1、大連海事大學畢業論文裝二一四年六月基于 51 單片機的無線測溫系統的設計專業班級： 通信工程 1 班姓 名： 杜嘉麟指導教師： 李作洲信息科學技術學院摘要溫度是日常生活中必不可少的重要參數。在日常生活中有許多時候我們都離 不開溫度的測量。簡單的溫度計已經不能滿足一些特定情況下的溫度測量，尤其 在某一些環境惡劣的工業場所和戶外場所，在這種情況下再使用傳統溫度計測量 溫度是不切實際的。所以無線測溫系統的開發與設計便顯得異常重要。當下一些無線溫度測量系統已得到開發和設計，但因其高昂的成本導致其還 沒有普及到日常生活當中。在實際測溫過程中既要保證系統的準確性、穩定性、 實時性又需要保證產品的低功耗，操

2、作簡單。因此設計一種低功耗，小成本，易 使用的無線測溫系統就顯得很有意義。本次設計利用 STC89C52 型號的單片機控 制 DS18B20 型號的溫度傳感器來實現無線測溫系統的設計。 通過簡單的無線通信 協議，實現高可靠性與低功耗，小成本的無線測溫系統的設計。本次設計能實現 對溫度的遠程檢測。小成本、低功耗、即時性的無線測溫系統是本次設計的最大 特點。本次設計的無線傳輸模塊采用的型號是 NRF24L01。該系統結構簡單，性能可靠，功耗較低，成本低廉，提供了一種新型的無線 傳感器的解決方案。關鍵詞： 51 單片機；無線測溫；無線傳輸模塊基于 51 單片機的無線測溫系統的設計AbstractTe

3、mperature is the essential parameter in daily life, which is often to need measure. The traditional thermometer can not meet the temperature measurement of the specific circumstances, especially in some of the harsh industrial space and outdoor space, where the measurement is unrealistic. So the dev

4、elopment and design of wireless temperature measuring system is very important.Many wireless temperature measurement systems have been developed so far, however, high cost stops the systems wildly applied in our daily life. In the actual measurement process it is necessary to ensure the stability of

5、 the system, the real-time and the low power consumption. So the design of a low power and low cost wireless temperature measuring system is of great significance. Some temperature sensors, model DS18B20, are controlled by SCM, type STC89C52. These devices constitute the measurement and control syst

6、em. Using simple wireless communication protocol, a high reliability, low power consumption and low cost system is designed, which can realize remote detection of temperature. Low cost, low power consumption, real-time and remote control are focuses of this design. The wireless transmission module u

7、sed in this system is NRF24L01.This system has advantages of simple structure, reliable performance, low power consumption and low cost, providing a novel scheme, namely using wireless sensors.Keywords: MCS-51r, wireless temperature measurement, Wireless transmission moduleII基于 51 單片機的無線測溫系統的設計目錄 TO

8、C o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第 1 章 緒 論 1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 論文研究主要內容 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 國內外現狀 3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 第 2 章 關鍵技術介紹 5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 單片機最小系統介紹 5 HYPERLINK l bookmark16

9、 o Current Document 無線收發模塊 5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 數碼管顯示電路 5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 電源模塊電路 6 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第 3 章 系統分析 7 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 構架概述 7功能構架 7模塊需求描述 7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 系統開發環境 8

10、 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 系統任務的可行性分析 8技術可行性 8系統安全性分析 9 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第 4 章 系統設計 10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 構架概述 10 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 系統的功能結構設計 10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第 5 章 系統實現 12 HYPERLINK l

11、 bookmark40 o Current Document 軟件實現 12主函數模塊功能介紹 12發送程序功能介紹 12接收程序功能介紹 12函數實現 13 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 硬件實現 16單片機接口及功能介紹 16晶振電路設計 16報警電路設計 17溫度檢測電路設計 18數碼管驅動電路設計 18NRF24L01 21III基于 51 單片機的無線測溫系統的設計 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 第 6 章 系統測試 24 HYPERLINK l b

12、ookmark46 o Current Document 測試方案 24 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 讀取數據并對比 24 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 6.3系統運行結果 24結 論 26參 考 文 獻 27致 謝 28 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 附錄 1 29IV基于 51 單片機的無線測溫系統的設計基于 51 單片機的無線測溫系統的設計第 1 章 緒 論在工業現場，由于生產環境惡劣，工作人員不能長時間停留在現場觀察設備 是

13、否運行正常，就需要采集數據并傳輸數據到一個環境相對好的操控室內，這樣 就會產生數據傳輸問題。由于廠房大、需要傳輸數據多，使用傳統的有線數據傳 輸方式就需要鋪設很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現 錯誤換線困難。而且，當數據采集點處于運動狀態、所處的環境不允許或無法鋪 設電纜時，數據甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸的方式進行數據采集。在農業生產上，不論是溫室大棚的溫度監測，還是糧倉的管理，傳統上都是 采取分區取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉占地面積大， 檢測目標分散，測點較多，傳統的方法已經不能滿足當前農業發展的需要。當前 的科技水平下，無線通信技術的發展

