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1、本科生毕业论文（设计） 题目 无线温度数据采集系统的设计 作者姓名 指导教师 所在学院 物理科学与信息工程学院 专业（系） 电子信息工程 班级（届）2012届电子信息工程班 完成日期 2012 年 5 月 20 日 摘 要针对目前我国一些粮食，煤炭等储备产业检测系统存在的不足，提出了一种无线传感器网络的设计方案，详细介绍了无线温度传感器的硬件结构和软件设计。传统的温度测量，都是从传感器引出线缆到达显示面板或主机才能测量温度的变化。对于一些腐蚀性强或密封性高，温度测量与主机距离远的环境，有线温度测量实现起来就比较困难。虽然随着技术的发展，温度变送器的出现解决了短距离温度的测量，但其仍然依赖于线缆
2、。而且随着距离的增加信号衰减很快。无法适用于远距离温度测量。温度指标在许多工程程项目中是不可或缺的重要参数，针对这一要求提出的无线温度测量系统采用数字式温度传感器DSl8B20作为测温节点。89C52单片机作为下位机微处理器来控制温度值的采集，并通过无线收发模块NRF905进行传输，最后通过串口将数据传送到上位机显示芯片。实验证明，该系统解决了在复杂环境下温度采集和获取的问题，具有较高的精度和很好的推广应用前景。关键词：温度测量，无线通信，DS18B20目 录第一章 绪论1 1.1选题背景1 1.2温度传感器的发展1第二章 无线温度测量系统的基本构成和工作原理22.1 无线温度测量系统的构成2
3、2.2温度测量系统的工作原理2第三章 硬件结构和软件设计33.1 单总线数字式温度传感器DS18B2033.2 单片机89C5233.3 低功耗射频传输单元NRF905芯片33.4液晶显示芯片 LCD160243.5数据信息处理系统软件设计43.6温度数据采集系统软件设计5 第四章 系统电路设计、工作原理和工作流程 4.1DS18B20工作详情7 4.289C52工作详情10 4.3LCD1602工作详情10 4.4串口电路10 4.5单片机89c52工作详情11 4.6温度采集模块11 第五章 总结13第六章 致谢14参考文献15英文摘要16第一章 绪论1.1 选题背景 温度参数在许多工程程
4、项目中是非常重要不可或缺的重要参数与指标，是在工业、医药、化工、农业、电子等行业，温度的检测尤为重要。而现实中应用的有线测温和固定测温设备不足以完成日渐要求更高的市场需求，根据这种需求提出了无线温度测量集成系统本文将采用数字式温度传感器DSl8B20完成测量温度的功能。89C52单片机作为功能实现部分微处理器来实现温度值的采集，并且通过无线发送接收模块NRF905进行数据传输，进而通过串口将采集到的数据传送到控制终端显示芯片。通过实验证明，该系统适合在复杂环境下进行温度测量，并可作为独立的控制单元应用与各种复杂电路中。本系统在测量精度上非常出色，很有推广前景。1.2 温度传感器的发展温度传感器
5、是开发最早应用最广并且是非常重要的一类传感器。自科学家伽利略发明了温度计，人们便开始了对温度的测量，温度传感器开始了在人类生活中的广发应用。到十九世纪德国物理学家赛贝将温度用电信号来表示，也就是后来被称为热电偶传感器。五十年之后，德国科学家西门子发明了铂电阻温度计。自半导体技术蓬勃发展后，人们在二十世纪有开发出了半导体热电偶，pn结温度传感器和集成温度传感器。人们后来相继开发出声学温度传感器、红外传感器、微波传感器。到20世纪90年代中期，智能温度传感器问世，它整合了微电子技术，计算机技术和自动测试技术为一身，开创了温度传感器智能化时代。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，并可以适
6、配各种微控制器，通过软件实现功能测试，开发软件水平越高其智能化就越强。智能温度传感器自此被应用到各领域，尤其是工业、农业、医药、化工、冶金等领域。第二章 无线温度测量系统的基本构成和工作原理2.1 无线温度测量系统构成 该系统主要分为两个部分：数据处理器的温度控制系统（处理系统），温度数据采集和测量系统（收集系统）。温度数据处理控制系统是整个系统的核心，是负责收集系统，通信和显示任务和控制功能，特别是通过微控制器，无线收发芯片，芯片三部分功能。采集系统是负责测量温度测量点和目标数据的测量，并处理系统的控制要求，获得的信息采集系统返回至处理系统，数据处理的具体职能和过程是由无线收发器，微控制器，
7、温度测量设备共同完成。2.2 无线温度测量系统的工作原理无线温度测量集成系统是基于射频技术，无线温度数据采集和处理设备实现的。其主要由温度传感器，接收器，图形芯片，单芯片构成。数字温度传感器芯片18B20，低功耗RF传输NRF905天线单元，单芯片89C52和其他组件共同组成了处理系统，传感器供电方式为电源供电;传感器的温度数据经过接收器处理，显示在LCD1602上，存储的温度数据通过串口连接的射频设备和接收端的温度数据交换。系统框图如图3.1所示DS18B2089C52NRF905LCD1602NRF90589C52 图2.1 详细系统结构第三章 硬件结构和软件设计 温度控制系统对微控制器和
