本科论文环境温度监测的传感器网络设计.docx
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本科论文环境温度监测的传感器网络设计
湖南第一师范学院
毕业论文（设计）
题目
环境温度监测的传感器网络设计
学生姓名
学号
指导教师
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湖南第一师范学院教务处制
本科毕业论文（设计）
环境温度监测的传感器网络设计
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同意湖南第一师范学院可以采用影印、打印或扫描等复制手段保存和汇编本文，可以用不同方式在不同媒体上发表、传播本文的全部或部分内容。
3．湖南第一师范学院在组织专家对毕业论文（设计）进行复审时，如发现本文抄袭，一切后果均由本人承担，与学院和毕业论文指导教师无关。
作者签名：
日期：
二Ｏ一年月日
摘要
随着测量技术的不断发展，测量的方向也逐步变得复杂化、高难度化，针对布线困难，浪费资源，占用空间等问题，需要一个无线解决方案。
无线传感器网络的基本硬件要考虑无线数据的收发距离和数据准确性等方面，本系统采用NRF24L01无线收发模块实现了检测端（发射端）至监测端（接收端）的单工数据传输。
检测端以单片机AT89C51为核心，使用DS18B20温度传感器进行数据的采集;AT89C51对采集到的温度进行处理，然后通过NRF24L01把温度数据发送给监测端。
NRF24L01是一款工业级内置硬件链路层协议的低成本无线收发器，工作于2.4GHz全球开放ISM频段。
通过LCD1602液晶显示器来实现数据的显示；可以同时放置6个检测端（发射端）从而实现多点监测。
关键词：
AT89C51；NRF24L01；温度传感器DS18B20；无线
ABSTRACT
Withthedevelopmentofmeasurementtechnology,measurementdirectionhasgraduallybecomemoreandmorecomplicatedanddifficult.Tosolveproblemsofthelayoutofwire,wasteofresourcesandspaceandotherissues,weurgentlyneedawirelesssolution.
Thebasichardwareofwirelesssensornetworkmusttakethedistanceofwirelessdatatransceiveranddataaccuracyintoconsideration.ThissystemadoptsNRF24L01wirelesstransceivermoduletorealizesimplexdatatransmissionfromthedetectionend（transmitter）tothemonitoringterminal（receiver）.DetectiontakesMCUAT89C51asitscore,usesDS18B20temperaturesensortocollectdata;Afterprocessingthecollectedtemperature,AT89C51senddatatothemonitoringendthroughtheNRF24L01.NRF24L01isalow-costwirelesstransceiveroflinklayerprotocolofindustrialinsertedhardware,worksinthe2.4GHzbandglobalopenISM.ItdisplaysthedatathroughtheLCD1602LCDanditcanhold6detectionends（transmitter）inordertoachievemulti-pointmonitoring.
Keywords:
AT89C51；NRF24L01；temperaturesensorDS18B20；wireless
摘要I
AbstractII
前言1
第一章系统方案分析与选择论证3
1.1系统方案设计3
1.1.1主要控制芯片方案3
1.1.2无线通信模块方案3
1.1.3温度传感器方案3
1.1.4数据显示方案4
1.2系统最终方案4
第二章主要硬件介绍和系统模块硬件设计5
2.1AT89C515
2.1.1单片机主要控制模块7
2.2nRF24L01无线模块8
2.2.1Nrf24L01芯片概述8
2.2.2引脚功能及描述8
2.2.3工作模式10
2.2.4工作原理10
2.2.5寄存器配置11
2.3温度传感器DS18B2012
2.3.1DS18B20管脚配置和内部结构12
2.3.2DS18B20的工作原理12
2.3.3DS18B20的硬件设计13
2.4数据显示模块13
2.4.1检测端显示模块13
2.4.2监测端显示模块14
2.5报警电路14
2.6无线模块电源设计电路14
第三章系统软件设计15
3.1检测端软件设计15
3.2监测端软件设计16
第四章系统仿真17
4.1检测端温度采集与显示仿真17
4.2监测端LCD1602显示温度仿真18
第五章硬件电路板设计19
5.1系统硬件原理图19
5.1.1检测端原理图19
5.1.2监测端原理图20
5.2系统PCB图21
5.2.1检测端PCB图21
5.2.2监测端PCB图22
5.3硬件制作23
5.4硬件调试23
5.5硬件调试结果23
结束语24
参考文献26
附录27
致谢49
前言
随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度等数据采集的方式应用已经渗透到生产、生活许多方面。
短距离无线通信的应用图示
在工业现场，存在生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常的情况，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，这样就会产生数据传输问题。
由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。
而且，如果存在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的情况时，便需要利用无线传输的方式进行数据采集。
在农业生产上，传统上都是采取分区取样的人工方法，工作量大，引起误差的因素增多。
而且检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。
当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量更加精确，更加简便易行。
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，自动调节室内温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。
以上几个简单的实例体现出，在现实生活中，这种无线温度采集系统已经被成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于这种采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。
凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。
为此，需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作，完成可靠稳定的无线数据通信，这样的研究也变得更加有意义了。
本系统的设计采用了Nordic公司推出的nRF24L01射频芯片，由AT89C51单片机控制实现短距离无线数据通信。
该接口设计具有成本低、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。
检测部分以单片机AT89C51为核心，使用温度转换芯片DS18B20实时采集温度并通过nRF24l01将采集的温度无线传送给监测部分，然后在LCD1602上显示，通过蜂鸣器实现对温度过高进行报警。
第1章系统方案分析与选择论证
1.1系统方案设计
1.1.1主要控制芯片方案
作为主要的控制芯片，需要能够在具有一定的效率基础上完成所需任务，并且在操作和寿命等方面具有易操作、寿命长等优点。
考虑到价格、操作、功耗等方面的因素，采用传统的AT89C51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，完全能够满足设计需求。
1.1.2无线通信模块方案
方案一：
采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要SIM卡进行通信，通信过程中需要收费，后期维护成本较高。
方案二：
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。
他能传输较远的距离，而且价格较便宜，采用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，采用方案二作为本系统的通信模块。
1.1.3温度传感器方案
方案一：
采用AD590是美国ANALOGDEVICES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、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。
