2023年温度数据采集与无线传输系统设计.doc

温度数据采集与无线传输硬件系统设计 The design of hardware system of temperature data acquisition and wireless transmission 0 青岛大学本科生毕业论文〔设计〕 摘 要 采用单片机为核心利用多个DS18B20温度传感器，液晶显示器1602，基于nRF905的无线收发电路完成了对温度数据的采集，显示，和传输。首先介绍了温度数据采集和无线传输的背景和开展现状。并对系统进行了设计，主要包括各个局部电路的设计，各个芯片的选择介绍，简单的软件设计，并制成目标板。根据系统的特点，将系统分为采集发送端和接受端。系统设计完成后在实验室进行了调试和测试。测试结果说明：系统硬件设计完全符合温度数据采集和无线传输的要求，可以投入使用。 关键词 温度 数据采集 无线传输 LCD显示 单片机 Abstract MCU is taken as the core , using multiple DS18B20 temperature sensor, liquid crystal display 1602, a wireless transceiver circuit based on nRF905 completed the acquisition of temperature data, display, and transmission. Firstly , introducing the background and current developing condition of the temperature data acquisition and wireless transmission .And designing the system , including: the circuit design of every part , selection and introduction of chips ,a simple software design, and completing of the target board. According to the characteristics of the system, the system is divided into collecting and sending end and receiving end. After finishing the design of the system , I debugged and tested it. The result of the test demonstrated that the design of the hardware system fully agreed with the requirements of temperature data acquisition and wireless transmission and could be put into using. Key words temperature wireless transmission LCD display 目 录 第一章 绪论 1 1.1 无线温度采集的意义 1 1.2 无线通信技术的开展现状 1 1.3 温度测量技术的开展现况 3 1.4 本文的主要研究工作 4 第二章 无线数据采集系统的硬件设计 6 2.1 系统的总体设计及结构组成 6 2.2 主要芯片的选择 7 2.2.1 微处理器芯片的选择 7 2.2.2 无线射频芯片的选择 8 2.2.3 温度传感器的选择 9 2.3 系统电源电路和单片机最小系统 10 2.3.1 电源电路设计 10 2.3.2 单片机最小系统 11 2.4 温度数据采集 11 2.4.1 温度数据采集电路 11 2.4.2 数字式温度传感器DS18B20 12 2.5 数据显示 15 2.5.1 数据显示电路 16 2.5.2 液晶显示LCD1602 16 2.6 无线收发 17 2.6.1 数据收发电路 18 2.6.2 无线收发nRF905 18 第三章 系统软件设计 23 3.1 发送端软件设计 23 3.2 接收端软件设计 24 第四章 系统性能调试 26 4.1 系统调试 26 4.1.1 硬件性能的测试 26 4.1.2 无线传输距离的测试 26 4.2 抗干扰措施 26 总结与展望 28 致 谢 29 参考文献 30 附 录 31 硬件总体图 31 第一章 绪论 本章阐述了数据采集和射频无线传输的概况，分析了短距离无线数据采集的国内外现状，指出了本文的研究目的、研究内容和范围、研究方法及研究意义，阐述了本文的设计方案和预期结果。 1.1 无线温度采集的意义 随着微电子技术和数字信号处理技术的开展，数据采集系统得到了广泛的应用。在工业生产和控制中，应用数据系统可以采集工业现场的温度、湿度、电压、电流、压力、流量等诸多工艺参数，在将这些模拟信号转变成数字量并进行相应的计算处理后，所得的结果可以反响给用户或控制系统，为提高产品质量、降低本钱提供信息和手段；在科学研究上，数据采集系统可以为我们提供大量的动态信息，成为探索科学奥秘的重要手段。目前，数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的根底。 无线数据采集特别适用于复杂地形条件、高腐蚀性、建筑群、爆炸等场合，或者被采集对象是运动、旋转等情况。随着数字电路和射频电路制作工艺、低功耗电路、高能电池、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的开展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐到达可以和有线网络相媲美的水平。 无线传输越来越多的被应用在工业及民用的数据采集上，解决了一些布线复杂、甚至无法布线的情况。