畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的無線溫度發(fā)送和接受系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè)設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)（20112011 屆）屆）題題 目目基于單片機(jī)的無線溫度發(fā)送和接受系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)學(xué) 院院電子信息學(xué)院專專 業(yè)業(yè)電子信息工程班班 級(jí)級(jí)學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)學(xué)生姓名學(xué)生姓名指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師完成日期完成日期2011 年 3 月誠誠 信信 承承 諾諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文基于單片機(jī)的無線溫度發(fā)送和接受系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均系本人獨(dú)立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）：承諾人（簽名）： 20112011 年年 5 5 月月 2020 日日杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|非常多的一個(gè)物理量，

2、人類的日常生活、動(dòng)植物的生存繁衍跟周圍環(huán)境的溫度密切相關(guān)，石油、化工、冶金、紡織、機(jī)械制造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲(chǔ)等領(lǐng)域?qū)囟纫灿兄^高的要求，由此可見，在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和日常生活中，溫度是最常用的被控參數(shù)之一。因此，對(duì)溫度的監(jiān)測已成為生產(chǎn)過程中極其重要的技術(shù)要求。由于一些大型場所的測量空間較大，維護(hù)較困難，現(xiàn)有的有線溫度測量系統(tǒng)無法滿足計(jì)量檢測的需要。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離溫度數(shù)據(jù)的計(jì)量采集，需要設(shè)計(jì)一種智能無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文介紹的是一個(gè)由單片機(jī)構(gòu)成的無線溫度控制系統(tǒng)，它利用 stc89c51 單片機(jī)、ds18b20、nrf903 及 1602 液晶等其他器件實(shí)現(xiàn)。工作原

3、理是單片機(jī)利用ds18b20 對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后把溫度數(shù)據(jù)通過 nrf903 射頻模塊進(jìn)行無線發(fā)送，接收端收到信號(hào)后，進(jìn)行解碼，之后實(shí)現(xiàn)溫度顯示。本設(shè)計(jì)結(jié)合嵌入式技術(shù)和無線傳感器技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，以及快速處理數(shù)據(jù)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離溫度數(shù)據(jù)的計(jì)量采集。本文對(duì)硬件和軟件進(jìn)行了框圖設(shè)計(jì)，protel 原理圖設(shè)計(jì)，程序框圖設(shè)計(jì)，源程序設(shè)計(jì)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量出壞境溫度，最大收發(fā)距離可達(dá)百米。關(guān)鍵詞：嵌入式；無線發(fā)送接收；溫度測量；解碼杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)abstracttemperature is a common physical in

4、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 the temp

5、erature 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 stc89c51 s

6、ingle 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 with the n

7、rf903, 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 measure long

8、 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 precisely

9、in one hundred meter after testing it. key words：embedded; wireless transceiver; temperature measurement; decoding杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄第一章 引言 .11.1 課題的研究目的和意義.11.2 課題背景.11.3 課題來源.21.4 短距離無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.21.4.1 紅外通信技術(shù)（irda）19.31.4.2 藍(lán)牙技術(shù)（bluetooth）19.31.4.3 ieee802.11b（wi-fi）19.31.4.4 微功率短距離無線通信技術(shù)19.41.5 本

10、章小結(jié).4第二章 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì) .52.1 系統(tǒng)方案構(gòu)想.52.2 系統(tǒng)方案的確定.52.2.1 傳感器方案 .52.2.2 短距離無線通信模塊方案 .62.2.3 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案 .62.3 器件的選用.72.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇 .72.3.2 無線收發(fā)芯片的選擇 .92.4 本章小結(jié).10第三章 電路的硬件設(shè)計(jì) .113.1 溫度采集部分電路設(shè)計(jì).113.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 .113.1.2 數(shù)字式溫度傳感器 ds18b20 簡介 .113.2 無線收發(fā)電路的設(shè)計(jì).153.2.1 nrf903 芯片的介紹 .153.2.2 典型應(yīng)用電路說明 .1

11、73.3 單片機(jī)的選擇.173.4 顯示電路的設(shè)計(jì).183.4.1 液晶顯示器的工作原理 .183.4.2 液晶顯示器與單片機(jī)的接口電路 .18杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3.5 其他電路的設(shè)計(jì).183.6 本章小結(jié).20第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .214.1 主程序設(shè)計(jì) .214.1.1 發(fā)射端主程序 .214.1.2 接收端主程序 .214.2 子程序設(shè)計(jì).214.2.1 nrf903 的通信子程序 .214.2.2 溫度測量子程序 .244.2.3 lcd 顯示子程序 .244.3 本章小結(jié) .25第五章 結(jié)論與展望 .265.1 結(jié)論 .265.2 展望 .26致謝 .27參考文獻(xiàn) .2

