無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計

摘要本文介紹的是一個由單片機(jī)構(gòu)成的無線溫度控制系統(tǒng)，它利用8051單片機(jī)和DS18B20及數(shù)碼管等其他器件實現(xiàn)。溫度測量局部工作原理是單片機(jī)利用DS18B20對溫度進(jìn)行采集，然后進(jìn)行無線發(fā)送，接收端收到信號后，進(jìn)行解碼，之后實現(xiàn)溫度顯示。溫度控制局部工作原理是由鍵盤輸入欲設(shè)定的溫度。溫度控制信號送入CPU處理，通過PID算法輸出控制信號，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(dǎo)體溫控裝置到達(dá)欲設(shè)定的溫度。本文對硬件和軟件進(jìn)行了框圖設(shè)計，protel原理圖設(shè)計，程序框圖設(shè)計，源程序設(shè)計，文后附錄了完整源程序。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對溫濕度的要求越來越高，準(zhǔn)確測量溫度變得至關(guān)重要。本文設(shè)計主要是針對惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場以及高科技大范圍的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場，布線困難，浪費資源，占用空間，可操作性差等問題做出的一個解決方案。該方案主要是利用熱電偶采集外界的溫度，利用無線傳輸實現(xiàn)在上位機(jī)顯示采集到的溫度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的比照和處理。關(guān)鍵詞：溫度數(shù)據(jù)采集，無線傳輸，單片機(jī)，PC機(jī) 目錄摘要 1目錄 2一、緒論 4二、系統(tǒng)方案的總體設(shè)計 52.1系統(tǒng)方案設(shè)想 52.2系統(tǒng)方案確實定 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 72.3器件的選用 82.3.1數(shù)字式溫度傳感器的選擇 82.3.2無線收發(fā)芯片的選擇 92.3.3鍵盤顯示模塊的選擇 112.3.4溫度控制模塊的選擇 12三、無線溫度采集原理 123.1.無線溫度采集的原理 123.2.溫度傳感器簡介 12四電路的硬件設(shè)計 154.1溫度采集局部電路設(shè)計 154.1.1溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 154.1.2數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 164.2無線收發(fā)電路的設(shè)計 204.2.1nRF401芯片的介紹 204.2.2典型應(yīng)用電路說明 214.3單片機(jī)的選擇 234.4鍵盤顯示電路的設(shè)計 234.4.1鍵盤硬件電路的設(shè)計 234.4.2顯示電路的設(shè)計 244.5溫度控制局部電路設(shè)計 264.5.1D/A轉(zhuǎn)換電路 264.5.2比例積分電路 264.5.3半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動電路 294.6相關(guān)控制電路設(shè)計 30五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計 315.1主程序設(shè)計 315.1.1上位機(jī)主程序 325.1.2下位機(jī)主程序 325.2子程序設(shè)計 345.2.1nRF401的通信子程序 345.2.2溫度測量子程序 355.2.3PID控制子程序 35六、制作與調(diào)試 406.1制作 406.2調(diào)試 42七、總結(jié) 43致謝 44參考文獻(xiàn) 45附錄 46一、緒論隨著社會的進(jìn)步和生產(chǎn)的需要，利用無線通信進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的方式已經(jīng)滲透到社會生活生產(chǎn)的每一個角落，溫度測量的準(zhǔn)確度在影響生產(chǎn)效益的同時也在逐步得到社會的重視。在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設(shè)備是否運行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個環(huán)境相對好的操控室內(nèi)，工作人員可以在這里將控制指令傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題，由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯誤換線困難。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)采集點處于運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設(shè)電纜時，數(shù)據(jù)甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不管是溫室大棚的溫度監(jiān)測，還是糧倉的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉占地面積大，檢測目標(biāo)分散，測點較多，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)開展的需要。當(dāng)前的科技水平下，無線通信技術(shù)的開展使得溫度采集測量精確，簡便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室內(nèi)溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術(shù)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫度情況進(jìn)行遙控通風(fēng)等操作，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。以上只是簡單列舉幾個現(xiàn)實的例子，在現(xiàn)實生活中，這種溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事國防、機(jī)器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。因此，對于如何利用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，尤其是如何提高無線數(shù)據(jù)采集的精度等課題的研究就變得非常的有意義。二、系統(tǒng)方案的總體設(shè)計溫濕度的檢測有許多方法，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(shè)計方案應(yīng)在滿足系統(tǒng)整體性能指標(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)要盡量簡單實用、易于實現(xiàn)，器件的選用要著眼于適宜的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的本錢以及較好的互換性能。2.1系統(tǒng)方案設(shè)想系統(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)和功能化模塊來構(gòu)造根本的系統(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)可以設(shè)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)處理模塊等幾大局部。