基于zigbee技术的温度采集系统的设计毕业设计论文

基于zigbee技术的温度采集系统的设计毕业设计论文内容摘要：

以直接和上位机连接起来。 这样测量系统的结构设计就简单了很多，体积也小了很多，设计便捷化了，所以多点测量的设计系统就容易被实现了。 方案四：采用 DHT11 数字温湿度传感器进行测量温度和湿度。 它所采 集、输出的信号和 DS18B20 一样，都 不是模拟 信号，但是能够在检测温度的同时检测空气中的湿度。 而且体积小、功耗低，能够很好的运用在日常的生活 中。 系统芯片化是如今 测温系统的发展趋势， 所以本次设计所采用的传感器全都是数字传感器 DHT11 和 DS18B20，正好 顺应 了 这个发展 趋势。 集成化 的电路 ，让整 个 电路 系统看起来更加清楚，在构建电路和做 电路方面更加方便和快捷。 而且， 我们在运 用集成 化的 电路时，外界环境中的很多干扰 因素 都 能都被有效地避免，这样就使得整个测量电路的精确度得到提高。 所以在将来 电路发展的一个 趋势 肯定就是 采 用集成化的芯片。 本次设计采用这个数字温 湿 度传感器 DHT11 和 DS18B20 也是顺应这一趋势。 8 主控部分的选择 表 3 CC2430 和 CC2530 功能对比表 由上表可知， 和 CC2430 相比 ， CC2530 芯片 在 很多性能 方面比 CC2430 有了重大改进 ，比如说我们比较注重的封装尺寸、内存大小和 RF 性能等方面。 综上所述，本次设计，传感器采用 DHT11，控制器采用 CC2530。 显示器的选择 方案一： 液晶显示字符大多 数都是按照行数或列数、 液晶点阵线 的方式进行 命名。 比方说 0801 的意思就是每一行最大为 8 个字符，一共显露出 1 行。 类似于 1601， 1602， 0802等命名。 这类液晶显示可显示 ASCII 字符，只是不能显示汉字。 方案二：采用 OLED 显示屏，它的工作电压、适用温度范围都很广， 构造很简单，并且有自发光、对比度高、范瑛速度快这些优势。 因为 OLED 可以显示汉字，并且有良好的人机交互，功耗比较低。 所以选用方案二。 9 第四章 系统硬件设计 本次设计系统的主要工作流程是首先终端节点的数字温度传感器采集温湿度信号，然后采集到的信号分成两路，一部分被传送到 12864 显示屏进行显示，另一部分 传送到CC2530 芯片进行处理，再通过 PCB 天线发送出去，然后协调器的 PCB 天线接收从终端节点发出的信号，接收到信号后传送到 CC2530 芯片进行处理，然后传送给上位机。 具体的工作流程示意图如下图 4 所示。 图 4 系统硬件电路工作示意图 本系统的硬件电路设计图如下图 5 所示。 图 5 整体硬件电路设计 10 DHT11 温湿度传感器介绍 DHT11 是 既能测量温度又能测量湿度 的传感器，它输出的数字信号。 这个传感器包由三个部分组成： 感湿元器件 、 测温元器件 和 一个 8 位单片机连接在一起。 所以它性价比非常高、很强的抗干 扰能力等优势。 并且体积小、功耗低，在很多情况下都被运用。 图 6 DHT11 实物图 DHT11 的主要特性： (1) 工作电压范围： 伏特到 伏特，能有适应很广阔 范围的工作电压； (2) 测量的范围：能测量 20— 90%的湿度和 0— 50 摄氏度的环境，并且精度都很高，测湿度时的精度为 177。 5%，测温度时的精度为177。 2 摄氏度； (3) 有很好的互换性，可以实现完全互换； (4) 温度性非常好，长时间用是精度仍然很高。 DHT11 引脚说明 表 4 DHT11 引脚说明表 相应的 DHT11 引 脚图如图 7 所示。 11 图 7 DHT11 引脚图 DS18B20 温度传感器 介绍 DS18B20 数字温度传感器 只有 3 个引脚，一个是供电的，一个是接地的，还有一个是信号的输入口，所以在进行焊接方面很简单 ， 而且在包装好了 以后 还 可以用在很多场合。 它们的外观就 根据适用的场合不同而做一定的 变化。 用的时间长 、 占用空间小、用的时候方便 、封装的形式 有多种 、 所以在各种狭隘 的空间设备数字测温和控制领域 都能用。 