基于nRFL的多点温度采集系统设计.doc
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1、摘 要随着信息领域各种技术的发展,我们在数据采集方面的技术也取得了很大的进步,采集数据的信息化是目前社会的重要发展方向。各种领域都用到了数据采集,比如石油勘探、地震数据采集领域。随着工农业生产对温湿度的规定越来越高,准确测量温度变得非常重要。本课题提出一种基于单片机的无线多点温度采集电路设计,该方案是运用单片机控制DS18B20温度传感器采集温度,温度采集成功后由nRF24L01无线通信模块进行数据的无线传输,在接受板上也有一块无线通信模块与它配对。数据成功接受后由单片机去控制LCD1602液晶实时显示温度。本系统还设定了一个温度报警,当温度超过这个界线就由蜂鸣器发出警报,当温度下降至报警温度
2、以下时,警报自动停止。本系统做的是多点温度采集,涉及两块无线发送模块和一块无线接受模块,采集到的温度并排显示在同一个LCD1602上。用到的重要器件是AT89S52单片机、数字温度传感器DS18B20和无线芯片nRF24L01,测量结果用LCD1602液晶显示。关键词:单片机;多点温度采集;无线通信模块;温度报警。Abstract Along with the development of the technology of information field, we had also made a lot of progress in data collection technology,
3、the data gathering information is the main development direction of the society. Various fields also use the data collection, such as petroleum exploration, seismic data acquisition field. Along with increasingly demanding of the industry and agriculture production to the temperature and humidity,mo
4、re accurate measurement temperature becomes very important.This topic is wireless acquisition multipoint temperature acquisition and transmission circuit design base on SCM, the project is using SCM to control the temperature sensor DS18B20 to collection temperature, use nRF24L01wireless communicati
5、on module to transmit if receive temperature successfully, there is a wireless communication module pairing with it in dashreceiver.Useing SCM to control LCD1602 liquid crystal to display temperatureafter receiving temperature successfully.The system also set a warning temperature, when the temperat
6、ure over the line ,the buzzer will call, when the temperature belowthe alarm temperature below, alarm will stop. This system realizes multipoint temperature gathering,including twowireless transmission module and one wireless receiving module.The temperature will show on the same LCD1602.This system
7、s main components is AT89S52 SCM and digital temperature sensor DS18B20 and wireless chip nRF24L01, the measured result is displaying by LCD1602.Key words:SCM; multipoint temperature gathering; wireless communication module;temperature warning.目 录引言 11 课题方案设计22 硬件设计32.1 电源电路 32.2 温度传感器电路32.3 无线传输电路4
8、2.3.1nRF24L01无线模块组成42.3.2nRF24L01无线模块应用62.4 显示电路 62.4.1字符型液晶显示模块简介72.4.2字符型液晶显示模块引脚和内部结构 72.5 单片机系统 82.5.1AT89S52简介 82.5.2AT89S52引脚说明 82.6 警报电路113 软件设计 123.1 系统概述123.2 程序设计流程图 123.3 DS18B20程序设计133.4 nRF24L01程序设计 163.5 字符型液晶显示模块程序设计 174 调试及结果 205 结论 22谢辞23参考文献24附录25引言21世纪的今天,科学技术的发展日新月异,科学技术的进步同时也带动了
9、测量技术的发展,现代控制设备不同于以前,它们在性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了高速发展的信息时代,测量技术是当今社会的主流,广泛地进一步到应用工程的各个领域。温度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数之一,在生产过程中常需对温度进行检测和监控,采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制,对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。随着工业科技、农业科技的发展,温度测量需求越来越多,也越来越重要。但是在一些特定环境温度监测环境范围大,测点距离远,布线很不方便。这时就要采用无线方式对温度数据进行采集。 多路无线温度采集系统可被广泛应用于温度测量或相应的可转换为温度
10、量或供电故障监控的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中,例如:城市路灯故障检测和供电线路防盗监视、城市居民社区供热检测、大型仓库温度检测、工业生产测控、农业生产温度测控、环保工程、故障监控工程等。考虑到许多工业环境中对多点温度进行监控,一般需要测量几十个点以上。本文设计多点无线温度监控系统。本设计是以Atmel公司的AT89S52单片机作为控制核心,提出基于DS18B20的温度采集与控制系统。控制器通过温度传感器实时检测各节点的温度变化,并在LCD1602上循环显示各节点温度的变化。由于采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制,对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的
11、作用,并且温度参数对工业生产的重要性,所以温度测量系统的精确度和智能化一直受到公司的重视。所以学习并研究温度测量及相关知识可做为一个较为实用的课题的方向,能获得较实用的知识和方法。因此温度测控技术是一个很实用、也很重要的技术,值得去研究掌握。它应用的领域也相称广泛,可以应用到消防电气的非破坏性温度检测,电力、电讯设备的过热故障预知检测,空调系统的温度检测,各类运送工具之组件的过热检测,保全与监视系统之应用,医疗与健诊的温度测试,化工、机械等设备温度过热检测。因此前景是相称的可观。1 课题方案设计一方面要对芯片作出选择。采用温度芯片DS18B20测量温度,可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路
