无线温传感器课程设计.docx
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1、邮电与信息工程学院现代测控技术课程设计说明书课题名称:无限温度采集系统学生学号:0941050212 专业班级:09测控技术及仪器2班学生姓名:刘奎 学生成绩:指导教师:李 国 平课题工作时间:2012-6-20至2012-7-4摘要无线温度采集系统是一种基于射频技术的无线温度检测装置。本系统由传感器和接收机,以及显示芯片组成。传感器部分由数字温度传感器芯片18B20,单片机89C52,低功耗射频传输单元NRF905和天线等组成,传感器采用电源供电;接收机无线接收来自传感器的温度数据,经过处理、保存后在LCD1602上显示,所存储的温度数据可以通过串行口连接射频装置与接收端 进行交换。数字单总
2、线温度传感器是目前最新的测温器件,它集温度测量,A/D转换于一体,具有单总线结构,数字量输出,直接与微机接口等优点。既可用它组成单路温度测量装置,也可用它组成多路温度测量装置,文章介绍的单路温度测量装置已研制成产品,产品经测试在-10-70间测得误差为,80T105时误差为,T105误差为增大到1左右。关键词:温度采集系统;无线收发;温度传感器;89C52单片机;AbstractWireless temperature acquisition system based on RF technology is a kind of wireless temperature detecting de
3、vice. The system consists of the sensor and receiver, and display chip. The sensor consists of digital temperature sensor18B20 chip, chip 89C52, low power RF transmission unit NRF905 and antenna components, sensors using wireless power supply; the receiver receives from the temperature data, process
4、ed, preserved in the LCD1602 display, the stored temperature data can be through the serial port connected to the RF device and the receiving terminal exchange.The digital single bus temperature sensor is the current measuring device, it sets the temperature measurement, A/D conversion in one, with
5、a single bus structure, digital output, the advantages of direct interface with microcomputer. Not only can it consists of single channel temperature measuring device, it is also available to form a multichannel temperature measuring device, this paper introduces single temperature measurement devic
6、e has been developed into products, products tested in -10 -70 ,80 T 105 , T105 error in order to increase to about 1 .Key words: temperature acquisition system; wireless transmission; temperature sensor; SCM 89C52目录摘要IAbstractII一设计要求1二设计原理1LabVIEW介绍12.2. 采集系统的组成结构1数字温度传感器DS18B2012.2.2. 射频传输单元NRF905
7、22.2.3 .1602液晶显示芯片2三、系统工作原理及详细流程3DS18B02主要特性33.2 . AT89S52单片机介绍63.3 NRF905工作原理9 nRF905工作模式9 nRF905工作流程10四无线温度采集系统的软硬件设计12五上位机程序设计135.1 LabVIEW前面板135.2 后面板15六系统调试与性能分析18七设计总结19附录一20参考文献21一设计要求制作一个无线温度传感检测系统,系统由4个节点,他们分别是:温度检测控制器(数字温度传感器芯片18B20);上位机组成节点(MSP430F1232和ds18B20以及nRF905组成);控制器(lcd12864、NRF9
8、05和max232组成);上位机(labview);二设计原理LabVIEW介绍传统的温度测量仪器,其功能及规格是单一固定的,用户无法根据自己的需要改变。NI公司提出的虚拟仪器概念,彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式,使测控仪器发生了巨大变革。LabVIEW是NI公司开发的一种虚拟仪器平台,而目前利用LabVIEW进行的开发通常都是建立在LabVIEW所支持的价格昂贵的数据采集板卡之上的。为解决这一问题,本系统采用低功耗单片机和低功耗温度传感器组成温度采集节点,并通过无线通信模块实现单片机系统与上位机的远程通信,不仅取代了价格昂贵的数据采集卡,大大降低了系统成本,而且实现了数据的
9、无线传输。同时,温度采集节点的低功耗特性,便于进行组网实现多点测温。2.2. 采集系统的组成结构无线温度采集系统是一种基于射频技术的无线温度检测装置。本系统由传感器和接收机,以及显示芯片组成。传感器部分由数字温度传感器芯片18B20,单片机89C51,低功耗射频传输单元NRF905和天线等组成,传感器采用电源供电;接收机无线接收来自传感器的温度数据,经过处理、保存后在LCD1602上显示,所存储的温度数据可以通过串行口连接射频装置与接收端 进行交换。无线温度的采集主要基于单线数字温度传感器DS18B20芯片。Dallas 半导体公司的单线数字温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线
10、”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为 -55C+125C,在-10+85C范围内,精度为C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量,支持3V5.5V的电压范围, DS18B20可以程序设定912位的分辨率,精度为C。数字单总线温度传感器是目前最新的测温器件,它集温度测量,A/D转换于一体,具有单总线结构,数字量输出,直接与微机接口等优点。既可用它组成单路温度测量装置,也可用它组成多路温度测量装置,文章介绍的单路温度测
11、量装置已研制成产品,产品经测试在-10-70间测得误差为,80T105时误差为,T105误差为增大到1左右。. 射频传输单元NRF905 温度数据的无线传输主要是基于低功耗射频传输单元NRF905芯片。nRF905 是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器,工作电压为1.93.6V,32引脚QFN封装(55mm),工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器, ShockBurstTM工作模式,自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)