但其需要用到差分放大器放大和A/D转换，需要原件多。
方案二：
采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域；并且在成本上相对便宜许多。
使用DS18B20线路简单，编程容易。
考虑到电路的设计，成本，还有多点通信，我们选择方案二，用DS18B20作为本系统的温度传感器。
1.1.4数据显示方案
方案一：
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，且价格相对便宜，容易控制。
方案二：
采用LED7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符，考虑到布线问题又有点复杂。
综合以上方案，我们选择了经济实惠的字符液晶LCD1602来作为监测端的显示，检测端用四位一体7段数码管显示。
1.2系统最终方案
检测端由温度传感器DS18B20，AT89C51单片机，nRF24L01无线射频模块，数码管显示模块，LED灯和蜂鸣器组成。
图1-1检测端系统方框图
监测端由AT89C51单片机，nRF24L01无线射频模块，LCD1602显示模块，LED灯和蜂鸣器组成。
图1-2监测端系统方框图
第2章主要硬件介绍和系统模块硬件设计
2.1AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[1]。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
其主要特性如下：
与MCS-51兼容、4K字节可编程闪烁存储器、寿命：
1000写/擦循环、数据保留时间：
10年、全静态工作：
0Hz-24Hz、三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。
图2-1AT89C51管脚图
管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
口管脚
备选功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（记时器0外部输入）
P3.5
T1（记时器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
表2-1P3口管脚说明表
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.1.1单片机主要控制模块
单片机主要控制模块由AT89C51最小系统组成，其中包括单片机，晶振电路和复位电路。
Ø晶振电路
晶振电路由两个30pF电容和一个12MHz晶体振荡器构成，接入单片机的X1、X2引脚。
Ø复位电路
单片机复位端（RESET）低电平使能。
图2-2单片机最小系统
2.2nRF24L01无线模块
2.2.1nRF24L01芯片概述
nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便[2]。
其主要特性有：
GFSK调制；
硬件集成OSI链路层；
具有自动应答和自动再发射功能；
片内自动生成报头和CRC校验码；
数据传输率为lMb/s或2Mb/s；
SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；
与其他nRF24系列射频器件相兼容；
QFN20引脚4mm×4mm封装；
供电电压为1.9V～3.6V。
2.2.2引脚功能及描述
引脚说明：
CE：
使能发射或接收；
CSN，SCK，MOSI，MISO：
SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01；
IRQ：
中断标志位；
VDD：
电源输入端；
VSS：
电源地；
XC2，XC1：
晶体振荡器引脚;；
VDD_PA：
为功率放大器供电，输出为1.8V；
ANT1,ANT2：
天线接口；
IREF：
参考电流输入。
详细说明如下表：
引脚
名称
引脚功能
描述
1
CE
数字输入
RX或TX模式选择
2
CSN
数字输入
SPI片选信号
3
SCK
数字输入
SPI时钟
4
MOSI
数字输入
从SPI数据输入脚
5
MISO
数字输出
从SPI数据输出脚
6
IRQ
数字输出
可屏蔽中断脚
7
VDD
电源
电源（+3V）
8
VSS
电源
接地（0V）
9
XC2
模拟输出
晶体振荡器2脚
10
XC1
模拟输入
晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚
11
VDD-PA
电源输出
给RF的功率放大器提供的+1.8V电源
12
ANT1
天线
天线接口1
13
ANT2
天线
天线接口2
14
VSS
电源
接地（0V）
15
VDD
电源
电源（+3V）
16
IREP
模拟输入
参考电流
17
VSS
电源
接地（0V）
18
VDD
电源
电源（+3V）
19
DVDD
电源输出
去耦电路电源正极端
20
VSS
电源
接地（0V）
表2-2nRF24L01管脚详细说明表
图2-3nRF24L01引脚图
2.2.3工作模式
通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式：
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TXFIFO寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式，直至数据发送完
待机模式2
1
0
1
TXFIFO为空
待机模式1
1
-
0
无数据传输
掉电
0
-
-
-
表2-3nRF24L01工作模式表
待机模式1：
主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；
待机模式2：
则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；
待机模式下，所有配置字仍然保留。
在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。
2.2.4工作原理
发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式，接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。
如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据（自动重发已开启），若重发次数（ARC）达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。
最后发射成功时，若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2[3]。
接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。
当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。
若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。
最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。
2.2.5寄存器配置
SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。
但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。
与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。
相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。
nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。
nRF24L01的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如下表所示。
地址（H）
寄存器名称
功能
00
CONFIG
设置24L01工作模式
01
EN_AA
设置接收通道及自动应答
02
EN_RXADDR
使能接收通道地址
03
SETUP_AW
设置地址宽度
04
SETUP_RETR
设置自动重发数据时间和次数
07
STATUS
状态寄存器，用来判定工作状态
0A~0F
RX_ADDR_P0~P5
设置接收通道地址
10
TX_ADDR
设置发送地址（先写低字节）
11~16
RX_PW_P0~P5
设置接收通道的有效数据宽度
表2-4nRF24L01常用寄存器配置表
2.3温度传感器DS18B20
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装后可应用于多种场合，主要根据应用场合的不同而改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合[4]。
耐磨耐碰，
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