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1、学号： 24082201930 南湖学院毕业设计（论文）题 目：粮仓环境参量无线遥测系统设计与实现作 者王永届 别2008系 别机械与电子工程系专 业电子信息工程指导老师杨宣兵职 称讲师完成时间2012.05.15摘 要在现代工业生产活动中，温度作为一种可以实际测量的重要参数，能起到对设备运行状态、生产环境等外界因素进行实时监控的作用，以保证整个生产活动高效开展，因此准确且实用的温度数据采集系统具有举足轻重的作用。然而，生产环境的多变性、不确定性，导致许多工作场所不太方便布线，需要采用无线传输方式。介绍了基于温度传感器DS18B20和无线收发模块nRF905的无线温度采集系统下位机的设计和实现
2、方法，本系统是通过单片机来实现对周围环境的温度进行测量和无线传输。他是以MSP430F449单片机为控制单元，一温度传感器DS18B20为温度采集器件，以无线收发模块nRF905完成数据的无线传输，用数码管进行显示，实现温度的测量、无线传输、显示以及报警，就是一套通过无线方式实现温度的远程采集的完整系统。关键词：温度；NRF905；无线遥测AbstractIn modern production and life, temperature is an important parameter in many occasions. Inmany places, it is necessary to
3、 monitor the temperature parameter and making relevantprocessing so that the system runs in the best state. Therefore, it is significant to develop areliable and practical temperature monitoring system. With the rapid development of wirelesstransmission technology,short range wireless transmission t
4、echnology has been widely appliedto many places where wiring is not available, offering great conveniences for people.Based on DS18B20 temperaturesensor and wireless transceiver module nRF905wireless temperature acquisition system. The machine design and the realization method, the system, through t
5、he MCU to achieve the ambient temperature measuring and wireless transmission. He is MSP430F449 SCM as a control unit, a temperature sensor DS18B20temperature acquisition device, the wireless transceiver module nRF905to complete data wireless transmission, digital tube display, temperature measureme
6、nt, wireless transmission, display and alarm, is a through wireless mode to realize the temperature remote acquisition system. Key words: Temperature ; nRF905 Radio Frequency chip; WirelessTransmission目 录1 绪 论.1 1.1 引言.11.2 课题研究内容及意义.11.3 国内外研究现状.21.4 本文主要工作.32 系统总体设计.42.1 系统概述.4 2.1.1 温度数据采集系统.4 2.