无线方式具有如下几个显著的特点：传输介质采用的是电磁波，节省了架设电缆的所需的占地和各种花费及其给其他建筑的建设带来的不便，应用起来更加方便；在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制；具有电路简单、功耗小、体积小、本钱低等优点，非常便于使用；设计设施都很简便适合更换场合反复利用【1】。 温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着工业的不断开展，对温度测量的要求越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高。因此，温度测量的研究也是一个重要的研究课题。 总之，本课题将数据采集与无线传输相结合，发挥无线传输的优势，并且解决硬件、软件及通信协议优化等问题。 1.2 无线通信技术的开展现状 随着网络和通信技术的迅速开展，无处不在的网络终端、以人为本、个性化、智能化的移动计算以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新的产品，已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域。 随着而来的便携式终端以及无线通信技术得到了极大的开展并在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前应用广泛的无线通信技术主要有GSM＼CDMA＼GPRS、IEEE802．1 1wLAN、蓝牙、IrDA、Home．RF、ZigBee、UWB、微功率短距离无线通信技术等。 以上列出了五种常用的无线通信方式，这些通信方式各有优点，各有不同的适用范围，下面针对它们的使用范围和各自特点进行比拟。 IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；其次，IrDA只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最后，IrDA设备的核心器件一红外LED容易损坏，因而设备寿命有限【2】。 IEEE 802．1lx无线局域网技术基于计算机网络技术开展而来，是专门针对计算机网络通讯而设计的无线通讯技术，其有效传输距离为50米，传输速率为llM．54M不等，经常应用于企业学校等场所。IEEE 802．11x的通讯协议复杂，协议实现对硬件要求较高，因此基于IEEE 802．11x无线局域网技术所开发的无线数据传输设备的本钱较高，安装调试复杂、维护困难【3】。 蓝牙(Blue Tooth)技术专门为近距离无线数据传输而设计，其有效传输距离为10米，传输速率为IOM。从蓝牙(Blue Tooth)技术正式公布到现在，蓝牙(Blue Tooth)技术一直没有得到预期的大范围的应用，是因为其芯片以及开发设备价格相对高【4】。 基于GSM＼CDMA、GPRS无线通讯网络的数据传输技术是近几年开展起来的一种新型的无线数据传输技术，该技术依托于GSM、CDMA＼GPRS无线通讯网络进行无线数据传输，因此其没有传输距离的限制，只要GSM＼CDMA、GPRS无线通讯网络覆盖的地区均可以进行无线数据传输。基于GSM、CDMA、GPRS无线通讯网络的数据传输技术的传输速率为10Kb~60Kb，由于其利用GSM＼CDMA、GPRS无线通讯网络进行无线数据传输，因此其运营本钱较高【5】。 基于嵌入式射频无线收发一体型芯片的无线数据传输技术是近几年开展起来的一种无线数据传输技术，其核心技术是嵌入式射频无线收发一体型芯片技术。嵌入式射频无线收发一体型芯片是国外各大公司近年来推出的一种新型无线传输芯片，该芯片将信号调制、发射、接收、数字电路接口等功能集成在一枚芯片中，具有价格低廉、外围电路简单、体积小巧、通讯可靠性高、抗干扰能力强、传输速率快、低耗节能等诸多优点。同时，嵌入式无线射频收发一体型芯片普遍采用了标准的数字通讯接口，如SPI，UART等，可以很方便的与DSP或单片机等微处理器芯片结合使用。基于嵌入式无线射频收发一体型芯片的上述优点，采用嵌入式无线射频收发一体型芯片技术解决低速率无线数据传输问题是比拟理想的解决方案。通过无线射频收发一体型芯片与单片机或DSP的结合使用，再在数据传输过程中配合先进的通讯协议数据处理算法实现纠错、校验以及加密等功能，可满足无线数据传输的要求。 表1.1为上述五种无线数据传输技术的具体性能比拟。 表1.1 五种无线数据传输技术的具体性能比拟 IrDA IEEE802.1l x 蓝牙 GSM、CDMA、GPRS 嵌入射频收发一体型芯片 工作频率 波长 875mm 2.4GHz 1.2GHz 900MHz／1．2GHz 433MHz／1．2GHz 通信距离 l～20米(必须是 直线) 50米 lO米左右 无限制 100米以上 功耗情况 中 高 较高 高 低 抗干扰能力 一般，对传输角度要求比高 一般，对周围环境要求较高 较好 好 好 自主开发程度 差 差 较高 差 高，可根据实际情况任意制定或修改硬件以及通讯协议 开发本钱 中 高 高 高 低 技术成熟度 高 较成熟 较成熟 较成熟 成熟 通讯协议 红外传输协议 802.11x Blue Tooth GPRS/CDMA1.X 可自行定义，灵活度极高 运营本钱 无 无 无 极高 无 1.3 温度测量技术的开展现况 温度是表征物体冷热程度的物理量，它在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等行业中都是根本的检测参数之一。温度是温度监控系统中最根本、最为核心的衡量指标，也是测温系统中最为重要的测控参数，因此对温度进行准确的检测一直是一个重要的研究课题。因此，测量温度的仪器在测温系统中占有至关重要的地位。随着国内外科技的开展，温度测量技术不断提高【6】。目前各种温度测量方法种类繁多，应用范围广泛，主要包括以下几种： (1) 传统的利用物体热胀