基于单片机的远程温度监控系统设计论文

1、 PAGE9 / NUMPAGES64本科毕业设计（论文）基于单片机的远程温度监控系统设计燕 山 大 学2015年 6月本科毕业设计（论文）基于单片机的远程温度监控系统设计学 院： 电气工程学院 专 业：11级测控技术与仪器 学生 ：学 号：1指导 教师：答辩 日期：2015年6月26日 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：仪器科学与工程系学号1101030学生专 业班 级精仪11-2题目题目名称基于单片机的远程温度监控系统设计题目性质1.理工类：工程设计 （）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语

2、类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（） 主要容1.掌握温度测量原理与控制方法2. 温度采集单元设计3. 温度控制单元设计基本要求1.按电气工程学院本科生学位论文撰写规的要求完成设计说明书一份（不少于2万字），A0图纸。2.说明书与插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形与文字符号符合国家现行标准。3按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。参考资料1.数据采集相关资料2.控制理论相关知识3.STM32相关知识周 次14周58周912周1316周17周应完成的容查阅资料，学习信号采集相关知识系统总

3、体设计温度采集与控制单元设计撰写论文制作PPT,准备答辩指导教师： 王娜职称：讲师 2014年12月30日系级教学单位审批： 年 月 日摘要温度是工、农业生产中常见的被控参数之一。温度监控在工业生产中占据着非常重要的地位。随着微电子技术和通信技术的发展，远程监测和远程控制得到了广泛的应用。本设计采用STM8单片机作为控制单元，采用温度传感器DS18B20和无线收发模块CC1101对试验现场温度数据进行远程无线测量与控制。整个系统包括两个系统，即主系统和从系统。主系统完成对试验现场设定温度值、设定值显示、实际值显示、失控报警和接收数据功能。从系统完成温度采集、温度控制和发送数据功能。该系统结构简

4、单实用、功能齐全，通用性强，可被应用于许多工业生产领域。它可使操作人员与恶劣的工作环境分离开来，实现生产自动化，提高企业的生产效率。关键词STM8单片机；DS18B20温度传感器；CC1101AbstractTemperature is one of the common parameters in the production of industry and agriculture. Temperature monitoring plays a very important role in industrial production. With the development of micr

5、o electronics technology and communication technology, remote monitoring and remote control has been widely used. This design uses STM8 microcontroller as the control unit, the use of temperature sensor DS18B20 and wireless transceiver module CC1101 to test the field temperature data for remote wire

6、less measurement and control.The whole system consists of two systems, the main system and subsystem. The main system is completed to set the temperature value of the test site, set the value of the display, the actual value of the display, the alarm and receive data function. Subsystem to complete

7、the temperature collection, temperature control and send data function.The system is simple, practical, complete and versatile, which can be used in many industrial fields. It can separate the operating personnel from the bad working environment, realize the production automation and improve the pro

8、duction efficiency.KeywordsSTM8 SCM; DS18B20 temperature sensor; CC1101 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc211674584摘要 PAGEREF _Toc211674584 h IHYPERLINK l _Toc211674585Abstract PAGEREF _Toc211674585 h IIHYPERLINK l _Toc211674586第1章 绪论 PAGEREF _Toc211674586 h 1HYPERLINK l _Toc2116745871.1 引言 PAGERE

9、F _Toc211674587 h 1HYPERLINK l _Toc2116745871.2研究背景与意义 PAGEREF _Toc211674587 h 1HYPERLINK l _Toc2116745871.3 国外研究动态2HYPERLINK l _Toc2116745871.4社会影响3HYPERLINK l _Toc2116745871.5研究容4HYPERLINK l _Toc211674586第2章 设计方案的选择与论证5HYPERLINK l _Toc2116745872.1 温度采集模块方案与论证5HYPERLINK l _Toc2116745872.2 无线模块的选择方案

