无线温度监测系统的设计

1、无线温度监测系统的设计the design of wireless temperaturemonitoring system摘要木设计主要介绍y由nrf905所构成的无线温度监测系统的整体设计思路。木无线 温度监测系统选用yat89s52单片机作为主要控制芯片，利用nrf905无线收发模块来 进行数据交换，ds18b20可组网数字温度传感器芯片检测温度以及lcd1602來显示数 裾。使用无线温度监测系统可以大大节省人工资源，操作简便，无需铺设线缆，既方 便了温度的监测又节省了施工成本，且将人与设备分开，保障了操作人员的安全，对 生产生活都冇着重要意义关键词：无线收发元件；温度传感器；at89s

2、52；显示abstractthis design introduced the design ideas about wireless temperature monitoring system composed of nrf905. the system based on the control of at89s52 scm，and using wireless sending and receiving module nre905 to data transmission，and dallas single line digital thermometer to test the temp

3、erature data and lcd1602 to display the information. with the wireless temperature monitoring system, we can save human resources, the system is easy to use and we don' t need to lay cable, both provedconvenient to monitor temperature and saved cost, also we separate people and equipment, so wc

4、can ensure the safety of the operation staff ， it' s meaningful to both production and life-key words:wireless transceiver component; temperature sensor; at89s52; display目录1绪论51. 1选题的意义51.2本设计的基本构成及工作原理51.2. 1系统的基本构成51.2.2系统工作原理52硬件结构设计62. 1 ds18b20可组网数字温度传感器62.2 at89s52 单片机62. 2. 1引脚说明72.3 nrf9

5、05无线射频模块82.4 lcd 1602液晶显示屏93系统程序设计103.1发送端程序设计103.2接收端程序设计114调试与分析125总屬147参考文献148 隱156 麵24绪论1.1选题的意义温度与生产及生活密切相关，在很多场合中，如变电站，工厂，仓库等场所，温度的 变化会产生重要的影响。同样的，在生活屮，例如大型商场，交通设施等地也需耍实时的 温度数据。因此，温度的监测就显得十分冇必耍。经常使用的温度检测方法耗时长、施工 繁杂，效率低，且不便于监管，一旦发生故障，就要消耗大量的人力物理去排查和重新铺 设线缆。而在某些特定场合下会出现监测点分散、环境封闭或有高电压，很多测温方式 无法实

6、现测量工作。因此，需要一种新型而乂便于维修管理的温度监测系统来代替传统的 温度检测方式。而利用无线温度监测系统，不需要铺设电缆，可以大幅节省费用和时间。而h,当 生产需求改变而需要对测量点位置和数量做出改变也非常方便。wj以对各种恶劣环境条件 卜*，设备温度变化情况进行实吋、远程在线监测预警，方便相关人员在第一吋间掌握设备 运行状况。随着无线电领域的发展，数据进行无线传输的方式也有多种选择，如远距离的 gprs,近跑离的蓝牙，wifi等，每一种都冇其独特的优点。1.2本设计的基本构成及工作原理1.2.1系统的基本构成本次设计的温度监测系统主要是由两人部分组成的：处理控制系统和测量系统。处 理控

7、制系统是整个设计的核心，主要负责与测量系统交换数裾并完成显示和控制的功能， 硬件方而由单片机，无线收发模块，显示芯片共同完成。测量系统主要负责温度测量，数 据收集和发送到过程控制系统，硬件由单片机，无线收发模块，温度传感器三部分组成。1.2.2系统工作原理无线温度监测系统是一种基于无线收发技术的无线温度监测装置。本系统屮传感器和 无线收发机，以及显示屝三部分组成。传感器部分由温度传感器18b20,单片机89c52,和无线收发模块nkf905等组成，传感器采用电源供电；无线收发机无线接收来s t传感器 的温度数据，经由单片机处理、保存后在lcd1602显示屏上显示。原理框阁如阁1.1所示阁1.1

8、系统原理框阁硬件结构设计2.1 ds18b20可组网数字温度传感器本次设计的系统中选用了dallas公司的数字式智能温度传感器ds18820属于新一代 适配微处理器的智能温度传感器，可广泛应用丁军事、工业、k用等范畴的温衡量及控 制仪器、测控系统和大型设备之中。它具备体积小，接口方便，传输范围大等优良特质。 ds18b20的测温范岡从-55°c至+125°c,能够分别在93. 75nis和750nis内完成温度值转换 和读取。ds18b20外形简单且体积小，它仅有三只管脚，分别是电源引脚vcc、接地引脚 gnd和输入/输出引脚dq，只需通过单线接口dq就能够实现与单片机的信

