1、无线温度采集系统设计无线温度采集系统设计1 原理无线温度采集系统是一种基于射频技术的无线温度检测装置。 本系统由传感器和接收机，以及显示芯片组成。传感器部分由数字温度传感器芯片 18B20 ，单片机 89S52 ，低功耗射频传输单元 NRF905 和天线等组成，传感器采用电源供电；接收机无线接收来自传感器的温度数据，经过处理、保存后在 LCD1602上显示，所存储的温度数据可以通过串行口连接射频装置与接收端 进行交换。无线温度的采集主要基于单线数字温度传感器 DS18B20 芯片。 Dallas 半导体公司的单线数字温度传感器 DS18B20 是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。
2、 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。 DS18B20 支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55 C+125 ,在-10+85范围内，精度为0.5（。现场温度直接以“一 线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，支持 3V5.5V 的电压范围， DS18B20 可以程序设定 912 位的分辨率，精度为 0.5C。数字单总线温度传感器是目前最新的测温器件，它集温度测量， A/D转换于一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与微机接口等优点。既可用它组成单路温度测量装置， 也可用它组成多路温度测量装置， 文
3、章介绍的单路温度测量装置已研制成产品，产品经测试在-10 C-70 c间测得误差为0.25 C,80 c勺得05 c时误差为 0.5 ,当 T105 误差为增大到 1 左右。温度数据的无线传输主要是基于低功耗射频传输单元 NRF905 芯片。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V, 32弓I脚QFN封装（5X5mm）,工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、 功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM 工
4、作模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通 信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只 有11mA ,工作于接收模式时的电流为12.5mA,内建空闲模式与关机模式，易于 实现节能。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功 率放大器等模块。经过无线传输后，温度数据信息将在1602液晶显示芯片上进行显示，1602 液晶显示芯片采用标准的14脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高， 对比度过高时会产生“鬼影；使用时可以通过一
5、个10K的电位器调整对比度。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。 RW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RW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RW为高电平时可以读忙信号， 当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。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。D0D7为8位双向数据线。本系统的温度采集与显示，无线的传输与对比均由单片机 89S52来控制完 成。相比较而言ATMEL公司的89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全 兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工
6、艺的存储器用户可 以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMEL AT89xx做的编程器均带有这 些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了我们的劳动成果。系统原理框图（略）。系统工作原理及详细流程。首先，打开电源后，本系统由单片机 89S52向单线数字温度传感器DS18B20芯片发出指令进行测温，DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光亥ij 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DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在 寄生电源接线方式时接地
7、）。DS18B20高速暂存器共9个存存单元，如表所示：序 号寄存器名称作 用序号寄存器名称作用0 温度低字节 以16位补码形式 存放4、5保留字节1、21 温困IN 6计数器余值2IH/用户字节1存放温度上限7计数器/C3HL/用户字节2存放温度卜-限8CRC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 ）。 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
8、用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625 C/LSB形式表达，其中S为符号位。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即可得到实际温度高8SSSSS262524立低8位232221202-12-22-32-4DS18B20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E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器
9、TH、TL和结构寄存暂存存储器包含了 8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个 字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节 是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节 的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个 字节是冗余检验字节。低五位一直都是1 ,TM是测试模式位，用于设置DS18B20 在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20出厂时该位被设置为00 R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须
