1、无线温度遥测系统(解光飞李群刘畅)

1、摘要： - 2 -引言 - 3 -系统设计 - 3 -总体设计方案 - 3 - 2.1.1设计思路 - 3 -2.1.2 方案论证与选择 - 4 -2.1.3 方案组成 - 6 -设计实现 - 7 -系统硬件电路设计 - 7 -3.1.1温度数据发射电路 - 7 -3.1.2温度数据接收电路 - 8 -3.1.3温度数据测量电路 - 8 -系统软件设计 - 11 - 3.3电路总图 - 12 -参考文献 - 13 -附录 - 14 -无线温度遥测系统 C题）学号姓名班级联系方式0905071009解光飞 队长）09电子 1）班0905071032李群09电子 1）班0905071026刘畅09

2、电子 1）班摘要：本设计以单片机 STC89C52为控制核心，基于温度传感器 DS18B20C采用单总线 协议、直接将被测环境的温度转化成数字信号的特点，实现了环境温度的实时监测 和无线传输数据、显示测温点数据及声光上限报警。整个系统由温度数据采集模 块、数据发射模块、数据接收模块、 LCD 显示模块、声光上限报警模块等若干部分 组成。完成了实时监测环境温遥测的基本要求部分的全部功能指标和发挥部分中绝 大部分的功能指标。关键词： STC89C51数字温度传感器 NRF24L01 LED 显示1引言数字化温度传感器 DS18B20直接将环境的温度信号转变为数字信号，以数码管 方式串行输出，当其与

3、无线发射芯片 NRF24L01相互传输数据，且 NRF24L01将数据 以无线电磁波的形式发送出去，接受模块则将数据传送给单片机处理。则从被测的 环境温度就可以精确地计算出来。本系统正是基于此原理完成具有实时温度检测的无线温度遥测系统的设计根据分析，其基本要求有：1）测温范围： 10C65C，误差 0.5 C；2）显示位数为 3 位，分辨率为 0.1 C； 2M； 4）可以设置温度上限报警； 5）接收点显示测温点数据及声光上限报警信号；发挥部分的要求有 :5M；2）误差 0.2C，具有温度补偿功能；3）具有特色与创新；4）测量温度速率小于 1 秒；5）多路测量； 本设计的难点在于温度的采集和被

4、测环境温度数据的发射、接受与处理上，只 有这样才能对环境温度进行实时的准确测量。2 系统设计2.1 总体设计方案 2.1.1 设计思路为了实现无线温度的遥测，则该系统中需要包含温度测量模块、数据预处理模 块、无线发射与接收模块、数据处理模块、数据显示与报警模块。各个模块的组合 如下图所示：温 度 测 量数 据 预 处 理无 线 发 射无 线 接 收数 据 处 理图 2-1 数据发射与接收2.1.2 方案论证与选择1、测量温度传感器选择方案一：使用热电偶温度传感器。它测量精度高热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响），测量范围广 常用的热电偶从 -50+1600均可连续测 量。在使用时，它

5、能将温度信号转换成热电势信号, 通过电气测量仪表的配合 ,就能测量出被测的温度。方案二：使用数字型 DS18B20温度传感器。它是单线 接口方式 ，在与微处理器 连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测温范围 55 125，在 10-50 C范围内精度高达 0.1 C；支持多点组网功能，多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上；且在使用中不需要任何外围元件。基于以上的分析和题目的要求，我们选择方案二。2、无线数据传输方案在本套系统中，要求的传输距离至少要大于2m，最好能大于 5m，传输速率至少要在每秒 1KB以上。目前的近距离数据传输模块主要分为红外线传输。方案一：

6、红外线传输。它通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无 线的数据收发；传输距离会受到方向性和外界光的干扰 , 一般为 3-5m；由于它是直 线传输，所以对接收器的方向要求很高 30 度以内），不能实现任意角度的接收。方案二：利用 pt2262 、pt2272 编码解码芯片配合 315mhz无线收发模块。此方 案中，无线信号的发射距离可以达到 50m以上，数据传输速率可以达到每秒 5KB以上。由单片机经过预处理后的温度数据可以直接传输给 pt2262 的数据输入端，经 过编码后，由 315mhz的无线信号发射；信号接收后，由 pt2272 进行解码，经过解码的温度数据又可以直接传输给单片机

7、构图如下所示：此方案的结构较为简单，成本比较低。结PT2262 工作原理图 2-2方案三：本方案使用射频收发芯片 nrf2401 来实现数据的无线传输，其工作于2.4 2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器 等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以 - 5dBm的功率发射时，工作电流只有 10.5mA，接收时工作电流只有 18mA，多种低功 率工作模式，节能设计更方便。其 DuoCeiverTM 技术使 nRF2401 可以使用同一天 线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401 内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、

8、时钟处理器、 GFSK 滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元 件，因此使用起来非常方便。基于以上的分析论证，我们组决定选择方案三。3、显示温度数据模块 温度数据的显示模块我们一共有两种 选择方案，分别是：数码管显示， LCD1602液晶屏显示：方案一 : 采用通用的 LED数码管，这样显示的相对来说要简单许多。对程序的 编程也相对来说较方便。但是，数码管占用的 IO 口较多。方案二: 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 经存储了 160 个不同 的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和 日文假名等，每一个字符都有一个固定的