9、息交换。首先，木系统由单片机at89s52向数字温度传感器ds18b20芯片发出指令进行测温， ds18b20主要由四个部份构成：温度传感器、64位光刻rom、配置寄存器、非挥发的温度 报警触发器th和tl。gnd为电源地dq为数字信号输入/输岀端；vdd为外接供电电源输 入端。对温度的监测可以用ds18b20中的温度传感器实现。在硬件方面，ds18b20与单片 机的连接冇两种方式，一种是vcc接外部电源，i/o接单片机t/0, gnd接地；另一种是 用寄生电源供电，用这种方法则udd、gnd接地，i/o接单片机i/o。不论是哪种供电方 式，i/o 口线都要接大约5kq的上拉电阻。ds18b2

10、0内部结构图如图2. 1所示。电源检测64位 kjm 和 靴fen<>温度灵敏元件低溫触义器tl品温触发器th8 ft crc生成器图2.1 ds18b20内部结构图2.2 at89s52 单片机at89s52是一种利用atmcl公司高密度非易失性存储器技术制造的带4k字节闪烁可编 程可擦除只读存储器的低电压，高性能cm0s8位微处理器。与工业80c51产品指令和引脚 完全兼容。片上flash容许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。at89s52在众 多领域中得到广泛应用是因为在单芯片上，具有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash。 这款单片机对开发设备要求低，需要的时间短

11、且价格便宜，因此木设计最终确定使用 at89s52作为主控芯片。数据传送给at89s52单片机，八位数据的传输分为两次然后单片机编译为四位数据 由数码管显示，第一个是正、负温度数据，肜三位为带小数点的当前温度。数据也被送 至无线传输模块nkf905进行无线传输。2.2.1引脚说明at89s52引脚图如图2. 2所示:(t2) p1.0 匚 vcc140(t2 ex) p1.1 匚239 po.o (ado)p1.2 匚338 p0.1 (ad1)p1.3 匚437 p0.2 (ad2)p1.4 匚536 p0.3 (ad3)(mosi) p1-5 匚635p0.4 (ad4)(miso) p1

12、.6 匚734p0.5 (ad5)(sck) p1.7 匚833p0.6 (ad6)rst匚932p0.7 (ad7)(rxd) p3.0 匚1031 ea/vpp(txd) p3.1 匚1130 ale/prog(into) p3.2 匚1229 psen(int1) p3.3 匚1328p2.7 (a15)(to) p3.4 匚1427p2.6 (a14><t1) p3.5 匚1526 p2.5 (a13)(wr) p3.6 l1625j p2.4 (a12)(rd> p3.7 匚1724p2.3 (a11)xtal218231 p2.2 (a10)xtal1c1922p

13、2.1 (a9)gnd厂2021刁 p2.0 (a8>dip-40封装89s52引脚阁2. 2 at89s52引脚阁p0 p0 口是一个8位漏极开路的双向i/o 口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电 平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0 口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，p0不具有内部上拉电阻。在flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要 外部上拉电阻。pl hp1 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o 口，pi输fli缓冲器能驱动4个ttl逻 辑电平。此外，p1.0和pl

14、. 1分别作定时器/计数器2的外部计数输入(p1.0/t2)和定时器/ 计数器2的触发输入(pl. 1/t2ex)。在flash编程和校验时，pl 口接收低8位地址字节。p2 hp2 口是一个具冇内部上拉电阻的8位双叫t/0 口，p2输出缓冲器能驱动。4个ttl逻辑电平。对p2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时对以作为 输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，p2 口送出高八位地址。在 这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器 时，p2 口输出p2锁存器

15、的内容。在hash编程和校验时，p2 口也接收高8位地址字 节和一些控制信号。p3 p3 li是一个異宥内部上拉电阻的8位双向i/o 1，p3输出缓冲器能驱动4个ttl 逻辑电平。p3 口亦作为at89s52特殊功能使用，如下表所示。在flash编程和校验时， p3 口也接收一些控制信号。此外，p 3 口还接收一些用于flash闪存编程和程序校验的控制信号。rst复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复 位。ale/prog当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale输出脉冲用于锁存地址的低8位字 节。一般情况下，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出定的脉冲信号，

