。湖南理工学院南湖学院毕业设计评价表毕业设计题 目基于FPGA数字频率计的设计学生姓名曹诗章系 别机械与电子工程系专 业电子信息工程评阅教师彭仕玉评 价 项 目ABCD选题质量01选题符合专业培养目标，体现综合训练基本要求02题目难易度03题目工作量04题目与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度毕业设计质量05综合运用知识的能力（涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）06应用文献资料的能力07实验（设计）能力08计算能力（数据运算与处理能力等）09外文应用能力10计算机应用能力11对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）12插图（或图纸

20、）质量13论文（或设计说明书）撰写水平14论文（或设计）的实用性与科学性15论文（或设计）规范化程度（论文（或设计）栏目齐全合理、SI制的使用等）16创见性综合评价优 良 中 及格 不及格 评语 本设计以FPGA现场可编程门陈列为控制核心，完成了五个模块的设计，从而设计出数字频率计，编写了相应的程序，在Quartus平台上进行仿真；论文结构较合理，文字通畅，图表规范，达到了毕业设计的要求，建议提交答辩。 成绩：75分签名：注：此表为评阅教师对学生毕业设计的定稿分别进行评阅时用。湖南理工学院南湖学院毕业设计答辩记录表毕业设计题 目基于FPGA的频率计的设计系 别机械与电子工程系专 业电子信息工程

21、学生姓名曹诗章学 号指导教师邓己媛答辩时间2011年5月21日记 录 人邓己媛答辩地点6111答成辩员小名组单姓 名职 称姓 名职 称刘 靖教 授万忠民副教授邓己媛讲 师答辩过程记录：一、答辩人陈述本文通过对EDA的基本概念和数字频率计基本原理的了解,设计出基于FPGA的数字频率计。该设计以FPGA现场可编程门阵列为控制核心,把整个系统分为五个模块,分别为分频器模块、测频控制信号发生器模块、十进制计数器模块、4位锁存器模块、7段译码器模块。同时应用Verilog HDL语言对模块进行编程,最后在QuartusII仿真平台上编译、仿真，基本实现电路功能。二、老师提问1、0-9999Hz是否要分段

22、测量？答：0-9999Hz是要分段测量。分段测量能更加精确、更加简单的测出比较复杂的信号。比如0.0001Hz。2、时钟输入频率是否是定值？具体是多少？答：时钟输入频率是定值。由于系统在设计过程加了个分频器模块，所以它的输入频率是2Hz。3、等精度测量法原理？答：等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改变计数器的计数开始和结束与闸门门限的上升沿和下降沿的严格关系。当闸门门限的上升沿到来时，如果待测量信号的上升沿未到时两组计数器也不计数，只有在待测量信号的上升沿到来时，两组计数器才开始计数；当闸门门限的下降沿到来时，如果待测量信号的一个周期未结束时两组计数器也不停止计数，只有在待测量信

23、号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。 4、测频控制信号发生器产生哪几个信号？答：测频控制信号发生器产生三个信号：1） 计数使能信号：高电平有效。控制计数器，当高电平来时，开始计数；2）计数器清零信号：高电平有效。当计数开始之前，信号开始清零，准备下次计数；3）锁存信号：高电平有效。当计数完后，产生一个锁存信号，把结果锁存，保证系统稳定输出。5、输入的是什么信号？怎么验证结果？答：输入两个信号：时钟信号，大小为2Hz；待测信号，自由输入。把待测信号给出一个定制输入进来，然后与数码管显示的结果做比较，如果相同，证明系统是正确的。三、修改意见对论文的格式做进一步的修改。答辩小组评语： 论文利用E