10、与论证5HYPERLINK l _Toc2116745872.3显示模块的方案与论证62.HYPERLINK l _Toc2116745874工程造价7HYPERLINK l _Toc2116745872.5本章小结7HYPERLINK l _Toc211674586第3章 系统的硬件设计8HYPERLINK l _Toc2116745873.1 系统硬件概述8HYPERLINK l _Toc2116745873.2主要单元模块设计9 3.HYPERLINK l _Toc2116745872.1 单片机控制模块设计9 3.HYPERLINK l _Toc2116745872.2温度传感器设计1

11、0 3.HYPERLINK l _Toc2116745872.3无线传输单元设计13 3.HYPERLINK l _Toc2116745872.4显示模块设计15 3.HYPERLINK l _Toc2116745872.5报警电路设计17 3.HYPERLINK l _Toc2116745872.6温度调节控制模块设计183.HYPERLINK l _Toc2116745873本章小结20HYPERLINK l _Toc211674586第4章 系统程序设计21HYPERLINK l _Toc2116745874.1系统总程序设计21HYPERLINK l _Toc2116745874.2液

12、晶屏显示程序设计23HYPERLINK l _Toc2116745874.3键盘扫描程序设计27 HYPERLINK l _Toc211674587 4.4无线收发系统程序的设计304.HYPERLINK l _Toc2116745875本章小结32HYPERLINK l _Toc211674593结论33HYPERLINK l _Toc211674594参考文献 PAGEREF _Toc211674594 h 34HYPERLINK l _Toc211674595致35附录1 实物图附录2 程序第1章 绪论1.1 引言温度与我们的生活息息相关，它涉与到我们生活的各种领域。随着时代的进步，科研

13、、农业、工业、电力控制等部门都越来越依赖的对温度的监控。温度传感器在和其他的仪器设备配合使用中，可以有效提高的产品质量，优化生产环境，改善生活环境，因此，必须采取有效的措施去监控温度变化。但是现在温度监控方面存在诸多问题，比较突出的问题是采用人工定时采样温度的方法，极大的限制的效率的最优化。人工采样效率低，成本高，也不能随时监控温度变化，因而，采用基于单片机的无线温度监控设计。本文所设计的无线温度监控系统，采用CC1101无线收发模块作为数据传输单元，采用DS18B20型数字式温度传感器作为温度采集单元，并且具有显示、报警、温度控制等功能，较好的解决了存在的问题。1.2 研究背景和意义温度是工

14、、农业生产中重要的被控参数之一。现实生活中无处不存在温度控制。比如农业生产中的温室大棚、酒窖发酵、无土栽培；工业生产中的食品加工、化工制药等，无处不存在到对温度的监督控制，可见，温度控制在工业生产、农业发展中占据着非常重要的地位。并且随着科技的不断发展，工农业的现代化，对温度控制的效率和精度的要求也越来越高。近年来，温度监控领域正在发生着巨大变化，温度的监控在工农业生产中不再仅仅局限于近距离或者人工直接的监控，而是逐渐改进发展成为远距离的控制，这就产生了远程温度监控。 远程温度监控的通信方式多种多样，如通过有线网络、无线电等进行远程监控。每一种通信方式都有其优点和缺点。利用无线电通信，方便、灵

15、活，而且经济。它不需要像有线网络控制耗费巨大的通信资源，也不受网络速度的影响。 在温度控制的方法上，传统的控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。 在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。这种方法速度慢，而且精度不是很高。综合上面的考虑，本次毕业设计设计了基于无线电通信的远程温度控制系统。 现代工业设计、工程建设与日常生活中常常需要用到温度控制，早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度

16、控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房与家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。 近年来，单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃发展，单片机已经渗透到工业、农业、国防，科研以与日常生活等各个领域。传统的温度采集的方法不仅费时，而且精度差满足不了各行业对于温度数据提高精度，设备高可靠性的需求。单片机的出现使得温度数据的采集和处理得到了很好的解决。选择适当的单片机和温度传感器以与前端处理电路，可以获得较高的测量精度，不但方便快捷，成本低廉，省事省力，而且大幅度提

