一、设计功能
·由单片机、温度传感器、无线模块NRF24L01以及液晶显示器等构成高精度远 程无线温度监测系统。
·温度显示精确到小数点后一位。
·按键设定过温值，过温在液晶屏提示。
- 系统设计
三、器件选择3.1温度信号采集模块
传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，采用热敏电阻，可满足 40℃度 至 90℃测量范围，但热敏电阻可靠性差，测量温度准确率低，对于1℃的信号是不适用的，还得经过专门的接口电路转换成数字信号才能由微处理器进行处理。
目前常用的微机与外设之间进行的数据通信的串行总线主要有
总线， SPI 总线等。其中
总线以同步串行 2 线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线）。SPI 总线则以同步串行 3 线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线）。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。而单总线（ 1-wire bus ），采用单根信号线，既可传输数据，而且数据传输是双向的， CPU 只需一根端口线就能与诸多单总线器件通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
单总线具有广阔的应用前景，是值得关注的一个发展领域。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连接到数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线。单总线通常要求外接一个约为 4.7K 的上拉电阻，这样，当总线闲置时其状态为高电平。
3.1.1 DS18B20 数字式温度传感器
DS18B20 数字式温度传感器使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，大大缩短了开发的周期 。
3.1.2 DS18B20特性
采用单总线的接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
- 适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
- 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
- DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
- DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
- 温范围－55℃～+125℃。
- 可编程 的分辨率为9～12位，对应的分辨力分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
- 在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
- 测量结果直接输出数字温度信号，以" 1-wire bus "串行传送给CPU，可选择同时传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
- 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。
3.1.3 DS18B20结构
DS18B20的内部结构
3.1.4 DS18B20测温原理
DS18B20测温原理框图
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入.
计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
3.1.5 DS18B20的读写功能
DS18B20温度值格式表
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0， 这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FE6FH，-55℃的数字输出为FC90H 。
DS18B20温度数据表
DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL和结构寄存器。
|
TM
|
R1
|
R0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
配置寄存器结构
低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用 户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）
|
R1
|
R0
|
分辨率
|
温度最大转换时间
|
|
0
|
0
|
9位
|
93.75ms
|
|
0
|
1
|
10位
|
187.5ms
|
|
1
|
0
|
11位
|
375ms
|
|
1
|
1
|
12位
|
750ms
|
温度分辨率设置表
|
寄存器内容
|
字节地址
|
|
温度值低位（LS Byte）
|
0
|
|
温度值高位（MS Byte）
|
1
|
|
高温限值（TH）
|
2
|
|
低温限值（TL）
|
3
|
|
配置寄存器
|
4
|
|
保留
|
5
|
|
保留
|
6
|
|
保留
|
7
|
|
CRC校验值
|
8
|
DS18B20暂存寄存器分布
根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行 复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
|
指
令
|
约定代码
|
功
能
|
|
读
ROM
|
33H
|
读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址）
|
|
符合
ROM
|
55H
|
发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS1820 的读写作准备。
|
|
搜索
ROM
|
0FOH
|
用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件作好准备。
|
|
跳过
ROM
|
0CCH
|
忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。
