畢業(yè)設計--基于無線傳感網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、<p>　　基于無線傳感網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來，隨著無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡越來越得到廣泛的應用，特別是在環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域的應用。基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)用于對溫度的自動監(jiān)控。</p><p>　　無線傳感

2、器網(wǎng)絡是由一組傳感器以Ad Hoc方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)調(diào)地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給監(jiān)控者。隨著通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)，由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡引起了人們的極大關(guān)注。這種無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理和網(wǎng)絡通信技術(shù)，能夠協(xié)調(diào)地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)

3、域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理。在信息采集及處理的過程中，涉及到了基于嵌入式系統(tǒng)及面向片上系統(tǒng)的平臺設計，基于微機電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)的傳感器研發(fā)，針對分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘及隊列數(shù)據(jù)處理，以及具有自適應組網(wǎng)和自主路由的無線網(wǎng)絡協(xié)議及其安全問題。正是對這些課題的不斷探索，促成了無線傳感器網(wǎng)絡研究的各個分支的產(chǎn)生以及標準的制定。</p><p>　　本文是設計一個基于無線傳感網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)

4、其中包括溫度的采集、無線發(fā)射、無線接收、報警等內(nèi)容的設計可以廣泛應用于工業(yè)監(jiān)控、智能樓宇、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域</p><p>　　關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡；傳感器；嵌入式系統(tǒng)；智能家居</p><p>　　The Design of Temperature monitoring system based on wireless</p><p>　　sensor networ

5、ks</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, with the rapid development of wireless communication and sensor technology, wireless sensor networks has been widely used, espec

6、ially in the field of environmental monitoring, smart home, and industrial monitoring applications.</p><p>　　Wireless sensor network is constituted by a group of sensors to the Ad Hoc mode wireless network,

7、and its purpose is to coordinate perception, acquisition and processing of the geographical area covered by the network-aware object, and issued to the observer. With the rapid development of communication technology, em

8、bedded computing and sensor technology and increasingly sophisticated, with perception, computing power and communication capabilities of the tiny sensors worldwide, aroused by these</p><p>　　This article is

9、 to design a wireless sensor network-based temperature monitoring system, including the design of the temperature of the collection, wireless transmitter, wireless receiver, alarm and other content can be widely used in

10、industrial monitoring, smart buildings, environmental monitoring field</p><p>　　Keyword：Wireless sensor networks; sensors;embedded systems; smart home</p><p><b>　　目錄</b></p>&

11、lt;p><b>　　引言1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義2</p><p>　　1.2 無線傳感網(wǎng)絡的研究和發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容4</p><p&

12、gt;　　第2章 系統(tǒng)方案設計5</p><p>　　2．1 系統(tǒng)方案的論證5</p><p>　　2．2 系統(tǒng)方案設計原則6</p><p>　　2．3 系統(tǒng)方案的選擇6</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的硬件電路設計8</p><p>　　3.1 系統(tǒng)電路主要硬件元件介紹8</p><

13、;p>　　3.2本系統(tǒng)的硬件電路13</p><p>　　3.3 單片機串口電路設計16</p><p>　　3.4溫度控制電路設計17</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設計19</p><p>　　4.1按鍵處理程序設計19</p><p>　　4.2液晶顯示程序設計20</p>

14、<p>　　4.3溫度采集程序設計20</p><p>　　4.3 報警處理程序設計20</p><p>　　4.4發(fā)射端主程序設計21</p><p>　　4.5接收端主程序設計23</p><p><b>　　結(jié)論與展望24</b></p><p><b>　　致

15、謝25</b></p><p><b>　　參考文獻26</b></p><p>　　附錄A基于無線傳感網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計發(fā)射模塊電路27</p><p>　　附錄B 基于無線傳感網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)接收模塊的硬件原理圖28</p><p>　　附錄C 系統(tǒng)軟件程序29</p>&

16、lt;p>　　附錄D 參考文獻摘要44</p><p>　　附錄E 引用外文文獻及翻譯47</p><p><b>　　插圖清單</b></p><p>　　圖2-1方案一原理框圖5</p><p>　　圖2-2方案二原理框圖6</p><p>　　圖2-3本系統(tǒng)采用的電路方案框

17、圖7</p><p>　　圖3-1 DS18B20引腳分布圖9</p><p>　　圖3-2 D18B20工作原理圖11</p><p>　　圖3-3 nRF24L01芯片引腳圖11</p><p>　　圖3-4 晶振電路13</p><p>　　圖3-5電源電路13</p><p>

18、;　　圖3-6 3v電源電路13</p><p>　　圖3-7 8051單片機基本電路14</p><p>　　圖3-8測溫電路電路圖14</p><p>　　圖3-9 報警電路15</p><p>　　圖3-10按鍵電路15</p><p>　　圖3-11 LCD1602液晶顯示模塊電路圖16</p

19、><p>　　圖3-12 nrf24L01無線傳輸電路16</p><p>　　圖3-13 電平轉(zhuǎn)換電路原理圖17</p><p>　　圖3-14溫度控制電路圖18</p><p>　　圖4-1按鍵處理子程序流程圖19</p><p>　　圖4-2 DS18B20溫度讀取過程流程圖20</p>&l