17、高了测量精度。1.3 国外研究动态 温度是反映物体冷热状态的物理参数，它与人类生活环境有着密切关系。早在 2000 多 年前，人类就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。在人类 社会中， 无论工业、 农业、 商业、 科研、 国防、 医学与环保等部门都与温度有着密切的关系1。 随着国外工业的日益发展，温度监控技术也有了不断的进步。温度监控系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温度段与测量精度要求，测温装置也不尽一样，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非

18、金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化，多采用集成度较高的芯片或元件组成电路。对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。目前的温度检测技术原理很多，大致包括以下几种:(1)物体热胀冷缩原理(2)热电效应(3)热阻效应(4)利热辐射原理。 传统的温度传感器(如,热电偶、铂电阻、双金属开关等)虽然有着各自不可替代的优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用1。与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,

19、在相当大的温度围( - 55150 )都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应用。目前,半导体温度传感器工作的温度围还限于- 50150 。未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用围,以与智能化、网络化等方面。 目前国外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有: 膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性与热噪声等等。随着生产的发展,新型温

20、度传感器还会不断出现,目前,国外通用的温度传感器与测温仪大致有以下几种: 热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。1.3社会影响随着时代的进步，科研、农业、工业、电力控制等部门都越来越依赖的对温度的监控。温度与我们的生活息息相关，它涉与到我们生活的各种领域。工业上，常到液体加热，比如电镀厂的电镀液有温度要求，需要加热或者冷却；再比如注塑机的模具温控机也有循环水温度加热的要求；这些加热都要求温度控制精准，波动围小，靠人工是一定不行的，只能用自动温度控制。一般用测温探头（比如铂电阻、热电偶等）对液体进行测温，变换成其它信号接入温控仪表，再通过温控仪表来显示温度，并

21、控制加热或者冷却设备或者仪器的起停，达到自动控制的目的。工业自动化技术作为21 世纪现代制造领域中最重要的技术之一，是实现大规模工业生产安全、平稳、优质、高效的基本条件和重要保证，是传统产业优化升级的有效手段，对钢铁、石化、冶金、电力、纺织等支柱性产业的技术进步具有重要作用，其技术水平已成为衡量一个国家国民经济发展水平和现代化程度的标志。据统计，对自动化控制系统投入和企业效益方面提升产出比约在1:4 至1:6之间2。现代工农业生产追求安全生产，将测量人员与数据的采集现场分离能有效的降低工程作业的危险指数。远程温度监控符合现代社会安全生产的原则。远程温度监控室对操作人员的一个保护伞，从根本上隔离

22、了采集现场和操作人员。远程温度监控系统的实施开发，不仅能有效的提高效率，还能解放劳动力，优化劳动资源。在工业生产中，无线温度监控能够有效的提高生产效率，改变以往的温度采集方式，使温度采集更为方便可靠。在农业生产中，例如酒庄发酵、温室大棚等，远程温度监控也发挥着重要的作用。远程温度的自动控制也能很好的提高农业生产量，在农业自动水平道路上具有突出的1.4 研究容和结构本设计是基于单片机的远程温度监控系统，经过大量查阅资料和研究，最终确定采用STM8为主控芯片，DS18B20作为温度采集芯片，CC1101作为无线接收和发射模块，采用QC1602液晶屏进行显示。该系统由发射系统和接收系统组成，发射系统

23、进行温度采集以与数据发射，接收系统作为主系统，对数据接收处理并显示出来。该系统具有温度过限报警功能，设有4个独立按键，分别进行温度高低限定值的选择、设定，清除报警声和报警灯。该系统具有操作方便，远距离操控，功能多样，电路简洁，成本低廉等优点，符合电子技术的发展趋势，有很广阔的市场前景。主要解决下列几点问题（1）数据采集是否长期准确无误。数据采集是整个设计的关键。（2）数据远程传输（无线收发)模块能否与时准确无误的传输数据问题。（3）按键设定系统能否长时间稳定运行，对系统稳定性的完善问题。第2章 设计方案的选择和论证2.1 温度采集模块选择方案与论证方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一