系統(tǒng)方案在溫濕度數(shù)據(jù)采集局部主要有三種設(shè)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；在短距離無線通信局部主要有三種設(shè)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)處理局部也有兩種設(shè)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)方案確實定傳感器方案傳統(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。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(shè)計者須考慮的線路環(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(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全去除。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防止上述問題。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〔計算機(jī)，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(jī)進(jìn)行信號的處理、濾波、壓縮。它的信號原那么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(hù)簡單，工作可靠性高。雖然存在反響速度較慢，溫度測量的范圍不寬的缺點，數(shù)字式傳感器技術(shù)的開展仍受到人們越來越多的重視?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點及開展?fàn)顩r，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。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標(biāo)準(zhǔn)，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)，本身包括糾錯機(jī)制，可靠性高，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的核心局部協(xié)議允許多個設(shè)備進(jìn)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(yīng)用。但是藍(lán)牙設(shè)備價格昂貴，通訊距離近，藍(lán)牙RF定義了三種功率等級〔100mw、25mw和1mw〕，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備功率為1mw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(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)、本錢低廉等優(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)模集成電路技術(shù)的開展，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)的大局部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(shè)置完成，用戶不用對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)行操作即可實現(xiàn)根本的數(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，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實現(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，確定該局部電路設(shè)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(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)計簡單。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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測控。專用計算機(jī)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(jī)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(yīng)用系統(tǒng)的要求配置，獨立性、可擴(kuò)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，專用計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為DSP應(yīng)用系統(tǒng)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。DSP和單片機(jī)都是構(gòu)成專用計算機(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(yīng)用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部I/0接口比擬少，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的本錢較高，另外，DSP具有一定的專用性，開發(fā)過程比擬復(fù)雜，不便于通用。單片機(jī)是把微型機(jī)的主要局部集中在一個芯片上的單芯片微型計算機(jī)。由于它的結(jié)構(gòu)與指令都按照工業(yè)控制要求設(shè)計的，故又稱微控制器〔MicrocontrollerUnit〕，也可稱微型計算機(jī)〔SingleChipMicrocomputer〕。通常由微型計算機(jī)和外圍設(shè)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ROM、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(jī)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(kuò)展，ROM、RAM可擴(kuò)展至64K字節(jié)。與通用計算機(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。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復(fù)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)。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(jì)的方案。在單片機(jī)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(jī)無異是首選的信息處理單元。2.3器件的選用數(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開展，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)計工程師的選擇對象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出適宜的器件，應(yīng)該把握以下幾點：外圍電路應(yīng)該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要適宜，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)本錢；溫度傳感器采用的總線負(fù)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(shù)情況如何，因為MCU的系統(tǒng)資源非常珍貴，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(fù)用器，這將增加本錢和開發(fā)時間，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、本錢要盡量小。