1、 毕业设计（论文） 题 目： 无线温度检测装置 设计 学 院： 信息科学与工程学院 专 业： 电子信息工程 学 生： xxxxxxxxxxxx 学 号： xxxxxxxxxxxx 指导教师： xxxxxxxxxxxxxxx xxxxx 2014 年 中文摘要 I 摘 要 温度是工业、农业生产中常见 和 最基本的参数之一，对其进行适时准确的测量具有重 要意义。传统的温度测量 系统不仅要设计信号调节电路，还要经过复杂的标准和标定工程，其测量精度难以得到保证，而且测量方式周期长、施工复杂，效率低，不便于管理，发生故障时，要耗费 大量的人力物力排查和重新铺设线缆。 因此设计一种低功耗的无线温度检测系统
2、很有意义。本文提出一种采用单片机 STC89C52RC 控制DS18B20实现的无线温度测量系统。通过简单 的无线通信协议，实现可靠性与功耗平衡， 采用 nRF24L01 模块对采集到的温度数据进行无线传输，从而打破传统温度操作受到距离限制的缺陷 。 在经过软硬件测试后，我们基本实现了 用温度传感器采集温度，用 nRF24L01 进行一定距离传输后在接受端的 LCD1602 上显示出来的模型 。 低功耗、实时性的无线温度检测是该设计的最大特点。 关键字 ： STC89C52RC,DS18B20，无线温度测量， NRF24L01 英文摘要 II Abstract Temperature is a
3、 very common and one of the basic parameter in the production of industrial, agricultural. To timely and accurate measurement is of great significance. Traditional temperature measuring system need not only design signal conditioning circuit, but also a complex engineering standards and calibration,
4、 the measurement accuracy is difficult to be assured, and measurement period is long, the construction of complex, low efficiency, not easy to manage, when a failure occurs, it takes a lot of manpower and resources to investigatate and re-lay of cables. So to design a low-power wireless temperature
5、detecting system is very meaningful. This paper presents a single-chip computer control DS18B20 to realize STC89C52RC wireless temperature measurement system. By a simple wireless communication protocol, the reliability and power balance are realized, nRF24L01 module temperature data collected by wi
6、reless transmission, thus breaking the distance limitations of traditional temperature operation. After software and hardware testing, we basically realize our LCD1602 target. Low power consumption and real-time wireless temperature detection are the biggest characteristic of this design. Key words:
7、 STC89C52RC, DS18B20, wireless temperature measurement, NRF24L01目录 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1章 绪 论 . 1 1.1 设计的主要内容 . 1 1.2国内外研究的现状 . 2 1.2.1温度传感器技术的国内外研究动态 . 2 1.2.2短距离无线传输的发展现状 . 3 1.3设计任务的分析 . 4 第 2章 系统方案分析与选择 . 5 2.1系统方案选择 . 5 2.1.1主控芯片 . 5 2.1.2温度传感器的方案选择 . 5 2.1.3无线通信模块方案 . 6 第 3章 芯片介绍和硬件系统设
8、计 . 8 3.1单片机控制模块 . 8 3.1.1STC89CRC单片机介绍 . 8 3.1.2STC89CRC单片机引脚介绍 . 9 3.2无线收发模块介绍 . 13 3.2.1NRF24L01介绍 . 13 3.2.2nRF24L01引脚功能及描述 . 14 3.2.3工作模式配置 . 15 3.2.4工作原理 . 16 3.2.5配置字 . 17 3.2.6nRF24L01模块 原理图 . 18 3.3 温度传感器 DS18B20 . 19 3.3.1 DS18B20管脚配置和内部结构 . 19 3.3.2 DS18B20的工作原理 . 21 3.3.3 DS18B20的硬件设计 .
9、23 3.4显示模块 . 24 3.4.1 接收端显示模块 . 24 3.4.2发送端显示模块 . 24 3.4.3数码管驱动电路 . 25 3.5报警电路 . 26 3.6温度上限修改电路 . 26 3.7电源电路 . 27 3.7.1工作电源 . 27 3.7.2主电源 . 28 3.8显示模块 . 29 3.8.1发送端显示模块： . 29 目录 3.8.2 接收 端显示模块 . 30 3.8.3 1602LCD的指令说明及时序 . 31 3.8.4 1602LCD的 RAM地址映射及标准字库表 . 34 3.8.5 LCD1602与单片机连接图 . 35 第 4章 软件的设计与实现 .
