论文总字数：16167字

摘 要

本设计搭建了基于单片机的无线数据传输系统，以STC89C52单片机为控制核心，利用温度传感器DS18B20采集环境温度信息，通过nRF24L01无线收发模块进行无线数据传输，同时将温度信息在LED数码管上进行显示。本系统由数据采集模块、显示模块、无线传输模块等构成，可以实现温度信息的实时采集、显示以及无线传输。通过设置环境温度的上下限，可以对环境温度进行实时监测，超过上限或低于下线温度时，利用蜂鸣器进行报警。系统温度测量范围在-50℃— 120℃之间，其测量精度为0.1℃，能满足一般系统的测试需求，具有较好的应用前景。

关键词： STC89C52；nRF24L01；液晶显示屏；单片机；

Design of wireless transport based on Single chip microcomputer

ABSTRACT

In this article, the author mainly by using temperature sensor DS18B20 temperature control measure environment, at the same time with the aid of a STC89C52 single-chip computer to carry on the corresponding processing, and with the aid of digital tube display the size of its temperature, and developed by nRF24L01 wireless transceiver module and the temperature of the wireless alarm system. The temperature acquisition system is mainly the STC89C52 single-chip microcomputer as the core component, the temperature is measured by using temperature sensor DS18B20, nRF24L01 can be transmit real-time environmental temperature of them. In this system, the concrete temperature measurement range from - 50 ℃, 120 ℃, its measurement precision control in the 0.1 ℃. Customers first button can help K0, K1, K2 to the custom of alarm of the upper and lower limit, if the temperature once exceeded the scope, the receiver will automatically alarm, through the buzzer alarm function is available. The biggest advantage of this system is to have higher temperature measurement precision, and the measuring range is big, plus can alarm in time, so in the daily temperature alarm can be widely used. ^[1]

Key words: STC89C52; NRF24L01; Liquid crystal display; Single chip microcomputer;

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题的背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的意义 2

1.4 研究的主要内容 2

第二章 硬件系统的设计与实现 3

2.1系统总体设计 3

2.2 温度采集模块 3

2.2.1 DS18B20的管脚配置和内部结构 4

2.1.2 单总线介绍 4

2.1.3 DS18B20的工作原理 5

2.2 无线收发模块 6

2.2.1 nRF24L01概述　 6

2.2.2 引脚功能及描述 7

2.2.3 工作模式 8

2.2.4 工作原理 8

2.2.5 配置字 9

2.3 STC89C52单片机简介 10

2.3.1 单片机的引脚功能描述 11

第三章 硬件系统的设计 12

3.1 硬件系统设计总体方案 12

3.2 单片机最小系统 14

3.3 单片机的时钟电路与复位电路设计 14

3.4 显示模块 15

3.5 温度传感器接口电路 15

3.6 声音报警电路 16

3.7 按键控制电路 16

3.8 电源模块 17

3.9 无线传输模块 17

第四章 软件系统的设计与系统功能实现 18

4.1 软件设计原则及编程思路 18

4.2 主程序流程图设计 18

4.2.1 发送部分 18

4.2.2 接收部分 19

4.3 子程序设计 20

4.3.1 发送部分软件设计 20

4.3.2 温度传感DS18B20 20

4.3.3 无线发射模块软件设计 21

4.3.4 无线接收模块软件设计 22

4.3.5 显示模块软件设计 23

4.4 调试步骤 23

第五章 结束语 26

致 谢 26

附录1 原理图 29

附录2 部分系统程序源代码 31

第一章 绪论

1.1 课题的背景

当今社会发展迅速，出于迎合各类工业生产与社会生活的需求，借助无线通讯的这一途径去搜集有关环境温度的信息和信息最终呈现方法已慢慢影响到工业生产与我们的生活。

现在的工业生产中其实还是存在一定问题的，因为工业生产的环境并不理想，所以职工也不可以长期在工厂监督观测生产仪器的运作情况，这样一来，便要想办法把搜集到的信息即刻发送至另外环境较为适合的地方。因此，最后导致了许多信息传递的问题。可是，因为生产环境恶劣、传递的信息量很大，运用以往有线通讯的方法来传递信息布局线路非常复杂。这么做，不但浪费的资金，而且占地面积大，如果有问题产生更换线路较难。此外，一旦信息搜集的地方有了改变、或是所在的地方不能或没办法布局线路，那或许会出现信息传递受阻的现象，这个时候采用无线通讯的信息传递方法来搜集信息就是非常必要的了。

