基于STM89C52的磁场强度检测计的设计(源码+万字报告+实物)

目 录

1 绪论 1
1.1 设计背景 1
1.2 开发现状 1
1.3 设计的意义与目的 1
2 系统方案设计 1
2.1 系统运行概述 2
2.2 无线传输模块的选择方案与论证 2
2.3 微控制器的选择方案与论证 3
3 硬件设计 4
3.1 无线传输发射端 4
3.2 控制模块 4
3.3 传感器与ADC0832接口电路 7
3.4 ADC0832与单片机接口电路 7
3.5 NRF24L01部分 7
3.5.1 NRF24L01简介 7
3.5.2 NRF24L01管脚特性 8
3.5.3 单片机与无线模块的接口—SPI总线 8
3.5.4 NRF24L01和单片机接口电路 8
3.6 无线传输接收端 9
3.7 LCD1602与单片机接口电路 9
3.8 有线传输部分 10
3.9 RS485传输部分 10
4 单元模块设计 12
4.1 蜂鸣器报警电路设计 12
4.2 电源自锁开关系统设计 12
4.3 按键系统设计 13
4.4 电压调节部分设计 13
4.5 LED状态指示部分设计 14
5 系统软件设计 14
5.1 软件开发环境介绍 14
5.2 系统总体流程图 15
5.3 无线传输发送程序功能介绍 16
5.3.1 数据采集子程序 16
5.3.2 无线发送模块子程序 17
5.4 无线传输接收端程序功能介绍 18
5.5 保护报警子程序 19
5.6 LCD1602显示模块子程序 20
5.7 按键扫描子程序 21
6 调试与检测 22
6.1 硬件的焊接 22
6.3 调试结论 23
7 总结与展望 23
7.1 总结 23
7.2 展望 24
参考文献 24
致谢 26

1 绪论
1.1 设计背景
最早的磁场探测器已有2000 多年的历史，通过这种磁场探测器可以辨识方向或为舰船导航。随着现代科技的进步，磁场传感器的应用越来越广泛，磁场传感技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及和电子设备兼容的方向发展。进入21世纪，伴随着信息技术及信息产业的飞速发展、磁场强度检测在工业生产、科研、教学等行业中的起着非常重要的作用。对于磁场强度的检测，现在市场上所出现的磁场强度检测计大多价格高，携带困难，并且不能在上位机上面显示连续的磁场强度变化。本设计制作的磁场强度测量仪具有成本低、携带方便、体积小、测量误差小等优点，并且通过转串口芯片可以将采集到的磁场信号传送到LCD上显示。本设计制作的磁场强度测量仪的微控器采用STC89C52，这种单片机相对简单，使得使用者更容易掌握、在使用出现故障时其检修也很方便。传感器的选择是本设计的重要部分，现在市场上的霍尔器件有很多类型，其基本原理都相同，但是在测量磁场强度时，对霍尔器件的线性要求极高，并且要在适宜的电压范围内，输出电流也要适宜、要能够具备低功耗等条件。因此在经过大量的筛选后选择了一款线性良好、工作电压低的霍尔传感器，并且在5V工作电压时具有非常良好的线性，其输出电压范围也小，用简单的电路对传感器输出的信号处理后便可以直接送入A/D转换。在A/D转换部分采用8位的模数转换器ADC0832，其外围电路简单、程序控制也相对简单，由于本设计的磁场强度测量仪器所测量的数据少，8位的A/D转换芯片就可以了，最重要的是它的价格也相对便宜，并且购买方便、代码书写简单，在保证功能的前提下这是最高性价比的选择。液晶显示部分采用LCD1602显示，由于需要显示的内容并不多，用这块显示器件就足以完成基本的显示任务，其驱动程序也相对简单，可以减小系统软件设计的工作量和难度。
1.2 开发现状
传统的磁场强度检测计是通过仪表放大器中的放大电路对感应电压放大，然后所得的数据在显示器上显示，这种方法简单但准确度低。本设计制作的磁场强度检测计用RS485和NRF24L01进行传输，减少了测量误差，使得传输速率和传输距离增加。使用单片机进行控制，因为它有非常多的串口,使得系统的抗干扰能力大大增加，此外，还设计了蜂鸣器报警电路，使得系统的安全性得到了提高。本设计由于合理的电路设计与选材，使得本系统具有低成本、低功耗、高精度、易于功能扩展等优点。因此，本磁场强度检测仪具有较高的性能价值比和非常良好的应用前景。
1.3 设计的意义与目的
随着科技的发展，磁场强度检测已经广泛应用于工业、科研、教育等行业中。而在许多大学甚至高中的实验室里就需要一款微小、低成本、使用方便的磁场测量仪器，并且在一些比较复杂的环境条件下也能使用。因此，在当前的实际条件下，设计出一款高性价比的磁场强度测量仪器来方便实验室的研究显得尤为重要，具有十分重大的教育和科研价值。
2 系统方案设计
2.1 系统运行概述
本次设计为制作基于STC89C52的磁场强度检测系统，主要实现信号采集、模数转换、无线传输、RS485实现双机通信、LCD1602显示、超过磁场上限报警等功能。系统由无线传输和有线传输两部分组成，无线传输部分由发射端和接收端组成，由NRF24L01实现，有线传输部分由两个单片机间接RS485组成，并且有线传输部分和无线传输部分可以使用按键自由选择，这两部分相互依存也相互独立，无论是有线还是无线都实现了单片机双机通信。
无线传输发射端是采用霍尔传感器检测磁场强度，经模数转换后，由STC89C52读取外部AD转换芯片ADC0832（来自霍尔传感器的数据）的数据，并控制NRF24L01无线模块把数据发射出去，接收端的无线传输模块收到数据后，通过SPI通信把数据传给另一个单片机并经过处理后，由LCD1602显示磁场强度。有线传输部分主要是在两个单片机之间用RS485传输。系统运行过程为，当系统检测到开关按下时，立刻启动外部模数转换，等待转换结束后读取转换结果，经NRD24L01和RS485传输，最后把数据发给LCD1602显示出磁场强度。当开关关闭时立即停止。简易的系统方框图如图2.1所示。