9、代码。这样在显示温度数据的时候就比较 的直观同时在一定程度上也增加了字符的丰富感。比如大写的英文字母“ A”的代 码是 01000001B41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们 就能看到字母“ A”。为了更加方便的满足设计要求，我们采用了方案二。4、温度上限声光报警模块 声音报警我们选择蜂鸣器来达到报警目的，光提醒我们选择体积小、亮度高等 优点的 led 发光二极管。方案一：有源蜂鸣器内部带有振荡源，所以，只需要通上其正常的工作直流电 压就可以有效的工作。故，其连接线路简单，占用的程序储存空间小。方案二：无源蜂鸣器内部不带振荡源，所以，直接用工作的直流电是不会有效

10、的发出声响的。必须用 2kHz5kHz 的方波信号去控制驱动它，那样它才能顺利的工 作。综上所述，我们会选择操作简单的方案一。2.1.3 方案组成1、控制器STC公司的单片机主要是基于 8051内核, 是新一代增强型单片机 , 指令代码完全 兼容传统 8051,速度快 812 倍, 带 ADC,4路 PWM双, 串口, 有全球唯一 ID 号, 加密性 好，抗干扰强。同时其价格低，体积小，功耗低，可靠实用。2、发射电路模块使用射频收发芯片 nrf2401 来实现数据的无线传输，其工作于 2.4 2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块， 输出功率和

11、通信频道可通过程序进行配置。3、接收电路模块接收电路中也是使用 nrf2401 来实现无线数据的接受， nrf2401 芯片是收发一 体的。4、温度数据显示模块采用 LCD1602液晶屏，按照实时测量的数据精确显示。本模块的主要功能是实 时显示描述系统状态的各种信息以及记录各阶段运行的时间。液晶显示屏LCD）不 仅显示信息量大，画面效果好，节省 I/O 口，而且能够显示小车的运动轨迹和显示 信息的相关文字说明，因此本模块可选择液晶屏 DQ为数字信号输入 / 输 (2GND为电源地； (3VDD为外接供电电源输入 内部结构光刻 ROM、温度传感器、非挥发的 的管脚排列如下 :图 3-4 DS18

12、B20内部结构图DS18B20有 4 个主要的数据部件：1)光刻 ROM中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20的 地址序列码。 64 位光刻 ROM的排列是：开始 8 位 28H)是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码 CRC=X8+X5+X4)+1。光刻 ROM的作用是使每一个 DS18B20都各不相同，这样就可 以实现一根总线上挂接多个 DS18B20的目的。2) DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例：用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.

13、0625 /LSB 形式表达，其中 S 为符 号位。图 3-5 DS18B20 温度值格式表这是 12位转化后得到的 12 位数据，存储在 18B20的两个 8 比特的 RAM中，二 进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的 数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需 要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。例如 +125的 数字 输出 为 07D0H， +25.0625 的 数字 输出 为 0191H， - 25.0625 的数字输出为 FF6FH，-55 的数字输出为 FC90H。图

14、3-6 DS18B20 温度数据表3）DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM和一个非易失性的可 电擦除的 EEPRAM后, 者存放高温度和低温度触发器 TH、TL和结构寄存器。4）配置寄存器该字节各位的意义如下：TMR1R011111图3 存器结构-7 配置寄低五位一直都是 1 ，TM 是考试模式位，用于设置 DS18B20在工作模式还是在 考试模式。在 DS18B20出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。 R1 和 R0 用来设 置分辨率，如下图所示： DS18B20出厂时被设置为 12 位）分辨率设置表：R1R0分辨率温度最大转换时间

15、图 3-8 温度值分3.2 系统软009位93.75ms0110位187.5ms1011 位375ms1112位750ms无线温度 件设计主要由 数据处理程 程序、无线数据收发程序及显示子程序组成。主程序流程图见附录三图辨率设置表件设计遥测系统的软 主程序、温度 序、声光报警1 所示。其在运行的过程中将要调用图 2 的三个子程序。单总线器件 ROM码的获取，可以借用 读数据子程序提前读出，要求其先发初始化命令，再发33H 命令，既是读 ROM码命令，然后，再调用读数据子程序。在程序设定的地址就可以找到ROM序列码，要注意的是数据线要挂一个器件，之后再度下一个器件。并记录器件的序列号。NRF24

16、L01无线数据收发程序流程图见附录三图 2 所示， nRF24L01的各种命令 字都只有一个字节，分为读寄存器、写寄存器、读数据接收缓冲区、写发送数据缓 冲区等。在输入任意命令字的同时， MISO输出 STATUS寄存器的内容。按照硬件电 路，系统程序的基本思路如下：系统上电后先配置nRF2401，发射模式的状态字为OX500800DODDDDD一D 00DDDDDD834A，05接收模式的状态字为 OX500800DODDDD DDooDDDDDD834A。0配4 置后通道 1 数据宽度 8 bit ，地址为 00DDDDD，D地址长度 32 位， CRC校验 16 位，单通道接收，晶振 1

17、2M，工作频率 2 402 MHz，输出功率一 5 dBm。程序在每次完成发射或接收任务后，都会监测一下P1.0 的电平，来确定下一个循环的工作模式。3.3 电路总图图 3.9 无限发射模块图 4.0 报警及显示模块参考文献郭天祥 51单片机 C语言教程北京 :电子工业出版社， 2018年 10月谭浩强 C 程序设计 . 北京: 清华大学出版社， 1991 年杨欣，王玉凤，刘湘黔 电子设计从零开始， 2005年 10 月张崇，于晓琳，刘建平无线收发一体芯片 nRF2401及其应用 , 2004 年黄智伟 无线数据通信 IC 原理与应用 北京: 北京航空航天大学出版社， 2004 年附录电路原理图图 1