目前，在农业生产方面，无论是测量大棚的温度，还是监管每个仓库的储存状况，以往是人工操作，进行取样分析，这样不仅消耗大量体力与时间而且准确度不高。同时，仓库和温室大棚所占据的土地十分多，需要监测的位置很多，分布又很散，随着现在对农产品的需求的增加，以往的人工操作已经落后了。随着现代科技的发展，无线通讯技术水平的日益提高，温度信息的搜集工作已经越来越可靠，又很方便操作。

在我们日常生活里，其实我们的生活质量是逐渐提升的，生活环境也不断改善。而且，我们身边高科技的东西也越来越多，就像现在，许多百姓家中都有安装温度搜集操控装置，它的运作方式即借助无线通讯对家庭的温度信息进行一个搜集，再按照家庭里的温度状态采取去湿、通风等方式调节温，这样自动化的温度操控装置，使我们的生活更加便利、更加舒适。

1.2 国内外研究现状

在2.4GHz非授权频段上,如今已集合蓝牙、wifi、Zigbee等几个被认可的无线协定。它们能够来回传递，带宽高（ 2Mbps），传输很远（短距离无线技术范围），节约能源且不易受到干扰影响。国外的Nordic集团已设计研发了nRF24L01芯片，而且2.4G世界研发ISM频段同意其不需要收到许可方可运用。与此同时，很多企业也跟着在nRF24L01的基础上设计出无线通讯板版块。nRF24.L01版块属于全新的一种单片射频接受与发送设备,能在工2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段内顺利进行工作。内部频率合成设备、功率放扩大设备、晶体振动设备、调节设备之类的版块，也运用了加强化的ShockBurst科技，它的输出能耗与通讯频段能够借助系统进行配置。nRF24L01的能耗低,用电非常节约。如在接收信息的时候，电流仅为12.3m毫安，很多类型的低能耗操作方式便于节约用电的设计，这类在这频段基础上的通讯模式现在已慢慢发展起来。

并且，现在传感器与电子线路发展势头良好，集成的温度测度设备也在不断更新完善。像美国DALLAS集团不断研发新兴的电子测量温度的芯片，DS18B20就是其中之一，而且国内与西方对此的探究也日益深入^[2]。

1.3 研究的意义

无论是在工业生产中还是在农业生产中，温度都是最普遍的变量，也是最基础的参考值。目前，在我们生活里，无线温度信息搜集的方法已经被广泛运用到很多方面，诸如武装防务、环境监管、工农生产、机器操控之类。只要是线路分布复杂或者是不能铺设线路的地方均企图采用无线通讯的方式来解决问题。只有建立有关的接口平台，对这种射频芯片任务进行操控，才能使无线传输平稳而又安全地进行，所以，我们对此的分析探究也都是有价值的。

1.4 研究的主要内容

在本系统设计时，笔者主要是引入了Nordic公司的NRF24L01射频芯片，该芯片一般是在2.4GHZ的频段才会正常工作，同时通过功率较低的单片机STC89C52可以在很短的距离内进行无线数据通信。该接口设计的最大优势就是有较高的传输速率，功率低，且结构设计简单，成本不高以及可以实现稳定通信等。整个温度检测系统共有两个部分组成：发送和接收等，通过NRF24L01的无线通信收发模块，使数据实现无线传输。在进行传送时，以STC89C52单片机作为其中的核心控制部件，利用温度传感器DS18B20对其中的温度进行及时采集。把取得的温度数据采用无线的方式向接收部分进行传输，最后把其显示于液显屏幕上，利用蜂鸣器的鸣叫，可以对过低的温度或者是过高的温度进行报警。

