畢業(yè)設計（論文）基于單片機的無線溫度發(fā)送和接受系統(tǒng)的設計

1、本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè)設設 計計 （20112011 屆）屆） 題題 目目 基于單片機的無線溫度發(fā)送和接受系統(tǒng) 的設計 學學 院院電子信息學院 專專 業(yè)業(yè)電子信息工程 班班 級級 學學 號號 學生姓名學生姓名 指導教師指導教師 完成日期完成日期2011 年 3 月 誠誠 信信 承承 諾諾 我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文基于單片機的無線溫度發(fā) 送和接受系統(tǒng)的設計均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其 他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）：承諾人（簽名）： 20112011 年年 5 5 月月 2020 日日 摘 要 溫度是人們日常生活中接觸非常多的一個物

2、理量，人類的日常生活、動植物 的生存繁衍跟周圍環(huán)境的溫度密切相關，石油、化工、冶金、紡織、機械制造、 航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲等領域對溫度也有著較高的要求， 由此可見，在工農業(yè)領域和日常生活中，溫度是最常用的被控參數之一。因此， 對溫度的監(jiān)測已成為生產過程中極其重要的技術要求。由于一些大型場所的測量 空間較大，維護較困難，現有的有線溫度測量系統(tǒng)無法滿足計量檢測的需要。為 了能夠實現對遠距離溫度數據的計量采集，需要設計一種智能無線溫度數據采集 系統(tǒng)。 本文介紹的是一個由單片機構成的無線溫度控制系統(tǒng)，它利用 stc89c51 單 片機、ds18b20、nrf903 及 1602 液

3、晶等其他器件實現。工作原理是單片機利用 ds18b20 對溫度進行實時采集，然后把溫度數據通過 nrf903 射頻模塊進行無線 發(fā)送，接收端收到信號后，進行解碼，之后實現溫度顯示。本設計結合嵌入式技 術和無線傳感器技術的無線溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)具有高性能、低功耗的特點，以 及快速處理數據的能力，能夠實現對遠距離溫度數據的計量采集。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。經測試， 該系統(tǒng)能準確測量出壞境溫度，最大收發(fā)距離可達百米。 關鍵詞：嵌入式；無線發(fā)送接收；溫度測量；解碼 abstract temperature is a common physi

4、cal in daily life. temperature is related to peoples and animals daily life. it is sensitive in temperature in some area, like petroleum, chemical, metallurgy, textile, machinery manufacturing, aerospace, pharmaceutical, tobacco, file storage and food storage. therefore, it is important to measure t

5、he temperature accurately. due to some places is too large to measure the temperature with todays technology, we need design wireless system to solve this problem. what this text introduction is a constitutes to from the single slice machine of wireless temperature control system, it make use of stc

6、89c51 single slice machine and other spare part realizations such as the ds18b20，nrf903 and 1602 liquid-crystal display etc. temperatures measuring work principle is a single slice machine to make use of the ds18b20 rightness temperatures to carry on collect, then carry on a wireless to send out wit

7、h the nrf903, carry on a decoding after receiving to carry to receive signal, after carry out a temperature manifestation. this design combines embedded technology with wireless temperature collecting system, the system is high performance and low power consumption. it calculates fast, and can measu

8、re long distance temperature. this text carried on frame diagram a design to the hardware and the software, the protel principle diagram design, procedure frame the diagram design, source program design, text after appendix complete source procedure. we found the system could measure temperature pre

9、cisely in one hundred meter after testing it. key words：embedded; wireless transceiver; temperature measurement; decoding 目錄 第一章 引言 .1 1.1 課題的研究目的和意義.1 1.2 課題背景.1 1.3 課題來源.2 1.4 短距離無線通信技術的現狀與發(fā)展趨勢.2 1.4.1 紅外通信技術（irda）19.3 1.4.2 藍牙技術（bluetooth）19.3 1.4.3 ieee802.11b（wi-fi）19.3 1.4.4 微功率短距離無線通信技術19.4 1