图2.1 系统框图
2.2 无线传输模块的选择方案与论证
第一个方案：使用NRF401发射接收模块。它是无线双向传输信息的，该模块以芯片NRF401为核心，具有高速率、低功耗、使用便捷等特点，但费用过高，不太符合本次设计的实际情况。
第二个方案：使用NRF905模块。它的RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器，这个调制解调器支持不同的调制格式，在915M频段其数据传输率可达500kbps，通过开启集成在调制解调器上的前向误差矫正选项，能使性能得到提升。
第三个方案：使用NRF24L01无线传输模块。它的数据传送率为1或2Mbps,拥有自动重发和自动应答的能力，而且它对晶体振荡器的要求也是异常的低，易使用，性价比很高。
从性价比的角度考虑，我们选用NRF24L01无线模块。其实物图如图2.2所示：

图2.2 NRF24L01实物图
2.3 微控制器的选择方案与论证
第一个方案：采用STC89C52芯片作为硬件核心。STC89C52内部具有许多功能，8KB ROM 存储空间,512字节数据存储空间，带有2K字节的EEPROM存储空间，与MCS-51系列单片机完全兼容,STC89C52可以通过串口下载。
第二个方案：采用AT89S51。AT89S51片内具有8K字节程序存储空间，256字节的数据存储空间没有EEPROM存储空间，也与MCS-51系列单片机完全兼容，具有在线编程可擦除技术。
两种单片机都完全能够满足设计需要，STC89C52相对AT89C51价格便宜，且抗干扰能力强。考虑到成本因素，因此选用STC89C52。
2.4、显示屏的选择方案与论证
第一个方案：采用LED液晶显示屏，液晶显示屏显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以不采用LED液晶显示屏。
第二个方案：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不采用此种方案。
第三个方案：采用LCD1602液晶显示，其显示的范围宽，容纳的字符多、系统便于功能控制、人机界面形象直观，其软件设计有成熟的技术资源。硬件电路设计简单，与单片机的接口电路简单、其数据口线可以与单片机的P0口直接相连接、由于P0口是漏极开路的I/O接口，因此只要再加上拉电阻即可。其背光可以使用电位器来调节背光电压、从而调节背光的亮度、使其在不同的光照条件下可以调节适宜的亮度。达到适宜的视觉效果。
在本设计中，经霍尔传感器采集到的信号经模数转换后需要LCD显示测量数值，并且只需要显示字符即可，因此选用LCD1602液晶显示器。1602也叫1602字符型液晶，是一种工业液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号的液晶模块。LCD1602显示容量为16*02个字符，工作电压为5V。这种液晶成本低，方便和各电路连接。实物图如图2.3所示。