7、1.2 无线通信系统.52.2 系统相关器件的选型.5 2.2.1 MCU 的选择.5 2.2.2 温度传感器的选择.5 2.2.3 无线方式及射频芯片的选择.63 系统硬件设计.73.1 MCU 及功能模块.73.2 数字温度传感器 DS18B20 .8 3.2.1 DS18B20 的性能特点.8 3.2.2 DS18B20 的测温原理.93.3 MSP430F449与DS18B20的连接.103.4 键盘及报警模块.113.5 单片射频收发芯片 nRF905.11 3.5.1 nRF905的介绍.11 3.5.2 nRF905 的工作模式.12 3.5.3 nRF905 的接口电路.134
8、 系统软件设计.144.1 采集功能软件设计. .14 4.1.1 系统资源配置.14 4.1.2 系统软件分析及模块设计.144.2 nRF905 的 SPI 接口.154.3 nRF905 的配置及收发流程.164.4 通信协议.185 结论.205.1 开发工具与环境.205.2 测试中注意问题.205.3 结论及展望.21参考文献. .22致 谢. .23附 录.241 绪 论1.1 引言人类的日常生活、生产活动和科学实验都离不开测试和信息采集。信息采集就是获取信息，是对实际工作中物理、化学、工程技术等方面的参量和数值信息进行提取的过程。由于信息本身不具备处理、传输的功能，只能通过一定
9、的手段和方法将信息转化为可知的信号，并进行传输。数据采集就是将外界或现场的被测对象中各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件进行适当的转换后，在经过采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。在数据采集系统中，控制器一般由微处理器、计算机承担，是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，完成对数据的采集，并对采集数据进行处理。在数据采集和处理过程中，CPU 对采集的控制和数据的传送都是通过总线或接口来实现的。数据采集系统涉及到传感器技术、模拟信号处理技术、模数转换和数模转换技术、信号处理技术、数据采集系统抗干扰技术、误差分析与处理、人机接
10、口技术、数据存储与打印、数据传输技术、虚拟仪器技术等相关技术。随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将具有广阔的发展前景。在日常生活、生产活动中，环境中的温度指标在许多场合中都是重要的参数，需要对其进行采集和控制。温度参数很多时候用于对工业工场、仓库管理、粮食蔬菜大棚、花卉温室、医疗制药等领域，需要对其监控，以达到生产生活需要，并及时对测试结果做出相应的处理。故研究温度数据采集系统具有很好的实际应用价值。随着科技的不断发展，传感器技术已成为国内外优先发展的科技领域之一，应用越来越广。温度数据采集的实现需要从对现场温度数据的有效获取开始，采用温度传感器能够实现对温度数据的
11、有效采集及简单处理。随着集成芯片及各种无线技术的发展，针对一些现场环境比较复杂的地方，有线传输方式的布线会比较繁琐且不适宜在偏远、环境恶劣的情况下使用，而无线传输方式可以避免以上的问题，且在采集点较多和需更换采集位置的场合显得更为方便简单。1.2 课题研究内容及意义温度在很多工业场合或生产生活坏境中具有重要的意义，这些环境中的温度指标或多或少的影响着生产的质量和产量，故研究温度数据采集系统具有很好的现实意义。在温室中进行温度数据的采集、测量及监控具有重要的意义。原始的温度测控系统一般是将所测得的温度数据通过有线的方式传输到监测房或上位 PC 机，这样的有线传输方式虽然在传输速度和运行可靠温度性
12、方面有一定的优势，但其也存在不便的地方，如在环境比较恶劣或较偏远的地方，通过有线布线就显得尤为困难，而在温室、粮仓、及大棚等较扩散和时常变更测试位置的地方，有线布线也会显得比较麻烦。而无线传输的方式就可以很好的解决这一问题。 目前无线传输有很多种方式，根据通信距离可以分为无线广域网（WAN）、无线局域网（WLAN）和无线个人网（WPAN）。GSM、CDMA 和第三代移动通信技术（3G）能实现远距离的通信，属于 WAN 领域；WLAN 和 WPAN 领域中，短距离无线通信技术有 UWB 无载波通信技术、ZigBee 技术、Wireless USB 技术、蓝牙、Wi-Fi 技术等。本文采用由无线射
