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1、- 0 - / 17 HEFEIUNIVERSITY 第八届电子设计竞赛设计报告题目 无线温度遥测系统C题）成员何义 10电气六班1005076019成员邓华青 10电气六班 1005076036 成员姜潇 10电气六班 1005076035 2018年 2 月 27 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 17 页- 0 - / 17 目录摘要 :- 1 -1 引言 - 1 -2 系统设计方案- 1 -2.1 设计思想 - 1 - 2.2 可行性方案 - 2 - 2.3 系统组成模块- 3 - 3 技术路线 - 4 - 4
2、各模块设计 - 7 - 4.1 系统硬件电路设计- 7 - 4.1.1 温度数据发射电路- 7 - 4.1.2 温度数据接收电路- 8 - 4.1.3 温度数据测量电路- 8 - 4.2 系统软件设计- 9 - 5 电源部分 - 9 - 6 电路原理图 - 10 - 7 器材选择方案- 12 - 8 总结 - 13 - 9 参考文献 - 14 - 附录 1 单片机最小系统原理示意图- 15 -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 17 页- 0 - / 17 摘要: 文章介绍了一种基于单片机STC89C52为控制核心的的遥控遥
3、测系统的设计，根据设计其温度传感器DS18B20采用单总线协议、直接将被测环境的温度转化成数字信号的特点，实现了环境温度的实时监测和无线传输数据、显示被测温点数据温度及声光上限报警。整个系统由温度数据采集模块、数据发射模块、数据接收模块、显示模块、声光上限报警模块等若干部分组成。完成了实时监测环境温遥测的基本要求部分的全部功能指标和发挥部分中绝大部分的功能指标。关键词：单片机温度传感器无线发射芯片1 引言温度遥控遥测是远程实现对温度的测量与控制，特别适合那些环境恶劣，测量人员不容易接近的场合，近年来在工农业生产中应用广泛。数字化温度传感器DS18B20直接将环境的温度信号转变为数字信号，以数码
4、管方式串行输出，当其与无线发射芯片 NRF24L01相互传输数据，且NRF24L01将数据以无线电磁波的形式发送出去，接受模块则将数据传送给单片机处理。则从被测的环境温度就可以精确地计算出来。本系统正是基于此原理完成具有实时温度检测的无线温度遥测系统的设计。2 系统设计方案2.1设计思想为了实现无线温度的遥测，则该系统中需要包含温度测量模块、数据预处理模块、无线发射与接收模块、数据处理模块、数据显示与温度上限报警模块。各个模块的组合如下图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 17 页- 1 - / 17 图 2-1 数据
5、发射与接收2.2 可行性方案1、测量温度传感器选择方案方案一：使用热电偶温度传感器。它测量精度高热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响），测量范围广。在使用时，它能将温度信号转换成热电势信号, 通过电气测量仪表的配合, 就能测量出被测的温度。方案二：使用数字型DS18B20温度传感器。它是单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测温范围55 125，在 10-50 C范围内精度高达 0.1 C；支持多点组网功能，多个DS18B20 可以并联在唯一的三线上；且在使用中不需要任何外围元件。2、显示温度数据模块选择方案温度数据的显示模块我们一共
6、有两种选择方案，分别是：数码管显示，LCD1602 液晶屏显示：方案一 : 采用通用的LED数码管，这样显示的相对来说要简单许多。对程序的编程也相对来说较方便。但是，数码管占用的IO 口较多。方案二 : 1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。这样在显示温度数据的时候就比较的直观同时在一定程度上也增加了字符的丰富感。比如大写的英文字母“A”的代码是 01000001B41H ），显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“ A”。方案三：
7、采用LCD12864显示，带中文字库的128X64 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128个 16*8 点 ASCII 字符集 . 利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可无线发送电路温度数据发生接收数据信号识别数据存储显示及上限报警无线接收电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 17 页- 2 - / 17 构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行
