基于LPC2103和无线收发模块的温度采集系统设计毕业论文.docx
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基于LPC2103和无线收发模块的温度采集系统设计毕业论文
分类号：
TN92UDC：
D10621-408-（2012）0434-0
密级：
公开编号：
2008021174
成都信息工程学院
学位论文
基于LPC2103和无线收发模块的温度采集系统设计
论文作者姓名：
申请学位专业：
电子信息工程
申请学位类别：
工学学士
指导教师姓名（职称）：
论文提交日期：
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
签名：
日期：
2012年06月09日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名：
日期：
2012年06月09日
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
基于LPC2103和无线收发模块的温度采集系统设计
摘要
在工农业领域和日常生活中，温度是最常用的参数之一。
本文设计了一种结合嵌入式技术和无线传感器技术的无线温度采集系统。
该系统具有高性能、低功耗的特点及快速处理数据的能力。
无线温度采集系统主要由温度信号采集模块、核心控制模块、无线收发模块、供电模块组成。
无线温度采集系统的核心采用ARM公司推出的LPC2103嵌入式微处理器，信号采集模块选用温度传感器LM35，无线收发模块选用云佳科技公司生产的nrf24L01无线收发模块。
系统通过LM35自动实时采集温度数据；然后再通过SPI串行接口把温度数据传送到发送端的nrf24L01无线收发模块上进行无线发送；当接收端的nrf24L01无线收发模块接收到数据后，LPC2103会将收到数据通过UART串口通讯最终将温度数值显示在PC机界面上。
该系统传送距离远，测试准确，工作效率高，能够高速实时的反映测试点温度，在工业、农业、家居等方面需要采集温度时，能够发挥重要的作用。
关键词：
温度采集；无线通讯；嵌入式系统
DesignofTemperatureAcquisitionSystemBasedonLPC2103andWirelessTransceiverModule
Abstract
Intheindustrialandagriculturalareasanddailylife,temperatureisoneofthemostcommonlyusedparameters.Thispaperintroducesadesigncombinedwithembeddedtechnologyandwirelesssensortechnologyofwirelesstemperaturecollectingsystem.Thesystemhasthecharacteristicsofhighperformance,lowpowerconsumptionandthefastdataprocessingability.
Wirelesstemperatureacquisitionsystemmainlyconsistedofthetemperaturesignalacquisitionmodule,thecorecontrolmodule,wirelesstransceivermodule,powersupplymodule.
ThecoreofthewirelesstemperatureacquisitionsystemusesLPC2103embeddedmicrocontrollerprocessorproducedbyARM,signalacquisitionmoduleusesLM35temperaturesensor,wirelesstransceivermoduleusesthenrf2401wirelesstransceiverproducedbyYunJiatechnologycompany.Thesystemacquiresreal-timetemperaturedatathroughtheLM35;UsefunctioninitializestheregisterofLPC2103,andsentthetemperaturedatatonrf2401wirelesstransceivermodulethroughtheSPIserialinterface.Whennrf2401wirelesstransceivermodulereceivesdata,itwillsenddatatotheLPC2103,thenLPC2103willprocessingthedata,andcommunicationwithPCthroughtheUARTserialinterface,thelasttemperaturewillbedisplayedinthePC.
Thesystemhasalongdistancetransfer,testingaccuracy,highefficiency.Itcanreflectthereal-timetemperaturequickly.Ifweneedtocollectiontemperatureinindustry,agricultureorhousehold,itcouldplayanimportantrole.
Keywords：
temperatureacquisition;wirelesstransceiver;embeddedsystem
1引言
1.4背景和意义
近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度采集已成为工业对象控制中一种重要的参数，特别是在冶金、化工、机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。
由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，选用的燃料，控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。
随着生产技术的提高,环境温度指标越来越多的影响到生产效率、能源消耗和生活水平。
不管是工业、农业、军事及气象领域,还是日常生活环境,都需要对温度进行监测。
因而,设计可靠且实用的温度采集系统显得非常重要。
温度采集系统作为车辆导航、油田远程监控、船载导航系统以及农田信息采集系统等控制系统的重要组成部分，它的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。
再把电流信号转换成电压信号，使用AD转换器将模拟电压信号转换成处理器能够进行数据处理的数字电压信号。
工业应用中，现阶段基本上都是以有线的方式进行连接，实现各种控制功能。
各种总线技术，局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便利，改变了我们的生活，对社会的发展起到了极大的推动作用。
有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际应用中也达到了比较满意的效果。
单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。
在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
1.5本课题研究的意义
随着微电子技术和数字信号处理技术的发展，数据采集系统得到了广泛的应用。