24、个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加了线路的复杂程度，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。因此此方案不可行。方案二：采用DS18B20。DS18B20的数字温度输出通过1-Wire总线，又称为“一线”总线，这种独特的方式可以使多个DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大的可能性。DS18B20 的测温围-55125，分辨率最大可达0.0625 。DS18B20 可以直接读出被测温度值。而且采用3 线制与单片机相

25、连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。一线总线将独特的电源和信号复合在一起，并仅使用一条线，每个芯片都有唯一的编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功耗等待等特点。它在测温精度、转换时间、测数距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步。DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择此方案。2.2 无线收发模块的选择方案与论证方案一：采用TX315A-T01和TX315A-R01的无线收发模块。应用目前最先进的声表面波器件和数据专用ASK超外差式单片接收电路开发生产了TX31

26、5系列模块电路，其中含有RF、TF、DATA等高频、中频、数字处理电路。TX315A可应用于无线遥控、数据传送、自动抄表系统、无线键盘操作系统、警戒系统。TX315A由TX315A-T01发射组件和TX315A-R01接收组件两部分组成，因其频率绝对一致，故在使用时可随意增加发射和接收组件，以组成所需的功能系统。此系统用此模块很好，但是这个模块的价格太昂贵，所以放弃此方案。方案二：CC1101是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以与短距离无线通信设备(SRD)。CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示(RS

27、SI)、空闲信道评估(CCA)、链路质量指示以与无线唤醒(WOR)的广泛硬件支持3。CC1101在代码、封装和外引脚方面均与CC1101兼容，可用于全球最为常用的开放式低于1GHz频率的RF设计。 工作电压围：1.9V3.6V，与数据采集模块工作电压协调，待机模式下电流仅为200nA。 工作温度围：-40+85足够满足设计要求。而且价格相对其他无线模块较低，易于购买，因此选择此方案。2.3 显示模块的选择方案与论证方案1：LCD显示器LCD1602 工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点

28、阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全一样的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。方案2：八段数码管 LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8

29、”字型的器件，引线已在部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管的部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。 由项目要求可知，我们的显示装置要显示实时的光照度和预定的光照度，显示的数据比较简单，我们采取数码管分段显示或者分时显示都能达到显示效果，而且数码管控制原理简单明

30、了，易于控制，成本低，综上所述我们选择数码管作为显示装置。2.4工程造价本次设计采用了单片机，CC1101无线传输模块，DS18B20传感器模块等模块，具体开支见下边的表2-1工程造价。表2-1工程造价器件数量（个）单价（元）合计(元)STM8开发板277154DS18B2028.516CC110121632LED显示屏15.55.5排线22.55pl2303下载线17.37.3在调试过程中，烧毁DS18B20温度传感器一个。最后的工程造价合计为： 77*2+8.5*2+16*2+5.5+2.5*2+7.3=219.8元共计219.8元人民币。2.5本章小结最终方案确定为采用单片机芯片STM8

31、作为主控制芯片，DS18B20数字温度传感，CC1101作为无线收发模块，QC1602A作为显示模块，采用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。温度传感器对实验现场的温度进行采集，副控芯片STM8对采集温度数据进行处理，将有用数据送给发射模块CC1101，主系统的接受模块CC1101接受数据送给主控芯片STM8，STM8对数据进行分析处理，对现场实际温度进行显示；另外，可以人工通过独立键盘对所测温度进行监控，先设定好规定的温度围，当采集的温度超过此围时，蜂鸣器响，同时点亮发光二极管，通过按键选择，可以独立实现声音报警、发光报警与声光同时报警。第3章 系统的硬件设计3.1 系统硬件概述系统硬件电路主要

