基于單片機的無線溫度采集系統(tǒng)的設計

圖書分類號 密級 畢業(yè)設計論文基于單片機的無線溫度采集系統(tǒng)的設計 DESIGNOFTHEWIRELESSTEMPERATURECOLLECTIONSYSTEMBASEDONMCU 學生姓名 班級 學號 學院名稱 專業(yè)名稱 指導教師 年 5月 8日

摘要隨著信息領域各種技術的發(fā)展在數據采集方面的技術也取得了長足的進步采集數據的信息化是目前社會的發(fā)展主流方向各種領域都用到了數據采集在石油勘探地震數據采集領域已經得到應用本課題提出一種基于單片機的無線溫度采集系統(tǒng)方案該方案是利用單片機控制DS18B20溫度傳感器采集溫度控制LED數碼管實時顯示溫度值控制NFR240L1進行數據的無線傳輸并由單片機去把溫度數據傳至計算機進行存儲本系統(tǒng)中所用到的器件是STC公司的STC89C52單片機數字溫度傳感器DS18B20和無線芯片NFR24L01測量結果用七段段LED數碼管顯示采集的數字信息并利用單片機串行口通過RS-232總線及通信協(xié)議將采集的數據傳送到PC機進行進一步的存檔處理并對測量結果進行顯示和存儲關鍵詞單片機溫度采集NFR24L01數據傳輸串口通信

AbstractWiththedevelopmentofvarioustechnologiesofinformationinthefieldindatacollectiontechniqueshavealsomadegreatprogresscollectdatainformationandsocialdevelopmentisthemainstreamVariousareasofdatacollectionusedinoilexplorationseismicdataacquisitioninthefieldhasbeenappliedThisissuepresentsacollectionbasedonsinglechipsystemsolutionsforwirelesstemperaturetheprogramistheuseofmicrocomputercontrolthetemperatureDS18B20temperaturesensoracquisitionreal-timecontrolofLEDdigitaldisplaytemperaturecontrolcontrolNFR240L1wirelessdatatransmissionbythemicrocontrollertothetemperaturedatatransmittedtothecomputerforstorageThissystemisadeviceusedintheSTCsSTC89C52microcontrollerdigitaltemperaturesensorDS18B20andwirelesschipsNFR24L01measuredwithaseven-segmentLEDdigitaldisplaysegmentofdigitalinformationcollectionanduseSerialportRS-232busandthroughthecommunicationprotocoltocollectdatatothePCforfurtherarchivingprocessingandmeasurementresultsaredisplayedandstoredKeywordsSCMTemperaturecollectionNFR24L01DatatransmissionSerialcommunication

目錄1緒論 111課題背景 112數據采集系統(tǒng)簡單介紹 12溫度采集系統(tǒng)的設計 321系統(tǒng)硬件電路構成 3211單片機部分 3212溫度傳感器部分 7213LED數碼管部分 15214NRF24L01無線數據傳輸部分 1622系統(tǒng)軟件設計 29221DS18B20程序的設計 29222數碼管顯示程序的設計 313串口通信 3631通信簡介 3632單片機串口通信接口 37321單片機串口結構 37322單片機與PC機之間電平轉換硬件接口 38323單片機串口通信設置及程序設計 404上位機程序設計 4341VisualBasic語言簡介 4342串口通信的實現 43421MSComm控件的操控原則 44422MSComm的屬性 4443上位機程序設計 4544數據庫設計 47總結 49致謝 50參考文獻 51附錄 52附錄1 52附錄2 57附錄3 80

1緒論11課題背景在現代社會的生活環(huán)境中信息扮演著極其重要的角色所謂信息就是人們即時獲得對自己有用的數據無論你生活在哪里從事什么工作無時無刻不在與信息打著交道自18世紀工業(yè)革命以來工業(yè)發(fā)展與是否能掌握技術有著密切的聯(lián)系在機械精密制造化工等行業(yè)可以說那時幾乎所有的工業(yè)部門都不得不考慮著技術領先的因素但是進入20世紀也就是人們說的信息社會的到來技術雖然還是關鍵的因素但是獲得技術已經不是靠那種人們基本的手工操作了信息是獲得技術的關鍵所在這就要求人們能在第一時間獲得數據比如在氣象部門航空航天部門以及現代農業(yè)可以說現代社會生活的各方面都對實時即時的數據存在著依賴今天我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機的小電腦在為我們服務單片機在工業(yè)控制尖端武器通信設備信息處理家用電器等各測控領域的應用中獨占鰲頭時下家用電器和辦公設備的智能化遙控化模糊控制化己成為世界潮流而這些高性能無一不是靠單片機來實現的采用單片機來對數據采集進行控制不僅具有控制方便組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點而且可以大幅度提高被控數據的技術指標從而能夠大大提高產品的質量和數量單片機以其功能強體積小可靠性高造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點成為自動化和各個測控領域中必不可少且廣泛應用的器件尤其在日常生活中也發(fā)揮越來越大的作用溫度是環(huán)境監(jiān)測的重要參數在一些特定的場合常常需要對溫度進行監(jiān)測很多溫度監(jiān)測環(huán)境范圍大測點距離遠布線很不方便本系統(tǒng)中把溫度傳感器DS18B20將采集到的溫度值送給單片機進行處理通過nRF24L01實現遠程無線傳輸在上位機的控制系統(tǒng)中采用RS-232口作為計算機與單片機溫度數據通信接口本系統(tǒng)既能準確的測量溫度又能解決測量距離上的問題基此本繞基于單片機無線的溫度采集系統(tǒng)展開應用研究工作12數據采集系統(tǒng)簡單介紹隨著自動控制監(jiān