1、 毕业设计 I 摘 要 温度作为工业、农业生产中最常见的和最基本的参数之一 ， 我们常常需要对温度进行检测和监控，利用微型机进行温度的采集处理，数据存储以及实时控制等 来 提高工作效率、保证产品质量。 本文设计了一个基于 AT89S52 的高精度短距离无线传输的温度测量系统。发送端的温度传感器 AD590 采集到的模拟信号经过数据处理后送给单片机，单片机通过无线传输模块 nRF24L01 将数据发送到接收端，接收端的 nRF24L01 接收到数据后送给单片机进行数据处理。文章在简要介绍 AT89S52、 AD590、 nRF24L01 无线传输模块、 AD7896、 AD623 以及液晶模块的
2、基础上，详细介绍了 系统方案的 选择 ，以及 无线温度测量系统的硬件和软件设计的过程 。 关键字 ： AT89S52； 温度测量 ； AD590； nRF24L01 毕业设计 II Abstract Temperature as one of the most common and the most basic parameters in industrial, agricultural production, We often need to detect and monitor temperature, use microcomputer for temperature acquisiti
3、on and processing, data storage and real-time control to improve the work efficiency, and ensure the quality of products .This article describes the design of a high precision temperature measure- ment system of short distance wireless transmission based on the AT89S52. After data processing, analog
4、 signals acquired by the temperature sensor AD590 of the sender is sended to the single chip microcomputer. By wireless transmission module, nRF24l01 sends the data to the receiving end. After receiving the data, the receiving end of the nRF24l01 sends it to the single chip microcomputer for data pr
5、ocessing. This article briefly introduces the AT89S52, AD590, nRF24l01, AD7896, AD623, wireless transmission module and liquid crystal module basis and introduces in detail the choice of the scheme about this system, as well as the wireless temperature measurement system hardware and software design
6、 process. Keywords: AT89S52;temperature measurement;AD590;nRF24l01; 毕业设计 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题的背景与意义 . 1 1.2 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果 . 1 1.3 方案的选择 . 2 1.3.1 信号采集与放大模块 . 2 1.3.2 模数转换模块 . 3 1.3.3 单片机模块 . 3 1.3.4 无线发射模块 . 4 1.3.5 显示模块 . 4 1.4 设计要求 . 4 1.5 本章小结 . 4 第二章 硬件系统的设计与实现
7、 . 5 2.1 单片机模块 . 6 2.1.1 AT89S52 简介 . 6 2.1.2 模块原理图 . 8 2.2 温度采集与放大模块 . 9 2.2.1 AD590 简介 . 9 2.2.2 AD590 的工作原理 . 10 2.2.3 温度采集电路 . 11 2.2.4 放大电路 . 12 2.2.5 信号电压调整电路 . 13 2.3 模数转换模块 . 15 2.4 无线发射模块 . 16 2.4.1 引脚功能及描述 . 17 2.4.2 工作模式 . 18 2.4.3 工作原理 . 18 2.5 液晶显示模块 . 20 2.5.1 LCD1602 管脚介绍 . 20 2.5.2 L
8、CD1602 的指令说明及时序 . 21 2.6 电源模块 . 22 2.7 本章小结 . 23 毕业设计 IV 第三章 软件系统的设计与实现 .24 3.1 软件的总体设计 . 24 3.1.1 发送端软件总体设计 . 24 3.1.2 接收端软件总体设计 . 25 3.2 各模块软件设计 . 26 3.2.1 模数转换 . 26 3.1.2 LCD1602 液晶显示部分 . 28 3.1.3 无线发射模块软件设计 . 29 3.1.4 无线接收模块软件设计 . 30 3.3 本章小结 . 30 第四章 系统的调试及实验结果 .31 4.1 调试步骤 . 31 4.1.1 硬件电路调试 .
