无线温度采集系统的设计.docx

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1、摘要本文介绍的是一个由单片机构成的无线温度控制系统，它利用8051单片机和DS18B20 及数码管等其他器件实现。温度测量局部工作原理是单片机利用DS18B20对温度进行采集, 然后进行无线发送，接收端收到信号后，进行解码，之后实现温度显示。温度控制局部工 作原理是由键盘输入欲设定的温度。温度控制信号送入CPU处理，通过PID算法输出控制 信号，经无线收发电路发射出去，接受端收到信号经CPU处理控制半导体温控装置到达欲 设定的温度。本文对硬件和软件进行了框图设计，protel原理图设计，程序框图设计，源 程序设计，文后附录了完整源程序。随着工农业生产对温湿度的要求越来越高，准确测量温度变得至关

2、重要。本文设计主 要是针对恶劣环境下的工业现场以及高科技大范围的农业现场，布线困难，浪费资源，占 用空间，可操作性差等问题做出的一个解决方案。该方案主要是利用热电偶采集外界的温 度，利用无线传输实现在上位机显示采集到的温度，并对数据进行相应的比照和处理。关键词：温度数据采集，无线传输，单片机，PC机目录摘 要0目录0一、绪论2二、系统方案的总体设计32. 1系统方案设想42.2系统方案确实定42.2. 1传感器方案42.2.2 短距离无线通信模块方案52.2.3 系统控制及数据处理模块方案52.3器件的选用62.3.1 数字式温度传感器的选择62.3.2 无线收发芯片的选择82.3.3 键盘显

3、示模块的选择92.3.4 温度控制模块的选择10三、无线温度采集原理101.1. 无线温度采集的原理103. 2.温度传感器简介10四电路的硬件设计123.1. 温度采集局部电路设计133.1.1 温度数据采集硬件接口电路134. 1.2数字式温度传感器DS18B20144.2无线收发电路的设计184.2 . 1 nRF401芯片的介绍184.3 .2典型应用电路说明184. 3单片机的选择204. 4键盘显示电路的设计214. 4.1键盘硬件电路的设计214. 4.2显示电路的设计224.5 温度控制局部电路设计234.5.1 1 D/A转换电路234.5.2 比例积分电路234.5.3 半

4、导体制冷器驱动电路274.6 相关控制电路设计28五、系统的软件设计285.1 主程序设计295. 1. 1上位机主程序296. 1.2下位机主程序295.2子程序设计311.1.1 1 nRF401的通信子程序311.1.2 温度测量子程序321.1.3 PlD控制子程序32六、制作与调试366. 1制作367. 2调试39七、总结40致谢40参考文献41附录42一、绪论随着社会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式已经渗透到社 会生活生产的每一个角落，温度测量的准确度在影响生产效益的同时也在逐步得到社会的 重视。在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察

5、设备是否运行 正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内，工作人员可以在这里将 控制指令传输给现场执行模块进行各种操作。这样就会产生数据传输问题，由于厂房大、 需要传输数据多，使用传统的有线数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源, 占用空间，可操作性差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的 环境不允许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进行 数据采集。在农业生产上，不管是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都是采取分区 取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积大，检测目标分散，测 点较多，传统的方法

6、已经不能满足当前农业开展的需要。当前的科技水平下，无线通信技 术的开展使得温度采集测量精确，简便易行。在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。如今 很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术采集室内温 度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内温度湿度，可以更 好地改善人们的居住环境。以上只是简单列举几个现实的例子，在现实生活中，这种温度采集系统已经被 成功应用于工农业、环境监测、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类似于 这种温度采集系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。因此，对于 如何利用无线通信技术进行数据采

7、集，尤其是如何提高无线数据采集的精度等课题的 研究就变得非常的有意义。二、系统方案的总体设计温湿度的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。因此，系统的总 体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构 要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于适宜的参数、稳定的性能、较低的功耗、 低廉的本钱以及较好的互换性能。2.1 系统方案设想系统采用近几年来成熟的各种温湿度传感技术、短距离无线通信技术、数据处理控制 技术和功能化模块来构造根本的系统功能。系统的功能往往决定了系统采用的结构，本系统要实现的是温湿度数据的测量、存储、 显示及后期处理等功能，因此，

8、系统的总体结构可以设想为温湿度采集模块、短距离无线 通信模块、系统控制及数据处理模块等几大局部。系统方案在温湿度数据采集局部主要有 三种设想：一是温湿度传感器选用传统的模拟式器件，二是选用集成式器件，三是选用数 字式传感器；在短距离无线通信局部主要有三种设想：一是采用蓝牙技术，二是采用红外 线技术，三是选用无线数传模块；在系统控制和数据处理局部也有两种设想：一是采用单 片机控制，二是采用DSP进行处理。2.2 系统方案确实定传感器方案传统的模拟式传感器具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。但是模拟传感器 的模拟信号需要先经过取样、放大和模数转换电路处理，再将转换得到的表示温湿度值的 数字信

