4053046杨光1稿Word下载.docx
- 文档编号:876061
- 上传时间:2023-04-29
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:712.94KB
4053046杨光1稿Word下载.docx
《4053046杨光1稿Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《4053046杨光1稿Word下载.docx(23页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
即解决了线缆的安全和维护问题,也大大提高了温度监测的距离以及准确性。
蓝牙技术是一种非常实用的低功耗无线网络通信技术。
在蓝牙套片的基础上,通过电平转换、电源模块、晶振电路设计和一些协议软件的设计等,可以实现低功耗、强抗干扰的无线信号传输系统。
根据蓝牙无线传输系统的特点,可以很好地实现实际环境需要的远程测温等无线监控系统。
关键词:
蓝牙技术;
无线传输;
温度采集;
DS18B20;
STM32
Basedonthebluetoothwirelessremotetemperaturemeasurementsystemdesign
YangGuang
(CollegeofPhysics,MechanicalandElectricalEngineering,JishouUniversity,Jishou,Hunan416000)
Abstract
Basedonthecurrentindustrialandagriculturaldevelopmentofourcountrythestatusquo,intheprocessofdailyproduction,storagetemperatureisanimportantcontrolindex.Especiallyinfood,tobacco,thetemperatureofthecoalwarehousemonitoringsystem,thetraditionalwayoftemperaturemeasurementisthroughthewayofthecablewillbeconnectedtothemaincontrolmachine,temperaturesensorthatwillinevitablyleadtowiringcomplex,highcost,improvethefailurerate,isnotconducivetomaintain,lowfactorofsafetyproblemsinmanyaspects.Althoughwiththedevelopmentofscienceandtechnology,therearealotoftemperaturemeasurementsystemcansolvetheproblemofshorttemperaturemonitoring,butstilldependsonthecabletransmission,thisisnotconducivetothedailymaintenanceisalsosafehiddentrouble.
Sothispaperdesignedamodelbasedonbluetoothwirelesstechnology,usingdigitaltemperaturesensorDSl8B20astemperaturemeasurementnodesandSTC89C51microcontrollerdogiveprioritytothewirelessremotetemperaturemeasurementsystemofthecontroller.Thatcansolvetheproblemofcablesafetyandmaintenance,alsogreatlyimprovedthetemperaturemonitoringofdistanceandaccuracy.
Bluetoothtechnologyisaverypracticallowpowerwirelessnetworkcommunicationtechnology.Inbluetoothsets,onthebasisofthroughlevelconversion,powermodules,crystalscircuitdesignandsomeofthedesignoftheprotocolsoftware,etc.,canachievelowpowerconsumption,stronganti-jammingwirelesssignaltransmissionsystem.Accordingtothecharacteristicsofthebluetoothwirelesstransmissionsystem,canwellrealizetheactualenvironmentrequiresthetemperaturemeasurementandwirelessremotemonitoringsystem.
