基于无线单片机的多点温测系统设计 开题报告 陈福鹏

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1、 学号：学号： 0941710509417105 常常 州州 大大 学学毕毕业业设设计计（论论文文）开开题题报报告告（ 2013 届）届）题题 目目 基于无线单片机的多点温测系统设计基于无线单片机的多点温测系统设计 学学 生生 陈福鹏陈福鹏 学学 院院 信息科学与工程学院信息科学与工程学院 专专 业业 班班 级级 电气电气 091 校内指导教师校内指导教师 马正华马正华 专业技术职务专业技术职务 教授教授 校外指导老师校外指导老师 专业技术职务专业技术职务 二二一三年三月一三年三月题目：基于无线单片机的多点温测系统设计一、前言 1课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势1.1 课题研究的意义石

2、油钻井是连续作业过程，需要多点监测钻井设备的工作温度，以辅助用于设备故障的诊断。 目前，钻井井场由于大都通过电缆方式将各传感器采集的信号传输到控制中心处理，使得本来就狭 小的井场更加凌乱，而且也容易遭到意外破坏；传输线若遭到破坏，由于线路庞杂，需要费时费力 找到破坏点重新把两端连接起来；此外，钻井是流动作业，每钻完一口井就要重新布线，极不方便。 以无线单片机为核心的低功耗、小体积、低价格嵌入式无线网络系统近年来得到了迅速发展，若应 用于温度信号的传输，可以避免有线数据传输过程中的繁杂线路和接插件，提高系统可靠性，同时 也为钻井设备的拆解搬迁和重组安装提供极大的便利。综上所述，研究设计基于无线单

3、片机的多点 温测系统用于石油钻井平台工作温度的检测显然具有现实意义。1.2 国内外研究现状和发展趋势目前，国内主要有华北石油录井公司，大庆油田探钻研究院、中原油田钻井研究院和上海神开 科技工程公司等企业生产钻井参数监测系统。另外，中国石油大学、中国地质大学、重庆大学和辽 宁工程技术大学等一些高等院校和科研机构也致力于钻井监测系统方面的研究。从仅有的资料来看， 国内的钻井监测系统智能化程度仍较低，传感器的装拆较为复杂，适应能力总体不强，与国外同类 型产品相比还存在一定的差距。在国外，从事钻井参数监测系统研发生产的企业比较多，其中美国 Weatherford 公司，瑞典 Statoil ASA 公

4、司和加拿大 Datalog 公司在该领域的研究处于国际领先水平。 但无论国内还是国外，其成熟产品主要还是停留在有线传输的层次上，而如今流行的短距离、低功 耗的无线传输方式在钻井参数监测中还没有得到很好的应用。 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。第一代传感器网络出现在 20 世纪 70 年代，使用 具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络。第 二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口(如 RS-232、RS-485)与传感 控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络。第三代传感器网络出现在 20 世纪 90 年代后期和 本世纪

5、初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络， 成为智能化传感器网络。第四代无线传感器网络最早的代表性论述出现在 1999 年，题为“传感器走 向无线时代”；随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面 临的发展机遇；2004 年(IEEE Spectrum)杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的 发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产 业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。2课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题2.1 研究目标基于无线单片机 nRF9E5、DS18B

6、20 设计出一套多点温度检测系统，能够实现多点温度数据的 检测、无线传输，并最终通过串口上传至监测计算机。2.2 研究内容1）研究学习无线单片机 nRF9E5 的工作机理；2）研究学习 DS18B20 的工作机理；3）研究设计基于 nRF9E5 的测温、无线收发、组网及串口通信程序。2.3 拟解决的关键问题1）基于 DS18B20 的温度监测；2）基于 nRF9E5 的无线传输，组网策略；3）基于串口的监测数据上传。二、研究方案的确定 研究路线、方法，拟使用的主要仪器、药品研究路线、方法总体设计框图如下：无线收发主机 模块串口温测数据无线收 发从机模块 1# 温度传感器温测数据无线收 发从机模

7、块 2# 温度传感器温测数据无线收 发从机模块 n# 温度传感器图 1 无线多点温测系统总体设计框图图 1 中，温度传感器用来检测钻井平台各点的温度；无线收发模块分为温测数据无线收发从机 模块和无线收发主机模块，其中温测数据无线收发从机模块有若干个，可根据现场实际需要安置于 钻井现场，而无线收发主机模块放置于远处的监测房内；无线收发主从机模块构成一个点对多的无 线监测网络，所有监测数据可通过串口传至上位计算机。（1）无线收发主从机模块无线收发主从机模块基于无线单片机 nRF9E5。nRF9E5 是 Nordic VLSI 公司推出的无线单片机 芯片，其内置 nRF905 的 433MHz/86

8、8MHz/915MHz 收发器、8051 兼容微控制器和 4 路输入 10 位 80kb/s A/D 转换器，是真正的系统级芯片。单片机全速运行耗电 1mA，1.9-3.6V 低电压工作，待机 耗电 2A；最大发射功率为 10dB.m，高抗干扰 GFSK 调制，速率 100kb/s，具有独特的载波监测输 出、地址匹配输出、就绪输出；内置完整的通信协议和 CRC，只须通过 SPI 即可完成所有的无线 收发传输。 片上集成的 nRF905 其收发器由一个完成的频率合成器、一个功率放大器、一个调节器和两个 接收器组成。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器 RADIO（0xA0）编程进行

