1、基于无线网络的温度采集系统 毕业设计基于无线网络的温度采集系统设计学生姓名马丽学 号080910140学 院计算机与电子工程学院专 业电子信息工程班 级电信0804指导教师倪文志职 称实验师湖 南 商 学 院2012年6月湖南商学院本科毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业设计作者签名： 年 月 日内容摘要
2、 由于数据采集系统的应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多、对测量的要求也越来越高，国内现在已有很多温度测量和采集的系统，但很多温度采集系统存在功能单一、采集速率低、稳定性不高，操作复杂，并且对温度测试环境要求比较高等等的许多问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的温度数据采集系统。基于单片机的温度数据采集系统是由将来自DS18B20数字温度传感器的信号直接传输给单片机从机，单片机从机经过信号处并通过nRF2401无线模块发送给单片机主机，并在主机上显示出温度，同时实现温度过高或者过低的报警功能，温度超过50摄氏度时语音报警说明温度过高，温度低于20摄氏度时语音报警说明温度
3、过低。该设计具有数据处理界面友好、功能强大、性价比高、显示直观、应用广泛等特点，可以广泛应用于智能家居、机电一体化、仪表、仪器、工农业控制等许多领域。关键词无线；温度采集；单片机；报警 ABSTRACTsince the wide range of data acquisition system, which involves the measurement signal and the type of signal source more and more, Surveyors are increasingly high requirements of the domestic now ha
4、ve a lot of data acquisition and measurement system But there are many single function systems, collecting less access, low collection rate, complicated operations, and the demands of the test environment and other issuesIt requires abroad scope of application, high reliability and low-cost data acq
5、uisition systemBased on single-chip wireless temperature data acquisition system from the DS18B20 digital temperature sensor signal is transmitted directly to the microcontroller slave microcontroller slave signal processing and temperature nRF2401 wireless module is sent to the microcontroller host
6、 and displayed on the host, while temperature is too high or too low alarm function. The design has a powerful data processing, display and intuitive, friendly interface, cost-effective, wide range of applications can be widely used in many areas of industrial control, instrumentation, instrumentati
7、on, mechanical and electrical integration, and smart home. KEY WORDS Wireless；Temperature Acquisition ；Microcontroller ；Alerting目 录1 绪论 11.1 设计目的 11.2 课题的研究现状和发展趋势 11.2.1 课题的研究现状 11.2.2 发展趋势 32 总体方案设计 42.1 系统方案比较与选择 42.1.1 控制器模块比较与论证 42.1.2 温度传感器模块比较与论证 52.1.3 无线模块的比较与论证 52.1.4 键盘显示模块的比较与论证 62.1.5 电