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，NationalSemiconductor公司的Microwireplus總線，DallasSemiconductor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：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，分辨率為0.25℃，精度為±2②LM74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)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、本錢低等優(yōu)點。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進(jìn)行檢測，并在片內(nèi)存放器中存儲轉(zhuǎn)換的溫度值，主機(jī)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(yán)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(dá)0.0625℃③MAX6575L/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(dāng)它用于高精度溫度測量時，必須對其進(jìn)行非線性補(bǔ)償。它最多允許在一根MCU的I/O總線上同時掛接8個MAX6575L/H進(jìn)行多點溫度測量。為了防止多個傳感器同時測溫時有重疊的現(xiàn)象，MAX6575提供了“L”和“④DS18B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)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(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(jī)接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)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，而且本錢低、體積小、可靠性高。DS18B20的測溫范圍-55~+125℃，最高分辨率可達(dá)0.0625Dallas公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價格比，有以下特點：①適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優(yōu)越性；②性價比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；③具有CRC校驗功能，可靠性高；④軟件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，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引腳資源少，和MCU的通信協(xié)議比擬簡單，本錢較低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以，選用DS18B20做為溫度測量的傳感器。無線收發(fā)芯片的選擇無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比擬多，在設(shè)計中選擇適宜芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約本錢。在選擇時，應(yīng)主要參考以下幾點：①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?，一般僅能到達(dá)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)稱速率就是實際速率，編程方便。②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)雜程度和本錢，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。③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．④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。⑤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PCB面積降低本錢，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。常用的無線收發(fā)芯片主要有：①CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35μmCMOS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(dá)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。②nRF24E1是挪威NordicVLSIASA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0.18μsCMOS工藝、6mm×6mm的36引腳QFN封裝；以nRF2401芯片結(jié)構(gòu)為根底，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、勿需申請通信許可證。③nRF903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)76.8Kbit/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(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)、計算機(jī)遙測遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。④TH72011是Melexis公司的單片射頻發(fā)射芯片，頻率范圍380MHz~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(qiáng)；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~10.7mA調(diào)節(jié)；發(fā)射功率可在-12dBm~+10dBm調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)速率可達(dá)40Kbit/s?？汕度敫鞣N測量和控制系統(tǒng)中進(jìn)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(yīng)用。⑤nRF401是挪威NordicVLSI公司推出的單芯片RF收發(fā)機(jī)，專為在433MHzISM(工業(yè)、科研和醫(yī)療)頻段工作而設(shè)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(zhǔn)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(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便?；趎RF401本錢低、可靠性高、外圍設(shè)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。鍵盤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〕。液晶顯示器在使用中有許多考前須知：不能對它長期施加直流電，否那么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?？