24、DA自顶向下的思想，用Verilog HDL语言编程实现了一量程从0到9999HZ的数字频率计，并利用QuartusII进行了功能仿真，结果表明该设计基本实现了数字频率计测频、显示功能，表明作者理论知识较扎实，计算机编程能力较强，具备了一定的分析问题和解决问题的能力。答辩时能较流利地陈述设计的主要内容，对评委的提问能简明扼要的阐述，回答内容基本正确。论文结构较完整，层次清晰，符合规范化要求，达到本科毕业论文水平。答辩评定等级：优 良 中 及格 不及格 答辩小组全体成员签名： 系毕业设计（论文）工作领导小组意见： 综合毕业设计（论文）的质量、答辩情况及指导教师和评阅教师的意见 ，该毕业设计（论文

25、）的最终成绩评定为 优 良 中 及格 不及格 负责人签名（加盖公章）： 注：此表由答辩小组组织填写。学号 南湖学院机械与电子工程系2011届毕业设计外文文献翻译文献名称：ARM microprocessorARM微处理器学生姓名：曹诗章指导教师：邓己媛完成时间：2011年5月5日1 The introduction and development of microprocessor1.1 The history of the MicroprocessorThe first microprocessor was originally developed for a calculator, and

26、 revolutionary for its time, it contained 2,300 transistors on a 4-bit microprocessor that could perform only 60,000 operations per second. The first 8-bit microprocessor was the Intel 8008, developed in 1972 to run computer terminals. The Intel 8008 contained 3,300 transistors. The first truly gene

27、ral-purpose microprocessor, developed in 1974, was the 8-bit Intel 8080 (see Microprocessor, 8080), which contained 4,500 transistors and could execute 200,000 instructions per second. Modern Microprocessors have much greater capacity and speed. They include the Intel Pentium Pro, containing 5.5 mil

28、lion transistors.1.2 The future Technology of the MicroprocessorThe technology of microprocessors and integrated-circuit is developing rapidly. Currently, the most sophisticated microprocessors contain about ten million transistors. By the year 2000, advanced microprocessors are expected to contain

29、more than 50 million transistors, and about 800 million by 2010.Lithographic techniques will also require improvements. By the year 2000, minimum element size is less than 0.2 micros. At these dimensions, even short-wave-length ultraviolet light may not reach the necessary resolution. Alternative po

30、ssibilities include using very narrow beams of electrons and ions or replacing optical lithography with lithography that uses X rays of extremely short wavelength. Using these technologies, clock speeds could increase to more than 1,000 MHz by 2010. It is expected that the limiting factor in micropr

31、ocessor performance will be the behavior of the electrons themselves as they are propelled through the transistors. At extremely small dimensions, quantum effects due to the wavelike nature of electrons could dominate the behavior of transistors and circuits. New devices and circuit designs may be n

32、ecessary as microprocessors approach atomic dimensions. Techniques including molecular-beam epitaxy, in which semiconductors are layered one atom at a time in an ultra-high-vacuum chamber, and scanning tunneling microscopy, whereby single atoms can be viewed and even moved with atomic precision, may

33、 be the tools needed to produce future generations of microprocessors. 1.3 The introduction of the MicroprocessorThe microprocessor is one type of ultra-large-scale integrated circuit. Integrated circuits, also known as microchips or chips, are complex electronic circuits consisting of extremely tin

34、y components formed on a single, thin, flat piece of material known as a semiconductor. Modern microprocessors incorporate as many as ten million transistors (which act as electronic amplifiers, oscillators, or, most commonly, switches), in addition to other components such as resistors, diodes, cap

35、acitors, and wires, all packed into an area about the size of a postage stamp. A microprocessor consists of several different sections: the arithmetic/logic unit （ALU）performs calculations on numbers and makes logical decisions; the registers are special memory locations for storing temporary inform

36、ation much as a scratch pad does; the control unit deciphers programs; bused carry digital information throughout the chip and computer; and local memory supports on-chip computation. More complex microprocessors often contain other sections-such as sections of specialized memory, called cache memor

37、y ,to spend up access external data-storage devices. Modern microprocessors operate with bus widths of 64 bits （binary digits, or units of information represented as 1s and 0s）,meaning that 64 bits of data can be transferred at the same time. A crystal oscillator in the computer provides a clock sig

