基于嵌入式系统的无线温度测量系统设计.docx
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基于嵌入式系统的无线温度测量系统设计
毕业设计说明书
基于嵌入式系统的无线温度测量系统设计
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2012年6月
基于嵌入式系统的无线温度测量系统设计
摘要
针对目前我国一些粮食，煤炭等储备产业检测系统存在的不足，提出了一种无线传感器网络的设计方案，详细介绍了无线温度传感器的硬件结构和软件设计。
传统的温度测量，都是从传感器引出线缆到达显示面板或主机才能测量温度的变化。
对于一些腐蚀性强或密封性高，温度测量与主机距离远的环境，有线温度测量实现起来就比较困难。
虽然随着技术的发展，温度变送器的出现解决了短距离温度的测量，但其仍然依赖于线缆。
而且随着距离的增加．信号衰减很快。
无法适用于远距离温度测量。
温度指标在许多工程程项目中是不可或缺的重要参数，针对这一要求提出的无线温度测量系统．采用数字式温度传感器DSl8B20作为测温节点。
89C52单片机作为下位机微处理器来控制温度值的采集，并通过无线收发模块NRF905进行传输，最后通过串口将数据传送到上位机显示芯片。
实验证明，该系统解决了在复杂环境下温度采集和获取的问题，具有较高的精度和很好的推广应用前景。
关键词：
温度测量，无线通信，DS18B20
Wirelesstemperaturemeasurementsystemdesign
Abstract
AimingatsomeofChina'sgrainandcoalreservesoftheshortcomingsofindustrialinspectionsystem,Awirelesssensornetworkdesign,detailsofthewirelesstemperaturesensornodehardwarearchitectureandsoftwaredesign.
fromthesensorcabletothedisplaypanelorthehostcanmeasurethetemperaturechanges.Forsomecorrosionorsealingofhightemperaturemeasurementandthehostenvironmentfordistance,cabletemperaturemeasurementismoredifficulttoachievetogether.Althoughwiththetechnology,theemergenceofsolutiontemperaturetransmittertemperaturemeasurementofshortdistances,butstillrelyoncable.Andasthedistanceincreases.Signalsareattenuated.Cannotbeappliedtoremotetemperaturemeasurements.
Temperatureindicatorprocessinmanyengineeringprojectsisanindispensableparameterforthisrequestwirelesstemperaturemeasurementsystem.WithdigitaltemperaturesensorDSl8B20astemperaturenode.89C52microcontrollerasaslavemicroprocessortocontrolunderthemulti-temperaturevalueofthecollection,andthroughthewirelesstransceivermoduleNRF905fortransmission,andfinallythroughtheserialporttotransferdatatoPCgraphicschips.Experimentsshowthatthesystemsolvesthetemperatureinacomplexenvironment,collectionandaccessproblems,highaccuracyandgoodapplicationprospects.
