王苗青

無線溫度采集與顯示系統(tǒng)

王苗青

本設計為無線溫度采集與顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)在工農業(yè)生產中具有極高的應用價值，為更好地完成本次設計，小組設計成員在前期進行了精心準備，通過收集材料，請教教員，制定了一套可行的設計方案。為提高設計的效率，本設計從硬件和軟件兩個方面入手。對各部分的電路進行了分析，最終成功地實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件電路。我們搜集資料后，將電路原理圖繪制了出來，并在線路板上接上了元件，完成了相應的硬件測試。依照硬件的設計和測控系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，本設計也對軟件進行了逐個設計，并通過多次的模擬運行、調試、修改，簡化了軟件系統(tǒng)，最終構成了一套較為完整的程序系統(tǒng)。

DS18B20 傳感器；NRF905；AT89C51

無線溫度采集與顯示系統(tǒng)是一種通過射頻技術，將采集到的信息傳送并處理的無線測溫裝置。系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、接收發(fā)射模塊、單片機處理器模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊四部分。傳感器模塊采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器芯片，中央處理器為AT89C51單片機，NRF905作為無線收發(fā)裝置。因為采用了專業(yè)的無線發(fā)射裝置NRF905，該系統(tǒng)具有可靠性好，測量精度高，誤差小，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點。溫度傳感器是無線溫度采集與顯示系統(tǒng)的重要組成部分，而其作為頂尖高新技術產品之一，在各行各業(yè)的生產生活中都具有廣泛的應用。

1 系統(tǒng)總體設計方案

采用51單片機為核心控制器，測溫裝置采用專業(yè)集成溫度傳感器DS18B20，無線發(fā)射接收模塊采用先進的NRF905模塊，顯示模塊采用功能更為強大的LCD1602液晶顯示裝置。

1.1 溫度傳感器的選擇

溫度傳感器采用DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數(shù)字溫度傳感器，在工農業(yè)生產中應用較為廣泛，其耐磨性好，輕巧靈便，接線方便，封裝類型多樣等特點使其在各種狹小空間的溫度監(jiān)測和控制領域具有較高的應用價值。測溫范圍在-55～+125℃，使用過程中不需要任何外圍元件，且測溫分辨率可達0．0625度，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和電路，且誤差較小。

（1）DS18B20特性。簡單的多點分布應用，無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電，零待機功耗。測溫范圍-55～+125℃，以0．5℃遞增；溫度以9位數(shù)字量讀出；溫度數(shù)字量轉換時間200ms。

（2）DS1820的工作原理。DS1820是這樣測溫的：用具有較高溫度系數(shù)振蕩器確定一個門時期，在這段時間內，計數(shù)器的計數(shù)脈沖對低溫度系數(shù)振蕩器計數(shù)，得到溫度值，計數(shù)器在計數(shù)器末端達到0之前預設在門周圍的對應于55℃的值，溫度寄存器值增加，表明測量溫度大于55℃。

1.2 無線發(fā)射模塊的元器件選擇

（1）NRF905簡介。NRF905無線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ的ISM頻段。主要由頻率調制器、接收器、功率放大器、晶體振蕩器和調節(jié)器五部分組成。該模塊在超低耗無線收發(fā)器、無線傳感網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遙感監(jiān)測等領域應用廣泛。且該發(fā)射模塊可以很容易通過SPI接口進行編程配置。且功率較小耗電量較低。

（2）NRF905的特性。輸出頻率4MHZ，外部時鐘腳負載為5PF，晶體為4MHZ，POWERDOWN模式時SPI時鐘為1MHZ，工作在433、868、915MHZ的ISM頻段；通道寬度和通道間隔為200kHZ。

1.3 AT89C51單片機

（1）AT89C51簡介。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory） 的 低 電 壓、 高 性 能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。

（2）AT89C51特性。4K字節(jié)可編程FLASH存儲器；壽命：一千寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間：10年；三級程序存儲器鎖定。

2 硬件電路設計

本論文設計的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集/傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由單片機、溫度傳感器、無線傳輸芯片和天線組成。數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)由天線、無線接收芯片nRF905，單片機和液晶顯示屏組成。

2.1 溫度采集發(fā)送系統(tǒng)設計

溫度采集與傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境溫度的采集，然后轉換成單片機所能識別的數(shù)字信號，信號無線模塊nRF905發(fā)射出去。

（1）溫度采集模塊。該模塊是由美國達拉斯精選公司開發(fā)的一種溫度傳感器DS18B20，用于溫度采集。DS18B20溫度傳感器的溫度測量范圍，負55到125度，可實現(xiàn)9～12的溫度分辨率，數(shù)據(jù)傳輸方式簡單。該信息通過單線接口發(fā)送給DS18B20，所以從主機CPU到DS18B20只需要一行（接地線）。DS18B20電源可由數(shù)據(jù)線本身提供，無需外部電源。

（2）無線發(fā)送接收模塊。無線傳輸模塊選用低功耗的無線射頻收發(fā)芯片nRF905。芯片工作在ISM的433mh頻段，有一個完全集成的頻率調制器和解調器、接收器、功率放大器、晶體振蕩器和一個調節(jié)器。芯片能耗非常低，10dBm的的功率發(fā)射時，工作電流只有30mA，接收電流僅為12．5mA，多種低功耗模式，待機電流僅為12．5ua，節(jié)能設計更方便。

