基于nrf905的温室温度测控系统研究_本科毕业论文(编辑修改稿)

基于nrf905的温室温度测控系统研究_本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

存存储器中的第五个字节 ,DS18B20 在工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值。 微控制器 STC89C52 本系统采用单 片机 STC89C52 作为温度采集点和控制端的微处理器，基于单片机的控制系统开发容易、系统小巧、功耗低、成本低廉、性价比高。 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。 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系统提供 灵活、 有效的解决方案。 STC89C52 的主要性能参数： (1)STC89C52 支持在线可编程 (ISP)写入技术 ,改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，串行写入、速度更快、稳定性更好； (2)工作频率 范围： 0～ 40MHz。 (3)通用异步 串行口 （ UART），还可用定时器 软件 实现多个 UART； (4)内部集成看门狗计时器，无需外接看门狗计时器单元电路； (5)工作电压： ～ （ 5V 单片机 ） /～ （ 3V 单片机） ； (6)工作温度范围： 40～ +85℃ （工业级） /0～ 75℃ （商业级） ； (7)外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发 电路， Power Down 模式可由外部中断低电平触发 中断方式 唤醒 ； (8)通用 I/O 口（ 32 个），复位后为： P0/P1/P2/P3 是 准双向口 /弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻 ； GND I/O UDD 内部 UDD C VD2 VD1 64 位ROM和 单线接口 存储器和控制逻辑 便笺式RAM 温度传感器 8 位 CRC 发生器 配置寄存器 高温寄存器 低温寄存器 电源检测 图 22 DS18B20 的内部电路框图 无线射频模块 本系统采用射频模块 nRF905 作为无线传输的媒介。 1. nRF905 无线模块特点 (1)433Mhz 开放 ISM 频段免许可证使用 ； (2)最高工作速率 50kbps，高效 GFSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制 场合； (3)125 频道，满足多点通信和跳频通信需要 ； (4)内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址控制 ； (5)低功耗 工作，待机模式下状态仅为 ； (6)收发模式切换时间 650us ； (7)模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示 )，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便 ； (8)TX Mode: 在 +10dBm 情况下 ，电流为 30mA。 RX Mode: ； (9)标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用 ； 2. nRF905 接口电路管脚说明 nRF905 接口电路管脚说明 如 下 表 21 所示。 管脚 名称 管脚功能 说明 1 VCC 电源 电源 +~ DC 2 TX_EN 数字输入 TX_EN=1 TX 模式 TX_EN=0 RX 模式 3 TRX_CE 数字输入 使能芯片发射或接收 4 PWR_UP 数字输入 芯片上电 5 uCLK 时钟输出 本模块该脚废弃不用，向后兼容 6 CD 数字输 出 载波检测 7 AM 数字输出 地址匹配 8 DR 数字输出 接收或发射数据完成 9 MISO SPI 接口 SPI 输出 10 MOSI SPI 接口 SPI 输入 11 SCK SPI 时钟 SPI 时钟 12 CSN SPI 使能 SPI 使能 13 GND 地 接地 14 GND 地 接地 表 21 接口电路管脚说明 硬件电路设计 电源电路设计 电源是系统运行的基础，由于线性电源输出端的纹波小，且在电磁干扰和电源纯净性方面都优于开关电源 ，因此 本系统所需电源都采用线性电源。 