基于单片机的无线温度自动监控系统设计

基于单片机的无线温度自动监控系统设计内容摘要：

要的电路和软件开发成本 ； 温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要 ； 占用 MCU 的 I/O 引脚数情况如何，因为 MCU 的系统资源非常宝贵，输入通道有限。 多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约 ； 与 MCU 的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。 目前在数字温度传感器中采用串行总线 的 最 主要有 Philips 公司的 I2C 总线， Motorola 公司的 SPI 总线，National Semiconductor 公司的 Microwireplus 总线， Dallas Semiconductor 公司的1_Wire 总线和 Siemens 公司的 Profibus 总线等。 湖南人文科技学院毕业设计 6 常用的数字温度传感器主要有 ： ① AD7418[12]是美国模拟器件公司 (ADI)推出的单片温度测量与控制用集成电路。 其内部包含有带隙温度传感器和 10 位 A/D 转换器。 测温范围为 55℃ ～ +125℃ ，具有 10 位数字输出温度值，分辨率为 ℃ ，精度为 177。 2℃ ，转换时间为 30ms。 具有体积 小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境干扰等优点。 AD7418 可以级联至多 8 片在同一个 I2C 总线上。 ② LM74[13]是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、 A/D 数转换器，并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。 具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。 在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。 LM74 具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过 10pA，适用于对功率消耗有严格限制 的系统。 LM74 的模数转换器为 12 位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达 ℃ 的分辨率，转换时间为 425ms。 ③ DS18B20[14]是美国 Dallas 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。 与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测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 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 ℃ ，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 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。 Dallas 公司的单总线技术具有较高的性能 价格比，有以下特点 ： 湖南人文科技学院毕业设计 7 ① 适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性 ； ② 性价比高 、 硬件施工、维修方便 、 抗干扰性能好 ； ③ 具有 CRC 校验功能，可靠性高 ； ④ 软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。 表 几种数字温度传感器的比较 温度传感器 LM75 LM74 MAX6575 DS1820 DS18B20 适用总线线 IIC SPI 1_Wire 1_Wire 1_Wire 温度准确度 3℃ 3℃ ℃ ℃ ℃ 温度范围 25～ 100℃ 55～ 125℃ 55～ 125℃ 55～ 125℃ 55～ 125℃ 最多挂接数 8 8 8 80～ 100 80～ 100 由于 DS18B20 具有独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用MCU 的 I/O 引脚资源少，和 MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，和其他数字温度传感器相比，它更适合本系统，所以，选用 DS18B20 作 为温度测量的传感器。 无线通信模块的 对比和 选择 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。 在选择时，应主要参考以下几点 ： ① 收发芯片的数据传输是否需要 进行曼彻斯特编码 ； 采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的 1/3，而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。 ② 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。 ③ 功耗 ； 大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该湖南人文科技学院毕业设计 8 根据需要选择综合功耗较小的产品。 ④ 发射功率 ； 在同 等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。 ⑤ 收发芯片的封装和管脚数 ； 较少的管脚以及较小的封装，有利于减少 PCB 面积降低成本，适合携式产品的设计，也有利于开发和生产。 常用的无线收发芯片主要有 ： ① CC1000 是根据 Chipcon 公司的 S martRF 技术，在 工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。 它的工作频带在 31 868 及 915MHZ，但 CC1000 很容易通过编程使其工作在 300～ 1000MHz 范围内。 它具有低电压(～ )，极低的功耗， 可编程输出功率 (20～ 10dBm)， 高灵敏度 (一般 109dBm)，小尺寸 (TSSOP 28 封装 )，集成了位同步器等特点。 ② nRF401[20]是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单芯片即收发机，专为在 433MHz ISM(工业、科研和医疗 )频段工作而设计。 