10、.5 本章小結.4 第二章 系統(tǒng)方案的總體設計 .5 2.1 系統(tǒng)方案構想.5 2.2 系統(tǒng)方案的確定.5 2.2.1 傳感器方案 .5 2.2.2 短距離無線通信模塊方案 .6 2.2.3 系統(tǒng)控制及數據處理模塊方案 .6 2.3 器件的選用.7 2.3.1 數字式溫度傳感器的選擇 .7 2.3.2 無線收發(fā)芯片的選擇 .9 2.4 本章小結.10 第三章 電路的硬件設計 .11 3.1 溫度采集部分電路設計.11 3.1.1 溫度數據采集硬件接口電路 .11 3.1.2 數字式溫度傳感器 ds18b20 簡介 .11 3.2 無線收發(fā)電路的設計.15 3.2.1 nrf903 芯片的介紹

11、.15 3.2.2 典型應用電路說明 .17 3.3 單片機的選擇.17 3.4 顯示電路的設計.18 3.4.1 液晶顯示器的工作原理 .18 3.4.2 液晶顯示器與單片機的接口電路 .18 3.5 其他電路的設計.18 3.6 本章小結.20 第四章 系統(tǒng)的軟件設計 .21 4.1 主程序設計 .21 4.1.1 發(fā)射端主程序 .21 4.1.2 接收端主程序 .21 4.2 子程序設計.21 4.2.1 nrf903 的通信子程序 .21 4.2.2 溫度測量子程序 .24 4.2.3 lcd 顯示子程序 .24 4.3 本章小結 .25 第五章 結論與展望 .26 5.1 結論 .2

12、6 5.2 展望 .26 致謝 .27 參考文獻 .28 附錄一 發(fā)射端電路圖 .30 附錄二 接收端電路圖 .31 附錄三 發(fā)射端主程序 .32 附錄四 接收端主程序 .33 第一章 引言 1.1 課題的研究目的和意義 溫度是人們日常生活中接觸非常多的一個物理量，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，石油、化工、冶金、紡織、機械制造、 航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲等領域對溫度也有著較高的要求。 例如：煙葉和紙張是吸濕性極高的材料，卷煙生產的每一個階段對溫度都有非常 特別的要求，以確保所使用材料的水分，保證生產的效率和產品質量；印刷車間 的溫度控制水平對印刷質

13、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。隨著科學技術的發(fā)展，許多新興產業(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過程中非常重要的技術要求。目前， 溫度傳感器已廣泛應用于氣象、農林、冶金、化工、紡織、食品、家用電器、倉 儲等許多領域。由于一些大型場所的測量空間較大，維護較困難，現有的有線溫 度測量系統(tǒng)無法滿足計量檢測的需要。為了能夠實現對遠距離溫度數據的計量采 集，本人研究設計了一種結合嵌入式技術和無線傳

14、感器技術的無線溫度采集系統(tǒng)， 可以解決這方面的難題。 1.2 課題背景 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、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)展到家用消費產品、辦公自動化、汽車電子、pc 機外圍以及網絡通訊等廣 大領域。 按照內部數據通道的寬度，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

15、增設了“面向控制”的 處理功能。例如：位處理、查表、多種地址訪問方式、多種跳轉、乘除法運算、 狀態(tài)監(jiān)測、中斷處理等，增強了實時性。 單片機有兩種基本結構形式:一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序 存儲器和數據存儲器合用一個存儲器空間的結構，稱為普林斯頓（princeton）結 構。另一種是將程序存儲器和數據存儲器截然分開，分別尋址的結構，稱為哈佛 （har-vard）結構，一般需要較大的程序存儲器，目前的單片機以采用程序存儲 器和數據存儲器截然分開的結構為多。 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 公司生產的 mcs-5

16、1 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)結構簡單，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。 本文討論的單片機無線溫度控制系統(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。 20 世紀 80 年代中期以后，intel 公司以專利轉讓的形式把 8051 內核技術轉讓 給許多半導體芯片生產廠家，如 atmel、philips、analog、devices、dallas 等。

17、這些廠家生產的芯片 是 mcs-51 系列的兼容產品，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)結構（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。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內 部結構上有些區(qū)別。目前使用的 mcs-51 系列單片機及其

18、兼容產品通常分成以下 幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內閃爍存儲器型。10 1.3 課題來源 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，其準確性和精度都不是很理想，現在基本上都是基于數字技術的新一 代產品，這種產品功能強，是前者的換代之物。隨著單片機性能價格比的不斷提 高，新一代產品的應用也越來越廣泛，大可構成復雜的工業(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