)測及遠程控制的發(fā)展數據采集越來越被廣泛應用如醫(yī)療工業(yè)等方面數據采集是指將溫度壓力流量位移等模擬量通過各種傳感元件做適當轉換后再經信號調理采樣量化編碼傳輸等步驟采集轉換成數字量后傳給PC機進行存儲處理顯示或打印的過程相應的系統(tǒng)稱為數據采集系統(tǒng)可分為以下幾種1基于通用微型計算機的數據采集系統(tǒng)將采集來的信號通過外部的采樣和AD轉換后的數字信號通過接口電路送入微機內進行處理然后再顯示處理結果或經過DA轉換輸出主要有以下幾個特點1系統(tǒng)較強的軟硬件支持通用微型計算機系統(tǒng)所有的軟硬件資源都可以用來支持系統(tǒng)進行工作2具有自開發(fā)能力3系統(tǒng)的軟硬件的應用配置比較小系統(tǒng)的成本較高但二次開發(fā)時軟硬件擴展能力較好4在工業(yè)環(huán)境中運行的可靠性差對安放的環(huán)境要求較高程序在RAM中運行易受外界干擾破壞2基于單片機的數據采集系統(tǒng)它是由單片機及其些外圍芯片構成的數據采集系統(tǒng)是近年來微機技術快速發(fā)展的結果它具有如下特點1系統(tǒng)不具有自主開發(fā)能力因此系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)必須借助開發(fā)工具2系統(tǒng)的軟硬件設計與配置規(guī)模都是以滿足數據采集系統(tǒng)功能要求為原則因此系統(tǒng)的軟硬件應用配置具有最佳的性價比系統(tǒng)的軟件一般都有應用程序3系統(tǒng)的可靠性好使用方便應用程序在ROM中運行不會因外界的干擾而破壞而且上電后系統(tǒng)立即進入用戶狀態(tài)3基于DSP數字信號微處理器的數據采集系統(tǒng)DSP數字信號微處理器從理論上而言就是一種單片機的形式常用的數字信號處理芯片有兩種類型一種是專用DSP芯片一種是通用DSP芯片基于DSP數字信號微處理器的數據采集系統(tǒng)的特點如下精度高靈活性好可靠性好容易集成分時復用等但其價格不菲4基于混合型計算機采集系統(tǒng)這是一種近年來隨著8位單片機出現而在計算機應用領域中迅速發(fā)展的一種系統(tǒng)結構形式它是由通用計算機PC機與單片機通過標準總線例如RS-232-C標準相連而成單片機及其外圍電路構成的部分是專為數據采集等功能的要求而配置的主機則承擔數據采集系統(tǒng)的人機對話大容量的計算記錄打印圖形顯示等任務混合型計算機數據采集系統(tǒng)有以下特點1通常具有自開發(fā)能力2系統(tǒng)配置靈活易構成各種大中型測控系統(tǒng)3主機可遠離現場而構成各種局域網絡系統(tǒng)4充分利用主機資源但不會占有主機的全部CPU時間

2溫度采集系統(tǒng)的設計21系統(tǒng)硬件電路構成身的溫度采集系統(tǒng)系統(tǒng)硬件電路由溫度傳感器單片機NRF24L01RS-232串口通信和計算機組成其原理框圖見圖2-1在單片機1的控制下溫度傳感器把溫度數據傳至單片機1進行判斷顯示并控制NRF24L01無線模塊1把數據發(fā)射出去無線模塊2收到數據后把數據通過SPI通信傳至單片機2單片機2在對數據進行再判斷與顯示最后單片機2再把有效的數據通過RS-232串口傳至計算機計算機對收到的數據進行采集和存儲單片機主要是對溫度傳感器DS18B20進行控制讀取溫度傳感器的溫度值并把溫度值通過串口通信送入計算機NRF24L01主要對數據進行無線傳輸由于STC89系列單片機與MCS-51系列單片機兼容并支持在線下載線路簡單所以本系統(tǒng)采用STC89C52單片機211單片機部分一單片機發(fā)展單片機又稱MCU其發(fā)展歷程主要經歷了以下五個階段[7]第一階段單片機的探索階段這一階段以Intel公司的MCS-48為代表MCS-48的推出是在工控領域的探索參與這一探索的公司還有MotorolaZiLong等都取得了滿意的效果第二階段單片機完善階段Intel公司在MCS-48基礎上推出了完善的典型的MCS-51單片機系列它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線單片機體系結構1完善的外部總線設置了經典的8位單片機的總線結構2CPU外圍功能單元的集中管理模式3體現工控特性的位地址空間位操作方式4指令系統(tǒng)趨于豐富和完善并且增加了許多突出控制功能的指令第三階段8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段也是向微控制器發(fā)展的階段Intel公司推出的MCS-96系列單片機中將一些用于測控系統(tǒng)的模數轉換器程序運行監(jiān)測器脈寬調制器等納入片中體現了單片機的微控制器特征第四階段微控制器的全面發(fā)展階段隨著單片機在各個領域全面深入的發(fā)展和應用出現了高速大尋址范圍強運算能力的8位16位32位通用型單片機以及小型廉價的專用型單片機第五階段即現行階段單片機的首創(chuàng)公司Intel將其MCS-51系列中的80C51內核使用權以專利互換或出售形式轉讓給世界許多著名IC制造廠商如AtmeiPhilipsNEC等這樣80C51就變成有眾多制造廠商支持的發(fā)展出上百種品種的大家族現統(tǒng)稱為8051系列也有人簡稱為51系列雖然世界上的MCU品種繁多功能各異開發(fā)裝置也互不兼容但是客觀發(fā)展表明80C51系列單片機已成為單片機發(fā)展的主流在單片機家族中80C51系列是其中的佼佼者1998年以后系列單片機又出現了一個新的分支稱為系列單片機這種單片機是由美國Atmel公司率先推出的它的最突出優(yōu)點是把快擦寫存儲器應用于單片機中這使得在系統(tǒng)開發(fā)過程中修改程序十分容易大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期同時在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數據信息即使斷電也不會丟失信息除此AT系列單片機的引腳和80C51是一樣的所以當用89系列單片機取代80C51時可以直接進行代換并且也可以不更換仿真機二STC89C52的特點及工作原理STC89C52完全兼容MCS-51系列單片機的所有功能并且本身帶有2K的內存儲器可以在編程器上實現閃爍式的電擦寫達幾萬次以上比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機系統(tǒng)在硬件上具有更加簡單方便等優(yōu)點具體如下[5]STC89C52單片機是最早期也最典型的產品低功耗高性能采用CHMOS工藝的8位單片機它在硬件資源和功能軟件指令及編程上與Intel80C3X單片機完全相同在應用中可直接替換在STC89C52內部有FLASH