在本系统中，采用的核心芯片是STC89C52。其单片机的主要优势有：

· 构成了可靠性较高的应用系统。

· 系统建立起来简洁，极易实现其中的系统功能。

就STC89C52而言，其主要可以通过制作两个最小系统，一是发送端系统，二是接收端系统。 在设计时，该温度无线采集报警电路系统采用无线半导体生产的DS18B20作为其中的温度测量元件，其温度测量范围可以从-55-125度不等，其最高分辨率大约可以达到0.0625度，DS18B20可以直接把其中的被测温度测量出来，而且采用了三相制与单片机连接以后，使外部的硬件电路会有所降低，同时还可以进一步降低所需要的成本，便于操作。发射电路与接收电路引入NRF24L01作为其中的发射元部件，且理论上来看，其传输距离可以达到一百米。且NRF24L01还具有一系列其他功能：自动重发功能、数据包识别功能等，增强型ShockBurstTM模式可以完成其中的各项工作。

第二章 硬件系统的设计与实现

2.1系统总体设计

按照系统总体设计的具体要求，把系统划分为六个模块：主控制器模块、测温电路模块、发送电路模块、接收电路模块、显示电路模块和报警电路模块。

温度无线采集报警系统的具体结构如下图所示：

2.2 温度采集模块

该模块主要是引入了美国DALLAS公司使用的数字测温芯片DS18B20，其最大的特点就是体积不大，且测量范围可以从-55到125度不等，有10多位数据分辨率，而且在寄生电源模式下可以继续工作。DS18B20芯片封装可以如下图所示。

图2 DS18B20芯片封装

2.2.1 DS18B20的管脚配置和内部结构

引脚的概念：

(1)DQ是单条数据总线，而且属于数字信号输入/输出端；

(2)GND为电源地；

(3)VDD是外接电源输入端。

温度传感器DS18B20是一种单接口传感器，因此电路结构比较简单，只需要把其管脚DQ接单片机的一个端口采集温度，VDD与高电平连接，GND与地相接即可。

下图3是其内部结构图。

图3 内部详细结构图

（1）光刻ROM中的64位序列号在出厂以前已经刻录了的，而且可以把其看作DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM是按照如下的顺序排列的：开始8位（28H）是其中的产品标号，紧接下来的四十八位是该DS18B20的序列号，最后八位是前面56位的循环冗余校验码。光刻ROM的主要功能是使每一个DS18B20可以区分开来，以达到一根总线与多个DS18B20连接的目的。

（2） DS18B20中的温度传感器可以对其中的温度进行控制。以12位转化作为具体的实例：用16位符号扩展的二进制补码的计数予以提供，其中S是其中的符号位。12位通过一定的转化就得到了十二位的数据，同时把其存放在18B20的RAM中，在二进制中的前五位是符号位，若最后测出的温度大于零，这5位为0，把测得的各种数据与0.0625相乘就可以获得实际温度；若温度小于0，这5位为1，则五位数值都要取反加1再与0.0625相乘得到实际温度^[3]。

2.1.2 单总线介绍

单总线技术作为美国子公司的特有的专利。由于使用的信号线是单根的，不仅可以传输时钟序列，还能对数据进行传送，且对于数据的传送是双向传递的，这一点与我们通常使用的标准串行数据通信方法有着截然的区别。这样结构设计的有独特的优点，例如：结构简单易懂，且能节省口线资源，制造成本低廉，有利于对总线进行扩展和维护。

2.1.3 DS18B20的工作原理

在DS18B20内部的芯片上，集成着温度检测与数字输入两种功能，所以说该芯片的抗干扰能力显然更加突出。在它的一个运行周期内，可以执行温度检测和数据处理两个部分的功能。虽然有关DS18B20的工作流程显得很重要，但是在此之前，我们还是要弄清楚其中的存储器资源构造，在本论文中，将集中介绍三种类型的存储器资源，即：

（1）只读存储器，他的主要作用是存放DS18B20的ID编码，其中编码的前八位是单线系列的。随后的四十八位是DS18B20专用序列号码，编码的最后八位是五十八位的CRC码，可以用来进行冗余校验。用户不能更改出产时有关数据的设置。DS18B20一共有64位ROM。

