基于单片机的无线远程温度监控系统设计

Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

编号：0143本科毕业设计

基于单片机的无线远程温度监控系统设计

系院：信息工程学院

姓名：

学号：03

专业：通信工程

年级：2008级

指导教师：

职称：副教授

完成日期：2012年5月

摘要

本文论述的远程温度控制是将无线发射与接收和自动控制相结合的一种控制。基于这种技术，本系统以AT89S51系列单片机为控制单元，采用Dallas单线数字温度传感器DS18B20和无线收发模块NRF24L01对试验现场温度数据进行远程无线测量与控制。整个系统包括主、从两个子系统，其中主系统完成对试验现场设定温度值、设定值显示、实际值显示、失控报警和接收数据功能；子系统完成温度采集、温度控制和发送数据功能。该系统结构简单实用、功能齐全，通用性强，可被应用于许多工业生产领域，它可使操作人员与恶劣的工作环境分离开来，实现生产自动化，提高企业的生产效率。

关键词：AT89S51；温度传感器；NRF24L01；显示；报警

Abstract

The long-distance temperature controlling this paper presents is

a technology of linking wireless receiving and sending to automation. Based on the technology, the system is based on the control of

AT89S51 SCM, using Dallas single line digital thermometer DS18B20, wireless receiving and sending module NRF24L01 to test and control

the temperature data of a experiencing place. The whole system

consists of the main system and subsystem. The main system completes the functions of initializing and displaying the temperature value, displaying actual temperature, alarming when it is out of control,

and receiving. The subsystem completes the functions of receiving,

and temperature collecting, controlling, and sending. The design concludes that this system has many advantages, such as its uniqueness, simple, convenience, and such common using. It can be widely used in lots of industrial producing and controlling fields, applying this system can depart operators from execrable environment, realize producing automation, and improve corpo ration’s producing efficiency.

Key words: AT89S51; Temperature senior; NRF24L01; Display; Warning

1 绪论

选题的目的和意义

温度是工业生产中常见的被控参数之一。从食品生产到化工生产，从燃料生产到钢铁生产等等，无不涉及到对温度的控制，可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化，对温度控制的速度和精度也会越来越高。近年来，温度控制领域发生了很大的变化，工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是需要进行远距离的控制，这就产生了远程温度控制。

远程控制的通信方式有多种，如通过有线网络、无线电等等。每一种方式都有其优点和缺点。利用无线电通信，方便、灵活，而且经济。它不需要像有线网络控制耗费巨大的通信资源，也不受网络速度的影响。

在温度控制的方法上，传统的控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。

在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。这种方法速度慢，而且精度不是很高。综合上面的考虑，本次毕业设计设计了基于无线电通信的远程温度控制系统。

现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制，早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方

面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。

近年来，单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃发展，单片机已经渗透到工业、农业、国防，科研以及日常生活等各个领域。传统的温度采集的方法不仅费时，而且精度差满足不了各行业对于温度数据提高精度，设备高可靠性的需求。单片机的出现使得温度数据的采集和处理得到了很好的解决。选择适当的单片机和温度传感器以及前端处理电路，可以获得较高的测量精度，不但方便快捷，成本低廉，省事省力，而且大幅度提高了测量精度。

国内外研究现状

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎所有的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

目前国内外对于温度监控的研究和应用已非常普遍，但对于无线远程温度监控这方面的研究和应用还有相当大的提升空间。无线温度监控不仅可以应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都将会见到它的影子，无线远程温度监控将会有更广阔的发展空间。

本设计主要研究内容

本设计是基于单片机的无线温度监控系统，经过大量查阅资料和研究，最终确定采用AT89S51为主控芯片，DS18B20作为温度采集芯片，NRF24L01作为无线接收和发射模块，采用LCD1602液晶屏进行显示。该系统由发射系统和接收系统组成，发射系统进行温度采集以及数据发射，接收系统作为主系统，对数据接收处理并显示出来。该系统具有温度过限报警功能，设有4个独立按键，分别进行温度高低限定值的选择、设定，清除报警声和报警灯。该系统具有操作方便，远距离操控，功能多样，电路简洁，成本低廉等优点，符合电子技术的发展趋势，有很广阔的市场前景。

经过设计和一系列的调试，测试结果基本达到了该设计预期制定的各项要求，顺利地完成了本次毕业设计的目标。

2 设计要求与方案论证

设计要求

（1）温度监测范围：室温～125℃；

（2）接收系统显示温度实际值，收发距离：60米以内；

（3）可以人工设定报警温度上、下限定值；

（4）超过温度限定值时蜂鸣器报警和发光报警。

系统基本方案选择和论证

2.2.1 单片机芯片选择方案与论证

方案一：采用FPGA（现场可编程们阵列）作为系统的控制器。FPGA可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并可用EDA软件仿真、在线调试，易于进行功能扩展，响应速度快。但成本高，同时由于引脚较多，电路板的布线比较复杂，加重了电路设计和实现焊接的工作。