在工业生产和控制中，应用数据系统可以采集工业现场的温度、湿度、电压、电流、压力、流量等诸多工艺参数，在将这些模拟信号转变成数字量并进行相应的计算处理后，所得的结果可以反馈给用户或控制系统，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段；在科学研究上，数据采集系统可以为我们提供大量的动态信息，成为探索科学奥秘的重要手段。
目前，数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。
无线数据采集特别适用于复杂地形条件、高腐蚀性、建筑群、爆炸等场合，或者被采集对象是运动、旋转等情况。
随着数字电路和射频电路制作工艺、低功耗电路、高能电池、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。
无线传输越来越多的被应用在工业及民用的数据采集上，解决了一些布线复杂、甚至无法布线的情况。
无线方式具有如下几个显著的特点：
传输介质采用的是电磁波，节省了架设电缆的所需的占地和各种花费及其给其他建筑的建设带来的不便，应用起来更加方便；在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制；具有电路简单、功耗小、体积小、成本低等优点，非常便于使用；设计设施都很简便适合更换场合反复利用。
温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。
随着工业的不断发展，对温度测量的要求越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高。
因此，温度测量的研究也是一个重要的研究课题。
总之，本课题将数据采集与无线传输相结合，发挥无线传输的优势，并且解决硬件、软件及通信协议优化等问题。
1.6本文的主要任务及结构
本论文所完成的任务是对基于LPC2103和无线收发模块的温度采集系统的设计方法进行研究，从实际需要出发，并从性能、价格等因素考虑，对主要元器件进行了选型，并在此基础上设计出了一个新型无线温度采集系统，并且进行软硬件的调试和制作，最终完成具有体积小、数据传输稳定可靠、使用灵活等优点的作品，可以很好地应用在无线数据采集及其它短距离无线数据传输的场合，本论文在总体结构上共分为5章。
第1章引言，本章介绍了无线通信和温度采集的基础知识及其发展。
第2章系统总体设计，本章简要介绍了无线温度采集系统的总体设计及功能。
第3章系统硬件设计，本章主要介绍了无线温度采集系统的硬件部分总体设计以及硬件部分各个模块的功能及设计。
第4章系统软件设计，本章主要介绍了无线温度采集系统的主要程序部分的代码及思路。
第5章系统调试，本章主要介绍了本系统的调试过程。
第6章结论，本章主要介绍了系统已实现的功能、效果，系统特点，还需要完善的地方，该系统的应用领域等。
2系统总体设计
2.4系统框图
图2-1系统框图
本系统主要由发送端、接收端和上位机端三大部分组成，其中发送端的主要功能是采集环境温度，并将采集到的温度通过无线收发模块发送给接收端；接收端的主要功能是接收发送端采集到的温度数据，并将数据通过串口发送给上位机；上位机的主要功能是将采集到的数据显示出来，方便人们读取。
2.5LPC2103简介
LPC2103是基于一个支持实时仿真的32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并带有32KB的高速Flash存储器。
128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。
对中断服务程序和DSP算法中性能要求严格的应用来说，这增加的性能比在Thumb模式[1]下的性能超出多达30%。
对代码规模有严格控制的应用，使用16位的Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。
较小的LQFP48封装和很低的功耗使LPC2103特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口（2个UART、SPI、I2C总线）和8KB的片内SRAM，他们也非常适合于通信网关和协议转换器。
高级性能还使这些器件适合用作数学协处理器。
多个32位和16位定时器、一个改良的10位ADC、所有定时器上输出匹配的PWM特性、以及具有多达13个边沿或电平触发的外部中断管脚的32位高速GPIO线，使这些微控制器特别适用于工业控制和医疗系统中。
图2-2中详细介绍了LPC2103[2]各个引脚的功能，在本系统中，通过P0.4、P0.5、P0.6接口的SPI功能控制nrf24L01无线收发模块；通过P0.0、P0.1接口的UART功能实现与上位机的通信；通过将LM35采集到的温度输入P0.24并使用AD功能得到需要的温度数据。
图2-2周立功LPC2103核心板电路图
图2-3中详细介绍了本系统在设计与制作过程中所使用到的LPC2103核心板，该核心板将48个管脚的LPC2103芯片制作为直插式的电路板，方便在调试中拆卸与安装，能够保护芯片，延长使用寿命。
2.6温度测量方案
温度是表征物体冷热程度的物理量，它在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等行业中都是基本的检测参数之一。
温度是温度监控系统中最基本、最为核心的衡量指标，也是测温系统中最为重要的测控参数，因此对温度进行准确的检测一直是一个重要的研究课题。
因此，测量温度的仪器在测温系统中占有至关重要的地位。
随着国内外科技的发展，温度测量技术不断提高。
目前各种温度测量方法种类繁多，应用范围广泛，主要包括以下几种：
（1）传统的利用物体热胀冷缩原理的方法。
水银温度计至今仍然广泛应用于各种温度测量场合。
可是它的缺点是只能近距离观测，易碎，而且有毒。
代替它的有填充酒精、煤油等玻璃温度计和利用金属不同的膨胀系数制成的金属片温度计，它们的缺点都是测量精度很低。
（2）利用热电效应的方法。
此方法制成的温度检测元件主要是热电偶。
热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。
热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。
它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿。
（3）利用热阻效应的方法。
利用该方法的测温元件大致有电阻测温元件、导体测温元件和陶瓷热敏元件。
其中电阻测温元件是利用感温元件的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，达到测温的目的。
这类元件如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七XX。
但它们的缺点是当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。
（4）利用热辐射原理。
热辐射高温计通常分为单色辐射高温计和全辐射高温计。
它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。
而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。
（5）利用声学原理的测量方法。
近年发展起来的声学温度检测技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。
