基于NRF905的无线测温系统设计.docx
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摘要
在工业生产过程中,温度是一个非常重要的物理量,温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题,因此对温度的检测的意义很重要。
但是在很多场合有线传输排线复杂,施工困难,而无线传输是一种将有效数据传输至远方的一种有效方法,所以使用无线传输的测温系统可以对生产环境的温度进行无线采集并且能够使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况。
本文主要介绍了基于NRF905的无线测温系统下位机的设计和实现方法,本系统是通过单片机控制来实现对周围环境的温度进行测量和无线传输。
它是以STC89C52RC单片机为控制单元,以温度传感器DS18B20为温度采集器件,以无线收发模块NRF905完成数据的无线传输,最后用数码管进行动态显示,从而实现温度的测量、无线传输、显示,就是一套通过无线方式实现温度的远程采集显示的完整系统。
本文详细论证了实现温度数据采集与无线传输方案的设计的总体架构,阐述了系统的总体硬件电路结构和完成各项功能相关的软件设计。
关键词:
STC89C52RC,NRF905,温度采集,无线传输
ABSTRACT
Intheindustrialproductionprocess,temperatureisaveryimportantphysicalquantity.Thecontrolfailuresoftemperaturemayleadtoaseriesofproblemsinproductionsecurity,qualityofproducts,productoutputandetc.Therefore,temperaturedetectionisveryimportant.Butinmanyoccasions,cabletransmissioniscomplicatedandwirelesstransmissionisaneffectivewaytotransfertheefficientdatatodistantplace,sotheuseoftemperaturemeasurementofwirelesstransmissionsystemcancollectthetemperatureoftheproductionenvironmentwirelessly.Therefore,itenablestheoperatortoknowthetemperaturechangesreal-timeinthedistant.
Thispaperintroducesthedesignofwirelesstemperaturemeasuringsystem,whichbasedonNRF905chip.Thesystemiscontrolledbysingle-chipmicrocomputertoachievetemperaturesignalprocessingandwirelesstransmission.ItusestheSTC89C52RCsingle-chipmicrocomputerasthecontrolunit,thetemperaturesensorDS18B20astemperaturesamplingdevice,theNRF905wirelesstransceivermodulestocompletethewirelessdatatransmission,usingdynamicdigitaltubetodisplaytemperature.
Thispaperexpoundsthesystemcomposition,andcompletesthedesignofsoftwareofhardwareandthefunctionsrelated.
KEYWORDS:
NRF905,DS18B20,dataacquisition,wirelesstemperaturemeasurement
目录
摘要 1
ABSTRACT 2
第1章 绪论 5
1.1选课的背景和意义 5
1.2无线通信测量的发展现状及发展趋势 5
1.2.1无线通信介绍 5
1.2.2无线通信技术的选择 6
1.2.3无线通信技术的发展与现状 7
1.3论文研究的主要内容和方法 10
1.3.1主要内容 10
1.3.2研究方法 10
1.4论文结构 11
第2章 本课题元器件介绍 12
2.1温度传感器的选择 12
2.2无线收发芯片选择 12
2.3主要器件的介绍 14
2.4本章小结 26
第3章 系统总体硬件设计及功能描述 27
3.1系统总体方案设计 27
3.2单片机STC89C52RC主控单元 27
3.3温度信号采集模块 28
3.4无线传输发送端 29
3.5供电与电压转换模块 29
3.6数码管显示模块 30
3.7系统总体电路图 31
3.8本章小结 31
第4章系统总体软件设计 32
4.1系统总体软件设计 32
4.1.1底层驱动层 32
4.1.2界面层 32
4.1.3应用层 32
4.2无线发送端程序设计 32
4.3LED驱动子程序设计 33
4.4DS18B20温度采集子程序设计 34
4.5STC89C52单片机主程序设计 36
4.6本章总结 36
第5章 系统调试,总结与展望 37
5.1系统调试 37
5.2总结 37
5.3展望 38
致谢 39
参考文献 40
附录1电路原理图与PCB图 41
附录2源程序 44
43
第1章绪论
1.1选课的背景和意义
在工业控制现场,常常需要采集大量的现场数据,如电压、电流、温度、湿度、气压等,温度是一个非常重要的物理量,因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题,因此对温度的检测的意义就越来越大。
温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中,得到了广泛应用,在工业生产过程中,很多时候都需要对温度进行严格的监控,以使得生产能够顺利的进行,产品的质量才能够得到充分的保证。
温度作为一项工业常用测量对象,在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。