10、 36 4.1部分软件设计 . 36 4.1.1温度 检测软件设计 . 36 4.1.2无线发射模块软件设计 . 37 4.1.3无线接收模块软件设计 . 37 4.2总体软件设计 . 38 4.2.1 发送部分 . 38 4.2.2接收部分 . 39 第 5章 硬件电路板设计 . 41 5.1系统硬件原理图 . 41 5.1.1发送端原理图 . 41 5.1.2 接收端原理图 . 42 5.2仿真软件介绍 . 43 5.3下载与调试 . 43 第 6章 系统的调试及结果 . 45 6.1 调试步骤 . 45 6.2调试结果 . 45 总结 . 48 致谢 . 50 参考文献 . 51 附录
11、. 52 2014届电子信息工程毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪 论 随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透到生活各个方面。 在工业生产方面，由于生产环境条件有限，工作人员不宜 长期 停留在机器或者其他生产设备旁边，就需要通过无线传输将设 备的各项工作数据传输到另外环境较好的地方，工业生产一般设备较多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的线路，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输。此时采用无线数据传输就显得比较合适了。 在农业生产方面，比如说温室大棚、粮仓
12、等生产场所，都需要对温度进行监测，由于其占地面积大，分布较广，采用传统的有线传输就会需要铺设大量的线路，浪费资源，而且可靠性差，采用无线传输就可以很好解决这些问题，而且简单易行，可靠性高，成本 较低。 在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温度数据，并根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 1 。 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。然而传统
13、的温度测量方式周期长、施工复杂，效率低，不便于管理，发生故障时，要耗费大量的人力物力排查和重新铺设线缆。 而在特定场合下检测点分散、环境封闭或有高电压、很多测温方式根本无法实现测量工作。温度的无线传输系统，采用先进传感技术、无线通讯技术、自动化控制技术、数字识别技术、抗地磁干扰设计，可对多种恶劣环境条件下的温度实现现场和远程智能化在线检测和预警。 1.1 设计的主要内容 本文设计一种采用单片机 STC89C52 控制 DS18B20 实现的无线温度测量系统。通过简单的无线通信协议，实现可靠性与功耗平衡，该系统能实现对温度的检测， 并 实现远程控制的无线温度检测系统。其中主要的任务： xx：无线
14、温度检测装置设计 2 （ 1）电源的转换 ： nrf24L01 集成 芯片需要 3.3V 的工作电压， 然而 单片机的工作电压是 5V，这都需要对工作电压进行转换，经过选择选用的是芯片 LM117 及其电路进行转换。 （ 2）温度值的测量及处理 ： 温度的测量选用的是精度较高的 DS18B20，对数据进行处理选用的是 STC89C52。 （ 3）无线传输 ： 无线传输选用得是抗干扰能力较强的 NRF24L01 无线传输模块 。 （ 4）温度的显示 ： 温度的显示分为两部分，发射端和接收端，其中发射端选用4 位数码管，接收端选用 LCD 液晶屏 。 （ 5）报警电路 ： 当温度过高时需要启用报警
15、功能，选用三极管驱动蜂鸣器经行报警 。 （ 6）报警温度的上限 值的修改。 1.2 国内外研究的现状 1.2.1 温度传感器技术的国内外研究动态 一、热敏电阻 以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电阻，因其具有成本低、体积小、简单、可靠 、响应速度快、容易使用等特点，在多项温度测量应用中受到广泛欢迎 .热敏电阻的电阻温度系数较高，因此其自身发热较小，信号调节较为简单。热敏电阻的缺点是互换性差，温度与输出阻值之间呈非线性关系。热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种，但在温度测量应用中，正温度系数热敏电阻较少得到采用，更多采用的是负温度系数热 敏电阻。 二、数字式温度传感器 数
16、字式温度传感器的种类也不少，但用于 本 系统的温度传感器主要是 Dallas的DS 18x20 系列温度传感器，其温度检测范围为 -55 -+125 ，检测精度为士 0.5 。 DS 18x20 采用 1-WireTM接口，封装形式有 PR-35 和 SSOP-16两种，系统中采用的是PR-35封装 .DS 18x20采用 9个位表示测温点的温度值，每个 DS 18x20内部都设置有一个单一的序列号，因此可以使多个 DS 18x20共存于同一根数据传输线上 .DS 18x20内部分为 4个部分 :1、 64 位序列号 ;2、保存临时数据的 8字节片内 RAM;3、保存永久数据的 2字节 EEP
17、ROM1 。 三、光纤传感器 2014届电子信息工程毕业设计（论文） 3 光纤温度传感器是近几年发展的新技术，也是工业中用的最多的光纤传感器之一。目前研究的光纤温度传感器主要有辐射式温度传感器、半导体吸收式温度传感器、光纤热色传感器等 .光纤温度传感器的精度更高，但成本较贵。 1.2.2 短距离无线传输的发展现状 进入二十一世纪，无线数据通讯技术在我国蓬勃发展，也得到了信息产业部以及各行各业的高度重视，因为任何有线数据传输网络只能是网状覆盖，而无线数据传输网可达到真正的面覆 盖。目前主要的短距离无线数据传输技术主要 红外线数据通信IrDA、蓝牙、 Wi-Fi(IEEE802.11)、近场通信