9、号交由微处理器或DSP处理。被测信号从敏感元件接收的非电物理量开始，到转换 为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测试装置中元器 件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及小型化。而且模拟信号在长距离传输过程中， 容易受到电磁干扰而导致误差产生。在多点温湿度检测的场合，各被测点到测试装置之间 引线距离往往不同，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全 去除。另外，模数转换系统的精度也不可能很高，存在一定非线性，互换性较差。采用具有直接数字量输出的传感器能够防止上述问题。数字式传感器能把被测模拟量 直接换成数字量输出，可以直接与数字设备计算机，计数器，数

10、字显示系统等）相联， 用微控制器、DSP或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。它的信号原那么上不受放大器 和信号处理系统的温度漂移的影响，具有极高的抗干扰能力。数字式传感器具有高的测量 精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及多路测量，读数 直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。虽然存在反响速度较慢，温度测量的范围不 宽的缺点，数字式传感器技术的开展仍受到人们越来越多的重视。考虑系统的经济性和温 湿度传感器的优缺点及开展状况，确定温度传感器采用数字式。短距离无线通信模块方案蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放标准，已经得到了全球众多大企业的 支持。蓝牙技术同时支持

11、语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠 性高，蓝牙标准的核心局部协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现 互操作和交互式应用。但是蓝牙设备价格昂贵，通讯距离近，蓝牙RF定义了三种功率等 级00mw 25mw和1 mw),当蓝牙设备功率为1 mw时，其发射范围一般为IOmo红外线传输是使用红外线波段的电磁波来进行较近距离的传输。IrDA具有技术成熟、 体积小、功率低、传输速率高、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、保密性强、本钱 低廉等优点。也存在着只能视距传输、移动时不能传输、LED易磨损等缺点。随着大规模集成电路技术的开展，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发

12、芯片。短 距离无线通信系统的大局部功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发 芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。所有高频元件包括电 感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。射频芯 片一般采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协 议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成， 用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现根 本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、 抗干扰能力强等优点，而且开

13、发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的 无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。考虑系 统的经济性、传输距离，确定该局部电路设计使用无线收发芯片。无线收发芯片的可靠性 高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。使用该种方案无线通讯接 口与数据采集系统接口电路设计简单。系统控制及数据处理模块方案温度数据在采集后通常要进行数据处理，以实现测量数据的记录、显示和对测控系统 的控制。对于一般的工业测量与控制，多采用专用计算机系统进行测控。专用计算机系统是把采集系统作为一个独立完整的功能实体，用单片机或DSP来控制 整个系统。最主要的特征是系统

14、软、硬件规模完全根据应用系统的要求配置，独立性、可 扩展性好，因此系统具有较高的性价比。根据微处理器的不同，专用计算机应用系统可分 为DSP应用系统和单片机应用系统。DSP和单片机都是构成专用计算机系统的核心芯片，DSP主要用于复杂的数字信号处 理，DSP芯片中具有各种特殊功能的计算模块，采用流水线结构，提高了 DSP的运行速度。 由于DSP主要应用于高速数据处理，因此外部I/O接口比拟少，不便于系统扩展，因此 多数DSP系统还要通过单片机来进行外部接口扩展，这导致了 DSP的本钱较高，另外， DSP具有一定的专用性，开发过程比拟复杂，不便于通用。单片机是把微型机的主要局部集中在一个芯片上的单

15、芯片微型计算机。由于它的结构 与指令都按照工业控制要求设计的，故又称微控制器Microcontroller Unitb也可称微 型计算机Single Chip MicrocomputerL通常由微型计算机和外围设备组成，包括微处 理器CPU）、存储器存放程序指令或数据指令的ROM、RAM等）、输入/输出接口I/O） 及其它功能部件如定时器/计数器、中断系统等。单片机受集成度限制，片内存储容量较小， 一般ROM只有48K字节，RAM小于256字节，通过外部扩展，ROM RAM可扩展至64K 字节。与通用计算机系统相比，具有系统简单、功能易扩展、测控能力强、可靠性高。单 片机应用系统正在被各个领域广泛应用。采用单片机具有系统简单、开发容易，功能易扩展、测控能力强、可靠性高的特点。 尤其适用于系统中没有复杂的计算处理、对采集速度要求不高的数据采集处理系统。对于不要求高速的一般的数据采集与处理系统，采用DSP是不经济的方案。在单片机 能够满足系统对数据处理速度要求的情况下，单片机无异是首选的信息处理单元。2. 3器件的选用数字式温度传感器的选择随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速开展， 世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。这些产品的出现极大的丰富了设计工 程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出适宜的器件，应该把