【正文】 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。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。 ， 具有帶寬高（ 2Mbps） ， 雙向傳輸 ， 抗干擾性強(qiáng) ， 傳輸距離遠(yuǎn)（短距離無線技術(shù)范圍） ， 耗電少的優(yōu)點(diǎn) ， 用于無線鍵鼠等室內(nèi)場合 [7]。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊 ， 并融合了增強(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù) ， 其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。 同樣隨著傳感器及電子電路的發(fā)展 ， 集成的溫度檢測器件的完善性及集成性也得到了大大的提高。C。 （ 2） ．增加溫度控制器測試功能 新型智能溫度控制器的測試功能也在不斷增強(qiáng)。 智能溫度控制器都具有多種工作模式可供選擇 ， 主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式 ， 有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式 ， 操作非常簡便。 沈 陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 第 2章 總體設(shè)計(jì)方案 溫濕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。為了達(dá)到目 的應(yīng)該有如下幾個(gè)模塊： 收發(fā)模塊；溫度采集模塊；制冷加熱模塊；中央處理模塊；溫度報(bào)警模塊；顯示模塊。 系統(tǒng)方案的確定 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(diǎn)。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。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 [17][18]。 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。 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)。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。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。 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)。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)受集成度限制 ， 片內(nèi)存儲(chǔ)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)。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復(fù)雜的計(jì)算處理、對采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設(shè)計(jì)工程師的選擇對象。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。 AD7418 可以級(jí)聯(lián)至多 8 片在同一個(gè) I2C 總線上 [16]。 LM74 具有休眠模式 ， 在休眠時(shí)消耗的電流不超過 10μ A， 適用于對功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。 3℃ ， 在 85℃時(shí)優(yōu)于177。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。 DS18B20 的測溫范圍 55~+125℃ ， 最高分辨率可達(dá) ℃ ， 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。在選擇時(shí) ， 應(yīng)主要參考以下幾點(diǎn)： (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(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?， 應(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。 常用的無線收發(fā)芯片 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) 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。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)。 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）。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。 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(gè)環(huán)節(jié) ， 也是系統(tǒng)中最重要的一部分。所以本系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體制冷制熱器件。使溫度精度更加準(zhǔn)確[25]。完成晶振振蕩電路。只包括一個(gè) 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 [9 10]。其性價(jià)比要高于其他復(fù)雜的 pc 機(jī)。 由設(shè)計(jì)的要求 ， 只要做很小集成度的最小系統(tǒng)應(yīng)用在一些小的控制單元。和其他 CMOS 單片機(jī)相似 ， 具有 40 個(gè)引腳。這個(gè)放大器可以與晶振構(gòu)成單片機(jī)的自激振蕩電路 ， 也是單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)工作的前提 ， 其晶振頻率越高 ， 單片機(jī)的運(yùn)算速度越快。 G N D8DCBA6217LT3RBI5B I / R B O4g14f15e9d10c11b12a13V C C16R?74l s 47P 2. 0P 2. 1P 2. 2P 2. 3abfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 1D P Y _7 S E G _D PabcdefgdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 2D P Y _7 S E G _D PabcdefgdpabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S 3D P Y _7 S E G _D PabcdefgdpgfedcbaV C C 圖 3－ 3 顯示電路圖 DS18B20溫度傳感器電路 沈 陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 16 GND1DQ2VDD3DS18B20VCC 圖 34 溫度傳感器電路引腳圖 加熱電路 半導(dǎo)體制冷器 ， 工作原理 在本系統(tǒng)中溫度控制采用半導(dǎo)體制冷器 。 