8、源模块比较与论证 62.2 系统最终方案 72.3 系统总体设计 83 硬件电路的设计 103.1 主控模块的电路设计 103.1.1 SPCE061A简介 103.1.2 SPCE061A性能 103.1.3 结构概览 113.1.4 芯片的引脚排列和说明 113.1.5 凌阳开发板电路 133.2 电源电路 143.2.1 外部稳压电路 143.2.2 凌阳单片机板稳压电路 153.2.3 12v防爆聚合物锂离子蓄电池 153.2.3 电源自动切换电路 153.3 温度采集电路 163.3.1 DS18B20简介 163.3.2 DS18B20的4个主要数据部件 173.3.3 DS18B
9、20的高速缓存存储器 183.3.4 电路设计 183.4 无线模块电路 183.4.1 nRF2401A无线模块基本特性与参数指标 183.4.2 nRF2401A无线模块功能简介 183.4.3 nRF2401A无线模块结构示意图 193.4.4 nRF2401A 及其外围电路 193.4.5 nRF2401A 电源指示电路 203.4.6 nRF2401A 接口电路 203.5 键盘显示电路 213.5.1 LED显示器件的工作原理 213.5.2 HD7279A键盘显示电路设计 233.5.3 HD7279A芯片简介 233.5.4 HD7279A特点 233.5.5 HD7279A引
10、脚及说明 244 软件设计 244.1 主控制程序设计 254.2 无线模块nRF2401程序设计 264.3 HD7279程序设计 264.4 DS18B20温度采集模块程序设计 275 调试及结果 275.1 测试环境及工具 275.2 测试方法 275.3 测试结果及分析 285.4 误差分析 285.4.1 DS18B20的误差 285.4.2 温度计测量误差 285.5 偏差分析 296 总结 29参考文献： 30致 谢 32附录1： 61板原理图 34附录2： 主机部分主程序 35附录3： 从机部分主程序 35附录4： 无线模块nRF2401a程序 37附录5： 无线模块nRF24
11、01a通信协议程序 46附录6： HD7279 凌阳驱动程序 47附录7： DS18B20温度采集模块程序 53基于无线网络的温度采集系统设计1 绪论1.1 设计目的利用单片机技术、无线传输技术、温度测量技术等知识设计一个基于凌阳单片机控制的无线温度采集系统，以DS18B20为传感器，检测比较精确的温度信号，并通过无线传输模块将一个点的温度信号传到另一个地方。其涉及的知识面较广，它涵盖了电子、机械、软件学等领域。通过本次设计掌握一般自动控制系统的软件（如C语言、汇编语言），单片机以及其他芯片和模块（如SPCE061A、DS18B20、nRF2401、HD7279）的设计原理及实现方法，能提高对
12、系统设计的总体试和整体把握能力，熟悉系统的开发安装调试过程，给大学画上一个句号。1.2 课题的研究现状和发展趋势1.2.1 课题的研究现状21世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步同时也带动了测量技术的发展，现代测控设备不同于以前，它们在性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用工程的各个领域。温度是工业、农业生产中常见以及最基本的参考数据之一，在生产过程中常需要对温度进行检测和控制，采用微型计算机机进行温度检测、信息存储、数字显示及实时自动控制，对于提高产品质量和生产效率以及节约能源等都具有特别重要的作用。伴随农业
13、科技和工业科技的飞速发展，温度测量的需求越来越多，也越来越重要。但是在一些特定的环境下温度监测范围大,待测点距离远,布线非常不方便。这时就要采用无线的方式对温度数据进行传输。 当今无线通信存在于我们人类生活的方方面面。短距离通信的有蓝牙、红外线等。远距离通信的有GPS，手机等等。二十一世纪是无线通信应用高速发展的时代，手机，GPS导航仪现在尤其火热，几乎每人都有手机，大部分车辆都安装了GPS导航仪。但是无线温度测量系统发展非常缓慢。这是由于电子元器件在温度过高或者过低的时候无法工作。但是在常规的温度测量的实际应用当中，比如说粮食仓库环境或者工业化学反应的温度测量等等，无线温度测量系统还是能够满