图2.3 LCD1602实物图
3 硬件设计
3.1 无线传输发射端
无线传输发射端由霍尔传感器采集模块、AD转换模块、单片机最小系统、无线传输模块、电源电路、LED状态指示部分、电压转换部分组成。发射端框图如图3.1所示。

图3.1 发射端框图
3.2 控制模块
(1)STC89C52单片机简介
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。
STC89C52 完全兼容MCS-51 系列单片机的所有功能，并且本身带有2K 的内存储器， 可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU 外加EPROM 为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点。
主要性能
与MCS-51 产品指令系统完全兼容；
片内集成4KB 的FLASH 存储器，可反复编程/擦除1000 次；
数据保留时间：10 年；
全静态设计，时钟频率范围为0～24MHz、33MHz；
三个程序存储器保密位；
128×8 字节的内部RAM；
32 条可编程的I/O 口线；
2 个可工作于4 种模式的16 位定时/计数器；
5 个中断源/2 个中断优先级；
可编程串行通道；
具有4 种工作模式的全双工串行口；
低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；
片内振荡器和时钟电路；
具有4 种工作模式的全双工串行口；
低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；
片内振荡器和时钟电路
（2）STC89C52外部电路
STC89C52外部电路主要有电源电路、晶振电路和复位电路组成。晶振电路和复位电路在整个系统中有着非常重要的作用。图3.2为无线传输发射端的单片机外部电路，图3.3为无线传输接收端的单片机外部电路。

图3.2 无线传输发射端单片机外部电路

图3.3 无线传输接收端单片机外部电路
（1）晶振电路
时钟电路是为系统提供时钟脉冲的，是系统电路中必不可少的一部分。时序是电路控制的一部分，数据的传输是以时钟脉冲为基础的。本系统中使用了12MHz 的晶振为系统提供时钟信号。
时钟电路是单片机系统中最重要的电路之一，它是给系统源源不断的提供动力的电路，
时钟信号就是它所提供的动力。在单片机系统中时钟信号的频率是运行的关键，频率高了或者低了都无法运行。本电路选用的晶振是12M，因为本电路是给时间电路使用，12M晶振能很好的计算时间。STC89C52片内有高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。其输入管脚XTAL1和输出管脚XTAL2用于外接晶振。电容C2和C3、晶振和单片机内部的放大器一起构成了自激震荡电路。其中的电容C2和C3对频率起到一定的微调作用，电容容量都选择22pF。震荡频率的选择的是12MHz的晶振。在使用外部时钟时单片机的XTAL2引脚输入外部时钟信号，而XTAL1接地。
（2）复位电路
复位电路，对整体电路起的直接作用就是将电路恢复到起始状态，就如同计算器的清
零按钮，可以一下使整体系统回到原始状态，重新投入工作。但需要注意的是，它和计算器清零按钮还是有本质上的不同的，那就是复位电路的启动手段：一、给电路通电时，立即进行复位操作；二、在需要时，手动操作；三、根据相关程序或电路运行的具体需要自主进行。复位电路大多数都是较简单的设计，只需要电阻、电容就能够办到，复杂一点的则需要三极管等器材配合相应的程序来进行。
截止目前的资料整理来看，单片机复位电路有以下四种类别：（1）Reset circuit微分类；（2）Reset circuit积分类；（3）Reset circuit比较器类；（4）Reset circuit看门狗类。复位方式则有：（1）手动按钮复位；（2）上电复位；（3 ）积分型上电复位。
本设计使用上电复位。只需要在RST引脚上接一个复位电容到VCC，接一个10K电阻到地即可。
3.3 传感器与ADC0832接口电路
如图3.4所示，霍尔传感器输出的信号经CH0通道进行单通道数据采样，而CH1通道悬空不使用，采样所得数据经A/D转换器转换为数字信号，在单片机处理后，经NRF24L01和RS484传输，最后由LCD1602显示出磁场强度。

图3.4 传感器与ADC0832接口电路
3.4 ADC0832与单片机接口电路
本设计中采用的是ADC0832模数转换器，它是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。使用这种芯片主要是由于它较其它芯片有着体积小、性价比高、兼容性好的优势，其电路、程序也相对简单。本设计它的作用为把霍尔传感器输出的模拟信号转换成数字信号后送到STC89C52上。
利用单片机的P10口作为片选信号，当A/D芯片未工作时，CS输入端为高电平，此时芯片禁用。当进行模数转换时，片选信号必须为低电平，并一直保持低电平直到转换结束。由于D0端与DI端在通信时并未同时使用而且与单片机的接口是双向的，所以在这里将DO和DI并联在一根数据线上使用，并将已经转换完的数字信号输出到单片机的P12口。ADC0832这个芯片的时钟是STC89C52的P11口提供。在这里，单片机已经接收到了由模数转换器处理好的数字信号。接口电路如图3.5所示。

