毕业设计(论文)-由单片机构成的无线温度控制系统设计.doc
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1、摘 要 I 摘 要 本文介绍的是一个由单片机构成的无线温度控制系统,它利用 8051 单片 机和 DS18B20 及数码管等其他器件实现。温度测量部分工作原理是单片机利用 DS18B20 对温度进行采集,然后进行无线发送,接收端收到信号后,进行解码, 之后实现温度显示。温度控制部分工作原理是由键盘输入欲设定的温度。温度 控制信号送入 CPU 处理,通过 PID 算法输出控制信号,经无线收发电路发射出 去,接受端收到信号经 CPU 处理控制半导体温控装置达到欲设定的温度。本文 对硬件和软件进行了框图设计,protel 原理图设计,程序框图设计,源程序设 计,文后附录了完整源程序。 关键词关键词:
2、单片机,无线发送接收,温度控制,LED 显示,定时 Abstract II Abstract What this text introduction is a constitutes to from the single slice machine of wireless temperature control system, it make use of 8051 single slice machine and other spare part realizations such as the DS18 B20 and figures tube etcTemperatures measur
3、ing a part work principle is a single slice machine to make use of the DS18 B20 rightness temperatures to carry on collect, then carry on a wireless to send out, carry on a decoding after receiving to carry to receive signal, after carry out a temperature manifestation.Temperature control part work
4、principle from keyboard importation desire enactment of temperature.The temperature control signal sends into CPU a processing, output control signal through a PID calculate way, Be received and dispatch electric circuit blast-off to go out by wireless and accept to carry to receive signal to contro
5、l the semi-conductor Wen Kong4s device to attain the temperature of desire enactment through the CPU processing.This text carried on frame diagram a design to the hardware and the software, the protel principle diagram design, procedure frame the diagram design, source program design, text after app
6、endix complete source procedure. Key words: microcontroller, wireless transmission and reception, temperature control, LED display, timing 目 录 III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT II 目 录 .III 第一章 引 言 .1 1.1 课题的研究目的和意义1 1.2 课题背景2 1.3 课题来源3 1.4 短距离无线通信技术的现状与发展趋势3 1.5 本章小结5 第二章 系统方案的总体设计 6 2.1 系统方案构想6 2.2 系统方案的确定6
7、2.2.1 传感器方案 6 2.2.2 短距离无线通信模块方案 7 2.2.3 系统控制及数据处理模块方案 8 2.3 器件的选用9 2.3.1 数字式温度传感器的选择 9 2.3.2 无线收发芯片的选择 .11 2.3.3 键盘显示模块的选择2113 2.3.4 温度控制模块的选择 .13 2.4 本章小结.14 第三章 电路的硬件设计 .15 3.1 温度采集部分电路设计.15 3.1.1 温度数据采集硬件接口电路 .15 3.1.2 数字式温度传感器 DS18B20 .16 3.2 无线收发电路的设计.21 3.2.1 nRF401 芯片的介绍1521 3.2.2 典型应用电路说明 .2
8、1 3.3 单片机的选择.24 3.4 键盘显示电路的设计.24 3.4.1 键盘硬件电路的设计 .24 3.4.2 显示电路的设计 .25 3.5 温度控制部分电路设计.26 3.5.1 D/A 转换电路 .26 目 录 IV 3.5.2 比例积分电路 .26 3.5.3 半导体制冷器驱动电路 .30 3.6 相关控制电路设计.32 3.7 本章小结.32 第四章 系统的软件设计 .33 4.1 主程序设计.33 4.1.1 上位机主程序 .33 4.1.2 下位机主程序 .33 4.2 子程序设计.35 4.2.1 nRF401 的通信子程序 35 4.2.2 温度测量子程序 .36 4.
