基于單片機(jī)的無(wú)線溫度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文

1、目 錄1 緒論12 設(shè)計(jì)要求23 整體電路方框圖24 單元電路介紹34.1 時(shí)鐘發(fā)生器34.2 復(fù)位電路44.3 看門(mén)狗電路44.4 串行口控制的鍵盤(pán)及LED顯示器接口電路54.5 DS18B20采集單元64.5.1 DS18B20芯片簡(jiǎn)介64.5.2 DS18B20采集電路64.5.3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)74.5.4 DS18B20的測(cè)溫原理74.5.5 DS18B20內(nèi)部暫存器84.6 nRF905收發(fā)模塊94.6.1 nRF905芯片介紹104.6.2 數(shù)據(jù)發(fā)送114.6.3 數(shù)據(jù)接收114.7 收發(fā)天線的設(shè)計(jì)125 軟件介紹135.1 采集電路流程圖135.2 鍵盤(pán)流程圖135.3

2、 nRF905控制程序135.3.1 初始化配置155.3.2 nRF905發(fā)送流程圖165.3.3 nRF905接收流程圖176 結(jié)論17致謝18參考文獻(xiàn)18附錄1 系統(tǒng)總體原理圖20附錄2 程序清單211 緒論近十幾年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的信息采集和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用了無(wú)線數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，它與有線數(shù)據(jù)傳輸相比主要有布線成本低、安裝簡(jiǎn)便、便于移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。而且隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展和快速普及，越來(lái)越多的基于單片機(jī)為微控制器的的測(cè)控設(shè)備或智能儀器儀表都需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳程序一般存在了下面一些不足：(1)采集參數(shù)及派生參數(shù)不齊全，不完整，不標(biāo)

3、準(zhǔn)；數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)不合理，沒(méi)有按照一定的信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)；兼容性差，如中英文顯示、數(shù)據(jù)處理的格式等方面仍有很大的不足；監(jiān)控界面單一，畫(huà)面不豐富，輸出的格式(包括屏幕顯示和打印輸出)不靈活，過(guò)于死板，無(wú)法滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。(2)脫機(jī)資料處理軟件雖較全，但實(shí)用性不強(qiáng)，輸出結(jié)果過(guò)于單一，而且不能在屏幕上回放歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)需要多次重復(fù)輸入，不能充分利用數(shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)系統(tǒng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、瀏覽、回放(圖形或文本)的需要；發(fā)送端在遠(yuǎn)傳過(guò)程中相當(dāng)于服務(wù)器，但目前發(fā)送端服務(wù)器的管理功能相對(duì)比較薄弱。(3)由于信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)各個(gè)等級(jí)的格式都不一樣，要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)級(jí)別的支持就需要修改源程序，因此

4、增加了復(fù)雜性；國(guó)內(nèi)許多軟件的容錯(cuò)性、延遲性和穩(wěn)定性尚有欠缺，這對(duì)軟件運(yùn)行速度和質(zhì)量上有很大的影響。無(wú)線通信在機(jī)動(dòng)性要求較強(qiáng)的設(shè)備中或人們不方便隨時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的條件下得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。微功率短距離無(wú)線通信技術(shù)作為無(wú)線通信實(shí)用技術(shù)，一般使用單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專(zhuān)用或通用無(wú)線通信模塊。通常射頻芯片采用GFSK(高斯頻移鍵控)調(diào)制方式，工作于ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段，通信模塊包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡(jiǎn)單的加密協(xié)議，用戶(hù)不必對(duì)無(wú)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(wú)線傳輸功能，因其功率小、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速而在工業(yè)、民用等領(lǐng)域

5、應(yīng)用廣泛。目前，無(wú)線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣：遙控遙測(cè)、無(wú)線抄表、門(mén)禁系統(tǒng)、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、無(wú)線標(biāo)簽、安全防火系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、機(jī)器人控制等。凡是布線繁雜或不允許布線的場(chǎng)合都希望能通過(guò)無(wú)線方案來(lái)解決。為此，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作，完成可靠穩(wěn)定的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。在各種各樣的測(cè)控系統(tǒng)中，傳感器所測(cè)得的信號(hào)通常使用導(dǎo)線傳輸，這種傳輸方式常常會(huì)帶來(lái)電磁干擾和信號(hào)衰減。對(duì)于遠(yuǎn)距離和多點(diǎn)測(cè)量，眾多的傳輸線還會(huì)帶來(lái)成本的上升和分布電容。如果測(cè)量點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)物體上或被隔離區(qū)域內(nèi)，信號(hào)傳輸線的問(wèn)題就很難解決。而引入無(wú)線傳輸方式，就可以克服以上測(cè)量系統(tǒng)中的不足。隨著射頻、集成電路技

