智能无线温度传感器的设计

题目智能无线温度传感器的设计摘要本文介绍的重点是无线温度传感的设计。硬件部分是以单片机为核心，还包括数据采集模块，模-数转换模块，无线数传模块和串行接口部分，还有一些简单的外围电路。模-数转换模块，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换。无线数传模块是通过单片机的通信口发射和接受信号。软件部分，主要是应用汇编语言。编程时要用尽量少的语句，实现系统的功能。关键词：传感器，单片机，无线金华职业技术学院毕业论文-ii--ii-目录中文摘要…………………………………………………………………………….….…ⅰ英文摘要…………………………………………………………………………….……ⅱ目录…………………………………………………………………………….……ⅲ引言…………………….…………………………………………………………….1第一章硬件电路设计……………………………………………………………………21.1系统结构设计………………………………………………………………………..21.2单片机……………………………………………………………………….……….21.3模-数转换模块………………………………………………………………………31.4温度传感器……………………………………………………………..……………51.5信号调理电路………………………………………………………………………..6-iii-1.6无线数传模块………………………………………………………………………..6第二章软件系统设计……………………………………………………………………82.1系统软件结构………………………………………………………………………...82.2程序流程图………………………………………………………………………….10第三章系统调试………………………………………………………………………...123.1硬件调试…………………………………………………………………………….123.2软件调试…………………………………………………………………………….123.3软硬结合调试……………………………………………………………………….12总结………………………………………………………………………………..….…14谢辞……………………………………………………………………………………...15附录A程序清单……………………………………………………………………….16附录B原理图………………………………………………………………………….19附录C实物图………………………………………………………………………….20参考文献………………………………………………………………………...……..…21-1-引言现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器和控制器；(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。无线与在线式温度传感器相比较，有如下优点：1、无线温度传感器的安装位置没有任何限制摆放灵活且无须布线。2、无线温度传感器采用防水设计可以应用于非常潮湿的环境。3、无线温度传感器的安装和维护非常简便。4、减少了电缆使用量，降低了系统成本、提高了系统的可靠性。5、如果库房翻新，无线温度传感器不存在连接电缆问题可以随意拆卸，不存在重复投资问题。6、系统可以很方便的与空调机的自动控制系统连接。7、无线连接方式是当今传感器发展的一个主要趋势。现代测量中，无线温度传感器已成为日益重要的一种测量工具。现在无线温度传感器已广泛应用于粮库、油田、矿井以及饭店等需要远距离监控温度的场合。此系统的最前端是传感器，传感器把采集到的模拟信号，经过信号调理电路，对采集到的信号进行适当调整，以适合A/D转换器的需要。A/D转换器采用MC14433，它满足本系统的要求，MC14433把模拟量转换为数字量后输出给单片机，本文采用AT89C2051作为核心控制部件，它功能比较齐全，可以满足系统设计的需要。单片机控制数据的采集，传输，它是整个系统的核心。由单片机处理后，通过无线发射模块来发射。这样就实现了无线温度传感器的功能要求。系统的硬件部分，将部分重点的在第一章里做详细介绍。系统的软件部分，主要用汇编语言。软件部分包括单片机初始化的设计，串行通信的设计，A/D转换的设计。软件部分的内容将在第二章里做详细介绍。调试部分包括硬件调试和软件调试以及软硬件结合调试，系统调试部分的内容将在第三章里做详细介绍。-2-第一章硬件电路设计1.1系统结构设计智能无线温度传感器的设计，此系统的最前端是温度传感器，温度传感器把采集到的模拟信号，经过信号调理电路，对采集到的信号进行适当调整，以适合A/D转换器的需要。AD转换器采用MC14433，它可以满足这次设计需要的精度。MC14433把模拟量转换为数字量后输出给单片机，单片机选用AT89C2051，单片机控制数据的采集，传输，它是整个系统的核心。由单片机处理后，通过无线收发模块来收发。这样就实现了无线温度传感器的功能。结构框图如1-1所示图1-1系统结构框图1.2单片机单片机是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU），内存（RAM，ROM，EPROM）和各种输入输出接口（定时器，计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。一、AT89C2051简介本次设计用的单片机是AT89C2051,它的功能与AT89C51相同,而且引脚只有20脚,而这次设计只需要用到单片机的P1口和P3口,所以用AT89C51是很浪费资源和空间的,而AT89C2051的管脚能满足本系统的需要,售价也不高,市场供应也很充足。因此本系统采用AT89C2051。引脚框图见图2-1。图1-2AT89C2051的引脚框图AT89C2051单片机是ATMEL公司生产的带2K字节闪速可编程的低电压CMOS8位微温度传感器信号调理A/D转换MCU无线数传模块-3-型控制器，与标准的MCS51型单片机指令集相兼容。它有一个可编程的全双工串行通信接口，能同时进行串行发送和执着收。