9、2.3 PID 控制子程序 .36 4.3 本章小结.40 第五章 结论与展望 41 5.1 结论.41 5.2 展望.41 参考文献 42 致 谢 44 附录 1 总体电路图 .45 附录 2 系统源程序 .46 第一章 引 言 1 第一章 引 言 1.1 课题的研究目的和意义 温度是人们日常生活中接触比较多的一个物理量,人们的日常生活、动植 物的生存繁衍和周围环境的温度息息相关,石油、化工、冶金、纺织、机械制 造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存储等领域对温度也有着较高的 要求。例如:烟叶和纸张是吸湿性极高的材料,卷烟生产的每一个阶段对温度 都有非常特别的要求,以确保所使用材料的水分
10、,保证生产的效率和产品质量; 印刷车间的温度控制水平对印刷质量有很大的影响;为防止库存武器弹药、金 属材料等物品霉烂、生锈,必须保持环境温度不能过高;而水果、种子、肉类 等的保存又需要保证一定的温度。随着科学技术的发展,许多新兴产业对环境 提出了更高的要求:制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度,生物化学制 药需要精确的温度控制。因此,对温度的监测和控制已成为生产过程中非常重 要的技术要求。目前,温度传感器已广泛应用于气象、农林、冶金、化工、纺 织、食品、家用电器、仓储等许多领域。一些领域对温湿度控制的要求如表 1-1 所示。 表 1-1 各种行业温湿度要求范围 行业行业工序工序温度(温度()
11、行业行业工序工序温度(温度() 印刷印刷2427蔬菜蘑菇栽培1427 弹药存储70档案保管1424 粮食谷物储藏16光学研磨27 陶瓷成型27照相胶片制成2324 制丝3032梳棉2124烟草 储藏2124 纺织 精纺2427 第一章 引 言 2 1.2 课题背景 单片机自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS-48 开始,迄今已有二十多年了。 由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格 低廉等一系列优点,目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面,几乎“无处 不在,无所不为” 。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能 仪表等迅速发展到家用消费产品、办
12、公自动化、汽车电子、PC 机外围以及网络 通讯等广大领域。 按照内部数据通道的宽度,单片机可分为 4 位、8 位、16 位及 32 位等。 单片机的中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同,只是增设了“面向控 制”的处理功能。例如:位处理、查表、多种地址访问方式、多种跳转、乘除 法运算、状态监测、中断处理等,增强了实时性。 单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的,将 程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构,称为普林斯顿 (Princeton)结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开,分别寻 址的结构,称为哈佛(Har-vard)结构,一般需要较大的程序存储
13、器,目前的 单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。 单片微型计算机自从问世以来,作为微型计算机一个很重要的分支,应用 广泛,发展迅速,尤其是美国 Intel 公司生产的 MCS-51 系列单片机,由于其 具有集成度高,处理功能强,可靠性高,系统结构简单,价格低廉等优点,在 智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成就。 本文讨论的单片机无线温度控制系统的核心是目前应用极为广泛的 51 系 列单片机,配置了外围设备,构成了一个可编程的温度测量和显示系统,具有 体积小,可靠性高,功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可 供开发,有着广泛的应用领域。 2
14、0 世纪 80 年代中期以后,Intel 公司以专利转让的形式把 8051 内核技术 转让给许多半导体芯片生产厂家,如 ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS 等。这些厂家生产的芯片是 MCS- 51 系列的兼容产品,准确地说是与 MCS-51 指令系统兼容的单片机。这些兼容 机与 8051 的系统结构(主要是指令系统)相同,采用 CMOS 工艺,因而,常用 第一章 引 言 3 80C51 系列来称呼所有具有 8051 指令系统的单片机,它们对 8051 单片机一般 都作了一些扩充,更有特点。其功能和市场竞争力更强,不该把它们直接称呼 为 MCS-51 系列单片
15、机,因为 MCS 只是 Intel 公司专用的单片机系列型号。 MCS-51 系列及 80C51 单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容,主 要在内部结构上有些区别。目前使用的 MCS-51 系列单片机及其兼容产品通常 分成以下几类:基本型、增强型、低功耗型、专用型、超 8 位型、片内闪烁存 储器型。 1.3 课题来源 在日常生活和工作中,我们常常用到温度控制,温度控制系统广泛应用于 汽车, 锅炉, 电子, 化工等各个领域。早期常用的一些温度控制系统都使用模 拟电路设计制作的,有些使用热敏电阻,有些使用铂电阻,有些使用热电偶, 还有些使用 PN 结,其准确性和精度都不是很理想,现在基本
16、上都是基于数字 技术的新一代产品,这种产品功能强,是前者的换代之物。随着单片机性能价 格比的不断提高,新一代产品的应用也越来越广泛,大可构成复杂的工业过程 控制系统,完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制,甚至可以用于儿童 电子玩具。它功能强大,体积小,质量轻,灵活好用,配以适当的接口芯片, 可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。 测量和显示的控制。在本设计上按照个人的意图稍加扩展,就可以实现更 多更强大的功能。 1.4 短距离无线通信技术的现状与发展趋势 随着移动通信需求和远程数据采集量的增加,加之有线传输的费用日益增 长,人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。在过去的几年
