1、毕 业 论 文 (设 计 )题 目 :基 于 单 片 机 的 无 线 温 度 采 集 监 测 报 警 器 的 设 计 毕业论文(设计)原创性声明本人所呈交的毕业论文(设计)是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文(设计)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名: 日期: 毕业论文(设计)授权使用说明本论文(设计)作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文(设计)的规定,学校有权保留论文(设计)并向相关部门送交论文(设计)的电子版和纸质版。有权将论文(
2、设计)用于非赢利目的的少量复制并允许论文(设计)进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文(设计)的全部或部分内容。保密的论文(设计)在解密后适用本规定。 作者签名: 指导教师签名: 日期: 日期: 1注 意 事 项1.设计(论文)的内容包括:1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)2)原创性声明3)中文摘要(300 字左右) 、关键词4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入)6)论文主体部分:引言(或绪论) 、正文、结论7)参考文献8)致谢9)附录(对论文支持必要时)2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于 1 万字(不包括图纸、程序清单等) ,文科类论文正文字数不少于 1.
3、2 万字。3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件) 。4.文字、图表要求:1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3)毕业论文须用 A4 单面打印,论文 50 页以上的双面打印4)图表应绘制于无格子的页面上5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装订顺序1)设计(论文)2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订3)其它2目 录摘 要 .1关
4、键词 .1Abstract.1Key wards .1前言 .21 系统总体设计方案 .22 主要元器件介绍 .32.1 AT89S52 单片机简介 .32.2 nRF24L01 概述 .52.3 DS18B20 温度传感器 .53 硬件系统设计 .53.1 硬件系统总体结构 .53.2 无线收发模块 .63.3 显示模块 .63.4 声光报警电路 .63.5 按键控制电路 .73.6 温度采集模块 .73.7 电源模块 .84 系统软件设计 .84.1 软件设计思路 .84.2 主程序流程图设计 .84.2.1 发送部分 .84.2.2 接收部分 .94.3 子程序设计 .104.3.1 温
5、度监测模块软件 .104.3.2 无线发射模块软件设计 .104.3.3 无线接收模块软件设计 .114.3.4 显示模块软件设计 .115 硬件功能实现 .125.1 系统调试 .125.2 调试结果 .126 总结 .13参考文献 .13附录一 .14附录二 .161基于单片机的无线温度采集监测报警器的设计摘 要:本文介绍了由单片机、温度传感器、报警器和 NRF24L01 组成的专用无线温测监测报警系统。本系统以 STC89C52 单片机为控制核心,利用温度传感器 DS18B20 完成温度的采集和数据的处理,nRF24L01 实现环境温度的无线传输。本文设计一主机一从机,从机监测环境周围温
6、度,主机显示当前监测到的环境温度值。用户可以通过按键来自定义报警上、下限值,一旦温度超过所设定的极限值,接收端单片机便启动报警系统。本系统精度高、结构简单、安全可靠、底功耗、实时性、成本底,在工业、医疗、军事和生活等许多场合都广泛应用。关键词: 1602 液晶显示屏;温度传感器;单片机;报警器Remote monitoring and alarm design microcontroller-based wireless temperatureAbstract:This paper introduces the special wireless temperature and composed