Keywords:
Bluetoothtechnology;
;
Wirelesstransmission;
Temperatureacquisition;
DS18B20;
目录
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2设计的主要内容1
第二章系统硬件设计3
2.1整体设计思路3
2.2硬件系统框图3
2.3硬件模块化原理图设计4
2.3.1MCU主控制器模块设计4
2.3.2MCU与DS18B20模块设计5
2.3.3蓝牙发射模块设计6
2.4硬件整体原理图设计10
2.5硬件PCB设计10
2.6本章小结11
第三章系统软件设计12
3.1设计思路12
3.2软件模块化设计12
3.2.1温度采集程序设计12
3.2.2蓝牙模块发射程序设计12
3.3系统整合16
3.4本章小结16
第四章系统调试18
4.1独立调试18
4.1.1硬件调试问题18
4.1.2软件调试问题18
4.2成品实验19
4.3本章小结21
第五章展望与总结22
参考文献23
致谢24
附录25
附录一:
原理图25
附录二:
PCB板图26
附录三:
源码,见源码附录26
第一章绪论
1.1课题背景
在当今社会工农业等发展十分繁荣的现状下,对于温度的检测以及控制是非常重要的。
温度检测广泛的应用在很多场合,例如粮仓存储、智能楼宇、土木建筑工地、实验环境、空调系统以及其他工农业场合等。
传统的测温方法是由专人负责对环境温度进行测量,将测量数据进行人工处理后保存。
传统测温方法劳动强度大,需要测温人员频繁的往返于施工现场,数据采集和整理都不方便,信息化管理和自动化程度低,难于满足现代化的信息检测要求。
虽然随着科学技术的不断发展,越来越多的测温仪器应运而生。
但是目前市场上比较理想的测温仪器大多数都是通过导线把测温模块和数据接收机相连接起来,实现温度的采集与传输,这样既不利于远程温度的测量同时也因为导线的原因存在安全隐患。
而且具有成本高、测温节点数量有限、不利于维护等众多缺陷。
并且是通过导线传输测温数据难免会出现误差,同事导线寿命有限要定期检查更换导线。
对于一些有特殊要求的测温场合很难满足实际要求。
因此采取一款无线传输数据方式的测温系统可以大大的解决传统测温仪器所隐含的缺陷问题。
对于无线传输技术,目前市场上有很多备选的模块,比如基于GSM网络,基于GPRS网络、基于nRF2401芯片的无线传输模块以及蓝牙模块等一系列备选方案。
考虑到本次设计没有有实际环境的要求,同时基于成本低、测量准确度高、便于维护等条件出发,采用基于AN1301ATK-HC05的蓝牙串口模块作为无线传输的主芯片。
与此同时,传统的测温元件(例如热电偶,热敏电阻等)组成的测温电路复杂,具有远程智能化低,容易受干扰等一系列缺点,因此效率很低,不便于管理。
而且,随着计算机数字技术的发展,越来越多的数据需要以数字化方式进行处理,显然传统的温度测量装置不可能完成这项工作。
数字化温度传感器解决了温度数字化的问题,且精度高,能自动消除部分干扰。
所以以DS18B20为代表的数字化温度传感器得到了前所未有的发展空间。
1.2设计的主要内容
本设计课题是一个软硬件相结合的设计类课题。
要求设计一个基于AN1301ATK-HC05的蓝牙无线远程测温系统。
可以实现基本的温度测量,无线传输,并在在上位机上接收并显示所测得的温度数据。
整个系统的功能包括:
<
1>
温度采集功能。
2>
单片机接收并处理数据功能。
3>
蓝牙无线传输温度数据功能。
4>
上位机接收并存储所测数据功能。
5>
上位机显示数据功能。
整个系统主要由温度采集模块、单片机主控制器模块、蓝牙无线传输模块、上位机模块组成。
系统由一块MCU进行总的协调控制、处理数据,最终数据在上位机的串口中显示。
第二章系统硬件设计
2.1整体设计思路
本设计采用可编程分辨率的单总线.数字温度计DS18B20作为温度采集器件,以STM32F103ZET6芯片的单片机作为主控制器,将采集到的温度数据处理后通过AN1301ATK-HC05蓝牙芯片发送给带有蓝牙功能的笔记本电脑上位机,上位机接收到数据后显示相应数据并存储。
2.2硬件系统框图
经过上两部分分析可知,整个系统由STM32F103ZET6控制器控制,各个模块电路和控制器之间关系给出方框图,如图2.1所示。
