1、 单位代码： 005 分 类 号： TP 延 安 大 学 西 安 创 新 学 院 本科毕业论文（设计）题 目：基于 ZigBee的无线温度采集 系统设计 专 业： 电子信息工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 讲 师 毕业时间： 二一三年六月 延安大学西安创新学院本科毕业论文（设计）I基于 Zigbee的无线温度采集系统设计摘要：本设计为基于 STC89C52利用 ZigBee无线通讯技术完成的温度无线采集系统。温度传感器采集来的数据，通过单片机做数据处理并利用 ZigBee的无线发送模块，将温度信息发送出去。经过 ZigBee接收模块接收数据，再通过单片机做数据处理，将温度信息通过
2、显示屏显示出来，从而完成温度的无线采集。关键词：ZigBee；STC89C52；无线温度采集；延安大学西安创新学院本科毕业论文（设计）IIWireless temperature acquisition system based on ZigBeeAbstract：The design for the STC89C52 using ZigBee wireless communication technology to complete the wireless temperature acquisition system based on. The data collected by temp
3、erature sensor, and uses the wireless transmission module ZigBee through the single-chip microcomputer for data processing, the temperature information is sent out. After the ZigBee receiving module receives the data, and data processing by the MCU, the temperature information is displayed through t
4、he display screen, so as to complete the wireless acquisition temperature.KEY WORDS: ZigBee；STC89C52 ；wireless temperature acquisition延安大学西安创新学院本科毕业论文（设计）III目 录1 概述 .41.1 选题背景 .41.2 选题研究的目的和意义 .42 方案选择 .42.1传感器的选择 .52.2主控部分的选择 .52.3系统整体介绍 .63 系统的硬件设计 .63.1传感器 DS18B20温度传感器 .63.2 ZigBee协议 .73.2.1 ZigB
5、ee概述 .73.2.2 ZigBee网络基础 .103.2.3工作模式 .103.2.4 ZigBee 无线组网及数据通信 .103.3CC2530芯片 .113.3.1 CC2530概述 .113.3.2 CC2530 芯片的主要特点 .123.4 STC89C52单片机的介绍 .123.5 12864液晶显示 .154 主程序的设计 .154.1.系统测试 .164.1.1系统测试步骤 .164.1.2 系统的硬件测试、协议栈的测试、液晶的测试 .164.1.3系统测试结果分析 .175 总结 .17参考文献 .18致 谢 .19延安大学西安创新学院本科毕业论文（设计）11 概述1.1
6、选题背景温度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控，采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。伴随工业科技、农业科技的发展，温度测量需求越来越多，也越来越重要。但是在一些特定环境温度监测环境范围大,测点距离远,布线很不方便。这时就要采用无线方式对温度数据进行采集。1.2 选题研究的目的和意义无线网络技术按照传输范围来划分，可分为无线广域网、无线城域网、无线局域网和无线个人域网。无线个人域网即短距离无线网络，典型的短距离无线传输技术有：蓝牙（Bluetooth） 、ZigBee、WiFi
7、等。在工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域，蓝牙（Bluetooth）虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi 虽然传输速度较快，传输距离达到 100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能力较差。相比之下 ZigBee技术具有低成本、低功耗、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优势，广泛应用于智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用等领域。2 方案选择温度检测系统有则共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感
8、器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降 。所以温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。延安大学西安创新学院本科毕业论文（设计）22.1传感器的选择方案一：采用热敏电阻，可满足 40摄氏度至 90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测 1摄氏度的信号是不适用的。方案二：采用单片模拟量的温度传感器，比如 AD590,LM35等。但这些芯片输出
9、的都是模拟信号，必须经过 A/D转换后才能送给计算机，这样就使得测温装置的结构较复杂。另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量。即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。方案三：采用数字温度传感器 DS18B20测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线性度较好。在 0100 摄氏度时，最大线形偏差小于 1摄氏度。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计 DS1820和微控制器 STC89C52构成的温度测量装置，它直接输出
10、温度的数字信号，可直接与计算机连接。这样，测温系统的结构就比较简单，体积也不大。采用温度芯片 DS18B20测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。2.2主控部分的选择方案一：采用 STC89C52单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。可以单独对多 DS18B20控制工作，进行温度数据采集，组成温度测量的巡
11、回检测系统，实现远程控制。另外 STC89C52在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。方案二：使用 MSP430作控制器，德州仪器 (TI) 的超低功率 16位 RISC 混合信号处理器 MSP430产品系列为电池供电测量应用提供了最终解决方案。作为混合信号和数字技术的领导者，TI 创新生产的 MSP430，使系统设计人员能够在保持独一无二的低功率的同时同步连接至模拟信号、传感器和数字组件。但在温度采集和实施控制这个重要的场合低功耗相对来说显得就不是那么重要了，而应该考虑它的稳定性、准确性，同时对比 STC89C52能够在性能和资源都可以到达一个最佳的状延安大
