基于无线传感网的冷库环境参量监控系统电子信息工程毕业设计终稿
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本 科 毕 业 论 文

题目: 基于无线传感网的冷库环境参量监控系统

学院: 电子信息工程学院

班级: 电信12-2班

姓名: 李 杰

指导教师: 邓翔宇 职称: 教授

完成日期: 年 月 日

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- I - 摘 要

温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域, 又由于近年来, 数字家庭、无线通信、无线控制、无线定位、无线组网和移动连接等词语的频频映入我们的眼帘,灌入我们的耳朵。正是由于IT 产业的高速发展、网络的普及、产品的智能化以及单片机强有力的功能拓展,才使得它们逐渐来到我们的身边,进入我们的生活。日益相关的信息报道足以预测这些新技术必将具有强大生命力和广阔的市场前景。

本文设计完成的环境参量监测平台可以针对现实中的众多场合实施有效地信息监测,于遇到一些异常数据的情况,可以显示冷库信息及时对异常信息报警,并将数据实时存储到数据库中,备日后分析。总体来讲,该监测平台可靠性高、稳定性强、能耗低,操作简单方便,可应用领域广,达到了预期设计的要求。

关键词:冷库环境 无线传感网

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- II - Abstract

Temperature control system is widely used in various fields of social life, and because in recent years, digital home, wireless communication, wireless control, wireless positioning, wireless network and mobile connection words frequently greet our eyes, poured into our ears. It is because of the rapid development of IT industry, the popularity of the network, the product of intelligent and powerful function of the MCU development, so that they gradually come to our side, into our lives. Increasingly relevant information is sufficient to predict these new technologies will have a strong vitality and broad market prospects.

In this paper the design of environment parameters monitoring platform can be in view of the reality of the numerous occasions implementation to effectively monitor information, to meet some abnormal data, can display the cold storage information in a timely manner to the abnormal information of alarm, and real-time data storage to the database, analysis in the future. Generally speaking, the monitoring platform has high reliability, strong stability, low energy consumption, simple and convenient operation, can be widely used in the field, to achieve the desired design requirements.

Key Words: Cold storage environment Wireless sensor network

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- III - 目 录

摘要

Abstract

引言

1 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 无线传感网络概述

1.2.1无线传感网络的系统结构

1.2.2无线传感网络的特点

1.3基于无线传感网络的研究内容 2 系统总体设计

2.1系统总体方案

2.2冷库环境参量采集系统设计

2.2.1 冷库温度的采集

2.2.2 冷库湿度的采集

2.3 参量的无线传输

2.4 系统显示及控制电路

2.5参量超限报警电路 3 系统硬件设计与实现

3.1 温度采集模块

3.1.1 DS18B20介绍

3.1.2单总线介绍

3.2湿度采集模块

3.2.1 HIH3610介绍

3.2.2 A/D转换电路

3.3 无线收发模块

3.3.1无线收发芯片的选择

3.3.2 PTR8000简介

3.3.3 PTR8000的工作过程

3.3.4 PTR8000的编程过程

3.4 LCD显示模块

3.4.1字符型液晶显示模块

3.4.2字符型液晶显示模块引脚

3.5 主控制单元的设计

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- IV - 3.4.1单片机的选型

3.4.2电源电路设计

3.4.3 AT89S52复位电路设计

3.4.4晶振电路设计

4 软件部分的设计与实现

4.1 温度检测模块的软件设计

4.1.1温度数据的发送流程图

4.1.2温度数据的处理方法

4.2 发射模块的软件设计

4.2.1 PTR8000发射程序设计

4.2.2 PTR8000发射及接收过程

结论与展望

致 谢

参考文献

附录A 基于无线传感网络的冷库环境监控系统的原理图 附录B 一篇引用的外文文献及其译文

附录C 主要参考文献的题录及摘要

附录D 源程序

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- 1 - 第一章 绪 论

1.1 课题背景与意义

冷库是发展冷藏业的基础设施,也是在低温条件下贮藏货品的建筑群。食品保鲜主要以食品冷藏链为主,将易腐畜禽、果蔬、水产、速冻食品经过预冷、加工、储存和冷藏运输,有效地保持食品的外观、色泽、营养成分及风味物质,达到食物保质保鲜,延长食品的保存期为目的,起到调剂淡、旺季市场的需求并削减生产与销售过程中经济损耗的作用。随着市场经济的不断发展、现代物流系统的不断完善,食品冷藏链的产业化发展前景十分广漠。

