多點無線溫度采集系統(tǒng)

1、摘 要本文介紹一種多點無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計與制作。該系統(tǒng)能在一定時間內(nèi)通過DS18B20測量多達6561個點的溫度，并能將溫度數(shù)據(jù)顯示在LED數(shù)碼管上。其中從機能將溫度數(shù)據(jù)通過DF無線模塊和PT2262/2272芯片用無線方式發(fā)送給主機，實現(xiàn)溫度的無線采集。溫度傳感器選用DS18B20，實際應(yīng)用中測量范圍可達-1050,精度可達0.1。通過LED四位數(shù)碼管顯示溫度，無線傳輸模塊選用DF模塊以及配套芯片PT2262/2272，可在10m范圍內(nèi)進行傳輸。用KEIL軟件編寫程序并最終通過AT89S52單片機作為控制核心使整個系統(tǒng)順利運行。關(guān)鍵詞：多點溫度采集；無線傳輸；DF模塊；DS18B20；A

2、bstractThis paper introduces the design and production of a kind of multi-point wireless temperature gathering system. This system can measure temperature of 6561 points in a certain period via DS18B20, and can display temperature data in the LED digital display tube. Temperature data can be sent fr

3、om client to host through wireless means such as DF module and PT2262/2272.DS18B20 is used as temperature sensor. It can measure temperature range from -10 to 50 and precision can reach 0.1. Temperature displayed by LED four digital pipe, using DF module and PT2262/2272 to realize 10m wireless trans

4、mission ,writing programs by KEIL software, and running system smoothly by AT89S52.Keyword: temperature gathering; wireless; DF module; DS18B20;目錄1 緒 論11.1溫度測量背景及意義11.2無線通信技術(shù)概述11.3短距離無線通信特征21.4課題主要工作31.5本章小結(jié)32系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹42.1DS18B20簡介4DS18B20主要特性42.2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)4DS18B20工作原理5高速緩存存儲器82.3DF無線傳輸模塊介紹102.4AT89

5、S52單片機簡單介紹12內(nèi)部結(jié)構(gòu)12AT89S52單片機引腳功能描述132.5本章小結(jié)153系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計163.1系統(tǒng)硬件設(shè)計16主機設(shè)計17從機設(shè)計173.2系統(tǒng)軟件設(shè)計183.3本章小結(jié)204系統(tǒng)測試與分析214.1無線傳輸距離與延遲測試與分析214.2溫度采集測試與分析214.3多點采集測試與分析215成果及展望225.1取得的成果225.2工作展望22參考文獻23致 謝24附錄25附錄一：實物圖25附錄二：源程序261 緒 論1.1 溫度測量背景及意義日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要用到溫度的檢測及控制，在冶金、食品加工、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等

6、，都要求對溫度進行嚴格控制。在日常生活中，電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等電器也需要進行溫度檢測與控制。溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人們生活與環(huán)境溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實時測量溫度，在工業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法具有重要的意義。1.2 無線通信技術(shù)概述無線通信系統(tǒng)(Wireless Communication System) 也稱為無線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、無線信道三部分組成，是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，在移動中實現(xiàn)的無線通信又被稱移動通信，該技術(shù)的發(fā)展始于上世紀20年代，經(jīng)歷了五個發(fā)展階段1。第一階

7、段從上世紀20年代到40年代，為早期發(fā)展階段。在這期間，首先在短波幾個頻段上開發(fā)出專用移動通信系統(tǒng)，起代表是美國底特律市警察使用的車載無線電系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為2MHz，到40年代提高到3040MHz?？梢哉J為這個階段是現(xiàn)代移動通信的起步階段，特點是專用系統(tǒng)開發(fā)，工作頻率較低。第二階段從40年代中期至60年代初期。在此期間內(nèi)，公用移動通信業(yè)務(wù)開始問世。這一階段的特點是從專用移動向公用移動網(wǎng)過度，接續(xù)方式為人工，網(wǎng)容量較小。第三階段從60年代中期至70年代中期，使用150MHz和450MHz頻段，實現(xiàn)了無線頻道自動選擇并能夠自動接續(xù)到公用電話網(wǎng)。這一階段是移動通信系統(tǒng)改進和完善的階段，其特點是

