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河南工业大学
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毕业论文
题目精密数显水下测温仪
院系名称电气工程学院
专业班级：
电气工程及自动化
学生姓名：
索付军
学号：
091020246
指导教师：
张洋
2012年4月20日
摘要
此论文结合黄河小浪底的具体情况对温度采样器进行了研究，研制出了水下无线遥控温度采样器，实现了一次下潜可以进行多水位连续测量，和无线遥控的目的。
根据水体具有较好的导电性能的特点，建立水下电流场，利用电流实现水下通信。
本文利用了双向数字脉冲编码无线遥控的控制方法，克服了以往抗干扰能力差，可靠性低的问题。
采用AT89C2051单片机构成遥控系统的控制电路，用软件实现遥控信息的编码，调制和解码，具有较高的智能化程度。
显示器采用了LCD1602液晶显示，这样可以有效的解决视觉疲劳同时也克服了数码管在白天不利于观察的问题。
温度传感器采用了DS18B20，由于其可以通过编程控制其精确度和转换时间，这样更加方便控制滞后性的问题。
通过本文的研究，实现了水下无线遥控水温测量，提高了水温测量的自动化程度和工作效率，降低了劳动强度，保证了采样的准确性。
为黄河小浪底的水温研究提供了有效的工具。
关键词：
无线通信，调制解码，温度传感器，显示器
ABSTRACT
DigitalPreciseSubmarineTemperatureMeasurementInstrument
ThisthesisunifiedthespecialdetailsoftheYellowRiverXiaolangditoconducttheresearchtemperaturesampletaker,developedthesubmarinewirelessremotecontroltemperaturesamplingandrealizedtimedivedmaycarryonthemulti-waterlevelssecond-by-secondmeasurementandwirelessremotecontrolling.
Accordingtothewaterbodyhasthegoodelectricconductivitythecharacteristictoestablishesthesubmarinecurrentflowfieldandrealizeunderwatercommunicationbymakinguseofelectriccurrent.Thisarticlehasusedthebidirectionalnumeralpulsecodewirelessremotecontrolmethodtoovercamethequestionoftheformerantijammingabilitytobebadandreliablelowly.TheAT89C2051monolithicisusedtointegratecircuitconstitutionexternalguidancesystemthecontrolcircuit.Thesoftwareisusedtorealizeremotecontrolinformationcode,themodulationanddecoding,whichhasthehighintellectualizeddegree.
ThemonitorhasusedtheLCD1602liquidcrystal,whichmaysoluteeffectivelythequestionofbevisionwearyandthedigitaltubenottofavortheobservationinthedaytime.ThetemperaturesensorhasusedDS18B20becauseitmaycontrolitsprecisionandtheswitchingtimethroughtheprogramming,whichcontrolmoreconvenientlagquestion.
Throughthisarticleresearching,Ithasrealizedthesubmarinewirelessremotecontrolwatertemperaturesurvey,enhancedthewatertemperaturesurveyautomaticandtheworkingefficiency,reducedthelaborintensityandguaranteedthesamplingaccuracy.IthasprovidedtheeffectivetoolforresearchingthewatertemperatureoftheYellowRiverXiaolangdi
Keywordswirelesscommunication;modulationanddecoding;temperaturesensor;monitor
目录
中文摘要
ABSTRACT
1绪论
（1）
1.1研究目的和意义
（2）
1.2国内外研究现状（3）
1.3研究的总体方案（4）
1.4主要研究内容（5）
2显示器
2.1显示器的选择
2.2显示器的简介
2.3显示器程序设计
3传感器
3.1传感器的选择
3.2传感器的简介
3.3传感器程序设计
4无线遥控系统硬件设计
4.1概述
4.2无线遥控系统的硬件电路
4.3AT89C2051单片机简介
4.4无线遥控系统工作原理
5无限遥控系统软件设计
5.1系统控制软件设计
5.4抗干扰技术的应用
6结论及展望
6.1完成的主要任务
6.2进一步研究的方向
致谢
参考文献
附图1
附图2
1绪论
1.1研究目的和意义
本课题研究的目的，是为了解决黄河小浪底水库的水温测量问题。
水温测量是水文监测的一项最要内容，水温的精确测量对多项水文监测都是有益的帮助。
例如，河流水质的测量，水下生物的监测以及河流含沙量的监测等等。
黄河是中华民族的摇篮，人们也总爱把黄河比作中华民族的母亲。
几千年来，滚滚黄河之水携带着黄土高原的大量泥沙填海造田，为我们造就了广阔的冲积平原，更是赢得了鱼米之乡的美称。
黄河之水在中下游被用来灌溉土壤，养殖鱼虾，其带来的丰富物产哺育了一代又一代中华儿女。
可就是黄河的含沙量大，也带来了河床的不断上升，水质的不断变化的问题，更使黄河得到了特有的美称“地上河”。
为了更好的保护我们的母亲河，对其进行精确的水温测量是必要的也迫在眉睫的。