程序存儲器既可用常規(guī)的編程器編程也可用在線使之處于編程狀態(tài)對其編程編程速度很快擦除時也無需紫外線非常方便STC89C5X系列可認為是Intel80C3X的內核與STCFLASH技術的結合體它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活低成本的解決方案1主要性能●與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容●片內集成4KB的FLASH存儲器可反復編程擦除1000次●數據保留時間10年●全靜態(tài)設計時鐘頻率范圍為0～24MHz33MHz●三個程序存儲器保密位●128×8字節(jié)的內部RAM●32條可編程的IO口線●2個可工作于4種模式的16位定時計數器●5個中斷源2個中斷優(yōu)先級●可編程串行通道●具有4種工作模式的全雙工串行口●低功耗的待機工作模式和掉電工作模式●片內振蕩器和時鐘電路●具有4種工作模式的全雙工串行口●低功耗的待機工作模式和掉電工作模式●片內振蕩器和時鐘電路圖2-2STC89C52引腳圖2管腳說明VCC供電電壓GND接地P0口P0口為一個8位漏級開路雙向IO口每腳可吸收8個TTL門電流當P1口的管腳第一次寫1時被定義為高阻輸入P0能夠用于外部程序數據存儲器它可以被定義為數據地址的第八位在FLASH編程時P0口作為原碼輸入口當FLASH進行校驗時P0輸出原碼此時P0外部必須被拉高P1口P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向IO口P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流P1口管腳寫入1后被內部上拉為高可用作輸入P1口被外部下拉為低電平時將輸出電流這是由于內部上拉的緣故在FLASH編程和校驗時P1口作為第八位地址接收P2口P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向IO口P2口緩沖器可接收輸出4個TTL門電流當P2口被寫1時其管腳被內部上拉電阻拉高且作為輸入并因此作為輸入時P2口的管腳被外部拉低將輸出電流這是由于內部上拉的緣故P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時P2口輸出地址的高八位在給出地址1時它利用內部上拉優(yōu)勢當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時P2口輸出其特殊功能寄存器的內容P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號P3口P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向IO口可接收輸出4個TTL門電流當P3口寫入1后它們被內部上拉為高電平并用作輸入作為輸入由于外部下拉為低電平P3口將輸出電流ILL這是由于上拉的緣故P3口也可作為ST89C52的一些特殊功能口P3口管腳備選功能P30RXD串行輸入口P31TXD串行輸出口P32INT0外部中斷0P33INT1外部中斷1P34T0計時器0外部輸入P35T1計時器1外部輸入P36WR外部數據存儲器寫選通P37RD外部數據存儲器讀選通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號RST復位輸入當振蕩器復位時要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間ALEPROG當訪問外部存儲器時地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)在FLASH編程期間此引腳用于輸入編程脈沖在平時ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號此頻率為振蕩器頻率的16因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的然而要注意的是每當用作外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0此時ALE只有在執(zhí)行MOVXMOVC指令是ALE才起作用另外該引腳被略微拉高如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止置位無效PSEN外部程序存儲器的選通信號在由外部程序存儲器讀取指令期間每個機器周期兩次PSEN有效但在訪問外部數據存儲器時這兩次有效的PSEN信號將不出現EAVPP當EA保持低電平時則在此期間外部程序存儲器0000H-FFFFH不管是否有內部程序存儲器注意加密方式1時EA將內部鎖定為RESET當EA端保持高電平時此間內部程序存儲器在FLASH編程期間此引腳也用于施加12V編程電源VPPXTAL1反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入XTAL2來自反向振蕩器的輸出3振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出該反向放大器可以配置為片內振蕩器石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用如采用外部時鐘源驅動器件XTAL2應不接由于輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度4芯片擦除整個EPROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成在芯片擦除操作中代碼陣列全被寫1且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前該操作必須被執(zhí)行5編程算法1地址線上輸入欲編程的存儲單元地址2在數據線上輸入編程數據3加正確的控制信號組合4在高壓模式下使VPP為12V5在ALE引腳上加一次負脈沖可對FLASH存儲器的一個字節(jié)或保密位進行編程編程一個字節(jié)的周期是內部自定時的典型時間不會超過15ms改變編程的存儲單元地址和編程數據重復步驟1～5直到編程文件最后此外STC89C52設有穩(wěn)態(tài)邏輯可以在零頻率的條件下靜態(tài)邏輯支持兩種軟件可選的掉電模式在閑置模式下CPU停止工作但RAM定時器計數器串口和中斷系統(tǒng)仍在工作在掉電模式下保存RAM的內容并且凍結振蕩器禁止所用其他芯片功能直到下一個硬件復位為止6主要工作和內容安排綜上所述本著實用可靠安全簡潔及經濟等設計原則設計開發(fā)了基于單片機STC89C52的無線溫度采集系統(tǒng)所做的工作主