14、足测量的需求的。就无线温度测量系统来说，我们仅仅需要在待测点放置一个传感器和一个能处理传感器数据的单片机与能发送数据的无线模块。此时，主机外围含有的键盘显示模块可以起到人为控制的作用，同时可以方便直观的观察到温度数据，人在此时可以针对性地作出一些反应。无线模块的使用即节约了系统的成本，又减少了工作量，同时使用更加长久，因为线路在一定环境下容易腐蚀和损坏，我们在家里也会常常出现电线被老鼠咬坏的情况，基于更加安全和稳定的考虑，在使用的趋势上会越来越趋向于使用无线模块，不仅仅是温度测量系统，其他的更多的系统会更多地应用到无线，无线是未来的一个整体趋势。无线温度采集系统可被广泛应用于温度测量或相应的可
15、转换为温度量或供电故障监控的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中，例如：城市路灯故障检测和供电线路防盗监视、环保工程、大型仓库温度检测、城市居民小区供热检测、大型仓库温度检测、工业生产测控、农业生产温度测控、环保工程、故障监控工程等。考虑到许多工农业环境中对多点温度进行监控，一般需要测量几十个点以上。本文设计多点无线温度采集系统。本设计是以凌阳公司的SPCE061A单片机作为控制核心，以DS18B20为采集终端的温度采集与控制系统。设定与键盘和显示部分相连的单片机为主机，每个温度传感器对应一个单独的单片机，设为从机。主机与从机之间通过无线模块建立通信。控制器通过温度传感器实时检测各节点的
16、温度变化，并在LED上显示各点温度的变化，并实现温度超过限定值报警的功能。因为对环境进行温度检测、数字显示、及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用，并且温度参数对工业生产的十分重要，所以温度测量系统的精确度和智能化一直受到企业的重视。所以学习并研究温度测量及相关知识可做为一个较为实用的课题的方向，能获得较实用的知识和方法。因此温度测控技术是一个很实用、也很重要的技术，值得去研究掌握。它应用的领域也相当广泛，可以应用到消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备的过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试
17、，化工、机械等设备温度过热检测。因此前景是相当的可观。1.2.2 发展趋势温度是一个十分重要的物理量，因为它直接影响烘烤、燃烧、煅烧、蒸馏、结晶、空气流动、温度漂移等各种化学过程和物理过程。温度控制失误就可能引起产品产量低下，产品质量不过关甚至导致生产安全以及威胁人们生活安全等一系列问题。从而温度的检测是必不可少的一个课题，而如何让它在社会生活中发展得越来越完善，为人们的生产生活带来更多更大的方便就需要我们当代青年来不断的探求和摸索。温度采集控制系统在科学研究、工农业生产以及人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工农业生产过程中，很多时候都需要对温度进行非常严格的检测和控制，以使得生产能够顺利的
18、进行，让产品的质量得到充分的保证。使用无线温度采集系统可以对生产环境的温度进行及时而方便的察觉，从而做出反应。实际生活生产当中，人们经常将此设计应用在智能控制中，从而保证生产的自动化、智能化能够顺利而安全进行，从而提高生产效率。在过去的一段时间，触摸开关风靡一时。触摸开关正是通过温度信号的检测来控制开关的状态。只是一般的居民地区没有必要用到无线传输，这样也不划算。但是在工农业中的应用还是特别多的，而且越来越先进，功能越来越强大，测温范围也越来越大，最重要的是大都趋向于无人全自动机械化，大大节约了人力成本，而且安全性与保证性也更大了。现在推出了新型环保家居的设想，虽然在社会上并没有完全普及，但是
19、这个想法将会是人们未来生活的预景。全智能的环保家居系统当中也很大程度上需要温度检测系统来完成部分功能，然后对温度数据做出反应，比如说智能打开窗户或者空调，当没有人在系统中出现的关闭所有应该关闭的电源来节约能源，以达到环保的效果。总之温度是与我们人类生活各个方面密切相关的一个方面，本设计方案旨在用合适的方法更加精准地采集温度数据，并实现无线传输。突出在无线这一方面。所以此设计的应用面十分广，应用前景也是无可计量的。2 总体方案设计温度检测系统有许多共同的特点：环境复杂、测量点多、布线分散、现场离监控地点很远等等。如果使用一般温度传感器采集温度数据，就必须设计信号A/D 转换电路、调理电路以及对应