20、t;p>　　圖4-3發(fā)射端主要程序流程圖22</p><p><b>　　表格清單</b></p><p>　　表3-1　DS18B20詳細引腳功能描述9</p><p>　　表3-2 ROM的內(nèi)存指令10</p><p><b>　　引言</b></p><p>

21、;　　目前, 國外的一些發(fā)達國家雖然有一部分先進的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng), 由于環(huán)境﹑成本等原因, 并不適合我國的實際情況。從實際情況, 本著低成本、低功耗的原則, 對該系統(tǒng)軟硬件進行設計, 并解決了傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)的諸多問題, 具有簡單、靈活和易開發(fā)等優(yōu)點。無線傳感器網(wǎng)絡是由大量低成本、能耗低的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線網(wǎng)絡測控系統(tǒng)。采用多跳對等的通信方式,將具有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元及通信模塊的大量智能節(jié)點散布在感知區(qū)域, 節(jié)點以自組

22、方式形成網(wǎng)絡, 能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象信息并處理、傳送到需要的用戶, 具有自治、自適應等智能屬性。由于體積、成本和功耗等原因, 實際資源的使用受到限制。此外, 通常傳感器節(jié)點需要連續(xù)工作很長一段時間, 在人力修復無法實現(xiàn)的情況下, 一旦有節(jié)點損壞或是電源失效等情況, 就不能及時獲得準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。為此, 無線傳感器網(wǎng)絡的設計在考慮硬件資源非常有限的條件下,選用無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01 無線數(shù)據(jù)傳輸設備,

23、該設備實現(xiàn)能耗低、成本小的無線網(wǎng)絡硬件系統(tǒng)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的自身特點對無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件進行了較詳細的設計</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義</p><p>　　目前，在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和無線溫度采集系統(tǒng)中，要使用大量的基于不同物理機制的傳感器，且監(jiān)控和采集的

24、對象多而分散。傳統(tǒng)的使用線纜直接連接實現(xiàn)信號傳輸?shù)姆绞?，將嚴重限制?shù)據(jù)采集點的安放靈活性，設備布線困難。為達到實時、無人值守、不需重新布線的目的，所選用的傳感器應該是有源的、準實時、低功耗和便于安裝的。因此，通過無線通信的方式傳遞數(shù)據(jù)是一種較為理想的選擇，它與有線方式相比主要有成本低、攜帶方便、布線安裝簡便等特點，特別適用于遠程多點無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的

25、一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡具有組網(wǎng)快捷、靈活等優(yōu)點，具有很高的研究價值和十分廣闊的應用前景。無線傳感器節(jié)點負責采集室內(nèi)溫度信息，并將數(shù)據(jù)按一定的格式傳回控制機進行分析處理。無線溫度采集系統(tǒng)的開發(fā)有效地解決了低成本、遠程數(shù)據(jù)采集的可行性和安全性等問題，對于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域的運用有著重要的參考價值。根據(jù)畢業(yè)設計題目的要求和設計需要本次

26、論文設計主要實現(xiàn)對辦辦</p><p>　　1.2 無線傳感網(wǎng)絡的研究和發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1無線傳感網(wǎng)絡</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。它的英文是Wireless Sensor Network,

27、 簡稱WSN。 大量的傳感器節(jié)點將探測數(shù)據(jù)，通過匯聚節(jié)點經(jīng)其它網(wǎng)絡發(fā)送給了用戶。在這個定義中，傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)娜N功能，而這正對應著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)。</p><p>　　1.2.2 無線傳感網(wǎng)絡的特點</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡具有以下特點：</p><p>　　(1)傳感器節(jié)點的通信能力

28、有限。</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡中的傳感器傳輸速率低1，通信距離近j一般只有幾十到幾百米a由于傳感器往往工作在環(huán)境惡劣地區(qū)，更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電、潮濕、水浸等自然環(huán)境的影響，一方面造成傳感器間的通信不可靠，另一方面可能使傳感器出現(xiàn)故障、甚至損壞嘲。</p><p>　　(2)傳感器節(jié)點的能量、計算能力和存儲容量有限。</p><p&

29、gt;　　隨著傳感器節(jié)點的微型化，在設計中大部分節(jié)點的能量靠電池提供，其能量有限，而且由于條件限制，難以在使用過程中給節(jié)點更換電池，所以傳感器節(jié)點的能量限制是整個無線傳感器網(wǎng)絡設計的瓶頸，它直接決定了網(wǎng)絡的工作壽命冊；另一方面，傳感器節(jié)點的計算能力和存儲能力都較低，使得其不能進行復雜的計算和數(shù)據(jù)存儲，因而對于無線傳感器網(wǎng)絡的研究者們提出了挑戰(zhàn)，它們必須設計簡單有效的路由協(xié)議等，來適用于無線傳感器網(wǎng)絡。</p><p&