要包括1利用DS18B20溫度傳感器采集溫度2制作一個基于STC89C52單片機的溫度采集系統(tǒng)并將采集信息數據通過NRF24L01無線傳輸模塊傳送給計算機利用計算機對其進行實時顯示存儲以便進行數據分析212溫度傳感器部分朱俊霖測量溫度的關鍵是溫度傳感器溫度傳感器的發(fā)展主要大體經過了三個階段1傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器含敏感元件2模擬集成溫度傳感器控制器3智能溫度傳感器模擬集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的它是將溫度傳感器集成在一個芯片上可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一僅測量溫度測溫誤差小價格低響應速度快傳輸距離遠體積小微功耗等適合遠距離測溫控溫不需要進行非線性校準外圍電路簡單它是目前在國內外應用最為普遍的一種集成傳感器典型產品有AD590AD592TMP17LM135等模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關和可編程溫度控制器典型產品有LM56AD22105和6509某些增強型集成溫度控制器例如TC652653中還包含了刀轉換器以及固化好的程序這與智能溫度傳感器有某些相似之處但它自成系統(tǒng)工作時并不受微處理器的控制這是二者的主要區(qū)別智能溫度傳感器亦稱數字溫度傳感器是在20世紀90年代中期問世的它是微電子技術計算機技術和自動測試技術ATE的結晶目前國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產品智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器AD轉換器信號處理器存儲器或寄存器和接口電路有的產品還帶多路選擇器中央控制器CPU隨機存取存儲器RAM和只讀存儲器ROM智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量適配各種微控制器MCU并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現測試功能的其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平目前國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式從集成化向智能化和網絡化的方向飛速發(fā)展數字式溫度傳感器DS18B20正是朝著高精度多功能總線標準化高可性及安全性開發(fā)虛擬傳感器和網絡傳感器研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展因此智能溫度傳感器DS18B20作為溫度測量裝置己廣泛應用于人民的日常生活和工農業(yè)生產中2121DS18B20簡介DS18B20是美國半導體公司繼之后最新推出的一種數字化單總線器件屬于新一代適配微處理器的改進型智能溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比它能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9-12位的數字值讀數方式可以分別在9375ms和750ms內完成9位和12位的數字量并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線單線接口讀寫溫度變換功率來源于數據總線總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電而無需額外電源因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更趨簡單可靠性更高同時其一線總線獨特而且經濟的特點使用戶可輕松地組建傳感器網絡為測量系統(tǒng)的構建引入了全新的概念DS18B20一線總線數字化溫度傳感器支持一線總線接口測量溫度范圍為－55℃～＋125℃在－10℃～85℃范圍內精度為±05℃現場溫度直接以一線總線的數字方式傳輸用符號擴展的16位數字量方式串行輸出大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性因此數字化單總線器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現場溫度測量如環(huán)境控制設備或過程控制測溫類消費電子產品等它在測溫精度轉換時間傳輸距離分辨率等方面較都有了很大的改進給用戶帶來了更方便和更令人滿意的效果可廣泛用于工業(yè)民用軍事等領域的溫度測量及控制儀器測控系統(tǒng)和大型設備中2122DS18B20的性能特點和管腳排列1特點性能[14]1采用獨特的單線接口方式與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與的雙向通訊2在使用中不需要任何外圍元件3可用數據線供電供電電壓范圍30V～＋55V4測溫范圍－55℃～＋125℃固有測溫分辨率為±05℃當在－10℃～85℃范圍內可確保測量誤差不超過05℃在－55℃～＋125℃范圍內測量誤差也不超過2℃5通過編程可實現9～12位的數字讀數方式6用戶可自設定非易失性的報警上下限值7支持多點組網功能多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上實現多點測溫8負壓特性即具有電源反接保護電路當電源電壓的極性反接時能保護DS18B2不會因發(fā)熱而燒毀但此時芯片無法正常工作9DS18B20的轉換速率比較高進行9位的溫度轉換僅需9375ms10適配各種單片機或系統(tǒng)11內含64位激光修正的只讀存儲ROM扣除8位產品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼CRC之后產品序號占48位出廠前產品序號存入其ROM中在構成大型溫控系統(tǒng)時允許在單線總線上掛接多片DS18B202DS18B20的管腳排列1DS18B20采用腳封裝或腳封裝其管腳排列見圖2-3圖2-3DS18B20管腳排列I0為數據輸入輸出端即單線總線它屬于漏極開路輸出外接上拉電阻后常態(tài)下呈高電平UDD是可供選用的外部電源端不用時接地GND為地NC空腳圖2DS18B20內部結構圖高8位是CRC校驗碼接著是每個器件的惟一的序號共有48位低8位是產品類型的編號前56位的這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原因2非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL可通過軟件寫入用戶報警上下限3高速暫存存儲器DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的的E2RAM后者用于存儲THTL值數據先寫入RAM經校驗后再傳給E2RAM而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節(jié)它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換為相應精度的數值該字節(jié)各位的定義見表2-2表2-2字節(jié)定義低5位一直都是1TM是測試模式位用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式在DS18B20出廠時該位被設置為0用戶不要去改動R1和R0決定溫度轉換的精度位數即用來設置分辨率見表2-3DS18B20出廠時被設置為12位表2-3R1和R0模式表由表2-1可見設定的分辨率越高所需要的溫度數據轉換時間就越長因此在實際應用中要在分辨率和轉換時間兩者中權衡考慮高速暫存存儲器除了配置寄存器外還有其他8個字節(jié)組成其分配見表2-4表2-4字節(jié)定義其中第12字節(jié)是溫度信息第34字節(jié)是TH和TL值第6～8字節(jié)未用表現為全邏輯1第9字節(jié)讀出的是前面所有8個字節(jié)的CRC碼可用來保證通信正確當DS18B20接收到溫度轉換命令后開始啟動轉換轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第12字節(jié)單片機可通過單線接口讀到該數據讀取時低位在前高位在后溫度值格式見表2-5表2-5溫度格式表以12位轉化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計算12位轉化后得到的12位數據存儲在DS18B20的兩個高低8位的RAM中二進制中的前面5位是符號位如果測得的溫度大于0這5位為0即符號位S0這時只要直接將測到的數值二進制位轉換為十進制再乘以00625即可得到實際溫度如果溫度小于0這5位為1即符號位S1這時先將補碼變換為原碼也就是測到的數值需要取反加1再計算十進制值最后乘以00625才能得到實際溫度對應的一部分溫度值見表2-6表2-6部分溫度表實際溫度值 數字輸出二進制 數字輸出十六進制 125℃ 0000011111010000 07D0H 85℃ 0000010101010000 0550H 250625℃ 0000000110010001 0191H 10125℃ 0000000010100010 00A2H 05℃ 0000000000001000 0008H 0℃ 0000000000000000 0000H -05℃ 1111111111111000 FFF8H -10125℃ 1111111101011110 FF5EH -250625℃ 1111111001101111 FE6EH -55℃ 1111110010010000 FC90H DS18B20完成溫度轉換后就把測得的溫度值T與THTL作比較若TTH或TTH則將該器件內的告警標志位置位并對主機發(fā)出的告警搜索命令作出響應因此可用多只DS18B20同時測量溫度并進行告警搜索4CRC的產生在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余校驗碼CRC主機根據ROM的前56位來計算CRC值并和存入DS18B20中的CRC值做比較以判斷主機收到的數據是否正確2124DS18B20的控制方法在硬件上DS18B20與單片機的連接有兩種方法一種是將DS18B20的UDD接外部電源GND接地其IO與單片機的IO線相連另一種是用寄生電源供電此時DS18B20的UDDGND接地其IO接單片機IO無論是內部寄生電源還是外部供電DS18B20的IO口線要接見5KΩ左右的上拉電阻DS18B20有六條控制命令見表2-7表2-7DS18B20控制指令指令 約定代碼 功能 讀ROM 33H 讀取DS18B20ROM中的編碼64位地址 符合ROM 55H 發(fā)出命令后接著發(fā)出64位ROM編碼訪問單總線上與該編碼相同的DS18B20使之做出反應為下一步讀寫作準備 搜索ROM 0F0H 用于確定掛在同一總線上DS18B20的個數和識別64位ROM地址微操作各器件做準備 跳過ROM 0CCH 忽略64位ROM地址直接向DS18B20發(fā)送溫度轉換命令適用于單片工作 告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后只有溫度值超過限度值才做出反應 溫度變換命令 44H 啟動DS18B20進行溫度轉換轉換時間最長為500毫秒結果存入內部就九字節(jié)RAM中 讀暫存器 0BEH 讀內部RA九字節(jié)內容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內部RAM的第34字節(jié)寫上下限溫度命令緊隨該命令之后是傳送兩個字節(jié)數據 復制暫存器 48H 將RAM中的第34字節(jié)內容寫到EEPRAM中 重調EEPRAM 0B8H 將EEPRAM中的第34字節(jié)內容寫到RAM中 讀供電方式 0B4H 讀DS18B20供電模式寄生供電DS18B20時發(fā)送1外接電源發(fā)送1 CPU對DS18B20的訪問流程是先對DS18B20初始化再進行ROM操作命令最后才能對存儲器操作和對數據操作DS18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議例如主機控制DS18B20完成溫度轉換這一過程根據DS18B20的通訊協(xié)議必須經歷三個步驟每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位復位成功后發(fā)送一條ROM指令最后發(fā)送RAM指令這樣才能對DS18B20進行預定的操作2125DS18B20的測溫原理DS18B20的測溫原理見圖2-5圖2-5DS18B20的內部測溫電路原理圖圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1高溫度系數晶振的振蕩頻率隨溫度變化而明顯改變所產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入圖中還隱含著計數門當計數門打開時DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數進而完成溫度測量計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定每次測量前首