19、可以用于兒童電子玩具。它功能 強大，體積小，質量輕，靈活好用，配以適當的接口芯片，可以構造各種各樣、 功能各異的微電子產品。 測量和顯示的控制。在本設計上按照個人的意圖稍加擴展，就可以實現更多 更強大的功能。 1.4 短距離無線通信技術的現狀與發(fā)展趨勢 隨著移動通信需求和遠程數據采集量的增加，加之有線傳輸的費用日益增長， 人們正逐漸認識到在許多檢測領域采用無線傳輸的必要性。在過去的幾年中，無 線通訊領域取得了很大的進展，這其中包括數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、經濟、可靠。與上述技術一樣，數字通信技術和數

20、字調制技術的 發(fā)展也發(fā)揮了很大的作用，他們使無線通信網絡向更加經濟、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的特點， 就能更好地理解并完成傳感數據的無線采集。無線數據通信技術可分為兩大類： 一是基于蜂窩的接入技術，如蜂窩數字分組數據(cdpd)，通用分組無線傳輸技術 (gprs) 、edge 等。二是基于局域網的技術，如 ieee802.11 wlan、bluetooth、irda、home-rf、微功率短距離無線通信技術等。與目前已 經具備相當規(guī)模的無線長距離通信網絡(如蜂窩移動通信網)相比，短距離無線通 信系統(tǒng)在基本結構、服務范圍、應用層次及通信業(yè)

21、務(數據、話音)上，均有很大 的不同。 1.4.1 紅外通信技術（irda）19 紅外通信技術 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。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、功耗低、連接方便、簡單易用、數據傳輸干擾少、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

22、電話等移動設備。但紅外技術只是一種視距傳輸技術，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 輸數據時兩臺設備之間不能有阻擋物，只能限于兩臺設備通信，無法靈活構成網 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。 1.4.2 藍牙技術（bluetooth）19 藍牙技術使用全球統(tǒng)一開放的 2.4ghz 的 ism 頻段，采用跳頻擴頻 fhss 技 術實現設備之間的無線互連，有穿透能力，能夠全方位傳送，主要面對網絡中各 種數據和語音設備，通過無線方式將它們連成一個微微網(piconet)。多個微微網 之間也可以形

23、成分布式網絡(scatternet)，從而方便，快速的實現各類設備之間的 通信。藍牙技術作為一種新興的技術，主要具有以下特點:規(guī)范的開放性、產品的 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據網絡。3藍牙技 術目前只是一種行業(yè)聯(lián)盟制定的短距離無線通信規(guī)范。 1.4.3 ieee802.11b（wi-fi）19 ieee802.11b 技術標準是無線局域網的國際標準，使用 2.4ghz 的 ism 頻段， 采用直接序列擴頻 dsss 技術進行調制解調增強了抗干擾能力，提高了傳輸速度。 802.11b 無線網絡的最大優(yōu)點是兼容性，只要在原有網絡上裝上 ap(access point)，

24、 就可以提供無線網絡服務，終端設備只要裝上無線網卡，就可以訪問所有網絡資 源，象使用有線局域網一樣方便，卻免除了布線的麻煩。802.11b 具有有線等價 保密機制 wep(wired equivalentprivacy)確保數據安全。以其具有穿透能力，全方 位傳送，建網速度快，可用來組建大型無線網絡，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）調制技術，同樣工作在 2.4ghz 頻段，速率達 54

25、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 將有可能被大多數無線網絡產品制造商選擇作為產品標準，而 下一代的 wi-fi 標準 802.11n 可望達到 100 mbit/s。10 1.4.4 微功率短距離無線通信技術19 近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術的發(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部，一般使用單片數字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控 制器和少量外圍器件構成專用或通用無線通信模塊，所有高頻元件包括電感、振 蕩器等已經全部集成在芯片內部，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 調制方

26、式，工作于 ism 頻段，通信模塊一般包含簡單透明 的數據傳輸協(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 依據命令字進行操作即可實現基本的數據無線傳輸功能。12新一代短距離無線數 據通信系統(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，實現設備間的無線連接，因此，較適合 搭建小型網絡，在工業(yè)、民用領域得到較為廣泛的應用。 1.5 本章小結 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

