共35頁第頁基于單片機的恒溫箱遠程控制系統(tǒng)設(shè)計摘要溫度監(jiān)測廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，起著非常重要的作用。除了每天考慮身邊環(huán)境的溫度變化以外，我們還必須要使用測量設(shè)備來記錄許多企業(yè)生活里的溫度數(shù)據(jù)，例如工業(yè)，醫(yī)院，軍隊和我們每天的日常生活。溫度常規(guī)的直接導(dǎo)線測量電路極其復(fù)雜，非常的容易受到干擾，不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境或外部環(huán)境。所以選擇合適的數(shù)字溫度傳感器和性能良好的無線通信模塊是至關(guān)重要的。功耗是現(xiàn)代工業(yè)控制中的重要參數(shù)之一，本論文設(shè)計的恒溫箱遠程控制系統(tǒng)是使用功能強大的低功耗STC89C52RC微控制器和溫度傳感器DS18B20，通過無線電模塊NRF24L01將檢測到的溫度信息傳送至監(jiān)測終端。用于恒溫箱遙控的STC89C52RC使用非常便捷，性能與MCS-51類似，使用起來非常方便。NRF24L01無線發(fā)射芯片是一種廉價的無線發(fā)射機，可以工作在2.4GHz-2.5GHz范圍內(nèi)，而且功耗也不是很好大的。DS18B20溫度傳感器具有體積小、價格低廉等特性。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測控制箱內(nèi)的溫度，判斷溫度是否超出設(shè)定的上下限，如果超出范圍，則對繼電器進行控制，啟動相應(yīng)的熱負(fù)荷或冷負(fù)荷調(diào)節(jié)，使溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。恒溫器該系統(tǒng)硬件設(shè)簡單、成本低、功耗低、實行性強。關(guān)鍵詞：NRF24L01；溫度傳感器DS18B20；STC89C52RC；溫度控制；恒溫箱目錄第1章緒論 11.1設(shè)計背景 11.2國內(nèi)外發(fā)展概況 11.3本課題應(yīng)解決的問題 11.4本課題的技術(shù)要求 21.5論文結(jié)構(gòu) 2第2章總體方案設(shè)計 32.1系統(tǒng)總體方案分析 32.2系統(tǒng)總體方案論證 42.2.1主控芯片方案 42.2.2無線通信模塊方案 42.2.3溫度傳感方案 52.2.4顯示模塊方案 52.2.5負(fù)載驅(qū)動模塊方案 5第3章硬件電路設(shè)計 73.1STC89C52RC主控模塊設(shè)計 73.2.1nRF24L01概述 83.2.2引腳功能及描述 83.2.3工作模式 93.2.4配置字 103.2.5模塊電路圖與應(yīng)用原理框圖 113.3.1液晶1602顯示屏的基本結(jié)構(gòu) 123.3.2液晶1602顯示屏的工作原理 133.4溫度傳感器模塊設(shè)計 133.4.1DS18B20的管腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 143.4.2DS18B20的工作原理 143.4.3DS18B20的硬件設(shè)計 15第4章軟件設(shè)計 174.1各模塊軟件設(shè)計 174.1.1顯示模塊軟件設(shè)計 174.1.2溫度檢測 174.1.3無線發(fā)射模塊軟件設(shè)計 184.1.4無線接收模塊軟件設(shè)計 194.2總體的軟件設(shè)計 204.2.1發(fā)送部分 204.2.2接收部分 21第5章系統(tǒng)測試結(jié)果 225.1調(diào)試步驟 225.2實驗結(jié)果 22結(jié)束語 24參考文獻 27第1章緒論1.1設(shè)計背景在我們每天的生活當(dāng)中，使用到無線通信測量溫度是非常的常見的。隨著對溫度和濕度的需要的要求增加，測量溫度值的準(zhǔn)確與不準(zhǔn)確就變得非常重要。由于溫度的測量的特殊性，與其他的參數(shù)測量不同，只能間接地進行。其中一種常用的方法就是通過溫度傳感器。溫度測量過程只需通過溫度傳感器將溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換為另一個微處理器可以處理的信號即可，并通過顯示裝置顯示出來。溫度檢測設(shè)備通常包括溫度傳感器、信號處理電路以及顯示終端。但是在一些的特殊情況下，比如有一些的監(jiān)測的區(qū)域很大，布線就變得很麻煩而且也不能保證后期的維修維護，這個時候我們就可以采用無線模塊來采集和傳輸溫度信息。1.2國內(nèi)外發(fā)展概況隨著計算機控制技術(shù)的快速發(fā)展，給各行各業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。依賴于計算機控制技術(shù)恒溫控制技術(shù)也發(fā)速發(fā)展，該控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于需要環(huán)境控制的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。