7、 of single-chip microcomputer, temperature sensor,alarm and NRF24L01 monitoring alarm system.This system takes the STC89C52 single chip microcomputer as control core, using the temperature sensor to complete the processing temperature collection and data, nRF24L01 wireless transmission of en. This p
8、aper designs a host from machine, from machine monitoring environmentalironment , the host shows the current monitoring of the environment temperature. The user can through button from the definition of alarm,lower value limit,once the temperature exceeds a set value, receiver chip will activate ala
9、rm system. This system is of high precision, simple structure, safe,reliable, lowest power consumption, real-time,low cost, in the industrial, medical, military life and so on many occasions widely used.Key words:1602 LCD screen;Temperature sensor;Single chip microcomputer;alarm2前言温度与人类的生活息息相关。早在 20
10、00 多年前,人类就开始为监测温度进行了各种努力,并开始使用温度传感器监测温度。在人类社会中,无论工业、农业、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。随着电子技术的发展和生产的要求,需要进行温度采集的场合越来越多,准确方便地测量温度变得非常重要。在工业中,由于生产环境的好坏,工作人员不能在现场较长时间的观测设备是否有运行正常,就需要将采集到的数据传输到一个环境相对好的操控室中,这样就会产生数据传输的问题。由于空间大、需要传输的数据较多,使用传统的有线数据传输方式就需要很多很长的通讯线,浪费资源,占用空间大,可操作性差,容易出现错误换线的现象。而且,当数据采集点在运动状态时,环境不能铺设电缆,数
11、据不得转让,这个时候需要使用温度采集无线传输。在农业上,传统的温度采集都是采用的人工方法,工作量大,可靠性差,无论大棚还是粮仓占地面积大,监测点分散在不同的地方,用传统的方法已经不能满足目前农业发展的需要。在日常生活中,随着人们生活水平的提升,居住条件渐渐变得智能化。现在已经有很多家庭都会在室内安装温度采集系统,其原理就是利用无线技术采集室内温度数据,并依据室内温度情况进行遥控通风等操作,自动调节室内温度,可以更好地改善人们的居住环境。无论在工业、农业还是日常生活中,凡 是 布 线 复 杂 或 不 能 布 线 的 地 方 都 希 望 可 以 通过 无线温度监测系统来 解 决 。 无 线 温 度
12、 监 测 系 统 的 稳 定 性 强 、 安 全 可 靠 , 传 统 的 方 法 已经 不 能 满 足 当 前 工 农 业 发 展 的 需 要 , 这 样 的 研 究 也 变 得 更 加 有 意 义 了 。1 系 统 总 体 设 计 方 案本设计采用价格便宜、操作简便,低功耗的 AT89S52 单片机作为主控芯片。使用DS18B20 线路简单,编程容易,具有耐磨耐碰,体积小,使用方便。由美国 DALLAS 半导体公司生产的可编程 DS18B20 温度传感器作为温度检测元件,测温范围为-55125。它能代替模拟温度传感器和信号处理电路,直接与单片机沟通,完成温度的采集和处理。采用高速低功耗的 N
13、RF24L01 无线射频模块,具有自动重发的功能、数据包识别及 CRC 校验功能,增强型 ShockBurstTM 模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加 MCU 的工作量。在主控芯片的选择上,TI 公司生产的 MSP430F149 系列单片机是一款高性能的低功耗的 16 位单片机,内置高速 12 位 ADC,但价格比较昂贵,大大增加了设计成本。所以选择价格便宜、操作简便,低功耗的传统的 AT89S52 单片机。在温度传感器的选择上,AD590 精度高、价格低、不需辅助电源、线性好,但是需要用到差分放大器放大和 A/D 转换,编程复杂。而 DS18B20 体积小,使用方便、经济实惠。综上考虑
