#基于mega128无线温度测量论文

1、第 I 页 共页摘要 鉴于目前日常生产生活中对复杂环境温度测量的需求， 我们提出了无线温度测量这 个课题，主要适用于工农业生产和日常生活中。传统的温度测量多是采用机械式温度计或者是有线是电子测量系统，对于一些特殊环境的 温度测量显得很难实现，比如说环境腐蚀性强、温度传送距离较远的情况。本文通过对无线温度测量课题的阐述，重点向人们介绍了无线温度测量方法的可操作性， 和具体的制作过程。本课题主要分为多点温度值的测量，无线数据传输，数据处理和显示这四 个部分。 选用 DS18B20 作为测温节点， ATMEGA 8 作文温度采集控制芯片， 采用 CC1101 作为 无线传输模块，最后传到系统控制芯片

2、 ATMEGA 128 上面。在制作结束调试的过程中发现作品中存在一些误差。其中包括温度传感器误差和无线传输 距离的误差，误差均在可控范围内。该课题作品可使用于暖棚温度监测、室温监测、或者是工 业生产中温度监测。关键词： 无线传输；温度测量； DS18B20 ；AbstractGiven the current daily production and life of the complex environment of temperature measurement needs, we propose a wireless temperature measurement on the sub

3、ject, mainly applicable to industrial and agricultural production and daily life.More traditional temperature measurement is the use of mechanical thermometer or an electronic measurement system is wired, for some special circumstances oftemperature measurement seems difficult to achieve,for example

4、, corrosiveenvironment, temperature, transfer distance situation.Based on the elaboration of the wireless temperature measurement issues, with emphasis to introduce people to the wireless temperature measurement method can beoperational, and the specific production process. The main topic is divided

5、 intomulti-temperature measurements, wireless data transmission, data processing and display of four parts. DS 18B20 selected node as the temperature, ATMEGA 8 essaycollection temperature control chip, the use of CC 1101 as a wireless transmission module, and finally reached the top of the system co

6、ntrol chip A TMEGA 128.Debugging process in the production end of the works found there are some errors. These include temperature sensors and wireless transmission distance error of the error, errors are manageable. The project work can be applied to Cattle temperature monitoring, temperature monit

7、oring or temperature monitoring in industrial production.Key words ：Wireless transmission; temperature measurement; real-time monitoring;目录引言 1绪论 2第 II 页 共页 TOC o 1-5 h z 温度测量的使用范围 2温度测量的发展现状 2本章小结 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 系统总体方案设计 4系统设计要求 4设计框图 4本章小结 5 HYPERLINK l bookmark8 o Curr

8、ent Document 元器件的选择和方案设计 6温度传感器的选择 6单片机的选择 6无线通信模块选择 7电源电路方案选择 7主机电源电路方案 8从机电源方案 8本章小结 8 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 4 ATMEGA 系列单片机 9ATMEGA 8 单片机结构 9ATMEGA 128 L 单片机结构 10本章小结 11硬件电路设计 12电源电路设计 12主机电源电路 12从机电源电路 12温度采集电路设计 13无线通信模块电路设计 13报警电路设计 15液晶显示电路设计 15本章小结 16软件设计 17主机程序流程图 17从机程序流

9、程图 18部分程序设计 18温度采集程序 18通信程序设计 20第 III 页 共页液晶控制程序 23本章小结 24系统调试 25硬件调试 25软件调试 25综合调试 26本章小结 26系统测试及数据分析 27系统测试 27温度测试 27传输距离测试 27数据分析 27误差分析 28本章小结 28总结 29 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 参考文献 30附 录 31第 1 页 共 51 页引言 近几十年由于人类对于环境保护的消极对待导致全球气候越来越恶化， 其表现为气 候变暖，洋流变迁，北极冰川融化等等。气候对于人类生产生活有极大影响，气候的

10、回 暖对于地球上生活的生物产生无法估计的影响， 最直接表现为据预测在未来几十年里被 誉为大西洋明珠的马尔代夫群岛就会被海水淹没； 还有北极冰川融化大量淡水注入海水 中导致洋流发生变化对人类捕鱼影响极其巨大。在面对自然界强大的力量时我们无法反抗，但生物都有极其强大的进化功能，面对 气候的变化我们应该在已知的变化环境中争取主动，在对抗大自然时占据有利位置。资 料显示，自从生命起源时起温度就是和生命的延续变异有着极其重要的关联。地球经历 了几次大的温度变化周期才形成今天的多姿多彩， 而我们人类更是从很早就懂得了御寒 保暖，通过合理的对环境的利用来发展延续。温度一直都和我们生产生活息息相关。工业监控，

11、人们的生产出行，处处都和温度 有着密切关系。像仓库、农田、塑料大棚以及其他生产过程，温度过大会引起霉变和变 质；温度还会影响品质、精密仪器、半导体器件，温度过高或者过低会导致性能降低。 由此可见，温度测量使用范围是很广泛的。随着生产的发展，各种工业设备对温度的控制要求越来越高，同时，随着人们生活 水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足 了上述的要求，达到自动控制品质的目的。针对目前已有的一些温度测量方法类型的不足，以及使用环境不够广发的缺点，我 们提出了使用无线温度传感器测量温度的方法。 其重点体现在整个系统灵活运用在不同 网络中，在短距离温度测量过程中使