9、31 4.1.2 软件调试 . 32 4.2 实验结果 . 33 4.3 本章小结 . 35 第五章 总 结 .36 参考文献 .38 致 谢 .39 附 录 .40 1 第 一 章 绪 论 1.1 课题的背景与意义 温度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数之一。伴随着工业农业中应用的科技飞速发展，对产品在生产过程中温度的测量需求也越来越多，也显得越来越重要。尤其是对温度要求比较严格，但是布线又不方便的情况下， 这时就采用无线温度测量。 进入 21 世纪后，特别在我国加入 WTO 后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如 在商业中
10、 纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后， 很多 仍在使用 测温贴片 ，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。 在医学 制药行业 中 ， 由于微生物对 温度的要求很高 ，就需要高精度的温度监测 ，如果采用无线温度测量的话可以完全保证测温的无菌化 。 在农业中 随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉 。调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。 考虑到以上方面本文 设计
11、一个基于 AT89S52 的无线温度测量系统。 1.2 国内外研究状况及相关领域中已有的研究成果 温度是表征物体冷热程度的物理量 ,它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断提高 ,温度测量技术也得到了不断的发展。 在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果 ,其中前苏联的压电 石英频率温度计分辨能力可达 0.0001 ， 理论上可达 0.00001 ， 而且在 -40 230 范围内具有温度与频率的线性特性 ， 日本利用所谓石英温度频率转换器 -80 200的温度范围 ,最大分辨率达 0.0001 ， 美国标准局研制的电阻温度计 25 欧标准铂电阻温度计电桥分辨 0
12、.00002 ， 我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001 ， 误差在 0.05 以内 。 中国航天工业总公司 702 所研制的 5901(STP-1000)型粘贴式测温片 ， 其静态测温精度为 0.5%， 快速响应时间小于 0.013s。 温度的测量方式也多 种多样， 传统的热电偶 以测量方便，电路简单， 使用方便等特点 广泛应用在现在的测温领域中 。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展 ,其应用范围更加拓展。 测量技术有：利用 薄膜温度传感器 ； 热电偶材料性能的提高 ； 温度传感器保护套管材料 ； 辐射测温技术 ； 光纤测温技术 。 2 虽然温度测量方法多种多样 ,但在很多情况下
13、 ， 对于实际工程现场或一些特殊条件下的温度测量 ， 比如对极限温度、高温腐蚀性介质温度、气流温度、表面温度、固体内部温度分布、微尺寸目标温度、大空间温度分布、生物体内温度、电磁干扰条件下温度测量来讲 ,要想得到准确可靠的结果并非 易事 ， 需要非常熟悉各种测量方法的原理及特点 ,结合被测对象要求选择合适的测量方法才能完成。同时 ， 还要不断探索新的温度测量方法 ， 改进原有测量技术 ， 以满足各种条件下的温度测量需求。 1.3 方案的选择 根据各项功能的实现方法以及硬件连接方式，将整个系统划分为 信号采集与放大模块、模数转换模块、单片机模块、无线发射模块、液晶显示模块、电源模块。 1.3.1
14、 信号采集与放大模块 1.3.1.1 温度传感 器的选择 方案一： 由于传感器 DS18B20 价格便宜， 硬件简单，传感器直接输出数字信号， 便于控制， 并且 DS18B20 可以采用 单 总线传输，一根 总线能挂载多个传感器， 易于扩展。 但是 DS18B20 的温度精度为 0.5C ，对于温度要求很严格的应用领域不大适合， 本系统的测温精度为 0.1C ， DS18B20 无法满足要求。 方案二： 于是考虑 采用了 高精度温度传感器 AD590， AD590 不但实现了温度的电量测量，而且灵敏度高、反应时间短，因此可作为恒温控制电路的信号检测器。与目前大量使用的接点式水银温度计相比，它具
15、有控温精度 (温控在某点时的温度最大波动范围 )高、体积小、无污染、使用方便等优点。 从上述两个方案的对比看出 DS18B20 无法满足系统指 标，我们采用 AD590作为温度传感器。 1.3.1.2 运算放大器的选择 方案一：采用运用非常广泛的 LM324， 单电源供电，供电范围大，从 3.0 伏到 32 伏， 并且一块芯片集成 4 个运放，输出动态范围大，轨到轨输出 。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。但 LM324 的失调电压大，一般为 2mV， 最大达到了 7mV，对于此系统中小信号的放大不大适合。并且噪声大，抗干扰性不强。 方案二：采用 AD
16、632 作为系统的放大芯片是最适合不过的了， AD623 是一个集成单电源仪表放大器，它能 在单电源（ +3V 到 +12V)下提供满电源幅度的输出。它允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的灵活性。符合 8引脚的工业标准配置。 增益放大倍数可调，使用简单。噪声小，输入阻抗大。 3 从上述两个方案对比我们采用 AD623 专用仪表放大器作为整个系统的放大器。 1.3.2 模数转换模块 方案一： ADC0809 是 8 位逐次逼近式 A/D 模数转换器。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。是目前国内应用
17、最广泛的 8 位通用 A/D 芯片 。单电源 +5V供电， 转换时间为 100s(时钟为 640kHz 时 )， 130s（时钟为 500kHz 时）低功耗，约 15mW，成本低廉。 但是 8 位的分辨率太低，我们可以计算， 信号采集时温度每变化 1，电压变化 10mV，放大 5 倍后 电压随温度的变化为 50mV/ ， 也就是信号采集到的温度每变化 0.1，电压变化 5mV。而系统对温度精度的要求是 0.1，而对于ADC0809 而言 每变化 0.1 信号电压的变化必须大于 AD 的分辨率 5V/255 =19.6mV，要使用一个电压分辨率为 19.6mV 的模数转换器去分辨电压变化为5mV