然而当前的水温测量，靠单纯的人工进行，自动化程度低，劳动强度大，测量时间长，这样必然带来测量的大误差。
基于以上的现实情况，我们的研究的意义是明显的。
通过对无线遥控温度采样器的研究，实现了一次下潜可以连续进行多水位的温度测量和无线遥控的目的。
从而提高温度采样的工作效率，降低劳动强度，保证采样的准确性，提高了其自动化程度。
为黄河小浪底水库的及时水温监测提供了有效的采样手段。
1.2国内外研究现状
1.国外研究现状
国外在水温测量方面是比较先进的，从军事上和关于国外内务部地质调查局的报道来看，国外的水温测量已经达到了很高的自动化程度。
他们的水下机器人更是可以脱离母船下潜到7000多米的水位。
在河流方面，也都使用了新型的自动化，智能化的传感器。
2.国内研究现状
水温的测量已经有很长的历史，但是由于黄河小浪底的特殊情况，含沙量大，客观上增加了黄河水温测量的难度。
目前所采用的方法是先利用采样器采集水样，然后将水样倒入量杯，再用水银温度计测量水样的温度。
利用这种方法就会带来以下一系列问题。
（1）单仓取样，效率低下。
目前的水样采样器为单仓采样器，即通过引线悬挂一只采样器，下探一次只能采集一个样点的水样。
在水深较大时，每条垂线一般需要取样七次，效率低下，劳动强度高，难以满足要求。
（2）测量时间长，可靠性低。
通过采样器采集到水样，然后将采集到的水样倒入量杯，再用水银温度计测量水样的温度，需要较长的时间。
这种方法不仅麻烦，而且由于水样在从几十米的水下采集上来的过程中，温度已经变化，造成测量不准，无法反映测量点的真实温度，测量的温度可靠性低，给水文监测造成了很大的困难。
（3）纯人工操作，费时误差大
从采集水样，再到水样的测量，完全由人工来完成。
首先，把握水位的准确度方面不可避免的就会带来人为的误差。
其次，单纯的依靠人工来完成，所需要时间也较长，又会错过测量的最佳时机。
最后，依靠认为的读温，就会难免的带来误读，很难把握精确度。
1.3研究的总体方案
根据目前水温测量的方法，结合黄河小浪底水库的具体情况，计划研究方案如图1.1所示。
图1.1水下温度遥控采样器总体方案图
系统由温度采样的辅助单元和无线遥控采样单元两大部分组成。
温度采样的辅助单元包括铅鱼、悬吊机构等组成。
无线遥控采样单元包括传感器，显示器，遥控发射器、遥控接收器、电池等组成。
显示器和遥控发射器安放在水文测量船上，温度传感器和遥控接收器固定在铅鱼上吊放到水中。
系统以钢丝悬索和水体构成信号通路，采用水下电流通信，实现无线遥控。
1.4研究的主要内容
主要内容包括：
1.如何利用好温度传感器进行温度采样，在温度传感器的精度和转换时间上做好最恰当的选择，能够达到精确的采样和及时的传速。
2.如何选择好显示器，以达到温度的精确显示又可以实现最佳的观察效果。
3.结合黄河小浪底的具体情况，如何利用好水下数据通信技术。
实现温度由传感器到显示器的顺利显示。
2显示器
2.1显示器的选择
显示器首先要满足精确显示又能够满足有利的观察效果，即不会导致误观察又不会带来观察疲劳。
数码管在白天会造成读数不清楚等一系列的问题，而液晶显示器恰恰能够满足以上要求。
一般的液晶显示器其价位又比较便宜，在此处我们最终选择了LCD1602液晶显示器。
2.2显示器的简介
2.2.1LCD1602的技术参数
显示容量：
32个字符，每个字符为5*7点阵，分2行，每行16列
芯片工作电压：
4.5-5.5V
工作电流：
2mA（5.0V）
模块最佳工作电压：
5.0V
字符尺寸：
2.95*4.35（W*H）mm
2.2.2 接口信号说明
接口
编号
引脚说明
接口
编号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DATAI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DATAI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DATAI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DATAI/O
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D6
DATAI/O
6
EP
使能信号
14
D7
DATAI/O
7
D0
DATAI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DATAI/O
16
BLK
背光源负极
2.2.3 读写时序
1.读操作时序
图2.1读操作时序图
2.写操作时序
图2.2写操作时序图
2.2.4时序图说明
2.2.5 典型应用
图2.31602与单片机典型接口
2.3显示器程序设计
3传感器
3.1传感器的选择
传感器在温度测量中占有重要的地位。
就像人的眼睛一样，能够迅速的获得信息，并将信息以一定的方式传速到大脑。
因此，温度传感器的好坏直接决定着测量能否顺利的完成。
由于DS18B20是智能型温度传感器，可以通过编程控制其测量精度和转换时间。
所以，DS18B20是比较理想的选择。
3.2传感器的简介
3.2.1DS18B20概述
新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济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。
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。
DS18B20“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。
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3V~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。
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！
3.2.2DS18B20的内部结构
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的管脚排列如下
图3.1DS18B20的封装图
DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
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。
