1、无线温度遥测系统(解光飞李群刘畅)

摘要：- 2 -
1引言- 3 -
2 系统设计-
3 -
2.1 总体设计方案- 3 -
2.1.1设计思路- 3 -
2.1.2 方案论证与选择- 4 -
2.1.3 方案组成- 6 -
3 设计实现- 7 -
3.1 系统硬件电路设计- 7 -
3.1.1温度数据发射电路- 7 -
3.1.2温度数据接收电路- 8 -
3.1.3温度数据测量电路- 8 -
3.2 系统软件设计- 11 -
3.3电路总图- 12 -
参考文献- 13 -
附录- 14 -
无线温度遥测系统<C题）
摘要：
本设计以单片机STC89C52为控制核心，基于温度传感器DS18B20C采用单总线协议、直接将被测环境的温度转化成数字信号的特点，实现了环境温度的实时监测和无线传输数据、显示测温点数据及声光上限报警。

整个系统由温度数据采集模块、数据发射模块、数据接收模块、LCD显示模块、声光上限报警模块等若干部分组成。

完成了实时监测环境温遥测的基本要求部分的全部功能指标和发挥部分中绝大部分的功能指标。

关键词：STC89C51数字温度传感器NRF24L01 LED显示
1引言
数字化温度传感器DS18B20直接将环境的温度信号转变为数字信号，以数码管方式串行输出，当其与无线发射芯片NRF24L01相互传输数据，且NRF24L01将数据以无线电磁波的形式发送出去，接受模块则将数据传送给单片机处理。

则从被测的环境温度就可以精确地计算出来。

本系统正是基于此原理完成具有实时温度检测的
无线温度遥测系统的设计。

根据分析，其基本要求有：
<1）测温范围：10°C~65°C，误差<0.5°C；
<2）显示位数为3位，分辨率为0.1°C；
<3）测温点到接受点距离要求>2M；
<4）可以设置温度上限报警；
<5）接收点显示测温点数据及声光上限报警信号；
发挥部分的要求有:
<1）遥测距离>5M；
<2）误差<0.2°C，具有温度补偿功能；
<3）具有特色与创新；
<4）测量温度速率小于1秒；
<5）多路测量；
本设计的难点在于温度的采集和被测环境温度数据的发射、接受与处理上，只有这样才能对环境温度进行实时的准确测量。

2 系统设计
2.1 总体设计方案
2.1.1设计思路
为了实现无线温度的遥测，则该系统中需要包含温度测量模块、数据预处理模块、无线发射与接收模块、数据处理模块、数据显示与报警模块。

各个模块的组合
2.1.2 方案论证与选择
1、测量温度传感器选择
方案一：使用热电偶温度传感器。

它测量精度高<热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响），测量范围广<常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量>。

在使用时，它能将温度信号转换成热电势信号, 通过电气测量仪表的配合, 就能测量出被测的温度。

方案二：使用数字型DS18B20温度传感器。

它是单线接口方式，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；测温范围－55℃～＋125℃，在10---50°C范围内精度高达0.1°C；支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上；且在使用中不需要任何外围元件。

基于以上的分析和题目的要求，我们选择方案二。

2、无线数据传输方案
在本套系统中，要求的传输距离至少要大于2m，最好能大于5m，传输速率至少要在每秒1KB以上。

目前的近距离数据传输模块主要分为红外线传输。

方案一：红外线传输。

它通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；传输距离会受到方向性和外界光的干扰,一般为3-5m；由于它是直线传输，所以对接收器的方向要求很高<30度以内），不能实现任意角度的接收。

方案二：利用pt2262、pt2272编码解码芯片配合315mhz无线收发模块。

此方案中，无线信号的发射距离可以达到50m以上，数据传输速率可以达到每秒5KB以上。

由单片机经过预处理后的温度数据可以直接传输给pt2262的数据输入端，经过编码后，由315mhz的无线信号发射；信号接收后，由pt2272进行解码，经过解码的温度数据又可以直接传输给单片机。