8、采用大區(qū)制，中小容量，使用450MHz頻段，實現(xiàn)了自動選頻和自動接續(xù)。第四階段從70年代中期至80年代中期，這是移動通信蓬勃發(fā)展時期。1978年底，美國貝爾實驗室研制成功先進移動電話系統(tǒng)（AMPS）,建成了蜂窩狀移動通信網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)容量。第五階段從80年代中期開始，這是數(shù)字移動通信系統(tǒng)發(fā)展和成熟時期，開發(fā)了新一代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。數(shù)字無線傳輸?shù)念l譜利用率高，可大大提高系統(tǒng)容量。另外，數(shù)字網(wǎng)能提供語音、數(shù)據(jù)多種業(yè)務(wù)服務(wù)，并與ISDN等兼容。實際上，早在70年代末期，當(dāng)模擬蜂窩系統(tǒng)還處于開發(fā)階段時，一些發(fā)達國家就著手數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的研究。到80年代中期，歐洲首先推出了泛歐數(shù)字移動通

9、信網(wǎng)（GSM）的體系。目前，正處在第五階段的第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)時代。這一時代的特點是通信頻帶進一步加寬，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)所占的比重大幅度增加，全面走向移動多媒體通信。當(dāng)今無線移動通信的發(fā)展主要體現(xiàn)在五大技術(shù)的發(fā)展中：一是舉世矚目的3G技術(shù)，二是3.5Gghz寬帶固定無線接入的推廣應(yīng)用，三是WLAN標(biāo)準的選用，四是寬帶無線技術(shù)新寵WIMAX，五是超寬帶無線接入技術(shù)UWB2。這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用促使無線移動通信的總體走勢是接入多元、網(wǎng)絡(luò)一體和綜合布局。1.3 短距離無線通信特征低成本、低功耗和對等通信，是短距離無線通信技術(shù)的三大重要特征和優(yōu)勢3。首先，低成本是短距離無線通信的客觀要求，因為各種通信終端

10、的產(chǎn)銷量都很大，要提供終端間的直通能力，沒有足夠低的成本是很難推廣的。其次，低功耗是相對其他無線通信技術(shù)而言的一個特點，這與其通信距離短這個先天特點密切相關(guān)，由于傳播距離近，遇到障礙物的幾率也小，發(fā)射功率普遍都很低，通常在1毫瓦量級。短距離無線通信技術(shù)的范圍很廣，在一般意義上，只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，并且傳輸距離限制在較短的范圍內(nèi)，通常是幾十米內(nèi)，就可以稱為短距離無線通信。目前幾種主流的短距離無線通信技術(shù)包括：高速WPAN技術(shù)；UWB高速無線通信技術(shù)，包括MB-OFDM、DS-UWB；WirelessUSB是一個全新無線傳輸標(biāo)準，可提供簡單、可靠的低成本無線解決方案，幫助用戶實現(xiàn)

11、無線功能。因此低速WPAN技術(shù)和IEEE802.154Zigbee，Zigbee是一種低速短距離無線通信技術(shù)。它的出發(fā)點是希望發(fā)展一種拓展性強、易建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)，強調(diào)低耗電、 雙向傳輸和感應(yīng)功能等特色。ZigbeePHY和MAC層由IEEE802.15.4標(biāo)準定義。IEEE802.15.4a是作為IEEE802.15.4的一個補充，其物理層的標(biāo)準可能采用低速UWB技術(shù)。藍牙底層PHY層和MAC層協(xié)議的標(biāo)準版本為IEEE802.15.1，大多數(shù)標(biāo)準的制訂工作還由藍牙開發(fā)小組SIG負責(zé)4。RFID是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸性來實現(xiàn)對被識

12、別物體的自動識別。RFID技術(shù)的發(fā)展得益于多項技術(shù)的綜合發(fā)展，包括芯片技術(shù)、天線技術(shù)、無線技術(shù)、電磁傳播技術(shù)、數(shù)據(jù)交換與編碼技術(shù)等。一套典型的RFID系統(tǒng)有電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。電子標(biāo)簽與讀寫器配合完成對被識別對象的信息采集功能；信息處理系統(tǒng)則根據(jù)需求承擔(dān)相應(yīng)的信息控制和處理工作。高速WPAN，目前主要應(yīng)用于連接下一代便攜式消費和通信設(shè)備。它支持各種高速率的多媒體應(yīng)用、高質(zhì)量聲像配送、多兆字節(jié)音樂和圖像文檔傳送等。低速WPAN，主要用于家庭、工廠與倉庫的自動控制，安全監(jiān)視、保健監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)視，軍事行動、消防隊員操作指揮，貨單自動更新、庫存實時跟蹤以及游戲和互動玩具等方面的低俗應(yīng)用