随着科学技术的发展,要求温度测量的范围向深度和广度扩展,不但要求有足够的精度满足工业生产和科学技术的要求,而且还要求有广泛的测温范围。
在许多测控现场,传统数据传输都是通过有线电缆实现的。
随着射频、集成电路技术的发展,无线通信功能的实现更容易,数据传输速率更快,抗干扰能力更强,因此,许多应用采用了无线传输技术。
无线数据传输与有线数据传输相比,有诸多优点:
一是成本低,省去大量布线;二是建网快捷,只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线;三是适应性好,可应用于某些特殊环境;四是扩展性好,只需将设备与无线数据传输模块相连接。
因此,无线传输是一种有效数据传输方式。
所以使用无线传输的高精度测温系统可以对生产环境的温度进行无线传输并且能够进行使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况,保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行,从而提高企业的生产效率。
1.2无线通信测量的发展现状及发展趋势
1.2.1无线通信介绍
无线通信(WirelessCommunication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式,近些年信息通信领域中,发展最快、应用最广的就是无线通信技术。
在移动中实现的无线通信又通称为移动通信,人们把二者合称为无线移动通信。
从最初的电报开始经过150多年的现代电信的发展是来自各界的成千上万科学家、工程师和研究人员的辛勤劳动的结果。
他们当中只有少数独立负责发明的人成了名,而大多数达到顶点的发明是许多个人的成果。
无线技术给人们带来的影响是无可争议的。
如今每一天大约有15万人成为新的无线用户,全球范围内的无线用户数量目前已经超过2亿。
这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。
他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。
从七十年代,人们就开始了无线网的研究。
在整个八十年代,伴随着以太局域网的迅猛发展,以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补"有线"所短,也赢得了特定市场的认可,但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充,遵循了IEEE802.3标准,使直接架构于802.3上的无线网产品存在着易受其他微波噪声干扰,性能不稳定,传输速率低且不易升级等弱点,不同厂商的产品相互也不兼容,这一切都限制了无线网的进一步应用。
这样,制定一个有利于无线网自身发展的标准就提上了议事日程。
到1997年6月,IEEE终于通过了802.11标准。
802.11标准是IEEE制定的无线局域网标准,主要是对网络的物理层(PH)和媒质访问控制层(MAC)进行了规定,其中对MAC层的规定是重点。
各厂商的产品在同一物理层上可以互操作,逻辑链路控制层(LLC)是一致的,即MAC层以下对网络应用是透明的(如图一所示)。
这样就使得无线网的两种主要用途----"(同网段内)多点接入"和"多网段互连",易于质优价廉地实现。
对应用来说,更重要的是,某种程度上的"兼容"就意味着竞争开始出现;而在IT这个行业,"兼容",就意味着"十倍速时代"降临了。
在MAC层以下,802.11规定了三种发送及接收技术:
扩频(SpreadSpectrum)技术;红外(Infared)技术;窄带(NarrowBand)技术。
而扩频又分为直接序列(DirectSequence,DS)扩频技术(简称直扩),和跳频(FrequencyHopping,FH)扩频技术。
直序扩频技术,通常又会结合码分多址CDMA技术。
根据预测,今后几年,无线网在全世界将有较大的发展,单只美国无线局域网销售额就将从1997年的2.1亿美元增加到2001年的8亿美元。
1.2.2无线通信技术的选择
数据采集技术是信息科学的重要组成部分,已广泛应用于各个领域。
在数据传输方式上,目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接,有线方式的数据传输速度快,可靠性高且运行稳定,能满足大多数情况的需要,但是其应用受现场环境和应用对象的限制。
近年来,随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步,无线通信技术取得了飞速的发展,无线通信的实现成本越来越低,传输速度越来越快,可靠性越来越高,并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。
短距离无线通信技术是近年来的研究热点,将无线技术引入数据采集领域,可以解决某些无法或不便布线的环境下的数据采集问题,以及解决有线网络带来的布线麻烦、不易维护等缺点。
有些数据采集系统应用于智能家居领域的,但也进一步拓展至其它诸如工业控制、仪器仪表等领域对象的状态监测。
随着电子技术的不断进步,短距离无线通信技术在近几年蓬勃发展起来,世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。
短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部,一般使用单片数字信号射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。
所有高频元件包括电感、振荡器等己经全部集成在芯片内部,一致性良好,性能稳定且不受外界干扰。
射频芯片一般采用FSF调制方式,工作于IsM频段,通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密防议,发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成,用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据传输。
新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点,而且开发简单快速,可以方便地嵌入到各种设备中,实现设备间的无线连接,因此,较适合搭建小型网络,在工业、民用领域得到较为广泛的应用。