16、因此它可对外输 出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。 对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如奋必要，可通过对特殊功能寄 存器区中的8eh单元的do位置位，可禁止ale操作。该位置位后，只冇一条movx和 movc指令方能将ale激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序吋，应设 置ale禁止位无效。psen程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89s52由外部程序存储 器取指令时，每个机器周期两次psen省效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数 据存储器，将跳过两次psen信号。xtal1振荡器反相放大器和

17、内部时钟发生电路的输入端。xtal2振荡器反相放大器的输出端。2.3 nrf9o5无线射频模块nrf905无线芯片是挪威nordtc公司出品的低于1ghz的无线数裾传输芯片。芯片内 置频率合成器、功率放大器、品体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通讯频道可 通过程序进行配置。非常适合于例如本次设计的这类低功耗、低成本的系统设计。nkf905采用了vlsishockburst技术，使nkf905可以供应高速的数据传输，丼且不需 要昂贵的高速mcu来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与rf协议相关的高速信号处理放 到芯片内，nrf905提供给应用的微控制器一个spt接口，速率由微控制器本身设置的接

18、i i速率决定。nrf905通过shockburst工作模式在rf以最大速率进行连接时降低数字极用 部分的速率来降低在应用屮的t均电流消耗。在shockburst k x模式屮，地址匹配am和 数据准备就绪d k信号通知mcu 个冇效的地址和数据包已经各內实现接收。在 shockburst tx模式中，nrf905自动产生前导码和crc校验码，数据准备就绪dr信号 通知mcu数据传输已经完成。这种情况意味着降低ymcu的存储器需求也可以说是降低丫 mcu成本，又同时缩短软件开发周期。nrf905冇两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是shockburst t m接收 模式和shockb

19、urst tm发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nrf905的 工作模式由tkx_ce、tx_en和pwk_up三个引脚决定。与射频数据包相关的高速信号 处理都在nrf 905片内进行，数据速i由微控制器配置的spi接口确定，数据在微控制 器屮低速处理，但在nrf905屮高速发送，因此，在这中间有很长的闲置时间，这在很 大程度上减少了能量消耗。由于nrf905工作在shockburst tm 10模式，所以使用低速的 微控制器也能获得很高的射频数据发射速率。在shockburst tm接收模式下，当一个含有 正确地址的数据包被接收到后，地址匹配和数据接收完成两引脚通知微控制器。在

20、 shockburst tm发送模式，nrf905自动生成字头和crc校验码，当发送过程完成后，数据 接收完成引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nrf905的shockburst tm 收发模式可以奋效地节约存储器和微控制器资源，同时也缩短了编写程序的耗时。nre905通过siu接口和微控制器进行数据传输，通过shockburst tm收发模式进行无 线数据发送，收发可靠，使用方便。数据通过无线传输和接收并传送到接收端的at89s52 单片机，然后单片机的数据可以被转换成一个能够在lcd1602液晶妞示器上敁示的数据。2.4 lcd1602液晶显示屏lcd1602液晶也叫lcd16

21、02字符型液晶显示屏，它是一种专门用来显示字母、数字、 符号等的点阵型液晶模块。它由几个5x7或者5x11等点阵字符位构成，每一个点阵字符 位都可以.显示一个字符，每位之间有一个点距的问隔，每行之间也有问隔，起到了字符 间距和行间距的功能，因此，它不能够很直观地显示图形。lcd1602是指显示的内容为16x2,即可以显示两行，每行1 6个字符液晶模块数据经过无线传输后，温度信息将在lcd1602液晶显示芯片上进行显示，lcd1602液 晶显示芯片采用标准的14脚接ij，其中vss为地电源，vdd接5v正电源，v0为液晶显 示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高

22、或过 低都会影响显示效果，在使用吋可以利用一个10k的电位器调整对比度。rs是寄存器选 择，高电平则选择数据寄存器、而低电平则选择指令寄存器。rw是读写信号线，高电平 读，低电平写。当rs和rw都是低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低，rw都 是为高电平时可以读忙信号，而当rs为高，rw为低电平时可以写入数据。e端为使能端， 当e端由高电平变为低电平时，液晶模块执行命令。d0d7为8位双向数据线。lcd 1602液晶显示模块是一个慢妞示器件，所以在执行每条指令之前必须要确认模 块的忙标志为低电平，意思是不忙，否则指令无效。要显示字符吋要先输入显示字符地 址，也就是告诉模块字符显示在哪里