6、術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信功能的實(shí)現(xiàn)更容易，數(shù)據(jù)傳輸速率更快，抗干擾能力更強(qiáng)。因此，許多應(yīng)用采用了無(wú)線傳輸技術(shù)。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與有線數(shù)據(jù)傳輸相比，有諸多優(yōu)點(diǎn)：一是成本低，省去大量布線；二是建網(wǎng)快捷，只需在每個(gè)終端連接無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和架設(shè)適當(dāng)高度天線；三是適應(yīng)性好，可應(yīng)用于某些特殊環(huán)境；四是擴(kuò)展性好，只需將設(shè)備與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊相連接。因此，無(wú)線傳輸是一種有效數(shù)據(jù)傳輸方式。即使在相距不是很遠(yuǎn)的地方，無(wú)線通信的應(yīng)用同樣廣泛，人們希望通過(guò)一個(gè)小型的、短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為移動(dòng)和商業(yè)用戶(hù)提供各種服務(wù)1。我們知道，在日常生產(chǎn)和生活中有許多地方要涉及到對(duì)溫度的測(cè)量和控制，比如堆放糧食的倉(cāng)庫(kù)，儲(chǔ)存藥品的庫(kù)房,這些地方對(duì)

7、溫度要求都很?chē)?yán)格。本文介紹的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)花房中溫度的自動(dòng)測(cè)量和采集，并且可以進(jìn)行無(wú)線傳輸和實(shí)時(shí)顯示。溫室的控制與管理對(duì)于提高環(huán)境控制精度、節(jié)約能源與促進(jìn)生產(chǎn)等有著重要作用。由于溫室環(huán)境的自然特性在不同地點(diǎn)的溫度值是不均勻的，所以需要采集多個(gè)不同點(diǎn)的溫度值進(jìn)行綜合評(píng)判。文中的系統(tǒng)是基于挪威Nordic VLSI公司推出的nRF905單片射頻收發(fā)器，收發(fā)可靠，使用方便，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。2 設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求為：(1)系統(tǒng)能夠完成對(duì)所傳輸?shù)臏囟戎颠M(jìn)行自動(dòng)采集、測(cè)量、實(shí)時(shí)顯示及無(wú)線傳輸功能。(2)通過(guò)串行方式在LED上顯示3位溫度值。(3)能完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

8、功能。基于以上要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須有以下結(jié)構(gòu)模塊：溫度傳感器單元、顯示單元，數(shù)據(jù)傳輸單元。3 整體電路方框圖本系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的形式，由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)由數(shù)字溫度傳感器DS18B20和89C51單片機(jī)、鍵盤(pán)以及射頻收發(fā)芯片nRF905組成。傳感器DS18B20采集數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理后，通過(guò)nRF905發(fā)送給接收系統(tǒng)。鍵盤(pán)用來(lái)設(shè)置接收器地址,LED顯示模塊用來(lái)顯示設(shè)置地址，實(shí)時(shí)顯示溫度。發(fā)射系統(tǒng)的安裝在需測(cè)溫度的地方測(cè)量溫度，通過(guò)無(wú)線方式把采集的數(shù)據(jù)傳送到接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)由89C51單片機(jī)、鍵盤(pán)、nRF905和顯示組成，如圖1所示。nRF905接收發(fā)射的數(shù)據(jù)，處理以后送LED

9、顯示器進(jìn)行顯示，鍵盤(pán)用于設(shè)置發(fā)射地址。由于發(fā)射系統(tǒng)的電路圖與接收系統(tǒng)的電路圖有多處相似，故本設(shè)計(jì)只介紹發(fā)射系統(tǒng)的具體電路及工作過(guò)程。DS18B20溫度采集鍵盤(pán)晶振電源電路LED數(shù)碼顯示單片機(jī)89C51LED驅(qū)動(dòng)nRF905無(wú)線收發(fā)模塊復(fù)位電路看門(mén)狗電路圖1 發(fā)射系統(tǒng)框圖圖2 接收系統(tǒng)框圖89C51無(wú)線收發(fā)模塊顯示模塊鍵盤(pán)4 單元電路介紹整個(gè)電路主要由兩部分組成，一是數(shù)據(jù)采集部分，包括DS18B20溫度采集、鍵盤(pán)控制、單片機(jī)89C51、LED顯示；二是數(shù)據(jù)傳輸部分，包括nRF905射頻收發(fā)電路及顯示電路。以下是各部分電路介紹。4.1 時(shí)鐘發(fā)生器 89C51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成

