由單片機構(gòu)成的無線溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹的是一個由單片機構(gòu)成的無線溫度控制系統(tǒng)，它利用8051單片機和DS18B20及數(shù)碼管等其他器件實現(xiàn)。溫度測量部分工作原理是單片機利用DS18B20對溫度進行采集，然后進行無線發(fā)送，接收端收到信號后，進行解碼，之后實現(xiàn)溫度顯示。溫度控制部分工作原理是由鍵盤輸入欲設定的溫度。溫度控制信號送入CPU處理，通過PID算法輸出

2、控制信號，經(jīng)無線收發(fā)電路發(fā)射出去，接受端收到信號經(jīng)CPU處理控制半導體溫控裝置達到欲設定的溫度。本文對硬件和軟件進行了框圖設計，protel原理圖設計，程序框圖設計，源程序設計，文后附錄了完整源程序。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機，無線發(fā)送接收，溫度控制，LED顯示，定時</p><p><b>　　Abstract</b></p><p&g

3、t;　　What this text introduction is a constitutes to from the single slice machine of wireless temperature control system, it make use of 8051 single slice machine and other spare part realizations such as the DS18 B20 an

4、d figures tube etc..Temperature's measuring a part work principle is a single slice machine to make use of the DS18 B20 rightness temperatures to carry on collect, then carry on a wireless to send out, carry on a dec

5、oding after receiving to carry to receive signal, after carry out a </p><p>　　Key words: microcontroller, wireless transmission and reception, temperature control, LED display, timing</p><p><

6、;b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p>　　第一章 引 言1</p><p>　　1.1 課題的研究

7、目的和意義1</p><p>　　1.2 課題背景2</p><p>　　1.3 課題來源3</p><p>　　1.4 短距離無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.5 本章小結(jié)5</p><p>　　第二章 系統(tǒng)方案的總體設計6</p><p>　　2.1 系統(tǒng)方

8、案構(gòu)想6</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案的確定6</p><p>　　2.2.1 傳感器方案6</p><p>　　2.2.2 短距離無線通信模塊方案7</p><p>　　2.2.3 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案8</p><p>　　2.3 器件的選用9</p><p>　　

9、2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇9</p><p>　　2.3.2 無線收發(fā)芯片的選擇11</p><p>　　2.3.3 鍵盤顯示模塊的選擇[21]13</p><p>　　2.3.4 溫度控制模塊的選擇13</p><p>　　2.4 本章小結(jié)14</p><p>　　第三章 電路的硬件設計15<

10、;/p><p>　　3.1 溫度采集部分電路設計15</p><p>　　3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路15</p><p>　　3.1.2 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B2016</p><p>　　3.2 無線收發(fā)電路的設計21</p><p>　　3.2.1 nRF401芯片的介紹[15]21</

11、p><p>　　3.2.2 典型應用電路說明21</p><p>　　3.3 單片機的選擇24</p><p>　　3.4 鍵盤顯示電路的設計24</p><p>　　3.4.1 鍵盤硬件電路的設計24</p><p>　　3.4.2 顯示電路的設計25</p><p>　　3.5 溫度控

12、制部分電路設計26</p><p>　　3.5.1 D/A 轉(zhuǎn)換電路26</p><p>　　3.5.2 比例積分電路26</p><p>　　3.5.3 半導體制冷器驅(qū)動電路30</p><p>　　3.6 相關(guān)控制電路設計32</p><p>　　3.7 本章小結(jié)32</p><p&

13、gt;　　第四章 系統(tǒng)的軟件設計33</p><p>　　4.1 主程序設計33</p><p>　　4.1.1 上位機主程序33</p><p>　　4.1.2 下位機主程序33</p><p>　　4.2 子程序設計35</p><p>　　4.2.1 nRF401 的通信子程序35</p>

14、<p>　　4.2.2 溫度測量子程序36</p><p>　　4.2.3 PID控制子程序36</p><p>　　4.3 本章小結(jié)40</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望41</p><p><b>　　5.1 結(jié)論41</b></p><p><b>

15、　　5.2 展望41</b></p><p><b>　　參考文獻42</b></p><p><b>　　致 謝44</b></p><p>　　附錄1 總體電路圖45</p><p>　　附錄2 系統(tǒng)源程序46</p><p><b>

16、;　　第一章 引 言</b></p><p>　　1.1 課題的研究目的和意義</p><p>　　溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|比較多的一個物理量，人們的日常生活、動植物的生存繁衍和周圍環(huán)境的溫度息息相關(guān)，石油、化工、冶金、紡織、機械制造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲等領域?qū)囟纫灿兄^高的要求。例如：煙葉和紙張是吸濕性極高的材料，卷煙生產(chǎn)的每一個階段對溫度都有非常

17、特別的要求，以確保所使用材料的水分，保證生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量；印刷車間的溫度控制水平對印刷質(zhì)量有很大的影響；為防止庫存武器彈藥、金屬材料等物品霉爛、生銹，必須保持環(huán)境溫度不能過高；而水果、種子、肉類等的保存又需要保證一定的溫度。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對環(huán)境提出了更高的要求：制造大規(guī)模集成電路需要極高的空氣潔凈度，生物化學制藥需要精確的溫度控制。因此，對溫度的監(jiān)測和控制已成為生產(chǎn)過程中非常重要的技術(shù)要求。目前，溫度傳感器已廣泛應