13、。1.4 課題主要工作本文將重點研究短距離無線溫度采集系統(tǒng)的實現(xiàn)，主要包括以下幾個方面。 (1) 在調(diào)研無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際應(yīng)用基礎(chǔ)上，本文將制作基于單片機的無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將制作硬件和編寫主機發(fā)送程序，從機接收程序，顯示程序。為實現(xiàn)此系統(tǒng)功能，對硬件設(shè)備進行如下選型，采用AT89S52單片機作為DF無線收發(fā)模塊的編解碼控制芯片。 (2) 利用protel進行系統(tǒng)電路繪制。(3) 將在硬件電路焊接完成后，開始設(shè)計系統(tǒng)軟件，在Keil C開發(fā)環(huán)境下，用C語言編寫單片機的內(nèi)核程序?；緦崿F(xiàn)預(yù)期的功能后，將對該系統(tǒng)進行可靠性和有效性評估，主要是對其有效傳輸距離的測量，以及誤碼率的測試。(4)

14、 最后，將針對系統(tǒng)調(diào)試時反應(yīng)出來的缺陷和不足，提出優(yōu)化方法，使其在操作上更簡單，功能上更加復(fù)雜，使整個系統(tǒng)具有一定的使用價值，而不僅僅停留在實驗?zāi)M的基礎(chǔ)上。預(yù)計本系統(tǒng)稍加改進就可以實現(xiàn)遙控器的功能，用于家用電器的自動化控制，高級玩具的智能控制等。1.5 本章小結(jié)本章主要介紹了設(shè)計制作溫度采集系統(tǒng)的意義以及無線技術(shù)的相關(guān)知識介紹。2 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹本章首先介紹了DS18B20的性能和工作原理；接著詳細介紹本系統(tǒng)所用到的DF無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；詳細描述了整個系統(tǒng)的控制芯片AT89S52。2.1 DS18B20簡介2.1.1 DS18B20主要特性1、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在

15、寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；2、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；3、DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫；4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；5、溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5；6、可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫；7、在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把

16、溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。8、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；9、負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。2.2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，如圖2.2：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管腳排列如圖2.1：圖2.1:DS18B20引腳圖DS18B20引腳定義： (1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端； (2)GND為電源地； (3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。存儲器和控制

17、器溫度靈敏原件低溫觸發(fā)器TL高溫觸發(fā)器TH配置寄存器高速緩存存儲器8位CRC生成器64位ROM和單線接口電源檢測圖2.2： DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2.1 DS18B20工作原理 DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖2.3所示。圖中低溫度系數(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送給計數(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)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶

18、振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖2.3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。斜率累加器低溫度系數(shù)晶振比較預(yù)置預(yù)置高溫度系數(shù)晶振計數(shù)器2計數(shù)器1=0=0溫度寄存器加1停止LSB置位/清除圖2.3： DS18B20測溫原理框圖DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件： （1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS1

19、8B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。表2.1: DS18B20溫度值格式表Bit 7Bit 6Bit 5Bit 4Bi t3Bit 2Bit 1Bit 0LS Byte2

20、32221202-12-22-32-4Bit 15Bit 14Bit 13Bit 12Bit 11Bit 10Bit 9Bit 8MSByteSSSSS262524這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。表2.2: DS

21、18B20溫度數(shù)據(jù)表TEMPERRATUREDIGITAI OUTPUT(bina)DIGITAI OUTPUT(hex)1250000 0111 1101 000007D0h850000 0101 0101 00000550h25.06250000 0001 1001 00010191h10.1250000 0000 1010 001000A2h0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1

22、110 0110 1111FE6Fh-551111 1100 1001 0000FC90h（3）DS18B20溫度傳感器的存儲器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速緩存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 （4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下：表2.3： 配置寄存器結(jié)構(gòu)TMR1R011111低五位一直都是1，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（DS18B20出廠時被設(shè)置為12位）表2.4： 溫度

23、分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位75ms1112位750ms2.2.2 高速緩存存儲器高速緩存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表5所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速緩存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如表2.1所示。表 2.2是對應(yīng)的一部分溫度值。表2.5： DS18B20緩存寄存器分布寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位 （LS Byte）0溫度值高位 （MS Byte）1高溫限值（TH）2低溫限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗值8根據(jù)DS18B

24、20的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500ms，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號后等待1660ms左右，后發(fā)出60240ms的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。表2.6： ROM指令表指 令約定代碼功 能讀ROM33H讀DS1820溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）符合 ROM55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼，訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的 DS182