針對不同領(lǐng)域的控制目標(biāo)以及成本、功耗等因素，需要量身定控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。針對恒溫控制器適用于自動環(huán)境控制的問題，工業(yè)生產(chǎn)與商業(yè)發(fā)展都對此方面都展開了大量的研究和實驗。1.國內(nèi)外恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢自1970年代以來，特別是隨著微電子和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以及由于自動控制理論和設(shè)計方法的發(fā)展，針對工業(yè)過程控制的需求，國內(nèi)外各個領(lǐng)域?qū)囟鹊暮銣乜刂埔蔡岢隽嗽絹碓礁叩囊蟆？茖W(xué)和技術(shù)發(fā)展成果給恒溫控制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在這方面的技術(shù)領(lǐng)先者始終都是日本、美國、德國、瑞典和其他國家，均生產(chǎn)性能優(yōu)異的商用溫度控制器和設(shè)備批次。現(xiàn)在的許多國外國家的溫度控制系統(tǒng)和設(shè)備都是向著高精度智能化和小型化迅速發(fā)展的。在中國很多生活產(chǎn)生領(lǐng)域中也已經(jīng)在廣泛使用溫度控制系統(tǒng)，但是家庭使用的溫度控制設(shè)備和技術(shù)的總體發(fā)展與其他相比不是很高，與許多發(fā)達國家的差距仍然很大，如日本、美國和德國等。2.室內(nèi)恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢目前，我國的恒溫控制技術(shù)的整體技術(shù)水平在1980年代中后期才開始發(fā)展起來的，現(xiàn)在應(yīng)用到市場的成熟產(chǎn)基本上采用的是“固定的時間控制”。他這種只能應(yīng)用于溫度系統(tǒng)的一般控制，很難適用于控制復(fù)雜和時間可變的溫度監(jiān)測。在適用于高級智能控制和自適應(yīng)控制設(shè)備領(lǐng)域中，國內(nèi)技術(shù)還不夠成熟，很少有控制設(shè)備被投入實踐并被廣泛使用。因此，在恒溫控制及其他控制設(shè)備領(lǐng)域，我國與國外仍然存在一定差距。從過程量檢測的角度來看，最常見的過程變量之一就是溫度了。溫度是非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、煅燒、蒸餾、濃縮和擠出。恒溫控制技術(shù)早就已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中。在很多工業(yè)控制領(lǐng)域中，由于復(fù)雜的運行條件、參數(shù)的變化、高的運行慣量和控制延遲，對控制調(diào)節(jié)器的要求很高。溫度控制不當(dāng)會導(dǎo)致一系列問題，例如安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和功率輸出。溫度控制通常很困難，做到恒溫控制更加困難，但是非常重要。隨著綜合系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在所有領(lǐng)域的應(yīng)用，人們要求電子產(chǎn)品滿足便攜式和智能化的需求。因此在控制系統(tǒng)中急需一種緊湊、廉價的高科技單片機，能夠廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域和行業(yè)，實現(xiàn)高可靠性、廣泛的應(yīng)用范圍和單一控制系統(tǒng)。1.3本課題應(yīng)解決的問題鑒于恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的控制需求，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，重點解決以下幾個問題：1.如何保證NRF24L01無線傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；2.如何保證顯示溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；3.實時監(jiān)測恒溫箱的溫度，如果恒溫箱的溫度異常，及時發(fā)出警報。1.4本課題的技術(shù)要求恒溫箱遠程控制系統(tǒng)使用的控制核心是STC89C52，使用的無線通信模塊的核心模塊是NRF24L01.兩者結(jié)合起來可以實現(xiàn)溫度的監(jiān)測和短距離無線傳輸。恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的主機和從機是通過無線模塊來實現(xiàn)短距離的信息傳輸。從機以單片機STC89C51為核心，把溫度傳感器采集的溫度通過無線模塊傳輸給主機，這樣一來主機就可以通過無線模塊來接收到溫度的數(shù)據(jù)了，最后就可以顯示溫度在顯示屏上面，從而達到監(jiān)控傳輸過來的溫度變化。1.5論文結(jié)構(gòu)本論文設(shè)計的是基于STC89C52RC單片機的智能恒溫箱遠程控制系統(tǒng)，建立在各模塊原理的分析和可行性的基礎(chǔ)上，做出完整的實物后進行論文的編寫。