18、用于氣象、農(nóng)林、冶金、化工、紡織、食品、家用電器、倉儲等許多領域。一些領域?qū)貪穸瓤刂频囊笕绫?1-1 所示。</p><p>　　表1-1 各種行業(yè)溫濕度要求范圍</p><p><b>　　1.2 課題背景</b></p><p>　　單片機自1976年由Intel公司推出MCS-48開始，迄今已有二十多年了。由于單片機集成度高、功能強、

19、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎“無處不在，無所不為”。單片機的應用領域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、PC機外圍以及網(wǎng)絡通訊等廣大領域。</p><p>　　按照內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，單片機可分為4位、8位、16位及32位等。單片機的中央處理器（CPU）和通用微處理器基本相同，只是增設了“面

20、向控制”的處理功能。例如：位處理、查表、多種地址訪問方式、多種跳轉(zhuǎn)、乘除法運算、狀態(tài)監(jiān)測、中斷處理等，增強了實時性。</p><p>　　單片機有兩種基本結(jié)構(gòu)形式:一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲器空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓（Princeton）結(jié)構(gòu)。另一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，稱為哈佛（Har-vard）結(jié)構(gòu)，一般需要較大的程序存儲器，目前的單

21、片機以采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開的結(jié)構(gòu)為多。</p><p>　　單片微型計算機自從問世以來，作為微型計算機一個很重要的分支，應用廣泛，發(fā)展迅速，尤其是美國Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機，由于其具有集成度高，處理功能強，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉等優(yōu)點，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機電一體化等方面取得了令人矚目的成就。</p><p>　　本文討論的單片機無線溫

22、度控制系統(tǒng)的核心是目前應用極為廣泛的51系列單片機，配置了外圍設備，構(gòu)成了一個可編程的溫度測量和顯示系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功能強等特點。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可供開發(fā)，有著廣泛的應用領域。</p><p>　　20世紀80年代中期以后，Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導體芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。這些廠家

23、生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些兼容機與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝，因而，常用80C51系列來稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機，它們對8051單片機一般都作了一些擴充，更有特點。其功能和市場競爭力更強，不該把它們直接稱呼為MCS-51系列單片機，因為MCS只是Intel公司專用的單片機系列型號。MCS-51系列及80C51單片機有多種品種。它們

24、的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。目前使用的MCS-51系列單片機及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超8位型、片內(nèi)閃爍存儲器型。</p><p><b>　　1.3 課題來源</b></p><p>　　在日常生活和工作中，我們常常用到溫度控制，溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于汽車, 鍋爐, 電子, 化工等各個領域。早期常用的一些

25、溫度控制系統(tǒng)都使用模擬電路設計制作的，有些使用熱敏電阻，有些使用鉑電阻，有些使用熱電偶，還有些使用PN結(jié)，其準確性和精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品，這種產(chǎn)品功能強，是前者的換代之物。隨著單片機性能價格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當?shù)慕涌谛酒?，可以?gòu)造各種

26、各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。</p><p>　　測量和顯示的控制。在本設計上按照個人的意圖稍加擴展，就可以實現(xiàn)更多更強大的功能。</p><p>　　1.4 短距離無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著移動通信需求和遠程數(shù)據(jù)采集量的增加，加之有線傳輸?shù)馁M用日益增長，人們正逐漸認識到在許多檢測領域采用無線傳輸?shù)谋匾?。在過去的幾年中，無線通訊領域取得

27、了很大的進展，這其中包括數(shù)字電路和射頻電路制作工藝的進步、低功耗電路、高能電池以及微電子技術(shù)的采用。以上諸多方面的發(fā)展使移動通信設備更加靈巧、經(jīng)濟、可靠。與上述技術(shù)一樣，數(shù)字通信技術(shù)和數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展也發(fā)揮了很大的作用，他們使無線通信網(wǎng)絡向更加經(jīng)濟、更加容易操作的方向發(fā)展。所以如果我們能夠很好地了解無線通信的基本原則以及這些技術(shù)的特點，就能更好地理解并完成傳感數(shù)據(jù)的無線采集。無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)可分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂窩

28、數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)，通用分組無線傳輸技術(shù)(GPRS) 、EDGE 等。二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)，如 IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技術(shù)等。與目前已經(jīng)具備相當規(guī)模的無線長距離通信網(wǎng)絡(如蜂窩移動通信網(wǎng))相比，短距離無線通信系統(tǒng)在基本結(jié)構(gòu)、服務范圍、應用層次及通信業(yè)務(數(shù)據(jù)、話音)上，均有很大的不同。</p><p>　?。?）紅外通信技術(shù)（IrD

29、A）[26,28,30]</p><p>　　紅外通信技術(shù) IrDA(InfraRed Data Association)采用人眼看不到的紅外線傳輸信息，是使用最廣泛的短距離無線通信技術(shù)。它利用紅外線的通斷表示計算機中的0-1邏輯，通常有效作用半徑2米，傳統(tǒng)速度可達4 Mbit/s，1995 年 IrDA 將通信速率擴展到的高達 16Mbit/s，紅外技術(shù)采用點到點的連接方式，發(fā)射、接收具有方向性，具有體積小、功

30、耗低、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、速度快、保密性強、成本低廉的特點。因此廣泛應用于各種遙控器，筆記本電腦，PDA，移動電話等移動設備。但紅外技術(shù)只是一種視距傳輸技術(shù)，有效距離近，發(fā)射角度較小，一般不超過20 度，兩臺相互通信的設備之間必須對準，而且傳輸數(shù)據(jù)時兩臺設備之間不能有阻擋物，只能限于兩臺設備通信，無法靈活構(gòu)成網(wǎng)絡，且無法用于邊移動邊使用的設備，另外，IrDA 設備中的核心部件 LED 易磨損。</p>&l