10、振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容C1和C2通常取30pF左右，可穩(wěn)定頻率對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用。振蕩脈沖頻率范圍為fosc=024MHZ。具體的框圖如圖3所示2。圖3 時(shí)鐘發(fā)生器4.2 復(fù)位電路RST引腳是復(fù)位輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期以上。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式，系統(tǒng)上電運(yùn)行后需要復(fù)位，一般都是用手動(dòng)復(fù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但其作用非常重要，一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，首先要檢查是否復(fù)位成功。其電路如圖4所示3。圖4 復(fù)位電路4.3 看門(mén)狗電路微

11、處理器在運(yùn)行當(dāng)中會(huì)受到各種各樣的干擾，如電源及空間電磁干擾，由于單片機(jī)自身的抗干擾能力比較差，常會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)因?yàn)槭芡饨绺蓴_而導(dǎo)致死機(jī)的現(xiàn)象，造成系統(tǒng)不能正常工作。設(shè)置看門(mén)狗是為了防止單片機(jī)死機(jī)、提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾性的一種重要途徑。在一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所謂的“看門(mén)狗”是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)軟件或硬件方式在一定的周期內(nèi)監(jiān)控單片機(jī)或其他CPU的運(yùn)行情況。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自單片機(jī)或其他CPU的觸發(fā)信號(hào)，則系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制復(fù)位，以保證系統(tǒng)在受到干擾時(shí)仍能夠維持正常的工作狀態(tài)。X5045是XICOR公司生產(chǎn)的具有上電復(fù)位、電壓監(jiān)控、看門(mén)狗以及串行EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)4種功能的多用途芯片。X504

12、5采用SPI串行接口，只要了解SPI原理和X5045的指令定義，就很容易對(duì)X5045進(jìn)行操作，綜合起來(lái)，讀/寫(xiě)X5045有以下幾條規(guī)則：（1）SCK由1變0時(shí)，從SO引腳讀取1位數(shù)據(jù)；SCK由0變1時(shí)，向SI引腳發(fā)送的1位數(shù)據(jù)被采樣。X5045正是基于這一原則實(shí)現(xiàn)基本的讀/寫(xiě)操作的。（2）在任何以字節(jié)為單位的讀/寫(xiě)操作前，應(yīng)先選中芯片，即復(fù)位CS；置位CS，則表示操作結(jié)束；為了防止誤操作，每一次復(fù)位或置位CS時(shí)應(yīng)復(fù)位CSK。（3）寫(xiě)操作前應(yīng)先讀取狀態(tài)寄存器，判斷WIP為0時(shí)，在寫(xiě)使能允許命令后就可以寫(xiě)狀態(tài)寄存器或向EEPROM寫(xiě)數(shù)據(jù)。由X5045引腳功能中可知，WDI引腳為雙功能，看門(mén)狗定時(shí)器

13、監(jiān)測(cè)WDI的輸入來(lái)判斷微處理器是否正常工作。在設(shè)定的定時(shí)時(shí)間以?xún)?nèi)，微處理器必須在WDI引腳上產(chǎn)生一個(gè)由高到低的電平變化，以清內(nèi)部定時(shí)器，即“喂狗”；否則X5045將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。在X5045內(nèi)部的一個(gè)控制寄存器中有2位可編程位，決定了定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，微處理器可以通過(guò)指令來(lái)改變這2個(gè)位，從而改變看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短。X5045與89C51的接口電路如圖5所示3。圖5 X5045與89C51的接口電路4.4 串行口控制的鍵盤(pán)及LED顯示器接口電路89C51的串行口RXD和TXD為一個(gè)全雙工串行通信口，但工作在方式0下可做同步移位寄存器使用，其數(shù)據(jù)由RXD(P3.0)端串行輸入或輸出；而同步移位

14、時(shí)鐘由TXD(P3.1)端串行輸出，在同步時(shí)鐘作用下，實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。在不需要使用串行通信的場(chǎng)合，利用串行口加外圍芯片74HC164就可構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)并行輸入/輸出口，用于鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)或顯示LED驅(qū)動(dòng)4。74HC164是串行輸入、并行輸出移位寄存器，并帶有清除端。引腳如圖6， 圖6 74HC164引腳圖功能如下：(1)QOQ7：并行輸出端。(2)A、B ：串行輸入端。(3)CLR/：清零端，零電平，使74HC164輸出清零。(4) CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端，在脈沖的上升沿實(shí)現(xiàn)移位。當(dāng)CLK=0，CLR=1時(shí)，74HC164保持原來(lái)數(shù)據(jù)狀態(tài)。鍵盤(pán)及LED顯示器接口電路如圖7所示，圖中“與”