14、,DS18B20 作为本设计的温度传感器。在显示模块的选择上,LED7 段数码显示管,成本低,容易显示控制,但不能够显示字符。字符液晶 LCD1602 能显示字符和数字等信息,价格便宜,容易控制。 本系统主要由六个模块组成:、测温电路、发送电路、接收电路、显示电路和报警电路。(1)主控制器:由 AT89S52 最小系统组成,其中包括单片机,晶振电路和复位电路。(2)发送电路和接收电路:由 nRF24L01 来完成无线数据的传输。(3)测温电路:利用温度传感器 DS18B20 完成温度的采集和数据的处理。3(4)显示电路:显示当前所测得的温度。(5)报警电路:当温度超过所设上下限时,蜂鸣器报警。
15、(6)电源模块:提供电源。本系统以 DS18B20 监测温度,NRF24L01 无线模块传输温度信号。采用 STC89C52 单片机作为主控芯片。DS18B20 将温度信号转化成电信号,送达至单片机来处理,单片机又将温度信号处理传达至 NRF24L01 无线模块,NRF24L01 无线模块再将温度信息编码给发送出去。发射端端电路图见附录一图 1。NRF24L01 无线模块接收到采集端发送过来的温度信息后,将温度信息传给单片机处理,单片机处理温度信息,并通过数码管将温度值显示出来。同时程序可以设定上下限报警温度。接收端电路图参照附录一图 2。本文设计一从机与一主机。从机为发射端,由温度传感器 D
16、S18B20,AT89S52 单片机,nRF24L01 无线射频模块和外设继电器组成。主机为接收端,由 AT89S52 单片机,nRF24L01无线射频模块,显示模块,报警电路组成。温度无线采集报警系统结构框图如图 1-1 所示。图 1-1 温度无线采集报警系统结构框图2 主 要 元 器 件 介 绍2.1 AT89S52 单 片 机 简 介STC89C52 是一种低功耗、高性能具有 8K 可编 Flash 使用高密度存储技术存储器。在一个单芯片上,8 位 CPU 在系统可编程,使得 STC89C52 提供高度灵活,为许多嵌入式控制应用。STC89C52 具有以下标准功能:8K 字节的 Flas
17、h,256 字节的 RAM,32 位 I / O 线,看门狗定时器,两个数据指针,三个十六位定时器/计数器,一个六向量二级中断结构,全双工串行口,片内振荡器和时钟电路。STC89C52 支持两种软件可以选择的节电模式。在CPU 工作停止,允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作的空闲模式。在 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的掉电保护方式 1。这个模块以单片机为中心,把程序代码烧进去,然后外接复位电路、振荡电路、键盘控制、LED 显示电路、报警电路等子模块。单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。要使单片机工作起来最基本的电路
18、构成为单片机最小系统如图 2-1 示。STC89C52主控制器发射DS18B20接收STC89C52主控制器显示电路报警电路4图 2-1 单 片 机 最 小 系 统STC89C52 单片机工作电压范围:4V-5.5V,所以通常给单片机外界 5V 直流电源。连接方式为单片机中的 40 脚 VCC 接正极 5V,而 20 脚 VSS 接电源地端。复位电路是完成单片机工作开始状态,确保单片机启动的过程。单片机在接通电源时会产生复位信号,完成单片机的启动这一过程确定单片机的起始工作状态。单片机系统在运行时, ,当受到外界环境的干扰可能会出现程序跑飞的时候,按下复位按钮后内部的程序会自动从头开始执行 2
19、。 一般复位包含上电自动复位与外部按键的手动复位,单片机要是在时钟电路的工作以后,在 RESET 端持续的给出 2 个机器周期高电平就可以完成复位的操作。本系统设计采用的是外部手动按键复位电路,需要接上拉电阻提高输出高电平的值。时钟电路就相当于单片机的一个心脏,掌握着单片机的整个工作节奏。时钟电路就是振荡电路,主要是向单片机来提供一个正弦波的信号作为基准,决定单片机执行的速度。XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出,反向放大器可以配置为片内振荡器。如果采用外部时钟源驱动器件,XTAL2 应当不接。因为一个机器周期含有六个状态周期,而每个状态周期为两个振荡周期,所以一个机器周期