31、t;p>　?。?）藍牙技術(shù)（Bluetooth）[26,28,30]</p><p>　　藍牙技術(shù)使用全球統(tǒng)一開放的2.4GHz的ISM頻段，采用跳頻擴頻FHSS技術(shù)實現(xiàn)設備之間的無線互連，有穿透能力，能夠全方位傳送，主要面對網(wǎng)絡中各種數(shù)據(jù)和語音設備，通過無線方式將它們連成一個微微網(wǎng)(Piconet)。多個微微網(wǎng)之間也可以形成分布式網(wǎng)絡(Scatternet)，從而方便，快速的實現(xiàn)各類設備之間的通信。藍牙技

32、術(shù)作為一種新興的技術(shù)，主要具有以下特點:規(guī)范的開放性、產(chǎn)品的互操作性及兼容性、公用通信頻段以及提供大容量的語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。藍牙技術(shù)目前只是一種行業(yè)聯(lián)盟制定的短距離無線通信規(guī)范。</p><p>　?。?） IEEE802.11b（Wi-Fi）[26,28,30]</p><p>　　IEEE802.11b 技術(shù)標準是無線局域網(wǎng)的國際標準，使用2.4GHz的ISM頻段，采用直接序列擴頻 DS

33、SS 技術(shù)進行調(diào)制解調(diào)增強了抗干擾能力，提高了傳輸速度。802.11b 無線網(wǎng)絡的最大優(yōu)點是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡上裝上AP(Access Point)，就可以提供無線網(wǎng)絡服務，終端設備只要裝上無線網(wǎng)卡，就可以訪問所有網(wǎng)絡資源，象使用有線局域網(wǎng)一樣方便，卻免除了布線的麻煩。802.11b 具有有線等價保密機制 WEP(Wired EquivalentPrivacy)確保數(shù)據(jù)安全。以其具有穿透能力，全方位傳送，建網(wǎng)速度快，可用來組建大型無

34、線網(wǎng)絡，運營成本低，投資回報快等特點，正逐漸受到電信制造商和運營商的青睞，目前此種設備還比較昂貴，妨礙了其推廣和應用。更多新的 Wi-Fi 標準正在制定之中。速度更快的 802.11g 使用與802.11b 相同的正交頻分多路復用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，同樣工作在 2.4GHz頻段，速率達 54 Mbit/s，比目前通用的 802.11b 快了 5 倍，并且完全向后兼容 802.11b，802.11g 將有可能被大多數(shù)無線網(wǎng)絡產(chǎn)品制造商選

35、擇作為產(chǎn)品標</p><p>　　（4）微功率短距離無線通信技術(shù)[30]</p><p>　　近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都可以集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影響。射頻芯片一般采用 FSK

36、調(diào)制方式，工作于 ISM 頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現(xiàn)設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡，在工業(yè)、民用領域得到較

37、為廣泛的應用。</p><p><b>　　1.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本文介紹的設計是針對日常生活常用的無線溫度控制系統(tǒng)，可以完成測量溫度、顯示溫度和控制溫度的功能。該系統(tǒng)操作簡單，功能齊全，是單片機智能化的一種應用。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)方案的總體設計</p><p>　　溫濕度的檢測有

38、許多方法，可供選擇的器件和運用的技術(shù)也有多種。因此，系統(tǒng)的總體設計方案應在滿足系統(tǒng)整體性能指標的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結(jié)構(gòu)要盡量簡單實用、易于實現(xiàn)，器件的選用要著眼于合適的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的成本以及較好的互換性能。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)方案構(gòu)想</p><p>　　系統(tǒng)采用近幾年來成熟的各種溫濕度傳感技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理控制技術(shù)和

39、功能化模塊來構(gòu)造基本的系統(tǒng)功能。</p><p>　　系統(tǒng)的功能往往決定了系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)要實現(xiàn)的是溫濕度數(shù)據(jù)的測量、存儲、顯示及后期處理等功能，因此，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)想為溫濕度采集模塊、短距離無線通信模塊、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊等幾大部分。系統(tǒng)方案在溫濕度數(shù)據(jù)采集部分主要有三種構(gòu)想：一是溫濕度傳感器選用傳統(tǒng)的模擬式器件，二是選用集成式器件，三是選用數(shù)字式傳感器；在短距離無線通信部分主要有三種構(gòu)想：一是

40、采用藍牙技術(shù)，二是采用紅外線技術(shù)，三是選用無線數(shù)傳模塊；在系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理部分也有兩種構(gòu)想：一是采用單片機控制，二是采用 DSP 進行處理。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案的確定</p><p>　　2.2.1 傳感器方案</p><p>　　傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點。但是模擬傳感器的模擬信號需要先經(jīng)過取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電

41、路處理，再將轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號交由微處理器或 DSP 處理。被測信號從敏感元件接收的非電物理量開始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號之間，設計者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應測試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn)品的可靠性及小型化。而且模擬信號在長距離傳輸過程中，容易受到電磁干擾而導致誤差產(chǎn)生。在多點溫濕度檢測的場合，各被測點到測試裝置之間引線距離往往不同，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會導致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全清除。另

42、外，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度也不可能很高，存在一定非線性，互換性較差。</p><p>　　采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。數(shù)字式傳感器能把被測模擬量直接換成數(shù)字量輸出，可以直接與數(shù)字設備（計算機，計數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等）相聯(lián)，用微控制器、DSP 或計算機進行信號的處理、濾波、壓縮。它的信號原則上不受放大器和信號處理系統(tǒng)的溫度漂移的影響，具有極高的抗干擾能力。數(shù)字式傳感器具有高的測量精度和分辨率，穩(wěn)定性