12、的集成,使总体电路更简洁,搭建电路和焊接电路时更快。并且,集成块的使用,有效地避免外界的干扰,提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片,也是顺应这一趋势。主控部分采用AT89S52八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。并且体积小,硬件实现简朴,安装方便。本系统以单片机为核心,构成一个包含温度采集、解决、无线传输、显示的无线温度采集系统,原理框图见图1.1。图1.1 系统设计框图2 硬件设计 本课题设计的电路涉及:电源电路、晶振电路、复位电路、无线收发电路、报警电路及显示电路。2.1 电源电路(1)单
13、片机供电本设计所用的是AT89S52单片机、LCD1602液晶及DS18B20芯片,直接由电池盒输入+5V的电压即可让它们正常工作。(2)nRF24l01无线模块nRF24l01芯片的供电电压为1.9V到3.6V之间,假如直接接+5V电压会让芯片烧毁,所以设计了一个3.3V输出的稳压电路。稳压电路的作用是当输入电压波动及其它外界因素变化时,还可以稳定输出直流电压。5V输入电压通过电解电容进行一级滤波,去除杂波干扰。再通过三端稳压管AMS1117-3.3输出稳定的3.3V电压。3.3V电压再通过电解电容进行二级滤波,让电压更稳定,保证nRF24l01芯片不被烧毁。稳压电源原理图见图2.1图2.1
14、 稳压电源电路原理图2.2 温度传感器电路 本方案采用DS18B20芯片进行温度采集。温度芯片DS18B20是Dallas公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO92小体积封装形式。DS18B20数字温度传感器接线方便,封装成后可应用于多种场合,如管道式,螺纹式,磁铁吸附式,不锈钢封装式,型号多种多样,有LTM8877,LTM8874等等。重要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温,高炉水循环测温,锅炉测温,机房测温,农业大棚测温,洁净室测温,弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,合用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域
15、。内部结构见图2.2。图2.2 DS18B20内部结构DS18B20引脚定义: (1)DQ为数字信号输入/输出端; (2)GND为电源地; (3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。具体见图2.3。图2.3 DS18B20引脚图2.3 无线传输电路2.3.1nRF24l01无线模块组成 nRF24L01是NORDIC公司最近生产的一款无线通信芯片,采用FSK调制,内部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度厅以达成2M(bps)。NORDIC公司提供通信模块的GERBER文献,可以直接加工生产。嵌入
16、式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5个GPIO,1个中断输入引脚,就可以很容易实现无线通信的功能,非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。芯片管脚分布见图2.4图2.4 Nrf24l01芯片管脚分布芯片管脚分布已经在上图展示出来,我们只需要关注六个控制和数据信号即可,分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。下面对这几个管脚进行简朴的分析。CSN:芯片的片选线,CSN为低电平芯片工作。SCK:芯片控制的时钟线(SPI时钟)。MISO:芯片控制数据线。MOSI:芯片控制数据线。IRQ:中断信号。无线通信过程中MCU重要是通过IRQ与nRF24l01进行通信。CE:芯片
17、的模式控制线。在CSN为低的情况下,CE协同nRF24l01的CONFIG寄存器共同决定nRF24l01的状态。整个无线模块的原理图如图2.5所示图2.5 基于nRF24l01的无线模块电路 本次设计所用的无线模块则直接套用上图所示的无线模块。2.3.2nRF24L01无线模块应用nRF24l01无线收发电路如图2.6所示。其中,发送和接受都用的是同一个无线模块。由稳压电源电路供电3.3V。图2.6 nRF24l01无线收发电路发射数据时,一方面将nRF24L01配置为发射模式:接着把接受节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区,TX_PLD必须
18、在CSN为低时连续写入,而TX_ADDR在发射时写入一次即可,然后CE置为高电平并保持至少10s,延迟130s后发射数据;若自动应答启动,那么nRF24L01在发射数据后立即进入接受模式,接受应答信号(自动应答接受地址应当与接受节点地址TX_ADDR一致)。假如收到应答,则认为本次通信成功,TX_DS置高,同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答,则自动重新发射该数据(自动重发已启动),若重发次数(ARC)达成上限,MAX_RT置高,TX FIFO中数据保存以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时,使IRQ变低,产生中断,告知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01
19、进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高,则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高,则进入空闲模式2。接受数据时,一方面将nRF24L01配置为接受模式,接着延迟130s进入接受状态等待数据的到来。当接受方检测到有效的地址和CRC时,就将数据包存储在RX FIFO中,同时中断标志位RX_DR置高,IRQ变低,产生中断,告知MCU去取数据。若此时自动应答启动,接受方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接受成功时,若CE变低,则nRF24L01进入空闲模式1。2.4 显示电路本设计用的是字符型液晶LCD1602来显示采集的温度。2.4.1字符型液晶显示模块简介LCD1602液晶外形尺寸如
20、图2.7所示。图2.7 LCD1602外形尺寸1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。2.4.2字符型液晶显示模块引脚和内部结构LCD1602液晶显示模块引脚如下表2.1所示。表2.1 LCD1602模块引脚本设计所使用的LCD1602原理图见图2.9。图2.9 LCD1602原理图2.5单片机系统本设计使用的是ATM
21、EL公司的AT89S52单片机。2.5.1AT89S52简介AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司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,拥有机灵的8 位CPU 和在系统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定期器,2 个数据指针,三个16 位 定期
22、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。此外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定期器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结, 单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。2.5.2 AT89S52引脚说明AT89S52单片机的引脚如图2.10所示。图2.10 AT89S52引脚下面将对单片机的引脚进行说明。VCC:电源电压输入端。 GND:电源地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸取8TTL门电流。当P1口的管脚
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