室内温度检测无线传输模块设计软件Word下载.docx
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主要完成工作如下：
1．基于DS18B20传感器和S12单片机的最小系统板完成了室内温度的采集。
2．以S12单片机的最小系统板为核心配置了无线串口收发模块，通信距离可达到200米以上，通信稳定性好。
3．完成了下位机传输程序的编写，传输参数的设置，以及以MAX232为基础的电平转换接口电路的设计。
4．用LabVIEW完成了上位机界面及其程序的编写，这样可以方便的观察时刻变化的温度状态，并且可生成相关曲线。
通过反复实验调试，结果表明设计的室内温度检测无线传输模块测量精度较准，稳定性好，单个模块的传输距离可达300m。
关键词：
温度传感器；
无线串口；
S12；
LabVIEW
Thedesignofwirelesstransmissionmodelforroomtemperaturedetection
ABSTRACT
Wirelessintelligenttemperaturecontrolsystemiswidelyusedinresearch,production,lifeandotherareas,thewirelesstransmissionmoduledesignisanimportantresearchcontent.S12MCUasthecoreconstitutesawirelesstemperaturecontrolsystem,andwiththeLabVlEWgraphicalprogramming,real-timedataacquisitionofhuman-computerinterface.Wecompletetheworkasfollows:
1．MinimumsystemboardbasedontheDS18B20sensorandS12MCUhascompletedtheacquisitionoftheindoortemperature.
2．S12microcontrollerminimumsystemboardisconfiguredasthecorewirelessserialtransceivermodule,thecommunicationdistanceupto200meters,communicationstability.
3．Completedthepreparationofthetransferprograminthenextbitmachine,thesetoftransmissionparameters,andMAX232basedlevel-shiftinginterfacecircuitdesign.
4．CompletedthepreparationofthehostcomputerinterfaceanditsprocedureswithLabVIEW,soyoucaneasilyobservethemomentofchangingthetemperaturestate,andgeneratesacorrelationcurve.
Debuggingthroughrepeatedexperiments,theresultsshowthatthedesignoftheindoortemperaturedetectionwirelesstransmissionmodulecalibrationmeasurementaccuracy,goodstability,asinglemoduletransmissiondistanceupto300m.
KEYWORD：
TemperatureSensor；
WrielessSerial；
第一章绪论
1.1研究背景
近年来，基于无线智能测温技术应用的不断增加，特别应用于环境监测、现代化农业生产、工业监控等领域。
作为无线产业新领域，短距离无线通信技术显示出强劲的发展势头，在受环境条件限制方面优势明显，甚至在一些特殊情况下，无线数据传输方式是实现数据传输的唯一方式。
传统的温度控制通常采用带有线路的有线连接方式，但对于有些场合，如旋转或移动物体的温度测量、环境恶劣人员无法涉足之处、不宜采用有线的环境。
随着无线通信技术和智能温控技术的飞速发展，并从节省布线成本考虑，温控技术开始从“有线”向“无线”发展[1]。
1.2温度控制系统的现状
目前，在工业和农业应用的温度控制系统中，数据采集大量使用基于物理机制的传感器，且监控和采集的对象多而分散。
传统的使用线缆直接连接实现信号传输的方式，将严重限制数据采集点的安放灵活性，设备布线苦难。
为了达到实时、无人值守、不需重新布线的目的。
因此，通过无线通信的方式传递数据是一种较为理想的选择，它与有线方式相比主要有成本低、携带方便、布线安装简便等特点，特别适用于无线数据传输系统[2]的实现。
现阶段温控系统分为以下几类：
1．模拟、集成温度控制系统——模拟温度控制系统主要包括温控开关、可编程温度控制器。
某些增强型集成温度控制系统中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温控系统有某些相似之处。
2．智能温控系统——智能温控系统（亦称数字温控系统）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温控系统系列产品。
智能温控系统内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温控系统的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，它是在硬件的基础上通过软件来实现测试控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
3．无线与有线温控系统——无线温控系统主要是以无线发射模块为载体来实现数据之间的传送，主要优点是不受空间地域、外部条件的影响；
相对来说有线温控系统就是以实在的物理线路为载体来实现数据之间的传送，主要有点是数据精度高、可靠性强，可以承载较大数据流量的温度控制。
1.3短距离无线通信技术的发展趋势
随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。
在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。
以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。
与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。
所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。
无线数据通信技术可分为两大类：
一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据（CDPD），通用分组无线传输技术（GPRS）、EDGE等。
二是基于局域网的技术，如IEEE802.11WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。
与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络（如蜂窝移动通信网）相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务（数据、话音）上，均有很大的不同。
（1）红外通信技术（IrDA）[3]
红外通信技术IrDA（InfraRedDataAssociation）采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。