43、好，信號易于處理、傳送和自動控制，便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護簡單，工作可靠性高。雖然存在反應速度較慢，溫度測量的范圍不寬的缺點，數(shù)字式傳感器技術(shù)的發(fā)展仍受到人們越來越多的重視?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點及發(fā)展狀況，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。</p><p>　　2.2.2 短距離無線通信模塊方案</p><p>　　藍牙技術(shù)作為一種近距離無線連接的全球性開放規(guī)

44、范，已經(jīng)得到了全球眾多大企業(yè)的支持。藍牙技術(shù)同時支持語音和數(shù)據(jù)傳輸，使用跳頻擴頻技術(shù)，本身包括糾錯機制，可靠性高，藍牙規(guī)范的核心部分協(xié)議允許多個設備進行相互定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實現(xiàn)互操作和交互式應用。但是藍牙設備價格昂貴，通訊距離近，藍牙 RF 定義了三種功率等級（100mw、25mw 和 1 mw），當藍牙設備功率為 1 mw 時，其發(fā)射范圍一般為 10m。</p><p>　　紅外線傳輸是使用紅外線波段

45、的電磁波來進行較近距離的傳輸。IrDA具有技術(shù)成熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、保密性強、成本低廉等優(yōu)點。也存在著只能視距傳輸、移動時不能傳輸、LED 易磨損等缺點。</p><p>　　隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收發(fā)芯片。短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用

46、或通用無線通信模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界干擾。射頻芯片一般采用 FSK 調(diào)制方式，工作于 ISM 頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、

47、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現(xiàn)設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡，在工業(yè)、民用領域得到較為廣泛的應用?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟性、傳輸距離，確定該部分電路設計使用無線收發(fā)芯片。無線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，通訊協(xié)議簡單透明，技術(shù)成熟。使用該種方案無線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設計簡單。</p><p>　　2.2.3 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案</

48、p><p>　　溫度數(shù)據(jù)在采集后通常要進行數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對測控系統(tǒng)的控制。對于一般的工業(yè)測量與控制，多采用專用計算機系統(tǒng)進行測控。</p><p>　　專用計算機系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個獨立完整的功能實體，用單片機或 DSP 來控制整個系統(tǒng)。最主要的特征是系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模完全根據(jù)應用系統(tǒng)的要求配置，獨立性、可擴展性好，因此系統(tǒng)具有較高的性價比。根據(jù)微處理器的不同，專用計

49、算機應用系統(tǒng)可分為 DSP 應用系統(tǒng)和單片機應用系統(tǒng)。</p><p>　　DSP 和單片機都是構(gòu)成專用計算機系統(tǒng)的核心芯片，DSP 主要用于復雜的數(shù)字信號處理，DSP 芯片中具有各種特殊功能的計算模塊，采用流水線結(jié)構(gòu)，提高了 DSP 的運行速度。由于 DSP 主要應用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部 I/0 接口比較少，不便于系統(tǒng)擴展，因此多數(shù) DSP 系統(tǒng)還要通過單片機來進行外部接口擴展，這導致了 DSP 的成本較高

50、，另外，DSP 具有一定的專用性，開發(fā)過程比較復雜，不便于通用。</p><p>　　單片機是把微型機的主要部分集中在一個芯片上的單芯片微型計算機。由于它的結(jié)構(gòu)與指令都按照工業(yè)控制要求設計的，故又稱微控制器（Microcontroller Unit），也可稱微型計算機（Single Chip Microcomputer）。通常由微型計算機和外圍設備組成，包括微處理器（CPU）、存儲器（存放程序指令或數(shù)據(jù)指令的 R

51、OM、RAM 等）、輸入/輸出接口（I/O）及其它功能部件如定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機受集成度限制，片內(nèi)存儲容量較小，一般 ROM 只有 4~8K 字節(jié)，RAM 小于 256 字節(jié)，通過外部擴展， ROM、RAM 可擴展至 64K 字節(jié)。與通用計算機系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)簡單、功能易擴展、測控能力強、可靠性高。單片機應用系統(tǒng)正在被各個領域廣泛應用。</p><p>　　采用單片機具有系統(tǒng)簡單、開發(fā)容易，功能易

52、擴展、測控能力強、可靠性高的特點。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復雜的計算處理、對采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。</p><p>　　對于不要求高速的一般的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采用 DSP 是不經(jīng)濟的方案。在單片機能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機無異是首選的信息處理單元。</p><p><b>　　2.3 器件的選用</b></p><

53、p>　　2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇</p><p>　　隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設計工程師的選擇對象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應該把握以下幾點：外圍電路應該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負載能力如何，能否滿

54、足多點測溫的需要；占用 MCU 的 I/O引腳數(shù)情況如何，因為 MCU 的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點溫度測量時，如果測量的點數(shù)超過了輸入通道時，就要添加多路復用器，這將增加成本和開發(fā)時間，應盡量節(jié)約；與 MCU 的通信協(xié)議應盡量簡單，溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有Philips公司的I2C總線，Motorola 公司的 SPI 總線，National Semiconductor

55、 公司的 Microwireplus總線，Dallas Semiconductor 公司的 1-Wire 總線和 Siemens 公司的 Profibus總線等。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有：</p><p>　　①AD7418 是是美國模擬器件公司（ADI）推出的單片溫度測量與控制用集成電路。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。測溫范圍為-55℃~+125℃，具有 10 位數(shù)字輸出溫度值，分辨