梢娨壕э@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pA級的。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(yán)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(qiáng)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(dāng)前溫度，兩位用來顯示欲設(shè)定的溫度，一位用來顯示當(dāng)前狀態(tài)。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(rèn)鍵和取消鍵。因按鍵很少，所以采用獨立式鍵盤。溫度控制模塊的選擇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)中最重要的一局部。目前制冷系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)、使用氨水的吸收式制冷系統(tǒng)和近幾年開展起來的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。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、熱泵和近幾年開展起來的半導(dǎo)體制熱系統(tǒng)。其中半導(dǎo)體制冷制熱是利用特種半導(dǎo)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(bǔ)了其它制冷制熱方式的缺乏，在當(dāng)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(dǎo)體制冷制熱器件。三、無線溫度采集原理3.1.無線溫度采集的原理無線溫度采集的原理如下：溫度傳感器將被測點的溫度采集后輸出的模擬信號逐步送往信號放大電路、低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換器〔即信號調(diào)理電路〕，然后在單片機(jī)的控制下將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號傳送到無線收發(fā)芯片中，并通過芯片的調(diào)制處理后由芯片內(nèi)部的天線發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)模塊中，發(fā)送來的數(shù)據(jù)由單片機(jī)控制的無線收發(fā)芯片接收并解調(diào)，最后通過接口芯片發(fā)送到PC機(jī)中進(jìn)行顯示和處理。3.2.溫度傳感器簡介在采集被測點溫度時會用到溫度傳感器。溫度傳感器就是能夠感知和測量環(huán)境中某點溫度的一種敏感器件，它將環(huán)境中的溫度或與溫度有關(guān)的參量的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱便可獲得被測點在環(huán)境中的溫度信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機(jī)組成自動檢測、監(jiān)控、報警系統(tǒng)。溫度測量方法有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。接觸式測溫是，溫度敏感元件與被測對象接觸，經(jīng)過換熱后兩者溫度相等。目前常用的接觸式測溫儀表有：膨脹式溫度計。一種是利用液體和氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸汽壓變化來測量溫度，如玻璃液體溫度計和壓力式溫度計；另一種是利用兩種金屬的熱膨脹差來測量溫度，如雙金屬溫度計。熱電阻溫度計。它利用固體材料的電阻隨溫度而變化的原理測量溫度，如鉑電阻、銅電阻和熱敏電阻。熱電偶溫度計。它利用熱電效應(yīng)測量溫度。其他原理的溫度計。例如，基于半導(dǎo)體器件溫度效應(yīng)的集成溫度傳感器、基于晶體的固有頻率隨溫度而變化的石英晶體傳感器等。接觸式測溫的測量方法比擬直觀、可靠，測量儀表也比擬簡單。但是，由于敏感元件必須與被測對象接觸，在接觸過程中就有可能破環(huán)被測對象的溫度場分布，從而造成測量誤差。有的測溫元件不能和被測對象充分接觸，不能到達(dá)充分的熱平衡，使測溫元件和被測對象溫度不一致，也會帶來誤差。在接觸過程中，有的介質(zhì)有強(qiáng)烈的腐蝕性，特別在高溫時對測溫元件的影響更大，從而不能保證測溫元件的可靠性和工作壽命。非接觸測溫時，溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過輻射能量進(jìn)行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的溫度。目前常用的非接觸式測溫儀表有：輻射式溫度計。其測量原理是基于普朗克定理，如光電高溫計、輻射傳感器、比色溫度計。光纖式溫度計。它是利用光纖的溫度特性來實現(xiàn)溫度的測量，或者僅僅是光纖作為傳光的介質(zhì)。如光纖溫度傳感器、光纖輻射溫度計。目前在高溫測量中，應(yīng)用最廣泛的是非接觸式測溫儀表，主要應(yīng)用在冶金、鑄造、熱處理，以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。任何物體處于絕對零度以上時，因其內(nèi)部帶電粒子的運動，都會以一定波長電磁波的形式向外輻射能量，只是在低溫段這種能量很弱。輻射式測溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。在測量時，只需把溫度計光學(xué)接收系統(tǒng)對準(zhǔn)被測物體，而不必與物體接觸，因此，可以測量運動物體的溫度且不破壞物體的溫度場。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必到達(dá)被測物體的實際溫度，從理論上講，沒有上限，可以測量高溫。但是，這樣的非接觸式測溫儀表的測量精度一般不高。為了采集特定點的溫度，并在上位機(jī)上進(jìn)行顯示和控制，要求所使用的溫度傳感器必需有一定的精度，顯然使用非接觸式測溫儀表就不是非常適宜。而在接觸式測溫儀表中，熱電阻式傳感器的測溫范圍主要在中、低溫區(qū)域〔-200℃～650℃〕，且線性度較差，只在某一較窄范圍內(nèi)有較好的線性度，由于是半導(dǎo)體材料，其復(fù)現(xiàn)性和互換性較差；熱電偶傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)換為電勢變化的傳感器，在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測溫元件之一，其主要優(yōu)點是測溫范圍廣，可以在1K至2800表3-1為國際電工委員會〔IEC〕推薦的8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性[1]。表3-1標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu)點缺點B適于測量1000℃在中低溫領(lǐng)域熱電動勢小，不能用于600℃R,S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化；抗氧化、耐化學(xué)腐蝕；可作標(biāo)準(zhǔn)靈敏度低；不適用于復(fù)原性氣氛〔尤其是氫氣、金屬蒸汽〕；熱電動勢的線性不好；價格高N熱電動勢線性好；1000℃不適用于復(fù)原性氣氛；同貴重金屬熱電偶相比，時效變化大K熱電動勢線性好；1000℃不適用于復(fù)原性氣氛；同貴重金屬熱電偶相比，時效變化大；因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高；同J型相比，耐熱性能良好；兩極非磁性不適用于復(fù)原性氣氛；熱導(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于復(fù)原性氣氛；熱電動勢較K型高20％左右鐵正極易生銹；熱電特性漂移大T熱電動勢線性好；低溫特性好；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好；可用于復(fù)原性氣氛使用溫度低；銅正極易氧化；熱傳導(dǎo)誤差大四電路的硬件設(shè)計根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案設(shè)想，下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。