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无线传输多点温度采集系统.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.48M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    无线多点温度测量系统毕业论文
    基于单片机的多路温度采集系统设计与实现
    摘要
    Abstract
    1 绪论
    1.1 意义及背景
    1.2 国内外发展现状
    1.3 课题研究内容及要求
    2 方案论证
    2.1 控制器芯片方案论证
    2.2 温度传感器方案论证
    2.3 无线装置方案论证
    2.4 系统方案论证
    3 硬件电路设计
    3.1 单片机最小系统电路设计
    3.2 无线模块电路设计
    3.2.1 NRF24L01无线模块的功能介绍
    3.2.2 NRF24L01无线模块的设计应用
    3.3 液晶显示电路设计
    3.4 温度传感器电路设计
    4 软件设计
    4.1 主程序设计
    4.2 系统无线发送与接收程序流程
    4.3 无线发射与接收程序
    5 实验及结果
    5.1 调试及实验分析
    5.1.1 硬件电路测试
    5.1.2 功能测试及分析
    5.2实验结果及分析
    5.2.1无线温度传输功能结果及分析
    5.2.2温度采集功能结果及分析
    总结
    参考文献
    附录Ⅰ元器件清单
    附录Ⅱ系统总原理图
    附录Ⅲ实物接线图
    致谢
    无线多点温度测量系统毕业论文 基于单片机的多路温度采集系统设计与实现 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
    Abstract The traditional multi-piont temperature measurements have many defects, such as the complex interconnection, the high demand for measurement environment. 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 acquisition. 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 completed 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 requirements, it proved this temperature acquisition system is true and reliable. Key words：temperature measurement；DS18B20；digital temperature sensor；single chip processor；wireless transceiver
    目录 中文摘要.................................................................................................................I 英文摘要............................................................................................................... II 1 绪论.................................................................................................................... 1 1.1 课题意义及背景....................................................................................................... 1 1.2 国内外发展现状....................................................................................................... 2 1.3 课题研究内容及要求..............................................................................................3 2 方案论证............................................................................................................4 2.1 主控方案论证............................................................................................................4 2.2 温度传感器方案论证..............................................................................................5 2.3 无线装置方案论证...................................................................................................6 2.4 系统方案论证............................................................................................................7 3 硬件电路设计....................................................................................................8 3.1 单片机最小系统电路设计.....................................................................................8 3.2 无线模块电路设计.................................................................................................12 3.3 显示电路设计..........................................................................................................16 3.4 传感器电路设计..................................................................................................... 17 4 软件设计..........................................................................................................20 4.1 主程序设计...............................................................................................................20 4.2 无线发送与接收程序流程...................................................................................21 4.3 无线发射/接收程序............................................................................................... 22 4.4 液晶显示程序..........................................................................错误！未定义书签。 5 实验及结果......................................................................................................22 5.1 调试及结果分析..................................................................................................... 22 5.2 实物介绍................................................................................... 错误！未定义书签。 总结...................................................................................................................... 25 参考文献：..........................................................................................................26 附录:.................................................................................................................... 27 致谢...................................................................................................................... 41
    1 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，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； （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，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，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 0~100 摄氏度 时，最大线形偏差小于 1 摄氏度。DS18B20 传感器的最大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。
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