25、0 使之作出響應(yīng)，為下一步對該 DS1820 的讀寫作準備。搜索 ROM0FOH用于確定掛接在同一總線上 DS1820 的個數(shù)和識別 64 位 RM 地址。為操作各器件作好備。跳過 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。表2.7： RAM指令表指 令約定代碼功 能溫度變換44H啟動DS1820進行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時最長為750ms（9位為93.75ms）。結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中。讀緩存器0BEH讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫緩存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的3、

26、4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。復(fù)制緩存器48H將RAM中第3 、4字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM中。重調(diào) EEPROM0B8H將EEPROM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3 、4字節(jié)。讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電時DS1820發(fā)送“ 0 ”，外接電源供電 DS1820發(fā)送“ 1 ”。2.3 DF無線傳輸模塊介紹DF數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的工作頻率為315MHz，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定性極高，當(dāng)環(huán)境溫度在-25+85之間變化時，頻率飄移僅為3ppm/。特別適合多發(fā)一收無線遙控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一般的LC振蕩器頻率穩(wěn)定度及一致性較差，即使采用高品

27、質(zhì)微調(diào)電容，溫差變化及振動也很難保證已調(diào)好的頻點不會發(fā)生偏移。DF發(fā)射模塊未設(shè)置編碼集成電路，而增加了一只數(shù)據(jù)調(diào)制三極管Q1，這種結(jié)構(gòu)使得它可以方便地和其他固定編碼電路、滾動碼電路及單片機接口，而不必考慮編碼的工作電壓和輸出幅度信號值的大小。DF數(shù)據(jù)模塊具有較寬的工作電壓312V，當(dāng)電壓變化時發(fā)射頻率基本不變，和發(fā)射模塊配套的接收模塊無需任何調(diào)整就能穩(wěn)定地接收。DF數(shù)據(jù)模塊采用ASK方式調(diào)試，以降低功耗，當(dāng)數(shù)據(jù)信號停止時發(fā)射電流降為零，數(shù)據(jù)信號與DF發(fā)射模塊輸入端可以用電阻或者直接連接而不能用電容耦合，否則DF發(fā)射模塊將不能正常工作。數(shù)據(jù)電平應(yīng)接近DF數(shù)據(jù)模塊的實際工作電壓，以獲得較高的調(diào)制效

28、果。DF發(fā)射模塊最好垂直安裝在主板的邊緣應(yīng)離開周圍器件5mm以上，以免分布參數(shù)影響。DF模塊的傳輸距離與調(diào)制信號頻率及幅度，發(fā)射電壓及電池容量，發(fā)射天線，接收機的靈敏度，收發(fā)環(huán)境有關(guān)。圖2.4為DF發(fā)射模塊的電路原理圖。圖2.4 DF發(fā)射模塊電路原理圖DF超外差接收模塊的工作電壓為5V，它為超再生接收電路，接收靈敏度為105dbm，接收天線最好為2530cm的導(dǎo)線，最好能豎立起來。接收模塊本身不帶解碼集成電路，因此接收電路僅是一種組件，只有應(yīng)用在具體電路中進行二次開發(fā)才能發(fā)揮應(yīng)有的作用，它可以和各種解碼電路或者單片機配合，DF模塊自身輻射極小，加上電路模塊背面網(wǎng)狀接地銅箔的屏蔽作用，可以減少自

29、身振蕩的泄露外界干擾信號的侵入。圖2.5為超外差接收模塊的電路原理圖。圖2.5 超外差接收模塊電路原理圖2.4 AT89S52單片機簡單介紹2.4.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89系列單片機是以Intel公司的MCS-51單片機為核心的部件結(jié)構(gòu)，它與8051其他型號的單片機是兼容的。單片機是把微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。它的結(jié)構(gòu)和指令都是按照工業(yè)要求設(shè)計的，也稱為微控制器。AT89系列單片機的精簡結(jié)構(gòu)如2.6所示。振蕩器及定時電路8KB程序存儲器ROM數(shù)據(jù)存儲器RAM2個16位定時器CPU64KB總線擴展控制可編程I/O口48位可編程串行口頻率基準源 計數(shù)器T0/T1內(nèi)部總線控

30、制 并行I/O口 串行輸入/輸出圖2.6 AT89單片機簡單結(jié)構(gòu)方框圖AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲技術(shù)制造。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，也適合于常規(guī)編程。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路