14、使得溫度采集測量精確，簡便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如 今很多家庭都會安裝室內溫度采集控制系統，其原理就是利用無線通信技術采集 室內溫度數據，并根據室內溫度情況進行遙控通風等操作，自動調節室內溫度濕 度，可以更好地改善人們的居住環境。在現實生活中， 這種無線溫度采集系統已經被成功應用于工農業、 環境監測、 軍事國防、機器人控制等許多重要領域，而且類似于這種溫度采集系統的無線通 信網絡已經被廣泛的應用到民用和軍事領域。凡是布線繁雜或不允許布線的場合 都希望能通過無線方案來解決。為此，需要設計相應的接口系統，控制這些射頻 芯片工作，完成可靠穩定的無線數據

15、通信，這樣的研究也變得更加有意義了。論文研究主要內容本次設計主要采用 STC89C52 單片機，之所以采用單片機系統，主要是由于 單片系統具備如下特點（1）高集成度，體積小，高可靠性 單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最 小的。芯片本身是按工業測控環境要求設計的，內部布線很短，其抗 工業噪音性 能優于一般通用的 CPU。單片機程序指令，常數及表格等固化在 ROM 中不易破 壞，許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。（2）控制功能強基于 51 單片機的無線測溫系統的設計為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統均有極豐富的條件 :分支轉移 能力， I/O 口的邏輯

16、操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。（3）低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統， 許多單片機內的工作電壓僅為 1.8V 3.6V， 而工作電流僅為數百微安。（4）易擴展 片內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線 及并行、串行輸入 /輸出管腳，很容易構成各種規模的計算機應用系統。（5）優異的性能價格比 單片機的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機已開始使用 RISC 流 水線和 DSP等技術。單片機的尋址能力也已突破 64KB 的限制，有的已可達到 1MB 和 16MB ，片內的 ROM 容量可達 62MB，RAM 容量則可達 2

17、MB 。由于單片機的 廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業競爭更使其價格十分低廉，其性能價 格比極高。本系統的無線部分設計采用了 Nordic 公司新推出的工作于 2.4GHz 頻段 NRF24L01 射頻芯片，由 STC89C52 單片機控制實現短距離無線數據通信。該接 口設計具有成本低、傳輸速率高、軟件設計簡單以及通信穩定可靠等特點。整個 系統有發送和接收二部分，通過 NRF24L01 無線數據通信收發模塊來實現無線數 據傳輸。發送部分以單片機 STC89C52 為核心，使用溫度轉換芯片 DS18B20實時 采集溫度并通過 NRF24N01 將采集的溫度無線傳送給接收部分，然后在數碼管上

18、 顯示，通過蜂鳴器實現對溫度過高或過低進行報警。NRF24L01 是一款工業級內置硬件鏈路層協議的低成本無線收發器。該器件 工作于 2.4 GHz 全球開放 ISM 頻段， 內置頻率合成器、 功率放大器、 晶體振蕩器、 調制器等功能模塊，并融合增強型 Shock Burst 技術，其輸出功率和通信頻道可通 過程序配置。擁有 Shock Burst 和 Enhanced Shock Burst兩種數據傳輸模式。可直 接與單片機 IO連接，外接元件數目少。 NRF24L01 功耗低，以-6 dBm 的功率發 射時，工作電流僅 9 mA；接收時，工作電流僅 123 mA，多種低功率工作模式 （掉 電

19、和空閑模式 ）更利于節能設計。本系統測溫模塊采用的是 DS18B20溫度傳感器，DS18B20 數字溫度傳感器接 線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼 封裝式，型號多種多樣，有 LTM8877 ，LTM8874 等等。主要根據應用場合的不同 而改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測 溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。 耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測 溫和控制領域?；?51 單片機的無線測溫系統的設計DS18B20獨特的一線接口， 只需要一條口

20、線通信 多點能力，簡化了分布式溫 度傳感應用 無需外部元件 可用數據總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V 無需備 用電源 測量溫度范圍為-55攝氏度至+125攝氏度。華氏相當于是-67華氏度到 257 華氏度 -10攝氏度至 +85攝氏度范圍內精度為 0.5攝氏度。溫度傳感器可編程的分辨率為 912 位，溫度轉換為 12 位數字格式最大值為 750 毫秒，用戶可定義的非易失性溫度報警設置，應用范圍包括恒溫控制、工業 系統、消費電子產品溫度計、或任何熱敏感系統。描述該 DS18B20的數字溫度計提供 9 至 12 位（可編程設備溫度讀數 ）。由于 DS18B20 是一條口線通信，所以中央微