对于一个系统来说,无线通信技术的选择主要考虑以下几点:
(1)可以完成系统的功能要求
(2)对于一个无线测温系统来说,需要对传感器收集到的信号进行处理,并要求系统的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强,且对于一个无线系统来说,低功耗也是一项重要的指标。
(3)开发简单
收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本,因此应该选择外围元件少的收发芯片。
通信协议的复杂程度也完全影响了整个系统的开发的复杂性。
(4)成本低
下面是对现在比较常用的几种短距离无线通信技术进行对比,并得到本系统的短距离解决方案。
1.2.3无线通信技术的发展与现状
随着移动通信需求和远程数据采集量的增加,加之有线传输的费用日益增长,人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。
在过去的几年中,无线通讯领域取得了很大的进展,这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。
短距离无线通信方案目前有蓝牙技术(Bluetooth)、IEEE802.llb(Wi-Fi)、Zigbee、红外通信技术IrDA(InfraredDataAssociation)和一种无线单片技术。
(1)蓝牙技术(Bluetooth)
Bluetooth无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法。
它广泛应用于世界各地,可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3播放器等多种设备。
由于有了“配置文件”这一独特概念,Bluetooth 产品不再需要安装驱动程序软件。
此技术现已推出第四版规格,并在保持其固有优势的基础上继续发展—小型化无线电、低功率、低成本、内置安全性、稳固、易于使用并具有即时联网功能。
其周出货量已超过五百万件,已安装基站数超过5亿个。
但是蓝牙设备价格昂贵,通信协议复杂,通讯距离近,蓝牙RF定义了三种功率等级(100mw,25mw和lmw),当蓝牙设备功率为lmw时,其发射范围一般为10m。
在蓝牙技术的使用过程中,人们发现蓝牙技术尽管有许多优点,但仍存在许多缺陷。
对工业,家庭自动化控制和遥测遥控领域而言,蓝牙技术显得太复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等,而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。
正因此,经过人们长期努力,Zigbee协议在2003年中通过后,于2004正式问世了。
(2)红外通信技术(IrDA)
红外是一种无线通讯方式,可以进行无线数据的传输。
自1974年发明以来,得到很普遍的应用,如红外线鼠标,红外线打印机,红外线键盘等等。
红外的特征:
红外传输是一种点对点的传输方式,无线,不能离的太远,要对准方向,且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过,几乎无法控制信息传输的进度;IrDA已经是一套标准,IR收/发的组件也是标准化产品。
红外技术采用点到点的连接方式,发射、接收具有方向性,具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。
因此广泛应用于各种遥控器,笔记本电脑,PDA,移动电话等移动设备。
但红外技术只是一种视距传输技术,有效距离近,发射角度较小,一般不超过20度,两台相互通信的设备之间必须对准,而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物,只能限于两台设备通信,无法灵活构成网络,且无法用于边移动边使用的设备,另外,lrDA设备中的核心部件LED易磨损。
(3)IEEE802.11b(Wi-Fi)
IEEE802.llb技术标准是无线局域网的国际标准,使用2.4GHZ的ISM频段,采用直接序列扩频DSSS技术进行调制解调增强了抗干扰能力,提高了传输速度。
IEEE802.llb无线网络的最大优点是兼容性,只要在原有网络上装上AP(AccessPoint),就可以提供无线网络服务,终端设备只要装上无线网卡,就可以访问所有网络资源,像使用有线局域网一样方便,却免除了布线的麻烦。
802.11b具有有线等价保密机制WEP(WiredEquivalentPrivacy)力确保数据安全。
以其具有穿透能力,全方位传送,建网速度快,可用来组建大型无线网络,运营成本低,投资回报快等特点,正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐,目前此种设备还比较昂贵,妨碍了其推广和应用。
更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。
速度更快的802.11g使用与802.llb相同的正交频分多路复用(OFDM)调制技术,同样工作在2.4GHZ频段,速率达54Mbit/s,比目前通用的802.llb快了5倍,并且完全向后兼容802.11b,802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准,而下一代的Wi一Fi标准802.lln可望达到100Mbit/s。
(4)Zigbee技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
Zigbee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的,它是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网,每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75米,到扩展后的几百米,甚至几公里;另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。
Zigbee技术的目标就是针对工业,家庭自动化,遥测遥控,汽车自动化、农业自动化和医疗护理等,例如灯光自动化控制,传感器的无线数据采集和监控,油田,电力,矿山和物流管理等应用领域。