31、。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。AT89S52型號單片機幾乎涵蓋了所有結(jié)構(gòu)功能，它的主要功能特點是：(1) 8位字長CPU，指令、引腳、與MCS51全兼容；(2) 8KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器；(3) 1000次擦寫周期；(4) 4個I/O口共32；(5) 4.0V5.0V的工作電源電壓；(6) 振蕩器和時鐘電路，全靜態(tài)操作，033MHz；(7) 3級程序存儲器鎖存；(8)

32、 2568B片內(nèi)RAM；(9) 3個可編程定時器：T0、T1和T2；(10) 8個中斷源；(11) 全雙工串行口通道；(12) 低功耗休閑和降壓模式；(13) ISP端口，即在線編程；(14) 定時監(jiān)視器，又稱看門狗；(15) 雙數(shù)據(jù)指針；(16) 電源下降標(biāo)志。2.4.2 AT89S52單片機引腳功能描述AT89S52單片機是MSC-51系列產(chǎn)品的升級版，由世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL在購買MSC-51設(shè)計結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù)對舊技術(shù)進行改進和擴展，同時使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。圖2.7是該單片機引腳排列封裝圖，使用雙列直插DIP-40的封裝。圖2.7 AT89S52單片

33、機引腳圖在單片機的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶振的引腳，4條控制或與其他電源復(fù)用的引腳，32條I/O引腳。部分引腳功能是：(1)主電源引腳VSS和VCC Vss或GND：接地腳； VCC:電源供電，正常為+5V電壓；(2)外接晶振引腳XTAL1和XTAL2當(dāng)外接晶體振蕩器時，XTAL1和XTAL2分別接在外接晶體振蕩器的兩端。片內(nèi)振蕩器由一個單級反相器組成，XTAL1為反相器的輸入，XTAL2為輸出。當(dāng)采用外部振蕩器提供的時鐘信號時，XTAL1端作為輸入，而XTAL2腳懸浮。(3)控制引腳RST、ALE/、/VppRST：當(dāng)振蕩器正常工作時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的

34、高電平是單片機復(fù)位。而在定時監(jiān)視器定時輸出后，引腳置成高電平并持續(xù)96個振蕩周期。在VCC掉電期間，此引腳還外接外加的備用電源，以保持內(nèi)部的RAM的數(shù)據(jù)。當(dāng)VCC下降到低于規(guī)定的水平，該引腳在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，向內(nèi)部RAM提供備用電源。ALE：地址鎖存使能端；：程序存儲器讀選通信號，低電平有效。在外接擴展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器時，它們的地址是可以重合的，AT89系列單片機就是通過相應(yīng)的控制信號來區(qū)別P2口和P0口送出的到底是程序存儲器的地址還是數(shù)據(jù)存儲器的地址。在訪問外部存儲器讀取指令或者常數(shù)時，每個機器周期產(chǎn)生兩個有效信號，即輸出兩個PSEN有效信號，此時地址總線上送出的就是程序存儲器的地址

35、。而如果訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，不產(chǎn)生兩個PSEN信號。同時，在單片機執(zhí)行訪問內(nèi)部程序存儲器時也不產(chǎn)生兩個這樣的信號；/Vpp：是訪問內(nèi)部或外部程序存儲器的選擇信號。當(dāng)保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器。而這時如果還有外部擴展程序存儲器時，CPU在執(zhí)行完成內(nèi)部存儲的程序后自動跳轉(zhuǎn)到執(zhí)行外部存儲的程序。而當(dāng)保持低電平時，不管內(nèi)部有無存儲器都只從起始地址開始訪問外部程序存儲器。VPP為Flash編程電壓，就是編程者在對片內(nèi)的Flash編程時，此引腳施加Flash編程允許的電壓，此電壓一般為12V；(4)輸入輸出引腳P0.0P0.7：P0口是一個8位漏極并行準雙向I/O口。在訪問外部擴展存儲器時，它被定

36、義的是低8位的地址/數(shù)據(jù)線，地址和數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用，此時需要外接上拉電阻，置“1”激活上拉電阻成高阻抗輸入口。在編程者對片內(nèi)Flash編程時，P0接收指令字節(jié)，在驗證程序時則輸出指令字節(jié)，而驗證期間也要外接上拉電阻。P1.0P1.7：P1口自己內(nèi)部已有上拉電阻，也是8位準雙向I/O口。在進行Flash編程和驗證時，它接收低8位地址。P2.0P2.7：P2口內(nèi)部也有上拉電阻，是一個8位準雙向I/O口。在訪問外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器時送出高8位地址。用MOVXDPTR類指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口為高8位地址；但用MOVR0和MOVR1類指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口上的內(nèi)容是SFR P2