方案二：采用8位单片机作为主要的控制芯片。8位单片机具有价格比较便宜，并且技术比较成熟，低功耗，易于购买等优点，但是8位机程序执行速度比较慢，内部资源比16位单片机少很多。考虑到本系统对程序运行速度的要求不高以及成本问题，最后选择用8位单片机，由于AT89S51单片机比其他8位单片机价格便宜，并且其内部具有丰富的资源，故采用AT89S51单片机作为本系统主控制芯片。

2.2.2 温度采集模块选择方案与论证

方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加了线路的复杂程度，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。因此此方案不可行。

方案二：采用DS18B20。DS18B20的数字温度输出通过1-Wire总线，又称为“一线”总线，这种独特的方式可以使多个DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大的可能性。它在测温精度、转换时间、测数距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择此方案。

2.2.3 无线收发模块的选择方案与论证

方案一：采用TX315A-T01和TX315A-R01的无线收发模块。应用目前最先进的声表面波器件和数据专用ASK超外差式单片接收电路开发生产了TX315系列模块电路，其中含有RF、TF、DATA等高频、中频、数字处理电路。TX315A 可应用于无线遥控、数据传送、自动抄表系统、无线键盘操作系统、警戒系统。TX315A由TX315A-T01发射组件和TX315A-R01接收组件两部分组成，因其频率绝对一致，故在使用时可随意增加发射和接收组件，以组成所需的功能系统。此系统用此模块很好，但是这个模块的价格太昂贵，所以放弃此方案。

方案二：采用一对NRF24L01作为无线收发模块。NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于 GHz～ GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型Shock Burst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便，而且价格相对其他无线模块较低，易于购买，因此选择此方案。

2.2.4 显示模块的选择方案与论证

方案一：采用数码管显示，成本低、亮度高。但本系统所要实现较多的内容，硬件电路设计会比较复杂，而且功耗大，所以不适合本设计。

方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。

方案三：采用LCD1602液晶屏显示，显示内容较多，方便组合，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省软件中断资源。系统中需要显示温度和上限温度等信息，要求显示内容丰富。

比较上述三种方案，方案三电路简单、显示信息量大、能很好的满足题目要求，因此采用方案三。

2.2.5 报警模块的选择方案与论证

方案一：采用555定时器构成蜂鸣器，常用于定时报警，非常实用，其时间可控，但本设计报警时间是随机的，取决于试验现场的温度，因此不可行。

方案二：采用9102三极管驱动蜂鸣器，当达到温度上下限值，就会给三极管一个高电平驱动蜂鸣器，实现声音报警，并且可以接个发光二级管，同时点亮二极管，实现发光报警。此方案实行起来方便，电路也简单，因此选用此方案。

电路设计最终方案的确定

由以上讨论的各种方案最终得出本次设计的方案为：采用单片机芯片

AT89S51作为主控制芯片，DS18B20数字温度传感，NRF24L01作为无线收发模块，LCD1602作为显示模块，采用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。

3 系统的硬件设计与实现

系统硬件电路主要分为：单片机AT89S51主、从系统、接收电路、显示电路、键盘电路、温度采集电路、发射电路。设计总框图如图3-1所示，系统设计总原理图见附录1。

图3-1 总设计框图

系统硬件概述

硬件电路是由单片机芯片AT89S51为控制核心，具有在线编程，丰富的中断源、灵活性强、低功耗等功能，能在3V低压工作；温度的采集由DS18B20来构成，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片；无线收发模块用NRF24L01，工作于～ ISM频段，NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有，多种低功率工作模式(掉电

模式和空闲模式)使节能设计更方便；显示部份由1602 LCD来完成；报警电路采用三极管驱动蜂鸣器及发光二极管实现声光报警。

主要单元电路的设计

3.2.1 单片机主控制模块的设计

AT89S51单片机为40引脚双列直插芯片, 如图3-2所示。有四个I/O口P0,P1,P2,P3,每一条I/O线都能独立地作输出或输入。AT89S51具有以下标准功能：4k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S51可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图3-2 AT89S51管脚图

单片机主控制电路即包括了单片机的时钟电路和复位电路。本设计采用的是内部时钟电路。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，18

引脚XTAL1是放大器的输入端，19引脚XTAL2是放大器的输出端，这两个引脚之间跨接的晶振和微调电容作为反馈元件一起构成一个稳定的自激振荡器。9引脚是单片机的复位输入端，接上电容，电阻及电阻和按钮组成手动复位电路。如图3-3所示。

图3-3 单片机复位和时钟电路

3.2.2 温度采集电路模块的设计

温度采集电路如图3-4所示。采用数字式温度传感器DS18B20，它是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有3引脚TO－92小体积封装形式，温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20

可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。它具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用

P10与DS18B20的I/O口连接，VCC接电源,GND接地。

图3-4 温度传感器应用电路

3.2.3 无线收发电路模块的设计

NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于～ ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强Shock Burs技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。NRF24L01主要特性有GFSK调制：硬件集成OSI链路层；具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头和CRC校验码；数据传输率为l Mb/s或2Mb/s；SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s；125个频道：与其他NRF24系列射频器件相兼容；

QFN20引脚4mm×4mm封装；供电电压为～。NRF14L01的封装及引脚排列如图3-5所示。

图3-5 NRF24L01管脚图

发射数据时，首先将NRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入NRF24L01缓存区，TX_PLD 必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么NRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时，若CE为低则NRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。