本論文通過五個章節(jié)來進行介紹的，每個章節(jié)的安排內(nèi)容如下：第1章：大概簡單的介紹基于單片機的恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的研究背景和研究目的。第2章：簡單的介紹了智能恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的所有的設(shè)計思路；然后仔細的分析了恒溫箱遠程控制系統(tǒng)中所需要的主要元器件的選擇方案；然后在此基礎(chǔ)上，確定了每一個模塊所使用的器件。第3章：詳細說明了智能恒溫箱遠程控制系統(tǒng)中所有模塊的硬件設(shè)計，如：溫度傳感器模塊、無線傳輸模塊、中繼模塊、單片系統(tǒng)模塊和顯示模塊還有報警模塊的工作原理，并且對硬件電路設(shè)計進行了分析研究。第4章：主要對智能恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的單片機的程序，以及模塊編寫的結(jié)構(gòu)和框架進行了詳細介紹。第5章：本章主要展示了恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的實物圖、LCD顯示屏顯示的內(nèi)容等。總體方案設(shè)計本設(shè)計是一種恒溫器箱自動控制系統(tǒng)，恒溫器中的溫度可以在設(shè)定的范圍內(nèi)控制，如果恒溫箱里面的溫度高于或者低于設(shè)定的溫度范圍會進行報警，并且可以在設(shè)置時間內(nèi)自動升溫或者降溫，以使溫度重新回到設(shè)定范圍內(nèi)。系統(tǒng)設(shè)計主要參數(shù)如下：1.監(jiān)測的溫度參數(shù)范圍從0℃到50℃；2.控制恒溫器溫度誤差低于2-3℃；3.選擇一種適當(dāng)?shù)姆椒▉砜刂埔粋€范圍內(nèi)的溫度，超出該范圍將自動調(diào)節(jié)；4.系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間小于1S。2.1系統(tǒng)總體方案分析從機主要由STC89C52RC、溫度傳感器模塊和無線模塊NRF24L01組成，如圖2-1所示。溫度傳感器模塊主要負(fù)責(zé)溫度的采集，采集到的溫度送到STC89C52處理，如果溫度發(fā)生變化，則通過無線模塊發(fā)送出去。當(dāng)檢測到的溫度超出預(yù)設(shè)的范圍，則啟動繼電器模塊，控制升溫模塊或降溫模塊，使溫度恢復(fù)到設(shè)定范圍內(nèi)。圖2-1從機組成框圖主機組成有：單片機STC89C52RC、顯示模塊和無線模塊，如圖2-2。無線模塊接收到溫度信息后，傳遞給單片機STC89C52處理后，在LCD1602顯示模塊顯示出來。圖2-2主機組成框圖2.2系統(tǒng)總體方案論證2.2.1主控芯片方案解決方案1：使用STC89C52RC實現(xiàn)。該系統(tǒng)由一個主機和兩個從機組成，構(gòu)成一個用于多通道溫度數(shù)據(jù)收集的2級分布式溫度測量。另外，STC89C52RC的應(yīng)用范圍非常廣，它更是可以實現(xiàn)大部分功能，使用更自由也更靈活，可以說是相當(dāng)方便的，結(jié)構(gòu)也比較的清楚清晰，調(diào)試和維護起來也比較方便，它的可讀性很強，體積小、功耗低等，優(yōu)點非常多。解決方案2：使用MSP430F149單片機。該單片機具有低功耗，內(nèi)部高速12位ADC和強大的性能。但是本設(shè)計簡單，不需要使用MSP430F149這樣強大的單片機，這個單片機價格比較昂貴，它是TPFQ的貼片型封裝和密封，前提是它必須使用PCB去做成板子，這樣就延長了開發(fā)的時間與周期。綜合考慮，選擇STC89C52RC作為該系統(tǒng)的MCU。2.2.2無線通信模塊方案恒溫箱遠程控制系統(tǒng)還有一個很重要的部件就是無線通信模塊，用于建立可靠而穩(wěn)定的無線通信方法。在這里主要對比了以下六種通訊方式：解決方法一：采用GSM通信模塊。這個模塊可以遠距離的借助衛(wèi)星通信或移動電話卡來傳輸數(shù)據(jù)，但每個過程都要有費用產(chǎn)生。解決方法二：選擇ITCC2430通信模塊，該模塊通信速度很迅速，同GSM通信模塊一樣成本相對來說是較高，并且操作比較的困難。所以這個也不作為主要的方案去進行考慮。解決方法三：使用NRF24L01通信模塊，此模塊優(yōu)點非常的多，比如通訊速度快，功耗低，體積小，通過使用SPI總線的通信模式，傳輸是較遠，且電路容易操作。解決方法四：藍牙無線通信控制模塊HC-05，該模塊只能通過異步串行通信與單個芯片發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。硬件占用更少的I/O端口，軟件編程更簡單，但是需要在開放的環(huán)境中進行。傳輸距離相對較短。解決方法五：支持ZigBee無線協(xié)議的CC11420芯片功耗低，運行穩(wěn)定，安全性能好，網(wǎng)絡(luò)容量大且易于組網(wǎng)，但Zigbee技術(shù)的系統(tǒng)成本相對來說比較的高，并且需要占用很多數(shù)量的微控制器I/O的接口。根據(jù)所設(shè)計的恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的實際需要和經(jīng)濟考慮，應(yīng)選擇更長的傳輸距離和更經(jīng)濟的傳輸方案，因此選擇nRF24L01芯片作為本設(shè)計的無線通信方法是比較合適的。