23、。最终通过液晶显示麻和数码管的温度数椐对比， 判断进行无线的温度传输的数据是否正确。系统程序设计3.1发送端程序设计木系统发送端选用ds18b20温度传感器进行温度采集，经过at89s52收集和处理数 据，在数码管显示温度数据，如果温度过高，则单片机控制继电器工作，再由xrf905模 块发送到接收端。其中包括ds18b20和nrf905模块的初始化配置。软件流程图如图3. 1。阁3.1发送端软件流程阁申片机对ds18b20的访问过程是：先对ds18b20进行初始化，再进行rom操作命令， 完成后，冰可以对存储器进行数据操作。ds18b20每一个步骤的操作都要遵循严格的工作 时序和通信协议。例如

24、主机控制ds18b20完成温度转换的这一过程，根据ds18b20的通讯 协议，须耍经三个步骤：每一次读写操作之前都要对ds18b20进行复位，复位成功后发送 一条rom指令，最后发送ram指令，这样冰可以对ds18b20进行预定的操作。3.2接收端程序设计本系统的接收端采用nrf905无线模块接收来自发送端的温度数据，经单片机 at89s52在lcd1602液晶显示器上显示。温度过高则触发高温报辔电路。最后，at89s52通 过串口把数据传送到pc。其中包括nrf905模块和lcd1602液晶显示器的初始化。流程图 如图3 . 2。图3. 2接收端软件流程图调试与分析我在元器件的布局方面，把相

25、互有关的元件放得比较近，例如：晶振、单片机的时 钟输入端都易产生噪咅，在放置元件时的时候把它们靠近些。对于那些易产生噪声的器 件、小电流电路、大电流电路、开关电路等，我尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和 存储电路（rom、ram），更加有利于抗干扰，提高电路丄作时的可靠性！我的地线应构成闭环形式，提高了电路的抗干扰能力。我也安装了三极管7805进行 稳压，是我的电路冇稳定的+5 v电源。我在布置电源线方面根据电流的大小尽是加粗直 线宽度，在介线进还使电源线、地线的走线方向与数据线的走线方向一致，在布线工作 的，用地线将电路板的底层没有走线的地方铺满，因为冇助于增强电路的抗干扰能力。我选用11.

26、0592mhz的晶振，因为这样冇利于得到没冇误差的波特率。特别是当与单 片机进行通信的话，选用这种晶振比较好。由于单线数字温度传感器ds18b20,测温相当准确，我主要吋间花在了，单片机软件 程序的编辑和调试以及电路模块的制作方面。在使用nrf905进行无线传输吋，使用的程 序就是模块自带的程序，我们所要做的就是进行稍许修改，进行调用函数。在进行串口转换时，要注意的就是与无线模块对接时，单片机的db9的2, 3 口所对 应的是无线传输模块的3, 2 口，因此，在焊接单片机的db9接口时，与电路阁的2, 3脚 要相互交换连接。基于ds18b20的温度测量装置：温度传感器ds18b20将被测环境温

27、度转化成带符号的 数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），输出脚i/o直接与单片机的p1. 1相连， r1为上拉电阻，传感器釆用外部电源供电。at89s52是整个装置的控制核心，at89s52内 带1k字节的flashrom ,用户程序存放在这里。显示器模块巾叫位一体的共阳数码管和4 个9012组成。系统程序分传感器控制程序和敁示器程序两部分，传感器控制程序是按照 ds18b20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的 显示。具体的电路图如卜、51nco1rv1617广广59r-10uf5o4ui.-o84o-3o *77ti nirr26141t1 u vt9

28、0p9uvvl12® 1t*t*crj ovtl6tj7pvwlouflouf .»上ohd图4.1串口电路显示器vcc5v|gmdvfccpod p0.1 p02 p03 p0.4 poj p0« p0.7 ka jdle psch p2 7 pj6p24p23p2j»a.ip2d图4. 2显示模块电路厂4039)85，m12 .1jo292827262524m222w<tjzz1wc xcenotn>iwr«urml?u?w»3bi<ba4ri>訾m<tifr>immcanomlpmnm3w&#

29、171;鱗r> futbfewrjw>2：xixiuser15110*l»1ia±2isisxdv.awtfvoki-ondvccc>pcap*cap>caphwa-cam.xrcvnt2ukpcct3tsbuccujtcvtlkit的良心vdanma3qj2图4. 3温度采集模块电路总结本次设计以at89s52单片机为处理核心，通过对nrf905无线收发模块以及ds18b20温 度传感器进行研究，设计出低成木，高效率的无线温度监测系统。单片机at89s52价格低 廉，应用广泛，开发难度较低；nrf905集成度高，使用方便；ds18b20精确度高。在实际 生产