37、的內(nèi)容。2.5 本章小結(jié)本章首先對DS18B20溫度傳感器進行介紹。然后對DF收發(fā)模塊的工作原理以圖形界面的方式解釋出來，另外闡明了基于單片機的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的概念。3 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計單系統(tǒng)開發(fā)部分是整個系統(tǒng)開發(fā)流程中重要的一個環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是根據(jù)用戶的需求，準確定義要完成的系統(tǒng)目標(biāo)，編寫開發(fā)程序并將其寫入單片機中，從而使系統(tǒng)的運行符合開發(fā)人員的要求。3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計一般單片機的開發(fā)流程是先進行項目評估，為了實現(xiàn)預(yù)期的功能，討論初步技術(shù)開發(fā)方案，據(jù)此出預(yù)算，包括可能的開發(fā)成本、樣機成本、開發(fā)耗時等等。本人最初想實現(xiàn)的是無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，按照系統(tǒng)的要求必須用到無線模塊，在此之前對于無線

38、模塊了解的不多，所以第一步著手無線模塊的選擇，網(wǎng)上有許多這方面的內(nèi)容，里面用到的核心芯片是nRF2401，這款芯片是挪威Nordic公司推出的單片2.4GHz無線收發(fā)一體芯片。它將射頻、8051MCU、9通道12位ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集成到單芯片中。Nrf2401工作在2.42.5GHz的ISM自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻，但是這樣高的工作頻率并不適用于本文中提及的系統(tǒng)，而且也不具備調(diào)試高頻率所要求的實驗器材，所以改用結(jié)構(gòu)簡單、工作在低頻的DF無線模塊。信號的調(diào)制與解調(diào)在通信系統(tǒng)中具有重要的作用，調(diào)制過程是一個頻譜搬移的過程，它是將低頻信號的頻譜搬移到載頻位置。解調(diào)是調(diào)制

39、的逆過程，既是將已調(diào)制的信號還原成原始基帶信號的過程。調(diào)制和解調(diào)都是頻譜交換的過程，必須用非線性元件才能完成。通信系統(tǒng)可用圖3.3所示的框圖來描述，是用來傳輸攜帶信息的波形給接受者，一般可以分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)是指將信息從數(shù)字信源傳輸?shù)浇邮照叩耐ㄐ畔到y(tǒng)。信號處理載波電路傳輸媒介(信道)道)載波電路信號處理n(t)m(t) s(t) r(t) m(t)圖3.3 通信系統(tǒng)框圖對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，理想的系統(tǒng)應(yīng)該是在一定的發(fā)送能量及信號帶寬的條件下，輸出端有最小的比特錯誤概率。因此，比特錯誤概率及信號帶寬是重要的指標(biāo)。在原理上，數(shù)字信息可以直接用數(shù)字代碼序列表示和傳輸，并且選用

40、一組取值有限的離散波形來表示。這些取值離散的波形可以是未經(jīng)調(diào)制的電信號，也可以是調(diào)制后的信號。未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號所占據(jù)的頻譜是從零頻或者很低頻率開始，稱為數(shù)字基帶信號。數(shù)字基帶信號包括二進制線路碼和多進制信號，本文用到的是二進制的ASCII碼。ASCII(American Standard Code for Information Interchange，美國信息互換標(biāo)準代碼) 是基于拉丁字母的一套電腦編程系統(tǒng)。ASCII碼使用7位或8位二進制數(shù)字組合來表示128或256種可能的字符。標(biāo)準ASCII碼使用7位二進制數(shù)來表示所有的大寫和小寫字母，數(shù)字0到9、標(biāo)點符號，以及在美式英語中使用的特殊控

41、制字符。3.1.1 主機設(shè)計在進行無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計之前，必須進行充分的調(diào)研，確定系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的目的和目標(biāo)。確定了系統(tǒng)預(yù)期的功能后，就應(yīng)該對系統(tǒng)的具體實現(xiàn)進行分析，分析設(shè)計的關(guān)鍵在于系統(tǒng)功能的認識和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計、系統(tǒng)單片機及關(guān)鍵芯片的選型、系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的確定和軟硬件功能的劃分，使所選器件能實現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)期功能。本文中用到protel繪制原理圖，并進行仿真處理。主機部分的功能是單片機通過發(fā)射模塊向外部發(fā)送數(shù)據(jù)，原理圖如3.4所示。圖3.4 主機原理圖3.1.2 從機設(shè)計 從機部分實現(xiàn)的功能是：單片機通過無線接收模塊接收主機發(fā)送來的溫度信息，每接收到一次信息，就在LED上顯示相應(yīng)數(shù)值，從機部