18、 的模拟信号， 很明显 AD 是分辨不出来的。 如果采用 ADC0809 那么系统的精度就变成了 19.6mV/5mV 0.4，远远小于系统要求的精度。 那我们可以通过计算，我们需要选择至少多少位的 AD 芯片如果选择 10 位的 AD 芯片，那么他的分辨率就为 5V/（ 210-1） =4.88mV 满足要求，所以必须采用不小于 10 位的 AD。 方案二：采用 AD7896 高速 高精度高分辨率的 AD 转换芯片， 内置采样、保持电路，逐次比较转换片内时钟， 最大转换频率 100 KHz，连续转换时间 8 S，高速，操作简单、串口输出， 12 位串口输出，单电源供电： +2.7 V 至 +
19、5.5 V ，模拟电压输入范围： 0 V 至 VDD， 输出精度： 1LSB 即 1.22mV。 从上述两个方案对比由于 ADC0809 无法满足系统要求的精度，我们采用AD7896 为系统的模数转换器。 1.3.3 单片机模块 方案一：采用传统的 AT89S52 单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠。 方案 二 ：采用宏晶科技有限公司的 STC12C5A60S2 增强型 51 单片机作为主控芯片。此芯片内置 ADC 和 SPI 总线接口，且内部时钟不分频，可达到 1MPS。而且价格适中。 从性能和价格上综合 考虑我们选择方案一，即用 AT89S52 作为本系统的
20、主控芯片。 4 1.3.4 无线发射模块 方案一：采用 GSM 模块进行通信， GSM 模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置 SIM 卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。 方案二：采用 TI 公司 CC2430 无线通信模块，此模块采用 Zigbee 总线模式，传输速率可达 250kbps，且内部集成高性能 8051 内核。但是此模块价格较贵，且 Zigbee 协议相对较为复杂。 方案 三 ：采用 NRF24L01 无线射频模块进行通信， NRF24L01 是一款高 速低功耗的无线通信模块。 如果 加 PA 能传输上千米的距离 ，而且价格较便宜 ，采
21、用SPI 总线通信模式电路简单，操作方便。 考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。 1.3.5 显示模块 方案一：选择主控为 ST7920 的带字库的 LCD12864 来显示信息。 12864 是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及 ASCII 码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。 方案二：采用字符液晶 LCD1602 显示信息， 1602 是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便 宜，容易控制。 综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶 LCD1602 来作为接收端的显示。 1.4 设计要求 采用 AT89
22、S52 作为系统的 MCU，采用 AD590 作为系统的温度传感器 ，要求系统有温度显示部分，要求完成硬件电路的设计、调试和电路板的制作， 温度测量范围为 0至 100，温度精度为 0.1，采用无线传输方式 传输数据。 1.5 本章小结 本章主要是对文章编写目的 、 背景 、 国内外在测温领域的发展现状 以及系统设计要求， 根据系统要求详细介绍了系统方案的选择 。 5 第 二 章 硬件系统的设计与实现 温度检测在 日常生活、工作和工程实践中经常用到，随着生活水平和科学技术的不断进步，对检测温度数据的精度要求也越来越苛刻，传统的温度测量装置很难满足现在的要求，本设计采用 AD590 作为温度采集
23、元件， 精度高，线性度好， 而且 此系统 采用 nRF24L01 模块对采集到的温度数据进行无线传输，打破了传统操作中距离受限的问题，使测温操作更易实现。 将整个系统划分为信号采集与放大模块、模数转换模块、单片机模块、无线发射模块、液晶显示模块、电源模块。 其系统总体框图 如图 2.1 所示。 信 号 采 集放 大 模 块模 数 转 换 模 块单 片 机 模 块无 线 发 射 模 块单 片 机 模 块无 线 接 收 模 块显 示 模 块显示模块图 2.1 系统总体架构图 在系统总体框图中， 信号采集与放大模块主要作用是温度传感器 AD590 采集温度信号输出电流信号，再经过一个电阻后采集信号转
24、换成电压信号。模数转换器主要完成模拟信号转换成数字信号送到单片机中进行处理。发送端单片机主要完成控制模数转换器 AD7896，并且将数字信号转换成温度值，并且为提高精度，减小系统误差，做了一些数据处理，除此之外，单片机还负责控制 LCD1602显示温度， 控制无线发射模块将测量的温度值发送出去。在接收端无线接收模块接收到了发送端发送过来的数据后，将数据送给单片机模块，单片 机模块接收到6 数据后进行数据处理后送给 LCD1602 进行显示。 2.1 单片机模块 2.1.1 AT89S52 简介 AT89S521是 ATMEL 生产的 一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微 型 控制器，具有 8
25、K 在系统可编程 Flash 存储器。 该单片机 使用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，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 按功能划分 AT89S522由中央处理器（ CPU） , 8k Bytes Flash 片内程序存储器， 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个 全双工串行通信口， 片内特殊功能寄存器（ SFR） ,看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。 引脚如图 2.2 所示，以下是各引脚的说明 3。 图 2.2 单片机管脚图 VCC： AT89S524电源正端输入，接 +5V。