8、无线收发芯片的数据处理，是由89C52单片机，经过无线收发芯片nRF905来完成的。采集系统是由温度传感装置，无线收发芯片和单芯片组成。3.1 单总线数字式温度传感器DS18B20常用的测温元器件主要是温度热电偶，热敏电阻，热电阻Ptl00。热电偶传感器的体积，H的变化率小，灵敏度相对较低;热电感测量的稳定性和重复性差，变化的速度是非线性的;热阻Ptl00热反应是缓慢，成本昂贵。该系统采用DALLAR半导体公司单总线智能数字温度传感器DSl8820 ，将改善这个问题。新一代适配器微处理器DS18B20温度传感器，可广泛用于工业，民用和军事领域，温度测量和控制设备，测量和控制系统和大型设备。它具
9、有体积小，易于操作，传输距离比较远的优势。 DSl8B20的测量范围：55C至125C.通过一个简单的编程，可以实现9-12位的数字读数，并能完成温度读数和转换。 DSl8B20的简单的形状和体积小，它有三个引脚，电源引脚VCC和接地引脚GND和DQ的输入/输出引脚，通过单线接口DQ与单片机的完成数据的交流。43.2 单片机89C52 温度数据采集和信息显示，无线信号传输和信号对比由单片机89C52来完成。相比ATMEL公司的89C52是更实用，89C52和80S51引脚完全兼容，片内采用4K程序存储器闪存技术，使用户可以轻松用电即刻删除，改写通用编程这些功能，客户将有良好的经营经验。 89C
10、52对设备要求非常低，开发所用时间较短，写在微控制器的程序也可以被加密，这反过来又保护我们的劳动成果。 23.3 射频传输单元NRF905芯片 由北欧的挪威开发的NRF905集成电路收发器射频单芯片，采用32引脚QFN（55毫米），在通道433/868/915MHz的ISM指数，小于650us通道转换时间，电压操作系统1.93.6V。 nRF905的组成：频率合成器，接收解调器，功率放大器，晶体振荡器，调制器。不需要外部SAW滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理前缀和一个CRC（循环冗余校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，它的能耗低，10dBm的发射功率的
11、电流只是11毫安，在接收模式时是12.5毫安。具备待机模式和关闭模式，易于实现储蓄能源。 nRF905芯片集成了电源管理，晶体振荡器，低噪声放大器，频率合成器，功率放大器等模块。3.4 LCD1602液晶显示芯片 温度数据经过无线传输后，经1602芯片在液晶显示屏上显示，LCD1602的液晶显示芯片采用了标准的14针接口，其中VSS是地面电源VDD接5V正电源，V0为LCD的对比度，调节引脚连接到的阳性对照的力量最弱，接地电源供电，最高的对比度，对比度过高就会有“鬼影”出现，通过一个10K的电位器来调节对比度。 RS寄存器选择，选择的数据寄存器中的高，低选择指令寄存器。 RW为读写信号线，读操
12、作时的高与低，写操作。 RS和RW低，可以写入指令或者显示地址可以读取，当RS RW是占线信号高是低，你可以写入数据时，RS是高刻录低电平。 E端，使年底，当E端由高跳低，液晶显示模块执行命令。 D0-D7为8个双向数据线。3.5数据信息处理系统软件设计划分成处理系统的数据处理系统的软件设计，VC + +编程和采集系统，单片机汇编。处理系统与PC机串行通信，以及温度，界面友好的编程。使用Visual C +中的MSComm控件完成串行通信，只需要可以是串口的设置。应用程序使用串行端口进行通信的要求，和通信系统的资源后，必须释放资源。设计步骤包括以下几点：1初始化串行端口，两个串行读，写，发送数
13、据，关闭串口。接收端的单芯片的过程，在图5.1的流程图。 6开始初始化单片机串口模块初始化NRF905检测空中信息接收到有效地地址和数据包串口发送数据否是图3.1 接收端单片机程序流程图3.6采集系统软件设计要发送的数据部分的MCU来完成温度数据的采集和温度值发送功能，接收器的微控制器将完成接收和温度的串行通信功能。独特的单总线DSl8B20的技术，以方便应用程序的硬件，但硬件成本较小，需要相对复杂的软件设计，以弥补DSl8B20的使用必须严格保证读写时序错不了。 为了确保顺利实现的无线数据发送和接收通过SPI接口NRF905配置寄存器的配置是否正确，以确保顺利实现的功能。压水堆的第一动力，T
14、X-ZH的TRX-CE的设置配置模式和工作频率，有效的数据宽度，地址宽度，输出功率写入配置寄存器，通过SPI接口的初始化信息。在SPI编程直接使用PICl6F877A自己的主同步串行通信模块（MSSP），并使其在SPI模式下工作。射频协议的高速信号处理部分已经嵌入到NRF905内部用户只需要编写时使用的应用层程序可以发送和接收功能。发送高端微控制器的程序流程如图4.2所示. 温度值发送初始化DS18B20和NRF905启动DS18B20温度转换设置节点数d=1读取节点d=1的温度开始图3.2 发送端单片机程序流程 主机由电脑微处理器，微控制器和无线收发芯片的控制系统是由两部分组成，单片机89C
15、52，无线收发芯片nRF905完成。较低的测量点系统由三个部分的温度和湿度检测设备，微控制器和无线收发芯片，第四章 系统电路设计、工作原理和工作流程4.1 DS18B20工作详情打开电源主机，单芯片89C52的单线数字温度传感器DS18B20芯片发出指令，开始温度。 DS18B20的内部结构：64位光刻ROM，温度传感器，非易失性温度报警触发器TH和TL，配置寄存器。 DS18B20引脚图 4.1 DS18B20引脚 DQ为数字信号输入/输出; GND电源地; VDD的外部电源输入端（在寄生电源模式时，地面）。DS18B20的高速寄存器：共9个存储单元，如表4.2所示，序号寄存器名称作 用序号