30、gt;　　(3)無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)易變化，具有自組織能力。</p><p>　　由于無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點節(jié)能的需要，傳感器節(jié)點可以在工作和睡眠狀態(tài)之間切換，傳感器節(jié)點隨時可能由于各種原因發(fā)生故障而失效，或者添加新的傳感器節(jié)點到網(wǎng)絡中，這些情況的發(fā)生都使得無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)在使用中很容易發(fā)生變化。此外，如果節(jié)點具備移動能力，也必定會帶來網(wǎng)絡的拓撲變化?；诰W(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的可變性，無線傳感器網(wǎng)絡具有自組織、

31、自配置的能力喁1。</p><p>　　(4)數(shù)據(jù)傳輸方向性強。</p><p>　　在傳感器網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)傳輸具有很強的方向性。通常，查詢信息是通過廣播或多播的方式從觀察者向網(wǎng)絡內(nèi)傳感器傳輸，而探測結(jié)果信息則是由分布在各處的傳感器節(jié)點向查詢節(jié)點匯聚。無線傳感器網(wǎng)絡的隨機布設、自組織和環(huán)境適應能力強等特點使其在軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、醫(yī)療設備、智能家居等各個領(lǐng)域和其他商業(yè)領(lǐng)域都有廣闊的應用

32、前景和很高的應用價值。</p><p>　　1.2.3無線傳感器網(wǎng)絡的研究及發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡的研究起步于20世紀90年代末期，美國的加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校、麻省理工大學和康奈爾大學等幾所大學已經(jīng)進行了無線傳感器網(wǎng)絡基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究，許多著名公司也紛紛從不同的層次、不同的角度對傳感器網(wǎng)絡進行了研究和開發(fā)。</p><p&

33、gt;　　2002年，美國加州大學伯克利分校Intel實驗室和大西洋學院聯(lián)合在大鴨島上部署了用來監(jiān)測島上海鳥生活習性的無線傳感器網(wǎng)絡，它們使用了包括光、濕度、氣壓計、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近lO種類型的傳感器，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00mP}’的基站計算機內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務器進行分析研究。2003年，美國自然科學基金委員會制定了無線傳感器網(wǎng)絡研究計劃，在加州大學洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡研究中心，并聯(lián)合加

34、州大學伯克利分校、南加州大學等，展開了“嵌入式智能傳感器”研究項引121，以求利用傳感器網(wǎng)絡對我們生活的物理世界實現(xiàn)全方位的測試與控制，支持相關(guān)基礎理論的研究，這也是美國國情咨文中有關(guān)Internet2最主要的遠景規(guī)劃之一。2004年3月英特爾公司演示了家庭護理的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在鞋、家具及家用電器等家中用具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活，利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳

35、遞必要的信息從而方便接受護理。2005年美國BEA系統(tǒng)公司為提高美軍的電子戰(zhàn)能力而研發(fā)的“狼群"地面無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)是一個典型的</p><p>　　我國近幾年也加快了無線傳感器網(wǎng)絡研究步伐，中科院上海微系統(tǒng)研究所、沈陽自動化所、中科院計算所、軟件所、電子所和合肥智能所等科研機構(gòu)，哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、北京郵電大學、浙江大學、國防科技大學和中國科技大學等院校在國內(nèi)較早地展開了無線傳感器網(wǎng)絡的研究。

36、中科院上海微系統(tǒng)研究所憑借其在微系統(tǒng)和微機電系統(tǒng)技術(shù)方面良好的基礎，從1998年開始就對無線傳感器網(wǎng)絡進行了跟蹤和研究，并且已經(jīng)通過系統(tǒng)集成的方式完成了一些終端節(jié)點和基站的研發(fā)，他們的很多工作都是與CDMA和GPS技術(shù)相關(guān)，從某種程度上說己經(jīng)超越了無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的范疇㈣。中科院計算所(寧波)成立了專門的項目組，開發(fā)了自己的系列節(jié)點，配套協(xié)議棧以及網(wǎng)絡管理軟件，以提供一個實驗和研究平臺。中科院電子所和沈陽自動化所也分別從傳感器技術(shù)和控

37、制技術(shù)角度入手開展工作，他們專注于傳感和控制執(zhí)行部分，對上層的通信技術(shù)和核心微處理器部分涉及較少。浙江大學現(xiàn)代控制工程研究所成立了“無線傳感器網(wǎng)絡控制實驗室"，聯(lián)合相關(guān)單位專門從事面向無線傳感器網(wǎng)絡的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理論方面的研究。2007年無線傳感器網(wǎng)絡控制實驗室設計了一個多跳無線輪詢網(wǎng)絡</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　根據(jù)畢業(yè)

38、設計題目的要求和設計需要本次論文設計主要實現(xiàn)對溫度的監(jiān)控，本次設計的主要任務是：</p><p>　　系統(tǒng)方案的論證和選擇；</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件的設計；</b></p><p><b>　　系統(tǒng)軟件的設計；</b></p><p>　　第2章 系統(tǒng)方案設計</p>&

39、lt;p>　　2．1 系統(tǒng)方案的論證</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　如圖2-1所示：模擬型傳感器輸出模擬型號，經(jīng)過模擬緩沖，放大后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后接單片機。這樣，由于各種因素會造成檢測系統(tǒng)較大的偏差，有由于檢測系統(tǒng)環(huán)境復雜，檢測點多，信號傳輸距離遠及各種干擾的影響，會使得檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降，而且這種設計要用到復雜的算