先將-55℃所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中減法計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數值減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數當減法計數器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1減法計數器1的預置將重新被裝入減法計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數如此循環(huán)直到減法計數器2計數到0時停止溫度寄存器值的累加此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度圖2-3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性其輸出用于修正減法計數器的預置值只要計數門仍未關閉就重復上述過程直至溫度寄存器值達到被測溫度值這就是DS18B20的測溫原理2126DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電一種是采用電源供電方式此時DS18B20的1腳接地2腳作為信號線3腳接電源另一種是寄生電源供電方式單片機端口接單線總線為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度AD轉換操作時總線上必須有強的上拉上拉開啟時間最大為10us采用寄生電源供電方式時VDD端接地由于單線制只有一根線因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的寄生電源供電方式見圖2-6圖2-6DS18B20與單片機的接口電路213LED數碼管部分在日常生活中我們對LED數碼管并不陌生LED數碼管已作為很多電子產品的通用器件如在儀表汽車機械電子及很多家用電子產品中都可以看到在單片機的人機交流界面中一般的輸出方式有以下幾種發(fā)光管LED數碼管液晶顯示器發(fā)光管和LED數碼管比較常用軟硬件都比較簡單2131LED數碼管簡介LED數碼管分共陽極與共陰極兩種其工作特點是當筆段電極接低電平公共陽極接高電平時相應筆段可以發(fā)光共陰極LED數碼管則與之相反它是將發(fā)光二極管的陰極負極短接后作為公共陰極當驅動信號為高電平端接低電平時才能發(fā)光LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色以及光輻射純度也反映出半導體材料的特性常見管芯材料有磷化鎵GaP砷化鎵GaAs磷砷化鎵GaAsP氮化鎵GaN等其中氮化鎵可發(fā)藍光發(fā)光顏色不僅與管芯材料有關還與所摻雜質有關因此用同一種管芯材料可以制成發(fā)出紅橙黃綠等不同顏色的數碼管其他顏色LED數碼管的光譜曲線形狀與之相似僅入值不同LED數碼管的產品中以發(fā)紅光綠光的居多這兩種顏色也比較醒目LED數碼管等效于多只具有發(fā)光性能的PN結當PN結導通時依靠少數載流子的注人及隨后的復合而輻射發(fā)光其伏安特性與普通二極管相似在正向導通之前正向電流近似于零筆段不發(fā)光當電壓超過開啟電壓時電流就急劇上升筆段發(fā)光因此LED數碼管屬于電流控制型器件其發(fā)光亮度L單位是cd／m2與正向電流IF有關用公式表示LKIF即亮度與正向電流成正比LED的正向電壓U則與正向電流以及管芯材料有關使用LED數碼管時工作電流一般選10mA左右／段既保證亮度適中又不會損壞器件2132LED數碼管的基本參數和引腳功能LED數碼管正向壓降一般為15～2V額定電流為10mA最大電流為40mA本設計采用4位一組共陽LED數碼管用P1來控制數碼管的短選和p2口控制位選位選其管腳分配和內部結構見圖2-7圖2-7LED共陽數碼管管腳及內部結構圖2-8硬件原理圖因為共陰共陽極數碼管電平控制存在區(qū)別所以其編碼方式不一樣其具體編碼見表2-10表2-8共陰共陽數碼管編碼方式顯示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 共陽極 0xc0 0xf9 0xa4 0xb0 0x99 0x92 0x82 0xf8 0x80 0x90 共陰極 0x3f 0x06 0x5b 0x4f 0x66 0x6d 0x7d 0x07 0x7f 0x6f 214NRF24L01無線數據傳輸部分隨著我國國際地位和科研水平的不斷提高無需導線連接的無線數據系統(tǒng)對用戶有著極大的吸引力無線數據系統(tǒng)采用了能在局域范圍內無線傳輸信息的數字網絡在不改動原有設施的前提下將有效的數據信息準確快速和安全地傳送給與會者因此無線數據系統(tǒng)設備的設計得到了國內外相關領域廠商的廣泛關注未來無線數據系統(tǒng)很有可能代替現有的有線數據系統(tǒng)成為今后數據傳輸的主流要了解無線數據傳輸就得先了解無線傳輸技術下面大概介紹一下幾種常見的無線傳輸技術1U段無線傳輸技術超高頻UHF-UltraHighFrequencyUHF波段則是指頻率為3003000MHz的特高頻無線電波具有特點是1穩(wěn)定性高2寫距離遠3訊速率較高但U段技術由于頻段多使用范圍廣容易串頻和被聽保密性較差2紅外線技術紅外通訊技術的特點1它是目前在世界范圍內被廣泛使用的一種無線連接技術被眾多的硬件和軟件平臺所支持2通過數據電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換實現無線的數據收發(fā)3主要是用來取代點對點的線纜連接4具有不能穿透障礙物的特性有效保障了會議信息的安全與保密5安裝方便快捷成本低當然我們還是需要注意一下紅外線技術的一些局限性在進行系統(tǒng)安裝時設備距離紅外信號收發(fā)器的距離通常比較短大都在10米內且應遠離其它紅外光源如日光燈等離子屏等以避免干擾3WAP技術WAP是WirelessApplicationProtocol即無線應用協(xié)議的縮寫無線應用協(xié)議也稱為無線應用程序協(xié)議目前應用廣泛是在數字移動Internet及其他個人數字助理機PDA計算機應用之間進行通信的開放性全球標準在工作方面對于日理萬機經常與時間競賽的商務人士WAP更能為用戶提供市場上最新的第一手信息完全配合用戶的業(yè)務和工作需要在生活方面無論用戶身在何處都可以通過WAP上網進行各項線上銀行服務在娛樂方面WAP也為用戶提供了嶄新的消費模式無論您走到那里都可以隨心所欲地與朋友甚至其他WAP用戶一起上網玩游戲一起分享WAP的樂趣BOSCH的DCN無線討論系統(tǒng)采用的就是該無線技術通過倍受贊譽的無線介入點能夠為方圓40米164英尺左右的空間提供穩(wěn)固如一的強大連接WAP既可部署在會議室中心以獲得最佳的覆蓋率也可以移動到會議室中最適合的位置盡管WAP有其強大的優(yōu)勢但是也必須指出WAP在技術角度上的局限性主要存在于兩個方面1WAP設備和WAP承載網絡2WAP設備受CPU隨機訪問存儲器RAM只讀存儲器ROM和處理速度的限制3WAP承載網絡是低功率的網絡一般在辦公環(huán)境中的帶寬多為11MWAP承載網絡的固有特性是可靠性不高穩(wěn)定性不高和不可424G頻射技術 