15、門(mén)的作用是避免鍵盤(pán)操作時(shí)對(duì)顯示器的影響，即僅當(dāng)P1.2=1時(shí)，才開(kāi)放顯示器傳送。這種電路屬于靜態(tài)顯示，比動(dòng)態(tài)顯示亮度更高些。由于74HC164在低電平輸出時(shí)，允許通過(guò)的電流為8mA故不必添加驅(qū)動(dòng)電路，亮度也較理想。與動(dòng)態(tài)掃描相比較，無(wú)需CPU不停地掃描，頻繁的為顯示服務(wù)，節(jié)省了CPU時(shí)間，軟件設(shè)計(jì)也較簡(jiǎn)單。因?yàn)椴捎霉碴?yáng)極LED，所以，相應(yīng)的亮段必須送0，相應(yīng)的暗段必須送1。圖7 串行控制鍵盤(pán)掃描和顯示器接口電路4.5 DS18B20采集單元4.5.1 DS18B20芯片簡(jiǎn)介 DS18B20采用獨(dú)特的單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通訊。在本系統(tǒng)中使用了兩個(gè)

16、DS18B20芯片，其測(cè)溫范圍為2050，測(cè)溫分辨率為1。還支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。其工作電源: 35V/DC，且在使用中不需要任何外圍元件，測(cè)量結(jié)果以912位數(shù)字量方式串行傳送。4.5.2 DS18B20采集電路以89C51單片機(jī)為核心的2路溫度采集和顯示的DS18B20應(yīng)用系統(tǒng)，如圖8所示。兩路溫度傳感器由2個(gè)DS18B20組成，可顯示路數(shù)，也可以由開(kāi)關(guān) S1S2控制顯示某一路的溫度。L1L2也是用來(lái)標(biāo)志哪一路被采集和顯示的。 DS18B20具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。4.5.3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

17、如圖9所示。它主要由64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH、TL和配置寄存器組成。圖8 DS18B20采集電路64位ROM和單線接口存儲(chǔ)器和控制器高速緩存存儲(chǔ)器8位CRC生成器溫度敏感元件低溫觸發(fā)器T高溫觸發(fā)器T配置寄存器電源檢測(cè)圖9 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖4.5.4 DS18B20的測(cè)溫原理DS18B20的測(cè)溫原理如圖10所示，圖10中低度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-20所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)

18、生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值5。DS18B20在使用時(shí)的測(cè)溫分辨率為1，如果要更高的精度，則在對(duì) DS18B20測(cè)溫原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，采取直接讀取DS18B20內(nèi)部暫存寄存器的方法，將DS18B20的測(cè)溫分辨率提高到0.10.01。圖10 DS18B20測(cè)溫原理斜率累加器預(yù)置低溫度系數(shù)晶振高溫度

19、系數(shù)晶振比較計(jì)數(shù)器1=0計(jì)數(shù)器2=0預(yù)置溫度寄存器加1LSB置位/清除 4.5.5 DS18B20內(nèi)部暫存器DS18B20內(nèi)部暫存寄存器的分布如表1所列，其中第 7字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄存器停止增值時(shí)計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值，第8字節(jié)存放的是每度所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值。這樣，我們就可以通過(guò)下面的方法獲得高分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果。首先用DS18B20提供的讀暫存寄存器指令（BEH），讀出以0.1為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后再用BEH指令讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值M剩余和每度計(jì)數(shù)值M每度?？紤]到DS18B20測(cè)量溫度的整數(shù)部分是以0.25、0

20、.75為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度T可用下式計(jì)算得到：T實(shí)際=（T-0.25）+（M-M）/M表1 暫存器的對(duì)應(yīng)值 暫存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度最高數(shù)字位0溫度最低數(shù)字位1高溫限制2低溫限制3配置寄存器4保留5計(jì)數(shù)剩余值6每度計(jì)數(shù)值7CRC校驗(yàn)84.6 nRF905收發(fā)模塊此部分是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，收發(fā)模塊采用nRF905無(wú)線收發(fā)芯片。nRF905的外部電路主要有三個(gè)部分組成：VCO的外部電路、天線和接口驅(qū)動(dòng)電路。nRF905所有的RF頻率都是由片內(nèi)壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生。其諧振回路將包括以下幾個(gè)部分: 片內(nèi)電路、外部VCO電路、連接芯片和VCO電感的線路電感、VCO電感到地線層線路的寄生電容。引