12、用无线传输方式，节省大量电缆，并能在一定程度 上很好的克服恶劣环境带来的不利因素。第 2 页 共 51 页1 绪论温度是实际使用中使用最多的参数之一 ,温度监测被广泛用于工农业生产、 科学研究 以及人们的日常生活等各领域。 下面主要介绍一下关于温度测量的使用范围和温度测量 的发展现状。温度测量的使用范围温度是实际使用中使用最多的参数之一 ,温度监测被广泛用于工农业生产、 科学研究 以及人们的日常生活等各领域。温度和人们生活有重大联系，人们把观看天气预报作为 每天生活的必须内容， 根据气温情况来安排日常生活； 温度和工农业生产也是息息相关， 农业生产中作物的长势，以及作物的耕作时间和温度联系更是

13、极为密切，在古代没有当 今这样方便迅捷的温度监测设备及技术， 所以就把二十四节气歌作为农业生产的温度标 杆；工业生产中温度监测更是极为重要。温度是工业生产中重要参数之一，温度的变化 可能会影响产品性能。在传统的监测方法中使用物理式温度计对于数据的统一处理显得十分繁琐， 所以使 用数字化监控显得十分必要。在数字化监控温度的发展过程中，对多点温度监测通常是 使用有线式的方法。也就是说传感器和处理器之间采用电缆进行连接。这种方法在很大 程度上制约了监测环境，对于一些腐蚀性强，密封度高，主机和传感器距离远的特殊环 境下，极大的影响了测量结果，并对缆线的消耗非常巨大，这对于我们提出的节约理念 是有很大出

14、入的。所以无线温度测量技术就应运而生了。针对不同工作环境下温度测量的难题 ,提出了一种基于无线数传输技术和数字式温 度传感器相结合的温度测量电路设计方案 ,使显示终端和温度传感器分离 ,避免了由于传 输电缆过长产生的误差和恶劣环境对电缆的腐蚀算坏等， 并能有效的处理目标单位运动 过程中的测量问题。温度测量的发展现状 目前，温度测量已被广泛使用于工农业生产的各个领域，它在工农业生产，科技发 展中是一种十分普遍而重要的测量参数。随着生产的发展，新型的温度传感器还会不断 开发出来，目前国内外常见的几种温度传感器及测温仪器有以下几种： 热膨胀式温度计、 电阻式温度计、辐射式温度传感器等等。对温度监测并

15、对温度进行控制已经成为生产过程中十分重要的措施。 而其中有些过 程对于温度很敏感，需要实时监测并能在超程后报警；还有些测量环境非常恶劣。而传 统的有线测温装置，在这种测温环境下，或无法使用，或受到很多限制。这就要求研发 无线温度监测系统。这种系统要能够耐受恶劣的环境，还要具有高的测量精度和温度采 集速度，并能在远距离由主控机接收。温度测量在保证产品质量，提高生产效率，安全生产，节约能源等多方面起到了至 关重要的作用。有资料表明，温度传感器的数量在各种传感器中居首位， 约占 50%左右，第 3 页 共 51 页由于许多物质的特征参数和温度有密切关系，因而温度测量在工农业生产、现代科学研 究等领域

16、得到了广泛使用和发展。本章小结 温度作为一种普遍使用的参数，在各个领域广泛使用。随着技术不断进步，温度测 量的方式方法逐渐变得多种多样。适应多种不同环境、实时发送温度数据的温度测量系 统也逐渐受到追捧。 本文主要介绍的多点无线温度测量系统正是能适用于不同环境中实 时显示当前所测温度数据的温度测量系统。第 4 页 共 51 页2 系统总体方案设计本系统是无线温度测量系统， 其主要任务是用从机测温系统测量某一环境下的多点 温度值，通过无线传输模块发送数据到主机系统所控制的液晶显示屏上显示出来。我们 测量的是一个特定的温度范围，超出范围后主机控制的报警电路会产生报警信号。本系统可运用于大棚温度监测，

17、室温温度监测等多种环境，所以能在多种复杂环境 下使用是本课题的一个重点内容。系统设计要求（1）实现对温度的测量，并将温度数据进行显示。（2）要求通过无线方式实现多路温度数据的传输。（ 3）温度数据存储，实现最近查询 。（4）温度曲线绘制（ 320 * 240 液晶）。（5）测温范围 1040C；显示位数 3位，分辨率 0.1C，测量精度达到 0.5C； 传输距离不小于 10 米；可设置温度的上下限。超程报警。设计框图图 2.1 系统总体框图本系统分共分为温度采集， ATMEGE 128 最小系统，无线温度传输，液晶显示电路第 5 页 共 51 页和电源电路五个部分。工作过程具体如下：DS18B