24G無線技術其頻段處于2405GHz-2485GHz之間所以簡稱為24G無線技術這個頻段里是國際規(guī)定的免費頻段是不需要向國際相關組織繳納任何費用的這就為24G無線技術可發(fā)展性提供了必要的有利條件而且24G無線技術不同于之前的27MHz無線技術它的工作方式是全雙工模式傳輸在抗干擾性能上要比27MHz有著絕對的優(yōu)勢這個優(yōu)勢決定了它的超強抗干擾性以及最大可達10米的傳輸距離此外24G無線技術還擁有理論上2M的數據傳輸速率比藍牙的1M理論傳輸速率提高了一倍這就為以后的應用層提高了可靠的保障24G有著自己獨到的優(yōu)勢所在相比藍牙它的產品制造成本更低提供的數據傳輸速率更高相比同樣免費的27MHz無線技術它的抗干擾性最大傳輸距離以及功耗都遠遠超出2141NRF24L01簡介nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件工作于24GHz～25GHzISM頻段內置頻率合成器功率放大器晶體振蕩器調制器等功能模塊并融合了增強型ShockBurst技術其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置nRF24L01功耗低在以-6dBm的功率發(fā)射時工作電流也只有9mA接收時工作電流只有123mA多種低功率工作模式掉電模式和空閑模式使節(jié)能設計更方便2142DS18B20的特性管腳排列及內部邏輯結構1nRF24L01主要特性如下GFSK調制硬件集成OSI鏈路層具有自動應答和自動再發(fā)射功能片內自動生成報頭和CRC校驗碼數據傳輸率為lMbs或2MbsSPI速率為0Mbs～10Mbs125個頻道與其他nRF24系列射頻器件相兼容QFN20引腳4mm×4mm封裝供電電壓為19V～36V2管腳分布見圖2-9圖2-9NRF24L01管腳分布各管腳的定義如下引腳名稱引腳功能描述1CE數字輸入RX或TX模式選擇2CSN數字輸入SPI片選信號3SCK數字輸入SPI時鐘4MOSI數字輸入從SPI數據輸入腳5MISO數字輸出從SPI數據輸出腳6IRQ數字輸出可屏蔽中斷腳7VDD電源電源3V8VSS電源接地0V9XC2模擬輸出晶體震蕩器2腳10XC1模擬輸入晶體震蕩器1腳外部時鐘輸入腳11VDD_PA電源輸出給RF的功率放大器提供的18V電源12ANT1天線天線接口113ANT2天線天線接口214VSS電源接地0V15VDD電源電源3V16IREF模擬輸入參考電流17VSS電源接地0V18VDD電源電源3V19DVDD電源輸出去耦電路電源正極端3NRF24L01內部邏輯結構見圖2-10圖2-10NRF24L01內部邏輯結構2143NRF24L01工作模式NRF24L01有工作模式有三種收發(fā)模式空閑模式關機模式工作模式由PWR_UPregisterPRIM_RXregister和CE決定見表2-11表2-11NRF24L01工作模式模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 接收 1 1 1 發(fā)射 1 0 1 數據已在發(fā)射堆棧里 發(fā)射 1 0 10 當CE有下降沿跳變時數據已經發(fā)射 空閑2 1 0 1 發(fā)射堆?？? 空閑 1 0 此時沒有數據發(fā)射 掉電 0 1收發(fā)模式收發(fā)模式有EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種1EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式在EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式下使用片內的先入先出堆棧區(qū)數據低速從微控制器送入但高速1Mbps發(fā)射這樣可以盡量節(jié)能因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數據發(fā)射速率與射頻協(xié)議相關的所有高速信號處理都在片內進行這種做法有三大好處盡量節(jié)能低的系統(tǒng)費用低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射數據在空中停留時間短抗干擾性高EnhancedShockBurstTM技術同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流在EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式下NRF24L01自動處理字頭和CRC校驗碼在接收數據時自動把字頭和CRC校驗碼移去在發(fā)送數據時自動加上字頭和CRC校驗碼在發(fā)送模式下置CE為高至少10us將時發(fā)送過程完成后EnhancedShockBurstTM發(fā)射流程A把接收機的地址和要發(fā)送的數據按時序送入NRF24L01B配置CONFIG寄存器使之進入發(fā)送模式C微控制器把CE置高至少10us激發(fā)NRF24L01進行EnhancedShockBurstTM發(fā)射DN24L01的EnhancedShockBurstTM發(fā)射1給射頻前端供電2射頻數據打包加字頭CRC校驗碼3高速發(fā)射數據包4發(fā)射完成NRF24L01進入空閑狀態(tài)EnhancedShockBurstTM接收流程A配置本機地址和要接收的數據包大小B配置CONFIG寄存器使之進入接收模式把CE置高C130us后NRF24L01進入監(jiān)視狀態(tài)等待數據包的到來D當接收到正確的數據包正確的地址和CRC校驗碼NRF2401自動把字頭地址和CRC校驗位移去ENRF24L01通過把STATUS寄存器的RX_DR置位STATUS一般引起微控制器中斷通知微控制器F微控制器把數據從NewMsg_RF2401讀出G所有數據讀取完畢后可以清除STATUS寄存器NRF2401可以進入四種主要的模式之一2ShockBurstTM收發(fā)模式ShockBurstTM收發(fā)模式下使用片內的先入先出堆棧區(qū)數據低速從微控制器送入但高速1Mbps發(fā)射這樣可以盡量節(jié)能因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