它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，传统速度可达4Mbit/s，1995年IrDA将通信速率扩展到的高达16Mbit/s，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。
因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，PDA，移动电话等移动设备。
但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，IrDA设备中的核心部件LED易磨损。
（2）蓝牙技术（Bluetooth）[4]
蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段，采用跳频扩频FHSS技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网（Piconet）。
多个微微网之间也可以形成分布式网络（Scatternet），从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。
蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:
规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。
蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。
（3）IEEE802.11b（Wi-Fi）[5]
IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4GHz的ISM频段，采用直接序列扩频DSSS技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度。
802.11b无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP（AccessPoint），就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。
802.11b具有有线等价保密机制WEP（WiredEquivalentPrivacy）确保数据安全。
以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。
更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。
速度更快的802.11g使用与802.11b相同的正交频分多路复用（OFDM）调制技术，同样工作在2.4GHz频段，速率达54Mbit/s，比目前通用的802.11b快了5倍，并且完全向后兼容802.11b，802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，而下一代的Wi-Fi标准802.11n可望达到100Mbit/s。
（4）微功率短距离无线通信技术[5]
近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以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影响。
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基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。
1.4本章小结
本章主要介绍了无线智能测温技术相关背景、温度控制系统的现状及其发展趋势。
这有有利于我们能更好的了解它在现实社会中的运用情况，从而明确更加合适的发展方向。
第二章系统方案的总体设计
2.1系统的结构
温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合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。
2.1.1系统的总体结构
根据任务书的设计及仪器的实用性要求，画出了如图2.1所示的系统整体结构图的设计。
图2.1系统整体结构图
2.2模块构架
根据设计的要求，本项目硬件主要分为三个模块进行设计，进而使设计的过程更加简单明了。
具体的模块主要有无线模块、S12系统、电源模块。
2.2.1无线模块框图
无线模块需要有接收端和发射端才能完成数据传送，在收发射数据时需要芯片上的相应引脚与单片机上的发射与接收端口相接，这样才能完成数据的传送，如图2.2所示。
图2.2单片机和无线模块连接电路图
2.2.2S12最小系统
S12最小系统是室内温度检测无线传输的核心部分，是控制中枢，有丰富的资源口，如图2.3所示。
图2.3S12最小系统原理图（80pins）
2.2.3电源管理模块
整个系统要正常的工作需要稳定的电源，因此我们通过使用7.2V（镍镉电池）经LM2940稳压芯片降压得到稳定的5V电压（如图2.5所示）。
这样就可以提供给单片机、温度传感器及无线传输模块所需的电压，如图2.4所示。
图2.4电源模块图
图2.55V电压电路图
2.3本章小结
本章主要对基于室内温度检测无线传输的硬件系统做了较为简单的说明，只有充分了解系统各个部分，才能更深入的明白系统需要在什么环境下及如何工作的。
初步确立了以传感器状态为主的调试系统的设计，这是作为系统的一个重要的环节。
因为从传感器上所获取的值先传给单片机，再由单片机对其得到的值进行处理，进而直接关系到数值的结果，因此下面将针对传感器的工作原理作详细的说明。
第三章温度数据采集
3.1温度数据采集硬件接口电路
针对S12单片机I/O口较多的特点，我们可以任选一个普通I/O口来采集温度。
因此先用一只DS18B20型单线数字式集成温度传感器进行温度采集，如图3.1所示。
图3.1温度采集框图
3.2数字式温度传感器DS18B20
单总线是美国DALLAS半导体公司近年推出的新技术，它只定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在适当的时间驱动它，相当于把单片机的地址nRF401线、数据线、控制线合为一根信号线对外进行数据交换。
为了区分这些芯片，厂家在生产芯片时，为每个芯片编制了惟一的序列号，通过寻址就能把芯片识别出来。
从而能使这些器件挂在一根信号线上进行串行分时数据交换，大大简化了硬件电路。
DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。
它的主要技术特性如下：
①具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅需占用1位I/O端口；
②支持多节点，使分布式多点测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化；
③测温时无需任何外部元件；
④可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式；
⑤测温范围为-55~+125℃，测温精度为±
0.5℃；
⑥温度转换精度9-12位可编程，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出。
12位精度转换的最大时间为750ms。
因为它是数字输出，而且只占用一个I/O端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的A/D转换和较复杂的外围电路。
缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。
3.2.1DS18B20的结构
DS18B20主要由四部分组成：
①64位光刻ROM数据存储器；