27、能齊全，是單片機智能化 的一種應用。 第二章 系統(tǒng)方案的總體設計 溫度的檢測有許多方法，可供選擇的器件和運用的技術也有多種。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，所選的結構要盡量簡單實用、易于實現，器件的選用要著眼于合適的參數、 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。 2.1 系統(tǒng)方案構想 系統(tǒng)采用近幾年來成熟的各種溫度傳感技術、短距離無線通信技術、數據處 理控制技術和功能化模塊來構造基本的系統(tǒng)功能。 系統(tǒng)的功能往往決定了系統(tǒng)采用的結構，本系統(tǒng)要實現的是溫度數據的測量、 存儲、顯示等功能，因此，系統(tǒng)的總體結構可以構想為溫度采集模塊

28、、短距離無 線通信模塊、系統(tǒng)控制及數據處理模塊、顯示模塊等幾大部分。系統(tǒng)方案在溫度 數據采集部分主要有三種構想：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，三是選用數字式傳感器；在短距離無線通信部分主要有三種構 想：一是采用藍牙技術，二是采用紅外線技術，三是選用無線數傳模塊；在系統(tǒng) 控制和數據處理部分也有兩種構想：一是采用單片機控制，二是采用 dsp 進行 處理。 2.2 系統(tǒng)方案的確定 2.2.1 傳感器方案 傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測量轉換速度快，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過取樣、放大和模數轉換電路處理，再將轉換得到 的表示溫濕度值的數字信號交由

29、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，到轉換為微處理器可處理的數字信號之間，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量難以下降，隨之影響產品的可靠性 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 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 敏感元件參數的不一致性，都將會導致誤差的產生，并且難以完全清除。另外， 模數轉換系統(tǒng)的精度也不可能很高，存在一定非線性，互換性較差。 采用具有直接數字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。數字式傳感器能把被 測模擬量直接換成數字量輸出，可以直接與數字設備（計算機，計數器

30、，數字顯 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。數字式傳感器具有高的測量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，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，數字式傳感器技 術的發(fā)展仍受到人們越來越多的重視?？紤]系統(tǒng)的經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字式。 2.2.2 短距離無線通信模塊方案 藍牙技術作為一種近距離無線連接的全球性開放規(guī)范，已經得到了全球眾多 大企業(yè)的

31、支持。藍牙技術同時支持語音和數據傳輸，使用跳頻擴頻技術，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、 連接和交換數據，并能實現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。 紅外線傳輸是使用紅外線波段的電磁波來進行較近距離的傳輸。irda 具有技 術成熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便、簡單易用、數據傳輸干擾少、 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。 隨著大規(guī)模集成

32、電路技術的發(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部，一般使用單片 數字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構成專用或通用無線通信 模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，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 調制方式，工作于 ism 頻段， 通信模塊一般包含簡單透明的數據傳輸協(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，只要依據命令字進行操作即可實現基本的數據無線傳輸功 能。新一代短距離無線數據通信

33、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，實現設備間的 無線連接，因此，較適合搭建小型網絡，在工業(yè)、民用領域得到較為廣泛的應用。 考慮系統(tǒng)的經濟性、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，技術成熟。 使用該種方案無線通訊接口與數據采集系統(tǒng)接口電路設計簡單。 2.2.3 系統(tǒng)控制及數據處理模塊方案 溫度數據在采集后通常要進行數據處理，以實現測量數據的記錄、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。 專用計算機系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)

34、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。根據微處理器的不 同，專用計算機應用系統(tǒng)可分為 dsp 應用系統(tǒng)和單片機應用系統(tǒng)。 dsp 和單片機都是構成專用計算機系統(tǒng)的核心芯片，dsp 主要用于復雜的數 字信號處理，dsp 芯片中具有各種特殊功能的計算模塊，采用流水線結構，提高 了 dsp 的運行速度。13由于 dsp 主要應用于高速數據處理，因此外部 i/0 接口 比較少，不便于系統(tǒng)擴展，因此多數 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