綜合考慮，采用方案三作為該系統(tǒng)的通信模塊。2.2.3溫度傳感方案溫度檢測有多種傳感器，主要對比了以下兩種：方案一：采用熱敏電阻，它的優(yōu)點很多，它的工作環(huán)境對溫度要求的范圍比較大，不是那么小，它的占地也小，因為它本身就很迷你，它非常的耐用，實用性很強，大規(guī)模生產(chǎn)起來也比較方便和容易實現(xiàn)。但是它的靈活度一般般，不是那么的靈活、變通性差，也不是很可靠，只能檢測出小范圍的溫度變化，一般都是零到六度之間。方案二：:因為DSI8B20輸出信號是數(shù)字型的，所以處理可控制起來也比較容易，它解決了與傳統(tǒng)測量方法、環(huán)形電路有關(guān)的一些問題。物理和化學(xué)特性是可靠的，可信，它可以用來當(dāng)做工業(yè)化方面的溫度型傳感器，而且線性度較好。最大線性的誤差在零到一百攝氏度之間是小于1度的。它的單線與總線的傳輸數(shù)據(jù)，讓信號的可靠與穩(wěn)定性，精確度提高了。所以未來電子電路方面的發(fā)展趨勢更傾向于數(shù)字集成類型的芯片。簡而言之，我們使用DS18B20作為最終解決辦法。2.2.4顯示模塊方案對于顯示模塊的選擇，有以下三個方案可以選擇：解決方法一：恒溫箱遠程控制系統(tǒng)使用七段數(shù)碼管作為顯示模塊。作為顯示模塊，數(shù)字管最重要的就是他的顯示清晰度。但是，它只能顯示數(shù)字和一些字母。顯示功能比較簡單。對于一般系統(tǒng)的顯示，它需要多個數(shù)字管的組合，這不僅需要大量的處理器輸入和輸出端口，而且還需要增加驅(qū)動芯片，電路設(shè)計和軟件設(shè)計都非常不便。解決方法二：LCD上顯示。此顯示方式可以清晰的顯示內(nèi)容，如數(shù)字、字母，以及一些簡單的符號。LCD模塊的每一個點可以保持一定的亮度。視圖不能顯示中文字符，而只能顯示字母。數(shù)字與數(shù)字符號通信方法只包括并行接口，并且在其設(shè)計中需要多個I/O端口。解決方案3：實用led數(shù)字顯示器，數(shù)字管具有簡單的硬件電路，調(diào)度方便，軟件實現(xiàn)了相對簡單的優(yōu)勢，但使用了更多的界面，可以顯示更多的特性。在本設(shè)計中，如果使用數(shù)字顯示器需要結(jié)合多位數(shù)字顯示器和添加驅(qū)動器芯片，則功耗也會更大。與LED數(shù)字顯示器相比，液晶顯示器的功耗更低，顯示質(zhì)量更高、體積更小，重量更輕、使用壽命更長。因此，選擇LCD1602液晶顯示器作為該設(shè)計的顯示器。基于上述解決方案，選擇LCD1602。2.2.5負(fù)載驅(qū)動模塊方案在本設(shè)計中需要驅(qū)動模塊去驅(qū)動加熱電路工作，主要比較了以下兩種方案：方案一：使用雙向晶閘管來控制負(fù)載，晶閘管具有壽命長，無噪聲等，但電路負(fù)荷高，電路負(fù)荷的故障率增加，所以電荷要求高，不能驅(qū)動太大的負(fù)載。方案二：使用繼電器驅(qū)動負(fù)載。設(shè)計使用的是5V繼電器，繼電器可以產(chǎn)生最大負(fù)載250V10A，可以連接到功率范圍內(nèi)的任何負(fù)載，并且驅(qū)動電路簡單且故障率低。根據(jù)上述方案，選擇繼電器用于控制負(fù)載。硬件電路設(shè)計3.1系統(tǒng)核心處理器3.1.1STC89C52RC主控模塊設(shè)計STC89C52RC是一種高性能低電壓微控制器，包括8KB閃存和512字節(jié)RAM，一種與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)兼容的存儲空間ROM，通用CPU8位等。主要特點如下：1）8kflashROM可以重復(fù)寫入；2）32個雙向I/O端口;3）512x8位內(nèi)部ram;4）可以使用串口直接下載；5）具有2K字記憶。STC89C52RC共有40個引腳，通常采用雙列直插式封裝，具體引腳圖如圖3-1所示。圖3-1單片機管腳圖3.1.2單片機外部晶振電路設(shè)計STC89C52RC微控制器內(nèi)部有反向放大器組成的內(nèi)部振蕩模塊。XTAL1和XTAL2分別是MCU晶體振蕩器的輸入和輸出引腳。它的外部引腳可以連接到石英晶體振蕩器或陶瓷晶體振蕩器。外部晶體振蕩器電路提供得是時鐘信號，并且單片機在時鐘信號的控制作用下可以執(zhí)行內(nèi)部程序。由于內(nèi)部時鐘信號比外部時鐘信號不穩(wěn)定，因此我們在大多數(shù)單片機設(shè)計中是外部晶體振蕩器電路用于提供時鐘信號。圖中顯示了STC89C52RC微控制器的外部晶體振蕩器電路。圖3-2單片機外接晶振電路如圖3-2所示，諧振電路是由一個外部晶體振蕩器以及兩個c10和c11電容器形成。C10和C11都在33pf左右，它們可以穩(wěn)定振蕩頻率并快速開始振蕩。晶體振蕩器的振蕩頻率越高，消耗的能量就會變多。在本設(shè)計中選取的晶振頻率為11.0592MHz，同時可以滿足定時器定時和串行端口波特率精度要求。3.1.3單片機外部復(fù)位電路設(shè)計為了保證單片機在電路系統(tǒng)中能夠穩(wěn)定可靠的運行，一旦單片機出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，應(yīng)該能夠通過復(fù)位電路對系統(tǒng)進行復(fù)位、重新工作。