13、频收发芯片与 MCU 组成的无线通信模块进行温度数据的无线收发。射频收发芯片可工作在免费 2.4GHz 的 ISM 频段，无需向中国无线电申请频段，具有低功耗的优点从而能够免除布线的麻烦，提高设备的可移动性，方便移动测试位置和随时增减点采集数目。此种构成的无线的模块，在传输速度和可靠性等通信实现能力上能够基本达到有线通信的标准。本文单片射频收发芯片采用挪威公司的 nRF905，其可满足低功耗、开发周期短的要求且集成模块小便于嵌入其他设备中使用。1.3 国内外研究现状数据采集是现代检测技术的基础，同时也是自动化测试中重要的组成部分，它为测试系统提供可供分析的数据。目前国外的数据采集系统的研制已经
14、相当成熟，而且种类繁多，性能好，功能强大，并且以基于通用微型计算机的系统居多，这种系统的核心是可插入计算机标准插槽的高速数据采集卡。目前这类高速数据采集卡种类多，技术先进，市场主流的产品有：SPEC 公司的 SPl225、Signatec 公司的 PDAl2A 和 PDA500、Acquisition logic 公司的 AL51G 以及Ultraview 公司的 AD-1250DMA。其中 SPl225 是带有 lGS/s8b 精度数字化仪的超高速数据采集模块(HSDAM)PCI 卡，最高可进行 500 MHz 或 1GHz 的波形分析；PDAl2A 采样率为 125MS/s，分辨率为 12
15、b，信号带宽由 DC50MHz。可通过 SAB 总线(Signatec Auxiliary Bus)以 250MB/s 的速率向其它处理、回放或存储器件传输数据；AL51G 基于 PCI 总线，采样率为 1GS/s8b，其存储深度为 64M、256M、1000M 可选；AD-1250DMA 也是基于 PCI 总线，采样率为 125GS/s8b，存储深度为 8GB，在 66MHz 和 64b 数据宽度下，PCI 总线 DMA 模式向主机传输数据速率可达 320MB/s。在国内，很多大学、科研机关、公司也从事着数据采集系统的研制。随着数据采集技术不断发展，市场上出现了很多新型的数据采集器。如北京中
16、泰研创科技有限公司的数据采集系统 PCI-8344B，它具有 16 位 A/D，8 通道并行同时转换，每个通道的转换速率都可以达到 100KHz。四川拓普数字设备有限公司的 PCI-10016 具有 4 通道模拟量输入，具有16 位的 A/D，最高采样率 100Ksps。北京康泰电子有限公司的 DAQ-1602/PCI 16 位 PCI 总线数据采集板，具有 16 位、250KHz 和 500KHz 的 A/D 输入、四种可编程增益选择、2048字节的数据缓存。对比国内外现有数据采集系统的性能、价格和功能，可以看出：国外的数据采集系统精度高、采样速度快、功能全，但是价格昂贵，并且体积较大，操作
17、复杂。国内的数据采集系统虽然价格较为便宜，但与国外的相比无论精度和速度都存在一定的距离。1.4 本文主要工作本文主要工作分为硬件设计和软件编程两部分。硬件部分主要包括温度数据采集部分和无线通信部分，温度数据采集部分主要介绍温度传感器的比较和选择，MCU 的选择，温度传感器与 MCU 的硬件连接及采集原理；无线通信部分主要介绍单片射频收发芯片的选取，射频收发芯片与 MCU 的硬件连接，上下行的通信协议，接收部分与上位机通信的硬件连接等。软件部分主要是给出相应的温度数据采集中的控制流程及无线通信模块收发的流程。最后对系统进行整个调试及分析，实现相应基本功能的仿真。论文主要从以下方面对系统进行阐述：
18、第一章：绪论。本章主要介绍研究本系统的一些背景知识，内容及意义，国内外现状。第二章：系统概述。本章主要介绍系统的主要构成，并给出系统中参与芯片及模块的比较和选用。第三章：温度数据采集系统的设计。本章主要介绍数字式温度传感器 DS18B20 的相关信息，MCU 及各功能模块的硬件设计及软件实现。第四章：无线通信系统的设计。本章主要介绍 nRF905 的性能特点，接口配置等信息，给出与 MCU 及 PC 连接电路和收发流程；给出无线通信的通信协议和无线传输可靠性技术。第五章：系统调试及分析。本章主要介绍系统的调试方法和系统分析，并对全文进行总结和展望，提出不足及需改进的部分。2 系统总体设计2.1