12、8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杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1第一章 引言1.1 課題的研究目的和意義溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|非常多的一個(gè)物理量，人們的日常生活、動(dòng)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(jī)械制造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲(chǔ)等領(lǐng)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(gè)階段對(duì)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(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量；印刷車間的溫度控制水平對(duì)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

13、品霉?fàn)€、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(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對(duì)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(xué)制藥需要精確的溫度控制。因此，對(duì)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(yīng)用于氣象、農(nóng)林、冶金、化工、紡織、食品、家用電器、倉儲(chǔ)等許多領(lǐng)域。由于一些大型場所的測量空間較大，維護(hù)較困難，現(xiàn)有的有線溫度測量系統(tǒng)無法滿足計(jì)量檢測的需要。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離溫度數(shù)據(jù)的計(jì)量采集，本人研究設(shè)計(jì)了一種結(jié)合嵌入式技術(shù)和無線傳感器技術(shù)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

14、景單片機(jī)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(jī)集成度高、功能強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(jī)的應(yīng)用領(lǐng)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(fèi)產(chǎn)品、辦公自動(dòng)化、汽車電子、pc 機(jī)外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。按照內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，單片機(jī)可分為 4 位、8 位、16 位及 32 位等。單片機(jī)的中央處理器（cpu）和通用微處理器基本相同，只是增設(shè)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(zhuǎn)、乘除法

15、運(yùn)算、狀態(tài)監(jiān)測、中斷處理等，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。單片機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)形式:一種是在通用微型計(jì)算機(jī)中廣泛采用的，將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合用一個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器，目前的單片機(jī)以采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開的結(jié)構(gòu)為多。單片微型計(jì)算機(jī)自從問世以來，作為微型計(jì)算機(jī)一個(gè)很重要的分支，應(yīng)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(jī)，由于其具有集杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)2成度高，處理功能強(qiáng)，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，

16、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機(jī)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(jī)無線溫度控制系統(tǒng)的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的 51 系列單片機(jī)，配置了外圍設(shè)備，構(gòu)成了一個(gè)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(qiáng)等特點(diǎn)。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(yīng)用領(lǐng)域。20 世紀(jì) 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(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如atmel、philips、analog、devices、dallas 等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是 mcs-51 系列的兼容產(chǎn)品，準(zhǔn)確地說是與 mcs-51 指令系統(tǒng)兼

17、容的單片機(jī)。這些兼容機(jī)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(jī)，它們對(duì) 8051 單片機(jī)一般都作了一些擴(kuò)充，更有特點(diǎn)。其功能和市場競爭力更強(qiáng)，不該把它們直接稱呼為 mcs-51 系列單片機(jī)，因?yàn)?mcs 只是 intel 公司專用的單片機(jī)系列型號(hào)。mcs-51 系列及 80c51 單片機(jī)有多種品種。它們的引腳及指令系統(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(jī)及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強(qiáng)型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器型。101.3

18、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(yīng)用于汽車, 鍋爐, 電子, 化工等各個(gè)領(lǐng)域。早期常用的一些溫度控制系統(tǒng)都使用模擬電路設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(qiáng)，是前者的換代之物。隨著單片機(jī)性能價(jià)格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復(fù)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(qiáng)大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒?，可以?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。測

19、量和顯示的控制。在本設(shè)計(jì)上按照個(gè)人的意圖稍加擴(kuò)展，就可以實(shí)現(xiàn)更多更強(qiáng)大的功能。1.4 短距離無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢隨著移動(dòng)通信需求和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集量的增加，加之有線傳輸?shù)馁M(fèi)用日益增長，人們正逐漸認(rèn)識(shí)到在許多檢測領(lǐng)域采用無線傳輸?shù)谋匾浴Ｔ谶^去的幾年中，無線通訊領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，這其中包括數(shù)字電路和射頻電路制作工藝的進(jìn)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(dòng)通信設(shè)備更加靈巧、經(jīng)濟(jì)、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)的杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3發(fā)展也發(fā)揮了很大的作用，他們使無線通信網(wǎng)絡(luò)向更加經(jīng)濟(jì)、更加容易操作的方向發(fā)展。所以如果我們能夠很好地