21、處理器與 DS18B20 只有一個一條口線連 接。為讀寫以及溫度轉換可以從數據線本身獲得能量，不需要外接電源。 因為每 一個 DS18B20的包含一個獨特的序號， 多個 DS18B20 可以同時存在于一條總線。 這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調環境控制， 感測建筑物內溫設備或機器，并進行過程監測和控制。1.2 國內外現狀溫度采集控制系統在國內各行各業的應用雖然已經十分廣泛，但從國內生產 的溫度監控來講，總體發展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比， 仍然有著較大的差距。成熟的溫控產品主要以“點位”控制及常規的 PID 控制器 為主，它們只能適應一般溫度系統

22、控制，而用于較高控制場合的智能化、自適應 控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。隨 著我國經濟的發展及加入 WTO ，我國政府及企業對此都非常重視， 對相關企業資 源進行了重組，相繼建立了一些國家、企業的研發中心，開展創新性研究，使我 國儀表工業得到了迅速的發展。 隨著新技術的不斷開發與應用，近年來單片機 發展十分迅速，一個以微機應用為主的新技術革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的 應用已經滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業。傳統 的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現使得溫度的采集和數 據處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業對象中

23、的一個重要的被控參數。然 而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產品的工藝不同，控制溫度的精度也 不相同。因此對數據采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統的控制方式已 不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點是 溫度波動范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功 率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來 快速發展了多種先進的溫度控制方式，如： PID 控制，模糊控制，神經網絡及遺 傳算法控制等。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而基于 51 單片機的無線測溫系統的設計且使產品的質量更好，降低了產

24、品的成本，提高了生產效率。本系統要求有數據 處理，顯示功能等 ,被控對象為一階慣性環節和一階積分環節的組合，慣性時間常 數為 2s，開環增益 k=10，溫度控制范圍為 -50 150。 本設計使用單片機作為 核心進行控制。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量 輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優點，在數字、智能化 方面有廣泛的用途。本系統使用 STC89C52 單片機，使溫度采集大為簡便。基于 51 單片機的無線測溫系統的設計第 2 章 關鍵技術介紹單片機最小系統介紹單片機最小系統即是單片機運行的最基本電路，最小系統中的組成缺一不 可。最小系統主要是由三部分

25、組成，其中包括單片機、復位電路、時鐘電路等幾 部分組成。這幾部分是單片機系統必不可少的，既然被稱為單片機最小系統，他 的每一部分都是單片機系統必不可少的部分，單片機是一切控制的核心，他負責 單片機軟件的運行，協調各個硬件電路之間的協調運行。軟件代碼需要燒寫在單 片機內，供電后，單片機運行程序即可開始運行，隨著事先的設定實現相應的功 能。單片機又稱單片微控制器，是在一塊芯片中集成了 CPU 中央處理器、 RAM 數據存儲器、 ROM 程序存儲器、定時器 /計數器和多種功能的 I/O 輸入 /輸出接口 等一臺計算機所需要的基本功能部件，從而可以完成復雜的運算、邏輯控制、通 信等功能。單片機的最小系

26、統就是讓單片機能正常工作并發揮其功能時所必須的 組成部分也可理解為是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。2.2 無線收發模塊無線數據傳輸廣泛地應用于社會的各個行業， 主要包括監控系統、 遙控系統、 無線網絡和信號采集系統。因為其穩定的性能和性價比很高深受大眾喜愛。開源軟件無線電技術對無線電的行業影響頗深，無線收發模塊也不例外。它 提供信號運行和處理模塊，用它可以在易制作的低成本射頻( RF)硬件和通用微 處理器上實現軟件定義的無線電。無線模塊廣泛被業余愛好者，學術機構和商業 機構用來研究和構建無線通信系統。開發者能夠簡單快速的構建一個實時、高容 量的無線通信系統。2.3 數碼管顯示電路顯示

27、模塊在單片機系統中有著非常重要的作用，根絕系統需求的不同會設計 不同的顯示電路。在顯示溫度的過程中會使用顯示電路，此電路對于顯示的要求 比較高，所以此電路使用了 LED 數碼管顯示電路，此電路的優點是成本低，控制 簡單，占用資源少。是本系統非常理想的選擇。LED 數碼管( LED Segment Displays)由多個發光二極管封裝在一起組成“ 8” 字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。數基于 51 單片機的無線測溫系統的設計碼管實際上是由七個發光管組成 8 字形構成的，加上小數點就是 8 個。這些段分 別由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。數碼管