32、分为：单片机STM8主、从系统、接收电路、显示电路、键盘电路、温度采集电路、发射电路，继电器控制。温度传感器对实验现场的温度进行采集，副控芯片STM8对采集温度数据进行处理，将有用数据送给发射模块CC1101，主系统的接受模块CC1101接受数据送给主控芯片STM8，STM8对数据进行分析处理，对现场实际温度进行显示；另外，可以人工通过独立键盘对所测温度进行监控，先设定好规定的温度围，当采集的温度超过此围时蜂鸣器响同时点亮发光二极管，通过按键选择，可以独立实现声音报警、发光报警与声光同时报警；当检测温度不在设定围时，系统正常运行，时刻显示着现场的温度值。设计总框图如图3-1所示。温度采集STM

33、8单片机（从）STM8单片机（主）液晶显示声光报警独立键盘无线收发无线收发继电器 图3-1 总设计框图3.2 主要单元模块设计3.2.1单片机控制模块设计本设计采用STM8S105xx基础型系列8位单片机，如图3-2。该单片机提供容量为16K32K字节的Flash程序存储器，集成真正的数据EEPROM。在STM8S微控制器系列的参考手册(RM0016)中，被归为中密度系列。STM8S105xx基础型系列所有的单片机具有以下性能：a.该单片机具有更低的系统成本，它的部集成真正的EEPROM数据存储器，可以达到30万次的擦写周期并且高度集成了部时钟震荡器、看门狗和掉电复位功能。b.该单片机具有高性

34、能和高可靠性，16MHz CPU时钟频率而且具有强大的I/O功能，拥有分立时钟源的独立看门狗。c.它可以缩短开发周期也可根据具体的应用在通用的产品系列中选择，具有合适的封装、存储器大小和外设模块的芯片。STM8S105xx基础型系列所有的单片机具有完善的文档和多种开发工具选择。d.该系列所有的单片机具有很强产品可延续性，最新技术打造的高水平核和外设，系列产品广泛适应2.95V5.5V的工作电压4。图3-2 STM8S 开发板2009年3月4日，意法半导体发布了针对工业应用和消费电子开发的微控制器STM8S系列产品。STM8S平台打造8位微控制器的全新世代，高达20 MIPS的CPU性能和2.9

35、5-5.5V 的电压围，有助于现有的8位系统向电压更低的电源过渡。新产品嵌入的130nm非易失性存储器是当前8位微控制器中最先进的存储技术之一，并提供真正的EEPROM数据写入操作，可达30万次擦写极限。在家用电器、加热通风空调系统、工业自动化、电动工具、个人护理设备和电源控制管理系统等各种产品设备中，新产品配备的丰富外设可支持精确控制和监视功能。功能包括10位模数转换器，最多有16条通道，转换用时小于3微秒；先进的16位控制定时器可用于马达控制、捕获/比较和PWM功能。其它外设包括一个CAN2.0B接口、两个U(S)ART接口、一个I2C端口、一个SPI端口。下图3-3是STM8S的引脚图。

36、图3-3引脚图STM8S平台的外设定义与STM32系列32位微控制器一样。外设共用性有助于提高不同产品间的兼容性，让设计灵活有弹性。应用代码可移植到STM32平台上，获得更高的性能。STM8S的组件和封装在引脚上完全兼容，让开发人员得到更大的自由空间，以便优化引脚数量和外设性能。引脚兼容还有益于平台化设计决策，产品平台化可节省上市时间，简化产品升级过程。STM8S主要特点:a.速度达20 MIPS的高性能核抗干扰能力强，品质安全可靠b.领先的130纳米制造工艺，优异的性价比程序空间从4K到128K, 芯片选择从20脚到80脚，宽围产品系列系统成本低，嵌EEPROM和高精度RC振荡器c.开发容易

37、，拥有本地化工具支持。STM8S主要应用包括a.汽车电子：传感器、致动器、安全系统微控制器、DC马达、车身控制、汽车收音机、LIN节点、加热/通风空调。 b.工业应用：家电、家庭自动化、马达控制、空调、感应、计量仪表、不间断电源、安全。c.消费电子：电源、小家电、音响、玩具、销售点终端机、前面板、电视、监视设备。d.医疗设备：个人护理产品、健身器材、便携护理设备、医院护理设备、血压测量、血糖测量、监控、紧急求助。3.2.2 温度传感器设计DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等

