基于STM89C52的磁场强度检测计的设计和实现 电气工程专业.doc

题 目 基于STC89C52的磁场强度检测计的设计 目 录 1 绪论 1 1.1 设计背景 1 1.2 开发现状 1 1.3 设计的意义与目的 1 2 系统方案设计 1 2.1 系统运行概述 2 2.2 无线传输模块的选择方案与论证 2 2.3 微控制器的选择方案与论证 3 3 硬件设计 4 3.1 无线传输发射端 4 3.2 控制模块 4 3.3 传感器与ADC0832接口电路 7 3.4 ADC0832与单片机接口电路 7 3.5 NRF24L01部分 7 3.5.1 NRF24L01简介 7 3.5.2 NRF24L01管脚特性 8 3.5.3 单片机与无线模块的接口—SPI总线 8 3.5.4 NRF24L01和单片机接口电路 8 3.6 无线传输接收端 9 3.7 LCD1602与单片机接口电路 9 3.8 有线传输部分 10 3.9 RS485传输部分 10 4 单元模块设计 12 4.1 蜂鸣器报警电路设计 12 4.2 电源自锁开关系统设计 12 4.3 按键系统设计 13 4.4 电压调节部分设计 13 4.5 LED状态指示部分设计 14 5 系统软件设计 14 5.1 软件开发环境介绍 14 5.2 系统总体流程图 15 5.3 无线传输发送程序功能介绍 16 5.3.1 数据采集子程序 16 5.3.2 无线发送模块子程序 17 5.4 无线传输接收端程序功能介绍 18 5.5 保护报警子程序 19 5.6 LCD1602显示模块子程序 20 5.7 按键扫描子程序 21 6 调试与检测 22 6.1 硬件的焊接 22 6.3 调试结论 23 7 总结与展望 23 7.1 总结 23 7.2 展望 24 参考文献 24 致谢 26 基于STC89C52的磁场强度检测计的设计 摘要：本设计以STC89C52单片机为核心，采用NRF24L01模块和RS485模块传输，系统由无线传输和有线传输两部分组成，这两种传输方式可以使用按键自由切换。霍尔传感器采集到的信号，经ADC0832转换为数字信号，经过单片机的处理，NRF24L01和RS485的传输，最终在LCD1602上显示出磁场强度。 硬件部分包括霍尔传感器采集模块、AD转换模块、无线传输模块、 显示模块、RS485模块、蜂鸣器报警模块。软件部分使用C语言进行编写，并使用KEIL软件进行系统程序设计，系统硬件电路原理图制作主要使用PROTEL 99 SE软件进行设计并制作PCB印制电路板图，待仿真成功后进行实物制作与调试，最后成功设计完成了磁场强度检测计。该系统无线传输稳定，系统检测精度高，传输距离较远，使用也十分方便。 关键词：STC89C52；ADC0832；LCD1602；NRF24L01 Based on STC89C52, the design of magnetic field strength meter Abstract: This design with STC89C52 single-chip microcomputer as the core, USES RS485 module and NRF24L01 module transmission, the system consists of two parts, wireless transmission and cable transmission, these two transmission mode can use the button switch freely. The signal collected by hall sensor is converted to digital signal by ADC0832, and the transmission of NRF24L01 and RS485 is processed by MCU, and the magnetic induction intensity is finally shown on LCD1602. The hardware part includes hall sensor acquisition module, AD conversion module, wireless transmission module, display module, RS485 module and buzzer alarm module. Software part use C language to write, and use the KEIL software system program design, system hardware circuit principle diagram making main using PROTEL 99 SE software for design and production of PCB, stay after the success of the simulation of real production and debugging, finally successful design completed the magnetic induction intensity testing meter. The system has stable wireless transmission, high accuracy of system detection, remote transmission distance and convenient use. Key words: STC89C52; ADC0832; LCD1602; NRF24L01 1 绪论 1.1 设计背景 最早的磁场探测器已有2000 多年的历史，通过这种磁场探测器可以辨识方向或为舰船导航。