2.2 模擬SPI口的實現(xiàn)

因為單片機不存在SPI口，為實現(xiàn)單片機nRF905的通訊，需要模擬SPI端口，SPI端口可以通過SPI命令設置。首先，必須建立設備的發(fā)送接收模式，以確保有效的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

2.3 液晶顯示模塊（LCD1602）

液晶LCD1602顯示，數(shù)符發(fā)生器ROM可以顯示192個字符，64個字節(jié)的自定義字符RAM，可以自定義8個5′8點陣符或四個5′11點陣符。80個字節(jié)的RAM，標準的接口特性，適配于M6800系列微處理器的操作時序。該模塊結構緊湊、裝配容易、體積小，像素尺寸小、分辨率高。

2.4 串行通信模塊

串行通信模塊采用MAX232電平轉換芯片，采用RS232接口與PC機相連接，完成了單片機與PC機之間的通信配置，串口控制登記端口可以設置串口通信頻率、數(shù)據(jù)位和波的頻率的設計參數(shù)是9600bps、數(shù)據(jù)是8位，1個停止位，無奇偶校驗。

3 軟件設計與調試

（1）采集模塊軟件設計。首先，令DS18B20初始化，把收集到的溫度信息發(fā)送到單片機，通過單片機的P1．6和P1．7腳控制DS18B20的SCK和DATA。主機通過SPI接口向905配置寄存器寫入信息并發(fā)送，在這個時候將數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。主要是用于和接收模塊顯示的數(shù)據(jù)作為對比，檢驗發(fā)送過程是否出錯。

（2）發(fā)送接收模塊軟件設計。發(fā)射部分的工作過程為：經(jīng)過熱電偶數(shù)字轉換器對單片機的控制下，標準熱電偶進行收集溫度數(shù)據(jù)的信息加以理后，再把信息發(fā)送給單片機進行A/D轉換，與此同時，由放大器將被測熱電偶的輸出數(shù)據(jù)輸入到單片機當中，單片機需先將這些數(shù)據(jù)分組進行打包，然后將其發(fā)送給無線收發(fā)芯片。

在采集模塊軟件設計這一部分開展的時候，第一步是要把nRF905設置為發(fā)送狀態(tài)，TX_EN=1，TRX_ CE=0。

nRF905在ShockBurstTM發(fā)送模式的時候會自行生產CRC檢驗碼和字頭，在發(fā)送過程完成且數(shù)據(jù)準備好引腳之后，微處理器會收到數(shù)據(jù)發(fā)射完畢的信息。由以上所述的內容不難知道，nRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式的益處在于節(jié)省存儲器和微控制器資源，以及減少了編寫程序所需要用的時間。

（3）顯示模塊軟件設計。顯示模塊軟件設計過程為，第一步先將LCD1602初始化。利用數(shù)據(jù)傳輸端口P0．0～P0．6由單片機向顯示器傳輸溫度數(shù)據(jù)的信息。顯示LCD1602正確接收的數(shù)據(jù)信息轉化成的溫度信息。延時0．8s后，對下一個時間段的溫度數(shù)據(jù)進行重新讀取，進入循環(huán)。

（4）調試。軟件調試時，我們主要使用了教員所教的Proteus軟件和keilC51兩個軟件。在軟件調試的過程中，我們先利用Proteus軟件進行繪制電路圖，并將各個元器件的參數(shù)進行了設置。然后利用Keil C51 軟件進行編寫程序，并在編譯后再利用Proteus軟件中進行仿真。

在元器件放置方面，把相互之間有所關聯(lián)的元件放在一起。例如為了提高電路的抗干擾能力，則接地線應當選擇形成閉合回路，電路提供的電源為+5 V穩(wěn)壓電源。為了有利于得到?jīng)]有誤差的波特率，單片機應選用12MHZ的晶振。選用這種晶振尤其有利于與單片機通信。

4 結語

我們把大部分的時間用在了單片機軟件程序的編輯和調試以及電路模塊的制作方面，測溫方面由于選擇了單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，測溫比較精準。在本次的設計中，我們從開始的迷茫到最后的熟悉，經(jīng)過了無數(shù)次的學習。通過本次對畢業(yè)設計的學習，我們的學習能力與實踐能力都得到了極大的提升。實驗的過程里，我們遭遇過失敗與挫折，但在教員的指導下都得到了克服。溫度采集與顯示系統(tǒng)的完成，也給予我們信心與成就感。

[1]高雪飛．基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸與液晶顯示系統(tǒng)設計．

[2]祝鳳蓮．LCD1602在數(shù)學鐘中的應用．

[3]馬文偉．基于多元統(tǒng)計原理的室內舒適度評價系統(tǒng)的設計．

[4]張舒．基于nRF系列射頻芯片的三導聯(lián)心電遙測系統(tǒng)．

[5]林華．基于ARM的無線數(shù)據(jù)通信模塊的實現(xiàn)．

TP274.2

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1671-0711（2017）08（下）-0194-02