20、了解無線通信的基本原則以及這些技術(shù)的特點(diǎn)，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(dāng)規(guī)模的無線長距離通信網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩移動(dòng)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(wù)范圍、應(yīng)用層次及通信業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)、話音)上，均有很大的不同。1.4.1 紅外通信技術(shù)（irda）19紅外通信技術(shù) irda(infrared data

21、 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(jì)算機(jī)中的 0-1 邏輯，通常有效作用半徑 2 米，傳統(tǒng)速度可達(dá) 4 mbit/s，1995 年 irda 將通信速率擴(kuò)展到的高達(dá) 16mbit/s，紅外技術(shù)采用點(diǎn)到點(diǎn)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(shù)據(jù)傳輸干擾少、速度快、保密性強(qiáng)、成本低廉的特點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用于各種遙控器，筆記本電腦，pda，移動(dòng)電話等移動(dòng)設(shè)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(tái)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，而且傳輸數(shù)據(jù)時(shí)兩

22、臺(tái)設(shè)備之間不能有阻擋物，只能限于兩臺(tái)設(shè)備通信，無法靈活構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，且無法用于邊移動(dòng)邊使用的設(shè)備，另外，irda 設(shè)備中的核心部件 led 易磨損。1.4.2 藍(lán)牙技術(shù)（bluetooth）19藍(lán)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(kuò)頻 fhss 技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無線互連，有穿透能力，能夠全方位傳送，主要面對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各種數(shù)據(jù)和語音設(shè)備，通過無線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng)(piconet)。多個(gè)微微網(wǎng)之間也可以形成分布式網(wǎng)絡(luò)(scatternet)，從而方便，快速的實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。藍(lán)牙技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，主要具有以下特點(diǎn):規(guī)范的開放性、產(chǎn)品的互操作性及兼容性、

23、公用通信頻段以及提供大容量的語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。3藍(lán)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。1.4.3 ieee802.11b（wi-fi）19ieee802.11b 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是無線局域網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，使用 2.4ghz 的 ism 頻段，采用直接序列擴(kuò)頻 dsss 技術(shù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了傳輸速度。802.11b 無線網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡(luò)上裝上 ap(access point)，就可以提供無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端設(shè)備只要裝上無線網(wǎng)卡，就可以訪問所有網(wǎng)絡(luò)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(jià)杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

24、4保密機(jī)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，可用來組建大型無線網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營成本低，投資回報(bào)快等特點(diǎn)，正逐漸受到電信制造商和運(yùn)營商的青睞，目前此種設(shè)備還比較昂貴，妨礙了其推廣和應(yīng)用。更多新的 wi-fi 標(biāo)準(zhǔn)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(fù)用（ofdm）調(diào)制技術(shù)，同樣工作在 2.4ghz頻段，速率達(dá) 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(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而

25、下一代的 wi-fi 標(biāo)準(zhǔn) 802.11n 可望達(dá)到 100 mbit/s。101.4.4 微功率短距離無線通信技術(shù)19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(hào)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 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(shè)置完成，用戶不用對(duì)無線通信原理和工作機(jī)制有較

26、深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。12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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。1.5 本章小結(jié)本文介紹的設(shè)計(jì)是針對(duì)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(jī)智能化的一種應(yīng)用。杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)5第二章 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)溫度的檢測有許多方法，可供選擇的器件和運(yùn)用的技術(shù)也有多種。因此，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案應(yīng)在滿足系統(tǒng)整體性能指

27、標(biāo)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(shí)用、易于實(shí)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。2.1 系統(tǒng)方案構(gòu)想系統(tǒng)采用近幾年來成熟的各種溫度傳感技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理控制技術(shù)和功能化模塊來構(gòu)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(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是溫度數(shù)據(jù)的測量、存儲(chǔ)、顯示等功能，因此，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)想為溫度采集模塊、短距離無線通信模塊、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊等幾大部分。系統(tǒng)方案在溫度數(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

28、；在短距離無線通信部分主要有三種構(gòu)想：一是采用藍(lán)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(jī)控制，二是采用 dsp 進(jìn)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(zhuǎn)換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。但是模擬傳感器的模擬信號(hào)需要先經(jīng)過取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，再將轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號(hào)交由微處理器或 dsp 處理。被測信號(hào)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(hào)之間，設(shè)計(jì)者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)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(hào)