42、分的電路原理圖如3.5所示：圖3.5 從機部分電路圖3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計短距離無線數(shù)據(jù)采集的總體設(shè)計，如圖3.6所示。溫度數(shù)據(jù)控制芯片AT89S52DF無線發(fā)射數(shù)據(jù)顯示控制芯片AT89S52AT89S52DF無線接收315MHz圖3.6 系統(tǒng)總體設(shè)計無線數(shù)據(jù)采集的程序主要包括主機的發(fā)射程序和從機部分接收程序以及計算機上的顯示程序，主機的程序主要是溫度采集程序和數(shù)據(jù)發(fā)送程序，主機程序流程圖如3.7所示系統(tǒng)初始化采集溫度顯示溫度發(fā)送數(shù)據(jù)圖3.7 主機部分流程圖從機作為接收機，通過無線模塊傳送過來的字符數(shù)據(jù)，然后進行核對如果接收數(shù)據(jù)正確，就顯示數(shù)值，從機程序流程圖如3.8所示。系統(tǒng)初始化接收數(shù)據(jù)接收

43、標(biāo)志位YN顯示數(shù)據(jù)圖3.8 從機部分流程圖3.3 本章小結(jié)著重介紹了系統(tǒng)硬件的仿真、開發(fā)平臺，并在此基礎(chǔ)上畫出了原理圖，在仿真環(huán)境下運行本系統(tǒng)，保證其理論上的可行性。最后畫出系統(tǒng)軟件運行的流程圖，清晰直觀的把系統(tǒng)的工作原理表示出來。4 系統(tǒng)測試與分析4.1 無線傳輸距離與延遲測試與分析將此無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主發(fā)射板放置在距離從機23m遠的地方，分別外接+5V的直流電壓給主機和從機供電，主機與從機的地線不可以連在一起，這樣真正意義上實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)初始化的延遲時間在6s左右，正常工作后延遲時間在3s左右。本系統(tǒng)存在的問題是如果此系統(tǒng)的通信距離拉長，主機發(fā)送出數(shù)據(jù)后，接收機的接收靈敏度降低

44、，或者是根本就無法正常工作，針對這種現(xiàn)象的解決方法是在發(fā)射和接受端安裝25cm左右的天線，或者使用前向編碼糾錯技術(shù)，把基于二進制線路碼的ASCII碼轉(zhuǎn)換成HDB3碼，重新編寫通信協(xié)議，不過后者已超出本文的討論范圍。4.2 溫度采集測試與分析經(jīng)過與標(biāo)準溫度源的對比，該系統(tǒng)的溫度采集精度可達0.1，溫度采集延遲在1s以內(nèi)。兩項指標(biāo)均可滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。該系統(tǒng)的采集范圍理論上可達-5599，根據(jù)實際情況修正為-1050。4.3 多點采集測試與分析PT2262/2272編碼譯碼芯片通過驗證地址匹配與否來傳輸數(shù)據(jù)。在應(yīng)用中，接收端只需要每隔一段時間改變接收地址便能采集不同發(fā)射端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。PT2262

45、/2272編碼譯碼芯片采用8位地址碼，最多可有6561組地址。5 成果及展望5.1 取得的成果本設(shè)計取得的成果主要包括以下幾個方面：（1）成功運用了DS18B20進行溫度采集;（2）通過LED數(shù)碼管對DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)進行動態(tài)掃描顯示;（3）利用標(biāo)準恒溫箱對DS18B20的溫度采集精度進行測定，精度可達0.1;（4）利用DF模塊和PT2262/2272芯片進行無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸范圍可達10m左右，延遲時間在810s左右。5.2 工作展望盡管本設(shè)計基本實現(xiàn)了預(yù)期的功能，但是還可以進行許多完善。比如可以將整個系統(tǒng)做成集成模塊，這樣更方便擁有不同需求的用戶的需要；還可以在系統(tǒng)中加入語音模塊