18、20 负责实时温度数据的采集， ATMEGA 8 对其进行控制，每一秒采集一次， 采集到的数据由 CC1101 芯片负责传送至 ATMEGA 128 芯片储存并在液晶上显示温度 值并画出温度曲线图。图 2.2 温度数据信号流图本章小结本章主要对系统设计要求和总体设计框图有一个简单的介绍， 对温度信号具体的工 作流程有一个概括性的介绍。第 6 页 共 51 页3 元器件的选择和方案设计目前市场上各种电子元件应有尽有，种类繁多，作用也一一不同。系统中运用了多种电子元件，其中包括温度传感器，控制芯片，无线传输模块等等。因此选用适当的电 子元件是我们工作的第一步。温度传感器的选择 温度传感器是能感受温

19、度并把温度转换成可用输出信号的传感器。 按照输出信号模式可以把温度传感器分为三类：数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器和模拟式温度 传感器。和数字式温度传感器相比，模拟传感器电路设计较为复杂，且测量精度没有数字式 准确。数字式传感器设计电路不需要 A/D 转换电路，节省资源，降低能耗。对于逻辑式 温度传感器来说，测量精度低，这种传感器主要是使用在测量一定温度范围的情况下， 并不能用在精确在一定精度的温度测量过程中。综合考虑，采用数字式温度传感器，型号选择为 DS18B20。DS18B20 是一种非接 触式数字温度传感器，具有以下特点：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

20、间设备数字测温和控制领域。 DS18 B20 可以多个并联使用，最多不 要超过 8 个，否则会出现供电不足导致传感器不能正常工作。DS18B20 的工作原理是电桥一个桥臂用对温度敏感的材料做成 ,在温度改变的时候 电阻随着改变 ,使得电桥失去平衡 ,达到测量温度的效果。单片机的选择 单片机是一种集成在电路芯片， 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力 的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定 时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系

21、统。目前单片机渗透 到我们生活的各个领域，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯和数据传输，工业 自动化过程的实时控制和数据处理，自动控制领域的智能仪表等多个方面。本课题控制系统采用单片机进行控制。主要有三个类型单片机可供选择：常见的51 系列单片机、 PIC系列单片机和 AVR 系列单片机。51 单片机是对目前所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。 电源供电为单一 5V ，和 cc1101 电源不兼容，并且 51 单片机运算速度慢、内部存储空间小。PIC 系列单片机有低功耗，保密性好等优点，其可靠性强，性价比高广泛使用在各 个领域，但其烧写程序时需要特定的 13V 电压，操

22、作复杂，固不采用。AVR 系列单片机具有低功耗、保密性好、性价比高、可靠性强等特点，但对于本课 题来讲它最大的优势在于电源环境比较宽松，适用于 2.7V-5.5V。从操作性、造价、功耗、性能等多方面来考虑，选用 ATMEGA 系列单片机作为系第 7 页 共 51 页统主从控制芯片。无线通信模块选择 无线通信模块广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门 禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触 RF 智能 卡、小 型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、水文气象监控、机器人控制、数字音 频、数字图像传输等领域中。相比较而言使用无线通信模块有成本低廉、

23、可扩展性好、 适应性好等优点。本课题要求温度数据在大于 10m 的距离内进行无线传输，所以要用到无线通信模 块。常见的无线通信模块有 NRF2401 无线收发芯片、 CC1101 芯片。对比 NRF2401 芯片和 CC1101 芯片会发现他们有各自不同的特点，其中 CC1101 无线收发模块具有如下性能特点 :（1）工作电压： 1.8V-3.6V， 推荐接近 3.3V，但是不超过 3.6V。（2）工作在 433M ISM 频段。（3）最高工作速率 500 kbps，支持 2-FSK、GFSK 和 MSK 调制方式。（4）高灵敏度（ 1.2kbps 下 -110dDm，0.1数据包误码率）。（

24、5）较低的电流消耗（ RX 中，15.6mA，2.4kbps,433MHz ）。（6）可编程控制的输出功率，最大输出功率 +10dBm，符合相关法规。（7）无线唤醒功能 ,支持低功率电磁波激活功能 ,无线唤醒低功耗睡眠状态的设备。（8）模块可软件设地址，软件编程非常方便。（9）传输距离：开阔地传输 300 -500 米（视具体环境和通信波特率设定情况等而 定）。NRF2401 功能特点如下所示：最大传输速率可达 2Mbps，工作频断为 2.4G到 2.524G。但其工作距离有限，且工 作频断高，对建筑物的穿透能力不强，无法进行远距离室内外通信。 NRF 2401 的 PCB 采用双层板，底层不

25、放置元件作为地层，顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过 过孔和底层的地相连。 直流电源及电源滤波电容尽量靠近 VDD 引脚。 NRF2401 的供电 电源应通过电容隔开，这样有利于给 nRF2401 提供稳定的电源。在 PCB 中，尽量多打 一些通孔， 使顶层和底层的地能够充分接触。 所以 PCB 设计在 nRF2401 收发系统的开 发过程中主要的工作之一，在 PCB 设计时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、 电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。电路板设计布局过于复杂。通过对两者传输距离、功耗、传输速率和电路复杂程度上综合考虑采用 cc1101 作 为本课题通信用的无线通信芯片

