1、基于STC12C5A60S2和PC机的8路温度采集系统设计摘要 传统的多点温度测量存在着连线复杂、对测量环境要求高的缺点。采用无线通信技术构成的无线多点温度测量系统，由于具有安装方便、对测量环境影响小、组网灵活等优点，在需要多点温度测量的场合具有广泛的应用价值。针对传统有线温度测量技术的局限性，本论文设计了一款基于单片机的无线多点温度采集系统。本系统采用了STC12C5A60S2单片机作为核心控制芯片、DS18B20数字温度传感器和NRF24L01无线通讯模块。论文完成了方案论证、硬件电路设计和软件设计。其中硬件电路设计包括单片机最小系统设计、无线收发装置电路设计、温度传感器电路设计、显示电路
2、设计。软件设计包括主程序、无线发送与接收等程序的解析。并在实验室完成了温度数据的测量和无线传输实验。实验表明满足设计要求，具有一定的实用和推广价值。 本系统通过实物实验达到了课题的各项要求，证明了本温度采集系统真实、可靠。关键字：温度测量；DS18B20；数字温度传感器；单片机；无线收发器AbstractThe traditional multi-piont temperature measurements have many defects, such as the complex interconnection, the high demand for measurement enviro
3、nment. Because of the advantages of easy installation, small impact on the measuring environment, network flexible, the wireless multi-piont temperature acquisition system using wireless communication technology has wide application value in the environment which needs multi-piont temperature acquis
4、ition.Aim at the limitations of The traditional wired multi-piont temperature measurements. This thesis designs a wireless multi-piont temperature acquisition system which adopts single chip processor. This system uses the STC12C5A60S2 single chip processor as the core control chip. The thesis compl
5、eted the scheme demonstration, the smallest single-chip system design, the wireless transceiver circuit design, the temperature sensor circuit design, the display circuit design, the software design and the experimental verification.Through physical experiments this system has achieved the task requ
6、irements, it proved this temperature acquisition system is true and reliable.Key words：temperature measurement；DS18B20；digital temperature sensor；single chip processor；wireless transceiver1 绪论1.1 意义及背景随着计算机技术的快速发展，数据采集与监控系统在工业生产中迅速的得到应用，温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度测量的要求也越来越高。因此，
7、温度测量的研究和测量系统的设计成为了一个重要的研究课题。无线数据采集系统更是以优越的性能备受关注。作为无线产业新领域，短距离无线通信技术显示出强劲的发展势头，在安全生产，家用电器，数据采集等领域发挥越来越重要的作用，甚至在一些特殊情况下，无线数据传输方式是唯一的数据传输方式。但以往的无线产品存在范围和方向上的局限性。例如，一些无线产品在使用时，无法将信息反馈给控制者；还有一些无线产品不能很好地显示参数和状态信息，如果能在系统中增加一块小型液晶显示电路，产品不仅能向用户显示其状态和状态的改变，而且可以大大降低成本。正如人们所发现的，只要建立双向无线通信双工通信并且选择成本低的收发芯片，就会出现许
8、多新应用1。无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。本系统由一台主机（单片机）和3台从机（单片机）组成。主机和从机之间的数据传输通过无线传输方式进行，构成点对多点无线数据传输系统。利用无线收发电路，加上单片机控制与液晶显示制成一套完整的数据收发显示系统。考虑到目前市场上的一些需求，设计的主要要求是方案成本低，体积小，功耗低，集成度高，尽量无需调外部元件，传输时间短，接口简单。NRF24L01是国外最新推出的单片无线收发一体芯片，它在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、GFSK调制、多频道切换等功能，并且外围元件少，便于设计生产，功耗极低，集成度高，是目前集成度较
9、高的无线数据传输产品，它为低速率、低成本的无线技术提出了解决方案。而本系统采用的最新智能温度传感器DS18B20，仪器可靠性高，抗干扰能力强，安置方便灵活，支持现场总线技术（单总线技术），信号易于处理和传输，降低系统成本1。 本系统针对有线温度测量技术的局限性，充分利用无线采集系统的优越性，设计一种基于单片机的多点无线温度采集系统，实现多点温度的实时测量，对于促进温度测量技术的发展有着重要现实意义。1.2 国内外发展现状人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，传感器
10、属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域。温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前的智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）。社会的发展使人们对传感器的要求也越来越高，现在的温度传感器正在基于单片机的基础上从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展，并朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全
11、性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展2。目前，国内外很多温度采集系统都利用有线通信。因此，在实际应用空间上具有局限性。另外，温度采集系统多采用热电偶，热敏电阻，铂电阻和集成电路AD590作为温度传感器，这些传感器的输出信号均为模拟信号，需经过放大电路和A/D转换后才能与计算机连接，且系统结构比较复杂2。本课题中温度传感器采用美国DALLAS公司生产的单总线式数字温度集成芯片DS18B20，该芯片可以直接提供单片机接收的数字温度信号。本课题的温度采集系统采用无线数据通信方式，选取Nordic公司的NRF24L01无线收发器完成了对温度信号的无线传输。该系统不仅克