（2）RAM数据暂存器，它的主要功能是内部芯片的数据进行计算和存取，数据通常在芯片掉电后会丢失，DS18B20一共有9九个字节的RAM，每个字节为八位。其中前两位，表示的是在温度转换之后的数值信息，接着的两位表示用户，这个功能通常作用在温度报警值储存的镜像之内。六、七位称其为计数寄存器，该寄存器设计的目的是提高温度的分辨率。同时计数寄存器也充当着温度转换与数据计算的存储单元。第九位为前面编码的CRC码。用户EEPRAM可以作为记忆体永久的保存所需要记录的数据，从而进行报警值进行设置其上下限，以及进行数据校验。DS18B20共有三位EEPRAM，在RAM中均储存中镜像文件，用户操作起来会感觉非常的方便，有关DS18B20操作流程如下：

（1）复位：在开始之前，有必要对DS18B20芯片进行复位操作，所谓芯片复位操作通常做法是：由控制器（一般是单片机）给DS18B20的单总线一个不低于的低电平信号值。当DS18B20接到发出的复位信号之后，就会进行响应操作，在内发送一种芯片内部的包含的脉冲信号。

（2）存在脉冲：在复位电平操作完成之后，控制器要将数据单总线进行拉高操作，这样做可以方便芯片在能成功对这一个存在脉冲进行接收，所谓的存在脉冲通常是一个的低电平信号。因此，在互相通信双方已经基本达成了通讯协议之后，DS18B20将与控制器之间进行数据通信。若复位低电平的时间没有满足，或者说没有接收到该存在脉冲，在设计之初要意外情况的发生进行充分考虑，进行紧急处理。

（3）ROM命令：系统中ROM有五类，而且在一个工作循环里每次只能发送一种命令。这五类命令分别是读取数据、跳过读取数据、搜索指定指令、警报指令。在ROM内部有64个数据单元格，而一个ROM命令是8个数据单元格，所以系统可以一次性识别多个ROM命令，最多可以有8个。这么多ROM命令。系统是如何识别每个命令的呢？识别方法就是：64个数据单元格拥有独立的地址，所以可以通过每个ROM命令的起始地址来识别不同的ROM命令。特殊的是DS18B20芯片能够不受ROM命令的控制。要注意的是，此处的不收控制指的是跳过命令的读写。

（4）发送控制存储器工作的命令：芯片DS18B20在接受到ROM命令后，它会连续的发送控制存储器工作的命令。和ROM命令一样，这个命令也是8个数据单元格，分为6种，分别是：写入临时存储数据、读取临时存储数据、将临时存储的数据复制到工作存储器中去、转换温度、将工作存储器中的数据复制到临时存储器中去和切换工作模式。

（5）执行命令和读写数据：在发送玩命令之后，剩下的就是执行命令，具体怎么执行要看是何种命令类型，类型不同，执行情况不一样，如果是转换温度命令，其他芯片无法执行该命令，那么只能由芯片DS18B20执行命令。同时执行过程中，执行的具体的次序需要依照芯片DS18B20的规则来执行^[4]。

2.2 无线收发模块

该模块是由法国一个电子公司生产的nRF24L01及其外围电路等部件共同构成的。nRF24L01在单片中是射频收发芯片，其一般在2.4-2.5GHz的环境下工作，其工作电压可以从1.9-3.6V不等。具体工作流程是：借助于SPI写入数据，其最高的速度可以达到10Mbit／s，数据传输最快可以达到2Mbit／s，而且还可以在其中实现自动应答和自动再发射等各项功能。

2.2.1 nRF24L01概述　

nRF24L01是一个较新的射频收发器件,其一般是在频率为2.4 GHz～2.5 GHz的状态下工作。多种低功率下的工作模式，有利于在实际作业时节约能源。nRF24L01的主要特点如下：

1、其传输速度可以达到l Mb/s或2Mb/s；

2、供电电压在1.9 V-3.6 V之间；

3、QFN20引脚4 mm×4 mm封装；

4、SPI速率在0 Mb/s-10 Mb/s之间；

5、125个频道与其他的射频器件相连；

6、片内可以自行生成报头和CRC校验码；

7、实现自动应答和自动再发射的功能；

8、GFSK调制，集成OSI链路层；

2.2.2 引脚功能及描述

nRF24L01的封装和引脚排列状况可以详见下图。图4是其中的各引脚的具体功能。

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