完整版基于单片机与无线技术的仓库温度采集系统毕业设计.docx
《完整版基于单片机与无线技术的仓库温度采集系统毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版基于单片机与无线技术的仓库温度采集系统毕业设计.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整版基于单片机与无线技术的仓库温度采集系统毕业设计
摘要
随着社会主义现代化的发展，在科学技术突飞猛进的今天，人工智能起不不可忽视的作用。
尤其是各种智能化的仪器、仪表在农、工业的广泛应用给社会带来了极大的便利。
本文就是一个利用温度来实现简单智能控制的例子。
它完成了从温度的采集、转换、显示以及控制的一系列任务。
由于时间关系，本文并未深入探讨温度的具体实例。
例如根据温度来控制热水器、电风扇等与温度有关的设备。
但是它提供了一个通过温度来控制设备的基本思想和原理。
相信能在实际应用中为我们的生活带来更大的便利。
本课题提出一种基于单片机的无线温度采集系统方案，该方案是利用单片机控制DS18B20温度传感器采集温度、控制LED数码管实时显示温度值、控制NewMsg-NRF905进行数据的无线传输。
本系统中所用到的器件是AT89S51单片机、数字温度传感器DS18B20和无线芯片NewMsg-NRF905，数据接收后由单片机AT89S51作为核心控制部件译码，由MAX7219驱动的LED数码管显示当前的温度值，外加执行电路来完成系统的报警等预期任务。
关键词：
单片机；温度采集；NewMsg-NRF905；DS18B20；LED数码管显示；
Abstract
Withthedevelopmentofsocialisticmodernization,makeaspurtofprogressinscienceandtechnologytoday,artificialinligencedoesnotplayarolecannotbeignored.Especiallyvariouskindsofinligentinstruments,instrumentintheagricultural,industrialapplication,conversion,displayandcontrolofaseriesoftasks.Becauseofthetime,thisdidnotdiscussspecificexamplesoftemperature.Forexample,accordingtothetemperaturecontrolwaterandtemperaturerelatedequipment.Ibelievethatinthepracticalapplicationforourlivesmoreconvenient.
ThispaperputsforwardawirelesstemperaturecollectionsystembasedonMCUprogram,theprogramistheuseofmicrocomputercontrolofDS18B20temperaturesensortemperaturecollection,controlLEDdigitaltubedisplayreal-timetemperaturevalue,controlofNewMsg-NRF905wirelessdatatransmission.ThesystemusedinthedeviceistheAT89S51microcontroller,digitaltemperaturesensorDS18B20andNewMsg-NRF905wirelesschip,datareceivedbyAT89S51microcontrollerascorecontrolcomponentdecoding,drivenbyMAX7219LEDdigitaltubedisplaysthecurrenttemperaturevalue,andtheexecutivecircuittocompletethesystemalarmexpectedtask.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;temperatureacquisition;NewMsg-NRF905;DS18B20;LEDdigitaltubedisplay;
第一章绪论
21世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步同时也带动了测量技术的发展，现代控制设备不同于以前，它们在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，测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用工程的各个领域。
温度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控，采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。
伴随工业科技、农业科技的发展，温度测量需求越来越多，也越来越重要。
多路无线温度采集系统可被广泛应用于温度测量或相应的可转换为温度量或供电故障监控的工业、农业、环保、服务业、安全监控等工程中，例如：
城市路灯故障检测和供电线路防盗监视、城市居民小区供热检测、大型仓库温度检测、工业生产测控、农业生产温度测控、环保工程、故障监控工程等。
考虑到许多工业环境中对多点温度进行监控，一般需要测量几十个点以上。
本设计是以AT89S51单片机作为控制核心，提出以DS18B20的单总线分布式温度采集与控制系统。
多个温度传感节点通过单总线与单片机相连形成分布式系统。
控制器通过温度传感器实时检测各节点的温度变化由智能数字温度传感器DS18B20完成对仓库现场温度的多点采集，并由NRF905完成数据的无线通信，数据接收后由单片机AT89S51作为核心控制部件译为码，由MAX7219驱动的LED数码管显示当前的温度值，外加一定的执行电路来完成系统的报警等预期任务。
因为采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用，并且温度参数对工业生产的重要性，所以温度测量系统的精确度和智能化一直受到企业的重视。
所以学习并研究温度测量及相关知识可做为一个较为实用的课题的方向，能获得较实用的知识和方法。
同时它应用的领域也相当广泛，可以应用到消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备的过热故障预知检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械…等设备温度过热检测。
因此前景是相当的可观。
第二章系统总体设计方案
此系统是基于AT89S51单片机并由智能数字温度传感器DS18B20完成对仓库现场温度的多点采集，用NewMsg-NRF905作为无线模块进行无线数据传输，数据接收后由单片机AT89S51作为核心控制部件译码，并由MAX7219驱动的LED数码管显示当前的温度值，外加执行电路来完成系统的报警等预期任务。
系统整体结构：
图2.1系统整体结构
工作流程：
1.数据采集设备采集现场数据参数，并由单片机控制提取。
2.单片机将有用数据加入数据位置编码通过无线射频模块发射。
3.无线射频模块发射接收数据。
4.单片机控制提取接收到的数据并送至显示模块适时显示当前温度值，并根据键盘预先设定上限温度值报警。