26、。电源电路方案选择电源作为整个系统的正常工作提供能量，因此电源系统应该满足可靠性、稳定性、第 8 页 共 51 页并要求低功耗，能更长久的工作并符合节能减排理念。电源部分分为主机电源和从机电 源。主机电源以是否能够稳定工作作为选定标准，从机电源以灵活、适应性强作为选择 标准。主机电源电路方案 主机电源需要给 ATMEGA 128 芯片、液晶显示屏和 CC1101 无线收发模块提供工 作电压。电子设计中常见的电源有开关稳压电源和二极管整流电源。开关稳压电源是一种利用间歇震荡设计的电源，目前使用广泛。开关电源的既可降 压也可升压、没有最小降落电压的要求、效率高（尤其在大压差、大电流的情况下） ；

27、但其纹波可能较大些、而且电路形式略微复杂些。开关稳压电源较之模拟电源有着效率 高，自身发热小的优点； 但是它的纹波一般较大， 较难控制到很小。 对器件影响比较大。二极管整流电源。此种电源功耗较大，需要进行良好的散热。需要大量的电解电容 进行滤波。但是该电路性能优良，整流效率高，稳定性好。但该电路优点在于常见并且 相对简单易操作。从实用性和电路的复杂程度来分析，选用二极管整流电源作为主机电源。从机电源方案 从机独立于主机存在，从机电源主要给无线收发模块、从机控制芯片和温度传感器 提供工作电压，这几种器件工作电压相对于主机系统比较低，所以除了上面提到的二极 管整流电路、开关稳压电路之外还可以采用电

28、池供电。采用电池供电作为从机电源，方 法简单且适应力强。由于从机功耗低，使用环境多变，所以采用电池作为电源是最优选择。从机系统采 用两节南孚电池串联作为从机电源。本章小结 本章介绍了包括温度传感器、无线通信传输模块、单片机的选择和电源电路方案的 选定。在器件及电源方案设计方案选择上我们本着从实际出发，包括环境适应性、组成系 统复杂程度、功耗等多方面考虑。第 9 页 共 51 页4 ATMEGA 系列单片机ATMEGA 单片机属于 AVR 中的高档产品，它继承了前一系列 AT90 所具有的特点， 并在 AT90 （如 AT9058515、AT9058535 ）的基础上，增加了更多的接口功能，而且

29、 在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。本系统主从机 分别使用 ATMEGA 128 L 和ATMEGA 8 单片机作为控制芯片。下面分别说明一下这两种 单片机。ATMEGA8 单片机结构ATMEGA 8 单片机芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路， 具备 AVR 高档单片机 MEGA 系列的全部性能和特点。小引脚封装，使它具备了和低档 单片机相竞争的价格。所以 ATMEGA 8 是一款性价比极高的单片机。ATMEGA 8 主要性能如下：高性能、低功耗的 8 位 AVR 微控制器，先进的 RISC 精简指令集结构。 片内继承了较大容量的非易失性程序和

30、数据存储器以及工作存储器。 丰富强大的外部接口性能。特殊的微控制器性能。I/O 口和封装。最多 23 个可编程 I/O 口，可任意定义 I/O 口输入/输出方向。 28 脚 TQFP封装和 32 脚 MLF 封装。宽工作电压。 Atmega8L 工作电压范围 2.7V5.5V；Atmega8 工作电压范围 4.5V 5.5V 。高运行速度， Atmega8L 工作速度为 08MHz ， Atmega8 工作运行速度为 0 16MHz。低功耗。共分为三个工作模式，分别是正常模式，工作电流 3.6mA ；空闲模式，工 作电流是 1.0mA ；掉电模式，工作电流为 0.5uA 。Atmega8 管脚

31、结构图如下所示：图 4.1 Atmega8 系列 28 管脚结构图图 4.2 Atmega8 系列 32 管脚结构图第 10 页 共 51 页ATMEGA128L 单片机结构ATMEGA 128 是一款精简指令集 RISC 的高速 8 位单片机，简称 AVR。目前广泛使 用于计算机外设、工业控制领域，仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。目前 AVR 单片机广泛使用在各个领域主要是因为可靠性高、功能强、高速度、低 功耗、低价位。和 ATMEGA 128L 的主要性能和 ATMEGA 8 是一样的， I/O 功能强大， 低功耗等。ATMEGA 128L 结构图如下图所示：图 4.3 ATMEG

32、A 128 L 管脚结构图ATMEGA128L 共有六组 I/O 口，每组端口相应的都具有第二功能。在本系统中端口 B 和 CC1101 相连接的端口采用了第二功能。 端口 A 的第二功能是外部存储器低字节的地址端口及数据；端口 B 的第二功能如下表所示 ：表 4-1 端口 B 第二功能表引脚第二功能PB7T/C2 的输出比较和 PWM 输 出PB6T/C1 的输出比较和 PWM 输 出BPB5T/C1 的输出比较和 PWM 输 出APB4T/C0 的输出比较或 PWM 输 出PSPI 总线主机输入，从机输出B3信号PSPI 总线主机输出，从机输入B2信号PSPI 总线的串行时钟B1PSPI