12、学西安创新学院本科毕业论文（设计）3态，可以避免用 MSP430的不必要的资源浪费。综上，我们传感器采用方案三，控制器采用方案一。2.3系统整体介绍本设计所实现的无线温度采集系统以 STC89C52单片机为核心，通过温度传感器、单片机、Zigbee 无线模块，完成对温度的采集与显示。首先利用温度采集系统完成温度的采集，然后利用数据转换模块完成了 I/O口数据与串口数据的转换，再通过无线发送与接收模块完成数据的无线发、收，最终通过温度显示模块完成了显示温度传感器所采集的温度值。系统框图如下所示：STC89C52 单片机DS18B20 采集温度 ZigBee 发送模块STC98C52 单片机 Zi
13、gBee 接收模块12864 显示温度图 2-1温度采集系统框图3 系统的硬件设计3.1传感器 DS18B20温度传感器DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877，LTM8874 等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的 DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20的主要特性：1、适应电压范围更宽，电压范围：3
14、.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；2、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；延安大学西安创新学院本科毕业论文（设计）43、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；4、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；5、温范围55+125，在-10+85时精度为0.5；6、可编程 的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度测温；7、在 9
15、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；8、测量结果直接输出数字温度信号，以“一 线总线“串行传送给 CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；9、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。DS18B20引脚封装如下图图 3-1DS18B20引脚图3.2 ZigBee协议3.2.1 ZigBee概述ZigBee一词来源于蜜蜂赖以生存的通信方式 Zigzag形状的舞蹈，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。ZigBee协议是基于 IEEE 802.15.4标准的，由 IE
16、EE 802.15.4和 ZigBee联盟共同制定。IEEE 802.15.4工作组制定 ZigBee协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（ MAC层）协议。 ZigBee联盟成立用于 2002年，定义了 ZigBee协议的网络延安大学西安创新学院本科毕业论文（设计）5层（NWK） 、应用层（APL）和安全服务规范。协议栈结构如图 3-2。应用层（含应用接口层） 用户安全层网络层ZigBee联盟MAC层物理层IEEE 802.15.4图 3-2 ZigBee协议栈结构ZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制子层(MAC)、网络层(NWK)，应用层(APL)及安全服务提供层(SSP)五
17、块内容组成。其中 PHY层和 MAC层标准由 IEEE 802.15.4标准定义，MAC 层之上的 NWK层，APL 层及 SSP层，由 ZigBee联盟的ZigBee标准定义。APL 层由应用支持层(APS)，应用框架(AF)以及 ZigBee设备对象(ZDO)及 ZDO管理平台组成。PHY层定义了无线射频应该具备的特征，提供了 868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和 2400MHz-24835MHz三种不同的频段，分别支持 20kbps、40kbps 和250kbps的传输速率，1 个、10 个以及 16个不同的信道。ZigBee 的传输距离与输出功率和环境参数有关，
18、一般为 10100 米之间。PHY 层提供两种服务：PHY 层数据服务和 PHY层管理服务，PHY 层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元(PPDU)，PHY 层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。MAC层使用 CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻设延安大学西安创新学院本科毕业论文（设计）6备问的可靠链接，支持关联(Association)和退出关联(Disassociation)以及 MAC层安全。MAC 层提供两种服务：MAC 层数据服务和 MAC层管理服务，MAC 层数据服务通过物理层
19、数据服务发送和接收 MAC层协议数据单元(MPDU)。MAC 层的主要功能是：进行信标管理、信道接入、保证时隙(GTS)管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作 IEEE 802.15.42003MAC 子层和为应用层提供服务接口。NWK 层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee 协调器的网络层还负责建立一个新的网络。ZigBee应用层包括应用支持子层(APS 子层)、应用
20、框架(AF)和 ZigBee设备对象(ZDO)。APS 子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZigBee 的应用框架(AF)为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对(KVP)服务和报文(MSG)服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多 240个用户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点 240上。ZDO 可以看成是指配到端点 O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。ZDO负责定义设备在网络中的角色(例如是 ZigBee协调器或者 ZigBee终端设备)、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联。安全服务提供者 SSP(Security Service Provider)向 NWK层和 APS层提供安全服务。ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据 SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。