近几年来,我国冷库扶植成长十分迅速,首要分布在各水果、蔬菜生产区和大中城市郊区的蔬菜基地。据统计,国内现有冷冻冷藏能力已达500 多万t ,此中外资、中外合资和个体冷库约占50 万t ,国有冷库450 多万t ,分属于内贸、农业、外贸和轻工系,此中内贸系统冷库容量达300 多万t ,占国内总量的60%以上。我国商业系统拥有果蔬储藏库面积达200多万平米,仓储本领达130多万t ,此中机械冷藏库70多万t ,通俗库为60多万t 。

果品蔬菜保鲜平常采用最低温度为-2 ℃的高温库,水产、肉食类保鲜采用温度在-18℃以下的低温库,而我国的贮藏冷库大多数为高温库。大型冷库一般采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统,冷却设备多为排管,系统复杂,实现自动化控制难度大。小型冷库一般采用以氟里昂为制冷剂的分散式或集中式制冷系统。在建造方面以土建冷库偏多,自动化控制水平普遍较低。装配式冷库近几年来有所发展。

伴随着社会的进步和生产的需要,利用无线传输技术对环境数据进行监控传送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。

在冷库现场,由于存储环境因素,工作人员不能长时间停留在现场观察设备是否运行正常,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,由冷库厂房大、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

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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,而且类似于这种环境参量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冷库环境数据采集,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。

1.2无线传感网络概述

1.2.1无线传感网络的系统结构

无线传感器网络的系统结构如图 1.1所示,一般包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点(management node)。大量传感器节点随机部署在被监测区域内或非 常靠近被监测区域的地方,通过自组织方式构成网络,传感器节点将监测的数据经过多跳后路 由传输到汇聚节点,汇聚节点通过公共通信网络(如互联网、卫星等)将数据发送到管理节点。 监测者通过管理节点对传感器网络进行管理和配置、发布检测任务、收集监测数据。

图 1.1 无线传感器网络结构图

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制,它的处理能力、存储能力和通信能力较弱,通常只与自身通信范围内的邻居节点交换数据, 通过携带能量有限的电池供电。要访问通信范围以外的节点,必须使用多跳路由。为了保证采 集到的数据信息能够通过多跳送到汇聚节点,节点的分布要相当密集。从网络功能上看,每个 传感器节点都具有信息采集和路由的双重功能,除了

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- 3 - 进行本地信息收集和数据处理外,还要存 储、管理和融合其他节点转发过来的数据,同时与其他节点协作完成一些特定任务。

汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力,它既可以是一个具有增强功能 的传感器节点,有足够的能量供给和内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信

1.2.2无线传感网络的特点

无线传感器网络是一种“智能”网络,与目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域 网、蓝牙网络等有相似之处,但同时也存在很大的差别。传统无线网络的首要设计目标是 提供高服务质量和高效的带宽利用,其次才考虑节约能源,而无线传感器网络的首要设计目标 是能源的高效使用。无线传感器网络具有以下主要特点:

(1) 传感器节点数目大,密度高 为了获取精确信息,在监测区域通常部署大量传感器节点,传感器节点数量可能达到成千上万,甚至更多。大量节点能够增大覆盖的监测区域,减少盲区。

(2) 传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限 随着传感器的微型化,在设计中大部分节点的能量靠电池供电,其能量有限,而由于条件限制,难以在使用中给节点更换电池,所以传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计 的瓶颈,它直接决定了网络的工作寿命;另一方面,传感器节点的计算能力和存储能力都较低, 使得其不能进行复杂的计算和数据存储。

(3) 无线传感器网络具有自组织能力 在传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,这样就要求传感器节点具 有自组织的能力,能够自动进行配置和管理。