3.2.3DS18B20的测温原理
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。
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
3.2.4DS18B20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。
该字节各位的意义如下：
TMR1R011111
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，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
根据DS1分辨率设置表:
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
8B20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。
3.2.5DS1820使用中注意事项
DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
（2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
（3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。
试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
（4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
3.3传感器程序设计
软件流程图如下：
4无线遥控系统硬件设计
4.1概述
从控制信息传输的途径，可以把自动控制分为有线控制和无线控制。
无线遥控就是通过无线电波、声波或者电流波等将控制信息传输出去，来控制被控系统中的装置和信息传速。
在我们的设计中，为了实现对温度传感器的控制和命令以及温度信息的传速，我们利用了水下无线遥控系统。
采用脉冲编码无线遥控的工作原理，控制水下温度传感器，实现温度的采样和温度信息的传速。
换言之，操作人员只需按动遥控器上的开关按钮，即可进行温度采样。
在水文自动化测量控制领域，必须考虑水文工作的特殊性[39]。
一方面，水文测量设备一般应用于野外环境，风吹、日晒、雨淋，条件恶劣，控制装置必须具有很高的可靠性；另一方面，水文测量工作者一般都不是自动控制专业的技术人员，不太容易接受复杂的设备操作规程，因此操作方法要力求简单便捷；此外，就水文测量的整体而言，对设备的成本要求是很低的，如果成本比较高，要想大规模的推广几乎是不可能的。
在本系统的设计中，利用了水下内置电源、防水密封，安全可靠；在功能上，采用无线遥控操作，操作简便，一次下探可采集多个深度的水温，节省人力，快速高效；水上装置和水下装置均采用单片机控制，结构机凑，成本低廉。
在水文自动化测量系统中有着非常广阔的应用前景。
4.2无线遥控系统的硬件电路
水下无线遥控系统组成结构如图4.1所示。
系统以单片机为核心构成控制电路，分为遥控发射器和遥控接收器两大部分。
遥控发射器安装在测量船上；遥控接收器固定在测量支架上，和铅鱼一起吊放到预定的深水中。
二者的垂直距离为0～100米，通过收发电极，利用悬索钢丝绳和水体组成的水下电流通信信道，实现无线遥控。
4.2.1遥控发射器电路
遥控发射器的硬件电路以AT89C2051单片机为核心，由信号发射电路、信号接收电路、按键输入电路、显示器电路和电源电路等几部分组成，电路工作原理图见附图1所示。
遥控发射器通过1#单片机U2将遥控按钮的状态进行二进制编码，并用软件进行脉冲码调制，输出38KHz载波信号，经过驱动功率放大电路输出，通过电流通信信道发射到水下的遥控接收器。
4.2.2遥控接收器电路
遥控接收器的硬件电路也以AT89C2051单片机为核心构成的控制电路，由遥控信号接收电路、温度传感器电路、和电源电路等几部分组成，电路工作原理见附图2所示。
遥控接收器安装在水下的一个密封腔内，接收到的遥控信号经遥控接收电路放大解调后送2#单片机U2解码，然后控制温度传感器进行测温，同时将动作结果表示成二进制数，用软件进行脉冲编码、调制，输出38KHz载波信号，经过发射驱动放大电路进行功率放大，送到水下收发电极，通过电流通信信道发回遥控发射器，使得蜂鸣器鸣叫，表示开始测温。
4.3AT89C2051单片机简介
4.3.1AT89C2.51的概述
ATMEL89系列单片机是美国爱特梅尔公司（ATMELCORPORATION）生产的一种内含FlashROM的高性能单片机，包括AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051等几种产品型号。
ATMEL89系列单片机与INTEL公司的MCS-51系列单片机高度兼容，可以在零频率下工作，功耗低、体积小，广泛的应用于各类计算机系统、工业控制、电讯设备、宇航设备及消费类产品中。
由于ATMEL是全球最大的FlashROM（闪速存储器）和EEPROM芯片生产制造公司，加之以其EEPROM技术与INTEL的80C51内核技术交换，使ATMEL从此拥有80C51内核的使用权，从而该公司的ATMEL89系列单片机具有极高的性能价格比。
AT89C2051是ATMEL89系列单片机中的一个小型化产品，它只有20个引脚，内含2KB的FlashROM存储器和一个模拟电压比较器，共15根I/O线。
与AT89C51相比，它简化掉了P0口、P2口、EA/Vpp、ALE/PROG和
等引线，具有更小的芯片尺寸，可以使整个硬件电路的体积更加小巧。
在水下无线遥控采样系统中，由于其控制要求不太复杂，但受水下条件的限制，要求体积小，耗电省，电路简单，可靠性高。
因此选择AT89C2051单片机作为控制核心，用来对按键指令进行脉冲编码调制，输出遥控发射信号；对接受到的遥控信号进行解码，输出采样控制信号和状态指示信号等。
4.3.2AT89C2051的结构和功能
89C2051共有20条引脚，详见图4.2.从图中可见，2051继承了8031最重要引脚：
P1口共8脚，准双向端口。
P3.0～P3.6共7脚，准双向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P3.0、P3..1的串行通讯功能，P3.2、P3..3的中断输入功能，P3.4、
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