33、从机选择引脚B0第 11 页 共 51 页ATMEGA 128L 内置独立预分频时钟计数器，本系统中时序要求比较严格，所以我 们不适用单片机内置的时钟系统，内置时钟系统受环境影响震荡不够稳定。我们采用一 个外接的 11.097MHz 的晶振作为主机的时钟信号。系统的复位采用上电复位，即上电 瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路， RST 端为高电平，自动复位；电容两端的 电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路， RST 端为低电平，程序正 常运行。本章小结本章简单的介绍了系统中采用的控制芯片， ATMEGA 128L 和ATMEGA 8L 两款芯 片。这两款芯片共同特点是电压适

34、用范围广，功耗低， I/O 口功能强大。第 12 页 共 51 页硬件电路设计 硬件部分是本系统的主体内容，设计时是按照模块来单独设计的。分模块设计的优 点是各个部分独立起来，相互之间联系减少，把复杂问题简单化。硬件电路共分为温度 采集电路、复位电路、无线通信电路、电源电路等。下面进行一一介绍。电源电路设计 由于系统采用的是无线测量方式，所以电源分为两个部分，分别是主机供电电源和 从机供电电源。主机供电电源采用的是 220V 交流电经过可调变压器调节至 5.5V；从机 电源采用的是电池供电，电压为 3V。主机电源电路 主机电源电路图如下所示：图 5.1 主机电源电路图电路中有两个二极管， D1

35、、D2。D1 的型号是 SS14，是一款贴片肖特基二极管， 主要参数是 1A、40V ；和普通二极管最大的不同是它的压降为 0.2V 而不是 0.7V，它在 电路中所起到的作用是电源防反接保护。 D2 型号是 SK50，一款防浪涌二极管， 主要作 用是防止瞬间电压激增；管子两端压降为 5.0V ，在电路中起电压过高保护，防止主机 电源电路损毁。 F1 是一个自愈合保险丝，防止电路中电流过大烧坏电路，它的主要特 点是当电流过大时自动熔断，短时间后又恢复到正常工作状态。主机电源输入为 5.5V经过D1后电压降到 5V为液晶提供工作电压。再经过 AMS 117 3.3 稳压芯片输出 3.3V 为 A

36、TMEGA 128 L 和无线通信芯片 CC1101 提供工作电压。从机电源电路从机电源电路如下图所示：图 5.2 从机电源电路图从机功耗较低， ATMEGA 8L 芯片和 CC1101 通信模块工作电压都比较低，所以选择两节电池并联作为从机系统供电电源。如图所示，二极管 D2 型号为 SS14，贴片肖第 13 页 共 51 页特基二极管，为电源防反接保护。在电路中两个电阻中间设置一个电压节点，作为监控 电池电量的数据。具体原理为：从机工作最低电压为 2.7V ，从机电源电压满状态为 3.0V， 所以在节点处输出电压约为 2.7V，以 0.003V 作为一个数量级， 使用单片机内置 A/D 转

37、 换做数据处理，这样就得到电池电量的百分数显示了。温度采集电路设计DS18B20 是美国 DALLAS 公司生产的数字温度传感芯片，具有耐磨耐碰，体积小 封装形式多样的特点。此产品具有独特的单线接口方式，及传感器和控制芯片通过一条 口线及可进行双向通信。 DS18B20 可以采用多个共存于一条总线上，本系统设计则是 三个温度传感器并联在三个数据端口。 DS18B20 是一线半双工通信模式。DS18B20 可以用于多点组网，一条总线上最多可以同时使用 8 个，如超出 8 个电 源供电不足，将影响正常工作。再具体操作中注意不要将管脚接反，这样虽然不会烧毁 传感器，但电路不能正常工作。DS18B20

38、 温度传感器的量程为 55 125，固有分辨率为 0.5。最低分辨 率可达到 0.0625 。读取温度时共读取 16位，所以把后 11位的 2进制转化为 10进制 后在乘以 0.0625 便为所测的温度，还需要判断正负。前 5 个数字为符号位，当前 5 位 为 1 时，读取的温度为负数；当前 5 位为 0 时，读取的温度为正数。温度传感器电路图 如下所示：图 5.3 温度传感器电路图无线通信模块电路设计无线通信模块采用 CC1101 模块，最大传输速率可达到 500 kbps，并能通过软件修 改波特率，在开阔地传输距离可以达到 300 -500 米，并具有无线唤醒功能，可靠性高， 可广泛使用于

39、各种场合的短距离无线传输。其性能特点如下：（1）工作电压： 1.8V-3.6V ， 推荐接近 3.3V ，但是不超过 3.6V 。（2）工作在 433M ISM 频段 。（3）最高工作速率 500 kbps，支持 2-FSK、GFSK 和 MSK 调制方式 。第 14 页 共 51 页（4）可软件修改波特率，功率，频率等相关参数，方便客户在不同条件下的使用 要求 。高波特率：更快的数据传输速率但距离会相对近些 。低波特率：更强的抗干扰 性和穿透能力，更远的传输距离 。（5）高灵敏度（ 1.2kbps下-110dDm，0.1数据包误码率）。（6）较低的电流消耗（ RX 中，15.6mA，2.4k