②温度传感器；
③非易失性电可擦写温度报警触发器TH和TL；
④非易失性电可擦写设置寄存器。
如图3.1所示，器件只有3根外部引脚，其中VCC和GND为电源引脚，另一根DQ线则用作I/O总线，因此称为一线式数据总线。
与单片机接口的每个I/O口可挂接多个DS18B20器件。
每片DS18B20含有一个唯一的64位ROM编码。
头八位是产品系列编码，表示产品的分类编号；
接着的48位是一个惟一的产品序列号，序列号是一个15位的十进制编码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将其识别出来，最后8位是前56位的循环冗余（CRC）校验码，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。
所以多片DS18B20能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。
这为温度的多点测量带来了极大的方便。
DS18B20传感器的内部数据存储器（如图3.2所示）由9个字节组成。
第一、二个字节是温度数据（MSB、LSB），可以在系统配置寄存器中自行设置数据位数（9~12位），数据位越多温度分辨率越高，多余的高位是温度数据的符号扩展位。
第三、四字节是温度上下限报警值（TH、TL）。
第五字节是系统配置寄存器，寄存器各位定义如下：
第八位用来设置传感器的工作状态，“1”为测试状态，“0”为操作状态，出厂设置为操作功能状态，用户不能修改；
第七、六两位是温度转换数据位的设置（00、01、10、11分别对应9、10、11、12位温度数据），出厂设置为12位温度数据位，用户可根据需要进行修改，其余位无效。
第六、七、八字节保留未用。
第9个字节是CRC校验码，是前面8个字节的循环校验码，用在通信中验数据传送的正确性。
图3.2DS18B20的结构框图
温度传感器的转换结果以16位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，其中第一个字节（Byte0）存放测温结果的低位（LSByts），第二个字节（Byte1）存放测温结果的高位（MSByts），S为符号位，其它位为数据位，温度为负时S=1；
温度为正时S=0。
格式如下：
Bit0Bit7
LSByts
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
Bit8Bit15
MSByts
S
26
25
24
如果测量的温度值高于温度报警触发器TH或低于TL中的值，则DS18B20内部的报警标志位就被置位，表示温度测量值超出范围。
DS18B20的温度转换位数可以选择9~12位，分别对应的测温分辨率为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。
不过温度转换位数越大，转换时间也越长。
12位精度的最大转换时间为750ms。
DS18B20的测温范围为-55~+125℃，温度转换结果以16位二进制方式单线输出,转换的位数可通过写配置寄存器（字节4）设定,其格式如下：
Bit7Bit0
R1
R0
1
R1、R0的设定值与位数、分辩率和最大转换时间的关系如表3-1所示，可见位数每减少一位，分辩率同比减少而转换时间则加快一倍,器件上电时默认分辩率为12位。
表3-1配置寄存器设置
分辨率℃
最大转换时间ms
有效位数
0.5
93.75
9位（Bit11~Bit3）
0.25
187.50
10位（Bit11~Bit2）
0.125
375.00
11位（Bit11~Bit1）
0.0625
750.00
12位（Bit11~Bit0）
温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器（EEPROM）组成，设置值通过相应命令写入，一旦写入后不会因为掉电而丢失。
3.2.2DS18B20的测温原理
DS18B20的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图3.3所示。
DS18B20内部有两个不同温度系数的振荡器。
低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数，通过该计数值来测量温度。
计数器被预置为与-55℃对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度高于-55℃，被预置在-55℃的温度寄存器的值就增加一个增量，同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计数直至零，如果开门通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。
这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。
这个值以16位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。
温度值由主机通过发读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。
图3.3DS18B20测温原理
3.2.3DS18B20的封装和供电方式
DS18B20是DS1820的升级产品，一般封装为TO-92，比DS1820的PR-35封装更小。
DS18B20只有三根外引线：
单线数据传输端口DQ、共用地线GND、外供电源线VCC。
DS18B20有两种供电方式：
一种为数据线供电方式，此时VCC接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。
为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用一个MOSFET管和单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。
另一种是外部供电方式（VCC接+5V），完成温度测量的时间较短。
当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。
但当所测温度超过100℃时，DS18B20的漏电流增大，传感器从I/O线上获取的电流不足以维持DS18B20通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。
比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。
3.3DS18B20温度采集程序设计
DS18B20以单总线协议工作，单片机首先发送复位脉冲，使信号线上的DS18B20被复位，接着发送ROM操作指令，使DS18B20被激活进入接受存储器访问命令状态。
存储器访问命令完成温度转换、读取等工作（单总线在ROM命令发送之前存储和控制命令不起作用）。
系统以ROM命令和存储器命令的形式对DSl8B20操作，如图3.4所示。
ROM操作命令均为8位，命令代码分别为：
读ROM（33H）、匹配ROM（55H）、跳过ROM（CCH）、搜索ROM（FOH）和告警搜索（ECH）命令。
存储器操作命令为：
写暂存存储器（4EH）、读暂存存储器（BEH）、复制暂存存储器（48H）、温度变换（44H）、重新调出EZPRAM（B8H）和读电源供电方式（B4H）命令。
写数据：
将数据线从高电平拉至低电平，产生写起始信号。
在15us之内将所需写的位送到数据线上，在15us到60us之间对数据线进行采样，如果采样为高电平，就写1，如果为低电平写0。
在开始另一个写周期前必须有lus以上的高电平恢复期。
读数据：
主机将数据线从高电
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