系统由 9V 充电电池供 电，通过三端集成稳压器 LM780 组成的串联型直流稳压电路提供系统所需的直流电源 +5V、 +，电源电路 [2326]如图 23 所 示。 图 23 系统电源电路图 9V 电池经过三端稳压器 LM7805 输出 +5V 电压， +5V 电压给单片机 STC89SC5温度传感器、 LCD160蜂鸣器、继电器等供电； LM7805 的输出电压 +5V 经三端稳压芯片 获得 电压，为 NRF905 射频模块 提供工作电压； 根据电源设计规则以及实验条件，在进行本系统电源设计时，三 端稳压器 LM780 的输入、输出端采用 47181。 F/16V 电解电容和 104(容值： )独石电容搭配使用；其中耐压 16V、容值 47181。 F 的电解电容用来支撑输出电压， 104 独石电容用来旁路高频干扰；在 PCB 布线时输入、输出端的电容尽量靠近稳压模块。 温度采集电路 温度采集电路 [27,28]如图 24 所示。 DS18B20 的数据输入输出脚 (DQ)与单片机STC89C52 的 口相连，进行数据和时钟的传输。 单总线通常要求外接一个大约 的上拉电阻，这样，当总线闲置时 ，其状态为高电平。 图 24 温度采集电路 射频模块 nRF905外围电路 射频模块 nRF905 外围电路 如图 25 所示， nRF905 的 第 1 引脚 VCC 接 的 工作电压， nRF905 的工作模式由 TRX_CE、 TX_EN 和 PWR_UP 三个引脚决定 ， nRF905 使用 SPI (Serial Peripheral Interface) 串行外设接口 与微 处理器之间进行 通信。 图 25 无线射频 电路 本章小结 本章 以温室温度为控制对象，研究了基于 无线射频 模块 nRF905 的温室温度 测控系统的硬件设计，包括系统各个部分的设计思想、电路原理 图 以及 核心 芯片的主要技术参数、特点等；为了实现系统的低成本和低功耗，在满足设计要求的前提下，尽可能使用了芯片内部功能和选择价格低廉、低功耗的元器件 ,达到了基本的设计要求。 第三章 基于 nRF905 的温室温度测控系统的软件实现 在测控系统设计中，软件的设计在很大程度上决定了测控系统的性能。 温度采集点和控制端的程序设计是在 Keil 181。 Vision2 开发环境下，采用 C 语言编写。 基于 nRF905 的温室温度测控系统的软件设计 主要 包括： 温度信号采集模块、 无 线传输模块 的程序设计。 温度采集模块程序设计 由于 DS18B20 采用的是单总线协议方式，即在一根数据线上实现数据的双向传输，而单片机 STC89C52 在硬件上不支持单总线协议，需要采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 因此， DS18B20 测温软件的编写，需要严格遵循单总线协议，以保证数据的完整性。 DSl8B20 工作过程中的协议如下： 初始化； ROM 操作命令；存储器操作命令；处理数据。 每一次访问 DS18B20 时必须遵循这一顺序，如果其中的任何一步缺少或顺序混乱，DS18B20 将不会响应。 单总线上的所有处理均从初始化序列开始。 操作命令 [2729] 一旦总线主机检测到从器件的存在，即可根据具体情况发出器件相应的 ROM 操作命令，所有 ROM 操作命令均为 8 位二进制数。 (1)Read ROM(读 ROM)[33H]：允许总线主机读 DS18B20 的 8 位产品系列编码 、 唯一的 48 位序列号 、 8 位的 CRC。 (2)Match ROM(匹配 ROM)[55H]：允许总线主机对多点总线上待定的 DS18B20 寻址。 (3)Skip ROM(跳过 ROM)[CCH]：在单点 总线系统中，该命令通过允许主机不提供64 位 ROM 编码而直接访问存储器操作来节省时间。 (4)Search ROM(搜索 ROM)[F0H]：允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从器件的 64 位编码。 (5)Alarm Search(告警搜索 )[ECH]：仅在最近一次温度测量出现告警的情况下，DS18B20 才对此命令作出响应。 告警的条件定义为温度高于 TH 或低于 TL。 