35、本較高，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。 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 它的結構與指令都按照工業(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（存放程序指令或數據指令的 rom、ram 等） 、輸入/輸出接口（i/o）及其它功能部件如定時器/計數器、中 斷系統(tǒng)等。單片機受集成度限制，片內存儲容量較小，一般 rom 只有 48k 字 節(jié)，ram 小于 256

36、 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。 采用單片機具有系統(tǒng)簡單、開發(fā)容易，功能易擴展、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據采 集處理系統(tǒng)。 對于不要求高速的一般的數據采集與處理系統(tǒng)，采用 dsp 是不經濟的方案。 在單片機能夠滿足系統(tǒng)對數據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。 2.3 器件的選用 2.3.1 數字式溫度傳感器的選擇 隨著溫度傳感器智能化、集成化技術的進步，數字式溫度傳感器

37、也得到了快 速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數字溫度傳感器系列。這些產品的出現極 大的豐富了設計工程師的選擇對象。在如此眾多的產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 足多點測溫的需要；占用 mcu 的 i/o 引腳數情況如何，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。目前在數字

38、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 公司的 microwireplus 總線，dallas semiconductor 公司的 1-wire 總線和 siemens 公司的 profibus 總線等。常用的數字溫度傳感器主要有： ad7418 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。其內部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 a/d 轉換器。測溫范圍為-55 +125，具有 10 位數字輸出溫度值，分辨率為 0.25，精度為2，轉換時 間為 15

39、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。 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 數轉換器，并具有 spi/microwire 兼容總線接口的數字溫度傳感器。具有抗 干擾能力強、分辨力高、線性度好、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，并在片內寄存器中存儲轉換的溫度值，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 10a,適用于對功率消耗有嚴格限制的系統(tǒng)。 lm74 的模數轉換器為 12 位外

40、加 符號位，因此在其有效工作范圍內可達 0.0625的分辨率，轉換時間為 425ms。 max6575l/h 是美國 maxim 公司的一種單總線式數字溫度傳感器， 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 max6575l/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象，max6

41、575 提供了“l(fā)”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，超 過此范圍將采集不到被測溫度數據，這也是這種器件的一個弊端。 ds18b20 是美國 dallas 半導體公司的新一代數字式溫度傳感器，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十甚至上百個數字式傳感 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

42、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 rom 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。7 dallas 公司的單總線技術具有較高的性能價格比，有以下特點： 適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優(yōu)越性； 性價比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好； 具有 crc 校驗功能，可靠性高； 軟件設計規(guī)范，系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握。 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

43、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。 2.3.2 無線收發(fā)芯片的選擇 無線收發(fā)芯片的種類和數量比較多，在設計中選擇合適芯片可以提高產品開 發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時，應主要參考以下幾點： 收發(fā)芯片的數據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驗，需要更多的內存和程序容量，并且曼徹 斯特編碼大大降低數據傳輸的效率，一般僅能達到標稱速率的 1/3，而采用串口 傳輸的芯片，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率， 編程方便。 收發(fā)芯片所需的外圍元件數量 芯片外圍元器

44、件的數量直接關系到系統(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。 功耗 大多數無線收發(fā)芯片是應用在便攜式產品上的，因此功耗也非常重要，應該 根據需要選擇綜合功耗較小的產品 發(fā)射功率 在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發(fā)射功率較高的產品。 收發(fā)芯片的封裝和管腳數 較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少 pcb 面積降低成本，適合便攜式 產品的設計，也有利于開發(fā)和生產。 常用的無線收發(fā)芯片主要有： cc1000 是根據 chipcon 公司的 smartrf 技術，在 0.35m 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

45、915mhz，但 cc1000 很容易通過編程使其工作在 3001000mhz 范圍內。它具 有低電壓（2.33.6v） ，極低的功耗，可編程輸出功率（-2010dbm） ，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； 主要工作參數能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。 nrf24e1 是挪威 nordic vlsi asa 公司最近開發(fā)的一種嵌入了高性能單 片機內核的高速單片無線收發(fā)芯片15。采用先進的 0.18s cmos 工藝、 6mm6

46、mm 的 36 引腳 qfn 封裝；以 nrf2401 芯片結構為基礎，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；內部有電壓調節(jié)器（工作電壓 1.93.6v）和 vdd 電壓監(jiān) 視，通常開關時間小于 200s，數據速率 1mbps，輸出功率 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、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，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。 nrf