方框图给出了各个模块与MCU的连接关系,从上面方框图不难看出,通过STM32F103ZET6,各个模块能够按照预定方案工作。
2.3硬件模块化原理图设计
本节将会对上一节中方框总图进行每个模块的硬件设计。
2.3.1MCU主控制器模块设计
1、芯片模块
1.1STM32介绍
1.1.1ARM公司的高性能”Cortex-M3”内核
1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz
1.1.2一流的外设
1μs的双12位ADC,4兆位/秒的UART,18兆位/秒的SPI,18MHz的I/O翻转速度
1.1.3低功耗
在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态),待机时下降到2μA
1.1.4最大的集成度
复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等
1.1.5简单的结构和易用的工具
1.1.6STM32F10x重要参数:
2V-3.6V供电
容忍5V的I/O管脚
优异的安全时钟模式
带唤醒功能的低功耗模式
内部RC振荡器
内嵌复位电路
工作温度范围:
-40o至+85oC或105oC
1.1.7STM32F101性能特点
36MHzCPU 多达16K字节SRAM1x12位ADC温度传感器
1.1.8STM32F103性能特点
72MHzCPU多达20K字节SRAM2x12位ADC温度传感PWM定时器CANUSB
2.3.2MCU与DS18B20模块电路设计
DS18B20特征
●独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯
●每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中
●简单的多点分布式测温应用
●无需外部器件
●可通过数据线供电。
供电范围为3.0V到5.5V
●测温范围为-55~+125℃(-67~+257℉)
●在-10~+85℃范围内精确度为±
5℃
●温度计分辨率可以被使用者选择为9~12位
●最多在750ms内将温度转换为12位数字
●用户可定义的非易失性温度报警设置
●报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件
●与DS1822兼容的软件
●应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统
引脚排列
MCU作为整个系统的核心,它的工作稳定性将直接关系到系统能否正常稳定工作,STM8S105K4最小系统包括:
外部晶振电路、电源电路、复位电路、SWIM调试电路,外部晶振电路接16MHZ晶振和两个30pF电容,从开关按键引出的VCC直接接入MCU电源引脚,同时VDD引脚和VSS引脚间要加入104滤波电容,复位电路采用经典的上电复位接法,单片机上电瞬间,电容导通,复位脚拉低,MCU复位,SWIM调试电路只需加入上拉电阻即可。
DS18B20为单总线结构,数据线DQ与单片机IO相连,根据数据手册,接入4.7K上拉电阻。
具体原理图如图2.3。
2.3.3蓝牙发射模块设计
因为本设计是一款远程无线测温系统,所以要用到无线发射模块,采用ATC-HC05蓝牙模块作为无线发射装置。
2.3.2.1ATK-HC05蓝牙串口模块简介
ATK-HC05模块,是ALIENTEK生成的一款高性能主从一体蓝牙串口模块,可以同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对,该模块支持非常宽的波特率范围:
4800~1382400,并且模块兼容5V或3.3V单片机系统,可以很方便与您的产品进行连接。
使用非常灵活、方便。
ATK-HC05模块非常小巧(16mm*32mm),模块通过6个2.54mm间距的排针与外部连接,模块外观如图1.1所示:
图1.1ATK-HC05模块外观图
图1.1中,从右到左,依次为模块引出的PIN1~PIN6脚,各引脚的详细描述如下所示:
序号名称说明
1LED配对状态输出;
配对成功输出高电平,未配对则输出低电平。
2KEY用于进入AT状态;
高电平有效(悬空默认为低电平)。
3RXD模块串口接收脚(TTL电平,不能直接接RS232电平!
),可接单片机的TXD
4TXD模块串口发送脚(TTL电平,不能直接接RS232电平!