46、，讓盲人也可以知道當(dāng)前環(huán)境的溫度。而且，本設(shè)計完成的只是個簡單的無線溫度數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，現(xiàn)實中的無線通信系統(tǒng)是很復(fù)雜的，包括一系信號處理裝置，對所傳輸?shù)男盘栠M行編碼、復(fù)接、濾波等。參考文獻1. 候天星，王鳳新. 基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J，中國農(nóng)學(xué)通報.2009(5).258-263.2. 閔豫，李學(xué)華. 基于nRF401的短距離無線通信設(shè)計J，成都信息工程學(xué)院學(xué)報.2006(12).21:05.3. Naveen Erasala, David C. Yen. Bluetooth technology: a strategic analysis of its role in glob

47、al 3G wireless communication era J, Department of Decision Sciences and Management Information System, Miami University, Oxford, OH 45056, USA.4. J. Michael Tarn, Chuan Pang , David C. Yen , Jon Chen . Exploring the implementation and application of Bluetooth technology in the shipping industry J. W

48、estern Michigan University Kalamazoo, MI 49008-5412, USA5. DALLAS DS18B20使用手冊6. 李江全. 現(xiàn)代測控系統(tǒng)典型應(yīng)用實例M. 北京：電子工業(yè)出版社，20107. 孫寧，沈湘衡. 多通道無線溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計. 微計算機信息, Microcomputer Information, 2009年 11期8. 史軍， 趙國榮. 多點溫度傳感無線采集系統(tǒng)的研究. 寧夏大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), Journal of Ningxia University(Natural Science Edition)2008年 01期9. 萬志平，

49、楊亦紅. 基于PTR8000的無線多點溫度采集系統(tǒng)設(shè)計. 商場現(xiàn)代化, Market Modernization, 2009年 05期10.王美紅，封百濤. 多點無線溫濕度實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn). 科技信息, Science & Technology Information, 2009年 33期11.戴佳.51單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講M.北京：電子工業(yè)出版社，200612.歐陽文.ATMEL89系列單片機的原理與開發(fā)實踐M.北京：中國電力出版社，2007致 謝在畢業(yè)設(shè)計期間，我將很多以前學(xué)過的知識融會貫通，同時也學(xué)到了許多新知識，這些都離不開各位老師和同學(xué)的幫助。其中，老師作為我的畢

50、業(yè)設(shè)計導(dǎo)師，從選題到定稿，他給了我很多的指導(dǎo)。在畢業(yè)設(shè)計期間，老師更是不辭辛勞，多次檢查督促我們的畢業(yè)設(shè)計，可以說我取得的每一點成果和進步，無不凝聚著顧老師的心血和汗水。同時我還感謝測控技術(shù)與儀器專業(yè)的各位老師。感謝你們在我大學(xué)學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計期間給予我學(xué)習(xí)和生活上的關(guān)心，感謝你們?yōu)槲姨峁┝吮憷麠l件以及幫助我解決許多問題。我還要感謝那些在畢業(yè)設(shè)計期間和我一起研討的同學(xué)。通過互相交流討論，我們對知識的領(lǐng)悟進一步加深。再次感謝以上各位老師和同學(xué)。附錄附錄一：實物圖發(fā)射模塊接收模塊附錄二：源程序發(fā)射程序：#include #include sbit PS0=P24;sbit PS1=P25;sbit

51、PS2=P26;sbit PS3=P27;sfr P_data=0x80;sbit DQ=P36; bit DS18B20;void DS18B20_init(void);unsigned int get_temper(void);void DS18B20_write(unsigned char dat);unsigned char DS18B20_read(void);float temp;unsigned char T_sign;unsigned char tab12=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09,0xf2,0xff;v

52、oid delay (unsigned int);unsigned int htd(unsigned int a);void display(unsigned int a);/*主函數(shù)*/void main(void)unsigned int a,temp;while(1)temp=get_temper();P1=0xfc;for(a=0;a64;a+)display(htd(temp);P1=htd(temp)&0x0f;for(a=0;a64;a+)display(htd(temp);P1=0xfd; for(a=0;a4)&0x0f; for(a=0;a64;a+)display(htd(temp);P1=0xfe; for(a=0;a8)&0x0f; for(a=0;a64;a+)display(htd(temp);P1=0xff; for(a=0;a64;a+)display(htd(temp);P1=T_sign&0x0f; for(a=0;a4)&0x0f&0xfe;PS0=1;PS1=0;delay(200);P_data=tab(a8)&0x0f;PS1=1;PS2=0;delay(200