该芯片集成了高频发射、高频接收、 PLL合成、 FSK 调制、 FSK 解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。 nRF401 的外围元件很少，仅 10 个左右。 只包括一个 4MHz 基准晶振 (可与 MCU 共享 )、一个 PLL 环路滤波器和一个 VCO 电 感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。 ③ nRF903[21]单片射频收发器芯片 是 工作在 915MHZ 国际通用的 ISM 频段 ；GMSKJGFSK 调制和解调，抗干扰能力强 ； 采用 DDS+PLL 频率合成技术，频率稳定性好 ； 灵敏度高达 100dBm，最大发射功率达 +10dBm； 数据速率可达 ；170 个频道，适合需要多信道工作的特殊场合 ； 可方便地嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据双向传输，在仪器仪表数据采集系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。 ④ nRF24L01[16]是一款工作在 ～ 世界通用 ISM 频段的单片无线收发器芯片。 无线收发器 包括：频率发生器、增强型 Schock Burst 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。 输出功率、频道选择和协议的设置可以湖南人文科技学院毕业设计 9 通过 SPI 接口进行设置。 极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为 6dBm时电流消耗为 9mA，接收模式时为。 掉电模式和待机模式下电流消耗更低。 综合考虑各方面要求，整合 nRF24L01 的以上特点，本设计的无线模块选用nRF24L01。 湖南人文科技学院毕业设计 10 第三章 系统硬件电路的设计 根据上一章所选的系统方案设计，下面进行系统硬件电路的具体设计，系统的总体结构框图如图 所示： n R F 2 4 L 0 1 ( 2 )n R F 2 4 L 0 1 ( 1 )D S 1 8 B 2 0 ( 1 )n R F 2 4 L 0 1 ( 3 )D S 1 8 B 2 0 ( n )D S 1 8 B 2 0 ( 3 )D S 1 8 B 2 0 ( 2 )n R F 2 4 L 0 1 ( n ) n R F 2 4 L 0 1 M A X 2 3 2P C 机S T C 8 9 C 5 2 ( 1 )S T C 8 9 C 5 2 ( 2 )S T C 8 9 C 5 2 ( 3 )S T C 8 9 C 5 2 ( n )S T C 8 9 C 5 2D S 1 3 0 2液 晶 显 示 图 单片机无线温度监控 系统结构图 对于本设计的无线测温监控系统来说，整个系统由数据采集端和数据接收端两个部份组成，两者之间通过无线信道通信。 数据采集端负责数据的采集和发送 ；数据接收端负责数据的接收和处理。 一片 nRF24L01 无线收发模块与一片温度传感器 DS18B20 组成 一个 温度采 集模块 ， 通过无数个温度采集模块 完成多点 温度数据的采集和无线发送 ； 另一片 nRF24L01 无线收发模块 和 一片 STC89C52 通过 RS232接口模块，完成温度数据的接收和上传。 微处理器 电路设计 微控制器的主要功能是管理系统的所有外围设备 ， 主要完成温度数据的采集、处理 ， 然后进行数据的发送等工作。 STC89C52 微处理器 STC89C52是一种低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器，具有 8K可编程 Flash存储器。 使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适 于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52为众多嵌入式控制应用湖南人文科技学院毕业设计 11 系统提供高灵活、超有效的解决方案 [3]。 STC89C52微处理器引脚结构图如图 示： 图 STC89C52引脚图 STC89C52具有以下标准功能： 8K字节 Flash， 256字节 RAM， 32个 I/O口，看门狗定时器， 2个数据指针，三个 16位定时器 /计数器，一个 6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， STC89C52可降至 0Hz静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电 模式。 其 P3口各引脚的第二功能如表 [3]: 表 P3 口各引脚的第二功能定义 接口线 引脚 第二功能 10 RXD (串行输入口 ) 11 TXD (串行输出口 ) 12 INT0 (外部中断 0) 13 INT1 (外部中断 1) 14 T0 (定时器 0外部输入 ) 15 T1 (定时器 1外部输 入 ) 16 WR (外部数据存储器写脉冲 ) 17 RD (外部数据存储器读脉冲 ) 湖南人文科技学院毕业设计 12 电源电路设计 任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略，其实有将近一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。 STC89C52单片机的 5V直流供电电路如图 ： 12P4Header 2HP1BNCVin VoutGND7805100pFC14100pFC13100pFC15100pFC16S2SWPBD11N4007D21N4007D31N4007D41N4007VCCGND 图 电源 电路 复位电路设计 任何微处理器均需通过可靠复位，然后才能有序地执行应用程 序。 复位电路的设计要求其一要保证整个系统可靠复位，二要有一定的抗干扰能力。 在实际的监测系统中，考虑到电源稳定时间、晶振稳定时间、参数漂移和复位可靠性等因素，其设计必须留有较大的裕量。 复位电路应具有上电复位和手动复位功能。 复位脉冲的宽度至少要大于 2 个机器周期。 系统的复位电路如图 所示 [10]： 20UFC12Cap Pol22KR8Res2S1SWPBVCCRST 图 复位电路 振荡电路设计 本电路设计给单片机加了 的晶振， 其晶振两端分别通过两个电容湖南人文科技学院毕业设计 13 接地， XTAL XTAL2 分别接到 STC89C52 的 19 脚和 18 脚，构成单片机的振荡电 路，其电路图如图 所示： 12Y2104C2Cap104C4CapXTAL1XTAL2 图 STC89C52 的振荡电路 微处理器与 MAX232 连接电路设计 STC89C52 单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。 MAX232 的第 10 脚和单片机。