另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。
Zigbee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快,市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。
2009年开始,zigbee采用了IETF的IPv66Lowpan标准作为新一代智能电网SmartEnergy(SEP2.0)的标准,致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络,实现端到端的网络通信。
随着美国及全球智能电网的大规模建设和应用,物联网感知层技术标准将逐渐由zigbee技术向IPv66Lowpan标准过渡。
(5)无线单片技术
无线单片技术是将成熟的单片机技术与无线技术相结合的产物。
嵌入了高性能单片机内核的高速、体积小、功耗少、外围元件少的低成本单片射频收发芯片,即将单片机和射频收发器集成在一体。
该芯片外设少、成本低、干扰少、功耗低,保证了产品的技术稳定性。
与蓝牙和Zigbee技术相比,无线单片技术没有复杂的通信协议,完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信,成本低。
它可应用在:
无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制和无线通讯电信终端。
通过以上几种无线技术的介绍,从系统的经济性、传输速率,确定该系统部分电路设计使用无线收发芯片。
无线单片芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强,通讯协议简单透明,技术成熟。
使用该种方案无线通信接口与数据采集系统接口电路设计简单。
无线收发芯片的种类和数量比较多,在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。
1.3论文研究的主要内容和方法
1.3.1主要内容
本课题主要是进行基于无线传输模块的温度测量系统的设计,测温系统由温度信号采集与显示模块、单片机控制单元、无线传输模块四部分组成。
本课题将传感器技术、新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合,力图通过数据传输的无线化来达到智能家居、工业控制等领域中布线不便时对室内生活环境、工业测控现场指标数据的采集。
本课题提出了一种有效的数据采集分析方案,设计并实现了一种基于无线射频传输的数据采集系统。
本系统基于无线射频收发模块NRF905跟STC89C52RC单片机为核心,以低功耗和模块化为设计原则,设计出具有体积小,功耗低,数据传输稳定可靠及成本低的无线测温系统,由以下四个方面依次完成:
(1)针对实际应用需求设计系统总体方案,完成了温度数据采集和处理、无线数据传输的结构设计。
(2)以低功耗和模块化为选择元器件的原则,选取了合适的温度传感器、单片机、无线收发模块。
(3)设计无线收发方案,并通过软件控制元器件工作模式等方式实现系统的低功耗设计。
(4)完成无线数据采集的硬件电路设计及相关的开发和调试。
主要包括传感器接口电路设计及数据采集与处理相关程序设计、无线射频模块的接口设计。
本课题旨在通过软、硬件的有机结合,以硬件为基础,进行各功能模块的编写。
对系统硬件的工作原理进行了分析描述,并进行系统硬件设计。
具体实现数码管动态显示、STC89C52RC及NRF905等器件外接电路接口的软、硬件调试。
学习掌握单片机原理、应用,用汇编语言对单片机的编程;了解NRF905芯片和温度传感器DS18b20的工作原理及应用;各硬件模块的连接和数据通信;掌握各模块的编程驱动,尤其是两个单片机模块的编程。
1.3.2研究方法
本系统是通过单片机控制无线传输来实现对温度数据的接收,利用可视化编程技术实现远程监控,以STC89C52RC单片机为控制单元,DS18B20为温度采集模块,NRF905无线传输模块为温度数据发送单元,实现温度的采集、发送、显示、控制,以此来实现温度的远程传输与监控。
基于无线收发芯片NRF905的温度测量系统主要由四个模块构成,分别为温度采集模块、无线收发模块、单片机控制模块以及数码管显示模块。
通过软、硬件的有机结合,以硬件为基础,进行各功能模块的编写。
对系统硬件的工作原理进行了分析描述,并进行系统软件设计。
具体实现数码管动态显示、STC89C52RC及NRF905等器件外接电路接口的软、硬件调试。
1.4论文结构
论文共有五章,分别对无线测温系统进行详细的介绍。
第一章绪论。
第二章是对无线通信的开发介绍及对无线测温系统主要器件的介绍,首先介绍了单总线技术,重点介绍数字温度传感器DS18B20,对它的内部结构、工作原理、工作过程等做重点描述,随后详细介绍了本系统的所使用的无线收发芯片NRF905。
第三章是对无线测温系统的硬件方案设计及功能描述,包括温度信号采集与显示模块、单片机、无线传输发送模块、无线传输接收模块等下位机的具体功能。
第四章介绍介绍了本系统的软件设计,介绍了无线测温系统的整体软件框图,详细介绍了数据采集和无线收发流程及程序。
第五章为系统调试,总结与展望。
第2章本课题元器件介绍
2.1温度传感器的选择
DS18B20是美国Dallas半导体公司推出的一种智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量。
它具有独特的单总线接口方式,即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器,从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单,克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点,而且,可以通过总线供电,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源,由它组成的温度测控系统非常方便,而且成本低、体积小、可靠性高。
DS18B20的测温范围-55~+125℃,最高分辨率可达0.0625℃,由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中,因此CP
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