40、bps,433MHz ）。（7）可编程控制的输出功率，最大输出功率 +10dBm，符合相关法规 。（8 ）无线唤醒功能 ,支持低功率电磁波激活功能 ,无线唤醒低功耗睡眠状态的设 备。（ 9）快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统。（10 ）模块可软件设地址，软件编程非常方便。（11 ）单独的 64 字节 RX 和 TX 数据 FIFO 。（ 12 ）传输距离： 开阔地传输 300 -500 米（视具体环境和通信波特率设定情况等而 定）。表 5.1 CC1101 技术指标技术指标参数备注工作电压直流 3.0V-3.6V功放 VDS 3-9V工作频率433 MHz可编程配置 +-5M频率误差+

41、-10KHz调制方式FSK/GFSK/ASK/ 00K/MSK可编程配置输出功率20-30dBm接收灵敏度-112dBm2 .4 Kbps饱和度-15 dBm接收电流20mA2 .4 Kbps发射电流90 -250 mA和输出功率有关待机电流2uA传输速率1.2-500 Kbps可编程配置数据接口SPI 接口通信距离1200m2 .4 Kbps 可 视 距 离天线阻抗50ohm存贮温度-50-150C工作温度-40-85C外形尺寸26 .0* 17 .0* 2.4mm第 15 页 共 51 页系统中采用的编码方式是 2-FSK，二进制频移键控。 实现起来较容易 ,抗噪声和抗衰 减的性能较好。在

42、中低速数据传输中得到了广泛的使用。在主机系统中 CC1101 工作电压为 3.3V ，从机系统中工作电压为 3V 。从机系统中 CC1101 可以进入睡眠模式，工作电流小，功耗低；在主机系统中需要实时检测从机状 态，所以没有睡眠模式。从机系统有一个红色的发送数据指示灯，指示灯闪烁时表示从 机部分的无线传输模块处于工作状态中；主机部分有两个指示灯，红色的灯闪烁时表示 主机部分无线传输模块正常工作， 而绿色的灯以一定频率闪烁时表示通信模块正常的首 发数据。报警电路设计 系统中有一项超程报警的要求，所以需要设计一个报警电路来实现报警功能。其原 理是当单片机给出一个报警信号时，要求蜂鸣器鸣响报警。具体

43、设计方法如下图所示：图 5.4 报警电路单片机给出一个报警信号 ALARM ，由于蜂鸣器采用电流驱动，而单片机输出电流 不能驱动蜂鸣器，所以需要一个三极管对电流进行放大。根据设计要求选用一个 NPN 管进行电流放大，如果选用 PNP 型三极管发射极电压过低无法驱动蜂鸣器。液晶显示电路设计液晶显示屏作为操作人和系统交互的窗口， 液晶显示屏的现实质量对于人们对系统 的操作有着重大的影响。液晶显示屏采用 LCD302240 。LCD302240 采用功能强大的S1D13305 作为控制器。适配 Intel8080 系列和 M6800 系列 MPU 的两种操作时序 电路，通过硬件设置，可选择二者之一。

44、 4 位显示数据线，传输迅速；支持图形显示、 文本显示、图形文本混合显示。具备简洁的 MPU 接口功能和齐全的指令控制集。其电 路原理图如下所示：第 16 页 共 51 页图 5.5 液晶显示电路 液晶显示的主要内容有系统开机界面、操作界面、温度曲线绘制等。液晶复位方式 为上电复位，对比度可调节。本章小结 本章对系统硬件设计做了说明，主要体现在电路功能和设计思路上面。一些原理性 的理论没有加以详细说明。由于按键电路的设计比较简单，直接把按键连接到 ATMEGA 128L的 I/O上，所以本章没有叙述。第 17 页 共 51 页软件设计 软件部分主要完成各个模块应该实现的功能。其中主要包括以下几

45、个模块： （1）和 CC1101 进行通信；（2）DS18B20 温度读写；（3）实时刷新液晶屏幕；ATMEGA 8 和 CC1101 采用 SPI协议进行通信。 SPI 协议通信是指高速同步串行口 通信。MAGA 8 单片机通过 DS18B20 温度传感器将温度采集完成后将数据写入 CC1101 的 TX_FIFO 的缓存中，然后通过编写程序使 CC1101 进入发送状态，完成数据的发送。ATMEGA 128L 通过 CC1101 模块接收来自 ATMEGA 8 的温度数据，并实时刷新液 晶显示屏，显示最新温度值，同时检测 CC1101 是否有新的数据接收完成。其中键盘是 和 ATMEGA