(4) 传感器节点具有数据融合能力 在无线传感器网络中,由于传感器节点的数目大,很多节点会采集到具有相同类型的数据,因而通常要求其中的一些节点具有数据融合能力,能对来自多个传感器节点采集的数据进行融 合,再送给信息处理中心。数据融合可以减少冗余数据,从而可以减少在传送数据过程中的能 量消耗,延长网络的寿命。

(5) 动态的的网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变:环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化,甚至时断时通;传感器网络 的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;新节点的加入。这就要求传感器网 络系统要能够适应这种变化,具有动态的系统可重构性。

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1.3基于无线传感网络的研究内容

本文中我们主要研究了无线传输技术在整个系统中所起的关键作用,对温度传感器的选择,主控单元的设计以及一些外围电路的设计,使之各分模块能更好的融入整个系统,使系统更协调的工作,同时考虑了方案的可行性、可靠性及经济性。

系统的无线收发模块采用了nRF905射频芯片,并有低功耗单片机AT89S52控制实现短距离无线数据通信。该接口设计具有成本低、功耗低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。整个系统有发送和接收二部分,通过nRF905无线数据通信收发模块来实现无线数据传输。发送部分以单片机AT89S52为核心,使用温度转换芯片DS18B20实时采集温度数据。将采集的温度数据无线传送给接收部分,然后再在数码管上显示。本系统的核心控制芯片选用的是AT89S52。在完成课题的过程中要做到以下几点:

(1)明确系统功能,完成系统功能模块划分;

(2)在系统需求及设计技术指标的要求下,对整个系统的实现提出具体的设计方案;

(3)在方案设计的基础上,结合技术指标及实现的难易程度,确定测温系统的实现方案及所用的各种软硬件环境,包括器件的选型;完成现场控制单元的硬件原理设计

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- 2 - 第2章 系统总体设计

2.1 系统总体方案

根据系统需要,经过分析,系统主要包括温度传感器、湿度传感器、无线收发模块、由单片机作为控制器的控制模块、显示模块及驱动模块。系统的设计框图如图2.1:

2.2 冷库环境参量采集系统设计

2.2.1冷库温度的采集

温度采集模块是系统设计的重点之一,直接影响整个系统对环境温度变化的反应速度、采集准确度以及精度等指标。

采用数字温度传感器DS18B20测量温度,输出信号全数字化。便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线性度较好。测量温度范围宽,测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 ℃ ~+ 125 ℃ ; 在 -10~+ 85°C 范围内,精度为 ± 0.5°C 。DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计DS1820和微控制器AT89S52构成

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- 3 - 的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89S52可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量,轻松的组建传感器网络。

采用温度芯片DS18B20测量温度,可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成,使总体电路更简洁,搭建电路和焊接电路时更快。而且,集成块的使用,有效地避免外界的干扰,提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。

2.2.2冷库湿度的采集

湿度采集选用HIH3610湿度传感器。HIH3610是美国Honeywell 公司生产的相对湿度传感器,该传感器采用热固聚酯电容式传感头,同时在内部集成了信号处理功能电路,因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值,再将电容值转换成线性电压输出的任务,同时该传感器还具有精度高、响应快、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。

测量范围:0~100%RH;

测量精度:-2~+2%RH;

电源电压:4~5.8V;

电源电流:200uA ;

输出范围:0.8~3.9V;

工作温度范围:-40~+85℃。

2.3 参量的无线传输

无线接收发射是系统设计的重点之一,它是连接监测端和被监测端的桥梁。无线模块对环境比较敏感,同时,无线模块的功耗、传输距离也是影响系统可用度的一个因素。所以必须选用能自己检测传输错误,并且功耗较小、传输距离长的无线模块。

采用PRT8000进行温度的发送和接收,该方案具有模块体积超小型,超低功耗,高速率,抗干扰能力强,开阔地时的使用距离最远可达1000米。

2.4 系统显示及控制电路

为了能够直观的得到冷库环境的实时参量数据,包括冷库环境的温度、湿度等,系统显示模块采用的是LCD 液晶显示屏,它是以若干个5×10点阵块组成,能显示英文字符和数字,具有低功耗、长寿命、高可靠性、清晰、体积小等特点。