56、率為 0.25℃，精度為±2℃，轉(zhuǎn)換時間為 15~30ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且不易受環(huán)境千擾等優(yōu)點。AD7418 可以級聯(lián)至多 8 片在同一個 I2C 總線上。</p><p>　　② LM74 是美國國家半導體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、△-∑型 A/D 數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強、分辨力高、線性度好

57、、成本低等優(yōu)點。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進行檢測，并在片內(nèi)寄存器中存儲轉(zhuǎn)換的溫度值，主機可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。LM74 具有休眠模式，在休眠時消耗的電流不超過 10μA,適用于對功率消耗有嚴格限制的系統(tǒng)。 LM74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12 位外加符號位，因此在其有效工作范圍內(nèi)可達 0.0625℃的分辨率，轉(zhuǎn)換時間為 425ms。</p><p>　?、?MAX6575L/H 是美國 MAXI

58、M 公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡單，調(diào)試容易，使用方便。測溫范圍為-40~+125℃，其誤差范圍：在 25℃時優(yōu)于±3℃, 在 85℃時優(yōu)于±4.5℃，在 125℃時優(yōu)于±5℃。但是 MAX6575L/H 在其測溫范圍內(nèi)非線性誤差較大，因此，當它用于高精度溫度測量時，必須對其進行非線性補償。它最多允許在一根 MCU 的 I/O 總線上同時掛接 8 個 MAX657

59、5L/H 進行多點溫度測量。為了避免多個傳感器同時測溫時有重疊的現(xiàn)象，MAX6575 提供了“L”和“H”兩種型號的傳感器,它們的使用方法相同,而且每一種型號的傳感器又可以通過時間選擇引腳。但是，MAX6575L 的遠距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在 5m 以內(nèi)，超過此范圍將采集不到被測溫度數(shù)據(jù)，這也是這種器件的一個弊端。</p><p>　?、?DS18B20是美國Dallas半導體公司的新一代數(shù)字式溫度傳

60、感器，它具有獨特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復雜外圍電路的缺點，而且，可以通過總線供電，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。DS18B20 的測溫范圍-55~+125℃，最高分辨率可達 0.0625℃，由于每一個 DS18B20 出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其 R

61、OM 中，因此 CPU 可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。</p><p>　　Dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價格比，有以下特點：</p><p>　　①適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優(yōu)越性；</p><p>　?、谛詢r比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；</p><p>　　③具有 C

62、RC 校驗功能，可靠性高；</p><p>　　④軟件設計規(guī)范，系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握。</p><p>　　由于 DS18B20 獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用 MCU 的 I/O 引腳資源少，和 MCU 的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，所以，選用 DS18B20 做為溫度測量的傳感器。</p><p>　　2.3.2 無線收發(fā)芯片的

63、選擇</p><p>　　無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在設計中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時，應主要參考以下幾點：</p><p>　?、?收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩话銉H能達到標稱速率的 1/3，而采用串口傳輸?shù)男酒?，應用及?/p>

64、程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，編程方便。</p><p>　?、?收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量</p><p>　　芯片外圍元器件的數(shù)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的復雜程度和成本，因此應該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。</p><p><b>　?、?功耗</b></p><p>　　大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應用在便攜式產(chǎn)

65、品上的，因此功耗也非常重要，應該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品．</p><p><b>　?、?發(fā)射功率</b></p><p>　　在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。</p><p>　?、?收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)</p><p>　　較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少 PCB 面

66、積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。</p><p>　　常用的無線收發(fā)芯片主要有：</p><p>　?、?CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35μm CMOS 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在 315、868 及 915MHz，但 CC1000 很容易通過編程使其工作在 300~1000MHz 范圍內(nèi)。它具有低

67、電壓（2.3~3.6V），極低的功耗，可編程輸出功率（-20~10dBm），高靈敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28 封裝），集成了位同步器等特點。其 FSK 數(shù)傳速率可達 72.8Kbps，具有 250Hz 步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。</p><p>　?、趎RF24E1 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近開發(fā)的一種嵌

68、入了高性能單片機內(nèi)核的高速單片無線收發(fā)芯片[15]。采用先進的 0.18μs CMOS工藝、6mm×6mm 的 36 引腳 QFN 封裝；以 nRF2401 芯片結(jié)構(gòu)為基礎，將射頻、8051MCU、9 輸入 12 位 ADC、125 頻道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT 全部集成到單芯片中；內(nèi)部有電壓調(diào)節(jié)器（工作電壓 1.9~3.6V）和 VDD 電壓監(jiān)視，通常開關(guān)時間小于 200μs，數(shù)據(jù)速率 1Mbps，輸出功率

69、 0dBm；不需要外接 SAW 濾波器，極少的外圍電路，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設置完成，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影響；工作在全球開放的 2.4GHz 頻段、勿需申請通信許可證。</p><p>　　③ nRF903 單片射頻收發(fā)器芯片工作在 915MHz 國際通用的 ISM 頻段； GMSK/GFSK 調(diào)制和解調(diào), 抗干擾能力強；采

70、用 DDS+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達-100dBm , 最大發(fā)射功率達+10dBm；數(shù)據(jù)速率可達 76.8 Kbit/s；170 個頻道,適合需要多信道工作的特殊場合；可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中進行無線數(shù)據(jù)雙向傳輸，在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。</p><p>　?、?TH72011 是 Melexis 公司的單片射頻發(fā)射芯片，頻率范圍 380