20、的接口电路，才能将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，再将数字信号送到单片机去处理。这样，由于外围电路过多会使整个检测系统稳定性不高，系统收集最终数据偏差较大；又由于检测环境的复杂、测量点又多、信号传输距离较远及各种其他干扰的影响，随着时间的推移，检测系统的稳定性和可靠性逐日下降 。所以温度采集系统的设计的关键在于下面三部分：主控单元的设计和温度传感器的选择以及无线模块的选择。2.1 系统方案比较与选择为了更好的实现系统的可靠性与高性价比，我针对以上这些模块分别提出几种方案以供选择。2.1.1 控制器模块比较与论证单片机是本系统的控制核心，其性能的优劣将从根本上影响整个系统的性能。针对本系统，
21、特提出以下二种方案以供选择方案一：采用AT89S52八位单片机。AT89S52单片机的软件编程自由度比较大，可通过编程实现各种算法以及逻辑控制。并且体积较小，引脚不多，方便安装使用。可以单独对数字温度传感器DS18B20进行控制，另外AT89S52在工农业控制上也有着比较广泛的应用，编程技术和外围电路的配合使用都相当成熟。但是使用51或者52单片机该系统的外围电路较多，实际操作比较麻烦，一次只能处理八位数据，计算比较繁琐。方案二：使用SPCE061A凌阳16位单片机。SPCE061A是凌阳科技经典的一款16位的具有语音处理结构的微控制器。SPCE061A采用SOC架构，其内核是凌阳科技公司自主
22、研究开发的nSP架构内核，该芯片自带硬件乘法器，可以实现乘法，内积等各种复杂的运算。它运算能力强，处理速度快，单周期最高能达到49MHz内置的专用MIC接口和双路10bitDAC，使得它非常适合开发语音电子产品。凌阳单片机SPCE061A内嵌32k字Flash程序存储器和2路16位定时器、8通道10bitADC、UART接口、2K的SRAM、看门狗、电压检测以及时基输出等模块。丰富的外部资源和优秀的检测机制使芯片性能稳定、功能丰富，可作为通用的微控制器，广泛而深入地应用于智能家电、工业控制、家居安防等多领域。在温度数据采集上，利用IO口连接数字温度传感器DS18B20的数据引脚，显示上用HD7
23、279控制键盘和显示，单片机控制喇叭可实现语音报警。2.1.2 温度传感器模块比较与论证 温度传感器用来进行温度采集，我们把采集到的数据送到单片机上，单片机处理后把数据通过一个无线模块发送到另一个无线模块。所以在这个系统中温度传感器的作用是至关重要的。我们需要做到数据采集的准确，并且能够保持系统的稳定。有以下几个方案可以供选择：方案一：采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。方案二：采用单片模拟量的温度传感器，比如AD590,LM35等。但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给单片机，这样就使得
24、测温装置的结构较复杂。另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量。即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。方案三：采用DS18B20来测量待测电的温度，数字温度传感器DS18B20输出的信号全数字化。方便单片机处理及控制，省去传统的测温系统的很多外围电路。且该芯片的物理化学性都很稳定，它能作为工业测温元件。此元件线性度好，在0到100时，最大线形偏差小于1。DS18B20的最大特点是单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器SPCE061A构成的温度采集系统，它可以直接输出温度的数字信号，而且直接显示在数码管上。因此该温度采集系统的结构
25、就比较简单，体积也较小。2.1.3 无线模块的比较与论证无线传输模块主要是用于主机和从机之间的数据传输，主机先发送信号给从机，从机接收到主机发送的信号后给主机发送温度数据。方案一：采用红外收发芯片NB9148、NB9149。NB9148是通用红外遥控发射器集成芯片，该器件与NB9149配合使用可完成10个功能控制。NB9148采用CMOS工艺制造，功耗极低，工作电压可在2.5-5.5V之间变化，NB9148的集成度高，工作时所需外围元件少，其振荡电路只需外接LC或陶瓷震荡器即可起振，并支持多键组合。此外NB9148的位码可与其他模式相兼容。方案二：采用nRF2401无线模块。无线芯片nRF24
26、01是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内嵌晶体振荡器、地址解码器、时钟处理器、调制器、低噪声放大器、GFSK滤波器、功率放大器和频率合成器等功能模块，通信频道和输出功率可通过程序进行调配。芯片能耗相当低，以-5dBm的功率发射的时侯，工作的电流只有10.5mA，接收的时侯工作电流只有18mA。该无线模块有多种低功率工作模式，设计节能而且使用更为方便。无线芯片nRF2401内置了相当多的功能模块，外围电路需要得很少，因此使用起来相当方便。2.1.4 键盘显示模块的比较与论证键盘和显示是整个系统人机交互的桥梁。选择好的键盘显示模块能够更简单、更方便、更直观的实现人机交互