19、 系统概述本系统主要由温度数据采集系统和无线传输系统组成。为使设计思路清晰，特地采用模块化设计思想，可将系统分为四大模块：电源模块、温度数据采集模块、无线通信模块和上位机显示模块。系统的总体设计框图如图 2.1 所示。温度数据采集系统1无线模块1温度数据采集系统2无线模块2温度数据采集系统n无线模块n无线模块PC机电源模块 图2.1 系统总体设计框图系统可以有多个温度数据采集点，每个数据采集点包括一个小的温度数据采集系统和一个无线模块。当有多个数据采集点时，采集点与上位机的通信通过无线模块，采用轮询的方式对各个采集点进行通信。2.1.1 温度数据采集系统温度数据采集系统的核心器件是 MCU 和
20、前端担任温度信号采集的温度传感器。MCU在系统中具有非常重要的作用，它读取温度传感器所采集到的信号，在经过简单处理后在显示部分中将其显示，并将其通过无线模块发送到上位机中；而且通过 MCU 控制报警模块对超过上下限温度时进行报警。温度传感器也是此系统的关键部件，传感器的精度和性能同样影响着系统的稳定性和可靠性。只有通过温度传感器将温度信号准确有效的采集，后续操作才有保障。温度数据采集系统的基本框图如图 2.2 所示。 图2.2 温度数据接收及发送的框图主要包括 MCU、温度传感器、电源、键盘、显示部分、报警电路和无线模块。温度数据采集系统主要的功能是检测采集点的温度，并能够将温度数值在现场和通
21、过传输后在上位机中显示出来，且在温度超过预设的警戒值时进行报警。2.1.2 无线通信系统无线通信系统是联系温度数据采集端和上位机的纽带。系统框图如图 2.3 所示。 图2.3 接收系统的基本框图无线通信系统的核心在于无线模块的建立，要适合于可移动的应用条件，无线模块采用的无线通信技术是关键。在图中可看出温度数据采集系统将采集到的温度信号打包传送到无线模块，由无线模块进行信号调制和功率放大等操作后，将数据无线发送到接收端的无线模块进行解调等操作后，通过 MCU 连接的 MAX3232 进行电平转换，进而达到与上位机通信的目的，从而实现了无线传输功能。2.2 系统相关器件的选型根据以上系统设计的要
22、求来选择符合要求的器件类型。2.2.1 MCU 的选择MCU 作为一个系统的核心器件，它的选择影响着这个系统的优劣和功能的实现。目前工控领域中常使用的微控制器有：应用最广泛的 51 系列 8 位单片机、针对大量计算的数字信号处理器 DSP、一些增强型的 16 位单片机和 32 位的 ARM 芯片。从八十年代初 51 系列单片机就开始流行了，在技术开发方面已经很成熟了，只是功能实现方面相对简单；DSP功能侧重于有大量信号需要处理的场合，但价格偏高，开发难度较大；ARM 芯片和 DSP 有某些相似之处，在小型系统中增强型的 16 为单片机已经能够满足需求。针对各种不同应用场合，各大公司都推出了增强
23、型单片机，如 AVR 系列、Philips 的PCF80C51 系列等，这些增强型单片机大多处理速度都比较快、嵌入了多种实用的功能模块及接口、内部包含有大容量的存储存。TI 公司 MSP430 系列单片机就属于这样一种 16位的增强型单片机，其在性价比方面就具有一定的优势，具有 RISC 指令集，功能丰富，主要用于低功耗应用。针对上述系统设计要求，MSP430 系列单片机能够满足系统设计。本文选用 MSP430F449。2.2.2 温度传感器的选择温度是一种常见的基础物理量，我们的生产生活无不与之有密切的关系。温度传感器是开发较早、应用较广的一类传感器。在半导体技术的支撑下，温度传感器主要有热
24、电偶、热电阻、热敏电阻和集成温度传感器四种类型。温度传感器的多样性，能够满足不同系统及场合的需求。本文主要研究针对温室、蔬菜大棚的温度数据采集，需要的测量范围为-1050，精度在 0.11即可。根据以上考虑结合设计简单，成本低等综合考虑，选取数字式温度传感器 DS18B20 进行温度数据的采集，能够满足系统的要求。2.2.3 无线方式及射频芯片的选择无线通信技术的范围很广，在一般意义上说，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，都可成为无线通信。一般使用数字信号单片射频收发芯片加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用的无线通信模块。通信模块一般包含简单的数据传输协议或使用简单的加密协议，只需根据