40、法，硬件電路復雜，硬件結(jié)構(gòu)復雜成本高。</p><p>　　圖2-1方案一原理框圖</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量溫度，輸出信號全數(shù)字化，可以直接接到單片機上，處理簡單，可靠性高。原理圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2方案二原理框圖&l

41、t;/p><p>　　2．2 系統(tǒng)方案設計原則</p><p>　　構(gòu)建遠程溫度采集網(wǎng)絡時需要考慮數(shù)據(jù)的傳輸方式、通信的質(zhì)量、數(shù)據(jù)安全、是否便于安裝和成本等問題。因為要將系統(tǒng)應用到多個辦公樓和鍋爐房之間，所以還要考慮周圍惡劣的環(huán)境所帶來的干擾。本設計主要從以下幾個方面來考慮：</p><p>　　(1)遠程數(shù)據(jù)傳輸方式</p><p>　　遠程數(shù)

42、據(jù)傳輸方式有很多，需要根據(jù)系統(tǒng)應用的實際環(huán)境和工況來確定數(shù)據(jù)傳輸方式。由于系統(tǒng)要求應用在辦公樓區(qū)內(nèi)，其應用環(huán)境較復雜，要做到布點容易、安裝簡單、易于操作，需要采用無線的方式傳輸數(shù)據(jù)。</p><p>　　(2)無線通信質(zhì)量被測現(xiàn)場的周圍環(huán)境比較復雜，存在墻體和樹木等物體帶來的干擾，所以系統(tǒng)需要選擇有效的無線收發(fā)模式來克服傳輸距離和障礙物干擾的問題，以確保無線通信質(zhì)量。</p><p>&l

43、t;b>　　(3)數(shù)據(jù)安全性</b></p><p>　　應用射頻技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸j存在安全性阿題：在公共頻段下數(shù)據(jù)的傳輸處于公開狀態(tài)，任何人都有可能接收到系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)在發(fā)送之前要進行嚴格的加密，接受數(shù)據(jù)時要進行嚴格的校驗和解密，以確保數(shù)據(jù)安全。</p><p><b>　　(4)低成本</b></p><p>

44、　　低成本是節(jié)點設計的基本要求，這是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡廣泛進入實際應用的必要前提。</p><p>　　2．3 系統(tǒng)方案的選擇</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　此方案采用PC機實現(xiàn)。他可以實現(xiàn)在線編程，在線仿真。在這種方案中，調(diào)試十分方便，而且人機交互友好。但是PC機與DS18B20之間不能直接通訊，需要通過

45、RS232電平轉(zhuǎn)換兼容，硬件的合成在線調(diào)試，較為繁瑣。而且在一些條件較為惡劣的場合，PC機體型過大，攜帶安裝不方便，性能不穩(wěn)定，會給工程帶來諸多麻煩。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　此方案采用8051單片機實現(xiàn)。單片機軟件編程的自由度大，可以通過編程實現(xiàn)各種邏輯控制和算術(shù)算法，其體積小，硬件實現(xiàn)簡單，安裝方便。既可以單獨對多個DS1

46、8B20進行控制，又可以和PC機進行通訊。</p><p>　　綜上所述，本無線溫度控制系統(tǒng)以及主控部分都采用方案二。由于經(jīng)費有限，本系統(tǒng)暫時實現(xiàn)單點溫度無線測量。DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)送到從單片機，再從單片機送到NRF24L01無線模塊發(fā)送出去，接收端NRF24L01無線模塊接收發(fā)送過來的信號，并把它送到主單片機進行數(shù)據(jù)處理。這種方案實現(xiàn)簡單，擴展性好，成本低。實際采用電路方案如圖2-3所示。</p&

47、gt;<p>　　圖2-3本系統(tǒng)采用的電路方案框圖</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的硬件電路設計</p><p>　　3.1 系統(tǒng)電路主要硬件元件介紹</p><p>　　根據(jù)上一章的論證選取的系統(tǒng)方案需要選取一定的硬件，本文基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)說用到的元件有：8051單片機，DS18B20數(shù)字溫度傳感器，LCD1602，nRF21L01

48、等。</p><p>　　3.1.1 8051單片機</p><p>　　為了實現(xiàn)溫度的采集，與上微機的通訊及對外設的控制，本系統(tǒng)的采用8051為內(nèi)核。</p><p>　　1. 8051基本參數(shù)</p><p><b>　　8位CPU</b></p><p>　　4KB字節(jié)的掩膜ROM程序存貯器

49、</p><p><b>　　128字節(jié)的RAM</b></p><p>　　4個8位的IO口（P0~P3）</p><p>　　2個16位定時器/計數(shù)器</p><p>　　1個全雙工異步串行口</p><p>　　5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級的中斷控制器</p><p>

50、　　時鐘電路，時鐘頻率在1.2MHz~12MHz</p><p>　　2. 芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)：</p><p>　　中央處理器(CPU)：運算器、控制器、寄存器</p><p>　　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)和21個專用寄存器單元SFR統(tǒng)一編址</p><p>　　內(nèi)部程序存儲器(ROM) ：4K字節(jié)程序存儲器