16、寄存器名称作用0温度低字节以16位补码形式存放4、5保留字节1、21温度高字节6计数器余值2TH/用户字节1存放温度上限7计数器/3HL/用户字节2存放温度下限8CRC表4.2 DS18B20高速暂存器共9个存储单元64序号光刻ROM是工厂光刻良好，它可以被看作是该DS18B20的地址序列码。的64位光刻ROM的安排：开始8（28H）的产品标签的类型，是该DS18B20的的自己的串行数字48，去年8的首56循环冗余校验码（CRC校验码= X8+ X5+ X4的+1）。 DS18B20温度传感器，温度测量，12个转换，例如：完成16符号扩展阅读的形式，表现形式为0.0625/ LSB，其中S为符
17、号位二进制补。 12转换后的数据，前5个二进制符号位存储在18B20的两个8位的RAM，如果测得的温度是大于0，50，只要测量值乘以0.0625得到实际温度，如果温度小于0，5个测量值需要采取反加10.0625相乘得到实际温度。高8位 S S S S S 26 25 24 低8位 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 表4.3DS18B20温度传感器的存储器： DS18B20温度传感器，内部存储器暂存RAM和非易失性电可擦除E2RAM，储存在高温和低温的组成触发器TH，TL和结构寄存器。 暂存器包含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低8第二个字节
18、是温度的高八位。第三和第四字节的TH，TL的第五个字节的挥发性副本是挥发性寄存器的副本的结构，内容的三个字节被刷新每一个上电复位。第六，第七和第八个字节用于内部计算。第九字节冗余校验字节。低五是始终为1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20的工作模式或测试模式。 DS18B20的工厂时，该位被设置为0。 R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20的出厂设置为12）分辨率设置表:R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9位 96.75ms 0 1 10位 187.5 ms 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms 根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18
19、B20完成温度转换必须经过三个步骤：DS18B20的每次读写之前，必须重置，重置成功发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，以预定DS18B20operation。复位需要主机CPU的数据线下拉500微秒，然后释放，等待约16至60微秒后DS18B20接收到信号，发出由60至240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号后，说明复位成功。 在硬件上，DS18B20与单片机的连接，有两种方式，如果Vcc的外部电源，GND接地，连接到I / O和单芯片的I / O线，另一种是寄生电源，然后UDD，GND接地，I / O连接微控制器的I / O内部寄生电源或外接电源，I / O口线是否接拉电阻5K。DS
20、18B20有六条控制命令，如表4.3所示： 指 令 约定代码 操 作 说 明 温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 重新调E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU 表4.4DS18B20有六条控制命令 单芯片DS18B20的访问过程是：DS18B20的初始化，然后一个ROM功能命令，去年之前的内存操作，数据处理。 DS18
21、B20的每一步操作必须遵循严格的时序和通信协议。如主机控制的DS18B20完成温度转换过程中，根据DS18B20的通信协议，三个步骤：DS18B20的每次读写之前，你必须重置，重置成功发送一条ROM指令，最后发送RAM指令， DS18B20的预定作业。 54.2 89C52工作详情数据被传输至单片机89C52，八位数据分两次传输，再由单片机编程为可以由数码管显示的四位数据，头一位为正负温度数据，后三位为带小数点的当前温度。数据也被送至低功耗射频传输单元NRF905进行无线传输。 应当指出的是，52单片机有一个全双工串行通信端口，单片机与nRF905之间是串行通信。若满足某些条件串行通信，计算机