數(shù)字溫度傳感器DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20中央控制單元8051無線收發(fā)電路nRF401半導(dǎo)體制冷制熱器件中央控制單元8051無線收發(fā)電路nRF401鍵盤顯示模塊圖4-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(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、溫度控制模塊等局部組成。溫度采集局部工作原理是由數(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。溫度控制局部工作原理是由鍵盤輸入欲設(shè)定的溫度。溫度數(shù)據(jù)信號送入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(dǎo)體溫控裝置到達(dá)欲設(shè)定的溫度。4.1溫度采集局部電路設(shè)計4.1.1溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路針對8051單片機(jī)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(luò)。VCCVCCGND8051DS18B20圖4-2溫度采集網(wǎng)絡(luò)框圖4.1.2數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 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線，總線上的每個器件都能夠在適當(dāng)?shù)臅r間驅(qū)動它，相當(dāng)于把單片機(jī)的地址nRF401線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號線對外進(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，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(jìn)行串行分時數(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[18]。它的主要技術(shù)特性如下：①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；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(shè)計和硬件開銷大為簡化；③測溫時無需任何外部元件：④可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式：⑤測溫范圍為-55~+125℃，測溫精度為±0.5⑥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)換的最大時間為750ms。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)，防止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(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。1．DS18B20的結(jié)構(gòu)DS18B20主要由四局部組成。①64位光刻ROM數(shù)據(jù)存儲器②溫度傳感器③非易失性電可擦寫溫度報警觸發(fā)器TH和TL④非易失性電可擦寫設(shè)置存放器如圖4-4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線那么用作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(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(jìn)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(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。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)配置存放器中自行設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)(9~12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(kuò)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)配置存放器，存放器各位定義如下：第八位用來設(shè)置傳感器的工作狀態(tài)，“1”為測試狀態(tài)，“0GNDGND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TL64位ROM和單線接口VDDVDDDQ供電方式檢測便箋式存儲器CRC發(fā)生器圖4-4DS18B20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器中，其中第一個字節(jié)〔Byte0〕存放測溫結(jié)果的低位〔LSByts〕，第二個字節(jié)〔Byte1〕存放測溫結(jié)果的高位〔MSByts〕，S為符號位，其它位為數(shù)據(jù)位，溫度為負(fù)時S=1；溫度為正時S=0。格式如下：Bit0Bit7LSByts232221202-12-22-32-4Bit8Bit15MSBytsSSSSS262524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，那么DS18B20內(nèi)部的報警標(biāo)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(yīng)的測溫分辨率為0.5℃,0.25℃，0.125℃，0.0625Bit7Bit00R1R011111R1、R0的設(shè)定值與位數(shù)、分辯率和最大轉(zhuǎn)換時間的關(guān)系如表4-1所示，可見位數(shù)每減少一位，分辯率同比減少而轉(zhuǎn)換時間那么加快一倍,器件上電時默認(rèn)分辯率為12位。表4-1配置存放器設(shè)置R1R0分辨率℃最大轉(zhuǎn)換時間ms有效位數(shù)000.593.759位〔Bit11~Bit3〕010.25187.5010位〔Bit11~Bit2〕100.125375.0011位〔Bit11~Bit1〕110.0625750.0012位〔Bit11~Bit0〕溫度報警觸發(fā)器和設(shè)置存放器都由非易失性電可擦寫存儲器(EEPROM)組成，設(shè)置值通過相應(yīng)命令寫入，一旦寫入后不會因為掉電而喪失。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(yù)置為與0℃對應(yīng)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0℃，被預(yù)置在0℃的溫度存放器的值就增加一個增量，同時為了補(bǔ)償和修正溫度振蕩器的非線性，計數(shù)器被斜率累加器所決定的值進(jìn)行預(yù)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(fù)此過程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結(jié)束為止。這時溫度存放器中的值就是被測的溫度值。這個值以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲器中。