2.1单片机主模块
主控单片机采用一片ATMELAT89S51。
根据题目要求，充分利用了单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，采用单片机控制显示信号灯，提高了系统的灵活性，设置方便。
AT89S51芯片本身集成了看门狗（WDT）电路，这是为了系统更加的稳定可靠，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生这种做法对于实际上长时间运行在恶劣状况的交通灯控制系统来说是十分必要的。
它可以完成自动加载复位，省去人工调整的麻烦，可以做到无人职守。
2.1.1AT89S51单片机特点
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，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ISPFlash存储单元，51系列单片机还具有省电耐用，可多次编程，性能稳定，物美价廉的优点，其次单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。
而且体积小，硬件实现简单，安装方便。
既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。
另外AT89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
AT89S51总结具有如下特点：
●与MCS-51单片机产品兼容
●4K字节在系统可编程Flash存储器
●1000次擦写周期
●全静态工作：
0Hz—33MHz
●32个可编程IO口线
●2个16位定时器计数器
●6个中断源
●全双工UART串行通道
●低功耗空闲和掉电模式
●掉电后中断可唤醒
●看门狗定时器
●双数据指针
●灵活的ISP编程（字或字节模式）
●4.0---5.5V电压工作范围
2.1.2最小单片机系统
下图是本设计中用到的单片机最小系统：
图2.2单片机最小系统
系统采用12MHZ晶振，由于系统对晶振要求不高，可以根据情况适当改变晶振频率；另外系统的复位可上电复位，也可手动复位。
2.2温度传感器
温度的测量是从金属（物质）的热胀冷缩开始。
水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。
可是它的缺点是只能近距离观测，而且水银有毒，玻璃管易碎。
代替水银的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低，只能作为一个概略指示。
不过在居民住宅中使用已可满足要求。
在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示，出现了许多不同的温度检测方法，常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。
它们都是基于温度变化引起其物理参数（如电阻值，热电势等）的变化的原理。
随着大规模集成电路工艺的提高，出现了多种集成的数字化温度传感器。
本设计将要用到的是DS18B20温度传感器。
2.2.1温度传感器简介
测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要经过了三个阶段：
（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）
（2）模拟集成温度传感器控制器
（3）智能温度传感器。
模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
模拟集成温度控制器主要包括温控开关和可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度控制器例如（TC652653）中还包含了刀转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。
但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）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度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、AD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）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。
数字式温度传感器DS18B20正是朝着高精度、多功能、总线标准化、高可性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
因此，智能温度传感器DS18B20作为温度测量装置己广泛应用于人民的日常生活和工农业生产中。
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。
本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。
根据其时序特点给出了DS1820和AT89S51单片机构成的温度测控系统的应用电路如下：
图2.3DS18B20典型应用
DS18B20采集到的模拟信号通过内部转换为数字信号，通过一总线DQ与单片机直接通信，无需AD转换，单片机从其寄存器中直接提取数据再做相应处理后，交由无线模块发射。
2.2.2DS18B20性能特点与内部结构
1、DS18B20的性能特点如下：
1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
3）无须外部器件；
4）可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；
5）零待机功耗；
6）温度以3位数字显示；
7）用户可定义报警设置；
8）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2、DS18B20的外形及管脚排列如下图2-4:
图2.4DS18B20封装
3、DS18B20内部结构主要由六分组成：
1）64位光刻ROM。
开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
64位闪速ROM的结构如下：
8b检验CRC
48b序列号
8b工厂代码（10H）
MSBLSBMSBLSBMSBLSB
图2.5DS18B20内部结构
2）非挥发的温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限值。
3）高速暂存存储，可以设置DS18B20温度转换的精度。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2PRAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图2-5所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
它的内部存储器结构和字节定义如图2.2所示。
低5位一直为，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
Bye0
温度测量值LSB（50H）
Byte1