17、 中,无线通讯领域取得了很大的进展,这其中包括数字电路和射频电路制作工 艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的发 展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。与上述技术一样,数字通信技术和 数字调制技术的发展也发挥了很大的作用,他们使无线通信网络向更加经济、 更加容易操作的方向发展。所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则 以及这些技术的特点,就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。无线数据 通信技术可分为两大类:一是基于蜂窝的接入技术,如蜂窝数字分组数据 第一章 引 言 4 (CDPD),通用分组无线传输技术(GPRS) 、EDGE 等。二是基于局域网的技术, 如
18、IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技 术等。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网)相 比,短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、 话音)上,均有很大的不同。 (1)红外通信技术(IrDA)26,28,30 红外通信技术 IrDA(InfraRed Data Association)采用人眼看不到的红外 线传输信息,是使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示 计算机中的 0-1 逻辑,通常有效作用半径 2 米,传统速度可达 4 Mbit/s,1995 年 IrDA 将
19、通信速率扩展到的高达 16Mbit/s,红外技术采用点到点的连接方 式,发射、接收具有方向性,具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数 据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。因此广泛应用于各种遥 控器,笔记本电脑,PDA,移动电话等移动设备。但红外技术只是一种视距传 输技术,有效距离近,发射角度较小,一般不超过 20 度,两台相互通信的设 备之间必须对准,而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物,只能限于两台 设备通信,无法灵活构成网络,且无法用于边移动边使用的设备,另外,IrDA 设备中的核心部件 LED 易磨损。 (2)蓝牙技术(Bluetooth)26,28,30 蓝牙技术使用
20、全球统一开放的 2.4GHz 的 ISM 频段,采用跳频扩频 FHSS 技 术实现设备之间的无线互连,有穿透能力,能够全方位传送,主要面对网络中 各种数据和语音设备,通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet)。多个 微微网之间也可以形成分布式网络(Scatternet),从而方便,快速的实现各类 设备之间的通信。蓝牙技术作为一种新兴的技术,主要具有以下特点:规范的 开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数 据网络。蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。 (3) IEEE802.11b(Wi-Fi)26,28,30 IEEE802.11b 技术
21、标准是无线局域网的国际标准,使用 2.4GHz 的 ISM 频 段,采用直接序列扩频 DSSS 技术进行调制解调增强了抗干扰能力,提高了传 输速度。802.11b 无线网络的最大优点是兼容性,只要在原有网络上装上 第一章 引 言 5 AP(Access Point),就可以提供无线网络服务,终端设备只要装上无线网卡, 就可以访问所有网络资源,象使用有线局域网一样方便,却免除了布线的麻烦。 802.11b 具有有线等价保密机制 WEP(Wired EquivalentPrivacy)确保数据安 全。以其具有穿透能力,全方位传送,建网速度快,可用来组建大型无线网络, 运营成本低,投资回报快等特点,
22、正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐,目 前此种设备还比较昂贵,妨碍了其推广和应用。更多新的 Wi-Fi 标准正在制 定之中。速度更快的 802.11g 使用与 802.11b 相同的正交频分多路复用 (OFDM)调制技术,同样工作在 2.4GHz 频段,速率达 54 Mbit/s,比目前通 用的 802.11b 快了 5 倍,并且完全向后兼容 802.11b,802.11g 将有可能被 大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准,而下一代的 Wi-Fi 标准 802.11n 可望达到 100 Mbit/s。 (4)微功率短距离无线通信技术30 近年来,随着大规模集成电路技术的发展,短距离无线通信
23、系统的大部分 功能都可以集成到一块芯片内部,一般使用单片数字信号射频收发芯片,加上 微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块,所有高频元件包括电 感、振荡器等已经全部集成在芯片内部,一致性良好,性能稳定且不受外界影 响。射频芯片一般采用 FSK 调制方式,工作于 ISM 频段,通信模块一般包含 简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议,发射功率、工作频率等所有 工作参数全部通过软件设置完成,用户不用对无线通信原理和工作机制有较深 的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代 短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优 点,而且开发简单
24、快速,可以方便地嵌入到各种设备中,实现设备间的无线连 接,因此,较适合搭建小型网络,在工业、民用领域得到较为广泛的应用。 1.5 本章小结 本文介绍的设计是针对日常生活常用的无线温度控制系统,可以完成测量 温度、显示温度和控制温度的功能。该系统操作简单,功能齐全,是单片机智 能化的一种应用。 第二章 系统方案的总体设计 6 第二章 系统方案的总体设计 温湿度的检测有许多方法,可供选择的器件和运用的技术也有多种。因此, 系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下,充分考虑系统使用 的环境,所选的结构要尽量简单实用、易于实现,器件的选用要着眼于合适的 参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成
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