图3.5 ADC0832与单片机接口电路
3.5 NRF24L01部分
3.5.1 NRF24L01简介
无线收发模块是利用NRF24L01为基础研发的，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。无线收发模块的功能是将无线监测到的信号进行传输，并互相读取。无线模块能够对信号进行远程收发，通过2.4GHz的频率进行无线通信。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，支持多种低功率工作模式，有掉电模式和空闲模式，使节能设计更方便。NRF24L01工作模式有三种，分别为收发模式，空闲模式，关机模式。
3.5.2 NRF24L01管脚特性
NRF24L01主要特性如下：
GFSK调制；
硬件集成OSI链路层；
具有自动应答和自动再发射功能；
片内自动生成报头和CRC校验码；
数据传输率为lMb/s或2Mb/s；
SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；
与其他NRF24系列射频器件相兼容；
QFN20引脚4mm×4mm封装；
供电电压为1.9V～3.6V。
3.5.3 单片机与无线模块的接口—SPI总线
SPI 就是串行外围设备接口，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB 的布局上节省空间，提供方便。该接口一般使用4 条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS。SPI 的工作模式有两种：主模式和从模式，无论那种模式，都支持3Mbit/s的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。
3.5.4 NRF24L01和单片机接口电路
图3.6和3.7分别为发射和接收状态下NRF24L01与单片机的接口电路。4脚和5脚分别接电源和接地，CSN，SCK，MOSI，MISO为SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01，IRQ为中断标志位，CE为使能发射或接收。需要注意的是发射过程和接收过程中无线传输模块和单片机的接口电路是完全不同的。
发送过程为MCU通过SPI对NRF24L01进行基本配置，配置好NRF24L01，然后MCU将要发送的数据与接收数据设备的地址写入NRF24L01，最后将 CE引脚置高，启动发送。
接收过程为MCU通过SPI对NRF24L01进行基本配置，配置好NRF24L01，然后 CE引脚置高，启动接收，最后MCU对 NRF24L01进行数据读取。

图3.6 发射状态下NRF24L01与单片机接口电路

图3.7 接收状态下NRF24L01与单片机接口电路
3.6 无线传输接收端
无线传输的接收端由电源模块、单片机最小系统、LCD1602显示模块、无线传输模块、LED状态指示模块、蜂鸣器报警部分、电压转换部分、按键控制部分组成。接收端框图如图3.8所示。

图3.8 无线传输接收端框图
3.7 LCD1602与单片机接口电路
因为单片机P0口为准双向口，即为开漏输出，当P0口作为并行口使用时，只有低电平而不能输出高电平，因此需要接一个上拉电阻才能输出高电平，并且8个引脚都需要接上拉电阻，所以在这儿使用一个排阻，每个电阻的阻值为4.7k。
如图3.9所示， D0-D7口与单片机P0口相接，RS与单片机P25口相接，R/W与单片机P26口相接，EN与单片机P27口相接。

图3.9 LCD1602与单片机接口电路
3.8 有线传输部分
有线传输部分主要是在两个单片机之间使用RS485进行通信。传输端框图如下。有线传输的许多模块在上文都已介绍过，因此这里只介绍RS485部分。传输框图如图3.10所示。