51、(ROM) 。 </p><p>　　定時/計數(shù)器：兩個16位的可編程定時/計數(shù)器。</p><p>　　并行輸入輸出口：4個8位并行I/O口(P0--P3) 。</p><p>　　串行口：   一個全雙工異步串行通信口。</p><p>　　中斷控制系統(tǒng)：五個中斷源（2外、3內(nèi)）</p><

52、;p><b>　　時鐘電路 </b></p><p>　　位處理器：又稱為布爾處理器。</p><p>　　3. 8051信號引腳介紹</p><p>　　單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。</p><p>　　(1)電源: ① VCC - 芯片電源，接+5V；</p&

53、gt;<p>　?、?VSS - 接地端；</p><p>　　(2)時鐘:XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 </p><p>　　(3) 控制線:控制線共有4根，</p><p>　?、?ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖②PSEN:外ROM讀選通信號。</p><p>　?、?/p>

54、RST/VPD:復位/備用電源。</p><p>　?、蹺A/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。</p><p><b>　?、?I/O線</b></p><p>　　80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。</p>

55、;<p>　　3.1.2 數(shù)字式溫度傳感器DS18B20</p><p>　?。?）DS18B20數(shù)字溫度傳感器概述</p><p>　　DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。其引腳分布見圖3-1，引腳功能描述見表3-

56、1。</p><p>　　圖3-1 DS18B20引腳分布圖</p><p>　　表3-1　DS18B20詳細引腳功能描述</p><p>　　（2）DS18B20的命令序列</p><p><b>　?、俪跏蓟?lt;/b></p><p>　?、赗OM命令跟隨著需要交換的數(shù)據(jù)；</p

57、><p>　?、酃δ苊罡S著需要交換的數(shù)據(jù)。</p><p>　　訪問DS18B20必須嚴格遵守這一命令序列，如果丟失任何一步或序列混亂，DS18B20都不會響應主機（除了Search ROM 和Alarm Search這兩個命令，在這兩個命令后，主機都必須返回到第一步）。</p><p><b>　　a．初始化：</b></p>

58、<p>　　DS18B20所有的數(shù)據(jù)交換都由一個初始化序列開始。由主機發(fā)出的復位脈沖和跟在其后的由DS18B20發(fā)出的應答脈沖構(gòu)成。當DS18B20發(fā)出響應主機的應答脈沖時，即向主機表明它已處在總線上并且準備工作。</p><p><b>　　b. ROM命令：</b></p><p>　　ROM命令通過每個器件64-bit的ROM碼，使主機指定某一特定器件

59、（如果有多個器件掛在總線上）與之進行通信。DS18B20的ROM如表3-3所示，每個ROM命令都是8 bit長。</p><p>　　表3-2 ROM的內(nèi)存指令</p><p>　?。?）DSl8B20芯片的工作原理</p><p>　　DSl8B20芯片溫度測量的啟動，發(fā)送指令，存取時鐘等，全部在一組數(shù)據(jù)線上完成，因為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)上集成了溫度電路、存儲器等多功能模塊

60、。</p><p>　　DSl8B20芯片工作原理示意圖見圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 D18B20工作原理圖</p><p>　　3.1.3單片2.4G 無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01</p><p>　　nRF24L01 是一款工作在2.4~2.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器

61、增強型SchockBurstTM 模式控制器功率放大器晶體振蕩器調(diào)制器解調(diào)器功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI 接口進行設置極低的電流消耗當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm 時電流消耗為9.0mA 接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。芯片的引腳排列如圖3-3所示</p><p>　　圖3-3 nRF24L01芯片引腳圖</p><p><b>　　

62、1.主要特性：</b></p><p><b>　　GFSK調(diào)制： </b></p><p>　　硬件集成OSI鏈路層; </p><p>　　具有自動應答和自動再發(fā)射功能; </p><p>　　片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼; </p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸率為l Mb/s或2Mb

63、/s; </p><p>　　SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s; </p><p><b>　　125個頻道： </b></p><p>　　與其他nRF24系列射頻器件相兼容; </p><p>　　QFN20引腳4 mm×4 mm封裝; </p><p>　　供電電壓為1.9

64、 V～3.6 V。</p><p><b>　　2.引腳功能及描述</b></p><p>　　CE：使能發(fā)射或接收; </p><p>　　CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端，微處理器可通過此引腳配置nRF24L01： </p><p>　　IRQ：中斷標志位; </p><p>

65、　　VDD：電源輸入端; </p><p><b>　　VSS：電源地：</b></p><p>　　XC2，XC1：晶體振蕩器引腳;</p><p>　　VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V; </p><p>　　ANT1,ANT2：天線接口; </p><p>　　IREF：參考

66、電流輸入。</p><p>　　3.RF24L01有工作模式有四種： </p><p><b>　?、偈瞻l(fā)模式 ；</b></p><p><b>　?、谂渲媚Ｊ?； </b></p><p><b>　　③空閑模式 ；</b></p><p><

67、b>　?、荜P(guān)機模式 ；</b></p><p>　　工作模式由PWR_UP register 、PRIM_RX register和CE決定。 </p><p>　　3.1.4其它外圍電路</p><p>　　1. 復位電路：在單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作。實際應用中，復位操作有兩種形式：一種是上電復位，

