基于單片機的無線溫度自動監控系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 要的電路和軟件開發成本 ； 溫度傳感器采用的總線負載能力如何，能否滿足多點測溫的需要 ； 占用 MCU 的 I/O 引腳數情況如何，因為 MCU 的系統資源非常寶貴，輸入通道有限 。 多點溫度測量時，如果測量的點數超過了輸入通道時，就要添加多路復用器，這將增加成本和開發時間，應盡量節約 ； 與 MCU 的通信協議應盡量簡單，溫度測量的軟件開發難度、成本要盡量小。目前在數字溫度傳感器中采用串行總線 的 最 主要有 Philips 公司的 I2C 總線， Motorola 公司的 SPI 總線，National Semiconductor 公司的 Microwireplus 總線， Dallas Semiconductor 公司的1_Wire 總線和 Siemens 公司的 Profibus 總線等。 湖南人文科技學院畢業設計 6 常用的數字溫度傳感器主要有 ： ① AD7418[12]是美國模擬器件公司 (ADI)推出的單片溫度測量與控制用集成電路。其內部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉換器。測溫范圍為 55℃ ～ +125℃ ，具有 10 位數字輸出溫度值，分辨率為 ℃ ，精度為 177。 2℃ ，轉換時間為 30ms。具有體積 小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且不易受環境干擾等優點。AD7418 可以級聯至多 8 片在同一個 I2C 總線上。 ② LM74[13]是美國國家半導體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、 A/D 數轉換器，并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數字溫度傳感器。具有抗干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優點。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進行檢測，并在片內寄存器中存儲轉換的溫度值，主機可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。 LM74 具有休眠模式，在休眠時消耗的電流不超過 10pA，適用于對功率消耗有嚴格限制 的系統。 LM74 的模數轉換器為 12 位外加符號位，因此在其有效工作范圍內可達 ℃ 的分辨率，轉換時間為 425ms。 ③ DS18B20[14]是美國 Dallas 半導體公司繼 DS1820 之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測且可根據實際要求通過簡單的編程實現 9～ 12 位的數字值讀數方式。可以分別在 和750ms 內完成 9 位和 12 位的數字量。它具有獨特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數十甚至上百個數字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分 簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的 A/D 轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，而且，可以通過總線供電 。 溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源，由它組成的溫度測控系統非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。 DS18B20 的測溫范圍 55～125℃ ，最高分辨率可達 ℃ ，由于每一個 DS18B20 出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡單的通信協議就可以識別，從而節省了大量的引線和邏輯電路。 Dallas 公司的單總線技術具有較高的性能 價格比，有以下特點 ： 湖南人文科技學院畢業設計 7 ① 適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優越性 ； ② 性價比高 、 硬件施工、維修方便 、 抗干擾性能好 ； ③ 具有 CRC 校驗功能，可靠性高 ； ④ 軟件設計規范，系統簡明直觀，易于掌握。 表 幾種數字溫度傳感器的比較 溫度傳感器 LM75 LM74 MAX6575 DS1820 DS18B20 適用總線線 IIC SPI 1_Wire 1_Wire 1_Wire 溫度準確度 3℃ 3℃ ℃ ℃ ℃ 溫度范圍 25～ 100℃ 55～ 125℃ 55～ 125℃ 55～ 125℃ 55～ 125℃ 最多掛接數 8 8 8 80～ 100 80～ 100 由于 DS18B20 具有獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優勢，占用MCU 的 I/O 引腳資源少，和 MCU 的通信協議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，和其他數字溫度傳感器相比，它更適合本系統，所以，選用 DS18B20 作 為溫度測量的傳感器。 無線通信模塊的 對比和 選擇 無線收發芯片的種類和數量比較多，在設計中選擇合適芯片可以提高產品開發周期、節約成本。在選擇時，應主要參考以下幾點 ： ① 收發芯片的數據傳輸是否需要 進行曼徹斯特編碼 ； 采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經驗，需要更多的內存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數據傳輸的效率，一般僅能達到標稱速率的 1/3，而采用串口傳輸的芯片，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，編程方便。 ② 收發芯片所需的外圍元件數量 ； 芯片外圍元器件的數量直接關系到系統的復雜程度和成本，因此應該選擇外圍元件少的收發芯片。 ③ 功耗 ； 大多數無線收發芯片是應用在便攜式產品上的，因此功耗也非常重要，應該湖南人文科技學院畢業設計 8 根據需要選擇綜合功耗較小的產品 。 ④ 發射功率 ； 在同 等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發射功率較高的產品。 ⑤ 收發芯片的封裝和管腳數 ； 較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少 PCB 面積降低成本，適合攜式產品的設計，也有利于開發和生產。常用的無線收發芯片主要有 ： ① CC1000 是根據 Chipcon 公司的 S martRF 技術，在 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發通信芯片。它的工作頻帶在 31 868 及 915MHZ，但 CC1000 很容易通過編程使其工作在 300～ 1000MHz 范圍內。