38、5。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，锅炉测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。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。如图3-4外部供电模式下的单只DS18B20芯片的连接图，需要在DQ数据口一个上拉电阻。图3-4 单个DS18B20芯片的连接图DS18B20部结构主要由四部分组成：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6。高速暂存存储器高速暂存存储器由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

39、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到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算： 当符号位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，再计算十进制值。表 2是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。DS18B20启动后将进入低功耗等待状态，当需要执行温度测量和AD转换时，总线控制器发出44H指令完成温度测量和AD转换，DS18B20将产生的温度数据以两个字节的形式存储到高速暂存器的温度寄存器中，然后DS18B20继续保持等待状态。当DS18B20芯片由外部电源供电时，总线控制器在温度转换指令之后发起“读时隙”，

40、从而读出测量到的温度数据通过总线完成与单片机的数据通讯（DS18B20正在温度转换中由DQ引脚返回0，转换结束则返回1。如果DS18B20由寄生电源供电，除非在进入温度转换时总线被一个强上拉拉高，否则将不会有返回值）。DS18B20在完成一次温度转换后，会将温度值与存储在TH（高温 触发器）和TL（低温触发器）中各一个字节的用户自定义的报警预置值进行比较，寄存器中的S标志位 指出温度值的正负（S=0时为正，S=1时为负），如果测得的温度高于TH或者低于TL数值，报警条件成立，DS18B20部将对一个报警标识置位，总线控制器通过发出报警搜索命令ECH检测总线上所有的DS18B20报警标识,然后对

41、报警标识置位的DS18B20将响应这条搜索命令。 针对于DS18B20中TH（高温触发寄存器）和TL（低温触发寄存器），可以找到的代码资料很少，而如果在某一测温系统中需要用到TH和TL寄存器时， 其实不必觉得无从下手，总线控制器的读操作将从位0开始逐步向下读取数据，直到读完位8，而且TH和TL寄存 器的部结构和数据格式和片其他寄存器是一样的，当然，针对TH和TL寄存器的读写和其他片寄存器的读写也是一样的，所以在实际应用中，当 DS18B20初始化完成后，首先通过总线控制器发出的B8H指令将EEPROM中保存的数据召回到暂存器的TH和TL中，然后通过总线控制器发出的 “读时隙”对器件暂存器进行读

42、操作，只要将读到的每8bit数据与时获取，就可以很容易地通过总线控制器读出TH和TL寄存器数据；总线控制器对器件的写 操作原理亦然，只要掌握了其他寄存器的操作编程，就完全可以很容易地对TH和TL这两个报警值寄存器进行读写操作。同时，可以通过48H指 令将TH和TL寄存器数据拷贝到EEPROM中进行保存7。在由DS18B20芯片构建的温度检测系统中，采用达拉斯公司独特的单总线数据通讯方式，允许在一条总线上挂载多个DS18B20，在对DS18B20的操作和控制中，由总线控制器发出的时隙信号就显得尤为重要。如下图所示，分别为DS18B20芯片的上电初始化时隙、总线控制器从DS18B20读取数据时隙、

43、总线控制器向DS18B20写入数据时隙的示意图， 在系统编程时，一定要严格参照时隙图中的时间数据,做到精确的把握总线电平随时间（微秒级）的变化，才能够顺利地控制和操作DS18B20。另外，需要注意到不同单片机的机器周期是不尽一样的，所以，程序中的延时函数并不是完全一样，要根据单片机不同的机器周期有所改动。在平常DS18B20程序调试中,若发现诸如温度显示错误等故障，基本上都是由于时隙的误差较大甚至时隙错误导致的,在对DS18B20编程时需要格外注意。3.2.3无线传输单元设计CC1101 是一种低成本真正单片的 UHF 收发器， 为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在 315、433、868