21、腳XC1和XC2之外的整個(gè)電路都可視作VCO電感。VCO電感的品質(zhì)因數(shù)Q值對(duì)VCO內(nèi)部的相位噪聲和電壓擺幅起著決定作用，如果Q值太低，VCO甚至不能起振。對(duì)于nRF905收發(fā)器，要求Q(4 04 5)，電感量的精度應(yīng)控制在2之內(nèi)。圖11 收發(fā)電路模塊4.6.1 nRF905芯片介紹nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)模塊，工作頻道覆蓋433/868/915MHZ 三個(gè)國(guó)際通用的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段，具有多個(gè)頻道(最多170個(gè)以上)，可滿(mǎn)足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合; 它是GMSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。頻率穩(wěn)定性極好，靈敏度高，達(dá)到-100d

22、Bm；最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm。工作電壓低（1.93.6V），功耗小，待機(jī)狀態(tài)僅為1s，以-10dBm輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，并且內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。工作速率最高可達(dá)100Kb/s，外圍元件少，基本無(wú)需調(diào)試。nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器、通信協(xié)議控制等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無(wú)需用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便 。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12所示。nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM

23、發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX-CE、TX-EN和PWR-UP三個(gè)引腳決定，詳見(jiàn)表2。 由于nRF905具有ShockBurstTM功能，使得nRF905不需要使用昂貴的高速微控制處理器對(duì)數(shù)據(jù)處理/時(shí)鐘恢復(fù)，也能達(dá)到較高的數(shù)據(jù)率。通過(guò)在芯片上將所有的高速信號(hào)處理變?yōu)樯漕l通信協(xié)議，nRF905芯片提供了一個(gè)具有微控制器能力圖12 nRF905內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖的SPI接口，數(shù)據(jù)率由具有微控制器功能的接口速率自行設(shè)定。收發(fā)電路的數(shù)字部分是一個(gè)低速率電路，而收發(fā)電路的射頻鏈接卻是一個(gè)處于最高速率的電路，整個(gè)電路要通過(guò)變速才能解決速率上的差異。nRF905芯片的

24、ShockBurstTM模式減少了在這一過(guò)程中的平均電流消耗。在ShockBurstTM RX模式中，當(dāng)一個(gè)有效地址的數(shù)據(jù)包被接收時(shí)，能夠通過(guò)AM和R兩個(gè)信號(hào)外送給MCU 。在ShockBurstTMTX模式中，nRF905芯片自動(dòng)地完成報(bào)頭的生成和CRC校驗(yàn)，當(dāng)發(fā)送過(guò)程完成后，能夠通過(guò)DR信號(hào)外送給MCU，發(fā)送工作已經(jīng)完成。這樣可以降低MCU對(duì)內(nèi)存的要求，使得MCU實(shí)現(xiàn)了低成本，同時(shí)也縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期6。表2 nRF905的工作模式PWR_UPTRX_CETX_ EN工作模式0關(guān)機(jī)模式10空閑模式110接收模式111發(fā)送模式4.6.2 數(shù)據(jù)發(fā)送典型nRF905的發(fā)送流程分以下幾步：(1)

25、當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過(guò)SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定;(2)微控制器置TRX-CE和TX-CE為高電平，激發(fā)nRF905的射頻發(fā)射模式;(3)當(dāng)nRF905處與射頻發(fā)射模式時(shí)，射頻電路將自動(dòng)提升功率，對(duì)數(shù)據(jù)打包（添加報(bào)頭，完成CRC校驗(yàn)計(jì)算），完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送。發(fā)送完成后，DR信號(hào)將被設(shè)為高電平；在發(fā)送期間，無(wú)論TRX-CE和TX-CE發(fā)生怎樣的改變，nRF905都能保證本次發(fā)送從開(kāi)始到結(jié)束的一次性完成，只有在前一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包。而新的模式只有在此次發(fā)送完成后才會(huì)被激活