29、在長距離傳輸過程中，容易受到電磁干擾而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。在多點(diǎn)溫濕度檢測的場合，各被測點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全清除。另外，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。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(shè)備（計(jì)算機(jī)，計(jì)數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等）相聯(lián)，用微控制器、dsp 或計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理、濾波、壓縮。它的信號(hào)原則上不受放大器和信號(hào)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)定性好，信號(hào)易于處理、傳杭

30、州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)6送和自動(dòng)控制，便于動(dòng)態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。雖然存在反應(yīng)速度較慢，溫度測量的范圍不寬的缺點(diǎn)，數(shù)字式傳感器技術(shù)的發(fā)展仍受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。2.2.2 短距離無線通信模塊方案藍(lán)牙技術(shù)作為一種近距離無線連接的全球性開放規(guī)范，已經(jīng)得到了全球眾多大企業(yè)的支持。藍(lán)牙技術(shù)同時(shí)支持語音和數(shù)據(jù)傳輸，使用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，本身包括糾錯(cuò)機(jī)制，可靠性高，藍(lán)牙規(guī)范的核心部分協(xié)議允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行相互定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)互操作和交互式應(yīng)用。但是藍(lán)牙設(shè)備價(jià)格昂貴，通訊距離近，藍(lán)牙

31、 rf 定義了三種功率等級(jí)（100mw、25mw 和 1 mw） ，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備功率為 1 mw 時(shí)，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(jìn)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(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。也存在著只能視距傳輸、移動(dòng)時(shí)不能傳輸、led 易磨損等缺點(diǎn)。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(hào)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

32、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(shè)置完成，用戶不用對(duì)無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離，確定該部分電路設(shè)計(jì)使用無線收發(fā)芯片

33、。無線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，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(shè)計(jì)簡單。2.2.3 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案溫度數(shù)據(jù)在采集后通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對(duì)測控系統(tǒng)的控制。對(duì)于一般的工業(yè)測量與控制，多采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測控。專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立完整的功能實(shí)體，用單片機(jī)或dsp 來控制整個(gè)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(yīng)用系統(tǒng)的要杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)7求配置，獨(dú)立性、可擴(kuò)展性好，因此系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。根據(jù)微處理器的不同，專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為 dsp 應(yīng)用系統(tǒng)和單片

34、機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。dsp 和單片機(jī)都是構(gòu)成專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心芯片，dsp 主要用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，dsp 芯片中具有各種特殊功能的計(jì)算模塊，采用流水線結(jié)構(gòu)，提高了 dsp 的運(yùn)行速度。13由于 dsp 主要應(yīng)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(kuò)展，因此多數(shù) dsp 系統(tǒng)還要通過單片機(jī)來進(jìn)行外部接口擴(kuò)展，這導(dǎo)致了 dsp 的成本較高，另外，dsp 具有一定的專用性，開發(fā)過程比較復(fù)雜，不便于通用。單片機(jī)是把微型機(jī)的主要部分集中在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。由于它的結(jié)構(gòu)與指令都按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，故又稱微控制器（microcontroller unit） ，也可稱微型計(jì)

35、算機(jī)（single chip microcomputer） 。通常由微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備組成，包括微處理器（cpu） 、存儲(chǔ)器（存放程序指令或數(shù)據(jù)指令的 rom、ram 等） 、輸入/輸出接口（i/o）及其它功能部件如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機(jī)受集成度限制，片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小，一般 rom 只有 48k 字節(jié)，ram 小于 256 字節(jié)，通過外部擴(kuò)展，rom、ram 可擴(kuò)展至 64k 字節(jié)。與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)簡單、功能易擴(kuò)展、測控能力強(qiáng)、可靠性高。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)正在被各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)具有系統(tǒng)簡單、開發(fā)容易，功能易擴(kuò)展、測控能力強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。尤其適用于系統(tǒng)中沒

36、有復(fù)雜的計(jì)算處理、對(duì)采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。對(duì)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(jì)的方案。在單片機(jī)能夠滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機(jī)無異是首選的信息處理單元。2.3 器件的選用2.3.1 數(shù)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(shù)的進(jìn)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(shè)計(jì)工程師的選擇對(duì)象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)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(fù)載能力如何，