44、和915MHz 的 ISM（工业， 科学和医学）SRD（短距离设备）频率波段也可以容易地设置为 300-348MHz、 400-464 MHz 和800-928 MHz 的其他频率8。RF 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达 500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。CC1101为数据包处理、数据缓冲突、发数据传输、清晰信道评估、 连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。在该设计中，采用CC1101模块，模块设计原理图如3-5所示。图3-6是CC1101与单片机连接的连接图，每个端口都要添加一个5

45、K的上拉电阻。图3-5 引脚连接图图3-6 无线模块接线图C1101在代码、封装和外引脚方面均与CC1100兼容。CC1101包含了两个CC1100中未使用的输入信号衰减位。CC1101可以在最佳灵敏度的低数据速率用ADC配置唤醒而不用编写任何寄存器。为了做到这点CC1100在唤醒后需要编写TEST寄存器18。CC1101增加了频率围。除了在CC1100中所支持的频段外，CC1101还可以工作在387-400MHz和799-800MHz频段。 CC1101 的主要操作参数和 64 位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过 SPI 接口控制。在一个典型系统里，CC1150和一个微控制器与若干被

46、动元件一起使用。CC1101基于0.18微米 CMOS晶体的Chipcon 的 SmartRF 04 技术 。TXOFF_MODE/RXOFF_MODE:注意此配置为在数据包被发送/接收后状态机状态决定位，仅是在发生发送或者接收后动作；当为IDLE时发SRX/STX后状态机不按此配置运行9。TX/RX后要校准。功率放大控制(PATABLE):0X3E为功率写入地址，0X22为为功率配置寄存器。PATABLE 是一个8字节表，定义了8个PA 功率值。这个表从最低位（0）到最高位（7）可读和写，一次一位。一个索引计数器用来控制对这个表的访问。每读出或写入表中的一个字节，计数器就加 1。当 CSn

47、为高时，计数值置为最小值。当达到最大值时，计数器由零重新开始计数。 FREND0.PA_POWER（2：0）从8个功率值中选择1个，且振幅为相应数等级。电磁波激活(WOR):在WOR滤波使用之前RC振荡器必须启用，RC振荡器是 WOR 定时器的时钟源.在WOR下，收到信号后会自动进入RX模式.载波感应(CS)与RSSI:因此两配置相互有连系,所以一起论述. RSSI 只能在RX模式下才能有效,作用为对当前信号质量评估,信号质量可从RSSI寄存器读出.RSSI信号强度可从0X34取出.RSSI(信号强度)计算公式: 注:此为433M下,结果为负数。RSSI_dBm=(RSSI-256)/2-74

48、 (RSSI=128)RSSI_dBm= (RSSI/2)-74 (RSSI128)CS 只在RX模式下才能有效，当信号质量高于设定门限值时，CS状态将会被声明。现在配置为GDO2输出感应状态.CS门限值计算公式:默认门限值 + (MAGN_TARGET-33) + CARRIER_SENSE_ABS_THR.由AGCCTRL2.MAX_LNA_GAIN AGCCTRL2.MAX_DVGA_GAIN 决定.默认门限值表只给了两个数据速率下的值,其余由自己测.清理信道访问(CCA):清理信道访问用来指示当前信号是空闲还是忙。当忙时是否丢弃当前数据,寄存器MCSM1.CCA_MODE决定是否丢弃.

49、默认配置为保留当前寄存器中数据,丢弃下一步要处理数据.数据FIFO：当TX操作时，由MCU控制，溢出时CC1101出错;当RX操作时，读空时CC1101出错。RX FIFO 和 TX FIFO 中的字节数也能分别从状态寄存器 RXBYTES.NUM_RXBYTES和TXBYTES.NUM_TXBYTES 中读出4 位 FIFOTHR.FIFO_THR 设置用来控制FIFO 门限点读单字节时，CSn继续保持低。突发访问方式允许一地址字节，然后是连续的数据字节，直到通过设置 CSn 为高来断访问。当写操作时，最后一个字节被传送至 SI 脚后， 被 SO脚接收的状态位会表明在 TX FIFO中只有一