46、128 L 的 I/O 口直接连接的。主机程序流程图 在以下的程序设计中多采用程序流程图的方式来体现，结构清醒，便于描述，方便 理解。主机作为系统总控制芯片， 在整个系统中起到数据处理、 控制各部分工作的作用。 主机除了控制各个模块正常工作之外还要把各个部分模块连接起来确保系统正常工作。 程序流程图如下图 6.1 所示：第 18 页 共 51 页从机程序流程图 从机主要控制 DS18B20 温度传感器的温度采集和 CC1101 无线传输模块的数据发 送端，以及从机电源电量显示。从机程序流程图如下所示：部分程序设计 在程序设计过程中，主要分为温度采集部分的程序设计，通信程序设计，液晶控制 程序设

47、计。温度采集程序DS18B20 采用一线工作方式，就是数据传输只通过一条数据线，分时进行。其一 线工作协议如下图 6.3 所示：第 19 页 共 51 页图 6.3 一线工作协议和时序图 6.4 DS18B20 开始时序 主机首先发出一个低电平脉冲， 然后吃放总线变为高电平， 并在随后的 480 微秒时 间内对总线进行检测，如果出现低电平说明总线上有器件已经做出了应答。若无低电平 出现说明总线上无器件应答。作为从器件的 DS18B20 在一上电后就一直在检测总线上是否有 480 -660 微秒的低 电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待 15-60 微秒后将总线电平拉低 60-240 微主机

48、发出各种操作命令，但各种操作命令都是向 DS18B20 写 0 和写 1 组成的命令 字节，接收数据时也是从 DS18B20 读取 0 和 1 的过程。因此首先要搞清楚主机是如何 进行写 0、写 1，读 0、读 1 的操作。写周期最少为 60 微秒，最长不超过 120 微秒。写周期一开始作为主机线把总线拉 低 1 微秒表示写周期开始。随后若主机想写 0 ，则继续莱迪电平最少 60 微秒直至写周第 20 页 共 51 页期结束，然后释放总线为高电平。对于读数据操作时也分为 0 时序和 1 时序两个过程。 读时序是从主机把单总线拉低 之后，在 1 微秒之后就得释放但总线为高电平， 已让 DS18B

49、20 把数据传输到单总线上。 DS18B20 在检测到总线被拉低 1 微秒后，编开始送出数据，若是要送出 0 就把总线拉 为低电平直到读周期结束。通信程序设计无线通信采用 CC1101 芯片， CC1101 和单片机通信采用 SPI通信， SPI通信速度 快、读写同步进行。 CC1101 通信过程中主机一直处于接收状态，从机处于睡眠状态， 节省电源，等待下一轮数据发送。时序如下图 6.6 所示：参数描述最小值最大值FSCLKSCLK 频率010MHzTs p,pdCSn 低到 SCLK 的正边缘，功率降低模 式下TBDnsTs pCSn 低到 SCLK 的正边缘，活动模式下TBDnsTc h时

50、钟高50nsTc l时钟低50nsTr ise时钟上升时间TBDnsTf时钟上升时间T第 21 页 共 51 页allBDnsTs d时钟上升时间向 SCLK 正边缘建立数据TBDnsTh d向 SCLK 正边缘后保持数据TBDnstn sSCLK 到 CNs 高时的负边缘TBDnsCC1101 程序流图如下图所示：图 6.7 CC1101 程序流图CC1101 发送函数如下：void Send_Data_CC1101 (uchar *TxBuffer, uchar size)Write_Registe_CC1101 (CCxxx 0_TXFIFO, size);_delay_ms(2) Wr

51、ite_Burst_Reg_CC1101 (CCxxx0_TXFIFO, TxBuffer, size) /写入要发送的数据Write_Command_CC1101 (CCxxx0_STX);第 22 页 共 51 页/进入发送模式发送数据while (!(CC1101_GD0);/!GDO0);while (CC1101_GD0);Write_Command_CC1101 (CCxxx0_SFTX);Write_Command_CC1101 (CCxxx0_SIDLE); _delay_ms(2);CC1101 接收函数为：uchar Re_Data_CC1101 (uchar *rxBuf

52、fer, uchar *length )uchar status2;uchar packetLength;/ 具体多少要根据 datarate和 length 来决定Write_Command_CC1101 (CCxxx0_SRX);/进入接收状态if ( Read_Status_CC1101 (CCxxx 0_RXBYTES ) & BYTES_IN_RXFIFO ) /如果接的字节数不为 0 packetLength = Read_Reg_CC1101 ( CCxxx0_RXFIFO ) ;/读出第一个字节，此字节为该帧数据长度if (packetLength = length) /如果所

53、要的有效数据长度小于等于接收到的数据包的长度Read_Burst_Reg_CC1101(CCxxx 0_RXFIFO,rxBuffer, packetLength ); /读出所有接收到的数据length = packetLength;/把接收数据长度的修改为当前数据的长度Read_Burst_Reg_CC1101(CCxxx0_RXFIFO, status, 2);/读出 CRC 校验位_delay_ms( 2) ;Write_Command_CC1101 (CCxxx 0_SFRX) ;/清洗接收缓冲区Write_Command_CC1101 (CCxxx0_SIDLE);Write_Co