28、在使用過程中必須設計驅動電路，如果單片機和數碼管直接相連的話 會導致數碼管亮度不足或者出現燒損單片機的情況。2.4 電源模塊電路電源是系統運行的一切的基礎，所以電源供電電路必不可少，它必須給系統 的各個器件進行供電，保證系統的運行。供電電路由電源芯片為主要組成，他能 夠提供穩定的合適的電源以使電路能夠正常穩定的運行，電源供電電路是一切運 行的基礎?；?51 單片機的無線測溫系統的設計第 3 章 系統分析3.1 構架概述3.1.1 功能構架根據需求調研結果確定本系統主要包括以下功能模塊，如圖 3.1 所示單片機發送模塊接收模塊單片機顯示模塊報警模塊圖 3.1 系統體系結構3.1.2 模塊需求描

29、述（1）單片機最小系統功能描述 單片機最小系統的功能是核心控制系統，單片機最小系統實現的主要功能是 控制功能電路的正常運行，已達到實現功能的目的。單片機最小系統是功能實現 的控制單元，此模塊還必須包含時鐘電路和復位電路，由于運行環境和很多不確 定的因素導致的系統不正常運行，外部復位電路是必不可少的，在系統運行不正 常時，內部復位電路已經無法正常復位，所以外部復位電路必不可少。時鐘電路 也是單片機系統運行的必須器件之一，本系統選用了 12M 的晶振，主要系統是通 信系統，故選用 12M 的晶振，以方便通信。（2）電源模塊功能 電源對于任何一個現代化產品來說，都是一切的基礎。他是一切電子設備運 行

30、的能量來源。電源模塊的設計必須滿足電路內部一切供電電壓電路的需求，對 于不同的電壓需求必須有相應的電路和電源模塊進行實現。（3）無線收發模塊功能無線收發模塊是利用 NRF24L01 為基礎研發的， NRF24L01 是一款新型單片 射頻收發器件。工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM 頻段。無線收發模塊的功能是將無 線監測到的信號進行傳輸，并互相讀取。無線模塊能夠對信號進行遠程收發，通 過 2.4GHz 的頻率進行無線通信。其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置?；?51 單片機的無線測溫系統的設計NRF24L01 功耗低，在以 -6dBm 的功率發射時，支持多種低功率工作模式，有掉

31、 電模式和空閑模式，使節能設計更方便。（ 4） LED 顯示模塊功能 顯示電路現在已經成為了最小系統不可缺失的一部分，雖然單片機最小系統 并未包含顯示電路，可是現有的單片機電路沒有了顯示電路已經不能稱為合格的 單片機系統。只有具有顯示電路才是更加先進和美觀的電路， LED 顯示模塊主要 負責在使用過程中數據的查看，保證在有輸入時液晶顯示電路會有相應的顯示， 將輸入的內容顯示在液晶顯示屏上。液晶顯示電路在設置完成后，需要實時顯示 接收到的溫度信息。保證了系統的人性化和科學化。使其更加美觀更加人性化。3.2 系統開發環境硬件環境：硬盤 40G， 內存 1024MB 軟件環境： windows xp

32、/73.3 系統任務的可行性分析3.3.1 技術可行性本系統采用雙控制模塊化結構，分兩部分進行控制。兩部分由各自的單片機 進行控制，各自獨立運行，互不影響。這樣對于系統的安全更加有保障。在某個 模塊的出現問題的時候不會影響到整個系統的正常運行。本系統選用的單片機 STC89C52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器， 具有 8K 系統可編程 Flash 存儲器，與工業 80C51產品指令和引腳完全兼容。 片上 Flash允許程序存儲器在系統在中編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈 巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系 統提

33、供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標準功能： 8k字節 Flash， 256字節RAM ，32位I/O口線，看門狗定時器， 2個數據指針，三個 16 位定時 器 /計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另 外， STC89C52可降至 0Hz 靜態邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節電模式?？臻e 模式下， CPU 停止工作，允許 RAM 、定時器 /計數器、串口、中斷繼續工作。掉 電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下 一個中斷或硬件復位為止。 STC89C52采用 40引腳的雙列直插封裝（ DIP 方

34、式）。 STC89C52 具有豐富的資源，而且性價比很高，對于一個有市場意義的項目來說 成本的控制是非常重要的?；?51 單片機的無線測溫系統的設計3.3.2 系統安全性分析本系統選擇了單片機 STC89C52，顯示部分選擇了 LED 數碼管。系統功能上 分為發送端和接受端兩部分，發送端主要功能是負責收集傳感器得到的信號，在 單片機處理后，通過 NRF24L01 發送到接收端。接受端主要功能是接受發送端發 出的信號，并在 LED 數碼管上顯示發送數據。系統采用行業范圍內比較經典且有 一定使用經驗的傳感器和器件。保證了系統的安全性。基于 51 單片機的無線測溫系統的設計第 4 章 系統設計4.

