无线温度采集与显示系统王苗青Research and Exploration |研究与探索•探讨与创新

摘要：本设计为无线温度采集与显示系统，该系统在工农业生产中具有极高的应用价值，为更好地完成本次设计，小 组设计成员在前期进行了精心准备，通过收集材料，请教教员，制定了一套可行的设计方案。为提高设计的效率，本设计 从硬件和软件两个方面入手。对各部分的电路进行了分析，最终成功地实现了系统的硬件电路。我们搜集资料后，将电路 原理图绘制了出来，并在线路板上接上了元件，完成了相应的硬件测试。依照硬件的设计和测控系统所需要实现的功能， 本设计也对软件进行了逐个设计，并通过多次的模拟运行、调试、修改，简化了软件系统，最终构成了一套较为完整的程 序系统。关键词：DS18B20 传感器；NRF905;AT89C51中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1671-0711 ( 2017) 08 (下）-0194-02无线温度采集与显示系统是一种通过射频技术， 将采集到的信息传送并处理的无线测温装置。系统 主要包括传感器模块、接收发射模块、单片机处理 器模块以及数据显示模块四部分。传感器模块采用 的是DS18B20数字温度传感器芯片，中央处理器为 AT89C51单片机，NRF905作为无线收发装置。因 为采用了专业的无线发射装置NRF905,该系统具有 可靠性好，测量精度高，误差小，系统状态稳定等优 点。温度传感器是无线温度采集与显示系统的重要组 成部分，而其作为顶尖高新技术产品之一，在各行各 业的生产生活中都具有广泛的应用。1系统总体设计方案采用51单片机为核心控制器，测温装置采用专 业集成温度传感器DS18B20,无线发射接收模块采用 先进的NRF905模块，显示模块采用功能更为强大的 LCD1602液晶显示装置。1.1温度传感器的选择温度传感器采用DS18B20cDS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，在工农业生产中应 用较为广泛，其耐磨性好，轻巧灵便，接线方便，封装 类型多样等特点使其在各种狭小空间的温度监测和控制 领域具有较高的应用价值。测温范围在-55 ~ +125尤， 使用过程中不需要任何外围元件，且测温分辨率可达 0.0625度，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引 线和电路，且误差较小。(1)DS18B20特性。简单的多点分布应用，无需 外部器件，可通过数据线供电，零待机功耗。测温范围 -55 ~ +125尤，以0.5尤递增；温度以9位数字量读出； 温度数字量转换时间200ms。(2)DS1820的工作原理。DS1820是这样测温的：用具有较高温度系数振荡器确定一个门时期，在这段时 间内，计数器的计数脉冲对低温度系数振荡器计数，得 到温度值，计数器在计数器末端达到0之前预设在门周 围的对应于55尤的值，温度寄存器值增加，表明测量 温度大于55尤。1.2无线发射模块的元器件选择(1) NRF905简介。NRF905无线收发器工作在 433/868/915MHZ的ISM频段。主要由频率调制器、接收器、功率放大器、晶体振荡器和调节器五部分组成。 该模块在超低耗无线收发器、无线传感网络、无线数据 传输系统、遥感监测等领域应用广泛。且该发射模块可 以很容易通过SPI接口进行编程配置。且功率较小耗电 量较低。(2) NRF905的特性。输出频率4MHZ，外部时 钟脚负载为5PF，晶体为4MHZ，POWERDOWN模 式时SPI时钟为1MHZ，工作在433、868、915MHZ 的ISM频段；通道宽度和通道间隔为200kHZ。1.3 AT89C51 单片机(1) AT89C51 简介。AT89C51 是一种带 4K 字 节 FLASH 存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。(2) AT89C51特性。4K字节可编程FLASH存储器；寿命：一千写/擦循环；数据保留时间：10年； 三级程序存储器锁定。2硬件电路设计本论文设计的无线数据采集系统包括数据采集/传 输系统与数据接收系统。数据采集与传输系统由单片机、194 中国设备工程2017.08 (下