71、MHz~450MHz，采用 VCO+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；FSK 調(diào)制方式,抗干擾能力強； FSK 頻偏和中心頻率可獨立調(diào)節(jié)；寬電壓范圍 1.9~5.5V，靜態(tài)電流小，工作電流可在 3.5mA~10.7 mA 調(diào)節(jié)；發(fā)射功率可在-12 dBm~+10dBm 調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)速率可達 40Kbit/s。可嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中進行無線數(shù)據(jù)傳輸，在保安系統(tǒng)、微功耗遙測遙控系統(tǒng)等中應用。</p><p>　　

72、⑤nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片 RF 收發(fā)機，專為在 433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療) 頻段工作而設計。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL 合成、FSK 調(diào)制、FSK 解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。nRF401 的外圍元件很少，僅 10 個左右。只包括一個 4MHz 基準晶振(可與 MCU 共享)、一個 PLL環(huán)路濾波器和一個 VCO 電感，收發(fā)天線合一，沒

73、有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。</p><p>　　基于nRF401成本低、可靠性高、外圍設計簡單的優(yōu)點，本系統(tǒng)將nRF401 做為無線收發(fā)芯片的首選。</p><p>　　2.3.3 鍵盤顯示模塊的選擇[21]</p><p>　　顯示單元是人機交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設備，通常的顯示器件有液晶顯示器（LCD）和數(shù)碼管顯示器（

74、LED）。</p><p>　　液晶顯示器在使用中有許多注意事項：不能對它長期施加直流電，否則易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過大的壓力；對于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時烙鐵要接地。</p><p>　　可見液晶顯示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時也有一定的優(yōu)勢，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是

75、pA 級的。</p><p>　　數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對電源沒有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽光的照射，也沒有嚴格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本系統(tǒng)由于要適合在不同環(huán)境條件下使用，所以選用數(shù)碼管顯示器。本系統(tǒng)采用五位數(shù)碼管，兩位用來顯示當前溫度，兩位用來顯示欲設定的溫度，一位用來顯示當前狀態(tài)

76、。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，鍵盤由四個鍵組成，即溫度增加鍵、溫度減小鍵、確認鍵和取消鍵。因按鍵很少，所以采用獨立式鍵盤。</p><p>　　2.3.4 溫度控制模塊的選擇</p><p>　　溫度控制單元是系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中最重要的一部分。</p><p>　　目前制冷系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、蒸汽

77、壓縮制冷系統(tǒng)、使用氨水的吸收式制冷系統(tǒng)和近幾年發(fā)展起來的半導體制冷系統(tǒng)。</p><p>　　目前制熱技術(shù)主要有太陽能吸收熱量、煤炭燃燒制造熱量、熱泵和近幾年發(fā)展起來的半導體制熱系統(tǒng)。</p><p>　　其中半導體制冷制熱是利用特種半導體材料通過直流電時產(chǎn)生低溫高溫的一種制冷制熱方式，由于它彌補了其它制冷制熱方式的不足，在當今世界的人下制冷制熱技術(shù)中占有獨特的地位。所以本系統(tǒng)選擇半導體制

78、冷制熱器件。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了系統(tǒng)方案的總體構(gòu)想，然后又介紹了系統(tǒng)方案的確定，最后介紹了器件的選用，確定了系統(tǒng)的設計方案。</p><p>　　第三章 電路的硬件設計</p><p>　　根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構(gòu)想，下面進行系統(tǒng)硬件電路的具體設計，

79、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1 所示。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　系統(tǒng)由溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤顯示模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、溫度控制模塊等部分組成。溫度采集部分工作原理是由數(shù)字溫度傳感器測溫并把數(shù)據(jù)傳到CPU，由CPU處理通過無線收發(fā)電路向外發(fā)送信號，接收端收到信號經(jīng)CPU處理在數(shù)碼管上顯示出來。溫度控制部分工作原理是由鍵盤輸入欲設定的溫度。溫度數(shù)據(jù)信

80、號送入CPU處理，通過無線收發(fā)電路發(fā)射出去，接受端收到信號經(jīng)CPU處理控制半導體溫控裝置達到欲設定的溫度。</p><p>　　3.1 溫度采集部分電路設計</p><p>　　3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路</p><p>　　針對 8051單片機 I/O 口線較少的特點，用一只DS18B20 型單線數(shù)字式集成溫度傳感器組成溫度采集網(wǎng)絡。</p>

81、<p>　　圖 3-2 溫度采集網(wǎng)絡框圖</p><p>　　3.1.2 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20</p><p>　　單總線是美國 DALLAS 半導體公司近年推出的新技術(shù)，它只定義了一根信號線，總線上的每個器件都能夠在適當?shù)臅r間驅(qū)動它，相當于把單片機的地址nRF401線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號線對外進行數(shù)據(jù)交換。為了區(qū)分這些芯片，廠家在生產(chǎn)芯片時，為每個芯片編

82、制了惟一的序列號，通過尋址就能把芯片識別出來。從而能使這些器件掛在一根信號線上進行串行分時數(shù)據(jù)交換，大大簡化了硬件電路。</p><p>　　DS18B20 是美國 DALLAS 半導體公司推出的應用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器[18]。它的主要技術(shù)特性如下：</p><p>　?、倬哂歇毺氐膯尉€接口方式，即微處理器與其接口時僅需占用 1 位I/O 端口；</p><p&

83、gt;　　②支持多節(jié)點，使分布式多點測溫系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)設計和硬件開銷大為簡化；</p><p>　?、蹨y溫時無需任何外部元件：</p><p>　　④可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式：</p><p>　　⑤測溫范圍為-55~+125℃，測溫精度為±0.5℃：</p><p>　?、逌囟绒D(zhuǎn)換精度 9-12 位可編程，能夠直接