35、1 構架概述本系統主要分兩部分，溫度檢測電路和溫度顯示電路。將部分電路分開的主 要目的是實現本系統的無線收發功能。本系統的遠程無線收發功能可以實現對遠 程溫度監控的功能。對于無線收發功能主要是依靠 NRF24L01 模塊，通過兩個模 塊之間的通信進行數據交流。兩個系統相互獨立，又相互依存。兩個電路在相互 配合過程中，采用 NRF24L01 模塊的無線信號為介質，將溫度傳感器檢測到的溫 度信號進行傳輸，通過顯示電路將溫度顯示出來。這樣就實現了一個遠程的溫度 檢測系統。溫度檢測電路主要是由單片機最小系統、電源電路、 NRF24L01 模塊和溫度 檢測電路。溫度檢測電路通過單片機對溫度傳感器進行控制

36、，溫度傳感器采用的 是 DS18B20，此溫度傳感器采用單總線方式進行信號傳輸。在信號傳輸必須保證 時序的準確控制。在控制時序的過程中實現溫度信號的準確傳輸。溫度顯示電路主要有單片機最小系統、電源電路、 NRF24L01 模塊和溫度顯 示用的 LED 數碼管電路。溫度顯示電路使用單片機控制 NRF24L01 模塊和 LED 數碼管。單片機實時檢測 NRF24L01 模塊的信號，一旦有信號單片機即將信號顯 示在 LED 數碼管上。這兩部分電路互相獨立，控制不同，代碼不同，流程不同，其互相之間不產 生干涉。電路中溫度檢測模塊單片機將采集到的數據發送給顯示模塊單片機即可 實現無線模塊的數據發送。系統

37、的功能結構設計本系統電路由于系統的特殊性質主要分兩部分，無線發射電路和無線接收電 路。根據系統功能分工不同，需要將系統分為無線發射電路和無線接收電路。各 自不同功能的模塊需要配置不同的電路，以實現無線信號的收發功能。兩部分電 路相互依存也相互獨立，兩部分電路其實是兩個系統，其完全可以獨立運行。無線模塊溫度檢測電路主要是對溫度進行實時監控的電路，電路相對較為簡 單。由于此模塊工作環境會較為惡劣，所以此電路盡量簡化。連接點越多其故障 率也會越高。本系統在單片機最小系統的基礎上增加相應的電源電路、檢測電路 和無線收發模塊就完成電路設計。無線模塊顯示電路主要是顯示溫度檢測電路發送來的溫度信號。其主要的

38、功10基于 51 單片機的無線測溫系統的設計能就是通過數碼管進行顯示溫度這兩個電路其主要實現的功能是無線信號傳輸，其表現形式溫度能夠正常的顯示。電路圖見附錄圖2 和圖 34.3 系統控制流程系統控制流程圖如下：圖 4.3 軟件流程圖11基于 51 單片機的無線測溫系統的設計第 5 章 系統實現5.1 軟件實現5.1.1 主函數模塊功能介紹日常生活中，要完成一件復雜的功能，我們總是習慣把“大功能”分解為多 個“小功能”以實現。在 C 語言程序的世界里，“功能”可稱呼為“函數” ，因此 “函數”其實就是一段實現了某種功能的代碼，并且可以供其它代碼調用。一個程序，無論復雜或簡單， 總體上都是一個“函

39、數”；這個函數就稱為 “main 函數”，也就是“主函數” 。比如有個“做菜”程序，那么“做菜”這個過程就是 “主函數”。在主函數中，根據情況，你可能還需要調用“買菜，切菜，炒菜”等 子函數。main 函數在程序中大多數是必須存在的， 但是依然有例外情況， 比如 windows 編程中可以編寫一個動態鏈接庫（ dll ）模塊，這是其他 windows 程序可以使用的 代碼。由于 DLL 模塊不是獨立的程序，因此不需要 main 函數。再比如，用于專 業環境的程序 如機器人中的控制芯片 -可能不需要 main 函數。主函數是系統的開始，軟件系統的入口就是主函數。主函數中定義了后續使 用的函數，它

40、是程序的核心，主要是在運行過程中，控制各個軟件模塊的運行。 主函數中定義了各個函數后，再將需要調用的函數進行編程，就可以在主函數中 進行調用。5.1.2 發送程序功能介紹發送程序主要根據硬件電路進行的劃分， 發送程序中包含了各個不同的函數。 各個函數之間各有分工，功能也不盡相同。發送程序中主要包含了主函數、 DS18B20溫度讀取函數和 NRF24L01 無線發送函數。 DS18B20溫度讀取函數主要 是對系統時序的控制，因為 DS18B20 的硬件電路是單總線信號傳輸，這對于時序 的控制非常復雜。發送程序中包含 NRF24L01 的初始化函數，用于對 NRF24L01 進行初始化。 NRF2