DS18B20 的主要特性： (1) 其工作电压范围： 伏特 到 伏特 ，可以看出它 能够适应更 广阔 范 围的工作电压 的变化， 而且在寄生电源的情况下 可以通过数据线对它进行供电； (2) 具有独特 的单线接口模式，当 DS18B20 连接了微处理器的时候，只要有一条口线就能够实现它们之间的双向通信； (3) 在一根线上面 可以并联多个 DS18B20，这样它就能够实现这个 组网进行多点测温的功能； (4) DS18B20 的形状像一个三极管，它没有其它的外围电路，所有的传感器件和转换电路都集成在一起； (5) 它 测量 的 温 度 范围 要比 DHT11 的测量温度范围大很多。 是从 零下 55 到 125 摄氏度 ， 当 在 零下 10 到 85 摄氏度时 可以达到 摄氏度 的测量 精度 ； (6) 通过编程，可以实现 摄氏度、 摄氏度 、 摄氏度和 摄氏度的测量精度； (7) 负压特性：当不小心把电源 的正、负两极 接反 了 的时候，它的芯片也 会避免 被损坏，但是此时不能 进行 工作。 12 DS18B20 引脚说明 表 5 DS18B20 引脚说明表 DS18B20 引脚封装如下 图 8 所示。 图 8 DS18B20 引脚图 ZigBee 模块 介绍 主控芯片 CC2530 本设计 的控制电路 采用 的是 CC2530 芯片， 它 具有 32KB、 64KB 和 128 kB 的编程闪存， 因为它 结合了一个 DSSS 射频收发器核心 、内存 和一个很小的 8051 控制器 ，所以 RAM也达到了 8kB[11]。 并且它还拥有 很多电路功能，比如 定时器、复位电路、掉电检测电路和21 个可 以有 编程 的 输入和输出 引脚，这样实现通信 系统 的 集成化就很容 易了。 其功能引脚图如图 9 所示。 13 图 9 CC2530管脚图 主芯片最小系统 ： 通过外部电路和中断控制电路的工作状态是整个电路的核心部分，CC2530 最小系统如图 10 所示。 图 10 CC2530 最小系统图 14 ZigBee 无线收发模块介绍 图 11 ZigBee 无线收发模块实物图 这个模块 用到的技术主要就是射频技术， 硬件方面 主要是 由 CC2530 芯片 和少量无源器件（电阻、电容、电感和 PCB 天线） 组成的无线收发模块，它的收发频率是 ，输出功率最大是 8dBm,它的工作电压范围是 —。 设计无线传感器网络有一些原则：设计尺寸要小、功耗要很低、集成化的传感器和要用简单的软件。 它的原理图如下图 12 所示。 15 图 12 ZigBee 无线收发模块原理图 显示电路 有机发光显示技术介绍 通常选用的显示屏均为液晶显示屏。 它的工作原理是液晶分子在电场作用的情况下分子排列顺序遭到破坏，所以出现了一系列的光学现象。 本次设计用的是 OLED 显示屏，它的 发光原理是用非常薄的有机材料图层和玻璃组成成，当在 有电流作用于这个有机材料的时候 ， 有机材料就会发光。 而且它 的 有机发光层的材料 所决定觉得了它 发出什么样颜色的光。 OLED 的构造很简单，并且有自发光、对比度高、范瑛速度快、适用的温度范围大等优点。 OLED12864 介绍 OLED12864 工作电压在 3V 到 10V 之间，工作的温度可以在 40 摄氏度到 85 摄氏度。 它 的显示屏使用的是 1 个 64 行输出的行驱动器和 2 个列驱动器。 16 图 13 OLED12864 实物图 如下表，是 OLED12864 的接口说明。 表 6 OLED12864 接口 ： （ 1） OLED 3 端是电源，提供 OLED12864 的正常工作电压； （ 2） 4 端口是选择端 口， 用来 选择指令寄存器， 往 OLED 屏中写入数据和命令的端口； 17 （ 3） 5 端口是选择读写端口， 这个端口只往 12864 屏中写入 数据 ，不读取数据； （ 4） 6 端口是使能信号，这个信号是必须要的，否则不能工作； （ 5） 17 端口是复位端口。 OLED12864 引脚图如下图 14 所示。 图 14 OLED 引脚图 电源电路 电源在设计 硬件 中是 一定要有的 ，它能为各种负载元件提供正常的工作电压。 