37、能否滿足多點(diǎn)測溫的需要；占用 mcu 的 i/o 引腳數(shù)情況如何，因?yàn)?mcu 的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點(diǎn)溫度測量時(shí)，如果測量的點(diǎn)數(shù)超過了輸入通道時(shí)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時(shí)間，應(yīng)盡量節(jié)約；與 mcu 的通信協(xié)議應(yīng)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，杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)8national semiconductor 公司的 microwireplus 總線，dallas semiconductor 公司的1-wire 總線和

38、siemens 公司的 profibus 總線等。常用的數(shù)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(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，分辨率為 0.25，精度為2，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1530ms。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(diǎn)。ad7418 可以級(jí)聯(lián)至多 8 片在同一個(gè) i2c 總線上。 lm74 是美國國家半導(dǎo)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

39、傳感器。具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器通電工作后自動(dòng)按一定速率對(duì)溫度進(jìn)行檢測，并在片內(nèi)寄存器中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的溫度值，主機(jī)可以在任意時(shí)刻讀出傳感器溫度值。lm74 具有休眠模式，在休眠時(shí)消耗的電流不超過 10a,適用于對(duì)功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。 lm74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12 位外加符號(hào)位，因此在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá) 0.0625的分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 425ms。 max6575l/h 是美國 maxim 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(shí)優(yōu)于3, 在 85時(shí)

40、優(yōu)于4.5，在 125時(shí)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(dāng)它用于高精度溫度測量時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行非線性補(bǔ)償。它最多允許在一根 mcu 的 i/o 總線上同時(shí)掛接 8 個(gè) max6575l/h 進(jìn)行多點(diǎn)溫度測量。為了避免多個(gè)傳感器同時(shí)測溫時(shí)有重疊的現(xiàn)象，max6575 提供了“l(fā)”和“h”兩種型號(hào)的傳感器,它們的使用方法相同,而且每一種型號(hào)的傳感器又可以通過時(shí)間選擇引腳。但是，max6575l 的遠(yuǎn)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(gè)弊端。 ds18b20 是美國 dallas 半導(dǎo)體公司的

41、新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號(hào)線上掛接數(shù)十甚至上百個(gè)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(jī)接口時(shí)需要的 a/d 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，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(dá) 0.0625，由于每一個(gè) ds18b20 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其 rom 中，因此 cpu 可用簡單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。7dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價(jià)格比，有以下特

42、點(diǎn)：適用于低速測控場合，測控對(duì)象越多越顯出其優(yōu)越性；性價(jià)比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)9具有 crc 校驗(yàn)功能，可靠性高；軟件設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握。由于 ds18b20 獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測溫時(shí)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(yuǎn)，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(shù)量比較多，在設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)主要參考以下幾點(diǎn)： 收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼采用

43、曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會(huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，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?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的 1/3，而采用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率，編程方便。 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量芯片外圍元器件的數(shù)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。 功耗大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)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(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。 收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少 pc

44、b 面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。常用的無線收發(fā)芯片主要有： cc1000 是根據(jù) chipcon 公司的 smartrf 技術(shù)，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 915mhz，但 cc1000 很容易通過編程使其工作在 3001000mhz 范圍內(nèi)。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(diǎn)。其 fsk 數(shù)傳速率可達(dá) 72.8kbps，具有 250hz 步長可編程

45、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。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(jī)內(nèi)核的高速單片無線收發(fā)芯片15。采用先進(jìn)的 0.18s cmos 工藝、杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)106mm6mm 的 36 引腳 qfn 封裝；以 nrf2401 芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，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 1.93.6v）和 vdd 電壓監(jiān)視，通常開關(guān)時(shí)間小于 200s，數(shù)據(jù)速率 1mbps，

46、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(shù)全部通過軟件設(shè)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(qǐng)通信許可證。nrf401 是挪威 nordic vlsi 公司推出的單芯片 rf 收發(fā)機(jī)，專為在 433mhz ism (工業(yè)、科研和醫(yī)療) 頻段工作而設(shè)計(jì)。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(diǎn)。nrf401 的外圍元件很少，僅 10 個(gè)左右。只包括一個(gè)