因為單片機復(fù)位電路的設(shè)計是非常的重要，同樣也是不能缺少的關(guān)鍵部分。單片機復(fù)位一般有兩種：一種是采用電源自動復(fù)位，另一種就是手動按鍵復(fù)位，其中，以外部按鍵手動復(fù)位電路是最為常用比較普遍的。我們所設(shè)計的恒溫箱遠程控制系統(tǒng)就是采用外部按鍵手動來進行復(fù)位，電路設(shè)計如圖3-3所示。圖3-3單片機外部復(fù)位電路當(dāng)MCU系統(tǒng)正常運行時，MCU重置引腳接收大于于兩個機器周期的高電平，從而實現(xiàn)重置操作。期間正常運行，應(yīng)確保微控制器為低電平復(fù)位引腳，并且應(yīng)將其連接到下拉電阻，以避免掛起和誤操作。在該系統(tǒng)中，外部晶體振蕩器為11.0592MHz，因此，內(nèi)部時鐘頻率為11.0592兆赫，恢復(fù)信號時間約為2微秒。在復(fù)位過程中，微控制器引腳電平是處于隨機狀態(tài)。只有等到復(fù)位后微控制器的所有引腳輸出高電平，系統(tǒng)再次開始工作。電路上電后，僅當(dāng)VCC的值在電源電壓的95％至105％之間且晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，才會撤消復(fù)位信號。只有清除信號恢復(fù)后電路才能啟動。3.1.4系統(tǒng)中使用引腳及其功能恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分包括主機和從機兩個部分，其中從機主要完成溫度采集和無線傳輸，以及溫度的自動調(diào)節(jié)；主機接收和處理無線數(shù)據(jù)以完成顯示。下面將詳細介紹智能恒溫器的主機和從機的兩個部分中使用的MCU引腳及其功能。恒溫箱遠程控制系統(tǒng)從機：它主要應(yīng)用到單片機I/O接口的輸入/輸出功能和SPI通訊功能，由于STC89C52RC單片機不具備SPI通信接口，因此采用IO模擬SPI通信協(xié)議。通過標(biāo)準(zhǔn)的I/O輸入/輸出功能連接溫度傳感器，無線通信模塊和繼電器模塊；通過無線傳輸模塊連接智能恒溫箱的發(fā)射器和遠程接收器。表3.1列出了智能恒溫箱遠程系統(tǒng)設(shè)計中使用的單片機的相關(guān)I/O端口和功能。表3.1恒溫箱檢測端用到的單片機接口及其功能端口P1.0-P1,7RETP3.2/INT1P3.3/INT1P3.6/RDXTAL1XTAL2GNDVCC引腳1-8912131718192040功能連接無線傳輸模塊單片機復(fù)位引腳連接溫度傳感器連接聲音傳感器連接濕度傳感器單片機外接晶振輸入引腳單片機外接晶振輸出引腳單片機供電電源接地單片機供電電源5V智能溫度遙控系統(tǒng)：I/O單片機的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出功能、SPI通信功能和并行數(shù)據(jù)輸出功能。表3.2描述了恒溫箱遠程控制系統(tǒng)主機中STC89C62單片機的I/O端口及其在遠程控制終端系統(tǒng)設(shè)計中使用的功能。表3.2遠程控制終端的單片接口及其功能端口引腳功能P1.0-P1.71-8連接NRF24L01無線模塊RET9單片機復(fù)位引腳P3.4-P3.714-17連接四個按鍵進行對系統(tǒng)的不同操作XTAL118連接單片機晶振輸入引腳XTAL219連接單片機晶振輸出引腳GND20單片機供電電源接地P2.021連接蜂鳴器報警模塊P2.526操控LCD1602液晶顯示屏的讀寫P2.627操控LCD1602液晶顯示屏的數(shù)據(jù)/指令選用P2.728操控LCD1602液晶顯示屏的使能輸入端ALE30連接AD轉(zhuǎn)換芯片AD0809的時鐘信號輸入端P0.0-P0.732-39連接LCD1602液晶顯示屏的八位并行數(shù)據(jù)接口VCC40單片機供電電源5V3.2nRF24L01無線模塊設(shè)計3.2.1nRF24L01概述NRF24L01是一種新型的單片無線電收發(fā)器，在ISM頻帶內(nèi)運行，其中包括頻率發(fā)射器、功率放大器、晶體振蕩器。改進的休眠模式調(diào)制器和解調(diào)器允許電源輸出的簡單配置。軟件NRF24L01具有幾種低能耗模式（“斷電模式和休息模式”）。這有助于設(shè)計系統(tǒng)節(jié)約能源。主要特性如下：自動生成集成頭和循環(huán)冗余控制碼；硬件集成OSI鏈路層；SPI速率不超過10兆位；125信道與其他NRF24射頻裝置的兼容性；自動反應(yīng)和重發(fā)功能；系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸速率；1.9V-3.6V電壓；3.2.2引腳功能及描述圖3-4顯示了NRF24L01電路符號以及引腳。圖3-4nRF24L01的電路圖圖3-5nRF24L01PCB圖3-6nRF24L01實物圖由于電路運行在高頻上，對電路的設(shè)計要求很高。我們直接使用現(xiàn)在的成品模塊的高頻電路，直接以元件的形式安裝在電路板上即可，這樣就不用去考慮高頻電路的設(shè)計問題，nRF24L01PCB圖如圖3-4所示，安裝后的NRF24L01模塊見圖3-5。表3-3顯示了模塊中每個部分的功能。 