26、。(4)當(dāng)射頻配置寄存器中的AUTO-RETRAN字段為“1”時(shí)，不斷重發(fā)，nRF905直到TRX-CE被置低；而當(dāng)TRX-CE被置低，nRF905發(fā)送過(guò)程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式；如果TX-CE為低電平而TRX-CE繼續(xù)保持高電平，那么nRF905芯片將在完成本次發(fā)送后，進(jìn)入RX模式并且進(jìn)入預(yù)設(shè)的信道7。4.6.3 數(shù)據(jù)接收當(dāng)TRX-CE為高、TX-CE為低時(shí)，nRF905進(jìn)入接收模式：(1)650s后，nRF905開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)無(wú)線電信號(hào)；(2)當(dāng)nRF905檢測(cè)接收頻率的載波時(shí)，CD變?yōu)楦唠娖? 當(dāng)接收到一個(gè)有效的地址，AM變?yōu)楦唠娖剑?3)當(dāng)被接收的數(shù)據(jù)包CRC校驗(yàn)正確，nRF905將除去報(bào)頭

27、，地址及CRC比特，同時(shí)使DR變?yōu)楦唠娖剑?4)微控制器把TRX-CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式；微控制器通過(guò)SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；(5)當(dāng)所有的負(fù)載數(shù)據(jù)傳出后，nRF905再次將設(shè)定AM和DR低電平。當(dāng)正在接收一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，TRX-CE或TX-CE引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到地址匹配引腳的信號(hào)之后，其就知道nRF905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓nRF905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個(gè)工作模式。其中MOSI/MISO是發(fā)射/ 接收數(shù)據(jù)的通道；TRX_CE，TX-CE是收/發(fā)通道的控制端；PWR-UP是工作模式

28、控制端；CSN、SCK為串行接口控制端；CD是接收模式下載波監(jiān)測(cè)信號(hào)輸出端；AM是接收到正確的數(shù)據(jù)包地址后芯片指示信號(hào)的輸出端；DR是發(fā)射完一個(gè)數(shù)據(jù)包后芯片指示信號(hào)的輸出端；UPCLK是芯片提供的一個(gè)可設(shè)置的時(shí)鐘源信號(hào)輸出端；ANT1和ANT2用于天線部分; XC1和XC2外接電路構(gòu)成了晶體振蕩電路。4.7 收發(fā)天線的設(shè)計(jì)nRF905芯片可以選擇多種形式的天線作為無(wú)線傳輸?shù)耐緩健?duì)于低損耗、小尺寸的無(wú)線模塊來(lái)說(shuō)，具有T型匹配網(wǎng)絡(luò)的環(huán)形天線是一個(gè)很好天線的解決方案。本系統(tǒng)采用PCB板上環(huán)形天線，該方案具有成本低，方向性較好等特點(diǎn)。天線電路如圖13所示。圖13 天線電路圖5 軟件介紹5.1 采集電

29、路流程圖DS18B20的工作遵循嚴(yán)格的單總線協(xié)議。主機(jī)首先發(fā)一復(fù)位脈沖，使信號(hào)線上所有的DS18B20芯片都被復(fù)位，接著發(fā)送ROM操作命令，使序列號(hào)編碼匹配的DS18B20被激活，準(zhǔn)備接收下面的內(nèi)存訪問(wèn)命令。內(nèi)存訪問(wèn)命令控制選中的DS18B20的工作狀態(tài)，完成整個(gè)溫度轉(zhuǎn)換、讀取等工作(單總線ROM命令發(fā)送之前存儲(chǔ)命令和控制命令不起作用)。其工作流程圖如圖14所示。在對(duì)DS18B20進(jìn)行操作的整個(gè)過(guò)程中，主要包括三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程:主機(jī)搜索DS18B20序列號(hào)、啟動(dòng)在線DS18B20作溫度轉(zhuǎn)換、讀取在線DS18B20溫度值。其中主機(jī)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值的流程圖如圖15所示。工作中系統(tǒng)對(duì)DS18B2

30、0的操作以ROM命令和存儲(chǔ)器命令形式出現(xiàn)。其中ROM操作命令均為8位長(zhǎng)，命令代碼分別為：讀ROM（33H）、匹配ROM（55H）、跳過(guò)ROM（CCH)、搜索ROM（FOH）和告警搜索（ECH）命令。存儲(chǔ)器操作命令為：寫(xiě)暫存存儲(chǔ)器（44H）、讀暫存存儲(chǔ)器（BEH）。復(fù)制暫存存儲(chǔ)器（48H）,溫度變（44H）、重新調(diào)出EERAM（B8H）和讀電源供電方式(B4H)命令。寫(xiě)溫度：將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫(xiě)起始信號(hào)。在15s之內(nèi)將所需寫(xiě)的位送到數(shù)據(jù)線上，在15s到60s之間對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣，如果采樣為高電平，就寫(xiě)1，如果為低電平，寫(xiě)0就發(fā)生。在開(kāi)始另一個(gè)寫(xiě)周期前必須有1s以上的高電平恢復(fù)期。讀