温度测量值MSB（50H）
E2PROM
Byte2
TH高温寄存器
----
TH高温寄存器
Byte3
TL低温寄存器
----
TL低温寄存器
Byte4
配位寄存器
----
配位寄存器
Byte5
预留（FFH）
Byte6
预留（0CH）
Byte7
预留（IOH）
Byte8
循环冗余码校验（CRC）
图2.6DS18B20内部存储器结构
DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
图2.7DS18B20字节定义
由表2.1可见，分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。
第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃LSB形式表示。
当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。
表2.2是一部分温度值对应的二进制温度数据。
表2.1DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率位
温度最大转向时间ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
表2.2 一部分温度对应值表
温度℃
二进制表示
十六进制表示
+125
0000011111010000
07D0H
+85
0000010101010000
0550H
+25.0625
0000000110010000
0191H
+10.125
0000000010100001
00A2H
+0.5
0000000000000010
0008H
0
0000000000001000
0000H
-0.5
1111111111110000
FFF8H
-10.125
1111111101011110
FF5EH
-25.0625
1111111001101111
FE6FH
-55
1111110010010000
FC90H
4）CRC的产生
在64bROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。
主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作按协议进行。
操作协议为：
初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
5）寄生电源
寄生电源有二极管VD1、VD2、寄生电容C和电源检测电路组成，如图所示。
电源检测电路用于判定供电方式。
DS18B20有两种供电方式：
3.0——5.5V的电源供电方式和寄生电源供电方式（直接从数据线获取电源）。
若采用外部电源给器件供电，外部电源接VCC引脚通过VD2向器件供电，如图所示。
寄生电源供电时，VCC端接地，器件从单线总线上获取电源，如图所示。
在IO线呈低电平时，改由电容C上的典雅继续向器件供电。
该寄生电源的优点：
第一，检测远程温度时无需本地电源；第二、缺少正常电源时也能读ROM。
外部电源供电
图2.8外部电源供电
寄生电源供电
图2.9寄生电源供电
2.3无线通信模块介绍
随着我国国际地位和科研水平的不断提高，无需导线连接的无线数据系统对用户有着极大的吸引力。
无线数据系统采用了能在局域范围内无线传输信息的数字网络，在不改动原有设施的前提下，将有效的数据信息准确、快速和安全地传送给与会者。
因此，无线数据系统设备的设计得到了国内外相关领域厂商的广泛关注，未来，无线数据系统很有可能代替现有的有线数据系统，成为今后数据传输的主流。
要了解无线数据传输，就得先了解无线传输技术。
下面大概介绍一下几种常见的无线传输技术：
1.U段无线传输技术
超高频（UHF-UltraHighFrequency）。
UHF波段则是指频率为300~3000MHz的特高频无线电波。
具有特点是：
1）稳定性高
2）写距离远
3）讯速率较高
但U段技术由于频段多、使用范围广，容易串频和被听，保密性较差。
2.红外线技术
红外通讯技术的特点：
1）它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；
2）通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。
3）主要是用来取代点对点的线缆连接；
4）具有不能穿透障碍物的特性，有效保障了会议信息的安全与保密；
5）安装方便快捷，成本低；
当然我们还是需要注意一下红外线技术的一些局限性。
在进行系统安装时，设备距离红外信号收发器的距离通常比较短，大都在10米内，且应远离其它红外光源（如日光灯，等离子屏等），以避免干扰。
3.WAP技术
WAP是WirelessApplicationProtocol（即无线应用协议）的缩写。
无线应用协议也称为无线应用程序协议，目前应用广泛，是在数字移动电话、Internet及其他个人数字助理机PDA、计算机应用之间进行通信的开放性全球标准。
在工作方面，对于日理万机、经常与时间竞赛的商务人士，WAP更能为用户提供市场上最新的第一手信息，完全配合用户的业务和工作需要。
在生活方面，无论用户身在何处，都可以通过WAP上网，进行各项线上银行服务，在娱乐方面，WAP也为用户提供了崭新的消费模式，无论您走到那里，都可以随心所欲地与朋友甚至其他WAP用户，一起上网、玩游戏，一起分享WAP的乐趣。
BOSCH的DCN无线讨论系统采用的就是该无线技术。
通过倍受赞誉的无线介入点能够为方圆40米（164英尺）左右的空间提供稳固如一的强大连接。
WAP既可部署在会议室中心以获得最佳的覆盖率，也可以移动到会议室中最适合的位置。
尽管WAP有其强大的优势，但是也必须指出WAP在技术角度上的局限性，主要存在于两个方面：
1）WAP设备和WAP承载网络：
2）WAP设备受CPU、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和处理速度的限制。
3）WAP承载网络是低功率的网络，一般在办公环境中的带宽多为11M，。
WAP承载网络的固有特性是可靠性不高、稳定性不高和不可。
4.2.4G频射技术
2.4G无线技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz之间。
所以简称为2.4G无线技术。
这个频段里是国际规定的免费频段，是不需要向国际相关组织缴纳任何费用的。
这就为2.4G无线技术可发展性提供了必要的有利条件。
而且2.4G无线技术不同于之前的27MHz无线技术，它的工作方式是全双工模式传输，在抗干扰性能上要比27MHz有着绝对的优势。
这个优势决定了它的超强抗干扰性以及最大可达10米的传输距离。
此外2.4G无线技术还拥有理论上2M的数据传输速率，比蓝牙的1M理论传输速率提高了一倍。
这就为以后的应用层提高了可靠的保障。
2.4G有着自己独到的优势所在。
相比蓝牙它的产品制造成本更低，提供的数据传输速率更高。
相比同样免费的27MHz无线技术它的抗干扰性、最大传输距离以及功耗都远远超出。
据上介绍，因此这里就运用了无线通信模块（NewMsg-RF905）。
NewMsg-RF905芯片是挪威Nordic公司推出的的单片射频收发器。
芯片工作电压DC1.9～3.6V，32引脚QFN封装，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址<650us。
其引脚说明如表1所示：
表2.3引脚说明
升级会员 