84、將溫度轉(zhuǎn)換值以 16 位二進制數(shù)碼的方式串行輸出。12 位精度轉(zhuǎn)換的最大時間為 750ms。</p><p>　　因為它是數(shù)字輸出，而且只占用一個 I/O 端口，所以它特別適合于微處理器控制的各種溫度測控系統(tǒng)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時需要的 A/D 轉(zhuǎn)換和較復雜的外圍電路?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　1．DS18B20 的結(jié)構(gòu)</p>

85、<p>　　DS18B20 主要由四部分組成。</p><p>　?、?4 位光刻 ROM 數(shù)據(jù)存儲器</p><p><b>　?、跍囟葌鞲衅?lt;/b></p><p>　　③非易失性電可擦寫溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL</p><p>　?、芊且资噪娍刹翆懺O置寄存器</p><p&

86、gt;　　如圖3-3 所示，器件只有 3 根外部引腳，其中 VDD和 GND 為電源引腳，另一根 DQ 線則用作 I/O 總線，因此稱為一線式數(shù)據(jù)總線。與單片機接口的每個 I/O 口可掛接多個 DS18B20 器件。</p><p>　　每片 DS18B20 含有一個唯一的 64 位 ROM 編碼。頭八位是產(chǎn)品系列編碼，表示產(chǎn)品的分類編號；接著的 48 位是一個惟一的產(chǎn)品序列號，序列號是一個 15 位的十進制編碼

87、，每個芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識別出來，最后 8 位是前 56 位的循環(huán)冗余(CRC)校驗碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確的一種方法。所以多片 DS18B20 能夠連接在同一條數(shù)據(jù)線上而不會造成混亂。這為溫度的多點測量帶來了極大的方便。</p><p>　　DS18B20 傳感器的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器由 9 個字節(jié)組成。第一、二個字節(jié)是溫度數(shù)據(jù)(MSB、LSB)，可以在系統(tǒng)配置寄存器中自行設置數(shù)據(jù)位數(shù)(9~1

88、2 位)，數(shù)據(jù)位越多溫度分辨率越高，多余的高位是溫度數(shù)據(jù)的符號擴展位。第三、四字節(jié)是溫度上下限報警值( TH、TL) 。第五字節(jié)是系統(tǒng)配置寄存器，寄存器各位定義如下：第八位用來設置傳感器的工作狀態(tài)，“1” 為測試狀態(tài)，“0”為操作狀態(tài)，出廠設置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位的設置(00、01、10、11 分別對應9、10、11、12 位溫度數(shù)據(jù))，出廠設置為 12 位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進行修改，其余位

89、無效。第六、七、八字節(jié)保留未用。第 9 個字節(jié)是CRC 校驗碼，是前面 8 個字節(jié)的循環(huán)校驗碼，用在通信中驗數(shù)據(jù)傳送的正確性。</p><p>　　圖3-3 DS18B20的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　溫度傳感器的轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16 位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中，其中第一個字節(jié)（Byte0）存放測溫結(jié)果的低位（LS Byts），第二個字節(jié)（Byte1）存放測溫結(jié)果的高位（MS B

90、yts），S 為符號位，其它位為數(shù)據(jù)位，溫度為負時 S=1；溫度為正時 S=0。格式如下：</p><p>　　Bit0 Bit7</p><p>　　Bit8

91、Bit15</p><p>　　如果測量的溫度值高于溫度報警觸發(fā)器 TH 或低于 TL 中的值，則DS18B20 內(nèi)部的報警標志位就被置位，表示溫度測量值超出范圍。DS18B20 的溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)可以選擇 9~12 位，分別對應的測溫分辨率為0.5℃, 0.25℃，0.125℃，0.0625℃。不過溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)越大，轉(zhuǎn)換時間也越長。12 位精度的最大轉(zhuǎn)換時間為 750ms。DS18B20 的測溫范圍為-55~+12

92、5℃，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16 位二進制方式單線輸出, 轉(zhuǎn)換的位數(shù)可通過寫配置寄存器（字節(jié) 4）設定, 其格式如下：</p><p>　　Bit7 Bit0</p><p>　　R1、R0 的設定值與位數(shù)、分辯率和最大轉(zhuǎn)換時間的關(guān)系如表 3-1 所示，可見位數(shù)每減少一位，分辯率同比減

93、少而轉(zhuǎn)換時間則加快一倍, 器件上電時默認分辯率為 12 位。</p><p>　　表3-1 配置寄存器設置</p><p>　　溫度報警觸發(fā)器和設置寄存器都由非易失性電可擦寫存儲器(EEPROM )組成，設置值通過相應命令寫入，一旦寫入后不會因為掉電而丟失。</p><p>　　2. DS18B20 的測溫原理</p><p>　　DS18B

94、20 的溫度傳感器是通過溫度對振蕩器的頻率影響來測量溫度，如圖 3-4 所示。DS18B20 內(nèi)部有兩個不同溫度系數(shù)的振蕩器。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘脈沖信號通過由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開通周期而被計數(shù)，通過該計數(shù)值來測量溫度。計數(shù)器被預置為與- 55℃對應的一個基數(shù)值，如果計數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門周期結(jié)束前計數(shù)到零，表示測量的溫度高于- 55℃，被預置在- 55℃的溫度寄存器的值就增加一個增量，同時為了補償和修正溫度振蕩器的非線