47、401 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 調制、fsk 解調、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，沒有調試部件，這給研制及生產帶來了極大的方便。 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 調制和解調

48、, 抗干擾能力強；采用 dds+pll 頻率合成技術，頻率 穩(wěn)定性好；靈敏度高達-100dbm , 最大發(fā)射功率達+10dbm；數據速率可達 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)中進行無線數據雙向傳輸，在儀器儀表數據采集系統(tǒng)、無線數據通信系 統(tǒng)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。14 基于 nrf903 抗干擾能力強、靈敏度高、傳輸速率快、外圍設計簡單的優(yōu)點， 本系統(tǒng)將 nrf903 做為無線收發(fā)芯片的首選。 2.3.3 顯示模塊的選擇 顯示單元是人機交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數據的關鍵性設備， 通常的顯示器件有液晶顯示器（

49、lcd）和數碼管顯示器（led） 。 數碼管顯示器耗電量明顯高于液晶顯示器，而且會耗費單片機大量引腳，造 成軟件編程的困難。液晶顯示器相比于數碼管顯示器具有很多優(yōu)勢，最明顯的是 低功耗，消耗電流一般是 pa 級的。此外，液晶顯示器顯示直觀，易于軟件編程， 因此本人選用液晶顯示器作為顯示模塊。 2.4 本章小結 本章首先介紹了系統(tǒng)方案的總體構想，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。 第三章 電路的硬件設計 根據上一章所選的系統(tǒng)方案構想，下面進行系統(tǒng)硬件電路的具體設計，系統(tǒng) 的總體結構框圖如圖 3-1 所示。 系統(tǒng)分為數據接收模塊和數據發(fā)射模塊，其中接收模塊由

50、無線數據收發(fā)模塊、 顯示模塊和控制模塊組成，發(fā)射模塊由無線數據收發(fā)模塊、溫度采集模塊和控制 模塊組成。溫度采集部分工作原理是由數字溫度傳感器測溫并把數據傳到單片機， 由單片機處理通過無線收發(fā)電路向接收模塊發(fā)送信號，接收模塊收到信號經單片 機處理在液晶上顯示出來。 圖 3-1 系統(tǒng)總體結構框圖 3.1 溫度采集部分電路設計 3.1.1 溫度數據采集硬件接口電路 由于 stc89c51 接口較少，故選用一只 ds18b20 型單線數字式集成溫度傳 感器組成溫度采集網絡。 圖 3-2 溫度采集網絡框圖 3.1.2 數字式溫度傳感器 ds18b20 簡介 單總線是美國 dallas 半導體公司近年推出

51、的新技術，它只定義了一根信 號線，總線上的每個器件都能夠在適當的時間驅動它，相當于把單片機的地址 vccgnd stc89c51 ds18b20 nrf401 線、數據線、控制線合為一根信號線對外進行數據交換。為了區(qū)分這些 芯片，廠家在生產芯片時，為每個芯片編制了惟一的序列號，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據交換，大大 簡化了硬件電路。 ds18b20 是美國 dallas 半導體公司推出的應用單總線技術的數字溫度傳 感器。它的主要技術特性如下： 具有獨特的單線接口方式，即微處理器與其接口時僅需占用 1 位 i/o 端 口； 支持多節(jié)點，使分布式多

52、點測溫系統(tǒng)的線路結構設計和硬件開銷大為簡化； 測溫時無需任何外部元件： 可以通過數據線供電，具有超低功耗工作方式： 測溫范圍為-55+125，測溫精度為0.5： 溫度轉換精度 9-12 位可編程，能夠直接將溫度轉換值以 16 位二進制數 碼的方式串行輸出。12 位精度轉換的最大時間為 750ms。 因為它是數字輸出，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。 1ds18b20 的結構 ds18b20 主要由四部分組成。 64 位光刻 rom 數

53、據存儲器 溫度傳感器 非易失性電可擦寫溫度報警觸發(fā)器 th 和 tl 非易失性電可擦寫設置寄存器 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，因此稱為一線式數據總線。與單片機接口的每 個 i/o 口可掛接多個 ds18b20 器件。 每片 ds18b20 含有一個唯一的 64 位 rom 編碼。頭八位是產品系列編碼， 表示產品的分類編號；接著的 48 位是一個惟一的產品序列號，序列號是一個 15 位的十進制編碼，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，是數據