12、,使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,工作于接收模式时的电流为12.5mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块。经过无线传输后,温度数据信息将在1602液晶显示芯片上进行显示,1602液晶显示芯片采用标准的14脚接口,其中VSS为地电源,VDD接5V正电源,V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择,高电平时选择数
13、据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。D0D7为8位双向数据线。 本系统的温度采集与显示,无线的传输与对比均由单片机89C51来控制完成。相比较而言ATMEL 公司的89S51更实用,因他不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写,一般专为 ATMEL AT89
14、xx 做的编程器均带有这些功能。显而易见,这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密,这又很好地保护了我们的劳动成果。三、系统工作原理及详细流程3.1DS18B02主要特性1、适应电压范围更宽,电压范围:3.05.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电;2、独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯;3、DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温;4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电
15、路内;5、温范围55125,在-10+85;,可实现高精度测温;7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。8、测量结果直接输出数字温度信号,以一线总线串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力;9、负压特性:电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。打开电源后,本系统由单片机89S52向单线数字温度传感器DS18B20芯片发出指令进行测温,DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。封装图和接线图如图1。图1.
16、 DS18B20封装、接线图DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。DS18B20高速暂存器共9个存储单元,如表1所示:表1. DS18B20存储单元序号寄存器名称作 用序号寄存器名称作用0温度低字节以16位补码形式存放4、5保留字节1、21温度高字节6计数器余值2TH/用户字节1存放温度上限7计数器/3HL/用户字节2存放温度下限8CRC光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8
17、位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。 DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例: 用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以/LSB形式表达,其中S为符号位。12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。表2. DS18B20温度传感器的存储器寄存器高8位 S S S S S 262524低8位 232221202-12-
18、22-32-4 DS18B20温度传感器的存储器: DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。低五位一直都是1 ,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出
19、厂时该位被设置为0。R1和R0用来设置分辨率,如下表所示:(DS18B20出厂时被设置为12位)分辨率设置表如表3:表3. 分辨率设置R1R0分辨率温度最大转换时间009位0110位1011位375ms1112位750ms根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待1660微秒左右,后发出60240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。
20、 在硬件上,DS18B20与单片机的连接有两种方法,一种是Vcc接外部电源,GND接地,I/O与单片机的I/O线相连;另一种是用寄生电源供电,此时UDD、GND接地,I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电,I/O口线要接5K左右的上拉电阻。 DS18B20有六条控制命令,如表4 所示:表4. DS18B20控制指令表指 令约定代码操 作 说明温度转换44H启动DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读暂存器9个字节内容写暂存器4EH将数据写入暂存器的TH、TL字节复制暂存器48H把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中重新调E2RAMB8H把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器
21、TH、TL字节读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU单片机对DS18B20的访问流程是:先对DS18B20初始化,再进行ROM操作命令,最后才能对存储器操作,数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程,根据DS18B20的通讯协议,须经三个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。 然后数据被传输至单片机89S52,八位数据分两次传输,再由单片机编程为可以由数码管显示的四位数据,头一位为正负温度数
22、据,后三位为带小数点的当前温度。数据也被送至低功耗射频传输单元NRF905进行无线传输。应注意一点,51单片机有一个全双工的串行通讯口,所以单片机和NRF905之间进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件,比如电脑的串口是RS232电平的,而单片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个电平转换电路,我们采用了专用芯片MAX232进行转换,虽然也可以用几个三极管进行模拟转换,但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口,也就是说和NRF905的9针串口只连接其中的3根线:第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法,但是对我们来说已经足够使用了,电路如下图
23、所示,MAX232的第10脚和单片机的11脚连接,第9脚和单片机的10脚连接,第15脚和单片机的20脚连接。3.2 . AT89S52单片机介绍AT89系列单片机是以Intel公司的MCS-51单片机为核心的部件结构,它与8051其他型号的单片机是兼容的。单片机是把微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。它的结构和指令都是按照工业要求设计的,也称为微控制器。AT89系列单片机的精简结构如下图2:振荡器及定时电路8KB程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时器CPU64KB总线扩展控制可编程I/O口48位可编程串行口图2. AT89单片机内部结构图AT89S52是一种低功耗
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