通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如P3.1TXD（串行输出口）；P3.3/INT1（外部中断1）；P3.4T0（定时器0外部输入）等。本设计把P3.1用于串行接口部分，P1.0-P1.7作为单片机的输入部分。二、晶体振荡电路晶体振荡电路如图1-3所示：内部时钟方式，利用内部振荡器在引脚XTL1和XTL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，这样构成了稳定的自激震荡器。C1和C2的值通常选择为20PF左右。C1和C2对频率有微调作用，晶体后陶瓷谐振器的频率为12MHZ。图1-3晶体振荡电路1.3模-数转换模块模-数转换模块的主要功能是完成从模拟量到数字量的转换。这个模块的核心是A/D转换器。本次毕业设计选择A/D转换采用芯片MC14433，A/D转换芯片种类有很多，有串行的，有并行的，但是MC14433的外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，它能满足系统的要求，且硬件电路设计比较简单，价格也实惠。所以这次设计选用MC14433。一、MC14433的基本特点、引脚排列和功能MC14433是美国Motorola公司推出的单片31/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：精度：读数的±0.05%±1字模拟电压输入量程：1.999V和199.9mV两档转换速率：2-25次/s-4-输入阻抗：大于1000MΩ电源电压：±4.8V—±8V功耗：8mW（±5V电源电压时，典型值）采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD分时在Q0—Q3轮流输出，同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲，很方便实现LED的动态显示。MC14433的引脚排列如1-4图所示。主要的引脚功能如下：图1-4MC14433引脚图1、Pin2(VR)—基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。此外，VR端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲(VR)，就能够复为至转换周期的起始点。2、Pin3(Vx)—被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系：输出数据=（VX/VR）×19993、Pin9(DU)—更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。4、Pin14(EOC)—转换周期结束标志位。每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。5、Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)—多路选通脉冲输出端。DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。当某一位DS信号有效（高电平）时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出。6、Pin20、21、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)—BCD码数据输出端。其中Q0为最低位,Q3为最高位。该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据。二、MC14433和单片机的接口设计MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0~Q3，DS1~DS4可以直接和单片机AT89C2051的P1口相连，接口电路如图1-5所示。DU和EOC相连，以选择连续转换方式，每次转换结果都送至输出寄存器。AT89C2051读取A/D转换结果可以采用中断方式，EOC端与外部中断输入端INT1相连如图中所示，也可以采用查询方式。采用查询方式时EOC端可接如任一I/O口或扩展I/O口。图中的MC1403是集成精密+2.5V电-5-压基准源，经电位器分压后作为A/D转换用的基准电压。满量程输入电压为2V。图1-5MC14433和单片机AT89C2051的接口1.4温度传感器本次毕业设计采用的温度传感器是AD590，它有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。AD590的封装和基本应用电路如图1-6所示。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：Ir/T=1A/K式中：Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为A；T—热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流Ir变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反图1-6AD590的封装和应用电路向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710M。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃-6-范围内，非线性误差为±0.3℃1.5信号调理电路信号调理电路是传感器与A/D之间的桥梁，也是测控系统中重要组成部分。信号形式的变换，放大，滤波，共模抑制及隔离等等，都是信号调理的主要功能。信号放大电路通常由运放承担，运放的选择主要考虑精度要求（失调及失调温漂），速度要求（带宽，上升率），幅度要求（工作电压范围及增益）及共模抑制要求。常用于前置放大器的有μA741，LM741，LF347，OP-07，ICL7650等。本系统采用的是LM741，放大倍数为5倍。输出电压为0~5V。信号调理