溫度值由主機(jī)通過發(fā)讀存儲器命令讀出，經(jīng)過取補(bǔ)和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到實測的溫度值。低溫度低溫度系數(shù)振蕩器高溫度系數(shù)振蕩器停止+1預(yù)置計數(shù)器溫度存放器=0計數(shù)器=0斜率累加器預(yù)置比擬器圖4-4DS18B20測溫原理3.DS18B20的封裝和供電方式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。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)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(jī)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(dāng)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(dāng)所測溫度超過100℃4.2無線收發(fā)電路的設(shè)計4.2.1nRF401芯片的介紹射頻收發(fā)芯片nRF401工作在433MHz國際通用的ISM頻段；FSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達(dá)-105dBm，最大發(fā)射功率到達(dá)+10dBm；數(shù)據(jù)速率可達(dá)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(jī)遙測遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。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—3.6V〕，功耗低，發(fā)射時電源電流8mA，接收時電源電流250μA，接收待機(jī)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。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局部。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?；鶞?zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。本機(jī)振蕩用鎖相環(huán)〔PLL〕方式，由在DDS根底上的頻率合成器、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。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。混頻器采用Ⅰ級混頻結(jié)構(gòu)，混頻器的輸出信號經(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。9腳DIN輸入數(shù)字信號和10腳DOUT輸出數(shù)字信號均為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)模式；19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4-5，引腳圖4-6。4.2.2典型應(yīng)用電路說明我們使用的是nRF401快速開發(fā)開發(fā)套件，典型應(yīng)用電路如圖4-7所示。DEMDEMOSCPLLVCOPA圖4-5nRF401內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2020191817161514131211XC1VDDVSSFILT1VCO1VCO2VSSVDDDINDOUTXC2TXENPWR_UPVSSANT1ANT2VSSVDDCSRFPWRDOUT圖4-6nRF401引腳圖如圖4-7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(dāng)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(jī)模式；19腳可以控制發(fā)射和接收模式。圖4-7nRF401典型應(yīng)用電路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4-8是發(fā)送和接收電路框圖。P25P258051P26P27RXDTXDTXENPWR_UPCSnRF401DOUTDIN圖4-8發(fā)送和接收電路框圖在圖4-8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口控制nRF401的POWER_UP端，實現(xiàn)待機(jī)和上電的控制，到達(dá)節(jié)能目的。4.3單片機(jī)的選擇單片機(jī)體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、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(jī)技術(shù)比擬成熟，價格比擬低，且本次設(shè)計對單片機(jī)的性能要求比擬低，所以選擇8051單片機(jī)。4.4鍵盤顯示電路的設(shè)計4.4.1鍵盤硬件電路的設(shè)計按鍵是一組常開的按鍵開關(guān),每個按鍵都被賦予一個代碼,稱為鍵碼.按鍵的開關(guān)狀態(tài)通過一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合過程在相應(yīng)的I/O端口形成一個負(fù)脈沖。閉合和釋放過程都要經(jīng)過一定的過程才能到達(dá)穩(wěn)定，這一過程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動。抖動持續(xù)時間的常長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般在5-10ms之間。為了防止CPU屢次處理按鍵的一次閉合，應(yīng)采用措施消除抖動。本文在軟件中采用了相應(yīng)的軟件程序來消除抖動。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時，延時10-20ms再查詢是否有鍵按下，假設(shè)沒有鍵按下，說明上次查詢結(jié)果為干擾或抖動；假設(shè)仍有鍵按下。那么說明閉合鍵已穩(wěn)定。本文采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線構(gòu)成單個按鍵電路，每個按鍵占用一條I/O口線，每個按鍵的工作狀態(tài)不會產(chǎn)生互相影響。電路如圖4-9。10K10K×4+58051P10P12P14P16開關(guān)開關(guān)開關(guān)開關(guān)圖4-9鍵盤電路框圖P1.0口表示確認(rèn)鍵。P1.2口表示數(shù)字“+“鍵，按一下溫度數(shù)值加1。P1.4口表示數(shù)字“-”鍵，按一下溫度數(shù)值減1。P1.6口表示取消鍵。4.4.2顯示電路的設(shè)計數(shù)碼管顯示器本錢低，配置靈活，與單片機(jī)接口簡單，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。1.數(shù)碼管的工作原理數(shù)碼管是由8個發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示器件。在數(shù)碼管中，假設(shè)將二極管的陽極連在一起，稱為共陽極數(shù)碼管；假設(shè)將二極管的陰極連在一起，稱為共陰極數(shù)碼管。本文用到的4個數(shù)碼管均是共陰極的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，它就會發(fā)光。每個二極管就是一個筆劃，假設(shè)干個二極管發(fā)光時，就構(gòu)成了一個顯示字符。將單片機(jī)的I/O口控制相應(yīng)的芯片與數(shù)碼管的a-g相連，高電平的位對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，這樣，由I/O口輸出不同的代碼，就可以控制數(shù)碼管顯示不同的字符。