控制电路方面,系统采用的是AT89S52 单片机,具有低功耗,高性能CMOS 8位的特点,片内含8k Bytes ISP(In-system programmable) 的可反复擦写1000次的Flash 只

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- 4 - 读程序存储器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash 存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点:40个引脚,4k Bytes Flash片内程序存储器,128 bytes的随机存取数据存储器(RAM ),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT )电路,片内时钟振荡器。

2.5 参量超限报警电路

水果蔬菜保鲜通常采用最低温度为-2 ℃的高温库,水产、肉食类保鲜采用温度在-18℃以下的低温库。所以根据冷库类型的不同,可事先设定符合食品储藏的温度范围,当所检测到冷库内环境的温、湿度超过或者低于所设定标准值时,报警电路便发出报警,提醒工作人员对湿度进行控制。

本次设计采用蜂鸣器报警。蜂鸣器俗称喇叭,是广泛运用于各种电子产品的一种元器件,它用于提示、报警、音乐等许多运用场合。

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- 5 - 第3章 硬件系统的设计与实现

3.1 温度采集模块

3.1.1 DS18B20介绍

温度芯片DS18B20是Dallas 公司生产的单线式数字温度传感器,具有3引脚TO -92小体积封装形式。测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。测量温度范围为 -55℃~+125℃,在-10℃~+85℃范围内,精度为±0.5℃。其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生。CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。由于每一个DS18B20都有唯一系列号,因此多个DS18B20可以存在同一条单总线上。这允许许多不同地方放置温度灵敏器件。此特性的应用范围包括HAVC 环境控制,建筑物、设备或机械内的温度检测,以及过程监控和控制中的温度检测等。DS18B20的内部结构如图3.1所示。

图3.1 DS18B20方框图 DS18B20有4个主要的数据部件:

A 、64位激光ROM 。64位激光ROM 从高位到低位依次为8位CRC 、48位序列号和8位家族代码(28H)组成。

B 、温度灵敏元件。

C 、非易失性温度报警触发器TH 和TL 。可通过软件写入用户报警上下限值。

D 、配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。其中R0、R1:温度计分辨率设置位,其对应四种分辨率如下表所列,出厂时R0、R1置为缺省值:R0=1,R1=1(即12位分辨率),用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。

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表3-1分辨率关系表

经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,

数据格式如表3-1所示。对应的温度计算:当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;当S=1时,先将补码变为原码,再计算十进制值。 表3-2 DS18B20存储器

DS18B20严格遵循单总线协议,工作时,主机先发一复位脉冲,使总线上的所有DS18B20都被复位,接着发送ROM 操作指令,使序列号编码匹配的DS18B20被激活,准备接受下面的RAM 访问指令。RAM 访问指令控制选中的DS18B20工作状态,完成整个温度转换,读取等工作。在ROM 命令发送之前,RAM 命令不起作用。表3-3列出了所有操作命令。 表3-3命令表

作。它的数据读写主要由主机读写特定的时间片来完成,包括复位(初始化)、读时间

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- 7 - 片和写时间片。

1 、复位时序

使用DS18B20时, 首先需将其复位, 然后才能执行其它命令。复位时, 主机将数据线拉为低电平并保持480us ~960us, 然后释放数据线, 再由上拉电阻将数据线拉高15us ~60us, 等待DS18B20发出存在脉冲, 存在脉冲有效时间为60us ~240us ,这样,就完成了复位操作。其复位时序如图3.5所示。

480us~960us主机检测存在脉冲60us~120us

等待Vcc

GND

图3.2复位时序

2 、“写”时序

在主机对DS18B20写数据时, 先将数据线置为高电平, 再变为低电平, 该低电平应大于1us 。在数据线变为低电平后15us 内, 根据写“1”或写“0”使数据线变高或继续为低。DS18B20将在数据线变成低电平后15us ~60us 内对数据线进行采样。要求写入DS18B20的数据持续时间应大于60us 而小于120us, 两次写数据之间的时间间隔应大于1us 。写时隙的时序如图3.6所示。“读”时序机理类似,不再赘述。