它具有低電壓(～ )，極低的功耗， 可編程輸出功率 (20～ 10dBm)， 高靈敏度 (一般 109dBm)，小尺寸 (TSSOP 28 封裝 )，集成了位同步器等特點。 ② nRF401[20]是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片即收發機，專為在 433MHz ISM(工業、科研和醫療 )頻段工作而設計。該芯片集成了高頻發射、高頻接收、 PLL合成、 FSK 調制、 FSK 解調、雙頻道切換等功能，具有性能優異、功耗低、使用方便等特點。 nRF401 的外圍元件很少，僅 10 個左右。只包括一個 4MHz 基準晶振 (可與 MCU 共享 )、一個 PLL 環路濾波器和一個 VCO 電 感，收發天線合一，沒有調試部件，這給研制及生產帶來了極大的方便。 ③ nRF903[21]單片射頻收發器芯片 是 工作在 915MHZ 國際通用的 ISM 頻段 ；GMSKJGFSK 調制和解調，抗干擾能力強 ； 采用 DDS+PLL 頻率合成技術，頻率穩定性好 ； 靈敏度高達 100dBm，最大發射功率達 +10dBm； 數據速率可達 ；170 個頻道，適合需要多信道工作的特殊場合 ； 可方便地嵌入各種測量和控制系統中進行無線數據雙向傳輸，在儀器儀表數據采集系統、無線數據通信系統、計算機遙測遙控系統等中應用。 ④ nRF24L01[16]是一款工作在 ～ 世界通用 ISM 頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器 包括：頻率發生器、增強型 Schock Burst 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協議的設置可以湖南人文科技學院畢業設計 9 通過 SPI 接口進行設置。極低的電流消耗：當工作在發射模式下發射功率為 6dBm時電流消耗為 9mA，接收模式時為 。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。 綜合考慮各方面要求，整合 nRF24L01 的以上特點，本設計的無線模塊選用nRF24L01。 湖南人文科技學院畢業設計 10 第三章 系統硬件電路的設計 根據上一章所選的系統方案設計，下面進行系統硬件電路的具體設計，系統的總體結構框圖如圖 所示： n R F 2 4 L 0 1 ( 2 )n R F 2 4 L 0 1 ( 1 )D S 1 8 B 2 0 ( 1 )n R F 2 4 L 0 1 ( 3 )D S 1 8 B 2 0 ( n )D S 1 8 B 2 0 ( 3 )D S 1 8 B 2 0 ( 2 )n R F 2 4 L 0 1 ( n ) n R F 2 4 L 0 1 M A X 2 3 2P C 機S T C 8 9 C 5 2 ( 1 )S T C 8 9 C 5 2 ( 2 )S T C 8 9 C 5 2 ( 3 )S T C 8 9 C 5 2 ( n )S T C 8 9 C 5 2D S 1 3 0 2液 晶 顯 示 圖 單片機無線溫度監控 系統結構圖 對于本設計的無線測溫監控系統來說，整個系統由數據采集端和數據接收端兩個部份組成，兩者之間通過無線信道通信。數據采集端負責數據的采集和發送 ；數據接收端負責數據的接收和處理 。 一片 nRF24L01 無線收發模塊與一片溫度傳感器 DS18B20 組成 一個 溫度采 集模塊 ， 通過無數個溫度采集模塊 完成多點 溫度數據的采集和無線發送 ； 另一片 nRF24L01 無線收發模塊 和 一片 STC89C52 通過 RS232接口模塊，完成溫度數據的接收和上傳。 微處理器 電路設計 微控制器的主要功能是管理系統的所有外圍設備 ， 主要完成溫度數據的采集、處理 ， 然后進行數據的發送等工作。 STC89C52 微處理器 STC89C52是一種低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器，具有 8K可編程 Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業 80C51產品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適 于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統可編程 Flash，使得 STC89C52為眾多嵌入式控制應用湖南人文科技學院畢業設計 11 系統提供高靈活、超有效的解決方案 [3]。 STC89C52微處理器引腳結構圖如圖 示： 圖 STC89C52引腳圖 STC89C52具有以下標準功能： 8K字節 Flash， 256字節 RAM， 32個 I/O口，看門狗定時器， 2個數據指針，三個 16位定時器 /計數器，一個 6向量 2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外， STC89C52可降至 0Hz靜態邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節電 模式。其 P3口各引腳的第二功能如表 [3]: 表 P3 口各引腳的第二功能定義 接口線 引腳 第二功能 10 RXD (串行輸入口 ) 11 TXD (串行輸出口 ) 12 INT0 (外部中斷 0) 13 INT1 (外部中斷 1) 14 T0 (定時器 0外部輸入 ) 15 T1 (定時器 1外部輸 入 ) 16 WR (外部數據存儲器寫脈沖 ) 17 RD (外部數據存儲器讀脈沖 ) 湖南人文科技學院畢業設計 12 電源電路設計 任何電路都離不開電源部分，單片機系統也不例外，而且我們應該高度重視電源部分，不能因為電源部分電路比較簡單而有所忽略，其實有將近一半的故障或制作失敗都和電源有關，電源部分做好才能保證電路的正常工作。 STC89C52單片機的 5V直流供電電路如圖 ： 12P4Header 2HP1BNCVin VoutGND7805100pFC14100pFC13100pFC15100pFC16S2SWPBD11N4007D21N4007D31N4007D41N4007VCCGND 圖 電源 電路 復位電路設計 任何微處理器均需通過可靠復位，然后才能有序地執行應用程 序。復位電路的設計要求其一要保證整個系統可靠復位，二要有一定的抗干擾能力。在實際的監測系統中，考慮到電源穩定時間、晶振穩定時間、參數漂移和復位可靠性等因素，其設計必須留有較大的裕量。復位電路應具有上電復位和手動復位功能。復位脈沖的寬度至少要大于 2 個機器周期。系統的復位電路如圖 所示 [10]： 20UFC12Cap Pol22KR8Res2S1SWPBVCCRST 圖 復位電路 振蕩電路設計 本電路設計給單片機加了 的晶振， 其晶振兩端分別通過兩個電容湖南人文科技學院畢業設計 13 接地， XTAL XTAL2 分別接到 STC89C52 的 19 腳和 18 腳，構成單片機的振蕩電 路，其電路圖如圖 所示： 12Y2104C2Cap104C4CapXTAL1XTAL2 圖 STC89C52 的振蕩電路 微處理器與 MAX232 連接電路設計 STC89C52 單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。 MAX232 的第 10 腳和單片機