基于无线网络的多点信息采集系统设计.docx
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基于无线网络的多点信息采集系统设计
1绪论
1.1研究的背景
21世纪，科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了测量技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。
我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术也成为当今科技的一个主流，广泛地深入到研究和应用工程的各个领域。
温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一。
温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要。
其测量控制一般使用各式各样形态的温度传感器。
随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、传输及处理的功能器件，温度传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。
1.2研究的目的和意义
在测控系统中，数据通信可以采用有线的方式，但在一些地理条件复杂，线路架设困难的场合，无线方式就显出了优势。
目前，短距离无线通讯方式主要有两种：
红外技术和工作于ISM频段的射频技术，其中ISM频段的射频技术又分为普通RF（RadioFrequency），蓝牙技术，HomeRF技术等[12]。
红外技术的缺点是红外方向性强，通信距离较短，不能有遮挡物等。
而与普通RF技术比，蓝牙技术和HomeRF不仅技术复杂度高，软硬件设计及其协议编程复杂，而且传输距离相对较近。
目前国内外已经开发出各种基于RF技术的无线数据传输模块，其显著特点是：
所需外围元件少，设计方便。
本文从低功耗、小体积、使用简单等方面考虑，基于射频CC1100和数字温度传感器DS18B20设计了一个多点无线测温系统，整个系统由数字温度传感器DS18B20进行多点温度数据采集，并通过数码管将数据显示出来，同时可以通过RS-232串口将数据发送给PC[12]。
随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展，我们现在完全可以运用单片机来代替人工测量,这样既省时又省力。
本设计采用STC89C52单片机作为控制核心，提出了一种基于DS18B20的多点温度测控系统，并通过无线模块使主从单片机间进行通信。
单片机通过实时监控温度的变化，在LCD1602字符型液晶显示器上显示各节点温度的数值，从而通过远程来实现对整个温度系统的管理和控制[9]。
这种分布式温度测量系统具有成本低廉、传感精度高、系统稳定、易于管理等优点。
2系统方案设计
2.1设计的基本要求
利用STC89C52单片机，DS18B20和CC1100模块设计了一个基于无线数据传输方式的多路温度采集信息采集与传输系统，基本要求如下：
第一，实现多路温度的实时采集能；
第二，温度通过数码管显示；
第三，通过无线方式实现多路温度数据的采集与传输；
2.2硬件设计
无线测温系统主要可分为主机系统和从机系统两大部分。
从机系统包括微控制器及射频发送单元、显示单元、传感器采集单元；主机系统主要是微控制器及射频接收单元。
主机与从机的CPU都是使用STC89C52单片机，从CPU负责采集温度数据，同时进行数据处理以及数据显示；其中主CPU与从CPU的通讯采用CC1100进行无线方式发送和接收，从CPU和PC机之间的通信采用RS232标准接口。
系统结构图如图1所示：
3系统硬件设计
3.1系统功能模块划分
系统整体硬件设计包括从机系统硬件设计和主机系统硬件设计，其框图分别如图2，图3所示：
从机系统包括DS18B20传感器输入电路，CC1100发送电路和LED数码管显示电路，利用STC89C52单片机作为核心控制器，通过一个DS18B20器件实现温度的实时采集，在实际应用中，可以使用多个DS18B20传感器实现对多路温度数据的采集，接收到数据后，单片机将温度信息通过数码管显示出来，CC1100将采集的多路温度数据发送出去[5]。
主机系统硬件部分主要通过CC1100接收温度数据，并将温度数据传送给单片机，单片机通过RS-232接口和PC进行通信。
图2从机系统框图
图3主机系统框图
3.2主控单元设计
3.2.1主控芯片STC89C52功能分析
在本系统中，主控模块居于非常重要的地位。
它是整个系统的中枢，系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。
它一方面控制着测温模块进行温度信息的采集，另一方面也控制着射频模块的发射及接收工作。
最重要的是，由测温模块所采集到的温度信息必须经由主控模块的处理才能通过发射模块进行传输，从而使整个系统进行正常的运转和工作。
针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了STC89C52芯片，此芯片功能强大，能够完全满足系统运行的需求。
3.2.2STC89C52芯片的功能与特点
3.2.2.1STC89C52的功能描述
图4STC89C52的引脚图如图所示
STC89C52是一种低损耗、高性能CMOS八位微处理器，片内有8k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入闪烁存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。
它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
STC89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，不易损坏器件，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间。
STC89C52芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制[7]。
P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P3口为多功能口。
