基于温度传感器ds18b20和无线收发模块nrf905的无线温度采集系统下位机的设计和实现方法毕业论文

基于温度传感器ds18b20和无线收发模块nrf905的无线温度采集系统下位机的设计和实现方法毕业论文内容摘要：

5 主要包括 MCU、温度传感器、电源、键盘、显示部分、报警电路和无线模块。 温度数据采集系统主要的功能是检测采集点的温度，并能够将温度数值在现场和通过传输后在上位机中显示出来，且在温度超过预设的警戒值时进行报警。 无线通信系统 无线通信系统是联系温度数据采集端和上位机的纽带。 系统框图如图 所示。 图 接收系统的基本框图 无线通信系统的核心在于无线模块的建立，要适合于可移动的应用条件，无线模块采用的无线通信技术是关键。 在图中可看出温度数据采集系统将采集到的温度信 号打包传送到无线模块，由无线模块进行信号调制和功率放大等操作后，将数据无线发送到接收端的无线模块进行解调等操作后，通过 MCU 连接的 MAX3232 进行电平转换，进而达到与上位机通信的目的，从而实现了无线传输功能。 系统相关器件的选型 根据以上系统设计的要求来选择符合要求的器件类型。 MCU 的选择 MCU 作为一个系统的核心器件，它的选择影响着这个系统的优劣和功能的实现。 目前工控领域中常使用的微控制器有：应用最广泛的 51 系列 8 位单片机、针对大量计算的数字信号处理器 DSP、一些增强型的 16 位单片机和 32 位的 ARM 芯片。 从八十年代初 51 系列单片机就开始流行了，在技术开发方面已经很成熟了，只是功能实现方面相对简单； DSP 功能侧重于有大量信号需要处理的场合，但价格偏高，开发难度较大； ARM 芯片和 DSP 有某些相似之处，在小型系统中增强型的 16 为单片机已经能够满足需求。 针对各种不同应用场合，各大公司都推出了增强型单片机，如 AVR 系列、Philips 的 PCF80C51 系列等，这些增强型单片机大多处理速度都比较快、嵌入了多种实用的功能模块及接口、内部包 含有大容量的存储存。 TI 公司 MSP430 系列单片机就属于这样一种 16 位的增强型单片机，其在性价比方面就具有一定的优势，具有 RISC 指令集，功能丰富，主要用于低功耗应用。 针对上述系统设计要求， MSP430 系列单片机能够满足系统设计。 本文选用 MSP430F449。 6 温度传感器的选择 温度是一种常见的基础物理量，我们的生产生活无不与之有密切的关系。 温度传感器是开发较早、应用较广的一类传感器。 在半导体技术的支撑下，温度传感器主要有热电偶、热电阻、热敏电阻和集成温度传感器四种类型。 温度传 感器的多样性，能够满足不同系统及场合的需求。 本文主要研究针对温室、蔬菜大棚的温度数据采集，需要的测量范围为 10～ 50℃，精度在 ～ 1℃即可。 根据以上考虑结合设计简单，成本低等综合考虑，选取数字式温度传感器 DS18B20 进行温度数据的采集，能够满足系统的要求。 无线方式及射频芯片的选择 无线通信技术的范围很广，在一般意义上说，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，都可成为无线通信。 一般使用数字信号单片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的无线通信模块。 通信模块一般包含简 单的数据传输协议或使用简单的加密协议，只需根据命令字进行操作即可实现无线数据传输功能。 射频收发芯片的选择可以参考一下几个方面：（ 1）射频收发芯片的功耗；（ 2）射频收发芯片的外围元器件；（ 3）射频收发芯片的发射功率；（ 4）射频收发芯片的工作电压和封装；（ 5）芯片抗干扰能力等。 下面对几种常见的射频收发芯片列表，将其芯片的性能特点罗列作一些比较，从而选出较适合本系统的射频收发芯片。 详见表。 表 几种常见射频收发芯片比较 由表所 列性能特点相比较可以看出，在工作发送接收电流方面， Nordic 公司的 nRF401 和 nRF905 所产生的电流要远小于其它两个芯片；在所需外围元器件 Nordic 公司的芯片集成度明显比其它两个高，所需元件少。 综合其它本系统所需要求，本文选用挪威公司的单片射频收发芯片 nRF905，该芯片工作在 433/868/915MHz 的 ISM 频段上，可满足低功耗、开发周期短的要求且集成模块小便于嵌入其他设备中使用。 7 3 系统硬件设计 温度数据采集系统主要有温度传感器、 MCU、电源、显示部分、报 警电路和无线模块组成的。 温度数据采集的实现主要是由温度传感器及 MCU 完成的，传感器是获得温度信息的有效途径，是对原始信号测量，控制的关键器件，只有通过传感器获得有效准确的原始信号，才能保证后续工作的可靠性和稳定性。 本文所采用的温度传感器是数字式温度传感器 DS18B20，能够将测量到得温度信号转换成数字量输出，精确度高；不需要经过 AD 转换、采样、量化、编码等过程，使得设计简便。 MCU 采用低功耗单片机 MSP430F449，通过 MCU 对信号进行处理、存储和控制，然后经由无线通信模块进行收发与上位机 进行通信。 下面将对温度数据采集系统进行详细的论述。 MSP430F449 单片机 TI 公司的 MSP430 系列单片机是超低功耗类的 16 位单片机。 它采用 RISC内核结构，特别适合于应用电池的场合或手持设备。 同时，该系列单片机将大量的外围模块（如液晶驱动器、看门狗、 A/D 转换器、硬件乘法器、模拟比较器等）集成到片内，特别适合于设计片上系统。 MSP430F449 采用 16 位 RISC 结构，具有丰富的片内外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，性能价格比很高。 它的特点包括： 超低的功耗 ：能够在 ~ 的电压下工作；具有工作模式 (AM)和 5种低功耗模式 (LPM)。 