此方案的结构较为简单，成本比较低。

结构图如下所示：
2-2
PT2262 工作原理
方案三：本方案使用射频收发芯片nrf2401来实现数据的无线传输，其工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。

其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。

nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK
滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。

基于以上的分析论证，我们组决定选择方案三。

3、显示温度数据模块
温度数据的显示模块我们一共有两种选择方案，分别是：数码管显示，LCD1602液晶屏显示：
方案一: 采用通用的LED数码管，这样显示的相对来说要简单许多。

对程序的编程也相对来说较方便。

但是，数码管占用的IO口较多。

方案二: 1602液晶模块内部的字符发生存储器<CGROM>已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。

这样在显示温度数据的时候就比较的直观同时在一定程度上也增加了字符的丰富感。

比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B<41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

为了更加方便的满足设计要求，我们采用了方案二。

4、温度上限声光报警模块
声音报警我们选择蜂鸣器来达到报警目的，光提醒我们选择体积小、亮度高等优点的led发光二极管。

方案一：有源蜂鸣器内部带有振荡源，所以，只需要通上其正常的工作直流电压就可以有效的工作。

故，其连接线路简单，占用的程序储存空间小。

方案二：无源蜂鸣器内部不带振荡源，所以，直接用工作的直流电是不会有效的发出声响的。

必须用2kHz~5kHz的方波信号去控制驱动它，那样它才能顺利的工作。

综上所述，我们会选择操作简单的方案一。

2.1.3 方案组成
1、控制器
STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8~12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。

同时其价格低，体积小，功耗低，可靠实用。

2、发射电路模块
使用射频收发芯片nrf2401来实现数据的无线传输，其工作于 2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

3、接收电路模块
接收电路中也是使用nrf2401来实现无线数据的接受，nrf2401芯片是收发一体的。

4、温度数据显示模块
采用LCD1602液晶屏，按照实时测量的数据精确显示。

本模块的主要功能是实时显示描述系统状态的各种信息以及记录各阶段运行的时间。

液晶显示屏<LCD ）不仅显示信息量大，画面效果好，节省I/O 口，而且能够显示小车的运动轨迹和显示信息的相关文字说明，因此本模块可选择液晶屏<LCD ）显示。

5、温度上限声光报警模块
采用有源蜂鸣器和高亮度的led 发光二极管作为声光报警器。

经过上述论证，系统最终设计方案如下图所示：
图2-3 系统最终方案
nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK 滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。

3 设计实现
3.1 系统硬件电路设计
3.1.1温度数据发射电路
nRF2401引脚功能
芯片引脚排列见图3-1．各引脚具体功能如下：VSS —PA 、VSs 为参考接地端；VDD 为电源端，范围1．9 V ～3．6 V ；VDD —PA 为功率放大+1．8 V 电源输出端；ANTl 、ANT2为天线接口端；XCl 、XC2为晶振端；IREF 为参考电流端，通过22 kQ 电阻接地PwR —UP 为上电端；CE 为工作状态使能端；CS 为片选端，控制器通过对
图3-1 NRF2401引脚图
nRF2401的PWR—UP、CE和CS引脚状态组合设置，控制nRF2401的工作方式，当状态组合为分别为1、1、O，1、0、1，1、o、o及o，×，×时，芯片分别处于激活、配置、待机及低功耗方式。

CLKl、CLK2为通道1、2时钟信号端，由控制器提供，在突发模式下控制器在时钟上升沿由DATA引脚向nRF2401写入数据，在下降沿从nRF2401的DATA引脚读出数据；DRl、DR2为通道1、2接收数据就绪信号端；DATA、DOUT为通道1、2数据端，控制器与nRF2401由CLK、DR和DATA组成的三线接口交换传输的数据，通道1可接收和发送数据，通道2只能接收数据。

nRF2401的DuoCeiverTM技术为RX提供了两个独立的专用数字信道，因而可代替两个单独接收系统。

接口引脚为CE，CLK1，DATA
A. 当微控制器有数据要发送时，其把CE置高，使nRF2401工作；
B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401；
C. 微控制器把CE置低，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射；
D. nRF2401的ShockBurstTM发射
E.给射频前端供电；
F. 射频数据打包(加字头、CRC校验码>；
G.高速发射数据包；
H.发射完成，nRF2401进入空闲状态。