DS18B20 一上电，告警条件就保持在设置状态，直到另一次温度测量显示出非告警值或者改变 TH 或TL 的设置，使得测量值再一次位于允许的范围之内，存储在 E2PROM 内的触发器值用于警 告。 (1)Write Scratchpad(写暂存存储器 )[4EH]：向 DS18B20 的暂存器中写入数据，开始位置在地址 2，接下来写入的两个字节将存在暂存器中的地址位置 2 和 3，可以在任何时刻发出复位命令来终止写入。 (2)Read Scratchpad(读暂存存储器 )[BEH]：读取暂存器的内容，读取数据将从字节 0开始，字节 8(CRC)结束，可以在任何时间发出复位命令中止读取。 (3)Copy Scratchpad(复制暂存存储器 )[48H]：将暂存器的 内容复制到 DS18B20 的E2PROM 存储器里，即把温度报警触发字节存入非易失性存储器里。 (4)Convert Temperature(温度变换 )[44H]：启动一次温度转换而无需 其它 数据。 温度转换命令被执行， DS18B20 保持等待状态。 如果总线控制器在这条指令之后发出读时间隙，而 DS18B20 忙于数据转换， DS18B20 输出 “0”；温度转换完成，输出 “1”。 如果使用寄生电源，总线控制器必须在这条命令发出后立即启动强上拉并保持 500ms。 (5)Recall E2PROM(重新调出 )[B8H]：将存储 在 E2PROM 中温度触发器的值重新调至暂存存储器。 (6)Read PowerSupply(读电源 )[B4H]：对于在此指令发送至 DS18B20 之后所发出的第一读数据的时间隙，器件都会给出其电源方式的信号： “0”为寄生电源供电， “1”为外部电源供电。 当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以 2 字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0 和第 1 字节，单片机可以通过单线接口读出该数据，低位在前，高位在后。 温度数据采集程序流程图如图 31 所示； 温度信号采集程序清单 见附录 1。 无线传输模块 的程序设计 nRF905 通过 SPI 与微控制器进行通信，只有在关机模式和待机模式下 nRF905 才能通过 SPI 接口进行通信， 因此微处理器 STC89C52 对 nRF905 进行读写操作前都应该将 nRF905 置于待机模式。 nRF905发送流程程序设计 nRF905 设置为待机模式， MCU 准备好数据要发送到目的节点，通过 SPI 口将目的节点的地址信息和有效数据信息传送到 nRF905 的发送寄存器中， MCU 设置 TRX_CE 和 TX_EN 为高来激活 nRF905 的发送模式。 nRF905 进入发送模式后，数据打包完成 (自动加字头和 CRC 校验码 )，数据包发送 (自是 否 向 DS18B20 发送初始化脉冲 开始 向 DS18B20 发送跳过 ROM 命令(CCH) 向 DS18B20 发送温度转换命令(44H) 转换结束。 向 DS18B20 发送初始化脉冲 向 DS18B20 发送跳过 ROM 命令(CCH) 向 DS18B20 发送读温度暂存器命令 (BEH) 图 31 温度数据采集程序流程图 读取数据 动进行数据曼彻斯特编码、 GFSK 调制、 100 kbps 速率发送 )，若 DR 信号置高则说明发送完成。 如果自动重发信号 (AUTO_RETRAN)被置高，则 nRF905 将不断地重发数据，直到 TRX_CE 被置低为止。 当 TRX_CE 被置低时， nRF905 会立刻结束正在发送的数据包，并将自己置为 standby 模式 [22]。 发送完成后需要设置为待机模式，发送程序流程图如图 32 所示。 nRF905 发送程序清单见附 录 2。 nRF905接收流程程序设计 当 TRX_CE 被置高，且 TX_EN 被置低时， NRF905 进入接收模式， 650 us 之后，nRF905 开始侦听信道；若 nRF905 监听到所要接收的频段的载波信号，则载波侦听信号 CD 被置高；若接收到的数据包地址有效，则地址匹配信号 AM 被置高；若循环校验码 CRC 检测正确，则 nNRF905 将去除数据包的字头，地址和 CRC 各位，并将数据准备好信号 DR 置高。 MCU 将 TRX_CE 信号置低，进入 standby 模式，并通过 SPI 口以一定的速率将 开始。