31、溫度：主機(jī)將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平1s以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電平，從而產(chǎn)生讀起始信號(hào)。主機(jī)在讀時(shí)間片下降沿之后1s內(nèi)完成讀位。每個(gè)讀周期最短的持續(xù)期為60s，各個(gè)讀周期之間也必須有1s以下的高電平恢復(fù)期。5.2 鍵盤(pán)流程圖鍵盤(pán)顯示及流程圖如圖16所示。5.3 nRF905控制程序控制nRF905的程序設(shè)計(jì)，大致分兩個(gè)階段,首先是對(duì)nRF905進(jìn)行初始配置，配置完成后按需要編寫(xiě)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收程序。圖14 工作流程圖Ni=i+1YN開(kāi)始初始化DS18B20發(fā)搜索ROM命令讀在線DSI8B20序列號(hào)存在一個(gè)DS18B20？初始化DS18B20發(fā)跳過(guò)ROM命令發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令等待2si=1初始化DS

32、18B20發(fā)匹配ROM命令發(fā)一個(gè)DSI8B20序列號(hào)讀存儲(chǔ)器讀匹配DSI8B20溫度所有DS18B20訪問(wèn)完？Y復(fù)位脈沖讀一個(gè)脈沖發(fā)SKIP ROM命令發(fā)WRITE SCRATCHPAD命令寫(xiě)TH,TL和CONFIG的值復(fù)位脈沖讀一個(gè)脈沖發(fā)SKIP ROM命令發(fā)READ SCRATCHPAD命令復(fù)位脈沖讀一個(gè)脈沖發(fā)SKIP ROM命令發(fā)COPE SCRATCHPAD命令，等10s復(fù)位脈沖讀一個(gè)脈沖圖15 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換及讀溫度值流程圖圖16 鍵盤(pán)及顯示流程圖NNYYYYNYNNY開(kāi)始置所有的行為低電平延時(shí)10msRET記下列號(hào)初值，使某一列為低第一列有鍵按下嗎？是否鍵抖動(dòng)？是第1行？是第2行？R

33、ETR4送初值08HR0送初值00H取鍵盤(pán)號(hào)是命令鍵？轉(zhuǎn)命令鍵字形碼初值送DPTR取字形碼數(shù)據(jù)取顯示緩沖指針顯示緩沖地址加1判是否最高位？保存緩沖地址送顯示子程序地址轉(zhuǎn)移表送DPTR根據(jù)指針跳轉(zhuǎn)繼續(xù)下一位顯示完畢結(jié)束5.3.1 初始化配置第一階段應(yīng)完成初始化配置，分以下幾項(xiàng)：(1)初始化 nRF905的射頻配置寄存器。這些寄存器中有很多信息，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置，另外還有發(fā)送地址、接收地址、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用配置。(2)配置nRF905的發(fā)送地址，最多4個(gè)字節(jié)，發(fā)送端的發(fā)送地址應(yīng)與接收端設(shè)備的接收地址相同。在實(shí)際工作中，nRF905可以自動(dòng)濾除地址不相同的數(shù)據(jù)，只有地

34、址匹配且校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)才會(huì)被接收，并存儲(chǔ)在接收數(shù)據(jù)寄存器中。5.3.2 nRF905發(fā)送流程圖圖17 nRF905的發(fā)送程序流程圖NNYNYY配置寄存器中自動(dòng)重發(fā)位是否為高？進(jìn)入SPI編程模式；輸入要發(fā)送的地址和數(shù)據(jù)THX-CE=1？進(jìn)入發(fā)送模式；自動(dòng)產(chǎn)生先導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，完成時(shí)DR=1TRX-CE=1？產(chǎn)生先代碼后DR為0TX-EN=1PWR-UP=1TRX-CE=0進(jìn)入待機(jī)模式5.3.3 nRF905接收流程圖圖18 nRF905的接收程序流程圖NNYYNYNTRX-CE=1？進(jìn)入到接收模式；接收到載波時(shí)CD=1地址是否正確？AM=1接收數(shù)據(jù)校驗(yàn)是否正確？DR=1YTRX