27、。方案一：单片机控制键盘、液晶显示屏（LCD）显示温度数据。液晶显示屏（LCD）具有显示清晰、轻薄短小、无辐射危险、低耗电量，影像稳定不闪烁以及平面直角显示等优点，可视面积较大，画面效果较好，分辨率较高，抗干扰能力较强等特点。但由于只显示温度数据，信息量比较少，但是液晶工作量较大，控制器的资源占用较多，使得系统效率变低，而且使用液晶显示器的成本偏高。方案二：使用单片机控制键盘和传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，编程容易，资源占用较少。方案三： HD7279A控制键盘与LE
28、D显示。HD7279A是一个具有串行接口的智能显示与键盘驱动芯片。它可以同时驱动8位共阴数码管，还能同时连接多达64键的键盘矩阵，单片就可完成LED数据显示和键盘驱动的全部功能。HD7279A内置译码器，可直接接受BCD码以及16进制码，并同时具备2种译码方式，此外还它还具有多种控制指令 ，如左移、右移、消隐、段寻址和闪烁等。HD7279A具有片选信号，可非常方便地实现多位LED显示和键盘驱动。2.1.5 电源模块比较与论证方案一：采用稳压源提供正负5V的电压。稳压源可以提供多种不同的电压，为单片机、信号处理电路供电。 方案二：采用4节五号电池串联给整个系统供电。但经过实验验证，当电池为直流电
29、机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。方案三：采用12V蓄电池变压后为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，并且移动方便，成本低。采用此种供电方式后，单片机和各部分电路工作稳定，易于安装，能够满足系统的要求。方案四：采用稳压电源12V经过滤波稳压为5V后给系统供电，同时使用12V蓄电池变压为5V后为系统提供备用电源。2.2 系统最终方案经过反复比较与论证，最终确定了如下方案：（1） 采用单凌阳单片机SPCE061A作为控制核心；由于系统要求精度高且性价比高，经综合考虑后选用凌阳16位单片机SPCE061A实现本系统。凌阳SPCE061A单片机算术运算功能强
30、，软件编程灵活，自由空间大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低，体积小，技术成熟和成本低的优点，使其在各个领域应用广泛。相比之下51单片机就逊色很多，51单片机不仅内部资源很少，而且它的内部寄存器只能处理8位数据，所以具有很大的局限性和不稳定性。且在学校有凌阳开发板可供使用，大大方便了我的设计。（2） 采用数字温度传感器DS18B20来采集温度数据；采用温度温度传感器DS18B20测量温度，体现了系统芯片化这个发展趋势。部分外围电路的集成，使总体电路更加简洁，搭建电路以及焊接电路时更加方便快捷。集成块能有效的避免外界干扰，提高系统的精确度，所以集成芯片的普及使用时电路发展的一
31、种趋势。本方案应用这一数字温度芯片DS18B20，也是顺应系统芯片化的趋势。（3） 采用与凌阳配套的低功耗芯片nRF2401做无线传输； 采用与凌阳单片机配套的nRF2401模块来搭建系统，使用起来更加方便，各方面性能都比较优秀。而主机和从机之间进行无线通信时，信号传输的可靠性及元器件的低功耗非常重要，所以无线传输模块采用方案二。（4） 采用HD7279键盘显示芯片控制键盘和LED显示；由于控制器模块选择的是16位的凌阳单片机，所以选择方案三可以使系统更加稳定，并且选择方案三线路跟外围电路都比较少，所以减少了线路出错的的几率。使系统的可靠性增加。（5） 采用5V的稳压电源给系统供电，同时使用1
32、2V电池来作为备用电源，即选择方案四。采用方案四可以在保障系统长期稳定的同时，保障系统在停电或者断电以及其他突发情况下能照常运行，从可行性上来考虑，应选择方案四。2.3 系统总体设计 系统的硬件分为两个分开的部分，在测温点放置的是从机，用于检测温度并传输数据。主机放置在离人近或者方便看见的地方，用于接收数据并显示温度，同时实现不在限温范围内报警的功能（超过50即报警还有低于20即报警）。系统采用凌阳单片机为处理控制器，主机从机都有各自的控制器。由于凌阳单片机自带报警电路，所以只需接一个喇叭就可以直线报警的功能，在图中就没有画出来。nRF2401无线模块是在可以直接应用到凌阳单片机上的应用模块，使用方便，可实现发射与接收功能的半双工无线模块。键盘显示电路都是由H