8、1616 点阵的汉字 . 也可完成图形显示 . 低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。3、无线数据传输方案在本套系统中，要求的传输距离至少要大于2m ，最好能大于5m ，传输速率至少要在每秒1KB 以上。目前的近距离数据传输模块主要分为无线传输和红外线传输。方案一：红外线传输。它通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；传输距离会受到方向性和外界光的干扰, 一般为 3-5m；由于它是直线传输，所以对接收器的方向要求很高30度以内），不能实
9、现任意角度的接收。方案二：本方案使用射频收发芯片nrf2401来实现数据的无线传输，其工作于2.4 2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA ，接收时工作电流只有18mA ，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM 技术使 nRF2401 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很
10、少的外围元件，因此使用起来非常方便。4、温度上限声光报警模块声音报警我们选择蜂鸣器来达到报警目的，光提醒我们选择体积小、亮度高等优点的 led 发光二极管。方案一：有源蜂鸣器内部带有振荡源，所以，只需要通上其正常的工作直流电压就可以有效的工作。故，其连接线路简单，占用的程序储存空间小。方案二：无源蜂鸣器内部不带振荡源，所以，直接用工作的直流电是不会有效的发出声响的。必须用2kHz5kHz的方波信号去控制驱动它，那样它才能顺利的工作。2.3 系统组成模块1、控制器STC公司的单片机主要是基于8051 内核, 是新一代增强型单片机 , 指令代码完全精选学习资料 - - - - - - - - -
11、名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 17 页- 3 - / 17 兼容传统 8051,速度快 812 倍, 带 ADC,4路 PWM, 双串口, 有全球唯一 ID 号, 加密性好，抗干扰强。同时其价格低，体积小，功耗低，可靠实用。2、发射电路模块使用射频收发芯片nrf24l01来实现数据的无线传输，其工作于2.4 2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。3、接收电路模块接收电路中也是使用nrf2401来实现无线数据的接受，nrf2401芯片是收发一体的。4、温度数据显示模块采用 LCD1
12、602与 LCD12864液晶屏，按照实时测量的数据精确显示。本模块的主要功能是实时显示描述系统状态的各种信息以及记录各阶段运行的时间。液晶显示屏LCD ）不仅显示信息量大，画面效果好，节省I/O 口，因此本模块可选择液晶屏；G.高速发射数据包；H . 发射完成， nRF2401进入空闲状态。图 4-1 NRF2401 引脚图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 17 页- 7 - / 17 4.1.2温度数据接收电路接口引脚 CE 、DR1 、CLK1和 DATA( 接收通道 1 A. 配置本机地址和要接收的数据包大小；B.
13、 进入接收状态，把CE置高；C. 200us 后，nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来；D. 当接收到正确的数据包 ( 正确的地址和 CRC 校验码 ，nRF2401自动把字头、地址和 CRC 校验位移去；E. nRF2401 通过把 DR1(这个引脚一般引起微控制器中断置高通知微控制器；F. 微控制器把数据从nRF2401移出；G. 所有数据移完， nRF2401把 DR1置低，此时，如果CE为高，则等待下一个数据包，如果 CE为低，开始其它工作流程。单片机的控制信号和数据通过P2 口进行交换， S1 开关用于设置nRF2401处于发射或接收状态，发光二极管D1 亮表示系统处于发射模
14、式，D2 亮表示处于接收状态，D3亮表示已收到数据。4.1.3温度数据测量电路DS18B20内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 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。图 4-2 DS18B20内部结构图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 17 页- 8 - / 17 4.2 系统软件设计无线温度遥测系统的软件设计主要由主程序、温度数据处理程序、声光报警程序、无线数据收发程序及显示子程序组成。其单总线器件ROM 码的获取，可以借用读数据子程序提前读出，要求其先发初始化命令，再发33H命令
15、，既是读ROM 码命令，然后，再调用读数据子程序。在程序设定的地址就可以找到ROM 序列码，要注意的是数据线要挂一个器件，之后再度下一个器件。并记录器件的序列号。nRF24L01的各种命令字都只有一个字节，分为读寄存器、写寄存器、读数据接收缓冲区、写发送数据缓冲区等。在输入任意命令字的同时，MISO输出 STATUS寄存器的内容。按照硬件电路，系统程序的基本思路如下：系统上电后先配置nRF2401 ，发射模式的状态字为OX500800DODDDDDD一 00DDDDDD834A05，接收模式的状态字为 OX500800DODDDDDDooDDDDDD834A04。配置后通道 1 数据宽度 8