),可接单片机的RXD
5GND地
6VCC电源(3.3V~5.0V)
另外,模块自带了一个状态指示灯:
STA。
该灯有3种状态,分别为:
1、在模块上电的同时(也可以是之前),将KEY设置为高电平(接VCC),此时STA慢闪(1秒亮1次),模块进入AT状态,且此时波特率固定为38400。
2、在模块上电的时候,将KEY悬空或接GND,此时STA快闪(1秒2次),表示模块进入可配对状态。
如果此时将KEY再拉高,模块也会进入AT状态,但是STA依旧保持快闪。
3、模块配对成功,此时STA双闪(一次闪2下,2秒闪一次)。
ATK-HC05蓝牙串口模块所有功能都是通过AT指令集控制,比较简单。
通过ATK-HC05蓝牙串口模块,任何单片机(3.3V/5V电源)都可以很方便的实现蓝牙通信,从而与包括电脑、手机、平板电脑等各种带蓝牙的设备连接。
ATK-HC05蓝牙串口模块的原理图如图1.2所示:
图1.2ATK-HC05蓝牙串口模块原理图
2.3.2.2硬件连接
所要用到的硬件资源如下:
1,指示灯DS0、DS1
2,KEY0/WK_UP两个按键
3,串口1、串口2
4,TFTLCD模块
5,ATK-HC05-V11蓝牙串口模块
ATK-HC05模块和开发板的相应端口,连接关系如表2.1所示:
2.3.3上位机接收显示模块设计
本系统采用带有蓝牙功能的笔记本电脑作为上位机服务器,通过蓝牙无线功能与发射端的蓝牙模块进行连接,再通过相应的串口软件将接收到的数据显示出来。
因为不涉及到具体的硬件设计,因此在此简单介绍。
2.4硬件整体原理图设计
根据各模块的原理图设计,将各模块进行整合,即得出硬件整体原理图设计,原理图见附录。
2.5硬件PCB设计
考虑到本系统的实际应用性,PCB的LAYOUT应该尽可能的小,因此元器件尽可能的使用贴片封装,这样才能做到节省资源。
PCB的LAYOUT应该要注意的8个问题:
●对于电流比较大的走线,必须使用较宽的线宽。
●对于功率放大,最好以单点接地的方式连接。
这样可以使芯片工作时各个部分的相互干扰降低,从而获得较好的放大效果。
●对于走线,严禁走锐角的线,直角也最好少走,最佳的走线是弧形的。
因为锐角和直角的走线会在尖端产生EMI,尤其在高频信号的时候。
●对于去耦电容,离芯片越近越好。
●对于信号线,不要长距离的平行走线,可以有效防止信号的相互耦合。
●对于高频部分,走线越短越好,如电路中的晶振,尽量把其安排在离芯片最近的地方,越近越好。
这样可以有效减少干扰。
●对于数字地模拟地,必须严格区分,在其连接处通过磁珠或者电感或者电阻连接,可以减少数字部分对模拟部分的干扰。
●对于空白的区域,可以适当的覆铜并连接到地线来提高系统的抗干扰性,但是严禁构成回路,因为这样很容易使其他干扰耦合到上面。
根据以上的PCB布线原则,本系统PCB板图见附录。
2.6本章小结
在本章中,首先对设计的总体方案进行了选取,其中包括MCU的选型、硬件器件的选型,以及显示方式的选择。
详细的介绍了各模块的电路设计,和PCB布线规则。
硬件设计部分本章彻底结束,接下来将介绍软件设计。
第三章系统软件设计
3.1设计思路
在上一章中,无线测温的硬件系统已经设计完成,由于软件是控制硬件的灵魂,从一定程度来说软件设计比硬件设计更为重要,本章将会讲述本系统的软件设计。
整个系统可分为DS18B20读取温度软件设计、单片机将温度数据处理后通过蓝牙模块发送软件设计、上位机接收数据并显示软件设计几个子系统。
3.2软件模块化设计
3.2.1温度采集程序设计
DS18B20是单总线结构[6],有着严格的时序要求,只需要按照时序来编写程序即可。
初始化时序如图3.2。
图3.2DS18B20初始化时序
图3.2所示,初始化DS18B20只需主机PB2脚拉低480至960微秒,此时PB2设置成输入模式(或高阻态模式),由DS18B20外部上拉电阻拉高15至60微秒,此时DS18B20将会响应初始化,产生一个60到240微秒的低电平,然后上拉电阻将自动拉高,初始化完成。