主机写0时隙

60us~120us主机写1时隙

60us~120us

>1sDS18B20检测

45us

45us

图3.3写时隙的时序

DS18B20芯片封装图(图3.4)及引脚定义。

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GND DQ 图3.4 DS18B20引脚图 (1)DQ为单数据总线,是数字信号输入/输出端;

(2)GND为电源地;

(3)VDD为外接供电电源

3.1.2单总线介绍

1-WIRE BUS单总线是Maxim 全资子公司Dallas 的一项专有技术。与目前多数标准串行数据通信方式, 如SPI/ IIC/ MICROWIRE 不同, 它采用单根信号线, 既传输时钟, 又传输数据, 而且数据传输是双向的。它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。在实际应用中还可以使用一个MOSFET 将I/O口线直接和电源相连,起到上拉的作用。电路如图:

图3.5单总线原理图 3.2 湿度采集模块

3.2.1 HIH3610介绍

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- 9 - 湿度采集选用HIH3610湿度传感器。HIH3610是美国Honeywell 公司生产的相对湿度传感器,该传感器采用热固聚酯电容式传感头,同时在内部集成了信号处理功能电路,因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值,再将电容值转换成线性电压输出的任务,同时该传感器还具有精度高、响应快、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。

3.2.2 A/D转换电路

本系统中,湿度为缓变信号,而且转换成的电平信号为低电平缓变信号,对A/D转换的要求不高,所以选用较为廉价的ADC0809。该芯片完全可以满足设计需要,并且可以根据需要扩展检测电路。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址译码后的信号,只选通8个单端模拟输入信号中的一个进行A/D转换。湿度采集及A/D转换电路图如图所示。

湿度采集及A/D转换电路

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- 10 - 3.3 无线收发模块

根据本设计的要求,为实现单片机和PC 机之间的无线数据传输,首先需要选择合适的无线收发的器件或者是模块,其次需要了解该器件或者是模块如何与单片机以及PC 机连接。

3.3.1无线收发芯片的选择

由于无线收发芯片的种类和数量比较多,如何在设计中选择所需要的芯片非常关键。正确的选择可以使开发工作少走弯路,以下几点是在选择芯片或者模块时所需要注意的问题:

1)收发芯片数据传输的编码方式

采用曼彻斯特编码的芯片,在编程上会需要较高的技巧和经验,需要更多的内存和程序容量,并且曼彻斯特编码大大降低数据的传输效率,一般仅能达到标称速率的1/3。而采用串口传输的芯片,如nRF401系列的芯片,应用及编程非常简单,传送的效率很高,标称速率就是实际速率,因为串口的编程相对简单,编程开发工作也很方便。

2) 外围元件数量

芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量,以及整个系统的复杂性,因此应该选择外围元件少的收发芯片。这方面nRF401是一个较为理想的选择。外围元件仅10个左右,无需声波滤波器、变容管等昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的4MHz 晶体收发天线合一。

3) 功耗

由于无线收发芯片是应用在测控系统上,因此功耗非常重要,应该根据需要选择综合功耗较小的模块。

4) 发射功率

在同等条件下,为了保证有效和可靠的通信,应该选用发射功率较高的产品。

5) 收发芯片的封装和管脚数

较少的引脚以及较小的封装,有利于减少PCB 面积。nRF401仅20脚,是管脚和体积最小的。

表3-4芯片的比较和选择

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的方便性、传输速度还是输出功率等各个方面,nRF401以及nRF905都是较为理想的无线数传芯片,而PTR2000是一款基于nRF401芯片的无线数据收发模块,PTR8000是一款基于nRF905的无线数据收发模块。 3.3.2 PTR8000简介