95、性，計數(shù)器被斜率累加器所決定的值進行預置，時鐘再次使計數(shù)器計數(shù)直至零，如果開門通時間仍未結(jié)束，那么重復此過程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結(jié)束為止。這時溫度寄存器中的值就是被測的溫度值。這個值以 16 位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中。溫度值由主機通過發(fā)讀存儲器命令讀出，經(jīng)過取補和十進制轉(zhuǎn)換，得到實測的溫度值。</p><p>　　圖3-4 DS18B20測溫原理</p><p>　

96、　3. DS18B20 的封裝和供電方式</p><p>　　DS18B20 是 DS1820 的升級產(chǎn)品，一般封裝為 TO-92，比 DS1820 的PR-35 封裝更小。DS18B20 只有三根外引線：單線數(shù)據(jù)傳輸端口 DQ、共用地線 GND、外供電源線 VDD。</p><p>　　DS18B20 有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時 VDD 接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時從數(shù)

97、據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，完成溫度轉(zhuǎn)換的時間較長。為了保證在有效的時鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，這種情況下，用一個 MOSFET 管和單片機的一個 I/O 口來完成對 DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD 接+5V)，完成溫度測量的時間較短。當使用數(shù)據(jù)總線寄生供電時，供電端必須接地，同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以便對傳感器充電。但當所測溫度超過 100℃時，DS18B20 的漏電流增大，傳感器從 I/O 線

98、上獲取的電流不足以維持DS18B20 通訊所需的電流，此時只能選用外部供電方式。比較而言，寄生電源方式少用一根導線，但它完成溫度測量所需的時間較長，而外部電源方式測量速度則要快些。</p><p>　　3.2 無線收發(fā)電路的設計</p><p>　　3.2.1 nRF401芯片的介紹[15]</p><p>　　射頻收發(fā)芯片nRF401工作在433MHz國際通用的I

99、SM頻段；FSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達-105dBm，最大發(fā)射功率達到+10dBm；數(shù)據(jù)速率可達20Kbit/S；可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中；在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線抄表系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。</p><p>　　nRF401具有兩個信號通道，適合需要多信道工作的特殊場合；可直接與微控制器接口；低工作電壓（2.7V—3.6

100、V），功耗低，發(fā)射時電源電流8mA，接收時電源電流250μA，接收待機狀態(tài)僅為8μA；僅需外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸為30*22*6mm3。</p><p>　　nRF401采用20腳SSOIC封裝，內(nèi)部電路可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路幾部分。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器，鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），頻率合成器等電路。基準振蕩器

101、采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準頻率。本機振蕩用鎖相環(huán)（PLL）方式，由在DDS基礎上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的電感組成。要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過DIN端（第9腳）輸入。</p><p>　　接收電路包含有：低噪聲放大器、混頻器、FSK解調(diào)器、濾波器等電路。接收電路中，低噪聲放大器放大輸入的射頻信號，接收靈敏度-105dBm?；祛l器采用Ⅰ級混頻結(jié)構(gòu)，混頻器的

102、輸出信號經(jīng)中頻濾波器濾波后送入FSK解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號在DOUT端（第10腳）輸出。</p><p>　　9腳DIN輸入數(shù)字信號和10腳DOUT輸出數(shù)字信號均為標準的邏輯電平信號，需要發(fā)射的數(shù)字信號通過DIN輸入，解調(diào)出來的信號經(jīng)過DOUT輸出；12腳通道選擇：CS=“0”為通道#（1433.9,MHz），CS=“1”為通道#2（434.33MHz）；18腳電源開關(guān)；PWR—UP=“0”為待機模式；19

103、腳發(fā)射允許：TXEN=“1”為發(fā)射模式；TXEN=“0”為接收模式。nRF401內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-5，引腳圖3-6。</p><p>　　3.2.2 典型應用電路說明</p><p>　　我們使用的是nRF401快速開發(fā)開發(fā)套件，典型應用電路如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-5 nRF401內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-6

104、nRF401引腳圖</p><p>　　如圖3-7所示，1腳和20腳之間連接的是震蕩電路，采用4MHz的晶震；9腳是數(shù)據(jù)的輸入引腳，10腳是數(shù)據(jù)的輸出引腳，11腳可以通過選擇不同的R3值調(diào)整發(fā)射功率，當R3＝22kΩ時，有最大發(fā)射功率＋10dBm；15腳和16腳是環(huán)形天線的連接引腳；18腳可控制工作和待機模式；19腳可以控制發(fā)射和接收模式。</p><p>　　圖3-7 nRF401典型

105、應用電路</p><p>　　在無線溫度控制系統(tǒng)中，nRF401主要完成對溫度數(shù)據(jù)和命令參數(shù)的無線傳輸。圖3-8是發(fā)送和接收電路框圖。</p><p>　　圖3-8 發(fā)送和接收電路框圖</p><p>　　在圖3-8中可以看出，微控制器的I/O口P2.7控制nRF401的片選端，P2.5口控制nRF401的TXEN端，即發(fā)送/接收控制端，實現(xiàn)半雙工通信功能；P2.6

106、口控制nRF401的POWER_UP端，實現(xiàn)待機和上電的控制，達到節(jié)能目的。</p><p>　　3.3 單片機的選擇</p><p>　　單片機體積小、重量輕、抗干擾能力強、對環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易，自問世以來以其極高的性價比一直受到人們的重視和關(guān)注。因8051單片機技術(shù)比較成熟，價格比較低，且本次設計對單片機的性能要求比較低，所以選擇8051單片機。&