47、 4mhz 基準(zhǔn)晶振(可與 mcu 共享)、一個(gè) pll 環(huán)路濾波器和一個(gè) vco 電感，收發(fā)天線合一，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)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(diào)制和解調(diào), 抗干擾能力強(qiáng)；采用 dds+pll 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達(dá)-100dbm , 最大發(fā)射功率達(dá)+10dbm；數(shù)據(jù)速率可達(dá) 76.8 kbit/s；170 個(gè)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(jìn)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(jì)算機(jī)遙測遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。14

48、基于 nrf903 抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、傳輸速率快、外圍設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(shè)備，通常的顯示器件有液晶顯示器（lcd）和數(shù)碼管顯示器（led） 。數(shù)碼管顯示器耗電量明顯高于液晶顯示器，而且會(huì)耗費(fèi)單片機(jī)大量引腳，造成軟件編程的困難。液晶顯示器相比于數(shù)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(jí)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(jié)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

49、的確定，最后介紹了器件的選用，確定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)11第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構(gòu)想，下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1 所示。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，其中接收模塊由無線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)字溫度傳感器測溫并把數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)，由單片機(jī)處理通過無線收發(fā)電路向接收模塊發(fā)送信號(hào)，接收模塊收到信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理在液晶上顯示出來。圖 3-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3.1 溫度采集部分電路設(shè)計(jì)3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電

50、路由于 stc89c51 接口較少，故選用一只 ds18b20 型單線數(shù)字式集成溫度傳感器組成溫度采集網(wǎng)絡(luò)。圖 3-2 溫度采集網(wǎng)絡(luò)框圖3.1.2 數(shù)字式溫度傳感器 ds18b20 簡介單總線是美國 dallas 半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)，它只定義了一根信號(hào)線，總線上的每個(gè)器件都能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間驅(qū)動(dòng)它，相當(dāng)于把單片機(jī)的地址vccgndstc89c51ds18b20杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)12nrf401 線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號(hào)線對(duì)外進(jìn)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(shí)，為每個(gè)芯片編制了惟一的序列號(hào)，通過尋址就能把芯片識(shí)別出來。從而能使這些器件掛在一根信號(hào)線上進(jìn)行串行分

51、時(shí)數(shù)據(jù)交換，大大簡化了硬件電路。ds18b20 是美國 dallas 半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。它的主要技術(shù)特性如下：具有獨(dú)特的單線接口方式，即微處理器與其接口時(shí)僅需占用 1 位 i/o 端口；支持多節(jié)點(diǎn)，使分布式多點(diǎn)測溫系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件開銷大為簡化；測溫時(shí)無需任何外部元件：可以通過數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換精度 9-12 位可編程，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以 16 位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出。12 位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為 750ms。因?yàn)樗菙?shù)字輸出，而且只占用一個(gè) i/o 端口，所以它特別適合于微處理器控

52、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(shí)需要的 a/d 轉(zhuǎn)換和較復(fù)雜的外圍電路。縮小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。1ds18b20 的結(jié)構(gòu)ds18b20 主要由四部分組成。64 位光刻 rom 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器溫度傳感器非易失性電可擦寫溫度報(bào)警觸發(fā)器 th 和 tl非易失性電可擦寫設(shè)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(shù)據(jù)總線。與單片機(jī)接口的每個(gè) i/o 口可掛接多個(gè) ds18b20 器件。每片 ds18b20 含有一個(gè)唯一的 64 位 rom 編碼。頭八位是產(chǎn)品系列編碼

53、，表示產(chǎn)品的分類編號(hào)；接著的 48 位是一個(gè)惟一的產(chǎn)品序列號(hào)，序列號(hào)是一個(gè) 15 位的十進(jìn)制編碼，每個(gè)芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識(shí)別出來，最后 8 位是前 56 位的循環(huán)冗余(crc)校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗(yàn)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(huì)造成混亂。這為溫度的多點(diǎn)測量帶來了極大的方便。ds18b20 傳感器的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由 9 個(gè)字節(jié)組成。第一、二個(gè)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(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)(912 位)，數(shù)杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)13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(hào)擴(kuò)展位。第三、四字

54、節(jié)是溫度上下限報(bào)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(shè)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(shè)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(shè)置(00、01、10、11 分別對(duì)應(yīng) 9、10、11、12 位溫度數(shù)據(jù))，出廠設(shè)置為 12 位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行修改，其余位無效。第六、七、八字節(jié)保留未用。第 9 個(gè)字節(jié)是 crc 校驗(yàn)碼，是前面 8 個(gè)字節(jié)的循環(huán)校驗(yàn)碼，用在通信中驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。圖 3-3 ds18b20 的結(jié)構(gòu)框圖溫度傳感器的轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲(chǔ)器中