PTR8000是以挪威Nordic 公司的nRF905芯片为核心的无线收发模块。模块工作在433/868/915MHz 无线频段, 属于国际开放的ISM 频段, 无需向专业部门申请使用许可。PTR8000内置环形天线, 最大发射功率为+10dBm,采用高抗干扰的GFSK 调制, 数据传输速率为50Kbps, 具备独特的载波检测输出CD 、地址匹配输出AD 、数据就绪输出DR, 自动产生前导码和CRC, 使用SPI 接口与MCU 通信。PTR8000工作电压为1.9~3.6V,功率很低, 发射电流11mA, 接收电流为12.5mA, 待机电流2.5μA。PTR8000传输数据时为非实时方式, 即发送端发送数据, 接收端将接收到的数据先暂存与nRF905芯片的存储器内, 需要时MCU 再从芯片中读取。PTR8000芯片专为点对多点无线通信设计,内置数据协议和CRC 检错,无乱码输出,载波监测输出,点对多点通信硬件控制,全面升级替代PTR2000系列无线模块。

1.PTR8000芯片的产品特性如下所示:

1) 430/868/915Mhz高性能嵌入式无线模块,多频道多频段,1.9~3.6V 低电压工作,待机功耗2μA;

2) 超小体积,内置环形天线,性能稳定且不受外界影响,对电源不敏感,距离更远;

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3) 最大发射功率+10dBm,高抗干扰GFSK 调制,可跳频,数据速率50Kbps ,独特的载波监测输出,地址匹配输出,数据就绪输出;

4) 内置完整的通信协议和CRC ,只需通过SPI 即可完成所有的无线收发传输,无线通信如同SPI 通信一样方便;

PTR8000的应用领域为:遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF 智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、信息家电、无线232、无线422/485数据通信等。

2.PTR8000基本电气特性 表3-5 PTR8000基本电气特性

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表3-6 PTR8000的引脚说明

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- 14 - 表3-7四种控制模式

3.3.3 PTR8000的工作过程

上电后CPU 首先对PTR8000模块进行配置。先将PWR 、TX_EN、TRX_CE设为配置模式,通过SPI 把配置字写入相应的寄存器。在掉电和待机模式下,配置内容仍然有效,只有当电源撤除了之后PTR8000中的数据才会丢失。当CPU 有数据要发射时,首先把PWR 、TX_EN置高,然后把接收节点地址和有效数据通过SPI 先写入PTR8000,再通过TRX_CE的一个上升沿来启动传输。之后PTR8000内部要进行无线系统加电、数据打包和编码发射等处理。当TRX_CE为低时,PTR8000结束数据传输并自动进入待机模式。接收数据时,首先要通过把TRX_CE置高、TX_EN置低来使PTR8000进入接收模式。模块等待650us 后检测空中的信息。如果发现与接收频率一致的载波时,载波检测(CD)输出高电平。如果接收到地址于本机地址一致时,地址匹配(AM)输出高电平。如果接收到的数据包校验正确,是有效数据包时,PTR8000会去掉前导码、地址和CRC 校验位,然后把数据准备就绪(DR)置为高电平。CPU 可以通过SPI 接口读出数据,数据读出后,AM 和DR 自动变为低电平。

PTR8000的SPI 配置

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- 15 - 用于SPI 接口的有用命令见下表当CSN 为低时SPI 接口开始等待一条指令任何一条新指令均由CSN 的由高到低的转换开始。

表3-8 SPI指令配置

表3-9 RF配置寄存器RF-Configuration-Register 说

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表3-10重要的时序数据在PTR8000工作时必须遵守下面的时序

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- 17 - 3.3.4 PTR8000的编程过程 由于与RF 协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在模块内部PTR8000可与各种低成本单片机配合使用也可以与DSP 等高速处理器配合使用PTR8000 提供一个SPI 接口速率由微控制器自己设定的接口速度决定在RX 模式中地址匹配AM 和数据准备就绪DR 信号通知MCU 一个有效的地址和数据包已经各自接收完成微控制器即可通过SPI 读取接收的数据在TX 模式中PTR8000自动产生前导码和CRC 校验码数据准备就绪DR 信号通知MCU 数据传输已经完成这意味着降低MCU 的存储器需求也就是降低MCU 成本同时缩短软件开发时间

