基于无线测温模块总体方案设计.docx
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基于无线测温模块总体方案设计
目录
1.概述2
2.基于无线测温模块总体方案设计2
3基于无线模块的器件介绍3
3.1单片机的选型及介绍3
3.2DS18B20简介4
3.3NRF2401模块简介6
3.4液晶显示模块的介绍7
4.基于无线测温模块的硬件电路设计9
4.1主机电路图9
4.2从机电路图10
5.基于无线测温模块的软件设计流程11
6.总结11
参考文献12
1.概述
温度是环境监测的重要参数，在一些特定的场合常常需要对温度进行监测。
很多温度监测环境测点距离远，布线很不方便，而且不美观，这就需要提出用一种无线的方式进行数据传输方案。
本文将介绍智能集成温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法，并对以此传感器、单片机为控制器构成的温度测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍。
与传统的温度计相比，其具有读数方便，测温范围广，测温准确，输出温度采用数字显示，采集的温度用无线模块发给主机，由主机显示接收到的数据，该设计控制器使用STC公司的STC89C51单片机，测温传感器使用DALLAS公司DS18B20，用液晶来实现温度显示。
2.基于无线测温模块总体方案设计
本系统要实现的是温度的采集、传输、显示和后期处理等功能。
系统的总体构想为数据采集模块，短距离无线通讯模块，显示处理模块几大部分。
系统方案的确定主要集中在无线通讯模块的选择和显示模块上及数据采集模块上。
图1：
系统框图
系统框图如图1所示，首先用传感器将现场信号转换为数字信号，送到单片机进行初步处理，然后利用nRF2401无线数据传输芯片通过无线方式将有效数据发送给接收端，接收端同样利用NRF2401接收到有效数据后将数据送入单片机，单片机经过处理，显示在LCD1602液晶上,以便人们的查看。
3基于无线模块的器件介绍
3.1单片机的选型及介绍
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种。
20世纪80年代以来，单片机有了新的发展，各半导体器件厂商也纷纷推出各自的产品系列。
迄今为止，市售单片机产品已达60多个系列，600多个品种。
按照CPU对数据处理位数来分，单片机通常可以分为以下四类：
4位单片机、8位单片机、16位单片机、32位单片机。
单片机的应用领域十分广泛，在控制方面单片机具有如下特点：
1单片微机体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好。
2系统配置以满足对象的控制要求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比。
3应用系统通常将程序驻留在ROM中，无需软硬磁盘做软件载体，使系统不易受到干扰，可靠性高，使用方便。
4应用系统所用存储器芯片可选用EPROM、E2PROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于成批开发和应用，许多单片微机如68系列和80C51系列，开发芯片和应用芯片相互配套，使应用系统成本大大降低。
5由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于安装于被控设备之内，大大推动了机电一体化产品的开发。
本设计采用AT89C51作为控制单元，AT89C51是一个低电压，低功耗，高性能CMOS8位单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统[5]，其引脚图如图2-1所示：
图3-1AT89C51引脚图
3.2DS18B20简介
美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。
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路内。
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。
现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。
使你可以充分发挥“一线总线”的优点。
在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。
另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。
因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。
新的"一线器件"DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。
DS18B20、DS1822的特性
DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5°C。
可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。
分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
DS18B20的性能是新一代产品中最好的！
性能价格比也非常出色！
DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。
省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。
继"一线总线"的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。
DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
DS18B20、DS1822"一线总线"数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。
DS1822的精度较差为±2°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，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3.0V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
1）DS18B20的主要特性
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，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路内
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，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。