Keywords:
temperaturemeasurement,wirelesscommunication,DS18B20
1绪论
1.1研究意义、背景
温度是表征物体冷热程度的物理量。
温度是生活和工业生产中常见的工艺参数之一，由于它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程，因此在许多的工程项目中温度指标也是不可或缺的重要参数。
所以如何准确、方便地获取温度就显得尤为重要。
由于温度的测量和控制在激光器、光纤光栅的使用及其它的工农业生产和科学研究中应用广泛，所以温度测量和控制的失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。
因此，对温度的检测的意义就越来越大。
在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。
使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
可以看出，如何做出快速，准确的温度测量系统具有重要的研究价值。
传统的温度测量，都是从传感器引出线缆到达显示面板或主机才能测量温度的变化。
对于一些腐蚀性强或密封性高，温度测量与主机距离远的环境，有线温度测量实现起来就比较困难。
虽然随着技术的发展，温度测量器的出现解决了短距离温度的测量，但其仍然依赖于线缆。
而且随着距离的增加，信号衰减很快。
无法适用于远距离温度测量。
当今在我们的生活中处处都能见到无线通信，短距离通信的有红外线、蓝牙，远距离通信的有手机，GPS等。
可以说，二十一世纪将会是无线应用飞速发展的时代。
无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。
相对于蓝牙，手机等无线通信的应用，无线温度测量由于受被测量温度太高或太低的影响，直接导致电子元器件无法工作的原因而使得其发展相对缓慢。
随着嵌入式单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。
单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。
而单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。
它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。
所以单片机在工业中应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。
嵌入式单片机这些优势都为无线测温系统的实现创造了良好的先决条件。
而对于无线温度测量而言，只需在所需要温度测量的地方放置无线温度测量模块作为无线节点，在主机上就能显示被测位置的温度。
当温度测量出现故障时，只需对无线测量节点进行故障排查，这样一来，也就能弥补了有线线路容易损坏，腐蚀，出现故障时又难以查找等缺陷，既增加了工作效率又降低了维护成本。
1.2国内外发展状况
温度测量系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。
嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。
这条道路就是芯片化道路。
将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
单片机诞生于二十世纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如：
在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
采用MCS-51以及其改进的各种单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
同时温度也是生活中最常见的一个物理量，也是人们很关心的一个物理量，它与我们的生活息息相关，有着十分重要的意义，在工业生产中，温度过高或过低会直接影响到产品的质量、对机械设备和控制系统中的各种元器件造成一定的损坏，严重的会影响到生产安全。
在日常生活中，温度过高或过低同样会造成一些不良影响。
在实际生产、生活等各个领域中，温度是环境因素的不可或缺的一部分，对温度及时精确的控制和检测显得尤为重要。
比如，农业上土壤各个层面上的温度将会影响植物的生长；在医院的监护中也用到温度的测量。
在工业中，料桶里外上限温度要求不一，以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等等。
现代电子工业的飞速发展对自动测试的要求越来越高。
采用单片机对温度进行控制,不仅具有控制方便和组态简单的优点,而且可以提高被控温度的技术指标。
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
2系统硬件设计
2.1系统总体方案设计
本系统采用点对多点的形式，由多个无线节点和1个基站组成。
由发射系统（节点）、接受系统（基站）组成。
发射系统（节点）由数字温度传感器DS18B20和89C52单片机、射频收发芯片nRF905以及LED显示器组成。
多个节点的传感器DS18B20采集数据，经单片机处理后，通过nRF905发送给接受系统（基站）。
发射系统（节点）安装在需测温度的地方测量温度，通过无线方式把采集的数据传送到接受系统（基站）。
无线节点工作在各个测温地点，进行温度数据采集和无线发送。
基站和多个节点进行无线通信，nRF905接受发射的数据，处理后送LED显示器进行显示，同时能通过RS-232串口将数据发送给PC。
系统总体方案设计原理如图2-1所示，图2-2，图2-3为发射/接受系统图。
图2-1系统总体方案设计原理图
图2-2发射系统框图
图2-3接受系统框图
2.2单片机的选择
通过比较，89C52单片机在价格和性能方面比较合适，因此，选择了89C52作为本设计的数据处理器。
2.2.189C52单片机简介
89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。
89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。
此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。
89C52有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。
2.2.2主要功能特性
1）标准MCS-51内核和指令系统
2）32个双向I/O口
3）3个16位可编程定时/计数器
4）向上或向下定时计数器
5）全双工串行通信口
6）空闲和掉电节省模式
7）片内8KROM（可扩充64KB外部存储器）
8）5.0V工作电压
9）布尔处理器
10）4层优先级中断结构
11）兼容TTL和CMOS逻辑电平
12）改进型快速编程脉冲算法
2.3数字式温度传感器DS18B20芯片
2.3.1DS18B20芯片简介
DS18B20是美国DALLAS公司推出的智能化数字式温度传感器，全部传感元件及转换电路集成在形如一个三极管的集成电路内。
如图2-4所示。
DS18B20引脚定义：
（1）GND为电源地；
（2）DQ为数字信号输入/输出端；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
图2-4DS18B20引脚图
与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下技术特性：
（1）具有独特的单总线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条I/O口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。
（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。
（4）工作电源:
3-5V/DC。
（5）在使用中不需要任何外围元件。
（6）测量结果以9-12位数字量方式串行传送。
（7）适用于DN15-25,DN40-DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。