55、，其中第一個(gè)字節(jié)（byte0）存放測溫結(jié)果的低位（ls byts） ，第二個(gè)字節(jié)（byte1）存放測溫結(jié)果的高位（ms byts） ，s 為符號(hào)位，其它位為數(shù)據(jù)位，溫度為負(fù)時(shí) s=1；溫度為正時(shí) s=0。格式如下表所示：表 3-1 低位存放數(shù)據(jù) lsbytsbit0bit1bit2bit3bit4bit5bit6bit7232221202-12-22-32-4表 3-2 高位存放數(shù)據(jù)msbytsbit8bit9bit10bit11bit12bit13bit14bit15sssss262524如果測量的溫度值高于溫度報(bào)警觸發(fā)器 th 或低于 tl 中的值，則ds18b20 內(nèi)部的報(bào)警標(biāo)志位就被置

56、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 912 位，分別對(duì)應(yīng)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(shí)間也越長。12 位精度的最大gnd存儲(chǔ)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 tl64 位rom和單線接口vddvdddq供電方式檢測便箋式存儲(chǔ)器crc 發(fā)生器杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)14轉(zhuǎn)換時(shí)間為 750ms。ds18b20 的測溫范圍為-55+125，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16 位二進(jìn)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(shè)定, 其格式如下表：表 3-3 輸出位數(shù)配置寄存器bit7b

57、it6bit5bit4bit3bit2bit1bit00r1r011111r1、r0 的設(shè)定值與位數(shù)、分辯率和最大轉(zhuǎn)換時(shí)間的關(guān)系如表 3-1 所示，可見位數(shù)每減少一位，分辯率同比減少而轉(zhuǎn)換時(shí)間則加快一倍, 器件上電時(shí)默認(rèn)分辯率為 12 位。表 3-4 配置寄存器設(shè)置r1r0分辨率最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 ms有效位數(shù)000.593.759 位（bit11bit3）010.25187.5010 位（bit11bit2）100.125375.0011 位（bit11bit1）110.0625750.0012 位（bit11bit0）溫度報(bào)警觸發(fā)器和設(shè)置寄存器都由非易失性電可擦寫存儲(chǔ)器(eeprom )組成，設(shè)

58、置值通過相應(yīng)命令寫入，一旦寫入后不會(huì)因?yàn)榈綦姸鴣G失。2. ds18b20 的測溫原理ds18b20 的溫度傳感器是通過溫度對(duì)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(gè)不同溫度系數(shù)的振蕩器。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開通周期而被計(jì)數(shù)，通過該計(jì)數(shù)值來測量溫度。計(jì)數(shù)器被預(yù)置為與- 55對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值，如果計(jì)數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門周期結(jié)束前計(jì)數(shù)到零，表示測量的溫度高于- 55，被預(yù)置在- 55的溫度寄存器的值就增加一個(gè)增量，同時(shí)為了補(bǔ)償和修正溫度振蕩器的非線性，計(jì)數(shù)器被斜率累加器所決定的值進(jìn)行預(yù)置，時(shí)鐘再次使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)直至零，如

59、果開門通時(shí)間仍未結(jié)束，那么重復(fù)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(shí)溫度寄存器中的值就是被測的溫度值。這個(gè)值以 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲(chǔ)器中。溫度值由主機(jī)通過發(fā)讀存儲(chǔ)器命令讀出，經(jīng)過取補(bǔ)和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到實(shí)測的溫度值。3. ds18b20 的封裝和供電方式杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)15ds18b20 是 ds1820 的升級(jí)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。ds18b20 有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí) vdd 接地，它

60、是通過內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長。為了保證在有效的時(shí)鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，這種情況下，用一個(gè) mosfet 管和單片機(jī)的一個(gè) i/o 口來完成對(duì) 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(shí)間較短。當(dāng)使用數(shù)據(jù)總線寄生供電時(shí)，供電端必須接地，同時(shí)總線口在空閑的時(shí)候必須保持高電平，以便對(duì)傳感器充電。但當(dāng)所測溫度超過 100時(shí)，ds18b20 的漏電流增大，傳感器從 i/o 線上獲取的電流不足以維持 ds18b20 通訊所需的電流，此時(shí)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(dǎo)線，但它完成溫度測量