|
|
告警搜索命令
|
0ECH
|
执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。
|
|
温度变换
|
44H
|
启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。
|
|
读暂存器
|
0BEH
|
读内部RAM中9字节的内容
|
|
写暂存器
|
4EH
|
发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。
|
|
复制暂存器
|
48H
|
将RAM中第3 、4字节的内容复制到EEPROM中。
|
|
重调
EEPROM
|
0B8H
|
将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3 、4字节。
|
|
读供电方式
|
0B4H
|
读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“ 0 ”，外接电源供电 DS1820发送“ 1 ”。
|
ROM指令表
3.2液晶显示器1602LCD
显示容量:16×2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。
3.2.1引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如图
|
编号
|
符号
|
引脚说明
|
编号
|
符号
|
引脚说明
|
|
1
|
VSS
|
电源地
|
9
|
D2
|
数据
|
|
2
|
VDD
|
电源正极
|
10
|
D3
|
数据
|
|
3
|
VL
|
液晶显示偏压
|
11
|
D4
|
数据
|
|
4
|
RS
|
数据/命令选择
|
12
|
D5
|
数据
|
|
5
|
R/W
|
读/写选择
|
13
|
D6
|
数据
|
|
6
|
E
|
使能信号
|
14
|
D7
|
数据
|
|
7
|
D0
|
数据
|
15
|
BLA
|
背光源正极
|
|
8
|
D1
|
数据
|
16
|
BLK
|
背光源负极
|
3.2.2 1602LCD的指令说明及时序
|
序号
|
指令
|
RS
|
R/W
|
D7
|
D6
|
D5
|
D4
|
D3
|
D2
|
D1
|
D0
|
|
1
|
清显示
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
|
2
|
光标返回
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
*
|
|
3
|
置输入模式
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
I/D
|
S
|
|
4
|
显示开/关控制
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
D
|
C
|
B
|
|
5
|
光标或字符移位
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
S/C
|
R/L
|
*
|
*
|
|
6
|
置功能
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
DL
|
N
|
F
|
*
|
*
|
|
7
|
置字符发生存贮器地址
|
0
|
0
|
0
|
1
|
字符发生存贮器地址
| |||||
|
8
|
置数据存贮器地址
|
0
|
0
|
1
|
显示数据存贮器地址
| ||||||
|
9
|
读忙标志或地址
|
0
|
1
|
BF
|
计数器地址
| ||||||
|
10
|
写数到CGRAM或DDRAM）
|
1
|
0
|
要写的数据内容
| |||||||
|
11
|
从CGRAM或DDRAM读数
|
1
|
1
|
读出的数据内容
| |||||||
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如图
3.2.3 1602LCD的一般初始化过程
延时15mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号
写指令38H：显示模式设置
写指令08H：显示关闭
写指令01H：显示清屏
写指令06H：显示光标移动设置
写指令0CH：显示开及光标设置
NRF24L01无线模块
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 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ShockBurst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12.3mA，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[10]。nRF24L01主要特性如下：
1、GFSK调制，硬件集成OSI链路层；
2、具有自动应答和自动再发射功能；
3、片内自动生成报头和CRC校验码；
4、数据传输率为l Mb/s或2Mb/s；
5、SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s；
6、125个频道与其他nRF24系列射频器件相兼容；
7、QFN20引脚4 mm×4 mm封装；
8、供电电压为1.9 V～3.6 V；
3.2.2 引脚功能及描述
nRF24L01的封装及引脚排列如图所示[11]。各引脚功能如图3.5所示。
图3.5 nRF24L01封装图
CE：使能发射或接收；
CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：
IRQ：中断标志位；
VDD：电源输入端；
VSS：电源地；
XC2，XC1：晶体振荡器引脚；
VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V；
ANT1,ANT2：天线接口；
IREF：参考电流输入；
3.2.3 工作模式
通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表3.1所示。
表3.1 nRF24L01工作模式
|
模式
|
PWR_UP
|
PRIM_RX
|
CE
|
FIFO寄存器状态
|
|
接收模式