）hina中国Cpiant设备Engineering 工程温度传感器、无线传输芯片和天线组成。数据接收系统由 天线、无线接收芯片nRF905,单片机和液晶显示屏组成。 2.1温度采集发送系统设计温度采集与传输系统实现环境温度的采集，然 后转换成单片机所能识别的数字信号，信号无线模块 nRF905发射出去。(1) 温度采集模块。该模块是由美国达拉斯精选 公司开发的一种温度传感器DS18B20,用于温度采集。 DS18B20温度传感器的温度测量范围，负55到125度， 可实现9~ 12的温度分辨率，数据传输方式简单。该 信息通过单线接口发送给DS18B20，所以从主机CPU 到DS18B20只需要一行（接地线）〇DS18B20电源可 由数据线本身提供，无需外部电源。(2) 无线发送接收模块。无线传输模块选用低功 耗的无线射频收发芯片nRF905。芯片工作在ISM的 433mh频段，有一个完全集成的频率调制器和解调器、 接收器、功率放大器、晶体振荡器和一个调节器。芯片 能耗非常低，1〇dBm的的功率发射时，工作电流只有 30mA，接收电流仅为12.5mA，多种低功耗模式，待机 电流仅为12.5ua，节能设计更方便。2.2模拟SP丨口的实现因为单片机不存在SPI 口，为实现单片机nRF905 的通讯，需要模拟SPI端口，SPI端口可以通过SPI命 令设置。首先，必须建立设备的发送接收模式，以确保 有效的数据发送和接收。2.3液晶显示模块（LCD1602)液晶LCD1602显示，数符发生器ROM可以显示 192个字符，64个字节的自定义字符RAM，可以自定 义8个5^8点阵符或四个5^11点阵符。80个字节 的RAM，标准的接口特性，适配于M6800系列微处理 器的操作时序。该模块结构紧凑、装配容易、体积小， 像素尺寸小、分辨率高。2.4串行通信模块串行通信模块采用MAX232电平转换芯片，采用 RS232接口与PC机相连接，完成了单片机与PC机之 间的通信配置，串口控制登记端口可以设置串口通信频 率、数据位和波的频率的设计参数是9600bps、数据是 8位，1个停止位，无奇偶校验。3软件设计与调试(1) 采集模块软件设计。首先，令DS18B20初始 化，把收集到的温度信息发送到单片机，通过单片机的 P1.6和P1.7脚控制DS18B20的SCK和DATA。主机通过SPI接口向905配置寄存器写入信息并发送，在这 个时候将数据显示在LCD1602上。主要是用于和接收 模块显示的数据作为对比，检验发送过程是否出错。(2) 发送接收模块软件设计。发射部分的工作过程为：经过热电偶数字转换器对单片机的控制下，标准 热电偶进行收集温度数据的信息加以理后，再把信息发 送给单片机进行A/D转换，与此同时，由放大器将被测 热电偶的输出数据输入到单片机当中，单片机需先将这 些数据分组进行打包，然后将其发送给无线收发芯片。在采集模块软件设计这一部分开展的时候，第一步 是要把nRF905设置为发送状态，TX—EN=1，TRX_ CE=0。nRF905在ShockBurstTM发送模式的时候会自行生产CRC检验码和字头，在发送过程完成且数据准备 好引脚之后，微处理器会收到数据发射完毕的信息。由 以上所述的内容不难知道，nRF905的ShockBurstTM 收发模式的益处在于节省存储器和微控制器资源，以及 减少了编写程序所需要用的时间。(3) 显示模块软件设计。显示模块软件设计过程 为，第一步先将LCD1602初始化。利用数据传输端口 P0.0 ~ P0.6由单片机向显示器传输温度数据的信息。显 示LCD1602正确接收的数据信息转化成的温度信息。延 时0.8s后，对下一个时间段的温度数据进行重新读取， 进入循环。(4) 调试。软件调试时，我们主要使用了教员所 教的Proteus软件和keilC51两个软件。在软件调试的过 程中，我们先利用Proteus软件进行绘制电路图，并将各 个元器件的参数进行了设置。然后利用Keil C51软件进 行编写程序，并在编译后再利用Proteus软件中进行仿真。在元器件放置方面，把相互之间有所关联的元件 放在一起。例如为了提高电路的抗干扰能力，则接地线 应当选择形成闭合回路，电路提供的电源为+5 V稳压电 源。为了有利于得到没有误差的波特率，单片机应选用 12MHZ的晶振。选用这种晶振尤其有利于与单片机通信。4结语我们把大部分的时间用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，测温方面由于选择了单 线数字温度传感器DS18B20，测温比较精准。在本次的 设计中，我们从开始的迷茫到最后的熟悉，经过了无数次 的学习。通过本次对毕业设计的学习，我们的学习能力与 实践能力都得到了极大的提升。实验的过程里，我们遭遇 过失败与挫折，但在教员的指导下都得到了克服。温度采 集与显示系统的完成，也给予我们信心与成就感。参考文献：[1] 高雪飞.基于nRF905的无线数据传输与液晶显示系统设计.[2] 祝凤莲.LCD1602在数学钟中的应用.[3] 马文伟.基于多元统计原理的室内舒适度评价系统的设计.[4] 张舒.基于nRF系列射频芯片的三导联心电遥测系统.[5] 林华.基于ARM的无线数据通信模块的实现.中国设备工程2017.08 (下）19

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