在低功耗模式下， CPU 可以被中断唤醒，响应时间小于6ps。 较强的运算能力： 16 位的 RISC 结构，丰富的寻址方式；具有 16 个中断源，可以任意嵌套；在 8MHz 时钟驱动下指令周期可达 125ns； 内部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多达 64KB 的 Flash 程序空间和 2KB 的 RAM，为存储数据和运算提供了保证。 丰富的片上外设：包括看门狗定时器，基本定时器，比较器， 16 位定时器 (TA、 TB)，串口 0、 1，液晶显示驱动器， 6 个 8 位的 I／ O 端口， 12 位 ADC (最高采样率 200kHz)等。 丰富的片上外设可以很方便地构建一个较为完整的系统。 另外，充分利用计数器的多路任意波形产生功能和中断控制功能，保证了一些复杂的时序控制任务的完成。 方便高效的开发环境： MSP430F449 是 Flash 型器件，片内有调试接口和电可擦写的 Flash 存储器，可以先下载程序到 Flash 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计师调试。 这种方式不需要仿真器和编程器，调试十分方便。 8 数字温 度传感器 DS18B20 DS18B20 的性能特点 DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司生产的单线型智能数字温度传感器，是新一代适配微处理器的智能温度传感器，广泛应用于工业、农业等领域，具有体积小、接口方便和传输距离远的特点，在一根通信线上可以挂很多个 DS18B20，很方便。 具有以下特点： （ 1）具有独特的 1Wire 接口，只需要一个端口引脚就可以进行通信； （ 2）具备多节点能力，能够简化分布式温度检测应用中的设计； （ 3）不需要外部元件； （ 4）可以直接从数据线供电，电源电压范围在 3～ ； （ 5）在待机状态下可以不消耗电源电量； （ 6）测量温度范围在 55～ +125℃； （ 7）在 10～ +85℃时测量精度在177。 ℃； （ 8）可以用程序设定 9～ 12 位分辨率； （ 9）用户可根据需要定义温度的上下限报警设置。 DS18B203 脚封装的管脚排列图如图 所示。 图 DS18B20 管脚排列图 DS18B20 只有三个引脚。 其中，引脚 1 和 3 分别是 GND 和 VDD，引脚 2 是 DQ 端，是用于数据信息的输入和输出。 当给 DS18B20 加电后，单片机可以通过 DQ 端写入命令，并可以读出含有温度信息的数字量。 在使用寄生电源情况下，可以向 DS18B20 提供电源。 DS18B20 的内部框图如图 所示。 图 DS18B20 的内部框图 9 上电后， DS18B20 进入空闲状态；当 MCU 向 DS18B20 发出 Convert T [44h]的命令后， DS18B20 向 MCU 传送转换状态，开始温度测量和 A/D 转 换。 温度数据以带符号位的补码形式存储在温度寄存器中，温度寄存器格式如图 所示。 图 DS18B20 温度寄存器格式 温度的正负值是由符号为来说明的，正为 0，负为 1。 表 给出一部分数字数据与温度的对应关系。 表 DS18B20 温度与数据对应关系 DS18B20 的测温原理 DS18B20 的温度测量原理框图如图 所示。 主要由斜坡累加器低温、高温系数振荡器、计 数器和温度寄存器组成的。 斜坡累加器主要是用来补偿测量温度过程中产生的非线性的，从而可达到较高的分辨率，并决定计数器 1 的重置。 低温系数振荡器主要是用于产生脉冲信号，它受温度影响不大。 高温系数振荡器主要是作为计数器 2 的输入，用于决定门周期，受温度影响较大。 DS18B20 的测温过程如下： （ 1） 预置计数器 1 和温度寄存器。 预置值为 55℃所对应的某一基数。 （ 2） 当低温系数振荡器产生一个脉冲时，计数器 1 就减 1。 （ 3） 当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器加 1，同时将计数器 1 重置。 （ 4） 在计数器 2 减到 0（即门周期结束）之前，重复对低温系数振荡器产生的脉冲进行计数。 当计数器 2 减至 0（即门周期结束）时，温度寄存器停止累加。 此时温度寄存器中的值就是所测温度。 10 图 DS18B20 温度测量原理框图 MSP430F449 与 DS18B20 的连接 DS18B20 只有一个数据输入输出端，根据 DS18B20 的单总线特性，可以将多个 DS18B20 挂在同一条总线，理论上可以是多个，但在实际应用上，要考虑到总线的驱动能力，在设计时一条总线上 DS18B20 的数目不已超过 8 个。 MSP430F449 与 DS18B20 的连接如图 所示。 图 MSP430F449 与 DS18B20 的连接图 键盘及报警模块 根据系统需要，本文只需设置四个按键即可。 选用独立按键式键盘 MSP430F449 的 I/O 口资源丰富，按键可以直接与单片机 MSP430F449 的 P1 口相连，再通过上拉电阻与电源相连接，不需要其他硬件。 工作时只有当有键按下时， I/O 的中断标志位才置高，向 CPU 发出中断请求，对按键 进行相应处理。 报警电路采用蜂鸣器进行报警，可直接通过与 MSP430F449 的 P1 口连接，通过控制 P 口的输出电平的高低，驱动蜂鸣器发出报警音，能够实现报警功能。 11 单片射频收发芯片 nRF905 nRF905的介绍 nRF905是挪威公司生产的一款无线射频收发芯片，工作于 433/868/915MHz的 ISM 频段，多通道工作且通道切换时间小于 650μ s。 可。