54、mmand_CC1101 ( CCxxx0_SRX) ;第 23 页 共 51 页/进入接收状态return ( status1 & CRC_OK ) ;/如果校验成功返回接收成功elselength = packetLength;Write_Command_CC1101 (CCxxx0_SFRX);/清洗接收缓冲区return 0;elsereturn 0;液晶控制程序液晶显示模块是系统人机交互重要的窗口，液晶显示模块采用了MTG 320240 N型点阵液晶模块，由于液晶要显示的内容比较复杂，因此，液晶显示模块需要编写一套 完整的函数库，其中应该包括显示 ASCII 码、字符串、整型数字、汉

55、字等一系列函数， 还有一系列画图的函数。图 6.8 液晶时序图液晶驱动函数中主要有 void CA 320240 lcd_clear( uchar layer )清指定层的屏幕；第 24 页 共 51 页void locatexy ( uint x,uchar y,uchar layer ) 光 标 定 位 函 数 ， 画 图 使 用 ； void CA320240 _displayGBK (uchar x,uchar y,uchar layer,uchar *hanzi )汉字显示函数； void poin(t uint x,uchar y,uchar layer,uchar att)r 画

56、点函数；void line_y(uint x,uint y,uchar l,uchar layer,uchar dot,uchar att)r 画线函数等常用函数。程序流图如下图所示：图 6.9 液晶程序流程图本章小结 本章通过对软件的设计来进一步对系统进行设计完善。主要有主从机程序，温度传 感器程序等。需要注意的是我们选用的液晶显示屏是不带有字库的，所以我们要自己构 建需要用到的字符。第 25 页 共 51 页系统调试 调试时工程的重要一部分，是检验作品能否达到要求的重要一环。调试分为硬件调 试和软件调试以及总体调试三个部分。其中总体调试即综合调试，是把各个模块装到一 起后进行最后的调试。硬

57、件调试 硬件是系统的重要组成部分，相当于人的身体，硬件是否能正常工作直接影响测试 结果，也影响了软件调试的进度。硬件调试是整个系统设计的至关重要的环节。本系统的硬件部分由多个模块组成，电路较为复杂，所以每个硬件模块需要经过单 独调试之后，解决完问题后再将各个模块组装到一起。硬件调试的具体过程如下所述： 首先测试测试电源部分，电源是整个系统的关键部位，为整个系统提供动力。电源 电路加电后，测试各个电源端口和系统的电源部分能否工作正常，同时注意有无器件过 热情况，如出现过热应立即断电避免器件烧毁。用万用表检测额定的5V、3.3V 输出时发现， 5V、3.3V 的数去电压均正常，接通单片机最小系统电

58、源电路，检查单片机电源 端口电压是否在正常范围内，经过检查发现，电压在正常范围内。电源电路测试工作正常后，对单片机最小系统进行调试，用示波器检查晶振电路是 否起振，然后通过下载器向单片机烧入 I/O 口测试程序，利用流水灯检测各组 I/O 口输 出是否正常，测试后发现，各组 I/O 口可以正常输出。接下来是键盘和液晶显示电路的调试， 使用万用表检测键盘模块上的每个按键能否 正常的闭合和断开，液晶显示模块主要检查液晶背光和蜂鸣器的开启、关闭是否可以由 输入端的高低电平控制，通过给输入端加高低电平检验，液晶背光和蜂鸣器可以正常开 启和关闭。最后是无线通信的测试，先写入发送的程序，让从机一直处于不停

59、的发送状态。然 后调试接收装置。看发送数据是否正确。系统硬件电路调试完毕。在该环节中，电路正常，没有出现异常情况。软件调试 软件是整个系统的灵魂，相当于人的大脑，所以软件的调试也非常重要。系统软件 调试也是分模块来进行调试的，软件调试基本上是建立在硬件调试的基础之上，而且在 后期也要和硬件调试混合在一起的。在软件的编写上，采用了模块化的设计，方便分解 组合，将复杂过程简单化。将各个模块的程序单独调试成功之后，再整合到一起。所以软件的调试主要是混合调试。首先，调试好液晶模块，液晶显示模块采用 MTG 320240 N 型点阵液晶模块。由 于有液晶的驱动程序模块，所以现在主要的工作就是驱动程序的移

60、植。在调试过程中， 显示模块的调试进展得较为顺利。液晶显示模块调试成功后，就可以利用液晶来显示其第 26 页 共 51 页他模块的调试信息。接下来将对键盘程序块进行调试。键盘程序移植后也工作正常。接着是液晶显示模 块进行调试过程中发现液晶工作正常。但是存在问题是如果电池电量过低时，晶振频率 比正常要慢。最后测试通信模块，经检测得出通信模块也正常工作，测试结果正常。各个模块的 软件部分调试结束。综合调试硬件软件调试结束后，把系统组装起来进行综合调试，对整个系统进行总体的规划 设计。这部分是整个编程过程中最为繁琐复杂的，在这一步时需要边写程序边调试。由于本系统的硬件结构比较多，比较复杂。在软、硬件