例如：當(dāng)I/O口控制芯片輸出的代碼是00111111時，數(shù)碼管顯示的字符為0。這樣形成的顯示字符的代碼稱為顯示代碼或段選碼。2.數(shù)碼管顯示器與單片機(jī)的接口電路數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。在靜態(tài)顯示方式下，每位數(shù)碼管的a-g和h端與一個8位的I/O相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時，只要從對應(yīng)的I/O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點是:數(shù)碼管中的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹埂討B(tài)顯示方式的每位數(shù)碼管都需要一個數(shù)據(jù)鎖存器，因此，其硬件電路比擬復(fù)雜。但它的顯示程序法常簡單。選擇動態(tài)顯示方式，可以使耗電量更小。在動態(tài)顯示方式中，各位數(shù)碼管的a-h并聯(lián)在一起，與單片機(jī)系統(tǒng)的一個I/O口相連，從該I/O口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陰極那么與另一I/O口相連，控制被點亮的位。動態(tài)顯示方式的特點是:每一時刻只能有1位數(shù)碼管被點亮，各位依次輪流被點亮；對于每一位來講，每隔一段時間點亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時間。利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的駐留效應(yīng)，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每位數(shù)碼管被點亮的時間間隔，可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。本文的5個數(shù)碼管均采用動態(tài)顯示方式，顯示當(dāng)前的溫度、要到達(dá)的溫度和當(dāng)前的狀態(tài)。電路原理圖如圖4-10所示。圖4-10數(shù)碼管顯示電路圖4.5溫度控制局部電路設(shè)計4.5.1D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路的作用是將設(shè)定的溫度值轉(zhuǎn)換成模擬電壓。電路原理圖如圖4-11所示。4.5.2比例積分電路比例積分微分控制(Proportional-Integral-DifferentialControl)是模擬控制系統(tǒng)中比擬常見的控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-12所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器、被控對象、反響組成。圖4-11D/A轉(zhuǎn)換電路圖Y〔t〕Y〔t〕R〔t〕U〔t〕E〔t〕比例積分微分被控對象圖4-12控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)(4-1)將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱為PID控制。其控制規(guī)律為(4-2)寫成傳遞函數(shù)形式(4-3)式中K——比例系數(shù)；TI——積分時間常數(shù)；TD——微分時間常數(shù)。PID控制系統(tǒng)中各分量的作用特點如下：〔1〕比例控制作用的特點系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器就立即有控制作用，使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，缺點是對于具有自平衡〔即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值〕能力的被控對象存在靜差，加大Kp可減小靜差，但Kp過大會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞?！?〕積分控制作用的特點能對誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。缺乏之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強(qiáng)會使被控對象的動態(tài)品質(zhì)變壞，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定?！?〕微分作用的特點通過對誤差進(jìn)行微分，能感覺出誤差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小，缺點是對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢，并且能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。對于溫度控制系統(tǒng)來講，溫度是一個緩慢變化的物理量，因此溫度控制系統(tǒng)可以省略主要針對快速變化過程的微分環(huán)節(jié)。通過調(diào)整比例和積分控制參數(shù)同樣能夠到達(dá)好的控制效果。對于實際溫控系統(tǒng)而言，給定值r(t)指用戶設(shè)定的預(yù)置溫度；c(t)被控量的輸出值，即溫控儀溫控面的溫度；u(t)為控制信號量；被控對象是指半導(dǎo)體致冷器及其驅(qū)動局部；反響部件指溫度采樣局部。由溫度是相對變化較緩慢的物理量，因此只采用比例積分控制環(huán)節(jié)。本文中使用了運算放大器和分立式元件構(gòu)成了比例積分控制系統(tǒng)。比例控制的實現(xiàn)由兩種方法，一種是串聯(lián)負(fù)反響法，一種是并聯(lián)負(fù)反響法。我們采用了并聯(lián)反響的方法，反響信號為電流量。電路由比例、積分電路組合而成，見圖4-13。這種組合方式防止了誤差級間放大，保證了溫控系統(tǒng)的精度。圖4-13比例積分電路圖比例運算電路由電阻R1，R2和運算放大器組成，理想情況下，輸入輸出關(guān)系可由下式表示：〔4-4〕其傳遞函數(shù)關(guān)系為〔4-5〕實際電路中，R1時由一個固定電阻和可調(diào)電阻組成的，可以實現(xiàn)KP從2~67之間連續(xù)可調(diào)。積分運算電路由電阻R3、R4，電容C1和運算放大器組成，在理想情況下，輸入輸出關(guān)系可由下式表示〔4-6〕其傳遞函數(shù)關(guān)系為〔4-7〕其中TI=R3C1，實際電路中R3比例積分控制電路總的傳遞函數(shù)等于各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之和，即(4-8)我們可以將溫控系統(tǒng)的比例積分控制器看作是具有粗調(diào)的比例作用與微調(diào)的積分作用的組合。比例控制局部可以實現(xiàn)對大的偏差信號的快速響應(yīng)，積分控制局部可以實現(xiàn)對系統(tǒng)靜差的消除，以保持系統(tǒng)良好的靜態(tài)精度。通過比例積分控制可以實現(xiàn)對溫度的高精度穩(wěn)恒控制。4.5.3半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動電路要想半導(dǎo)體制冷器能夠正常工作，首先必須保證驅(qū)動電路能夠提供足夠大的功率。這就需要功率放大電路。常用的功率放大電路主要有和OCL、OTL和BTL三種形式。OCL和OTL兩種功放電路的效率很高，但是他們的缺點就是電源的利用率都不高，其主要原因是在一個周期內(nèi)每只三集管只工作半個周期，使電源也只能在半個周期內(nèi)供電，從而造成能量的閑置。在這里我們采用BTL功率放大電路。BTL和OCL、OTL相比電路的理想轉(zhuǎn)換效率不變，仍為78.5%，但是電源利用率卻提高了4倍，即在使用較低電源電壓供電情況下，使負(fù)載獲得較大功率。