3.2.2.2STC89C52的特点
●STC89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；
●片内有8k字节在线可重复编程擦写闪烁存储器；
●全静态工作,工作范围：
0Hz～24MHz；
●三级程序存储器锁定；
●512内部RAM；
●32位双向可编程输入输出线；
●两个16位定时器/计数器；
●五个中断源,两级中断优先级；
●可编程串行通道；
●片内振荡器和时钟电路；
●低功耗的闲置和掉电两种工作方式；
3.3单元各功能模块设计
3.3.1测温电路设计
3.3.1.1DS18B20与单片机的接口技术
本系统中采用数字式温度传感器DS18B20。
DS18B20能实时采集温度数据,接收到温度转换命令后,开始启动转换将温度物理量变换为数字信号并以总线方式传送到计算机进行数据处理,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。
DS18B20可以采用两种供电方式：
一种是采用电源供电方式，GND接地，数据线与单片机的I／O口相连；另一种是寄生电源供电方式，此时VDD和GND接地，数据线接单片机I／O口[4]。
无论是寄生电源方式还是外部供电方式，I／O口线都要接4.7KΩ左右的上拉电阻。
这是由于温度转换和写入EEPROM时要求电流较大、持续时间较长，因此要求数据线在此期间要强制上拉。
本设计中采用外接电源方式，如图5所示：
DS18B20只有三个引脚，一个接地，一个接电源，一个数字输入输出引脚接单片机的I/O口，电源与数字输入输出引脚间接一个4.7K的电阻。
图5DS18B20与单片机的接口
3.3.1.2DS18B20的功能特性
1）DS18B20数字温度传感器概述
DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire即单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。
因此用它来组成一个测温电路，线路简单，在一根通信线可以挂接很多这样的器件，十分方便。
图6DS18B20封装结构
TO－92封装的DS18B20的引脚排列见下图，其引脚功能描述如下：
表1引脚功能介绍
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时,可向电源提供电源
3
VDD
可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地
2）DS18B20产品的主要特点：
●全数字温度转换及输出；
●先进的单总线数据通信；
●12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒，精度可达土0.5℃；
●可选择寄生工作方式；
●检测温度范围为–55℃——+125℃；
●内置EEPROM，限温报警功能；
●64位光刻ROM，内置独一无二的产品序列号，方便多机挂接；
●只要求一个端口即可实现通信；
●数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择；
3.3.1.3测温原理
1）DS18B20的工作过程
①初始化；
②ROM命令跟随着需要交换的数据；
③功能命令跟随着需要交换的数据；
访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机（除了SearchROM和AlarmSearch这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步。
）
2）DS18B20测温原理如下图所示
图7DS18B20的测温原理
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用来向计数器1提供固定频率的脉冲信号。
高温度系数晶振的振荡频率受温度影响较大,随温度的变化而明显改变,其产生的信号作为计数器2的脉冲输入,用于控制闸门的关闭时间。
初态时,计数器1和温度寄存器被预置在与-55℃相对应的一个基值上。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,在计数器2控制的闸门时间到达之前,如果计数器1的预置值减到0,则温度寄存器的值将作加1运算,与此同时,用于补偿和修正测温过程中非线性的斜率累加器将输出一个与温度变化相对应的计数值,作为计数器1的新预置值,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环,直到计数器2控制的闸门时间到达亦即计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度[1]。
3.3.2无线发送和接收电路的设计
3.3.2.1C1100基本特性
1）NewMsg-RF1100单片机无线收发器由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。
工作特点是自动产生前导码和CRC可以很容易通过SPI接口进行编程配置，电流消耗低。
RF1100通过SPI接口与单片机通讯，因此必须首先了解SPI接口。
SPI概念：
SPI外围串行接口由四条线构成：
MOSI主机输出从机输入（主机写操作）
MISO主机输入从机输出（主机读操作）
SCK串行时钟信号，由主机控制
CSN片选信号，低电平有效
图8CC1100模块图
2）NewMsg-RF1100基本功能特性：
●315、433、868、915Mh的ISM和SRD频段
●最高工作速率500kbps，支持2-FSK、GFSK和MSK调制方式
●高灵敏度（1.2kbps下-110dDm）
●内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制
●较低的电流消耗（RX中，15.6mA，2.4kbps,433MHz）
●可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+10dBm
●支持低功率电磁波激活（无线唤醒）功能
●支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统
●快速频率变动合成器
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