图3.10 有线传输部分框图
3.9 RS485传输部分
（1）RS485与RS232对比
RS232接口的信号电平值较高，达到十几伏，使用不当容易损坏接口芯片，电平标准也与TTL 电平不兼容。传输速率有局限，不可以过高，一般到一两百比特每秒(Kb/s)就到极限了。接口使用信号线和GND与其它设备形成共地模式的通信，这种共地模式传输容易产生干扰，并且抗干扰性能也比较弱。传输距离有限，最多只能通信几十米。通信的时候只能两点之间进行通信，不能够实现多机联网通信。
RS485采用差分信号。差分信号最大的优势是可以抑制共模干扰。尤其当工业现场环境比较复杂，干扰比较多时，采用差分方式可以有效的提高通信可靠性。RS485 采用两根通信线，通常用 A 和 B 或者 D+和 D-来表示。RS485通信速率快，最大传输速度可以达到 10Mb/s 以上。RS485 内部的物理结构，采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰能力也大大增加。传输距离远，可以在总线上联网实现多机通信，总线上允许挂多个收发器。
（2）RS485通信协议
RS485采用平衡传输方式,连接时通常接接终接电阻。RS485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，采用四线连接时，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备， 无论是四线还是二线连接方式总线上最多可接32个设备。RS485最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。
RS485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗，终接电阻接在传输总线的两端。在短距离传输时可以不接终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。
（3）MAX485芯片
MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。MAX485是用于RS-485与
RS-422通信的低功耗收发器，器件中都具有一个驱动器和一个接收器。可以实现最高2.5Mbps的传输速率。
采用单一电源+5 V工作，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL转换为RS－485电平的功能。
MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD 相连即可；RE和DE 端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端为接收和发送的差分信号端，A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。两个RS485的1脚和4脚接在对应的单片机上以实现功能。
（4）MAX485与单片机接口电路
如图3.11所示，MAX485第5脚和8脚是电源引脚;6脚和7脚就是 RS485 通信中的 A和B 两个引脚;1 脚和 4 脚分别接到单片机的 RXD 和 TXD引脚上，直接使用单片机 进行数据接收和发送;2 脚和3 脚是方向引脚，其中 2 脚是低电平使能接收器，3 脚是高电平使能输出驱动器，我们把这两个引脚连到一起。需要接收数据时只需要使EN处于低电平即可。 两个RS485相接，即使两个RS485的A和B引脚相接即可。同理，当需要发送数据的时候，把EN这个引脚拉高，让其处于高电平即可。CON2为排针，我们分别在两个RS485模块上加上相同的排针，即表示这两个RS485模块已经接在一起了，在这里排针实际起到了一个桥梁的作用。需要说明的是两个RS485模块分别与两个单片机的接口电路是相同的。

图3.11 MAX485与单片机接口电路
4 单元模块设计
4.1 蜂鸣器报警电路设计
因为本次设计中系统的工作电压较低，功耗较低，电流也在一个适宜的范围内，所检测的磁场强度也必须在一个合理的范围内，为了防止磁场强度过高，必须要设计一个蜂鸣器报警电路，且蜂鸣器报警电路接在接收端，无论是有线还是无线传输，只要超过磁场强度上限都会报警。
蜂鸣器报警电路如图4.1所示，蜂鸣器电路由1K的电阻，三极管S8550及蜂鸣器组成。电路通过单片机P24口接有源蜂鸣器电路。通过控制三极管的导通和截止来控制蜂鸣器的响与不响，处于接收状态时，单片机接口为高电平，三极管导通，当超过磁场上限时，蜂鸣器就会报警。电阻的作用是限流。在这里还设置了开关接到P34口来加以控制磁场强度上限的大小。

图4.1 蜂鸣器报警电路
4.2 电源自锁开关系统设计
整个系统通过电源自锁开关来加以控制，因为发射端和接收端是两个整体，因此在发射端和接收端都接有电源自锁开关。电压为+5V,电源自锁开关系统由自锁开关和电源两部分组成，按下电源开关后系统开始工作。关闭自锁开关则系统立即停止运行。电源自锁开关如图4.2所示。

图4.2 电源自锁开关
4.3 按键系统设计
系统按键设计部分如图4.3所示，此按键部分接在接收端。按键电路一端接地，一端接单片机，其中k1接到单片机P34口上，k2接到P35口上，k3接到P36口。k1用来调整磁场强度上限的大小，k2用来切换到NRF24L01无线传输模式，k3用来切换到RS485有线传输模式。当系统电源接通后，按下k1则设置磁场强度上限，按下k2则显示NRF24L01无线传输的数据，按下k3则显示通过RS485有线传输方式所得的数据。

图4.3 按键系统
4.4 电压调节部分设计
因为单片机是5V供电，而NRF24L01是3.3V供电，所以要在单片机和NRF24L01之间设计电压调节电路，并且由于在发射端和接收端都有单片机和NRF24L01，所以在发射端和接收端都会设计这个电路。
在本设计中使用LM1117电压调节器，LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。
图中的LM117-3.3可以实现无线传输模块3.3V供电，图中两个电容的作用是是滤波，保证系统的稳定性。电压调节电路如图4.4所示。