9、 控制。发射模式下，射频电流消耗为 11mA, 接收模式下为 12.5mA。为了节能，可通过程序控制收 发器的开/关。nRF9E5 无线收发模块如图 2，其初始化参数设置如表 1。图 2 nRF9E5 无线收发模块表1 nRF9E5无线收发模块初始化参数设置名 称设定值（二进制）说 明 CH_NO001001100载波频率为 433MHz HFREQ_PLL1设定 PLL 工作模式 PA_PWR11输出功率为 10dBm RX_AFW100接收地址字长为 4 字节 RX_PW000001接收有效字节长度为 1 字节 TX_PW000001发射有效字节长度为 1 字节 RX_ADDRESS111

10、00111接收地址 0xE7 XOF011晶体振荡器 16MHz 频率 CRC_EN1使用 CRC 校验功能 CRC_MODE1使用 16 位 CRC 校验码（2）温度传感器温度传感器采用 DS18B20，它是美国 DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器，具有 3 引 脚 TO-92 小体积封装，工作电压 3.0-5.5V，温度测量范围-55-125，通过编程可实现 9-12 位的数 字量读数方式，测温分辨率最高可达 0.0625。可以将温度直接转化成串行数字信号进行处理，抗 干扰能力强。每片 DS18B20 都有唯一的产品号。DS18B20 的数据传输速率一般为 16.3kbit/s，

11、特殊 情况下支持 100 kbit/s 的超速模式。总线长度可达 200m，将上拉电阻的阻值适当减小，可进一步提 高单总线的驱动能力。DS18B20 简单的硬件结构是靠复杂的软件来支持的，在对 DS18B20 的操作 进行程序编制时，务必注意总线的时序，即严格控制脉冲的时间间隔。DS18B20 实物图如图 3 所 示，其与微控制器连接图如图 4 所示。图 3 DS18B20 实物图 图 4 DS18B20 与微控制器连接图（3）软件设计系统的软件主要由上位机控制程序，主机控制程序和从机控制程序三部分组成。 上位机控制软件可以由串口调试助手来实现，主要完成温度数据显示等功能。 主机控制程序根据系

12、统设计要求包括初始化模块，含 MCU 初始化、收发装置初始化、串行通 信 UART 初始化；RF 接收中断服务程序，用于接收从站发送的数据；RF 发送子程序，用于主站发 送数据；串行口发送子程序，用于对接收的从机温度数据进行确认后向上位机发送；SPI 端口读写 子程序，用于 SPI 端口的读写，在系统中，数据的无线收发要调用该子程序；系统延时子程序，用 于其他程序模块的延时调用。从机控制程序除了与主机相同的初始化和数据无线收发模块外，还包括 DS18B20 初始化模块； 读 DS18B20 子程序（用于从 DS18B20 中读取一字节数据） ；写 DS18B20 子程序（用于从 DS18B20

13、 中写一字节数据） ；启动 DS18B20 开始温度转换子程序（用于启动温度转换）读取 DS18B20 温度 子程序（用于从 DS18B20 中读取温度信息） 。DS18B20 测温程序框图分别如图 5 所示。无线收发主从机模块的无线接收程序均采用 DR（数据就绪）中断响应接收模式；不同的是无 线收发主机模块最后还要把接收完的数据通过串口发送至上位计算机进行监测。主从机各个模块的 无线发送程序则是完全相同的，采用函数模块形式编写，直接调用即可。无线发送程序和主机模块 无线接收程序的程序流程图如 6、7 所示。拟使用的主要仪器1）C51RF-2 无线单片机综合开发系统；2）Keil51 编程软件

14、；3）串口调试软件。DS18B20初始化匹配ROM写DS18B20序号开始温度转换延时等待DS18B20复位读取温度数据图5 DS18B20测温程序流程图初始化 nRF9E5进入接收状态接收、分析处理数据等待DR中断N判断首字符及无线 标志位Y判断地址及结束符收到的数据从串口输出Y判断无线接收完标 志YNY初始化 nRF9E5Y进入发送状态定时时间到？判断无线接收完标 志Y调用无线发送函数发送数 据N图 6 主机模块无线接收程序流程图 图 7 无线发送程序流程图三、作者已进行的准备及资料搜集情况1）对 nRF9E5 单片机的工作原理和使用方法有所认识；2）收集了关于 nRF9E5 单片机的应用

15、实例；3）了解了 DS18B20 的工作原理和实际应用。四、阶段性工作计划与预期研究成果阶段性工作计划第 1-3 周： 翻译外文资料，撰写开题报告；第 4-6 周： 学习 nRF9E5；第 7-8 周： 学习 DS18B20； 第 9-10 周： 编写无线收发程序；第 11-12 周：编写温测、串口数据传输程序，设定组网策略；第 13-14 周：撰写论文，论文初稿基本完成；第 15-17 周：论文的修改、排版，答辩；预期研究成果1）无线多点温测演示装置 1 套；2）无线数据收发程序 1 套；3）温测及串口数据传输程序 1 套五、主要参考文献1 李文仲, 段朝玉. 短距离无线数据通信入门与实战. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.2 韩彬, 李娇蔓, 李传伟, 等. 钻井井场数据采集无线节点的设计和实现. 石油仪器, 2009, (6):4-9.3 nRF9E5 数据手册.4 DS18B20 数据手册.5 季鹏伟, 陈晓亮.