68、另一種是上電與按鍵均有效的復位。本設計采用按鍵復位。</p><p>　　2. 晶振電路：單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。</p><p>　　本設計采用內(nèi)部時鐘方式，在單片機內(nèi)部有一震蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自己震蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。</p><p>&

69、lt;b>　　如圖3-4</b></p><p><b>　　圖3-4 晶振電路</b></p><p>　　圖中電容器的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5～30pF,典型值為30pF。晶振CYS的震蕩頻率范圍在1.2～12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。本設計采用12MHz晶振，電容值為22 pF。</p><p&

70、gt;　　3.2本系統(tǒng)的硬件電路</p><p>　　3.2.1電源部分</p><p>　　1.本系統(tǒng)單片機需要一組＋5V電源，采用的電源電路如圖3-5所示。該電路是把本人的8V直流輸入進行全橋整流，成為脈動直流，經(jīng)過，一級濾波后送至三端穩(wěn)壓集成電路lm7805穩(wěn)壓，再經(jīng)二級濾波后即為＋5V輸出，圖4-5的四個二極管組成了全橋整流電路，C1，C3是一級濾波電容，U1是穩(wěn)壓管lm7805

71、，C4是二級濾波電容。</p><p><b>　　圖3-5電源電路</b></p><p>　　2.本系統(tǒng)無線模塊需要一＋3V電源，采用電源電路如圖3-6所示。該電路把先前轉(zhuǎn)換得到的＋5V電源經(jīng)過低壓差電壓調(diào)節(jié)器lm1117轉(zhuǎn)換為＋3V電源。</p><p>　　圖3-6 3v電源電路</p><p><b>

72、;　　3.2.2檢測部分</b></p><p>　　這部分又可以分為兩部分：8051單片機基本電路和溫度采集電路。</p><p>　?。?）8051單片機要正常工作，振蕩電路和復位電路是必不可少的，其基本電路如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 8051單片機基本電路</p><p><b>　?。?）溫度

73、采集電路</b></p><p>　　DS18B20采用外部電源供電方式，其工作電源由VDD引腳介入。此時I/O線不需要強上拉，不存在電源不足的問題。可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時再總線上理論可以接多個DS15B20傳感器，組成的溫度采集系統(tǒng)。其電路圖如圖3-8所示</p><p>　　圖3-8測溫電路電路圖</p><p><b>　?。?）控制設備

74、部分</b></p><p>　　本設計采用發(fā)光二極管來模擬報警，此部分電路圖如圖3-9所示</p><p><b>　　圖3-9 報警電路</b></p><p><b>　　(4）輸入部分</b></p><p>　　本設計采用三個按鍵，采用查詢方式，一個用于選擇切換設置報警溫度和當

75、前溫度，另外兩個用于設置報警溫度的加和減。如圖3-10所示。</p><p><b>　　圖3-10按鍵電路</b></p><p><b>　?。?）顯示部分</b></p><p>　　本設計在溫度測量部分采用LCD1602液晶顯示模塊來顯示溫度，,P0由上拉電阻提高驅(qū)動能力，作為數(shù)據(jù)輸出并作為LCD的驅(qū)動，P2口的P

76、2.2~P2.4分別作為液晶顯示模塊的使能信號E，讀/寫選擇R/W，數(shù)據(jù)/命令選擇RS。具體電路如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 LCD1602液晶顯示模塊電路圖</p><p><b>　?。?）無線通訊部分</b></p><p>　　本設計采用nRF24L01無線射頻芯片進行通訊，具體電路如圖4-12所示。</p

77、><p>　　圖3-12 nrf24L01無線傳輸電路</p><p>　　3.3 單片機串口電路設計</p><p>　　串口是系統(tǒng)與外界聯(lián)系的重要途徑，異步通信串行接口也稱為 UART 異步接收/發(fā)送器。RS-232-C 接口是目前最常用的一種串行通信接口標準，用于實現(xiàn)PC 機與終端設備之間以及PC 機與PC 機之間的數(shù)據(jù)通信。在系統(tǒng)設計中需要通過上位機來實現(xiàn)系統(tǒng)

78、調(diào)試以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制，通過上位機本身的串行口進行通信。其中有兩種方法：一是USART 硬件直接實現(xiàn)；一是通過定時器軟件實現(xiàn)。USART 模塊包括四個部分：波特率部分，控制串行通信數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的速度；接收部分，接收串行輸入的數(shù)據(jù)；發(fā)送部分，發(fā)送串行輸出的數(shù)據(jù)；接口部分，完成串并、并串轉(zhuǎn)換。RS-232 標準電平采用負邏輯，規(guī)定：-3V～-15V 之間的任意電壓表示邏輯“1”，+3V～+15V 之間的任意電壓表示邏輯“0”。但單片

79、機使用的是TTL 電平，即邏輯“1”：2.4V～5.0 V；邏輯“0”：0V～0.8 V。兩者電平不匹配的，因此在應用時必須在單片機的串行通信接口接上電平轉(zhuǎn)換芯片進行電平轉(zhuǎn)換。在本設計中采用 MAX3232 芯片，該芯片是一款具有自動關(guān)閉功能的低功耗電平轉(zhuǎn)換器件。當該芯片內(nèi)部接收器檢測不到有效信號時，會自動啟動關(guān)</p><p>　　圖3-13 電平轉(zhuǎn)換電路原理圖</p><p>　　3.