22、的串行端口的RS232水平，与单片机串口的TTL水平两者之间，必须有1电平转换电路，我们已通过1特殊芯片MAX232的转换，虽然它可能是几个晶体管模拟转换，但与专用芯片或更简单和可靠。我们采用三线串行连接，这是NRF9059针串口只连接的三条线：5英尺接地，2脚RXD引脚TXD的。这是最简单的连接方法，但已经足够我们使用MAX232的10引脚和微控制器的11针连接器，第9英尺和微控制器的10针连接器，15英尺和20针单芯片连接。 3 4.3 LCD1602工作详情 1602使用标准的16针接口，其中包括：第一脚VSS是地面电源，第二脚VDD接5V正电源，第三脚：V0为液晶显示器的对比度调整侧，
23、连接到正电源时对比度最弱的地面时权力是最高的对比度，对比度过高会产生重影“，使用时，由一个10K的电位器调整对比度。第四脚：RS为寄存器选择，选择数据寄存器高，低，选择指令寄存器针。 第五脚：RW为读写信号线，高读取操作，当写操作RS和RW低，可以书面说明或者显示地址可以读取，当RS是低RW是高忙信号，你可以写当RS是低高刻录的数据。 第六脚：E方，使年底，当E跳高总站成为低，液晶显示模块执行命令。七至十四脚：D0D78双向数据线。十五脚：接+5V。十六脚接GND。4.4串口电路 温度值被发送到PTR8000接收模块之后，通过单片机与主机之间的串口通讯发送到远程主机上。由于单片机的串行通信采用
24、的是TTL电平，而电脑标准串行接口的电平范围是-15V至+15V。所以采用MAX232芯片进行电平转换。它的接口电路显示在图4.5所示。图4.5串口电路4.5 显示模块图4.6 显示模块4.6温度采集模块图4.7 温度采集模块第五章 分析在元器件的整体放置布局方面，我将有关联的的元件就近放置，例如：晶振、单片机的时钟输入端都易产生噪音，在放置元件时的时候把它们靠近些。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路、开关电路等，我尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路（ROM、RAM），更加有利于抗干扰，提高电路工作时的可靠性！我的地线应构成闭环形式，提高了电路的抗干扰能力。我也安装了三极
25、管7805进行稳压，是我的电路有稳定的+5V电源。我在布置电源线方面根据电流的大小尽是加粗直线宽度，在布线进还使电源线、地线的走线方向与数据线的走线方向一致，在布线工作的，用地线将电路板的底层没有走线的地方铺满，因为有助于增强电路的抗干扰能力。我选用11.0592MHZ的晶振，因为这样有利于得到没有误差的波特率。特别是当与单片机进行通信的话，选用这种晶振比较好。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nRF905进行无线传输时，使用的程序就是模块自带的程序，我们所要做的就是进行稍许修改，进行调用函数。在进行串
26、口转换时，要注意的就是与无线模块对接时，单片机的DB9的2，3口所对应的是无线传输模块的3，2口，因此，在焊接单片机的DB9接口时，与电路图的2，3脚要相互交换连接。第六章 总结我通过这次试验，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，也使我们对电路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。在老师和同学们的帮助下，我完成了本次试验，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。我的电路板虽然简单，没有运放等元件，但可以基本上完成此系统的任务，在电源的稳定，二极管发光，和电路的焊接方面，我也相应的补充改进了设计
27、方案。当然，我的电路还有许多不足之处，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试验机会，感谢老师以及同学对我的帮助，我以后会做得更好！第七章 致谢感谢我的导师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起
28、的日子，我会记一辈子的。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！ 参考文献： 1何立民. 单片机应用系统设计M . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2000 年12 版。2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。3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。4 郑长征，毛哲，谢兆鸿多个DSl8B2
29、0在粮库测温系统中的应用J 自动化技术与应用，2006 年2 月5 日5潘勇，孟庆斌基于DSl8820的多点温度测量系统设计J电子测量技术，2008(9)：91936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，2006：35-38Wireless temperature data acquisition systemAbsract: In the industrial field, the temperature measurement is influenced by the environment and difficult to achieve, espec