表3-3nRF24L01模塊各引腳功能引腳名字接口簡述1GND接電源地電源地2VCC接電源正（+3V）正功率，范圍1.0-3.6v3CR模塊輸入信號NRF24L01模塊中的內(nèi)部RF電路的操作控制4CSN模塊輸入信號模塊選擇信號，由一個單片發(fā)出的用于控制在模塊上讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的授權(quán)的信號5SCK模塊輸入信號用于控制模塊讀取或?qū)懭胨俣鹊膯纹袝r鐘信號6MOSI模塊輸入信號用于NRF24L01模塊的單片數(shù)據(jù)傳輸接口7MISO模塊輸入信號每個NRF24L01模塊的數(shù)據(jù)路由接口8IRQ模塊輸入信號是界面產(chǎn)生由NRF24L01發(fā)送給一個單片的中斷信號3.2.3工作模式配置寄存器可將nRF24L01配置為四種工作模式：發(fā)射、接收、空閑及掉電，如表3-4所示。表3-4發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式的配置表模式PWR-UPPRIM-RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式100-發(fā)射模式111TXFifo寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)射模式110在數(shù)據(jù)發(fā)送之前保持傳輸模式。待機模式2111空的待機模式11-1無掉電03.2.4配置字SPI端口是高傳輸速率的同步串行通信接口，首先發(fā)送低字節(jié)，然后發(fā)送高字節(jié)。NRF24L01的配置寄存器總數(shù)為25個，經(jīng)常使用的配置寄存器列于表3-5。表3-5配置寄存器地址（H）寄存器名稱功能01CONFIG設(shè)置工作方式00EN-AA設(shè)置接收信道和自動響應(yīng)03ENRXADDR接收信道地址04SETUP-AW設(shè)置寬度02SETUP-RETR定義自動數(shù)據(jù)重發(fā)的時間和頻率07STATUS狀態(tài)寄存器0A-0FRX-ADDR-P0=P5接收地址10TX-ADDR接收點11-16RX-PW-P0-P5接收數(shù)據(jù)寬度3.2.5nRF24L01無線通信模塊介紹設(shè)計中使用nRF24L01無線通信模塊連接主機和從機（恒溫器控制器）。該芯片是收集和發(fā)送無線數(shù)據(jù)的芯片，只需少數(shù)外圍設(shè)備可以形成射頻電路。它體積小，傳輸速度快，實物圖如圖3-6所示。nRF24L01無線通信模塊電路圖如圖3-7所示。 圖3-7NRF24L01電路原理圖表3.6簡要說明了NRF24L01芯片的每根針的功能及其功能。表3.6NRF24L01的功能引腳名稱功能4CE數(shù)字輸入，主出從入，SPI數(shù)據(jù)輸入引腳2CSN數(shù)字輸入，SPI時鐘信號引腳3SCK數(shù)字輸入，SPI片選使能引腳1MISO數(shù)字輸入、RX/TX模式選擇5MOSI數(shù)字輸出，主入從出，SPI數(shù)據(jù)輸出引腳6IRQ屏蔽中斷7VDD+3V8VSS接點9XC2輸出，連接晶振10XC1輸入，連接晶振11VDD-PA電源，提供+1.8V電源12ANT1無線接口213ANT2無線接口114VSS接地15VDD+3V電16IREF輸入，電源17VSS接地18VDD+3V電19DVDD輸出，電源正極端20VSS接地3.2.6無線傳輸模塊設(shè)計思路連接到NRF24L01芯片的外部引腳VCC的電壓必須在1.9V至3.6V之間，超出此范圍將影響芯片的使用壽命。AMS1117-3.3的功能等效于變壓器，可以將電壓降至3.3V。使用3.3V電壓是安全可靠的。本設(shè)計采用模擬SPI的通訊方式與單片機進行通訊，通過SPI通訊實現(xiàn)模塊的通道選擇和輸出功率設(shè)置。原理圖如圖3-8所示。圖3-8nRF24L01芯片供電電路原理圖3.3顯示電路模塊設(shè)計3.3.1液晶1602顯示屏的基本結(jié)構(gòu)LCD1602使用16英尺的標(biāo)準(zhǔn)界面，如圖3-12所示，共有16個引腳：引腳1：電源引腳2：從vcc到5v的正電極引腳3:V0液晶顯示器的對比度調(diào)節(jié)。引腳4：S是一個寄存器選擇，數(shù)據(jù)寄存器選擇高電平，指令寄存器選擇低功率消耗。引腳5：RW是讀寫信號線，讀高電平和寫低電平。引腳6：en端子是啟用的端子，在讀取信息時為高電平，在執(zhí)行指令時為負(fù)跳變。引腳7-14：8位數(shù)據(jù)端子與微控制器之間的雙向通信端口。引腳15正極，引腳16負(fù)極。圖3-9LCD1602引腳圖3.3.2液晶1602顯示屏的工作原理LCD1602存儲器已經(jīng)包含160個不同字符的160個矩陣圖像，每個矩陣圖像對應(yīng)于一個固定代碼，如“A”字母“其代碼為01001B和41H矩陣圖像顯示模塊的地址”。這就可以看到字母A.也可以在單片編程中使用字符常數(shù)或變量分配，因為CGROM存儲器代碼基本上與我們的計算機字符代碼相同，甚至可以在C51字符代碼中直接用P1A寫入DDRAM。3.3.3LCD1602液晶顯示電路的設(shè)計恒溫箱遠程控制系統(tǒng)設(shè)計選擇LCD1602液晶顯示器作為顯示界面，如圖3-10所示。在實際應(yīng)用中，LCD1602LCD屏幕可用于顯示數(shù)字，字母和字符。在本設(shè)計中，它使用其八位并行接口與微控制器交換數(shù)據(jù)，并通過控制三個端口（即RS，RW，E端口）來協(xié)調(diào)命令和識別數(shù)據(jù)。LCD屏幕的電路原理圖如下圖3-11所示。圖3-10LCD1602液晶顯示界面圖3-11LCD1602的電路原理圖表3.7列出了液晶顯示器LCD1602和單片導(dǎo)向針的連接及其功能。表3.7LCD1602和單片導(dǎo)向針的連接及其功能引腳符號連接功能1VSSGND電源連接2VCCVCC電源5V3V0--對比度4RSP2.5選擇端5RWP2.6指令選擇端6EP2.7片選7-14DB7-DB7P0數(shù)據(jù)接口15LED+VCC背光5V電源16LED-GND背光地