80、4溫度控制電路設計</p><p>　　當監(jiān)控區(qū)域溫度低于設定溫度是啟動繼電器k1開啟加熱器、當監(jiān)控地區(qū)溫度高于設定溫度時啟動繼電器k2開啟風扇散熱，當溫度回到設定溫度內(nèi)是關(guān)閉k1、k2。電路圖如圖3-14所示。</p><p>　　圖3-14溫度控制電路圖</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　4.1按鍵處理程序設計

81、</p><p>　　本設計設置三個獨立式按鍵，分別為模式選擇按鍵SET，升序按鍵UP，降序按鍵</p><p>　　DOWN，每按SET鍵后，進入調(diào)整模式，開始判斷UP鍵和DOWN鍵是否按下，并進行相應的按鍵處理，再按下SET時為確認，返回正常模式。按鍵處理子程序流程圖如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1按鍵處理子程序流程圖</p><

82、;p>　　4.2液晶顯示程序設計</p><p>　　將溫度傳感器DS18B20測量到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成液晶字符，然后設定在第一行顯示。將設定的報警溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成液晶字符，設定在第二行顯示。</p><p>　　4.3溫度采集程序設計</p><p>　　依據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，首先應對DS18B20進行復位。由于本設計只用一片DS18B20，故跳過讀取序

83、列號，然后發(fā)送讀取溫度寄存器命令，延時一定時間后，分兩次分別讀取出溫度的低位和高位，然后放到一個字節(jié)里面。溫度子程序流程圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2：DS18B20溫度讀取過程流程圖</p><p>　　4.3 報警處理程序設計</p><p>　　當現(xiàn)在溫度值大于設定上限值（或者小于設定下限值時）執(zhí)行相應的控制命令。本設計用發(fā)光二極管發(fā)亮表示報

84、警輸出。具體程序如下：</p><p>　　void Warming()</p><p>　　{if(temp_value>=maxtenp)</p><p><b>　　JDQ=~JDQ;</b></p><p>　　else JDQ=0;</p><p><b>　　}<

85、/b></p><p>　　4.4發(fā)射端主程序設計</p><p>　　首先將LCD1602,DS18B20,nRF24L01初始化，進入默認的液晶顯示界面。掃描按鍵：如果SET鍵按下，進入調(diào)整模式，設定報警溫度。DS18B20讀取溫度，如果測取溫度值超過報警溫度，進行報警處理，如果沒超過報警溫度，把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成液晶字符后送到LCD1602顯示。然后把溫度送入發(fā)射緩存器，nRF24

86、L01設置為發(fā)射模式，開始發(fā)射處理。如果收到應答，置位TX_DS；如果沒接受到應答，返回進行重發(fā)，設定最多重發(fā)10次。發(fā)射端主要程序流程圖如圖4-3</p><p>　　圖4-3發(fā)射端主要程序流程圖</p><p>　　4.5接收端主程序設計</p><p>　　開始上電,nRF24L01初始化，設置為接受模式，然后讀取狀態(tài)寄存器。如果接受標志RX_DR=1,讀取數(shù)

87、據(jù)并把數(shù)據(jù)送到buf[2]數(shù)據(jù)區(qū)，然后把RS_DR,TX_DS,MAX_PT都置高為1，以清除中斷。具體程序見附錄3</p><p><b>　　結(jié)論與展望</b></p><p>　　本設計是基于nRf24L01的遠程溫度的測量和監(jiān)控，廣泛應用于電力工業(yè)、煤礦、糧食存儲、火災等場合。系統(tǒng)由8051單片機向數(shù)字式溫度傳感器DS18B20發(fā)送命令，讀取DS18B20轉(zhuǎn)換

88、的溫度數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)溫度的測量。當測量溫度超過設定的報警溫度時發(fā)光二級管亮,然后8051把溫度數(shù)據(jù)送到發(fā)射端nRf24L01的發(fā)射緩存器，nRF24L01通過無線方式把溫度數(shù)據(jù)發(fā)射出去。接收端nRF24L01接受發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)，并由單片機讀取保存，然后可以通過串口與PC通信。當溫度高于設定溫度就開啟繼電器打開風扇散熱、當溫度低于設定溫度就會打開加熱器加熱使溫度控制在設定的范圍內(nèi)。本文采用模塊化的方式進行敘述，分方案設計，硬件設計，軟

89、件設計對各模塊進行了詳細的闡述。本次的設計可以廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場、家電等智能自控系統(tǒng)中。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本次設計是在**老師的悉心指導下完成的。在整個的設計過程**老師給了我很多的幫助，對于我不理解的部分和錯誤的部分都給予了耐心、深入的講解，同時幫助我拓展思路使得我在設計中學到了很多的新的知識。在此我對*老師表示深深的感

