远距离室内测温系统说明书

第一章远距离室内温度测量系统
1.1远距离室内温度测量系统简介
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，而且在许多的工程项目中温度指标也是不可或缺的重要参数。

因此，准确、方便地获取温度就显得尤为重要。

通常在工程项目中可能要测量多点的温度值，这就需要铺设大量的电缆，如果现场环境恶劣也会带来很大的难题，而且传统的温度测量只适用在静止的物体测量上。

采用无线测温方案能很好的解决这些问题。

无线温度测量系统的构成主要有两大部分：上位机微处理器控制系统、下位机测量系统。

上位机微处理器控制系统是系统的核心，是负责与下位机通信并完成显示任务和控制功能的，具体由显示芯片、单片机和无线收发芯片三部分组成。

下位机测量系统负责对测量点的温度测量，并根据上位机的控制要求，把测量点的信息返回给上微机控制系统，具体由无线收发芯片，单片机，温度测量设备来完成。

1.2各模块及工作原理图
DS18B20型单总线智能温度传感器属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。

它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。

DS18B20的测温范围从-55℃至+125℃，并通过简单的编程实现9-12位的数字读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内完成温度值转换和读取。

DS18B20外形简单且体积小，它只有三只管脚，分别是电源引脚VCC、接地引脚GND和输入/输出引脚DQ，仅通过单线接口DQ就可以完成于单片机的信息交流。

工作原理图如下：
无线温度采集系统是一种基于射频技术的无线温度检测装置。

本系统由传感器和接收机，以及显示芯片组成。

传感器部分由数字温度传感器芯片18B20，单片机89C52和低功耗传输单元NRF24L01等组成，传感器采用电源供电；接收机无线接收来自传感器的温度数据，经过处理、保存后在数码管上显示，存储的温度数据通过无线模块的发射端与接收端进行交换。

工作原理图如下：
本系统的温度采集与显示，无线的传输与对比均由单片机89C52来控制完成。

AT89C52不仅和80S51指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH 工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦出、改写，一般专为ATMEL AT89Cxx做的编程器均带有这些功能。

这种单片机对开发设备的要求低，开发时间也大大缩短。

工作原理图如下：
经过无线传输后，温度数据信息将在共阴极数码管上进行显示，工作原理图如下：
第二章 DS18B20单线数字温度传感器
2.1 DS18B20简介
DS18B20的特性
常用的温度检测元件主要有热电偶、热敏电阻、热电阻Pt100等。

热电偶式传感器体积较大H变化率小导致灵敏度比较低；热敏电感测量的稳定性和复现性差，且变化率非线性；热电阻Pt100的缺点就是热响应比较慢，成品高。

本系统采用的DALLAR半导体公司的单总线数字式只能温度传感器DS18B20很好的改善了这些问题。

DS18B20型单总线智能温度传感器属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。

它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。

DS18B20的测温范围从-55℃至+125℃，并通过简单的编程实现9-12位的数字读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内完成温度值转换和读取。

DS18B20外形简单且体积小，它只有三只管脚，分别是电源引脚VCC、接地引脚GND和输入/输出引脚DQ，仅通过单线接口DQ就可以完成于单片机的信息交流。

说明
DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。

用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。

因为每个DS18B20都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度出传感器放在许多不同的地方。

这一特性在HVAC 环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程检测和控制等方面非常有用。

引脚说明
16脚SS0P PR35 符号说明
9 1 GND 接地
8 2 DQ 数据输入/输出脚。

对于单线操作：漏极开路。

7 3 VDD 可选的VDD引脚。

2.2 DS18B20的工作原理
测温操作
DS18B20通过一种偏上温度测量技术来测量温度。

图4示出了温度测量电路的方框图。

温度/数据关系
温度℃数据输出（二进制）数据输出（十六进制）
+125 00000000 11111010 00FA
+25 00000000 00110010 0032
+1/2 00000000 00000001 0001
0 00000000 00000000 0000
-1/2 11111111 11111111 FFFF
-25 11111111 11001110 FFCE
-55 11111111 10010010 FF92
DS18B20是这样测温的：用一个高温度洗漱的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。

计数器被预置到对应于-55℃的一个值。

如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。

同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。

然后计数器又开始计数知道0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。

斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。

这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。

因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。

DS18B20内部对此计算的结果可提供0.5℃的分辨力。

温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出，表1给出了温度值和输出数据的关系。

数据通过单线接口一串行方式传输。

DS18B20测温范围-55℃~+125℃，一0.5℃递增。

如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。

注意DS18B20内温度表示为1/2℃LSB，如下所示9bit格式：
最高有效（符号）位被幅值充满存储器中两个字节温度寄存器的高MSB位，由这种“符号位扩展”产生出了示于表1的16bit温度读数。

第三章远距离无线传输
3.1 NRF24L01简介
产品特性
2.4GHz全球开放ISM频段，最大0dBm发射功率，免许可证使用；支持六路通道的数据接收。

低工作电压：1.9~3.6V低电压工作
高速率：2Mbps，由于空中传输时间很短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象（软件设置1Mbos或者2Mbps的空中传输速率）
多频点：125频点，满足多点通信和跳频通信需要
超小型；neizhi 2.4GHz天线，体积小巧，15×29mm（包括天线）
低功耗：当工作在应答模式通信时，快速的空中传输及启动时间，极大的降低了电流消耗。