數據發(fā)射速率與射頻協(xié)議相關的所有高速信號處理都在片內進行這種做法有三大好處盡量節(jié)能低的系統(tǒng)費用低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射數據在空中停留時間短抗干擾性高nRF24L01的ShockBurstTM技術同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流在ShockBurstTM收發(fā)模式下nRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼在接收數據時自動把字頭和CRC校驗碼移去在發(fā)送數據時自動加上字頭和CRC校驗碼當發(fā)送過程完成后數據準備好引腳通知微處理器數據發(fā)射完畢ShockBurstTM發(fā)射流程A當微控制器有數據要發(fā)送時其把CE置高使NRF24L01工作B把接收機的地址和要發(fā)送的數據按時序送入NRF24L01C微控制器把CE置低激發(fā)nRF24L01進行ShockBurstTM發(fā)射DnRF24L01的ShockBurstTM發(fā)射過程如下給射頻前端供電射頻數據打包加字頭CRC校驗碼高速發(fā)射數據包發(fā)射完成nRF2401進入空閑狀態(tài)ShockBurstTM接收流程A配置本機地址和要接收的數據包大小B進入接收狀態(tài)把CE置高C200us后NRF24L01進入監(jiān)視狀態(tài)等待數據包的到來D當接收到正確的數據包正確的地址和CRC校驗碼NRF24L01自動把字頭地址和CRC校驗位移去ENRF24L01通過把DR1這個引腳一般引起微控制器中斷置高通知微控制器F微控制器把數據從nRF2401移出G所有數據移完NRF24L01把DR1置低此時如果CE為高則等待下一個數據包如果CE為低開始其它工作流程3直接發(fā)送模式A當微控制器有數據要發(fā)送時把CE置高BnRF2401射頻前端被激活C所有的射頻協(xié)議必須在微控制器程序中進行處理包括字頭地址和CRC校驗碼直接接收模式A一旦nRF2401被配置為直接接收模式DATA引腳將根據天線接收到的信號開始高低變化由于噪聲的存在BCLK1引腳也開始工作C一旦接收到有效的字頭CLK1引腳和DATA引腳將協(xié)調工作把射頻數據包以其被發(fā)射時的數據從DATA引腳送給微控制器D這頭必須是8位EDR引腳沒用上所有的地址和CRC校驗必須在微控制器內部進行2空閑模式NRF24L01的空閑模式是為了減小平均工作電流而設計其最大的優(yōu)點是實現節(jié)能的同時縮短芯片的起動時間在空閑模式下部分片內晶振仍在工作此時的工作電流跟外部晶振的頻率有關3關機模式在關機模式下為了得到最小的工作電流一般此時的工作電流為900nA左右關機模式下配置字的內容也會被保持在NRF24L01片內這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別2144NRF24L01配置過程NRF2401的所有配置工作都是通過SPI完成共有30字節(jié)的配置字我們推薦NRF24L01工作于EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式這種工作模式下系統(tǒng)的程序編制會更加簡單并且穩(wěn)定性也會更高因此下文著重介紹把NRF24L01配置為EnhancedShockBurstTM收發(fā)模式的器件配置方法ShockBurstTM的配置字使NRF24L01能夠處理射頻協(xié)議在配置完成后在NRF24L01工作的過程中只需改變其最低一個字節(jié)中的內容以實現接收模式和發(fā)送模式之間切換ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個部分數據寬度聲明射頻數據包中數據占用的位數這使得NRF24L01能夠區(qū)分接收數據包中的數據和CRC校驗碼地址寬度聲明射頻數據包中地址占用的位數這使得NRF24L01能夠區(qū)分地址和數據地址接收數據的地址有通道0到通道5的地址CRC使NRF24L01能夠生成CRC校驗碼和解碼當使用NRF24L01片內的CRC技術時要確保在配置字CONFIG的EN_CRC中CRC校驗被使能并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議2145NRF24L01接口電路見圖2-11圖2-11NRF24L01接口電路2146NRF24L01控制程序includesbitMISOP13sbitMOSIP14sbitSCKP15sbitCEP16sbitCSNP37sbitIRQP12sbitLED2P35sbitLED1P34sbitKEY1P30sbitKEY2P31SPInRF24L01commandsdefineREAD_REG0x00DefinereadcommandtoregisterdefineWRITE_REG0x20DefinewritecommandtoregisterdefineRD_RX_PLOAD0x61DefineRXpayloadregisteraddressdefineWR_TX_PLOAD0xA0DefineTXpayloadregisteraddressdefineFLUSH_TX0xE1DefineflushTXregistercommanddefineFLUSH_RX0xE2DefineflushRXregistercommanddefineREUSE_TX_PL0xE3DefinereuseTXpayloadregistercommanddefineNOP0xFFDefineNoOperationmightbeusedtoreadstatusregisterSPInRF24L01registersaddressesdefineCONFIG0x00ConfigregisteraddressdefineEN_AA0x01EnableAutoAcknowledgmentregisteraddressdefineEN_RXADDR0x02EnabledRXaddressesregisteraddressdefineSETUP_AW0x03SetupaddresswidthregisteraddressdefineSETUP_RETR0x04SetupAutoRetransregisteraddressdefineRF_CH0x05RFchannelregisteraddressdefineRF_SETUP0x06RFsetupregisteraddressdefineSTATUS0x07StatusregisteraddressdefineOBSERVE_TX0