50、个字节是空闲10。3.2.4显示模块的设计液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA 移动通信工具等众多领域。液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种11。液晶显示器各种图形的显示原

51、理:线段的显示点阵图形式液晶由 MN 个显示单元组成，假设LCD显示屏有 64 行，每行有128列，每8列对应 1 字节的 8 位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示1024字节相对应，每一字节的容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的 16字节的容决定，当（000H）=FFH 时，则屏幕的左上角显示一条短亮线长度为 8 个点；当（3FFH）=FFH 时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，时，则在屏幕的顶部显示一条由 8 段亮线和 8 条暗线组成的虚线。这就是 LCD

52、显示的用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号与每行的列数找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占 32B，分左右两半，各占 16B，左边为 1、3

53、、5右边为 2、4、6根据在 LCD 上开始显示的行列号与每行的列数可找出显示 RAM 对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加 1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节，直到 32B 显示完就可以 LCD上得到一个完整汉字。下图是图 3-7 引脚图图 3-7 引脚图1602LCD 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明。无背光和带背光的在外形上没有什么区别，带背光的液晶屏要比不带背光的液晶屏厚度上厚一点，其他病什么区别。下表3-1 是液晶屏的引脚接口说明。表3-1 引脚接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2

54、VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第 1 脚：VSS 为地电源。第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和 R/

55、W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。第 15 脚：背光源正极。第 16 脚：背光源负极。3.2.3报警电路设计报警系统采用蜂鸣器和LED灯结合报警。该报警方式和声光报警器有异曲同工之妙。它能够同时发出声、光二种警报信号。这样的声光警报系统能够很好的满足客户的需求。系统蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警

56、器、电子玩具、汽车电子设备、机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。压电式蜂鸣器：压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器与共鸣箱、外壳等组成12。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器：电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片与外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互缠绕。如图3-8 蜂鸣器驱

57、动电路。图3-8 蜂鸣器驱动电路蜂鸣器与家用电气上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL点评基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，即此一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音,所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流。3.2.6 温度调节控制模块 接触器分为交流接触器（电压AC）和直流接触器（电压DC），它应用于电力、配电与用电。接触器广义上是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器13。 在电工学上，因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象也可用作控制工厂设备电热器工作

58、母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。两个方面的问题的介绍，一交流接触器的工作原理、二交流接触器的使用接法，首先交流接触器是接触器的一种，其典型结构分为双断点直动式(LC1-D/F*)和单断路转动式(LC1-B*)。交流接触器与继电控制回路组合，远控或联锁相关电气设备。当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。交流接触

59、器的动作动力来源于交流电磁铁，电磁铁由两个“山”字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定，在上面套上线圈，工作电压有多种供选择。为了使磁力稳定，铁芯的吸合面，加上短路环。交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。在本设计中，单片机去控制接触器或继电器，通过继电器作用就是用小电流来控制大电流负载，可以远距离控制，同时可以自锁互锁，防止误动作造成事故，由于是小电流控制，使得保护电路简单可靠。接触器和热继电器都是电动机起动工作与保护线路中的器件，它们的作用是电动机出故障或负载超过额定负荷，电动机电流超过额定电流后，热继电器触点动作，一般是常闭触点打开，切断了给电动机供电的接触器线圈回路，接触器开路，切断了电动机电源

60、，保护了电动机，避免了损坏。如图3-9 是单片机驱动继电器电路。图3-9 单片机驱动继电器电路3.3本章小结本章主要描述介绍了各个模块的设计方法，包括接收电路设计、显示电路设计、键盘电路设计、温度采集电路设计、发射电路设计，继电器控制设计等模块的设计。在其中温度传感器模块设计尤其重要，温度的采集是本设计的关键，本设计能否设计成功，关键在于温度的采集。另外，该设计师远程温度监控设计，远程的数据传输也尤其重要，本章节对无线传输进行了比较详细的介绍。结合个人之前学习的知识，设计了无线模块。温度传感器对实验现场的温度进行采集，副控芯片STM8对采集温度数据进行处理，将有用数据送给发射模块CC1101，