（8）标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2任选。
（9）PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
（10）用户可自行设定非易失温度报警上下限TH和TL，DS18B20在完成温度转换后，所测得的温度值将自动与贮存在TH和TL内的触发值相比较，如果测温结果高于TH或低于TL，DS18B20内部的警告标志就会被置位，表示温度值超出了测量范围，同时还有警报搜索命令可以识别出温度超限的DS18B20。
因为它是数字输出，而且只占用一个I/O端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的A/D转换和较复杂的外围电路。
缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。
2.3.2DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构主要有四部分组成：
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。
内部结构如图2-5所示。
图2-5内部结构框图
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出厂时该位被设置为0。
R1和R0用来设置分辨率，如下表2-1所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表2-1分辨率设置
R1
RO
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
96.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12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16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
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5KΩ左右的上拉电阻。
DS18B20有六条控制命令，如表2-2所示：
表2-2DS18B20有六条控制命令
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E2RAM
B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器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
2.3.3DS18B20测温原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理如图2-6所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图2-6DS18B20测温原理
DS18B20有4个主要的数据部件：
（1）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位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（2）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0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
2.3.4DS18B20的封闭和供电方式
DS18B20是DS1820的升级产品，一般封装为TO-92，比DS1820的PR-35封装更小。
DS18B20只有三根外部引线：
单线数据传输口DQ，共用地线GND，外供电源线VDD。
DS18B20有两种供电方式：
一种为数据线供电方式（即寄生电源供电方式），此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。
为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用一个MOSFET管和单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。
另一种是外部供电方式（VDD接+5V），完成温度测量的时间较短。
当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。
但当所测温度超过100℃时，DS18B20的漏电流增大，传感器从I/O线上获取的电流不足以维持DS18B20通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。
比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。
寄生电源方式下，DS18B20的VDD端和GND端都接地，只用一根单总线和主机通信及获取电源。
单总线上接4.7K的上拉电阻，和DS18B20芯片的寄生电容形成充放电电路；外接电源方式下，DS18B20的VDD端外接一个+3V-+5V电源，GND端接地。
可见寄生电源方式可以省掉一根电源线，大大降低了布线的成本，但是当总线上节点较多且同时进行温度转换时容易造成供电不足且所需的转换时间较长。
外接电源方式稳定可靠，测量速度较快。
所以本系统采用外接电源供电方式。
2.4无线收发模块nRF905
nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼切斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，因此本系统采用nRF905作为无线收发器件。
2.4.1nRF905芯片简介
nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道。
nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。
Shockburst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
如图2-7为nRF905的内部结构。
特点：
真正的单片
低功耗ShockBurst工作模式
工作电源电压范围1.9—3.6V
多通道工作—ETSI/FCC兼容
通道切换时间 <650us
极少的材料消耗
无需外部SAW滤波器
输出功率可调至10dBm
传输前监听的载波检测协议
当正确的数据包被接收或发送时有数据准备就绪信号输出
侦测接收的数据包当地址正确输出地址匹配信号
应用：
无线数据通讯家庭自动化无线遥控报警及安全系统监测等领域
图2-7NRF905内部结构图
2.4.2工作模式
nRF905采用Nordic公司的VLSIShockBurst技术。
ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。
通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。
nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。
在ShockBurstRX模式中，地址匹配（AM）和数据准备就绪（DR）信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。
在ShockBurstTX模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪（DR）信号通知MCU数据传输已经完成。
总之，这意味着降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本，又同时缩短软件开发时间。
nRF905有两种工作模式和两种节能模式。
两种工作模式是ShockBurstTX模式和ShockBurstRX模式，两种节能模式分别是掉电模式和STANDBY模式。
nRF905的工作模式由TRX-CE、TX-EN、和PWR-UP三个引脚决定，见表2-3。
表2-3nRF905工作模式
PWR_
升级会员 