54、通信中校驗數據傳輸是否正確的 一種方法。所以多片 ds18b20 能夠連接在同一條數據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。 ds18b20 傳感器的內部數據存儲器由 9 個字節(jié)組成。第一、二個字節(jié)是溫 度數據(msb、lsb)，可以在系統(tǒng)配置寄存器中自行設置數據位數(912 位)，數 據位越多溫度分辨率越高，多余的高位是溫度數據的符號擴展位。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

55、換數據位的設置 (00、01、10、11 分別對應 9、10、11、12 位溫度數據)，出廠設置為 12 位溫度 數據位，用戶可根據需要進行修改，其余位無效。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 據傳送的正確性。 圖 3-3 ds18b20 的結構框圖 溫度傳感器的轉換結果以 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）存放測溫結果的低位（ls byts） ，第二個字節(jié) （byte1）存放測溫結果的高位（ms byts） ，s 為符號位，其它位為數據位，溫 度為負時 s=1；溫度為正時 s=

56、0。格式如下表所示： 表 3-1 低位存放數據 lsbytsbit0bit1bit2bit3bit4bit5bit6bit7 232221202-12-22-32-4 表 3-2 高位存放數據 msbytsbit8bit9bit10bit11bit12bit13bit14bit15 sssss262524 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 溫度轉換位數可以選擇 912 位，分別對應的測溫分辨率為 0.5, 0.25， 0.125，0.0625。不過溫度轉換位數越大，轉換時間也

57、越長。12 位精度的最大 gnd 存儲器和控制邏輯 溫度傳感器 高溫度觸發(fā)器 th 低溫度觸發(fā)器 tl 64 位 rom 和單線 接口 vdd vdd dq 供電 方式 檢測 便箋式存儲器 crc 發(fā)生器 轉換時間為 750ms。ds18b20 的測溫范圍為-55+125，溫度轉換結果以 16 位 二進制方式單線輸出, 轉換的位數可通過寫配置寄存器（字節(jié) 4）設定, 其格式 如下表： 表 3-3 輸出位數配置寄存器 bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0 0r1r011111 r1、r0 的設定值與位數、分辯率和最大轉換時間的關系如表 3-1 所示，可 見位數每減少一

58、位，分辯率同比減少而轉換時間則加快一倍, 器件上電時默認分 辯率為 12 位。 表 3-4 配置寄存器設置 r1r0分辨率最大轉換時間 ms有效位數 000.593.759 位 （bit11bit3） 010.25187.5010 位 （bit11bit2） 100.125375.0011 位 （bit11bit1） 110.0625750.0012 位 （bit11bit0） 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。 2. ds18b20 的測溫原理 ds18b20 的溫度傳感器是通過溫度對振蕩器的頻

59、率影響來測量溫度，如圖 3-4 所示。ds18b20 內部有兩個不同溫度系數的振蕩器。低溫系數振蕩器輸出的 時鐘脈沖信號通過由高溫系數振蕩器產生的門開通周期而被計數，通過該計數值 來測量溫度。計數器被預置為與- 55對應的一個基數值，如果計數器在高溫系 數振蕩器輸出的門周期結束前計數到零，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 性，計數器被斜率累加器所決定的值進行預置，時鐘再次使計數器計數直至零， 如果開門通時間仍未結束，那么重復此過程，直到高溫度系數振蕩器的門周期結 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

60、 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，經過取 補和十進制轉換，得到實測的溫度值。 3. ds18b20 的封裝和供電方式 ds18b20 是 ds1820 的升級產品，一般封裝為 to-92，比 ds1820 的 pr- 35 封裝更小。ds18b20 只有三根外引線：單線數據傳輸端口 dq、共用地線 gnd、外供電源線 vdd。 ds18b20 有兩種供電方式：一種為數據線供電方式，此時 vdd 接地，它 是通過內部電容在空閑時從數據線獲取能量，來完成溫度轉換，完成溫度轉換的 時間較長。為了保證在有效的時鐘周期內，提供足夠的電流，這種情況下，用