低应用成本：NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，比如：西东重发丢失数据
饱和自动产生应答信号等，NRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机I/O口进行莫伊，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机
自动重发功能，自动检测和重发丢失的数据包，重发时间及重发次数可软件控制自动存储未收到应答信号的数据包
自动应答功能，在收到有效数据后，模块自动发送应答信号，无须另行编程
载波检测CRC检测和点对多点通信地址控制
数据包传输错误计数器及载波检测功能可用于跳频设置
可同时设置流露接收通道地址，可有选择性的打开接收通道
标准插针Dip2.54MM间距接口，便于嵌入式应用
基本电气特性
参数数值单位
供电电压 1.9~3.6V V
最大发射功率0 dBm
最大数据传输率2000 Kbps 发射模式下，电流消耗（0dBm）11.3 mA
接收模式下电流消耗（2000kbps）12.3 mA
温度范围-40~+85 ℃
数据传输率为1000kbps下的灵敏度-85 dBm 掉电模式下电流消耗900 nA
模块结构和引脚说明
说明：
1）VCC脚接电压范围为1.9~3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。

推荐电压3.3V左右。

2）除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。

当然对3V左右的单片机更加适用了。

3）硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机真正的串口接入，只需要普通的单片机IO口就可以了。

与51系列单片机PO口连接时需要加10K的上拉电阻，其余连接不需要。

3.2 NRF24L01工作方式
NRF24L01有四种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。

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TX FIFI寄存器中
发射模式 1 0 1→0 停留在发射模式，直至数据发送完
待机模式2 1 0 1 TX FIFO为空
待机模式1 1 - 0 无正在传输的数据
掉电模式0 - - -
3.2.1 Enhanced ShockBurstTM收发模式
Enhanced ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速（1Mbps）发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。

与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：
尽量节能；低的系统费用（低速微处理器也能进行高速射频发射）；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。

Enhanced ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。

在Enhanced ShockBurstTM收发模式下，NRF24L01自动处理字头和CEC校验码。

在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。

在发送数据时，自动加上字头和CRC 校验码，在发送模式下，置CE为高，至少10μs,将时发送过程完成。

Enhanced ShockBurstTM发射流程
A．把接收机的地址和要发送的数据按时序送入NRF24L01；
B．配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式；
C．微控制器把CE置高（至少10μs），激发NRF24L01进行Enhanced ShockBurstTM
发射；
D ． NRF24L01的Enhanced ShockBurstTM 发射(1)给射频前端供电；(2)射频数据打包
(加字头、CRC 校验码)；(3)高速发射数据包；(4)发射完成，NRF24L01进入空闲状态。

Enhanced ShockBurstTM 接收流程
A ． 配置本机地址和要接收的数据包大小；
B ． 配置CONFIG 使之进入接收模式，把CE 置高。

C ． 130μs 后，NRF24L01进入监视状态，等待数据包的到来；
D ． 当接收到正确的数据包（正确的的地址和CRC 校验码），NRF24L01自动把字头、
地址和CEC 校验位移去；
E ． NRF24L01通过把STATUS 寄存器的RX_DR 职位（STATUS 一般引起微控制器中断）
通知微控制器；
F ． 微控制器把数据从NewMsg ——RF24L01读出；
G ． 所有数据读取完毕后，可以清楚STATUS 寄存器。

NRF24L01可以进入四种主要的
模式之一。

3.2.2 空闲模式
NRF24L01的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的启动时间。

在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关。

3.2.3 关机模式
在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流为900nA 左右。

关机模式洗啊，配置字的内容也会被保持在NRF24L01片内，这是该模式与断电状态最大的区别。

NRF24L01与单片机接口示例
绝对极限参数
工作电压 VDD ............-0.3V~+3.6V VSS . (0V)
输入电压 Vi ·············-0.3V~+5.25V 输出电压 Vo ·············VSS~VDD 总功耗 D P (A T =+85℃)·······60Mw
温度 工作温度·········-40℃~+85℃ 存储温度·········-40℃~+125℃
注意：强行超过一项或多项极限值使用将导致期间永久性损坏
课程设计心得体会
我通过这次课设，更加深入的了解了温度传感器，无线传输模块，以及52单片机的结构功能和具体应用，也是我们对电路PCB板有了更深的认识，开阔了我们的眼界，丰富了我们的知识，增长了我们的见识。

拿到课设题目的时候，看到温度传感器首先想到的是DS18B20，数字总线温度传感器。

实现远距离传输闪现了三种方案：红外、无线、延长导线。

因为此次为传感器课程设计，因此首先选择使用延长导线的方法做到远距离传输，后发现延长导线带来的误差较大。

又由于对于红外和无线模块的知识不了解，于是向同学咨询最终决定使用无线模块。

由于单线数字温度传感器DS18B20，测温相当准确，我主要时间花在了单片机软件程序的编辑和调试以及电路模块的制作方面。

在使用NRF24L01进行无线传输时，使用的程序是模块自带的程序，我所要做的就是进行稍许修改，进行调用函数。

在老师和同学们的帮助下，我完成了本次课设，我的无线温度采集系统，可以实现温度的无线采集，并且相当精确，我的电路板使用的是生产实习时做好的比较成功板子。

当然，我的课程设计还有很多不足之处，在老师的帮助下，我会在以后的学习生活中多加改进。

感谢学校给我这次宝贵的实践机会，感谢老师以及同学对我的帮助，我以后会做的更好！
参考文献
1 胡汉才. 单片机原理及系统设计[M]. 北京：清华大学出版社，1996年7月第一版
2 张洪润等编著. 单片机应用设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006年7月第一版。

3 潘勇.孟庆斌.基于DS18B20的多点温度测量系统设计[J].电子测量技术，2008（9）：91-93.
4 谢维成.杨加国.单片机原理与应用及89C52程序设计[M].北京：清华大学出版社。

2006:3-38.
5 谭浩强.C语言程序设计北京：清华大学出版社。

2008（10）
燕山大学课程设计评审意见表。