38、nal to coordinate all activities of the microprocessor. The clock speed of the most advanced microprocessors is about 300 megahertz (MHz) about 300 million cycles per secondallowing about a billion computer instructions to be executed every second.Microprocessors functions is the central processing

39、unit of a computer, providing computational control. Microprocessors are also used in other advanced electronic systems, such as computer printers, automobiles, and jet airlines.1.4 MicrocontrollerA microprocessor is not a complete computer. It does not contain large amounts of memory or have the ab

40、ility to communicate with input devices-such as keyboards, joy-sticks, and mice-or with output devices, such as monitors and printers. A different kind of integrated circuit, a microcontroller, is a complete computer on a chip, containing all of the elements of the basic microprocessor along with ot

41、her specialized functions. Microcontrollers are used in video games, videocassette recorders (VCRs), automobiles, and other machines.1.5 Construction of MicroprocessorThe first step in producing a microprocessor is the creation of an ultrapure silicon substrate, a silicon slice in the shape of a rou

42、nd wafer that is polished to a mirror like smoothness. At present, the largest wafers used in industry are 200 mm (8 in) in diameter.In the oxidation step, an electrically nonconducting layer, called a dielectric, is placed between each conductive layer on the wafer. The most important type of diele

43、ctric is silicon, which is grown by exposing the silicon wafer to oxygen in a furnace at about 1000 (about 1800). The oxygen combines with the silicon to form a thin layer of oxide about 75 angstroms deep (an angstrom is one ten-billionth of a meter).Microprocessor are fabricated using techniques si

44、milar to those used for other integrated circuits, such as memory chips. Microprocessors generally have a more complex structure than do other chips, and their manufacture requires extremely precise techniques. Economical manufacturing of microprocessors requires mass production. Several hundred die

45、s, or circuit patterns, are created on the surface of a silicon wafer simultaneously. Microprocessor s are constructed by a process of deposition and removal of conducting, insulating, and semiconducting materials, one thin layer at a time until, after hundreds of separate steps, a complex sandwich

46、is constructed that contains all the interconnected circuitry of the microprocessor. Only the outer surface of the silicon wafer-a layer about 10 microns (about 0.01 mm/0.0004 in) thick (about one-tenth the thickness of a human hair)is used for the electronic circuit. The processing steps include su

47、bstrate creation, oxidation, lithography, etching, ion implantation, and film deposition.Nearly every layer that is deposited on the wafer must be patterned accurately into the shape of the transistors and other electronic elements. Usually this is done in process known as photolithography, which is

48、 analogous to transforming the wafer into a piece of photographic film and projecting a picture of the circuit on it. A coating on the surface of the wafer, called the photoresist or resist, changes when exposed to light, making it easy to dissolve in a developing solution. These patterns are as sma

49、ll as 0.25 microns in size. Because the shortest wavelength of visible light is about 0.5 microns, Short-wave-length ultraviolet light must be used to resolve the tiny details of the patterns. After photolithography, the wafer is etched-that is, the resist is removed from the wafer either by chemica

50、ls, in a special vacuum chamber.In the next step of the process, ion implantation, impurities such as boron and phosphorus are introduced into the silicon to alter its conductivity. This is accomplished by ionizing the boron or phosphorus atoms (stripping off one or two electrons) and propelling the

51、m at the wafer with an iron implanter at very high energies. The ions become embedded in the surface of the wafer.Microprocessor features are so small and precise that a single speck of dust can destroy an entire die. The rooms used for microprocessor creation are called clean rooms because the air

52、in them is extremely well filtered and virtually free of dust. The purest of todays clean rooms are referred to as class 1, indicating the maximum number of allowed particles larger than 0.12 micron in one cubic foot of air. （For comparison, a typical home is class one million or so.）The thin layers used to build up a microprocessor are referred to as films. In the final step of the process, the films are deposited using