16、bit ，地址为 00DDDDDD，地址长度 32 位，CRC 校验 16 位，单通道接收，晶振12M ，工作频率 2 402 MHz，输出功率一5 dBm 。程序在每次完成发射或接收任务后，都会监测一下 P1.0 的电平，来确定下一个循环的工作模式。5电源部分由于无线模块供电为3.3V，不同于单片机5V 供电。因此需要将适应单片机工作的 5V 电源通过电源转换芯片AMS 1117 3.3转换成 3.3V 供给无线模块使用。图 5.1 电源模块电路原理精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 17 页- 9 - / 17 6电路
17、原理图图 1 温度数据发射整体电路图图 2 温度数据接收整体电路图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 17 页- 10 - / 17 图 4 声光报警电路图 5 无线传输芯片nRF24L01外围电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 17 页- 11 - / 17 7 器材选择方案在这系统中我们所用到得器材如表7-1 所示表 7-1 器材选择8总结温度遥控遥测系统是工业上使用比较多的一种控制技术，本文就是针对温度遥器件名规格数量 个）器件名规格数量个）
18、单片机STC89C52 2 三极管8050 1 晶振12MHz 2 有源蜂鸣器1 瓷片电容30pF 4 稳压芯片LM317 1 瓷片电容104 4 稳压芯片LM337 1 发光二极管6 稳压芯片ASM1117 2 电解电容10uF/50V 4 显示器1602 1 电解电容2200uF/50V 2 显示器12864 1 电解电容100uF/25V 排插10 电阻1k2 插座10 电阻2002 40P 插座2 电阻5604 杜邦线30 电位器10k4 二极管IN4007 4 排阻10k2 自锁开关4 温度传感器18b20 1 无线传输模块NRF2401 2 精选学习资料 - - - - - - -
19、 - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 17 页- 12 - / 17 控遥测所进行的探讨与设计方案的选定，温度遥控遥测是远程实现对温度的测量与控制，特别适合那些环境恶劣，测量人员不容易接近的场合，近年来在工农业生产中应用广泛。对他的学习与研究是完全有必要的! 学院举行电子设计竞赛也是非常有意义的。他给了我们更大的平台去接触去学习我们的专业知识，让我们将理论结合实际，更加完善自己 !当然经过这几天的努力，我们小组圆满完成了这次竞赛的初赛写电子竞赛设计报告书。还记得刚开始接触到这个题目时，我们就像无头苍蝇一样，不知从何下手。对于大二的我们，数电刚接触，单片机开没开设，
20、模电虽然学完了，但始终没与实践相结合过，到底学得怎么样我们自己心里也没谱。可是要想很好的参加此次电子设计竞赛，模电，数电，单片机的知识需要我们很好的掌握，基于这些因素让我们觉得很没底气。可就在我们很迷茫的时候学校组织了有关此次电子设计竞赛的讲座，在那里让我们认识到“参加电子设计竞赛可以从零开始”只要我们对电子设计有颗充满热情的心，只要我们有恒心，有毅力。从那次讲座之后，我们也不再怀疑我们自己的能力，开始分析我们所选的题目，看它需要哪些知识点，我们一遇到不知道的知识就会立即查阅相关书籍或从网上学习，做到有问题当场发现，及时解决。就这样，我们怀着世上无难事的精神，几天下来让我们从一开始对比赛的一无
21、了解到现在对其大部分的知识基本熟悉，也让我们很快的完成了此次电子设计竞赛的报告。当然，要想在此次电子设计竞赛中走得更远，单凭我们现在掌握的知识是远远不够的，需要我们进一步学习。我们也会为了此次电子设计竞赛不断学习，不断完善自己的知识体系。此次电子设计竞赛报告书的顺利完成与我们的努力是分不开的，我们一切从零开始，从开始确定课题后，小组成员分工明确，各自开始翻阅和上网查阅各种资料，看清自己的盲点，指明了自己接下来的目标和计划。当然这也让我们认识到基础理论知识的重要性! 最后，愿我们的团队顺利进入复赛，走到最后! 9 参考文献1 郭天祥 51 单片机 C语言教程北京 : 电子工业出版社2 赵亮 侯国
22、锐著单片机 C语言编程与实例北京：人民邮电出版社3 黄智伟无线发射与接收电路设计 . 北京航空航天大学出版社4 张崇无线收发一体芯片nRF2401及其应用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 17 页- 13 - / 17 5 黄智伟无线数据通信 IC 原理与应用北京 : 北京航空航天大学出版社6 彭伟，单片机 C语言程序设计实训100 例基于 8051+Protues 仿真. 北京：电子工业出版社附录 1 单片机最小系统原理示意图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 17 页- 14 - / 17 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 17 页