本 次设计 的电源模块电路图如下 图 15 所示。 图 15 电源模块电路 18 第五章 系统软件设计 本 次 系统的软件设计 最 主要 部分 有两个 ，一个是 数据采集和 发射部分，另一个是 数据接收 和处理 部分。 发射部分的主要工作就是采集温度数据和这些数据处理完后发射出数字信号，接收部分的工作就是对发射端发射出来的数字信号进行接收和处理，并且将 它显示出来。 其软件的总体流程图如下。 图 16 系统总流程图 第六章 系统调试和结果分析 硬件调试 和分析 根据 ZigBee 电路的仿真设计，对这个电路的每个模块 都 进行测试。 首先通电之前检查电源及各模块是否符合工作要求，然后测试软件是否编写有问题。 具体 调试的过程中 出现 的 故障 有下面几种。 (1) 通电过后 OLED 不能显示 可能原因：显示屏不能显示，可能是在编写 12864 的串口程序时出错了，还有一种可能就是这个屏幕本身就是坏的。 结束 数据处理 接受完成 否A/D转换 是/D转换 否A/D转换 是/D转换 CC2530 天线接收 是/D转换 是/D转换 否A/D转换 天线发射 无线发射模块 数据采集 CC2530 开始 初始化 否A/D转换 19 调试过程：把这个屏放在别的电路上，能正常显示，所以这个屏是没有问题的 ，出错的原因是它的串口程序编写出现错误。 结果分析 ：本次设计采用的屏是技术比较新颖的 OLED 屏，它必须要有驱动才能正常工作，如果没有驱动或者驱动出错的时候是不会亮的。 在开始移植驱动时就出现 过错 ，所以出错。 重新编写驱动程序 并下载 后屏幕正常工作。 (2) 温度数据采集好后不能传输到 协调器 可能原因：数据不能传输到上位机，可能是天线出现问题 ，导致 ZigBee 之间不能进行正常的无线通信；下载程序到 ZigBee 模块时出现错误。 调试过程：将 ZigBee 模块重新通电，发现电路中的 D3 灯一直处于常亮状态，此时表明两个 ZigBee 模块之间没有进行有效的无线连接，换了两根天线后重启 ZigBee 模块，D3 灯仍处于常亮状态，表示可能不是天线原因；然后重新下载程序到模块中， D3 等熄灭，表明连接成功。 结果分析 ： ZigBee 开发板中的 D3 等亮、灭状态代表连接是否成功， 在本次测试中，由于在下载程序前没有复位仿真器，导致程序没有成功下载到协调器中，所以出现不能进行无线通信。 重新下载程序后系统 就能 正常工作 了。 软件调试 和分析 硬件完成后，对系统的软件进行调试，检查系统是否能正常运行。 在调试过程中主要遇到两个问题。 (1) ZigBee 组网中 2 个终端节点不能和协调器进行有序的数据传输 可能原因：本次出错的可能原因是在编写程序时没有设置好各节点传输数据的延时时间，还有一个可能就是没有运用协议栈中的寻址函数，导致节点和协调器在传输数据时发生错乱。 调试过程：通过查找资料，在 程序中加入了 ZigBee 协议栈中的组网传播模式的函数后，系统实现了终端节点和协调器间的有序传输。 如下两幅图片，其中图 17 是传输发送错乱，图 18 是经过调试修改后的传输过程。 20 图 17 数据传输发生错误图 在图 17 中可以看出，在后几行的数据采集结果中，有三行数据都是两个节点所采集的数据，它们在传输过程中出现了错误，所以会同时显示在一行。 图 18 有序传输数据图 21 结果分析：在 ZigBee 中的组网类型有 3 中，一个是点对点的传播，在两个节点的目的地址都知道的时候，就可以用这种方式；另外一种是广播式的传播，这个顾 名思义就是广播式的，协调器给所有节点广播信号，而不能通过终端节点给协调器传送数据；最后一种是组网模式，终端节点此时可以发送数据给协调器，而协调器就会在它分配的地址表里面查找相 应节点发过来的数据，从而完成有序传输数据。 实现这一功能的程序如下图 19。 图 19 建立组网函数 (2) DS18B20 和 DHT11 的引脚定义问题 在本次设计中，采用了 2 种传感器，一个是只采集温度的 DS18B20，另一个是可以采集温度和湿度的 DHT11。 在后来调试过程中，采用 DHT11 的节点不能采集到数据。 可能原因：在编程的过程中， 对传感器引脚。