1、配置编程

(1)上电以后MCU 首先配置PTR8000模块先将PWR 、TXEN 、TRX_CE设为配置模式见表3-8

(2)MCU 通过SPI 将配置数据移入PTR8000模块在掉电和待机模式工作后配置内容仍然有效配置数据只有当电源撤除后才会丢失

2、发射模式

(1)当MCU 有数据需要发往规定节点时接收节点的地置TX-address 和有效数据TX-payload 通过SPI 接口传送给PTR8000应用协议或MCU 设置接口速度

(2)MCU 设置TRX_CE TX_EN为高来启动传输

3、PTR8000内部处理

(1) 无线系统自动上电

(2) 数据包完成加前导码和CRC 校验码

(3) 数据包发送100kbps GFSK曼切斯特编码

4、如果AUTO_RETRAN被设置为高PTR8000将连续地发送数据包直到TRX_CE被设

置为低

5、当TRX_CE被设置为低时PTR8000结束数据传输并将自己设置成待机模式

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- 18 - TX timingT2T3

PWR_UP

TX_EN

TRX_CE

TX DATA

TIME

T1T0CSN

MOSI

图3.7发射时序图

接收模式

(1)通过设置TRX_CE高TX_EN低来选择RX 模式

(2)650us 以后PTR8000 监测空中的信息

(3)当PTR8000 发现和接收频率相同的载波时载波检测(CD )被置高

(4)当PTR8000 接收到有效的地址时地址匹配(AM )被置高

(5)当PTR8000 接收到有效的数据包(CRC 校验正确)时PTR8000去掉前导码地

址和CRC 位数据准备就绪(DR )被置高

(6)MCU 设置TRX_CE低电位进入standby 模式(待机模式)

(7)MCU 可以以合适的速率通过SPI 接口读出有效数据

(8)当所有的有效数据被读出后PTR8000将AM 和DR 置低

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综上所述,此收发模块与单片机的基本连接电路图如图3.9所示

图3.9单片机与PTR8000的通信电路

3.4 LCD显示模块

本显示模块使用比较通用的LCD1602液晶屏,,它是以若干个5 X 10点阵块组成,具有清晰、快速、可靠等特点。

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本系统采用单片机P0口作为LCD1602的数据端口,E 使能端使用单片机的P2.3口,RW 使用单片机的P2.2口,RS 使用单片机的P2.1口,VO 背光接地,电源采用+5v。排阻RR1为单片机P0口的上拉电阻。 3.4.1字符型液晶显示模块

字符型液晶显示模块是一类专门用于显示字母,数字,符号等的点阵式液晶显示模块。在显示器件上的电极图型设计,它是由若干个5*7或5*11等点阵符位组成。每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间有一空点距的间隔起到了字符间距和行距的作用。

3.4.2字符型液晶显示模块引脚

VSS 为地电源,VDD 接5V 正电源,VL 为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度。RS 为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW 为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS 和RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS 为低电平RW 为高电平时可以读忙信号,当RS 为高电平RW 为低电平时可以写入数据。E 端为使能端,当E 端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。DB0~DB7为8位双向数据线,BLK 和BLA 是背光灯电源[7]。模块引脚如表3-11。 表3-11字符型液晶显示模块引脚

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LC D 1602

C C

图3.10显示模块电路图

3.5 主控制单元的设计

3.5.1单片机的选型

本课题设计的温度控制系统主控制芯片选型为AT89S52单片机,其特点如下: 1.AT89S52单片机简介

目前,52系列单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用,因此我们可以在许多单片机应用领域中,配接各种类型的语音接口,构成具有合成语音输出能力的综合应用系统,以增强人机对话的功能。AT89S52单片机是在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括:一个8位的微型处理器CPU ;一个512K 的片内数据存储器RAM ;4K 片内程序存储器;四个8位并行的I/O接口P0-P3,每个接口既可以输入,也可以输出;两个定时器/记数器;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART 的串行I/O口;片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是12MHZ 。以上各个部分通过内部总线相连接。

2.AT89S52单片机时序

AT89S52单片机的一个执器周期由6个状态(s1—s6) 组成,每个状态又持续2个震荡周期,分为P1和P2两个节拍。这样,一个机器周期由12个振荡周期组成。若采用