25、命令字进行操作即可实现无线数据传输功能。射频收发芯片的选择可以参考一下几个方面：（1）射频收发芯片的功耗；（2）射频收发芯片的外围元器件；（3）射频收发芯片的发射功率；（4）射频收发芯片的工作电压和封装；（5）芯片抗干扰能力等。下面对几种常见的射频收发芯片列表，将其芯片的性能特点罗列作一些比较，从而选出较适合本系统的射频收发芯片。详见表 2.1。 表2.1 几种常见射频收发芯片比较由表所列性能特点相比较可以看出，在工作发送接收电流方面，Nordic 公司的 nRF401和 nRF905 所产生的电流要远小于其它两个芯片；在所需外围元器件 Nordic 公司的芯片集成度明显比其它两个高，所需元件
26、少。综合其它本系统所需要求，本文选用挪威公司的单片射频收发芯片 nRF905，该芯片工作在 433/868/915MHz 的 ISM 频段上，可满足低功耗、开发周期短的要求且集成模块小便于嵌入其他设备中使用。 3 系统硬件设计温度数据采集系统主要有温度传感器、MCU、电源、显示部分、报警电路和无线模块组成的。温度数据采集的实现主要是由温度传感器及 MCU 完成的，传感器是获得温度信息的有效途径，是对原始信号测量，控制的关键器件，只有通过传感器获得有效准确的原始信号，才能保证后续工作的可靠性和稳定性。本文所采用的温度传感器是数字式温度传感器 DS18B20，能够将测量到得温度信号转换成数字量输出
27、，精确度高；不需要经过 AD 转换、采样、量化、编码等过程，使得设计简便。MCU 采用低功耗单片机 MSP430F449，通过 MCU对信号进行处理、存储和控制，然后经由无线通信模块进行收发与上位机进行通信。下面将对温度数据采集系统进行详细的论述。3.1 MSP430F449单片机 TI公司的MSP430系列单片机是超低功耗类的16位单片机。它采用RISC内核结构，特别适合于应用电池的场合或手持设备。同时，该系列单片机将大量的外围模块（如液晶驱动器、看门狗、A/D转换器、硬件乘法器、模拟比较器等）集成到片内，特别适合于设计片上系统。 MSP430F449 采用16位RISC结构，具有丰富的片内
28、外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，性能价格比很高。它的特点包括： 超低的功耗：能够在1.8V 3.6V的电压下工作；具有工作模式(AM)和5种低功耗模式(LPM)。在低功耗模式下，CPU可以被中断唤醒，响应时间小于6ps。 较强的运算能力：16位的RISC结构，丰富的寻址方式；具有16个中断源，可以任意嵌套；在8MHz时钟驱动下指令周期可达125ns； 内部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及多达64KB的Flash程序空间和2KB的RAM，为存储数据和运算提供了保证。 丰富的片上外设：包括看门狗定时器，基本定时器，比较器，16位定时器(TA、TB)，串口0、1，液晶显示驱动器，6个8位的IO
29、端口，12位ADC (最高采样率200kHz)等。丰富的片上外设可以很方便地构建一个较为完整的系统。另外，充分利用计数器的多路任意波形产生功能和中断控制功能，保证了一些复杂的时序控制任务的完成。 方便高效的开发环境：MSP430F449是Flash型器件，片内有调试接口和电可擦写的Flash存储器，可以先下载程序到Flash内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计师调试。这种方式不需要仿真器和编程器，调试十分方便。 3.2 数字温度传感器 DS18B203.2.1 DS18B20 的性能特点DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司生产的单线型智能数字温度传感