18、NFC， Zigbee技术等 2，与已具备相当规模的无线长距离通讯网络（比如蜂窝移动通讯网、卫星数据通讯）相比，短距离无线通讯系统在基本结构、服务范围、应用层次以及通讯业务（数据、话音）上，均有很大不同。下面分别介绍这几种无线传输技术。 IrDA技术：采用 IrDA标准的无线设备仅能在 1m范围内以 115.2kb/s 速率传输数据；。 IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。具有移动通信所需的体 积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外红外线发射角度较小 , 传输上安全性高。 蓝牙技术蓝牙 (IEEE 802.15)是一种点到多点的无线声音及数据传输技术。使用2.4GHz的 ISM
19、频段。传输范围从 10厘米到 10米。主要优势是：支持多种设备、可穿过墙壁和公文包传输数据、全方向传输、内置安全性。蓝牙比 802.11 更具移动性，此外 ,蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。但是，蓝牙主要是点对多点的短距离无线发送技术，而且 ,蓝牙被设计成低功耗、短距离、低带宽的应用，严格来讲 ,不算是真正的局域网技术。但是 芯片大小 和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全和生态安全问题可疑等等。 Wi-Fi技术： Wi 一 Fi作为目前 WLAN的主要技术标准，目的是提供无线局域网的接入，可实现几 Mbps 至几十 Mbps的无线接入。 WLAN最大的特点是便携性，解决
20、了用户“最后 I00m”的通信要求，主要用于解决办公室无线局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入由于其优异的带宽是以较高的功耗为代价的，因此大多数便携 Wi一 Fi装置都需要较高的电能储备，这限制了它在工业场合的推广和应用。 NFC技术： NFC采用了双向的识别和连接技术， 在 20cm距离内工作于 13.56MHz频率。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝、蓝牙式 Wi一 Fi设备提供一个“虚拟连接”，使设备间可以在很短的时间内进行通信。通过 NFC，可实现多个设备 (如数码相机、 PDA、机顶盒、电脑、手机等 )之间的无线互连，彼此交换数据式服务。 xx：无线温度检测装置设计 4 与其它近
21、距离通信技术相比， NFC具有鲜明的特点，主要体现在以下几个方面：(1)距离近、能耗低。 (2)NFC 更具安全性。 (3)NFC 与现有非接触智能卡技术兼容。(4)传输速率较低。 Zigbee 技术 ： Zigbee 它使用 2.4GHZ 波段 ,采用跳频技 术。与蓝牙相比 , Zigbee更简单、速率更慢、功率及费用也低。它的基本速率是 250kb/s 降低到 20kb/s 时传输范围可大到 134m,并获得更高的可性，具有 兼容性 好、 安全性 高 ：实现成本低 等特点。 1.3 设计任务的分析 本系统 采用了 Nordic 公司新推出的工作于 2.4GHz 频段 的 NRF24L01
22、射频芯片，并由 低功耗单片机 STC89C52RC 控制 实现短距离无线数据通信。该接口设计具有成本低、功耗低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。 整 个系统有发送和接收二部分，通 过 NRF24L01 无 线数据通信收发模块来实现无线数据传输 。发送部分以单片机 STC89C52 为核心，使用温度转换芯片DS18B20 实时采集温度并通过数码管显示。将采集的温度无线传送给接收部分，然后再在 LCD 显示屏上显示，并通过蜂鸣器实现对温度过高时 报警。 本系统的核心控制芯片选用的是 STC89C52RC。 单片机在各个技术领域中的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：
23、 单片机构成的应 用系统有较大的可靠性。 系统构建简洁、易行，能方便的实现系统功能。 由于构成的系统 所用器件都是常用器件 ， 且 相当多的功能由软件实现，故具有柔性特点 和 优异的性能价格比。 2014届电子信息工程毕业设计（论文） 5 第 2 章 系统方案分析与选择 2.1 系统方案选择 2.1.1 主控芯片 方案一：采用传统的 STC89C52 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 TI 公司生产的 MSP430F149 系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功耗的 16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速 12位 ADC。但其
24、价格比较昂贵，而且是 TPFQ 贴片封装，不利于焊接，需要 PCB 制板，大大增加了成本和开发周期。 方案三： 采用 TMEL 公司的 AVR单片机 ,AVR 单片机是增强型 RISC 内载 Flash的单片机 ,芯片上的 Flash存储器附在用户的产品中 ,可随时编程 ,再编程 ,使用户的产品设计容易 ,更新换代方便 .AVR 单片机采用增强的 RISC 结构 ,使其具有高速处理能力 ,在一个时钟周期内可执行复杂的指令 ,每 MHz 可实现 1MIPS 的处理能力 .但其芯片价格贵， ARM芯片封装都是高密脚贴片封装 ，且其采用单独的一套编程平台， 不利于后期的开发 。 从价格和性能上综合考
25、虑，决定采用方案一，即采用焊接方便，利于编程的 单片机 STC89C52。 2.1.2 温度传感器的方案选择 方案一： 采用 LM135235335系列的温度传感器， LM135235335 系列 是美国国家半导体公司生产的一种高精度易校正的集成温度传感器， 是电压输出型温度传感器， 工作特性类似于齐纳稳压管。该 系列 器件灵敏度为 10mV/K，具有小于 1 的动态阻抗 ， 该 系列 器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中 。但其输出的是模拟信号，需要采用 AD转换电路。 方案二：采用 AD590， AD590是 美国 ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源。 AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合 ， 由于 AD590精度高、价格低、不