35、-CE=1？nRF905進(jìn)入待機(jī)模式MCU通過(guò)SPI接口接收數(shù)據(jù)DR=O;AM=0TX-EN=0PWR-IP=1進(jìn)入待機(jī)模式AM=06 結(jié)論本系統(tǒng)就是充分利用了DS18B20、89C51和nRF905。系統(tǒng)采用DS18B20采集溫度并通過(guò)89C51單片機(jī)控制數(shù)據(jù)通過(guò)LED顯示，再經(jīng)nRF905，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。DS18B20傳感器精度高、互換性好;它直接將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù),通信方便,傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾性好;與用傳統(tǒng)溫度傳感器組成的多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)相比可節(jié)省大量電纜,而且系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化,系統(tǒng)擴(kuò)充維護(hù)十分方便。nRF905通過(guò)SPI接口與89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,通過(guò)S

36、hockBurst收發(fā)模式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送,收發(fā)可靠,使用方便。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)可測(cè)量的溫度范圍為-20+50， 接收端也能夠正確地接收到數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái),顯示的溫度值非常準(zhǔn)確。采用 PCB 板微帶天線時(shí), 無(wú)線通信的距離比較遠(yuǎn), 通過(guò)發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù), 在接收端能正確接收數(shù)據(jù)并顯示。實(shí)驗(yàn)表明, 該系統(tǒng)充分說(shuō)明了nRF905的性能良好, 實(shí)時(shí)性好, 實(shí)用性強(qiáng)。總之,該設(shè)計(jì)提供了一種行之有效的多路無(wú)線溫度采集及傳輸?shù)姆椒?經(jīng)過(guò)多次使用發(fā)現(xiàn)其可移植性好,實(shí)用性強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展移植實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控遙測(cè),如：無(wú)線抄表-數(shù)據(jù)采集-無(wú)線控制-無(wú)線數(shù)據(jù)傳送-無(wú)線家庭自動(dòng)化、無(wú)線門(mén)禁考勤、無(wú)

37、線電力測(cè)控、無(wú)線智能家庭、無(wú)線智能公交系統(tǒng)等。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我得到了一次用專(zhuān)業(yè)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)技能分析和解決問(wèn)題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在單片機(jī)的基本原理、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，以及在常用編程設(shè)計(jì)思路技巧（特別是匯編語(yǔ)言）的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。致謝本論文是在老師的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下順利完成的。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我獲得了豐富的理論知識(shí)，極大地提高了實(shí)踐能力，并對(duì)當(dāng)前電子領(lǐng)域的研究狀況和發(fā)展方向有了一定的了解和認(rèn)識(shí)，對(duì)單片機(jī)領(lǐng)域也有了更深入的學(xué)習(xí)，這對(duì)我今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)有極大的幫助。在此衷心感謝指導(dǎo)老師，同時(shí)還要感謝其他教育過(guò)我的老師

38、們，他們?cè)谶@四年期間，也給了我很大的幫助。另外，在我設(shè)計(jì)期間，本小組的同學(xué)也給了我很多的幫助，在此我也向他們表達(dá)我真誠(chéng)的謝意。在大學(xué)求學(xué)的四年中，河南科技學(xué)院的各位領(lǐng)導(dǎo)、老師和同學(xué)對(duì)我的學(xué)習(xí)給予了很大的支持和幫助，我在這里不僅體會(huì)到了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，而且也感受到了集體給我的關(guān)懷，在此對(duì)他們表示衷心的感謝。在未來(lái)的工作和學(xué)習(xí)中，我將以更好的成績(jī)來(lái)回報(bào)各位領(lǐng)導(dǎo)和老師。參考文獻(xiàn)1鄭長(zhǎng)征.基于nRF905的糧庫(kù)無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)J.微計(jì)算機(jī)信息,2007(17):29-312李朝青.單片機(jī)原理及接口電路M.北京航空航天大學(xué)出版社,20073胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版,20054曹巧媛.

39、單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,20025劉鳴.溫度傳感器DS18B20的特性及程序設(shè)計(jì)方法J.電測(cè)與儀表,2001(45):15-16 6金保華.基于nRF905的無(wú)線數(shù)據(jù)多點(diǎn)跳傳的通信系統(tǒng)J.儀表技術(shù)與傳感器,2004 (14):3-5 7蔣博.nRF905的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)J.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置2006(15):24-168周月霞,孫傳友.DS18B20硬件連接及軟件編程J.傳感器世界,2001(6):2-39雷麗文等.微機(jī)原理與接口技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社,199710黃智偉.單片無(wú)線收發(fā)集成電路原理與應(yīng)用M.北京:人民郵電出版社,200511馬先才.單向無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系

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