|
1
|
1
|
1
|
-
|
|
发射模式
|
1
|
0
|
1
|
数据在TX FIFO 寄存器中
|
|
发射模式
|
1
|
0
|
1→0
|
停留在发送模式，直至数据发送完
|
|
待机模式2
|
1
|
0
|
1
|
TX_FIFO为空
|
|
待机模式1
|
1
|
-
|
0
|
无数据传输
|
|
掉电
|
0
|
-
|
-
|
-
|
待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。
3.2.4工作原理
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。
接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。
表3.2常用配置寄存器
|
地址（H）
|
寄存器名称
|
功能
| ||
|
00
|
CONFIG
|
设置24L01工作模式
| ||
|
01
|
EN_AA
|
设置接收通道及自动应答
| ||
|
02
|
EN_RXADDR
|
使能接收通道地址
| ||
|
03
|
SETUP_AW
|
设置地址宽度
| ||
|
04
|
SETUP_RETR
|
设置自动重发数据时间和次数
| ||
|
07
|
STATUS
|
状态寄存器，用来判定工作状态
| ||
|
0A~0F
|
RX_ADDR_P0~P5
|
设置接收通道地址
| ||
|
10
|
TX_ADDR
|
设置接收接点地址
| ||
|
11~16
|
RX_PW_P0~P5
|
设置接收通道的有效数据宽度
|
3.2.5 配置字
SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。
nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表3.2所示。经过综合考虑，如果采用单芯片自己焊接无线模块可能会产生以下问题：电路板电磁影响较大，天线不好弄，在焊接过程中易损坏芯片。所以最终决定采用已集成了的模块进行课题的制作。模块PCB版图提供于下：
4、软件设计4.1.1 温度检测
温度检测模块软件设计DS18B20的测温原理遵循严格的单总线协议，以确保通信数据的准确性，单片机通过时序来写入和读出DS18B20中的数据，包括初始化、读l、读0，写1、写0等操作。传感器复位后，接收应答信号，跳过读ROM中序列号后，启动温度转换，等待温度转换完毕后，保存数据。如此反复，完成所有操作，其流程图如图所示。
4.1.2无线发射模块软件设计
首先进行初始化操作，初始化包括设置单片机I／O和SPI相关寄存器两部分其可以和nRF24L01通信。通过SPI总线配置射频芯片使其进入正确的工作模式。发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式。接着把发送端待发射数据的目标地址TX—ADDR和数据TX—PLD写入nRF24L01缓冲区，延时后发射数据，其流程图如图4.2所示[14]。
图4.2 无线发射软件流程图
4.1.3无线接收模块软件设计
接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式。接着延迟进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效地址和CRC时，就将数据包储存在接收堆栈中，同时状态寄存器中的中断标志位RX—DR置高，产生中断使IRQ引脚变为低电平，以便通知MCU去取数据，其流程图如图4.3所示。
4.2软件的总体设计4.2.1 发送部分
发送部分的一个循环的总体思路是这样的先初始化DS18B20，从DS18B20读出温度（DS18B20采用默认的12位精度），将得到的温度值的反码转化成十进制，取温度数组的高两位（即整数部分）写入发送数据数组，然后初始化nRF24L01，将温度发送，其流程图如图4.5所示[15]。
图4.5 发射部分总体流程图
4.2.2接收部分
接收部分的总体思路是这样的，首先还是初始化nRF24L01，然后进入大循环判断状态寄存器是否有接收中断。如果有就从FIFO_buffer读入二进制数据，然后将数据转换成十进制在数码管上显示出来，其流程图如图4.6所示。
图4.6 接收部分总体流程图
五、设计总结
在这课题设计中我学到了很多东西，获益匪浅。本次课题以51单片机为核心实现了远程无线智能化温度监控，过温警告。
利用温度传感器获取被控对象指标，通过温度传感器将需要测量的温度信号转化为数字电信号，通过单总线与MCU进行传输，再经单片机转换成温度值经过NRF24L01无线模块进行传输，再由接收机通过NRF24L01进行接收，最终由接收机进行处理，并将当前所监控的温度值，通过LCD1602进行显示。并且可以由按键进行温度的最大最小值得设定，最终将监控温度设定在一个范围内。若温度过高或过低都可由报警模块进行报警。
在设计此次课题的初期，考虑到手中有两块闲置的单片机，并且有一块1602显示模块及两块无线模块。所以快速的决定做一个无线的课题，可是无线控制什么呢？于是上网百度了一下，发现在现代的工业控制中，温度是一个非常重要的因数。并且在电子行业中，温度也是非常重要的，而且温度过高对电子产品的损害非常厉害。于是决定做一个关于温度监控的课题。这是设计之初的目的。
但是在设计的过程中，暴露的问题非常之多。而且反了一个致命的错误。由于本人在焊接NRF24L01模块时，没有查阅相关的模块供电电压，直接用了单片机的VCC对其进行供电。导致模块被烧坏，本人深深的心痛啊。悔不当初，不看说明书，自己想怎么干就怎么干。在模块被烧坏后，一直处于后悔中，但是想想，就当花钱买个教训吧，于是重新振作起来，上网淘宝淘宝，当新的模块到手后，这下，我并不急于对无线模块进行焊接，反而是将重点转向了模块供电电压部分的设计，由于模块是3.3V供电的（这是后来查阅说明书了解到的），可是自己手中只有7805和7809这两种稳压芯片。并无3.3v的稳压管及稳压模块。于是向盛老师求助。最终盛老师给了我两块AZ1117T，电源问题才得以解决。在此感谢盛老师。还有就是单片机对于RF24L01高频模块的读写、操作等比较复杂，查找的资料也很难理解。还有就是DS18B20的时序也有一定难度。
不过，通过这次的学习和实践，我学会了如何看待问题，解决问题。例如，调试无线收发时，1602老显示乱码，而且一直跳跃不定，又例如后来整合程序时，温度不正确，老是成不断上升趋势，后来检查程序后才发现是没有将温度的全局变量清零，导致每次循环累加。
七、硬件原理图及调试7.1系统硬件原理图
发射机
接收机