30、器，是新一代适配微处理器的智能温度传感器，广泛应用于工业、农业等领域，具有体积小、接口方便和传输距离远的特点，在一根通信线上可以挂很多个 DS18B20，很方便。具有以下特点：（1）具有独特的 1-Wire 接口，只需要一个端口引脚就可以进行通信；（2）具备多节点能力，能够简化分布式温度检测应用中的设计；（3）不需要外部元件；（4）可以直接从数据线供电，电源电压范围在 35.5V；（5）在待机状态下可以不消耗电源电量；（6）测量温度范围在-55+125； （7）在-10+85时测量精度在0.5；（8）可以用程序设定 912 位分辨率；（9）用户可根据需要定义温度的上下限报警设置。DS18B20
31、3 脚封装的管脚排列图如图 3.1 所示。 图3.1 DS18B20管脚排列图DS18B20 只有三个引脚。其中，引脚 1 和 3 分别是 GND 和 VDD，引脚 2 是 DQ 端，是用于数据信息的输入和输出。当给 DS18B20 加电后，单片机可以通过 DQ 端写入命令，并可以读出含有温度信息的数字量。在使用寄生电源情况下，可以向 DS18B20 提供电源。DS18B20的内部框图如图3.2所示。 图3.2 DS18B20的内部框图上电后，DS18B20进入空闲状态；当MCU向DS18B20发出Convert T 44h的命令后，DS18B20 向MCU传送转换状态，开始温度测量和A/D转
32、换。温度数据以带符号位的补码形式存储在温度寄存器中，温度寄存器格式如图3.3所示。 图3.3 DS18B20温度寄存器格式温度的正负值是由符号为来说明的，正为0，负为1。表3.1给出一部分数字数据与温度的对应关系。 表3.1 DS18B20温度与数据对应关系 3.2.2 DS18B20 的测温原理DS18B20的温度测量原理框图如图3.5所示。主要由斜坡累加器低温、高温系数振荡器、计数器和温度寄存器组成的。斜坡累加器主要是用来补偿测量温度过程中产生的非线性的，从而可达到较高的分辨率，并决定计数器1的重置。低温系数振荡器主要是用于产生脉冲信号，它受温度影响不大。高温系数振荡器主要是作为计数器2的
33、输入，用于决定门周期，受温度影响较大。DS18B20的测温过程如下：（1） 预置计数器1和温度寄存器。预置值为-55所对应的某一基数。（2） 当低温系数振荡器产生一个脉冲时，计数器1就减1。（3） 当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器加1，同时将计数器1重置。（4） 在计数器2减到0（即门周期结束）之前，重复对低温系数振荡器产生的脉冲进行计数。当计数器2减至0（即门周期结束）时，温度寄存器停止累加。此时温度寄存器中的值就是所测温度。 图3.4 DS18B20温度测量原理框图3.3 MSP430F449 与 DS18B20 的连接 DS18B20只有一个数据输入输出端，根据DS18B20的单总
34、线特性，可以将多个DS18B20挂在同一条总线，理论上可以是多个，但在实际应用上，要考虑到总线的驱动能力，在设计时一条总线上DS18B20的数目不已超过8个。MSP430F449与DS18B20的连接如图3.5所示。 图3.5 MSP430F449与DS18B20的连接图3.4 键盘及报警模块 根据系统需要，本文只需设置四个按键即可。选用独立按键式键盘 MSP430F449 的 I/O口资源丰富，按键可以直接与单片机 MSP430F449 的 P1 口相连，再通过上拉电阻与电源相连接，不需要其他硬件。工作时只有当有键按下时，I/O 的中断标志位才置高，向 CPU 发出中断请求，对按键进行相应处
35、理。报警电路采用蜂鸣器进行报警，可直接通过与 MSP430F449 的 P1 口连接，通过控制 P口的输出电平的高低，驱动蜂鸣器发出报警音，能够实现报警功能。3.5 单片射频收发芯片 nRF9053.5.1 nRF905的介绍nRF905是挪威公司生产的一款无线射频收发芯片，工作于433/868/915MHz的ISM频段，多通道工作且通道切换时间小于650s。可由片内硬件自动完成曼彻斯特编解码，使用SPI接口与MCU进行信息交流，需要外围设备少，使电路构造简单、方便。实际带来的功率消耗比较小，当以-10dbm的输出功率发射时电流只有11mA，处于接受模式的工作状态时，电流也只有12.5mA。进入Powerdown模式很容易实现节电。在无线数据通讯、报警及安全系统、遥控勘测等方面有广泛的应用。nRF905各性能参数数据如表3.2所示。