41、4L01 無線收發模塊也需要非常復雜的時序控制。對系統的軟件設計時需要 在硬件電路的基礎上進行設計。軟硬件電路互相依存，互相彌補。硬件電路的簡 單必然導致軟件控制的繁瑣。5.1.3 接收程序功能介紹接受程序其目的一目了然就是數據接受控制的函數。當發送電路將無線信號12基于 51 單片機的無線測溫系統的設計發送出以后，接受電路就需要將無線電路的信號接受并進行譯碼。軟件程序根據 硬件電路設計的需要對硬件控制，讓各個模塊之間有序協調的工作。接收程序中包含 NRF24L01 的初始化函數，用于對 NRF24L01 進行初始化 對 NRF24L01 寄存器中的數據進行初始化。以免在使用過程中出現錯誤。包

42、含對 LED 數碼管顯示控制函數和 NRF24L01 驅動函數。以此保證系統能夠準確無誤的 運行。5.1.4 函數實現unsigned char DS18B20_Read(void)unsigned char i;unsigned char temp;temp=0;for(i=8;i0;i-)temp=_cror_(temp,1);DQ=0;_nop_();_nop_();DQ=1;_nop_();_nop_();if(DQ=1)temp=temp | 0 x80;elsetemp=temp | 0 x00;13基于 51 單片機的無線測溫系統的設計DS18B20_delay(4);retur

43、n(temp);void TmReadTemp (void)/讀取溫度bit tem18b201 = 1;bit tem18b202 = 1;float tempp;tem18b201 = DS18B20_Reset();DS18B20_Write(0 xCC);DS18B20_Write(0 x44);DS18B20_delay(50);/等待 500us 轉換時間tem18b202 = DS18B20_Reset();DS18B20_Write(0 xCC);DS18B20_Write(0 xBE);tempL = DS18B20_Read();tempH = DS18B20_Read()

44、;temperature = (tempH*256)+tempL)*0.0625;DS18B20_delay(72);tempp = temperature*100;14基于 51 單片機的無線測溫系統的設計temp1 = tempp/1000;temp2 = (tempp-temp1*1000)/100;temp3 = (tempp-temp1*1000-temp2*100)/10;temp4 = (tempp-temp1*1000-temp2*100-temp3*10);TxBuf0=temp1;TxBuf1=temp2;TxBuf2=temp3;TxBuf3=temp4;主函數 */*v

45、oid main(void)/ Transmit Tx buffer datainit_NRF24L01() ; /nRF24L01_TxPacket(TxBuf);Delay(6000);/P0=0 xBF;while(1)TmReadTemp();nRF24L01_TxPacket(TxBuf); / Transmit Tx buffer dataDelay(20);SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STA TUS,0XFF);/clear RX_DR or TX_DS orMAX_RT interrupt15基于 51 單片機的無線測溫系統的設計5.2 硬件實現5.2.1 單片機

46、接口及功能介紹單片微控制器簡稱單片機，是一塊集成了 CPU 中央處理器、 ROM 程序存儲 器、定時器 /計數器、 RAM 數據存儲器和多種功能的 I/O 輸入 /輸出接口等的一臺 微型計算機。其包含計算機所需要的基本功能部件。其可以完成各種功能和函數 中復雜的運算、通信、邏輯控制等功能。單片機的最小系統是單片機運行的最低 保障，簡單說就是單片機能正常工作和實現功能所必須的組成部分?？山忉尀槭?用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。 單片機的最小系統應該包括單片機、 時鐘電路、復位電路和輸入 /輸出設備。 AT89S51 單片機是完全集成的混合信號片 上系統型 MCU ，片內具有 64KB

47、可在系統編程的 Flash，4352字節的片內 RAM 。 其他外設主要有： 12/10位或 8位 ADC；2個 12位 DAC ；3個模擬捕捉 /比較器； 硬件實現 SPI/SMBus 和 UART 串口三種接口同時支持， 對于系統的可擴展性非常 有利；單片機 AT89S51共包含通用的 16 位定時器 5 個；其具有 6 個可編輯計數 器/定時器陣列的捕捉 /比較模塊；單片機內還包含看門狗定時器、溫度傳感器和 VDD 監視器。5.2.2 晶振電路設計時鐘電路是為系統提供時鐘脈沖的，是系統電路中必不可少的一部分。時序 是電路控制的一部分， 數據的傳輸是以時鐘脈沖為基礎的。 本系統中使用了 1