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- 22 - 12MHz 的晶体振荡器,则每个机器周期为1us ,每个状态周期为1/6us ;在一数情况下,算术和逻辑操作发生在N 期间,而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令,当指令操作码读人指令寄存器时,使从S1P2开始执行指令。如果是双字节指令,则在同一机器周期的s4读人第二字节。若为单字节指令,则在52期间仍进行读,但所读入的字节操作码被忽略,且程序计数据也不加1。在加结束时完成指令操作。多数AT89S52指令周期为1-2个机器周期,只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令,它们需4个机器周期。 对于双字节单机器指令,通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节,但Movx 指令例外,Movx 指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令,在执行Movx 指令期间,外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。

3.AT89S52单片机引脚介绍

AT89S52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚,2个外接晶振的引脚,4个控制或与其它电源复用的引脚,以及32条输入输出I/O引脚。

下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。

(1)电源引脚Vcc 和Vss

Vcc (40脚):接+5V电源正端;

Vss (20脚):接+5V电源正端。

(2)外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1(19脚):接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成采用外部时钟时,对于HMOS 单片机,该引脚接地;对于CHOMS 单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2(18脚):接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,对于HMOS 单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS 芯片,该引脚悬空不接。

(3)控制信号或与其它电源复用引脚

控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN 和EA/VPP等4种形式。

(A )RST/VPD(9脚):RST 即为RESET ,VPD 为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个机器周期的高电平,就可实现复位操作,使单片机复位到初始状态。

当VCC 发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚可接上备用电源VPD (+5V)为内部RAM 供电,以保证RAM 中的数据不丢失。

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- 23 - (B )ALE/ P (30脚):当访问外部存储器时,ALE (允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低

(C )PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端, 低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间,每个机器周期PESN 两次有效,以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间,PESN 信号将不出现。

(D )EA/Vpp(31脚):EA 为访问外部程序储器控制信号,低电平有效。当EA 端保持高电平时,单片机访问片内程序存储器4KB (MS-52子系列为8KB )。若超出该范围时,自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA 端保持低电平时,无论片内有无程序存储器,均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM 的单片机,在EPROM 编程期间,该引脚用于接21V 的编程电源Vpp 。

(4)输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口

(A) P0口(39脚~22脚):P0.0~P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展

I/O接口时,它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时,P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。

对于片内含有EPROM 的单片机,当EPROM 编程时,从P0口输入指令字节,而

当检验程序时,则输出指令字节。

(B) P1口(1脚~8脚):P1.0~P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。

对于MCS —52子系列单片机,P1.0和P1.1还有第2功能:P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2;P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX 。对于EPROM 编程和进行程序校验时,P0口接收输入的低8位地址。

(C) P2口(21脚~28脚):P2.0~P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时,P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM 编程和进行程序校验时,P2口接收输入的8位地址。

(D) P3口(10脚~17脚):P3.0~P3.7统称为P3口。它为双功能口,可以作为一

般的准双向I/O接口,也可以将每1位用于第2功能,而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见下表

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- 24 - 表3-12单片机P3.0管脚含义

1). 单片机功能多,引脚数少,因而许多引脚具有第2功能;

2). 单片机对外呈3总线形式,由P2、P0口组成16位地址总线;由P0口分时复用作为数据总线。

3.5.2电源电路设计

控制系统主控制部分电源需要用5V 直流电源供电,把频率为50Hz 、有效值为220V 的单相交流电压转换为幅值稳定的5V 直流电压。其主要原理是把单相交流电经过电源

变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。 由于输入电压为电网电压,一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大,因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压,所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量,会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波,使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响,从而获得稳定性足够高的直流电压。本电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳压问题。

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图3.11电源部分连线图

3.5.3 AT89S52复位电路设计

【方案二】:外部复位电路

按下开关时,电源通过电阻对外接电容进行充电,使RES 端为高电平,复位按钮松开后,电容通过下拉电阻放电,逐渐使RET 端恢复低电平,如图3.13所示。

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3.5.4晶振电路设计