12、服了温度采集系统在使用空间上的局限性，而且大大简化了系统硬件电路。尽管有线温度传感器在一定程度上达到了比较理想的结果，但因其布线的复杂，而且存在断线和短路的隐患和易老化的缺点，给系统的调试和维护增大了难度，一般不被广泛使用。随着计算机技术的快速发展，无线数据采集与监控系统在工业生产中迅速得到了应用。作为无线通讯产业新领域，短距离无线通信技术显示出强劲的发展势头，在安全生产，家用电器，数据采集等领域发挥出越来越重要的作用，甚至在一些特殊情况下，无线数据传输方式是实现数据传输的唯一方式。农业温棚实际应用结果表明，该系统具有很好的应用效果和良好的应用前景4。1.3 课题研究内容及要求本系统主要是设计
13、基于无线传输的多点温度采集系统设计及实验，并完成相应的实验。主要内容包括方案论证、单片机最小系统设计、无线收发装置电路设计、温度传感器电路设计、显示电路设计、软件设计、实验验证等。 具体内容如下:（1）方案论证。完成无线多点温度采集系统整体方案的论证工作，包括多点温度采集系统的整体构架、单片机型号、无线收发模块和温度传感器的选型等，为后续的研究和实验奠定基础；（2）单片机最小系统设计。设计单片机最小系统的电源电路、时钟电路、显示电路等；（3）无线收发装置电路设计。设计无线收发功能电路，实现多个温度测量终端跟主机的通信；（4）温度传感器电路设计。根据所选的温度传感器，设计温度传感器的信号调理电路
14、； （5）显示电路设计。根据所选的液晶显示模块12864的产品参数情况，设计出外围显示电路；（6）软件设计。包括主程序设计、无线传感器子程序设计、温度传感器自程序设计、单片机主机监控程序设计等；（7）实验验证。制定详细的实验方案，完成无线多点温度传输实验，记录实验结果，并对实验结果进行详细分析，以验证所设计系统的正确性和有效性。课题研究要求：（1）完成各模块硬件电路设计和软件设计；（2）系统实物焊接组装完成，使系统正常运行，系统硬件检测正常无误；（3）系统程序调试完成无误；（4）各模块能完成单点温度精确测量；（5）能完成多点温度测量与短距离无线传输。各从机能分别采集并显示环境温度并发送到主机，
15、主机能接收并汇总显示各从机传送来的温度，能实时反映出各从机采集到的温度的变化。2 方案论证 温度检测系统有着共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降2。所以多点温度检测系统的设计的关键在于三部分：控制器芯片、温度传感器和无线传输模块的选择。本系统设计的无线温度采集系统采用的无线传输模块在很大程度
16、上解决了多点测控系统中布线麻烦及信号传输过程中易受环境因素干扰的问题。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。本系统采用的STC系列单片机能很好的处理温度传感器采集到的信号，并能够很好的完成无线传输模块的收发功能。2.1 控制器芯片方案论证方案一基于STC12C5A60S2的方案论证：采用STC12C5A60S2八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独控制多个DS18B20工作，还可以进行各单片机间的相互通信。运用主从分布式思想，由一台主机（单片机），3台从机（单片机）进行多点温度数
17、据采集、传输并显示，组成两级分布式多点温度测量的实时检测系统，实现远程控制。另外STC12C5A60S2在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。方案二基于MSP430的方案论证：使用MSP430作控制器，德州仪器（TI）的超低功率16位RISC 混合信号处理器MSP430产品系列为电池供电测量应用提供了最终解决方案。作为混合信号和数字技术的领导者，TI创新生产的MSP430，使系统设计人员能够在保持独一无二的低功率的同时同步连接至模拟信号、传感器和数字组件。但在温度采集和实施控制这个重要的场合低功耗相对来说显得就不是那么重要了，而应该考虑它的稳定性、准确性，同时
18、对比STC12C5A60S2能够在性能和资源都可以到达一个最佳的状态，可以避免用MSP430的不必要的资源浪费3。综上，控制器芯片采用方案一中的STC12C5A60S2单片机更符合系统要求。2.2 温度传感器方案论证方案一基于热敏电阻的方案论证：采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，虽然热敏电阻精度、重复性较好、但可靠性较差，对于检测误差在1摄氏度范围内的信号是不适用的。而且在温度测量系统中，采用单片温度传感器，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
19、，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。导致增加设计成本、延长设计周期等2。方案二基于DS18B20传感器的方案论证：在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行AD转换，而为了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度传感器DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该传感器的物理化学性很稳定，它能用做工业测温传感器，此传感器线形较好。在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20传感器的最大
20、特点之一就是采用了单总线的数据传输，提高了信号的稳定性和精度。由数字温度传感器DS1820和微控制器STC12C5A60S2构成的温度测量装置，数字温度传感器DS1820能直接输出温度的数字信号，可直接与单片机直接连接。这样,测温系统的结构就比较简单，体积也小,且由于STC12C5A60S2功能强大可以轻松的兼容无线模块，因此可以非常容易实现无线多点测量，轻松的组建无线网络2。采用数字温度传感器DS18B20测量温度，可以实现系统小型化、集成化使得部分测温功能电路集成，从而使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更加快捷方便。而且，数字温度传感器DS18B20的使用，能有效地避免外界的干扰，提高
21、测量电路的精确度。所以数字集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案采用数字温度传感器DS18B20，也是顺应这一趋势4。综上所述，传感器采用方案二选用数字温度传感器DS18B20测量温度更符合系统要求。2.3 无线装置方案论证方案一基于NRF905的方案论证：采用NRF905单片无线收发器。NRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9V3.6V，32引脚QFN封装（5mm5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道。NRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制
22、器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。 NRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。Shock Burst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。相比NRF24L01其工作频率适用范围较窄，无法在高频状态下工作，达不到系统要求。另外NRF24L01在工业控制上的应用也很广泛，与各种外围电路的配合应用也比较成熟2。方案二基于NRF24L01的方案论证：采用NRF24L01单片无线收发芯片。NRF24