3.1.2温度数据接收电路
接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1>
A. 配置本机地址和要接收的数据包大小；
B. 进入接收状态，把CE置高；
C. 200us后，nRF2401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(正确的地址和CRC校验码>，nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去；
E. nRF2401通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断>置高通知微控制器；
F. 微控制器把数据从nRF2401移出；
G. 所有数据移完，nRF2401把DR1置低，此时，如果CE为高，则等待下一个数据包，如果CE为低，开始其它工作流程。

单片机的控制信号和数据通过P2口进行交换，S1开关用于设置nRF2401处于发射或接收状态，发光二极管D1亮表示系统处于发射模式，D2亮表示处于接收状态，D3亮表示已收到数据。

3.1.3温度数据测量电路
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3-3 DS18B20外形图
引脚定义：
(1>DQ为数字信号输入/输出端；
(2>GND为电源地；
(3>VDD为外接供电电源输入端<在寄生电源接线方式时接地）。

内部结构
图3-4 DS18B20内部结构图
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。

图3-5 DS18B20温度值格式表
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。

图3-6 DS18B20温度数据表
<3）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EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

<4）配置寄存器
图配置寄
低五位一直都是1 ，TM是考试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在考试模式。

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
图3-8
辨率设置表
3.2
无线温测系统的软件设计主要程序、温度数据处理、声光报警程序、无线数据收发程序及显示子程序组成。

主程序流程图见附录三图1所示。

其在运行的过程中将要调用图2的三个子程序。

单总线器件ROM码的获取，可以借用读数据子程序提前读出，要求其先发初始化命令，再发33H命令，既是读ROM码命令，然后，再调用读数据子程序。

在程序设定的地址就可以找到ROM序列码，要注意的是数据线要挂一个器件，之后再度下一个器件。

并记录器件的序列号。

NRF24L01无线数据收发程序流程图见附录三图2所示，nRF24L01的各种命令字都只有一个字节，分为读寄存器、写寄存器、读数据接收缓冲区、写发送数据缓冲区等。

在输入任意命令字的同时，MISO输出STATUS寄存器的内容。

按照硬件电路，系统程序的基本思路如下：系统上电后先配置nRF2401，发射模式的状态字为OX500800DODDDDDD一00DDDDDD834A05，接收模式的状态字为OX500800DODDDD—DDooDDDDDD834A04。

配置后通道1数据宽度8 bit，地址为00DDDDDD，地址长度32位，CRC校验16位，单通道接收，晶振12M，工作频率2 402 MHz，输出功率一5 dBm。

程序在每次完成发射或接收任务后，都会监测一下P1.0的电平，来确定下一个循环的工作模式。

3.3电路总图
图3.9 无限发射模块
图4.0 报警及显示模块
参考文献
[1]郭天祥51单片机C语言教程．北京:电子工业出版社，2018年10月
[2]谭浩强 C程序设计.北京:清华大学出版社，1991年
[3]杨欣，王玉凤，刘湘黔电子设计从零开始，2005年10月
[4]张崇，于晓琳，刘建平．无线收发一体芯片nRF2401及其应用, 2004年
[5]黄智伟无线数据通信IC原理与应用]．北京:北京航空航天大学出版社，2004年
附录
电路原理图
.
图1 ds18b20多点测温原理图
NRF24L0
1
图2NRF24L01电路原理图
STC89C51
图3 1602液晶显示与STC89C51连接图
图 4声光报警电路
程序流程图
图1 主程序流程图
开始
Stc89c52初始化子程序。