随着现代科技的进步，磁场传感器的应用越来越广泛，磁场传感技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及和电子设备兼容的方向发展。进入21世纪，伴随着信息技术及信息产业的飞速发展、磁场强度检测在工业生产、科研、教学等行业中的起着非常重要的作用。对于磁场强度的检测，现在市场上所出现的磁场强度检测计大多价格高，携带困难，并且不能在上位机上面显示连续的磁场强度变化。本设计制作的磁场强度测量仪具有成本低、携带方便、体积小、测量误差小等优点，并且通过转串口芯片可以将采集到的磁场信号传送到LCD上显示。本设计制作的磁场强度测量仪的微控器采用STC89C52，这种单片机相对简单，使得使用者更容易掌握、在使用出现故障时其检修也很方便。传感器的选择是本设计的重要部分，现在市场上的霍尔器件有很多类型，其基本原理都相同，但是在测量磁场强度时，对霍尔器件的线性要求极高，并且要在适宜的电压范围内，输出电流也要适宜、要能够具备低功耗等条件。因此在经过大量的筛选后选择了一款线性良好、工作电压低的霍尔传感器，并且在5V工作电压时具有非常良好的线性，其输出电压范围也小，用简单的电路对传感器输出的信号处理后便可以直接送入A/D转换。在A/D转换部分采用8位的模数转换器ADC0832，其外围电路简单、程序控制也相对简单，由于本设计的磁场强度测量仪器所测量的数据少，8位的A/D转换芯片就可以了，最重要的是它的价格也相对便宜，并且购买方便、代码书写简单，在保证功能的前提下这是最高性价比的选择。液晶显示部分采用LCD1602显示，由于需要显示的内容并不多，用这块显示器件就足以完成基本的显示任务，其驱动程序也相对简单，可以减小系统软件设计的工作量和难度。 1.2 开发现状 传统的磁场强度检测计是通过仪表放大器中的放大电路对感应电压放大，然后所得的数据在显示器上显示，这种方法简单但准确度低。本设计制作的磁场强度检测计用RS485和NRF24L01进行传输，减少了测量误差，使得传输速率和传输距离增加。使用单片机进行控制，因为它有非常多的串口,使得系统的抗干扰能力大大增加，此外，还设计了蜂鸣器报警电路，使得系统的安全性得到了提高。本设计由于合理的电路设计与选材，使得本系统具有低成本、低功耗、高精度、易于功能扩展等优点。因此，本磁场强度检测仪具有较高的性能价值比和非常良好的应用前景。 1.3 设计的意义与目的 随着科技的发展，磁场强度检测已经广泛应用于工业、科研、教育等行业中。而在许多大学甚至高中的实验室里就需要一款微小、低成本、使用方便的磁场测量仪器，并且在一些比较复杂的环境条件下也能使用。因此，在当前的实际条件下，设计出一款高性价比的磁场强度测量仪器来方便实验室的研究显得尤为重要，具有十分重大的教育和科研价值。 2 系统方案设计 2.1 系统运行概述 本次设计为制作基于STC89C52的磁场强度检测系统，主要实现信号采集、模数转换、无线传输、RS485实现双机通信、LCD1602显示、超过磁场上限报警等功能。系统由无线传输和有线传输两部分组成，无线传输部分由发射端和接收端组成，由NRF24L01实现，有线传输部分由两个单片机间接RS485组成，并且有线传输部分和无线传输部分可以使用按键自由选择，这两部分相互依存也相互独立，无论是有线还是无线都实现了单片机双机通信。 无线传输发射端是采用霍尔传感器检测磁场强度，经模数转换后，由STC89C52读取外部AD转换芯片ADC0832（来自霍尔传感器的数据）的数据，并控制NRF24L01无线模块把数据发射出去，接收端的无线传输模块收到数据后，通过SPI通信把数据传给另一个单片机并经过处理后，由LCD1602显示磁场强度。有线传输部分主要是在两个单片机之间用RS485传输。系统运行过程为，当系统检测到开关按下时，立刻启动外部模数转换，等待转换结束后读取转换结果，经NRD24L01和RS485传输，最后把数据发给LCD1602显示出磁场强度。当开关关闭时立即停止。简易的系统方框图如图2.1所示。 传感器 ADC0832 NRF24L01 LCD1602 NRF24L01 STC89C52 RS485 RS485 STC89C52 图2.1 系统框图 2.2 无线传输模块的选择方案与论证 第一个方案：使用NRF401发射接收模块。它是无线双向传输信息的，该模块以芯片NRF401为核心，具有高速率、低功耗、使用便捷等特点，但费用过高，不太符合本次设计的实际情况。 第二个方案：使用NRF905模块。它的RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器，这个调制解调器支持不同的调制格式，在915M频段其数据传输率可达500kbps，通过开启集成在调制解调器上的前向误差矫正选项，能使性能得到提升。 第三个方案：使用NRF24L01无线传输模块。它的数据传送率为1或2Mbps,拥有自动重发和自动应答的能力，而且它对晶体振荡器的要求也是异常的低，易使用，性价比很高。 从性价比的角度考虑，我们选用NRF24L01无线模块。其实物图如图2.2所示： 图2.2 NRF24L01实物图 2.3 微控制器的选择方案与论证 第一个方案：采用STC89C52芯片作为硬件核心。STC89C52内部具有许多功能，8KB ROM 存储空间,512字节数据存储空间，带有2K字节的EEPROM存储空间，与MCS-51系列单片机完全兼容,STC89C52可以通过串口下载。 第二个方案：采用AT89S51。AT89S51片内具有8K字节程序存储空间，256字节的数据存储空间没有EEPROM存储空间，也与MCS-51系列单片机完全兼容，具有在线编程可擦除技术。 两种单片机都完全能够满足设计需要，STC89C52相对AT89C51价格便宜，且抗干扰能力强。考虑到成本因素，因此选用STC89C5