由于其 采用電橋式的聯(lián)接方式 ， 其目的是為了提高電源利用率。 半導(dǎo)體制冷器的工作特點(diǎn)是 ， 其制冷加熱的條件是通過電流的正反方向進(jìn)行調(diào)節(jié) ， 在溫度控制上 ， 采用 半導(dǎo)體制冷器作為調(diào)節(jié)溫度的器件。 當(dāng)輸入端的信號(hào)為正時(shí) ， 運(yùn)放 U3A 的輸出為正 ， U3B 的輸出為負(fù) ， 場效應(yīng)管 Q Q3 導(dǎo)通 ， Q Q4 截止 ， 電流從 TEC 的“ +”端流向“ ”端；當(dāng)輸入端信號(hào)為負(fù)時(shí) ， 運(yùn)放 U3A 的輸出為負(fù) ， U3B 的輸出為正 ， 場效應(yīng)管 Q沈 陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 Q4 導(dǎo)通 ， Q Q3 截止 ， 電流從 TEC 的“ ”端流向“ +”端。 12J2C O N 2R 15R E S 2R 16R E S 2R 17R E S 2R 18R E S 2R 19R E S 2R 20R E S 2+56847U 3AA D 80 72+56847U 3BA D 80 72R 21R E S 2R 22R E S 2R 23R E S 2D1Z E N E R 2D2Z E N E R 2Q1M O S F E T NQ2M O S F E T NQ3M O S F E T NQ4M O S F E T N 24R 24R E S 2R 25R E S 2R 26R E S 2TECR?R E S 2 圖 35 半導(dǎo)體制冷 電路圖 比例積分電路 在溫度控制模塊采用比例積分電路 ， 利用 PID 控制溫度 ， 圖 36 為 D/A 轉(zhuǎn)換電路 ， 目的是將單片機(jī)中的數(shù)字量 ， 轉(zhuǎn)換為模擬電壓供 ， 半導(dǎo)體制冷器使用。能夠起到快速反應(yīng)。能夠較好的避免系統(tǒng)產(chǎn)生偏差。缺點(diǎn)是和比例積分環(huán)節(jié)一樣 ， 對系統(tǒng)的抗擾能力差。準(zhǔn)確的根據(jù)給定值調(diào)節(jié)出需要的參數(shù) ， 但是本系統(tǒng)為溫度控制 ， 是針對花房或者是糧倉的溫度控制 ， 其溫度變化過程相對緩慢 ， 人為干擾可能性比較小 ， 因此我們不需要將系統(tǒng)加入微分控制。本文中使用了運(yùn)算放大器和分立式元件構(gòu)成了比例積分控制系統(tǒng)。這種組合方式避免了誤差級(jí)間放大 ， 保證了溫控系統(tǒng)的精度。比例積分能夠使系統(tǒng)快速響應(yīng) ， 當(dāng)輸入量給定時(shí) ， 系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)達(dá)到要求。 積分運(yùn)算電路由電阻 R R4， 電容 C1 和運(yùn)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 （ 36） 其傳遞函數(shù)關(guān)系為 （ 37） 其中 TI = R3C1， 實(shí)際電路中 R3 由一個(gè)固定電阻和可調(diào)電阻組成 ， 可以實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間的任意調(diào)節(jié)。我們采用了并聯(lián)反饋的方法 ， 反饋信號(hào)為電流量。 對于本系統(tǒng) ， 用戶設(shè)置的溫度作為 給定值 r（ t）用來作為標(biāo)準(zhǔn) ， 實(shí)際溫度作為輸出值 c（ t） ， 控制對象為半導(dǎo)體制 冷器作為電壓控制變量 u（ t） ， 而由DS18B20 檢測的溫度作為反饋值返回給系統(tǒng)。 微分環(huán)節(jié)能夠根據(jù)系統(tǒng)輸入量的變化趨勢 ， 做出相應(yīng)判斷。有嚴(yán)重的滯后效應(yīng) ， 如果積分環(huán)節(jié)作用太強(qiáng) ， 會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在控制時(shí) ， 動(dòng)態(tài)性能不好 （ 3）微分作用的特點(diǎn) 根據(jù)微分的特性我們能夠推斷出微分環(huán)節(jié)能夠針對系統(tǒng)輸入量的變化快慢、反應(yīng)速度進(jìn)行相應(yīng)的判斷 ， 減少系統(tǒng)的超 調(diào)量。當(dāng)使比例放大系數(shù) Kp 增大時(shí) 可減小靜差 ， 但 Kp 過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 由于超調(diào)量的增大而 變壞。 DzzmtwT E Cm UUURgURRRgI ???? ?? 2 2β ）（沈 陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 圖 36 D/A 轉(zhuǎn)換電路圖 PID 控制器是一種線性控制器 ， 它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t) = r(t) c(t) (31) 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。 通過計(jì)算能夠到處半導(dǎo)體制冷器中的電流 I 與電壓 U 之間的關(guān)系式為 （ 31） 其中 ， RTEC 為 TEC 的電阻。 其控制溫度的方式就是調(diào)節(jié)其倆端的電流大小和方向 ， 從而達(dá)到控制溫度加熱還是制冷的目的。相對系統(tǒng)來說 ， 不僅僅要求能夠達(dá)到要求還有要能夠省電。這就需要功率放大電路 ： 橋式推挽電路 （ BTL） ， 其工作特點(diǎn)是在理想 條件下其電流波形為正弦波。雖然對電容要求不大 ， 但是電容的大小影響單片機(jī)工作的穩(wěn)定性 ，在選擇電容式由于晶振選用的是陶瓷晶振 ， 所以在用電容時(shí)使用 2 個(gè) 47uf 的電容與其并聯(lián)構(gòu)成單片機(jī)最小 電路。而且其內(nèi)存單元可以擴(kuò)展。 圖 32 最小系統(tǒng)圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 32 所示 ， 本系統(tǒng)采用的是 AT80C52 單片機(jī)。精度特變高的系統(tǒng)。 適合做無線收發(fā)裝置 ， 用于對溫度的遠(yuǎn)程控制。該芯片沈 陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 采用 FSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù) ， 其工作速率最高為 20K， 它的天線設(shè)計(jì)為差分天線 。 珀?duì)柼?yīng) 使其控制溫度的方式就是調(diào)節(jié)其倆端的電流大小和方向 ， 從而達(dá)到控制溫度加熱還是制冷的目的。 沈 陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 第 3章 硬件電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則 DS18B20 采用單總線接口模式 ， 可以只用一條線就可以與單片機(jī)相連實(shí)現(xiàn)雙向通訊。