48、2MHz 的晶振為系統提供時鐘信號。時鐘電路是單片機系統中最重要的電路之一， 如圖 5.1，它是給系統源源不斷 的提供動力的電路，時鐘信號就是它所提供的動力。在單片機系統中時鐘信號的 頻率是運行的關鍵，頻率高了或者低了都無法運行。本電路選用的晶振是12M，因為本電路是給時間電路使用， 12M 晶振比較好計算時間。 STC89C52 片內有高 增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器，并產生振蕩時鐘脈沖。 其輸入管腳 XTAL1 和輸出管腳 XTAL2 用于接外部晶振。電容 C7 和 C8、外部晶 振和單片機內部的放大器一起構成了自激震蕩電路。 其中的電容 C7和 C8對頻率 起到一定的

49、微調作用，電容容量都選擇 30pF。震蕩頻率的選擇的是 12MHz 的晶 振。在使用外部時鐘時單片機的 XTAL2 引腳輸入外部時鐘信號， 而 XTAL1 接地。16基于 51 單片機的無線測溫系統的設計圖 5.1 時鐘電路圖5.2.3 復位電路設計外部復位電路是保證單片機電路的程序在不能正常運行時，可以從指定的程 序開始運行。復位電路采用按鍵復位，這種方法簡單且用以實現。當系統運行不 正常或者出現死機的現象，只要按下復位鍵系統便可以在指定的程序的位置開始 執行。由于系統電路和外部環境有不可預知性的問題， 而導致系統不能正常運行。 復位電路成為電路的必要作用就顯現出來。在電路設計中，無論是在復

50、雜電路設 計還是簡單的電路設計復位電路都是重要組成部分。在單片機系統中，復位電路是非常關鍵的程序，程序不正常運行或異常停止 運行時，就需要復位電路發揮作用。單片機微控制器的復位引腳 RST引腳 9 高電 平在兩個以上的機器周期就執行復位操作。如果 RST 引腳持續的高電平，單片機 就處于尋壞復位狀態的周期。 有兩種基本形式的復位方法是上電復位和開關復位。 上電瞬態電容兩端的電壓不能突然改變，這時的電容器為低電平，并且連接在電 阻上的電壓到 RESET 復位輸入為高時，芯片被復位。隨著 +5 V 電源電壓對電容 的充電電阻逐漸減小，最后約等于 0V 芯片的工作，無論是在什么工作條件下， 按下手動

51、復位按鈕都能實現復位效果。 在一般情況下，只要 RESET 引腳保持 10ms 以上的高電平，就可以使單片機復位，重置為經典的值。其結構如圖 5.2 所示。圖 5.2 復位電路5.2.4 報警電路設計由于單片機 STC89C52 提供的工作電流只有 20mA，而蜂鳴器正常工作電流17基于 51 單片機的無線測溫系統的設計一般比較大，以至于單片機的 I/O 口是無法直接驅動的，因此需要一個外部的驅 動電路，提供正常工作所需要的電流。報警模塊電路圖如下圖 5.3 所示。在該電 路中， BEEP連接在單片機引腳上，接口 LS1 為蜂鳴器，晶體管工作在飽和狀態， 相當于一個開關。圖 5.3 蜂鳴器驅動

52、電路圖5.2.5 溫度檢測電路設計DS18B20 的溫度檢測與數字數據輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力 更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數據處理。在講解其工作 流程之前我們有必要了解 DS18B20 的內部存儲器資源。 DS18B20 共有三種形態的 存儲器資源，它們分別是： ROM 只讀存儲器，用于存放 DS18B20ID 編碼，其 前 8 位是單線系列編碼（ DS18B20 的編碼是 19H ），后面 48 位是芯片唯一的序列 號，最后 8 位是以上 56的位的 CRC 碼（冗余校驗）。數據在出產時設置不由用戶 更改。 DS18B20共 64位 ROM。電路設計非常簡

53、單， DS18B20 共三個引腳， 2 引腳連接到單片機以后，采用 單總線的方式進行數據傳輸。系統功能的實現主要是靠軟件代碼對時序的控制。 硬件電路的簡單必須在軟件程序進行補償才能夠完成任務，其結構如圖5.4 所示。VCCU2VCCI/ OGND32 P331D S18B20圖 5.4 DS18B20 硬件連接圖5.2.6 數碼管驅動電路設計（1）數碼管顯示器簡介18基于 51 單片機的無線測溫系統的設計本設計采用 LED 數碼管顯示，在單片機系統中，通常用 LED 數碼顯示器來 顯示各種數字或符合。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特 點，因此使用非常廣泛。與 LCD 液晶顯示