（10）DS18B20的外形和内部结构
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。
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）
DS18B20工作原理：
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3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3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。
3.3NRF2401模块简介
NRF24L01是Nordic公司推出的高集成的单片无线收发解决方案，芯片内置链路层，具备自动应答和自动重发功能，速度可达2Mbps，125个可选工作频道，很短的频道切换时间，可用于跳频，其输出功率，频道选择以及协议设置都可以通过SPI口进行设置。
其EnhancedShockBurst模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加微控制器的工作量。
NRF24L01还具备同一频道接收六路不同通道数据的功能，利用FDMA技术最多可实现750个点的数据采集，这使它成为无线温度测量系统硬件实现的最佳选择。
nRF2401芯片是无线数据收发部分的核心，通过内嵌的51单片机内核，控制芯片内的A/D转换模块，无线收，发模块。
将射频发射、接收、GMSK调制、解调、增强型8051内核、9输入12bADC、125频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中，从而实现数据的采集，传输，处理等功能。
芯片主要由以下部分组成：
（1）CPU（微处理器）。
带有增强型805l内核，ADC、SPI、RF发射器1个、RF接收器2个、唤醒定时器5个中断源，1个UART以及3个定时器。
（2）PWM输出。
可编程确定PWM的输出工作于6位、7位或8位，PWM信号的频率可由软件控制。
（3）SPI接口和SPI总线。
（4）RTC唤醒定时器、WTD和RC振荡器。
（5）A/D转换器。
A/D转换器有9个输入通道可通过软件进行选择。
（6）无线收发器，通过内部并行口或内部SPI口与其他模块进行通信，工作于全球开放的2.4～2.5GHz频段。
3.4液晶显示模块的介绍
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在单片机系统设计中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：
（1）显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
（2）数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
（3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
（4）功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-2所示:
表2-2引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W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R/W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R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
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。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
4.基于无线测温模块的硬件电路设计
4.1主机电路图
主机接收来自从机的温度信息，NRF2401接收到信息后送给单片机，单片机在液晶上显示出温度信息，由于NRF的供电电压是3.3V，所以需要一个5V到3.3V的转换芯片（ASM1117）。
图4-1：
主机接收电路
4.2从机电路图
温度采集模块用18b20温度传感器实时采集温度信息，采集到的温度信息经过单片机处理后送给NRF无线模块，通过空间发给温度接收模块，同样此无线模块的工作仍需要电压转换。
图4-2：
从机接收总电路
5.基于无线测温模块的软件设计流程
图5-1：
软件流程图
6.总结
本文设计的智能无线温度测量系统结构简单，实现容易，系统性能好，能够方便的布设到已建设完成或正在建设的应用场所。
如果在本系统上增加或改换湿度传感器、气体传感器、烟火传感器、红外传感器等其他的传感器，可以很容易转变成智能家居、防火防暴防盗、现代农业等领域的智能监测系统。
同样，也可在本系统上增加控制模块，应用到工业、农业等领域成为智能控制系统。
整个设计过程中通过不断的上网查资料，去图书馆查信息，通过对以往书本的重新学习，让我对以往所学过的知识有了个重新的认识。
我们的动手与专业技术水平应该还是不错的，可以通过这次动手操作实习，我发现在强中更有强中手，每一个人都不是弱者，在学习方面我逐渐有了攀比意识，我知道与别人攀比是不好的，但是在学习上，动手能力上与别人攀比则是好的，所以在以后的学习与实习中我更应该注重自己的动手能力，还有与别人的竞争意识。
这两个星期的课程设计，使我过得既忙碌又充实，我想这才是大学校园里真正应该学到的东西。
未来的社会是一个竞争与机遇同时存在的社会，有了技术，有了能力，走到哪里都不怕，所以在学校我们都应该尽可能尽力的去学习更多的知识，去培养更大的能力，以便使我具有更大的竞争能力。
这次实习正是我们理论知识的一个实践，也是我们动手操作能力的一个提高。
在这次实习中我们老师也投入了很大的时间和精力，在此我感谢老师们的辛苦培养。
参考文献
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人民邮电出版社 2004
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清华大学出版社 1999
[4]夏路易等.电路原理图与电路板设计教程 北京：
北京希望电子出版社 2002
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北京航空航天大学出版社2006
[6]吴键，袁慎芳．无线传感器网络节点的设计和实现EJ]．仪器仪表学报，2006
[7]赵晶.Protel99高级应用 北京：
人民邮电出版社 2000
[8]聂毅.单片机定时器中断时间误差的分析及补偿[J] 微计算机信息 2002
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