【正文】 前言 第 1頁(yè) (共 59頁(yè) ) 無(wú)線壁掛爐溫控器設(shè)計(jì) （發(fā)射端） 1 前言 溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|比較多的一個(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(kù)存武器彈藥、金屬材料等物品霉?fàn)€、生銹，必須保持環(huán)境溫度不能過(guò)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(cè)和控制已成為生產(chǎn)過(guò)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(cāng)儲(chǔ)等許多領(lǐng)域。一些領(lǐng)域?qū)貪穸瓤刂频囊笕绫?所示。 表 1 各種行業(yè)溫濕度要求范圍 行業(yè) 工序 溫度（ ℃ ） 行業(yè) 工序 溫度（℃） 印刷 印刷 24~27 蔬菜 蘑菇栽培 14~27 彈藥 存儲(chǔ) ≤ 70 檔案 保管 14~24 糧食 谷物儲(chǔ)藏 16 光學(xué) 研磨 27 無(wú)線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 2頁(yè)（共 59頁(yè)） 陶瓷 成型 27 照相 膠片制成 23~24 煙草 制絲 30~32 紡織 梳棉 21~24 儲(chǔ)藏 21~24 精紡 24~27 2 選題背景 目的和意義 隨著人們工作和生活節(jié)奏的加快，一個(gè)舒適的家庭環(huán)境能夠在一定程度上改善人們因壓力過(guò)大而產(chǎn)生的疲憊感。無(wú)線壁掛爐溫控器的設(shè)計(jì)與研究，有利于有效地控制爐壁的溫度，為居民的生活帶來(lái)方便和便捷。同時(shí)，滿足了廣大用戶的要求，解決了無(wú)線遙控的需求。 國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)壁掛爐溫控器的研究從沒(méi)有停 止過(guò)。主要著力于功耗更小，通信距離更長(zhǎng)，溫度控制溫度更精準(zhǔn)，控制范圍更廣闊。同時(shí)，各個(gè)廠家追求控制界面的人性化，大 屏幕顯示 ， 房間溫度 ， 設(shè)定溫度 ， 當(dāng)前時(shí)鐘同時(shí)顯示 ， 掉電永久記憶功能 ， 可選華氏溫度和攝氏溫度單位 ， 為了舒適和節(jié)能，可選休假和溫度保持模式 。 課題背景 單片機(jī)自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS48 開(kāi)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(wú)處不在，無(wú)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(wèn)方式、多種跳轉(zhuǎn)、乘除法運(yùn)算、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、中斷處理等，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。 前言 第 3頁(yè) (共 59頁(yè) ) 短距離無(wú)線通信技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) （ 1） 紅外通信技術(shù)（ IrDA） [26,28,30] 紅外通信技術(shù) IrDA(InfraRed Data Association)采用人眼看不到的紅外線傳輸信息，是使用最廣泛的短距離無(wú)線通信技術(shù)。它利用紅外線的通斷表示計(jì)算機(jī)中的01 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(jiǎn)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(guò) 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(wú)法靈活構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，且無(wú)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。 （ 2）藍(lán)牙技術(shù)（ Bluetooth） [26,28,30] 藍(lán)牙技術(shù)使用全球統(tǒng)一開(kāi)放的 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(wú)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(yǔ)音設(shè)備，通過(guò)無(wú)線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng) (Pico)。多個(gè)微微網(wǎng) 之間也可以形成分布式網(wǎng)絡(luò) (Scatter)，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(kāi)放性、產(chǎn)品的互操作性及兼容性、公用通信頻段以及提供大容量的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。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(wú)線通信規(guī)范。 （ 3） （ WiFi） [26,28,30] 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)線局域網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使用 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。 無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端設(shè)備只要裝上無(wú)線網(wǎng)卡，就可以訪問(wèn)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。 具有有線等價(jià)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，建無(wú)線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 4頁(yè)（共 59頁(yè)） 網(wǎng)速度快，可用來(lái)組建大型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)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(yíng)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 WiFi 標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中。速度更快的 使用與 相同的正交頻分多路復(fù)用（ OFDM）調(diào)制技術(shù)，同樣工作在 頻段，速率達(dá) 54 Mbit/s，比目前通用的 快了 5 倍，并且完全向后兼容 ， 將有可能被大多數(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而下一代的 WiFi 標(biāo)準(zhǔn) 可望達(dá)到 100 Mbit/s。 （ 4）微功率短距離無(wú)線通信技術(shù) [30] 近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，短距離無(wú)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(wú)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(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，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成，用戶不用對(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。新一代短距離無(wú)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(kāi)發(fā)簡(jiǎn)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(wú)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。 小結(jié) 隨著人們工作和生活節(jié)奏的加快，一個(gè)舒適的家庭環(huán)境能夠在一定程度上改善人們因壓力過(guò)大而產(chǎn)生的疲憊感。無(wú)線壁掛爐溫控器的設(shè)計(jì)與研究，節(jié)省了室內(nèi)電線電纜的安裝，為居民的生活帶來(lái)便捷，能更加有效地控制室內(nèi)溫度。同時(shí)，個(gè)性化的設(shè)計(jì)界面滿足了廣大用戶的普遍要求。 選題背景 第 5頁(yè) (共 59頁(yè) ) 3 方案論證 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 無(wú)線溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案圖如圖 1所示： 圖 1 無(wú)線溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案圖 傳感器方案 傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測(cè)量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測(cè)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(guò)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(cè)信號(hào)從敏感元件接收的非電物理量開(kāi)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，鍵盤 控制器 顯示器 控制信號(hào) 無(wú)線發(fā)射器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 爐壁加熱器 溫度傳感器 控制對(duì)象 室內(nèi)溫度 無(wú)線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 6頁(yè)（共 59頁(yè)） 相應(yīng)測(cè)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)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)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(cè)的場(chǎng)合，各被測(cè)點(diǎn)到測(cè)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(wèn)題。數(shù)字式傳感器能把被測(cè)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(cè)量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號(hào)易于處理、傳送和自動(dòng)控制，便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性高。雖然存在反應(yīng)速度較慢，溫度測(cè)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?lái)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(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。 短距離無(wú)線通信模塊方案 藍(lán)牙技術(shù)作為一種近距離無(wú)線連接的全球性開(kāi)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(yǔ)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 RF 定以 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(lái)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(jiǎn)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(wú)線收發(fā)芯片。短距離無(wú)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)字信方案論證 第 7頁(yè) (共 59頁(yè) ) 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(wú)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(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，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成，用戶不用對(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。新一代短距離無(wú)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(kāi)發(fā)簡(jiǎn)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(wú)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(wú)線收發(fā)芯片。無(wú)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(jiǎn)單透明，技術(shù)成熟。使用該種方案無(wú)線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù) 的記錄、顯示和對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的控制。對(duì)于一般的工業(yè)測(cè)量與控制，多采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(lái)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。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(guò)單片機(jī)來(lái)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(kāi)發(fā)過(guò)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)算機(jī)（ Single Chip Microputer）。通常由微型計(jì)算 機(jī)和外圍設(shè)備組無(wú)線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 8頁(yè)（共 59頁(yè)） 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/