54、器相比， 數碼管雖沒有液晶顯示器那樣的顯示效果， 也沒有 液晶顯示器做圖形界面具有人機交互美觀的特點。但是 LED 有其自己的特點， 它 具有低功耗，容易控制，占用 CPU 資源少這些優點， 從而成為一些顯示器的首選。 其內部結構如圖 5.5 所示。圖 5.5 數碼管內部結構數碼管由 7 個發光二極管組成，行成一個日字形，它們可以共陰極連接，也 可以共陽極連接。 1 位顯示器由 8 個發光二極管組成，其中 7 個發光二極管 ag 控制 7 個筆畫的亮或暗，另一個控制一個小數點的亮和暗，通過解碼電路得到的 數碼接通相應的發光二極而形成相應的字符。這種筆畫式的七段顯示器能顯示的 字符較少，字符的形

55、狀有些失真，但控制簡單，使用方便，它可以顯示從 1 到 9 的數字。這足以滿足設計要求。（2）數碼管顯示電路LED 數碼管的工作原理： LED 顯示器連同小數點在內，一共是 8 個 LED 數 碼管可以通過向 LED 數碼管中送入不同的顯示碼， 使其 8 段發光二極管的不同的 段點亮發光，顯示出不同的字符。 利用這一工作原理可以將單片機中的數據在 LED 數碼管上顯示出來。 在 LED 數碼管中的 8 只發光二極管的陽極連在一起， 就是共 陽極接法；若 8 只發光二極管的陰極連在一起，就是共陰極接法。在一般使用中， 共陽極的 LED 數碼管用得比較多，如圖 5.6 所示。19基于 51 單片機

56、的無線測溫系統的設計圖 5.6 數碼管引腳圖LED 數碼管的顯示方式分為：靜態顯示方式和動態顯示方式。 靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單 片機的 I/O 端口進行驅動，或者使用如 BCD 碼二 -十進制譯碼器譯碼進行驅動。 靜態驅動的優點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，如驅動 5 個 數碼管靜態顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來驅動，實際應用時必須增加譯碼驅 動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。在多個數碼管顯示時，一般是采用動態顯示方式。每個數碼管的各相同的顯 示位都連接在一起，每個數碼管的公共端都分別引出。這種方式由于各個數碼管

57、 共用一個段碼輸出端口，分時輪流選通。從而大大簡化了硬件電路。但這種方法 的數碼管接口電路中數碼管也不宜太多，一般在 8 個以內，否則每個數碼管所分 配到的實際的導通時間會太少，顯的亮度不足。若數碼管位較多時應采用增加驅 動能力的措施，從而提高顯示亮度。為了便于控制數碼管的顯示，在應用數碼管顯示電路時通常也會用到一些驅 動器，常用的驅動器是 74HC245 芯片。74HC245 芯片是總線驅動器，典型的 CMOS 型三態緩沖門電路。 由于單片 機或 CPU 的數據 /地址/控制總線端口都有一定的負載能力，如果負載超過其負載 能力，一般應加驅動器。另外，也可以使用 74HC244等其他電路， 7

58、4HC244比 74HC245多了鎖存器， 實物圖如圖 5.7 所示。圖 5.7 74HC245 實物圖20基于 51 單片機的無線測溫系統的設計其管腳定義如下：第 1 腳 DIR ，為輸入輸出端口轉換用， DIR=“1”高電平時信號由“ A”端輸 入“B”端輸出， DIR= “0”低電平時信號由“ B”端輸入“ A”端輸出。第 2-9 腳“ A ”信號輸入輸出端， A1=B1 一直到 A8=B8，A1 與 B1 是一組， 如果 DIR= “1”OE=“0”則 A1 輸入 B1 輸出，其它類同。如果 DIR= “0”OE= “0”則 B1輸入 A1 輸出，其它類同。第 11-18 腳“B”信號

59、輸入輸出端，功能與“ A”端一樣，不再描述。第 19 腳 OE，使能端，若該腳為“ 1” A/B 端的信號將不導通，只有為“ 0” 時 A/B 端才被啟用，該腳也就是起到開關的作用。第 10 腳 GND ，電源地。第 20 腳 VCC ，電源正極。數碼管的驅動總電路如圖 5.7 所示。5V5VP002A1B1P013A2B2P024A3B3P035A4B4P046A5B5P057A6B6P068A7DNA8GB7P079B8SN7 4HC24 5NSLE(20 )01GCCDIVR17B616C915D1114E1213F312G811DP1018 A2R11SM-4R18 R19 R204.

60、7K 4.7K 4.7K圖 5.8 數碼管驅動電路圖5.2.7 NRF24L01（1）NRF24L01 簡介NRF24L01 是由 NORDIC 出品的工作在 2.4GHz2.5GHz 的 ISM 頻段的單片 無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型“ SchockBurst”模式控 制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道選擇和協議的 設置可以通過 SPI 接口進行設置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線 數據傳送工作。實物圖如圖 5.8 所示。21基于 51 單片機的無線測溫系統的設計圖 5.9 NRF24L01 實物圖極低的電流消耗：當工作在發射模式下發