此外我們對半導(dǎo)體制冷器工作原理的分析可知，對半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動需要為半導(dǎo)體制冷器提供一個大小、方向可調(diào)節(jié)的電流，通過調(diào)整電流的大小來調(diào)整半導(dǎo)體制冷器制冷制熱的強(qiáng)度，通過調(diào)整電流的方向?qū)崿F(xiàn)加熱和制冷的轉(zhuǎn)換。在BTL功放電路前面加上一個由同相放大器和反相放大器并聯(lián)組成的電壓轉(zhuǎn)換電路就可以方便的實現(xiàn)上述要求。電路圖如圖4-14所示。圖4-14半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動電路原理圖整個電路采用的是對稱的結(jié)構(gòu)，U3A和U3B分別接成同相放大器和反向放大器，放大倍數(shù)均為β；Q1~Q4選用相同參數(shù)的場效應(yīng)管，跨導(dǎo)為gm；電阻R1~R6的阻值均為R；ZD1、ZD2為穩(wěn)壓管，其穩(wěn)壓值為Uz，正向?qū)〞r壓降為UD。當(dāng)輸入端的信號為正時，運放U3A的輸出為正，U3B的輸出為負(fù)，場效應(yīng)管Q1、Q3導(dǎo)通，Q2、Q4截止，電流從TEC的“+”端流向“-”端；當(dāng)輸入端信號為負(fù)時，運放U3A的輸出為負(fù)，U3B的輸出為正，場效應(yīng)管Q2、Q4導(dǎo)通，Q1、Q3截止，電流從TEC的“-”端流向“+”端。實現(xiàn)了對通過TEC電流方向的控制。通過電路理論可以推導(dǎo)出通過半導(dǎo)體制冷器的電流I與輸入電壓Utw的關(guān)系〔4-9〕其中，RTEC為TEC的電阻。由式(4-9)可以看出，I與Utw呈線性關(guān)系，實現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)輸入信號來改變TEC電流大小的功能。4.6相關(guān)控制電路設(shè)計電源電路包括變壓器、橋式整流器、電容和穩(wěn)壓器。通過變壓器變壓，橋式整流，電容的濾波作用，穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓作用，可輸出穩(wěn)定電壓。電路原理圖如圖4-15所示。圖4-15電源電路原理圖五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計溫度測量系統(tǒng)的功能是在程序控制下實現(xiàn)的。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法與硬件設(shè)計相對應(yīng)，同樣采用模塊化的設(shè)計思想，按整體功能分成多個不同的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計、編程和調(diào)試，最后通過主程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。溫度測量系統(tǒng)的軟件主要分為：下位機(jī)的溫度采集、溫度控制和數(shù)據(jù)無線傳輸程序以及上位機(jī)的溫度數(shù)據(jù)的查詢、接收、顯示和溫度控制局部的數(shù)據(jù)輸入。5.1主程序設(shè)計系統(tǒng)的主程序設(shè)計主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級設(shè)定以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實現(xiàn)各程序模塊的連接。上位機(jī)的系統(tǒng)初始化主要包括8051單片機(jī)中存放器、存儲單元的設(shè)置、nRF401子系統(tǒng)初始化、鍵盤顯示子系統(tǒng)的初始化和PID控制子系統(tǒng)的初始化。下位機(jī)的系統(tǒng)初始化主要包括8051單片機(jī)中存放器、存儲單元的配置、nRF401子系統(tǒng)初始化、DS18B20的初始化。5.1.1上位機(jī)主程序上位機(jī)主程序開始后先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，8051單片機(jī)的初始化，設(shè)置串口通信參數(shù)，翻開CPU中斷，翻開串口中斷，設(shè)置定時器T0中斷。沒有中斷的時候，上位機(jī)子系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到有中斷需要響應(yīng)時，單片機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的中斷效勞程序，向下位機(jī)發(fā)送溫度測試指令，等下位機(jī)接收到完整數(shù)據(jù)后，將上位機(jī)置接收方式，準(zhǔn)備接收測得的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)接收完下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)中斷指令進(jìn)行顯示，并保持狀態(tài)，直到響應(yīng)新的中斷為止。由鍵盤輸入溫度數(shù)據(jù)后，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送經(jīng)PID算法得出的控制信號，下位機(jī)接受到完整數(shù)據(jù)后，控制半導(dǎo)體制冷器加熱或制冷，使溫度到達(dá)設(shè)定值。上位機(jī)主程序流程框圖如圖5-1所示。5.1.2下位機(jī)主程序下位機(jī)主程序開始后首先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，設(shè)置串口通信參數(shù)。下位機(jī)然后向DS18B20發(fā)初始化脈沖。然后發(fā)送SkipROM命令。接著循環(huán)查詢nRF401子系統(tǒng)是否置接收方式，直到有接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，執(zhí)行溫度的檢測或溫度的控制。然后，將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，復(fù)位返回，準(zhǔn)備進(jìn)行新的測試。YesNoYesNoNOYES初始化nRF401有中斷溫度測試子程序無線發(fā)射子程序無線接收子程序PID子程序無線發(fā)射子程序顯示子程序返回鍵盤輸入系統(tǒng)初始化下位機(jī)主程序流程框圖如圖5-2所示。YesNoYesNo返回NOYESNOYES初始化DS18B20nRF401置RX？無線接收子程序測溫度？DS18B20測溫子程序無線發(fā)射子程序溫度控制？溫度控制子程序5.2子程序設(shè)計5.2.1nRF401的通信子程序?qū)τ跓o線通訊，出現(xiàn)最大的問題就是通訊可靠性，因為無線通訊的通訊介質(zhì)是無線電波，大氣穩(wěn)定性、同頻干擾、拍頻差頻干擾等，都會使通訊中斷，或者出現(xiàn)誤碼阻礙，所以必須解決。解決這些問題的最好方法就是編寫通信協(xié)議。nRF401是一款FSK調(diào)制無線通訊芯片，有最大20KBPS速率通訊帶寬，實際上最大值在19KBPS左右，最低通訊頻率在500BPS左右，如果再低，芯片在后期運放低通比擬譯碼時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)逆轉(zhuǎn)，出現(xiàn)誤碼，正因為這樣，發(fā)送的數(shù)據(jù)不允許長的脈沖，也就是速率不能太低。當(dāng)從RX到TX模式時，數(shù)據(jù)輸入腳〔DIN〕必須保持為高至少1ms才能發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)從TX到RX模式時，數(shù)據(jù)輸出腳〔DOUT〕要至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出。從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR＿UP輸入設(shè)成1時，經(jīng)過3ms時間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效所示。從待機(jī)模式到發(fā)