23、L01是Nordic公司推出的一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L 01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。它采用SoC方法设计, 只需少量外围元件便可组成射频收发电路。它能够达到现在被广泛应用于无线传输领域的蓝牙的大部分功能。它与蓝牙不同的地方是NRF24L01没有复杂的通信协议，它完
24、全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。在无线通信领域显示出了越来越广泛的应用范围与强大的发展潜力。更重要的是，NRF24L01比蓝牙产品更便宜。所以NRF24L01是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。因此使用该芯片也可以在很大程度上降低系统成本2。综合以上情况分析决定采用方案二的NRF24L01芯片更符合本系统，能够很好的达到系统的各项要求。2.4 系统方案论证综上所述，温度传感器以及无线模块部分都采用第二方案，主控部分采用第一方案。系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用主从分布式通讯的思想。设计一种可以用于无线多点温度测量的实时检
25、测系统。本设计通过3个从机（单片机）进行现场的温度采集，温度数据既可以由从机模块实时显示，也可以送回主机（单片机）进行数据汇总显示，具有数据传输速度快，扩展性好，成本低的特点。系统示意图如图2.1所示:图2.1系统示意图基于本系统的设计理念， 在本系统基础上还可以增设上位机（PC机）一台，汇总接收显示并处理下位机（单片机）传来的温度数据，从而做到对整个温度采集系统的整体监控。还可以对下位机之间进行菊联，这样就大大的改善了NRF24L01因有效信号传输距离较短引起的无法进行中远程监控的问题。极大地扩大了系统的应用范围。对无线多点温度采集系统的发展有着重大的意义。 由于时间有限，本人暂时只能提出以
26、上理论以供参考。利用已具备的硬件条件制作了以单片机作为上位机汇总显示各个从机传来的温度信号的实物系统模块以作验证。3 硬件电路设计本系统硬件电路设计由单片机最小系统设计、无线模块电路设计、液晶显示电路设计、温度传感器电路设计4部分组成。电路主要硬件包括单片机STC12C5A60S2、无线传输模块NRF24L01、显示模块12864和温度传感器DS18B20。 STC12C5A60S2是增强型8051单片机，速度快，集成度高，电压范围宽（2.23.8 V），和MCS-51系列单片机指令系统完全兼容。其内部还有8 KB Flash程序存储器，512字节RAM、2 KB EEPROM、4路PWM以及
27、硬件看门狗（WDT）等资源性价比高3。 DS18B20是DALLAS公司生产的单总线数字1-Wire温度传感器，可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，采用1-Wire接口。DS18B20的数据端DQ可通过4.7k的上拉电阻接STC12C5A60S2。NRF24L01的CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ引脚则可接STC12C5A60S2的任意端口，但需在编程时注意，这里接至P1端口。由于NRF24L01具有接收数据功能，所以接收显示电路由单片机STC12C5A60S2、NRF24L01和显示液晶12864组成。所采集的数据也通过无线模块NRF24L01发送至主机进行汇总显
28、示。3.1 单片机最小系统电路设计本设计中采用的是STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏品科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快812倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。它有高速、高可靠、低功耗、超低价、强抗静电、强抗干扰的功能3。 STCI2C5A60S2/AD/PWM系列单片机有如下特点3：（1）增强型8051 CPU，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传
29、统8051；（2）工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V 3.5V；（3）工作频率范围：0MHz35MHz，相当于普通8051的0MHz420MHz；（4）用户应用空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；（5）片上集成1280字节RAM；（6）通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA；（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程
30、器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（8）有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）；（9）看门狗电路；（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部品体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；（11）外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.33V，误差为5%，3.3V单片机为1.31V，误差为3%；（12）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为5%10%以内）用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：11MH
31、z17MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；（13）共4个16位定时器。两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；（14）3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟；（15）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增了支持上升沿中断的PCA模块；（16）PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列2路）；也可用来当
32、2路D/A使用；再实现2个定时器；可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）；（17）A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）；（18）通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；（19）STCI2C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才是双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）。（20）工作温度范围：4085（工业级）/075（商业级）；（21）封装：LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，QFN-40；在I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，二线通信，还多了串口。本设计所用单片机最小系统由STCI2C5A60S2作为核心芯片，该系统由电源电路、复位电路和时