10、经过三个步 骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令， 最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将 数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右， 后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是 Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时 UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O 口线要接5KQ左右的上拉电阻。DS18B20有六条控
11、制命令，如表所示:指 令约定 代码操 作 说明温度转换44H启动DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读暂存器9个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中重新调E2RAMB8H把E2RAM中的TH、TL字节写暂存器TH、TL字节读电源供电 方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU单片机对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命 令，最后才能对存储器操作，数据操作。 DS18B20每一步操作都要遵循严格的 工作时序和通信协议。如主机控制 DS18B20完成温度转换这一过程，
12、根据 DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20进行复 位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20 进行预定的操作。然后数据被传输至单片机89S52，八位数据分两次传输，再由单片机编程为可 以由数码管显示的四位数据，头一位为正负温度数据，后三位为带小数点的当前 温度。数据也被送至低功耗射频传输单元 NRF905进行无线传输。应注意一点，51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和 NRF905之 间进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件， 比如电脑的串口是RS232 电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必
13、须有一个电平转换电路，我 们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和NRF905的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的 TXD 。 这是最简单的连接方法， 但是对我们来说已经足够使用了， 电路如下图所示， MAX232 的第 10脚和单片机的 11脚连接，第 9脚和单片机的 10脚连接，第 15脚和单片机的 20脚连接。nRF905 有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 发送模式，两种节能模式
14、分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EWR_P三个引脚决定。与射频数据包有关的高速信号处理都在 nRF905 片内进行， 数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在 nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于 nRF905 工作于ShockBurstTM 模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速 率。在 ShockBurstTM 接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配（AM）和数据准备好（DR）两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM 发送模式，nRF905
15、自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备 好引脚通知微处理器数据发射完毕。 由以上分析可知， nRF905 的 ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源， 同时也减小了编写程序的时间。 下面具体详细分析nRF905的发送流程和接收流程。典型的 nRF905 发送流程分以下几步：A.当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发 送的数据送传给nRF905, SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；B.微控制器置高 TRX_CE 和 TX_EN ， 激发 nRF905 的 ShockBurstTM 发送模式；C.nRF905 的 Sh
16、ockBurstTM 发送：l 射频寄存器自动开启；l数据打包（加字头和CRC校验码）；l 发送数据包；l 当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；D.AUTO_RETRAN 被置高， nRF905 不断重发，直到 TRX_CE 被置低；E.当 TRX_CE 被置低， nRF905 发送过程完成，自动进入空闲模式。ShockBurstTM 工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论 TRX_EN 和TX_EN 引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕， nRF905 才能接受下一个发送数据包。接收流程A.当TRX_CE为高、TX_EN为低时，nRF905进入ShockBu
17、rstTM 接收模式；B.650us 后， nRF905 不断监测，等待接收数据；C.当 nRF905 检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；D.当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高；E.当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位, 然后把数据准备好引脚置高F.微控制器把 TRX_CE 置低， nRF905 进入空闲模式；G.微控制器通过 SPI 口，以一定的速率把数据移到微控制器内；H.当所有的数据接收完毕， nRF905 把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；I.nRF905 此时可以进入 ShockBurstTM 接收模式、 ShockBurst