20、共有十二个振荡周期,如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为 12MHZ,那么一个振荡周期是 1/12us。 本系统采用 STC 系统列单片机,相比其它系列单片机具有很多优点。一般 STC 单片机资源比其它单片机要多,而且执行的速度快;STC 系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便;STC89C52 单片机内部集成了看门狗电路;且具有很强抗干扰能力 3。本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路,如下图 2-2 图和 2-3 所示:图 2-2 时 钟 电 路5图 2-3 复 位 电 路由于单片机 P0 口内部不含上拉电阻,为高阻态,不能正常地输出高/低电平,因而该组 I/O 口
21、在使用时必须外接上拉电阻。2.2 nRF24L01 概述nRF24L01 是 一 款 功 耗 低 的 新 型 单 片 射 频 收 发 器 件 , 工 作 2.4GHz 2.5GHz ISM 频段 。 数 据 的 传 输 率 为 l Mb/s 或 2Mb/s, 供 电 电 压 1.9V 3.6V,内 置 频 率 合 成 器 , 功 率放 大 器 , 晶 体 振 荡 器 , 调 制 器 的 功 能 模 块 和 增 强 型 ShockBurst 技 术 , 其 输 出 功 率 与通 信 信 道 可 以 由 程 序 配 置 4。nRF24L01 可 以 通 过 配 置 寄 存 器 配 置 为 发 射
22、、 接 收 、 空 闲 及 掉 电 这 四 种 工 作 模 式 ,具 体 如 表 2-1 所 示 。表 2-1 nRF24L01 工 作 模 式模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 寄存器状态接收模式 1 1 1 -发射模式 1 0 1 数据在 TX FIFO 寄存器中发射模式 1 0 10 停留在发送模式,直至数据发送完待机模式 2 1 0 1 TX_FIFO 为空待机模式 1 1 - 0 无数据传输掉电 0 - - -2.3 DS18B20 温度传感器DS18B20 是单线数字温度传感,体积小,适用电压更宽而且更加经济实惠,测温范围为-55C+125C。由于 DS18B20
23、温度检测与数字数据输出都集中在一个芯片上,所以大大提高了抗干扰能力 5。DS18B20 的工作周期可分为温度检测和数据处理两个部分。用于存放 DS18B20ID 编码的 ROM 只读存储器,它共有 64 位 ROM。用于内部计算和数据存取的RAM 数据暂存器。DS18B20 测 量 的 精 度 高 , 电 路 的 连 接 相 对 简 单 , 多 个 DS18B20 可 以 并 联 至 3 根 或2 根 端 口 线 上 , 并 且 CPU 只 需 要 一 根 线 就 能 够 和 多 个 DS18B20 进 行 通 信 , 其 占 用 的 微处 理 器 端 口 比 较 少 , 可 以 节 约 较
24、多 的 引 线 与 逻 辑 电 路 。 像 这 样 的 传 感 器 仅 仅 只 需 一 条 数据 线 就 可 以 进 行 数 据 的 传 输 。3 硬 件 系 统 设 计3.1 硬 件 系 统 总 体 结 构随着生活水平的不断提高和科学技术的逐渐进步,人们对温度监测数据的精度要求也越来越严格。然而传统的温度测量装置在环境、成本等因素下很难满足现在的需求。本设计选用 DS18B20 作为温度采集元件,配合低功耗单片机的使用就能够很巧妙地克服传统上的不足。而且本文采用 nRF24L01 无线传输模块,打破了传统操作中距离受限布线复杂等问题,使系统操作更容易实现。本设计由 STC89C52 作为主控
25、 CPU, DS18B20 温度采集模块、nRF24L0l 无线收发模块和显示模块组成整个系统,如图 3-1 所示。6图 3-1 系统总体架构图3.2 无线收发模块本模块由 nRF24L01 及其外围电路组成。nRF24L01 作为单片射频收发芯片。温度无线传输采用 NRF24L01 无线模块,n RF24L01 单端匹配网络:晶振,偏置电阻,去耦电容。如图 3-2 与图 3-3。图 3-2 NRF24L01 无线发射接线图 图 3-3 NRF24L01 无线接收模块接线图3.3 显示模块显示采用 LCD1602 显示,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 16 脚接口 7,显示电路如图 3-4。图 3-4 显示电路3.4 声光报警电路电路通过三极管基极串连一个电阻与单片机 P2.6 端口连接从而达到控制蜂鸣器是否报警。当外界温度超过预设温度上下限时,为更加有效的引起注意,及时关注温度的变化,本系统设计了声报警电路。电路如图 3-5 所示。MCU温 度 检 测 模块无 线 发 射 模块 MCU温 度 显 示 模块无 线 接 收 模块