无线温度采集与显示系统

王苗青

无线温度采集与显示系统

王苗青

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。

DS18B20 传感器；NRF905；AT89C51

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DS18B20。DS18B20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℃，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℃，以0．5℃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℃的值，温度寄存器值增加，表明测量温度大于55℃。

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、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）。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，10dBm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SPI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。

[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．

TP274.2

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1671-0711（2017）08（下）-0194-02