在使用中，顯示器只在E=1時工作，E=0不工作；當(dāng)RS設(shè)置為1時，它是一個數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)RS為0時，它是一個指令寄存器；當(dāng)RW為1時，它被讀取，寫入RW為0。另外，顯示屏的對比度可通過10k滑動變阻器調(diào)節(jié)。3.4溫度傳感器模塊設(shè)計所述DS18B20芯片具有許多優(yōu)點，例如“非常小的容積、抗干擾性、優(yōu)惠價格、高精度和界面”。單線DS18B20具有唯一的序列號，因此對于總線設(shè)備來說是相對簡單的。總線的選擇數(shù)據(jù)是由電壓3.0至5.5伏提供的，而總線測量的溫度具有一定的范圍，通常是0-55℃。芯片外包裝如圖3-12所示。圖3-12芯片包裝3.4.1DS18B20的管腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20只有三根引腳，功能如下：（1）DQ是一個單一的數(shù)據(jù)總線，一個數(shù)字信號輸入/輸出終端；（2）GND是電源地；（3）VDD是電源輸入。內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3-13所示。圖3-16DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.4.2DS18B20的硬件設(shè)計如前所述，DS18B20共有三根引腳線，除了電源和地之外，只有一個線需要與單片機連接。在綜合考慮單片機引腳分配的情況，采用引腳P1.7與溫度傳感器連接，具體電路如圖3-17所示。圖3-18DS18B20與單片機接口電路設(shè)計3.5報警電路的設(shè)計當(dāng)從機檢測到的溫度超出設(shè)定的范圍外，除了及時啟動溫度調(diào)節(jié)模塊之外，提醒主機及時查看現(xiàn)在的狀況，采用簡單的蜂鳴器電路即可。蜂鳴器的實物圖如圖3-19所示。圖3-19蜂鳴器實物圖蜂鳴報警模塊的電路原理圖如下圖3-20所示，直接采用單片機的一個IO口連接BEEP即可實現(xiàn)，當(dāng)IO輸出低電平時，蜂鳴器發(fā)出聲音。圖3-20蜂鳴報警模塊的結(jié)構(gòu)原理圖

軟件設(shè)計除了硬件設(shè)計，系統(tǒng)正常工作還離不開軟件設(shè)計，即程序設(shè)計。恒溫箱遠程控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以分為兩部分：從機發(fā)送端和主機接收端。為了使編程井井有條，易于調(diào)試和修改，每個模塊中的相關(guān)程序均分開設(shè)計在C文件和H文件中。使用分模塊的軟件設(shè)計方法可以使程序看起來簡單易讀。4.1各模塊軟件設(shè)計4.1.1顯示模塊軟件設(shè)計LCD1602在設(shè)計之前已進行了必須先進行初始化，初始化過程如圖4-1所示。初始化包括打開顯示器，清除屏幕，啟動行設(shè)置等。由于顯示器的響應(yīng)速度比單片機的操作速度快，因此無需執(zhí)行讀寫檢測，并且檢測效果可以通過適當(dāng)?shù)难舆t來實現(xiàn)。在LCD1602監(jiān)視器上進行每次讀取和寫入操作之前，有必要檢查以確定LCD1602監(jiān)視器是否正在執(zhí)行內(nèi)部操作。在LCD1602程序中。C文件必須首先包含用于控制LCD顯示屏的子功能，包括內(nèi)部忙碌檢測子功能、打開顯示子功能、屏幕清潔子功能、設(shè)置起始行和列坐標(biāo)子功能以及LCD分離延遲功能。顯示程序流程圖如圖4-2所示。圖4-1LCD1602初始化流程圖4-2LCD1602顯示流程4.1.2無線發(fā)射模塊軟件設(shè)計第一步是通過SPI-L總線配置初始化，并將NRF24L01引入到傳輸模式中，然后將目標(biāo)地址和發(fā)射機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫入到無線通信模塊的緩沖區(qū)，并傳輸數(shù)據(jù)。如圖4-3所示。圖4-3SPI-L總線配置初始化流程圖4.1.3無線模塊軟件設(shè)計在無線模塊發(fā)送軟件設(shè)計中，外部引腳和內(nèi)部PWR以及寄存器原語的組合對應(yīng)于不同的工作模式。NRF24l01模塊具有四種工作模式，即接收模式、發(fā)送模式、備用模式和停止模式。在設(shè)計使用的是電磁波通訊。模塊通電以后，nRF24L01模塊首先進行初始化和配置，單片控制引導(dǎo)數(shù)據(jù)和CLK輸入配置。