其基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。
（6）晶体管测温器件。
半导体的电阻温度系数比金属大1～2个数量级，二极管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。
由此制成的这类器件的优点是在-50℃~+150℃范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。
但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结容易受外界辐射的影响，稳定性难以保证。
（7）光纤温度检测技术。
在常规办法无法测量的场合，光纤测温得到快速发展，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。
检测精度在±1℃以内，测温范围可以从绝对0℃~2000℃。
（8）激光温度检测技术。
激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。
用氦氖激光源的激光作反射计，可测很高的温度，精度达0.01℃；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达+3000℃，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。
（9）微波温度检测器是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。
这种检测器的灵敏度为250kHz／℃，精度为l％左右，热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。
热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。
它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿。
（10）近年来，随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术的发展，人们开发出将温度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器。
数字式温度传感器内部一般都包含温度传感器、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）。
与模拟传感器相比，数字式传感器在精度、分辨率、可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，而且，输出的温度数据和相关的温度控制量可以适配各种微控制器。
但是受半导体器件本身限制，数字式传感器还存在一些不足。
比如测温范围不宽，一般为+50℃~+150℃。
由于简化了硬件外围电路使得软件设计变得更为复杂。
LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。
由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。
在常温下，LM35[3]不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电；另外，工作电压在4～30V时，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。
这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。
基于本设计需要精度高、可靠性强、器件体积小的器件，同时又考虑到价格上的因素，最终选择LM35温度传感器来采集温度数据。
2.7数据无线传输方案
随着网络和通信技术的迅速发展，无处不在的网络终端、以人为本、个性化、智能化的移动计算以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新的产品，已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域。
随着而来的便携式终端以及无线通信技术得到了极大的发展并在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的无线通信技术主要有GSM＼CDMA＼GPRS、IEEE802.11WLAN、蓝牙、IrDA、Home.RF、ZigBee、UWB、微功率短距离无线通信技术等。
以上列出了五种常用的无线通信方式，这些通信方式各有优点，各有不同的适用范围，下面针对它们的使用范围和各自特点进行比较。
IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；其次，IrDA只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最后，IrDA设备的核心器件——红外LED容易损坏，因而设备寿命有限。
IEEE802．1lx无线局域网技术基于计算机网络技术发展而来，是专门针对计算机网络通讯而设计的无线通讯技术，其有效传输距离为50米，传输速率为11M—54M不等，经常应用于企业学校等场所。
IEEE802.11x的通讯协议复杂，协议实现对硬件要求较高，因此基于IEEE802.11x无线局域网技术所开发的无线数据传输设备的成本较高，安装调试复杂、维护困难。
蓝牙（BlueTooth）技术专门为近距离无线数据传输而设计，其有效传输距离为10米，传输速率为10M。
从蓝牙（BlueTooth）技术正式公布到现在，蓝牙（BlueTooth）技术一直没有得到预期的大范围的应用，是因为其芯片以及开发设备价格相对高。
基于GSM＼CDMA＼GPRS无线通讯网络的数据传输技术是近几年发展起来的一种新型的无线数据传输技术，该技术依托于GSM＼CDMA＼GPRS无线通讯网络进行无线数据传输，因此其没有传输距离的限制，只要GSM＼CDMA＼GPRS无线通讯网络覆盖的地区均可以进行无线数据传输。
基于GSM＼CDMA＼GPRS无线通讯网络的数据传输技术的传输速率为10KB~60KB，由于其利用GSM＼CDMA＼GPRS无线通讯网络进行无线数据传输，因此其运营成本较高。
基于嵌入式的射频无线收发的无线数据传输技术是近几年发展起来的一种无线数据传输技术，其核心技术是2.4G无线收发技术。
嵌入式射频无线收发一体型芯片是国外各大公司近年来推出的一种新型无线传输芯片，该芯片将信号调制、发射、接收、数字电路接口等功能集成在一枚芯片中，具有价格低廉、外围电路简单、体积小巧、通讯可靠性高、抗干扰能力强、传输速率快、低耗节能等诸多优点。
同时，嵌入式无线射频收发一体型芯片普遍采用了标准的数字通讯接口，如SPI，UART等，可以很方便的与DSP或单片机等微处理器芯片结合使用。
基于嵌入式无线射频收发一体型芯片的上述优点，采用嵌入式无线射频收发一体型芯片技术解决低速率无线数据传输问题是比较理想的解决方案。
通过无线射频收发一体型芯片与单片机或DSP的结合使用，再在数据传输过程中配合先进的通讯协议数据处理算法实现纠错、校验以及加密等功能，可满足无线数据传输的要求。
图2-3nrf24L01无线收发模块
nrf24L01[4]是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHz
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