18、TM 发送模式或关机模式。当正在接收一个数据包时， TRX_CE 或 TX_EN 引脚的状态发生改变， nRF905立即把其工作模式改变， 数据包则丢失。 当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道 nRF905 正在接收数据包，其可以决定是让 nRF905 继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。节能模式nRF905 的节能模式包括关机模式和节能模式。在关机模式，nRF905的工作电流最小，一般为2.5uA。进入关机模式后， nRF905 保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。空闲模式有利于减小工作电流， 其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下， nRF
19、905 内部的部分晶体振荡器处于工作状态。nRF905 在空闲模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关。器件配置所有配置字都是通过SPI接口送给nRF905。SIP接口的工作方式可通过SPI指 令进行设置。当nRF905处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作 状态。SPI接口配置SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器 5个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息； 射频配置寄存器包含收发器配置信息， 如频率和输出功能等； 发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数； 发送数据寄存器包含待发送的数据包的
20、信息， 如字节数等； 接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。射频配置射频寄存器的各位的长度是固定的。然而，在 ShockBurstTM 收发过程中，TX_PAYLOAD 、 RX_PAYLOAD 、 TX_ADDRESS 和 RX_ADDRESS 4 个寄存器使用字节数由配置字决定。 nRF905 进入关机模式或空闲模式时，寄存器中的内容保持不变。nRF905通过SPI接口和微控制器进行数据传送，通过 ShockBurstTM收发模式 进行无线数据发送，收发可靠，使用方便。数据经过无线传输及接收后再被传输至接受端的 89S52 单片机中，然后再由单片机将数据转化为可以由液晶显示板 16
21、02显示的数据。数据被传至 1602 液晶显示芯片，进行显示。1602采用标准的 16脚接口，其中 :第 1脚： VSS 为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对 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：RW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RW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RW为高电平 时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚
22、：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：接 +5V第 16脚：接 GND1602液晶显示模块是一个慢显示器件， 所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平， 表示不忙， 否则此指令失效。 要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。最后通过液晶显示屏和数码管的温度数据对比， 判断是否可以进行无线的温度传输数据是否正确。2 无线温度采集系统的软硬件设计基于 DS18B20 的温度测量装置： 温度传感器 DS18B20 将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），输出
23、脚 I/O直接与单片机的 P1.1 相连， R1 为上拉电阻， 传感器采用外部电源供电。 89S51是整个装置的控制核心， 89S51 内带 1K 字节的 FlashROM ，用户程序存放在这里。显示器模块由四位一体的共阳数码管和 4 个 9012 组成。系统程序分传感器控制程序和显示器程序两部分，传感器控制程序是按照 DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。具体的电路图如下:显示模块温度采集模块的况3系统调试与性能分析我们在元器件的布局方面，把相互有关的元件放得比较近，例如：晶振、单片机的时钟输入端都易产生噪音，在放置元件时的时候把它们靠近些
24、。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路、开关电路等，我们尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路（ROM、RAM）,更加有利于抗干扰，提高 电路工作时的可靠性！我们的地线应构成闭环形式，提高了电路的抗干扰能力。我们也安装了三极管7805进行稳压，是我们的电路有稳定的+5V电源。我们在布置电源线方面根据电流的大小尽是加粗直线宽度， 在布线进还使电源线、 地线的走线方向与数据线的走线方向一致， 在布线工作的， 用地线将电路板的底层没有走线的地方铺满， 因为有助于增强电路的抗干扰能力。我们选用 11.0592MHZ 的晶振，因为这样有利于得到没有误差的波特率。特别是当与单片机进行通信的
25、话，选用这种晶振比较好。由于单线数字温度传感器 DS18B20 ， 测温相当准确，我们主要时间花在了，单片机软件程序的编辑和调试以及电路模块的制作方面。在使用 nRF905 进行无线传输时， 使用的程序就是模块自带的程序， 我们所要做的就是进行稍许修改，进行调用函数。在进行串口转换时，要注意的就是与无线模块对接时，单片机的 DB9 的 2，3口所对应的是无线传输模块的 3， 2 口，因此，在焊接单片机的 DB9 接口时，与电路图的 2， 3 脚要相互交换连接。4总结我们通过这次试验，更加深入的了解了温度传感器，无线传输模块，以及51 单片机的结构功能和具体应用， 也使我们对电路 PCB 板有了
26、更深的认识， 开阔了我们的眼界，丰富了我们的知识，增长了我们的见识。在老师和同学们的帮助下， 我们完成了本次试验， 我们的无线温度采集系统，可以实现温度的无线采集， 并且相当精确。 我们的电路板虽然简单， 没有运放等元件，但可以基本上完成此系统的任务，在电源的稳定，二极管发光，和电路的焊接方面，我们也相应的补充改进了我们的设计方案。由于我们组的成员之前都没有学习过单片机，此次创新设计实验，能在这么短的时间内完成，电路设计，焊接，程序设计，调试等工作，已属不易，为此，很满意此次的成绩。当然，我们的电路还有许多不足之处，在老师的帮助下，我们会在以后的学习生活中多加改进。 感谢学校给我们这次宝贵的试验机会， 感谢老师以及同学对我们的帮助，我们以后会做得更好！参考文献1楼然苗 李光飞 51 系列单片机设计实例 北京航空航天大学出版社2 nRF905 使用手册3 18B20 使用介绍