nRF24L01模塊被配置為發(fā)送模式。發(fā)送位PRIM和MCU完成后，nRF24L01芯片將自動計算CRC檢查。系統(tǒng)將下拉模塊針腳CR，nRF24L01模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；發(fā)送后，系統(tǒng)將被配置為自由模式，等待下一個傳輸程序。圖4.4所示為nRF24L01模塊發(fā)送流程。。圖4-4nRF24L01發(fā)送模式流程圖4.2總體的軟件設(shè)計4.2.2從機軟件設(shè)計部分從機工作的流程首先初始化溫度傳感器，然后使用DS18B20測量溫度，然后在發(fā)送數(shù)據(jù)中寫入溫度值，然后初始化NRF24L01無線電模塊，將溫度傳送給主機，如圖4-5所示。圖4-5主機發(fā)送溫度流程圖4.2.3主機軟件設(shè)計部分主機主要功能時接收溫度信息并顯示出來。因此主機第一步是初始化NRF24L01無線模塊，并確定是否有中斷接種如果在LCD1602上讀取和顯示數(shù)據(jù)，則在圖4-6中主機流程圖。圖4-7主機接收流程圖4.3程序編譯及下載4.3.1Keil開發(fā)環(huán)境Keil軟件是51個單片機用來編寫程序的軟件。幾乎所有的模擬器制造商都支持該軟件并具有豐富的功能。它具有多種功能，例如編譯，仿真和調(diào)試，這些功能通過uVision的集成開發(fā)環(huán)境進行了組合。在編譯程序或仿真軟件時，可以打開其他窗口并查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)值以更好地完成編譯工作。它的仿真功能非常強大，即使有時會出現(xiàn)錯誤，您也可以在線修改程序并在此處完成仿真。4.3.2程序的編譯和下載打開Keil軟件，新建一個工程如圖4-8所示。圖4-8新建工程（2）新項目完成后，要選擇準(zhǔn)確的用于仿真的單片機模型。在選擇設(shè)備之前，我們必須要從STC的官方網(wǎng)站下載下載軟件，然后將設(shè)備選擇和下載軟件提供的部分頭文件導(dǎo)入Keil軟件，否則的話就不能在Keil編程軟件中進行仿真。恒溫箱遠程控制系統(tǒng)使用STC89C52RC微控制器，器件選擇如圖4-9所示。圖4-9選擇器件（3）新建工程之后選擇相應(yīng)的單片機，要將其進行保存。這邊我們點擊TargetOptions按鈕，在設(shè)置中選擇生成HEX文件，如圖4-10所示。此時就可以編寫并調(diào)試程序了。圖4-10HEX文件生成（4）程序編輯完成后，無法立即生成HEX文件。您還需要單擊左上方的編譯。單擊后，軟件將自行編譯完成的程序。（5）確認(rèn)Keil編譯器已生成HEX文件后，將程序下載到微控制器。現(xiàn)在，最常見的下載程序的方法是使用STCISP軟件進行下載。打開下載軟件，并匹配計算機的串行端口。此時，必須將晶體振蕩器添加到單芯片電路中以使其可訪問。然后在下載軟件中選擇MCU，確認(rèn)MCU的型號，選擇要刻錄的HEX文件，單擊下載，程序下載完成，如圖4-11所示：圖4-11下載程序4.4本章小結(jié)在進行軟件調(diào)試時，始終可以調(diào)用子模塊程序。這對于子模塊調(diào)試很有幫助。本章介紹智能恒溫器控制系統(tǒng)各個子模塊的程序設(shè)計流程，以及從機發(fā)送流程和主機接收的編程。具體描述了恒溫器遠程控制系統(tǒng)中每個傳感器模塊的軟件編程以及遠程接收器中每個功能模塊的編程。nRF24l01模塊進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，在編寫程序時必須保證NRF24l01的正確性。使用繼電器模塊時，請確保匹配端口以實現(xiàn)功能。配置溫度采集傳感器模塊功能時，請確保端口正確，并在讀取數(shù)據(jù)時保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在報警模塊程序中，請確保串口配置正確，否則將無法獲取高于設(shè)定溫度且低于設(shè)定溫度的警報數(shù)據(jù)。同時，應(yīng)將遠程接收端與智能恒溫箱的發(fā)送端進行調(diào)試，以確保它們之間的無線通信，并且可以在遠程控制端的LCD顯示屏上顯示實時數(shù)據(jù)。

第5章系統(tǒng)測試結(jié)果5.1調(diào)試步驟調(diào)試的步驟具體如下：第一步是完成電路的焊接；第二步是首先制定一個測試程序，以檢查LCD1602顯示是否是正確的措施：第三是將接收部分中的單片連接到數(shù)字管并制定測量程序溫和的測試與DS18B20相關(guān)聯(lián)的硬件和軟件；第四步是建造一個簡單的無線通信設(shè)備，建立一個簡單的測試序列，并檢測一個硬件模塊接受器；第五步是收集序列。構(gòu)建一個由主機和從機組成的完整硬件，并通過無線模塊通信和顯示通過LCD1602測試系統(tǒng)是否可以測量從機的溫度。5.2實驗數(shù)據(jù)測量通過調(diào)試和實驗，記錄過程中獲取的一些數(shù)據(jù)，為后面的電路改進提供科學(xué)依據(jù)。具體實驗中獲得數(shù)據(jù)，如表5-1所示：表5-1測試數(shù)據(jù)表序號測試對象值1發(fā)送端2.5mA2接收端11mA3電壓4.0V4發(fā)送功率910mW5接收功率310mW6距離>6m從表中可以看出，溫度調(diào)節(jié)器遠程控制系