写时序图如图3.3。
图3.3写时序图
如上图,主机PB2脚拉低至少60微秒(不超过120微秒),由DS18B20上拉电阻拉高,完成写0操作,主机PB2脚拉低超过1微秒(不超过15微秒),由上拉电阻上拉超过45微秒,完成写1操作。
读时序图如图3.4。
图3.4读时序图
如上图所示,主机PB2脚拉低大于1us(不能太长),将PB2设成输入模式再由上拉电阻上拉,在15微秒内单片机会完成采样,因此,处理数据最好在15微秒之后。
对于温度采集,并不需要读取DS18B20的ROM,因此需要先给DS18B20写入CCH,即SkipROM(跳过ROM),然后读取RAM,进行温度转换写入44H,进行温度读取BEH。
读取RAM的操作码如图3.5。
图3.5写RAM指令
读出数据后需要将bit数据整合成byte数据,再对实际温度进行计算,计算依据如3.6图。
图3.6温度转换位说明
对于十二位数据来说,分辨率是0.0625即1/16,读出的真实温度:
3.2.3蓝牙发送程序设计
3.3系统整合
上一节详细的叙述了系统各个模块的程序设计思路,分步实现了各个功能,这一节,将把各个模块的程序整合起来,成为一个整体。
本系统的主控程序通过调用模块的如图3.7所示,系统开机之后,第一步对各模块进行初始化,如:
单片机的时钟初始化、DS18B20芯片的初始化、蓝牙模块的初始化,第二步读取DS18B20的温度数据,第三步将温度数据通过蓝牙模块发射出去,第四步上位机接收并显示数据。
图3.7软件设计流程图
本系统整合在voidmain(void)函数里面实现,见附件。
3.4本章小结
本章针对本系统的软件设计,叙述了系统的各个部分软件设计思想及实现方法。
重点阐述了温度的获取、温度数据的处理以及蓝牙无线数据的传输。
至此,整个远程无线测温系统的设计基本完成,只需要调试系统与测试。
第四章系统调试
4.1独立调试
上两章针对软硬件系统进行了设计,实际上在以上设计中,已经包括对调试中出现的问题处理。
在设计的时候不可对所有问题都想的做到,这就需要调试中发现问题,再解决问题。
最终实现我们设计的目标。
这一章主要讲述在调试过陈中发现的几个典型问题。
4.1.1硬件调试问题
硬件调试时,主要问题出现在单片机与蓝牙模块设备的连接部分,因为单片机的引脚众多,因此在调试时容易把引脚接错,导致调试无法通过,以及供电问题,因为是无线远程模块,与上位机之间有一定距离,因此主控制器部分采取独立电源供电,本系统在测试时采用5V2A的电源供电。
4.1.2软件调试问题
4.2成品实验
4.3本章小结
本章主要是对在硬件电路调试与软件调试的过程中出现的主要问题进行了一个具体说明。
解决了整个系统的最后问题,使系统的所有功能得到了实现,并发现了一些器件问题,为以后的工作研究积累了经验。
同时还对系统进行了实验,检测系统测量距离和分析误差。
第五章展望与总结
本文以蔬菜仓库为目标,设计了一款远程无线测温系统。
经过一个多月的努力,从方案论证到硬件设计再到软件设计,一步步实现,最终完成了这个设计。
以下是对本次设计的一点总结:
(1)电路板大部分零件的贴片封装完全能够满无线设备的需要。
(2)网络上所提供的芯片资料不一定完全正确,必须寻找到官方的原文,同时需要对每一步硬件设计和软件设计进行验证。
这可以说是一个教训,在蓝牙无线发送模块的调试占了整个系统调试的大部分时间,而且颇费心血。
(3)大家都使用的芯片未必经典。
本设计的一大缺陷就是使用了普通的蓝牙模块作为无线传输载体,虽然有很多优点,但是致命的弱点是传输有效距离有限,再次问题上有待进一步考究。
(4)产品在设计的时候就考虑未来的提升时很有必要的,通过在产品上预留相应的功能的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 4053046