30、ially the high production workshop, large smelting plant, small agricultural greenhouse vegetable cultivation, food concentrated storage, we need to temperature detection and tracking.However the measurement environment, cannot stay in place long time measurement and measuring point temperature data
31、 acquisition, transmission, stability, but the operation is not convenient.Some measurements for measuring method and accuracy have stringent requirements, such as the moving target measurement, cable measurements appeared to be inadequate.Against this background, the wireless temperature measuremen
32、t will emerge as the times require, and is widely applied to the field of work.Temperature parameters in many engineering projects is a very important indispensable important parameters and index, according to the needs of the proposed wireless temperature measurement integrated system. This paper w
33、ill use digital temperature sensor DSl8B20 temperature measuring function.89C52 MCU as the function of the realization of part of microprocessor to realize the temperature value of the collection, and through the wireless sending and receiving module of NRF905 data transmission, and then through the
34、 serial data is transmitted to the control terminal display chip.Proved by experiment, the system is suitable for complex environment temperature measurement, and can be used as an independent control unit used with a variety of complex circuit.The system in the measurement accuracy is very good, ve
35、ry promising in the future. Key words: wireless temperature measurement, temperature sensor, DSl8B20河北师范大学本科生毕业论文（设计）评议书姓 名刘玉柱学院物理科学与信息工程学院专业电子信息工程年级（班）2012届电子信息工程班论 文 题 目无线温度数据采集系统的设计完成时间2012-5-20论文内容摘要本论文结合国内外无线温度数据采集系统的研究现状及发展趋势，针对要写作的内容作了细致的研究。论文在引言中对现有的各种技术进行了简单的概括总结，并引出下面做重点介绍的部分。在第二章中介绍了无线温度测
36、量系统的基本构成和工作原理、原理以及优缺点。论文的第三章则介绍了硬件结构和软件设计；第四章则讲述了系统电路设计、工作原理和工作流程。最后是论文的总结部分，是对文章内容的大体总结。指导教师评语 年 月 日指 导 教 师职称初评成绩答辩小组姓名职称教研室组长成员答辩记录：本次答辩内容：1首先学生自己介绍所选论文题目的详细内容 2综合阐述论文观点 3答辩老师对论文内容进行提问 问题一：无线温度数据采集是几路的？ 答：本文主要针对的是一路系统，而论文所研究的应用范围很大，我们可以根据具体的需求进行系统的扩展。 问题二：具体功能实现是怎么样的流程？ 答：本系统首先由DS18B20温度传感器将采集到的温度信号转化为电信号，经过NRF905无线数据传输单元传输到单片机89C52单片机进行信号处理，经过串口传输到LCD1602上显示出来。 答辩老师还根据就具体的情况进行了细致的提问，并给出相应的改进建议。记录人签字： 杜雪华 2012年5 月21 日答辩小组意见： 组长签字： 年 月 日学院意见： 评定成绩： 签章 年 月 日