90、謝和崇高的敬意！</p><p>　　感謝**所有的老師和同學，良好的學習氛圍和學習環(huán)境是我完成四年的大學學習和本次設計的前提條件，感謝四年來你們給予我的關(guān)心和幫助！</p><p>　　本次的畢業(yè)設計已經(jīng)基本結(jié)束，再一次向所有幫助我的人表示感謝！</p><p><b>　　作者：</b></p><p>　　2012

91、 年 6 月 12 日</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 宋文，王兵，周應賓等．無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)與應用 [M]．北京：電子工業(yè)出版社，</p><p><b>　　2006：2-9．</b></p><p>　　[2] 顏振亞，鄭寶玉．無線傳感器網(wǎng)絡[J]．

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99、郵電出版社 2007:145-158,103-112.</p><p>　　[16] 李廣弟等.單片機基礎. 北京航空航天大學出版社.2007:18-38</p><p>　　[17] 哈爾濱訊通科技 nRF24L01數(shù)據(jù)手冊，編號：080306-nRF24L01.</p><p>　　[18] 鄭阿奇.單片機應用實踐教程.電子工業(yè)出版社.</p>&

100、lt;p>　　附錄A基于無線傳感網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計發(fā)射模塊電路</p><p>　　附錄B 基于無線傳感網(wǎng)絡的溫度監(jiān)控系統(tǒng)接收模塊的硬件原理圖</p><p>　　附錄C 系統(tǒng)軟件程序</p><p>　　//*************************發(fā) 射 端 程 序***************************</p>

101、<p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#include <intrins.h></p><p>　　typedef unsigned char uchar;</p><p>　　typedef unsigned char uint;</p><p>　　//**********

102、******************************IO端口定義*************/</p><p>　　sbit MISO=P1^3;</p><p>　　sbit MOSI=P1^1;</p><p>　　sbitSCK=P1^4;</p><p>　　sbitCE=P1^5;</p><

103、;p>　　sbitCSN=P1^0;</p><p>　　sbitIRQ=P1^2;</p><p>　　sbit LcdRs= P2^3;</p><p>　　sbit LcdRw= P2^2;</p><p>　　sbit LcdEn = P2^1;</p><p>　　sbit ACC

104、0 = ACC^0; </p><p>　　sbit ACC7 = ACC^7;</p><p>　　sbit Set = P2^5; //模式切換鍵</p><p>　　sbit Up = P2^6; //加法按鈕</p><p>　　sbit Down = P2^7; //

105、減法按鈕</p><p>　　sbit DQ = P2^0; //溫度傳送數(shù)據(jù)IO口</p><p>　　sbit JDQ= P2^4; //發(fā)光二極管模擬繼電器輸出</p><p>　　char done,count,temp,flag,up_flag,down_flag;</p><p>　　int temp_

106、value; //溫度值</p><p>　　int temp_value; //報警溫度</p><p>　　uchar TempBuffer[5];</p><p>　　/***********1602液晶顯示部分子程序****************/</p><p>　　//Port Definitions****

107、***********************************</p><p>　　sfr DBPort = 0x80;//P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.數(shù)據(jù)端口</p><p>　　/內(nèi)部等待函數(shù)***********************************************</p><p>　　un

108、signed char LCD_Wait(void)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　LcdRs=0;</b></p><p>　　LcdRw=1;_nop_();</p><p>　　LcdEn=1;_nop_(); </p>&l

109、t;p><b>　　LcdEn=0;</b></p><p>　　return DBPort;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//向LCD寫入命令或數(shù)據(jù)****************************</p><p>　　#define LCD_COM

110、MAND0 // Command</p><p>　　#define LCD_DATA1 // Data</p><p>　　#define LCD_CLEAR_SCREEN0x01 // 清屏</p><p>　　#define LCD_HOMING 0x02 // 光標返回原點</p>&

111、lt;p>　　void LCD_Write(bit style, unsigned char input)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　LcdEn=0;</b></p><p>　　LcdRs=style;</p><p>　　LcdRw=0;_no

112、p_();</p><p>　　DBPort=input;_nop_();//注意順序</p><p>　　LcdEn=1;_nop_();//注意順序</p><p>　　LcdEn=0;_nop_();</p><p>　　LCD_Wait();</p><p><b>　　}</b&g

113、t;</p><p>　　/設置顯示模式*************************************************/</p><p>　　#define LCD_SHOW0x04 //顯示開</p><p>　　#define LCD_HIDE0x00 //顯示關(guān)</p><p>　　#def

114、ine LCD_CURSOR0x02 //顯示光標</p><p>　　#define LCD_NO_CURSOR0x00 //無光標 </p><p>　　#define LCD_FLASH0x01 //光標閃動</p><p>　　#define LCD_NO_FLASH0x00 //光標不閃動</p&g

115、t;<p>　　void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode);</p><p><b>　　}</b></p&g

116、t;<p>　　/設置輸入模式************************************************************/</p><p>　　#define LCD_AC_UP0x02</p><p>　　#define LCD_AC_DOWN0x00 // default</p><p>　　#d

117、efine LCD_MOVE0x01 // 畫面可平移</p><p>　　#define LCD_NO_MOVE0x00 //default</p><p>　　void LCD_SetInput(unsigned char InputMode)</p><p><b>　　{</b></p>&