【正文】 ............................................. 40 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 1 緒論 意義及背景 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中迅速的得到應(yīng)用，溫度作為一個(gè)重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。作為無線產(chǎn)業(yè)新領(lǐng)域，短距離無線通信技術(shù)顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，在安全生產(chǎn)，家用電器，數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，甚至在一些特殊情況下，無線數(shù)據(jù)傳輸方式是唯一的數(shù)據(jù)傳輸方式。 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)三種。考慮到目前市場(chǎng)上的一些需求，設(shè)計(jì)的主要要求是方案成本低，體積小，功耗低，集成度高，盡量無需調(diào)外部元件，傳輸時(shí)間短，接口簡(jiǎn)單。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測(cè)量，因此研究溫度的測(cè)量方法和裝置具有重要的 意義。社會(huì)的發(fā)展使人們對(duì)傳感器的要求也越來越高，現(xiàn)在的溫度傳感器 正在基于單片機(jī)的基礎(chǔ)上從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展，并朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展 [2]。 本課題中 溫度傳感器 采 用美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線 式 數(shù)字溫度集成芯片 DS18B20，該芯片可以直接提供單片機(jī)接收的數(shù)字溫度信號(hào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 無線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中迅速得到了應(yīng)用。主要內(nèi)容包括 方案論證、 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 無線收發(fā)裝置電路 設(shè)計(jì)、溫度傳感器電路設(shè)計(jì)、 顯示 電路設(shè) 計(jì)、軟件設(shè)計(jì) 、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 等。設(shè)計(jì)無線收發(fā)功能電路，實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫度測(cè)量終端跟主機(jī)的通信； （ 4） 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)。制定詳細(xì)的 實(shí) 驗(yàn)方案，完成無線多點(diǎn)溫度傳輸實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性和有效性。若采用一般溫度傳感器采集溫度信號(hào)，則需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的接口電路，才能把傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到計(jì)算機(jī)去處理。溫度傳感器應(yīng)用范圍廣泛、使用數(shù)量龐大，也高居各類傳感器之首。而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，安裝方便。 方案二 基于 MSP430 的方案論證 ： 使用 MSP430 作控制器，德州儀器 （ TI） 的超低功率 16 位 RISC 混合信號(hào)處理器 MSP430 產(chǎn)品系列為電池供電測(cè)量應(yīng)用提供了最終解決方案。 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5 溫度傳感器方案論證 方案一 基于 熱敏電阻 的方案論證 ： 采用熱敏電阻 ， 可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測(cè)量范圍 ，雖然 熱敏電阻精度、重復(fù)性 較好 、 但 可靠性較差，對(duì)于檢測(cè) 誤差在 1 攝氏度 范圍內(nèi) 的信號(hào)是不適用的。 導(dǎo)致增加 設(shè) 計(jì)成本、延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期 等 [2]。且該 傳感器 的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測(cè)溫 傳感器 ，此 傳感器 線形較好。這樣 ,測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單，體積也 小 ,且由于 STC12C5A60S2 功能強(qiáng)大可以輕松的兼容無線模塊 ，因此可以非常容易實(shí)現(xiàn) 無線 多點(diǎn)測(cè)量 ， 輕松的組建 無線 網(wǎng)絡(luò) [2]。本方案 采 用 數(shù)字 溫度 傳感器 DS18B20，也是順應(yīng)這一趨勢(shì) [4]。 NRF905 可以自動(dòng)完成處理字頭和 CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成 曼徹斯特編碼 /解碼，使用 SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以 10dBm 的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，在接收模式時(shí)電流為 。另外 NRF24L01 在工業(yè)控制上的應(yīng)用也很廣泛，與各種外圍電路的配合應(yīng)用也比較成熟 [2]。 NRF24L 01功耗低 ,在以 6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9 mA；接收時(shí)， 工作電流只有 mA， 多種低功率工作模式 （ 掉電模式和空閑模式 ）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便 。 在無線通信領(lǐng)域顯示出了越來越 廣泛 的 應(yīng)用范圍與強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α? 綜合以上情況分析決定采用方案二的 NRF24L01 芯片更符合本系統(tǒng)，能夠很好的達(dá)到系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。本設(shè)計(jì)通過 3 個(gè)從 機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)的溫度采集，溫度數(shù)據(jù)既可以由從機(jī)模塊實(shí)時(shí)顯示，也可以送回主機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總顯示 ，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快，擴(kuò)展性好，成本低的特點(diǎn)。對(duì)無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的發(fā)展有著重大的意義。 電路主要 硬件包括 單片機(jī) STC12C5A60S無線傳輸模塊 NRF24L0 顯示模塊 12864 和 溫度傳感器 DS18B20。 DS18B20 的數(shù)據(jù)端DQ 可通過 STC12C5A60S2。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用的是 STC12C5A60S2 單片機(jī) 。 STCI2C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)有如下特點(diǎn) [3]： （ 1） 增強(qiáng)型 8051 CPU，單時(shí)鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； （ 2） 工作電壓： STC12C5A60S2 系列工作電壓： ~； （ 3） 工作頻率范圍： 0MHz~35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0MHz~420MHz； （ 4） 用戶應(yīng)用空間 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K 字節(jié)； 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 （ 5） 片上集成 1280 字節(jié) RAM； （ 6） 通用 I/O 口 （ 36/40/44 個(gè) ） ，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉 （ 普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口 ） 可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強(qiáng)推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過 120mA； （ 7） ISP（ 在系統(tǒng)可編程 ） /IAP（ 在應(yīng)用可編程 ） ，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口 （ ） 直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； （ 8） 有 EEPROM 功能（ STC12C5A62S2/AD/PWM 無內(nèi) 部 EEPROM） ； （ 9） 看門狗電路； （ 10） 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 （ 外部品體 12M 以下時(shí)，復(fù)位腳可直接 1K 電阻到地 ） ； （ 11） 外部掉電檢測(cè)電路：在 口有一個(gè)低壓門檻比較器 5V 單片機(jī)為 ，誤差為 ? 5%， 單片機(jī)為 ，誤差為 ? 3%； （ 12） 時(shí)鐘源：外部高精度晶體 /時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 （ 溫漂為 ? 5%~? 10%以內(nèi) ） 用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時(shí)鐘常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 11MHz~17MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)； （ 13） 共 4 個(gè) 16 位定時(shí)器。 具體的各個(gè)設(shè)計(jì)部分如下圖所示 [3]。選用的限流電阻 R1=1k? 。 圖 3. 2 單片機(jī)上電復(fù)位電路圖 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 11 P101P112P123P134P145P156P167P178REST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40STC12C5A60S2U1STC123J?1234P1MHDR1X4112233445566K?1KR1LED1VCCVCCGNDGND123456789P212X1C1C2VCC10uFC3Cap Pol210KR3GNDStep2Step3Step4Step1P04P05P06P07P27P20P21P22P23P24P25P26P101P112P123P134P145P156P167P178REST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717XTAL218XTAL119GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40STC12C5A60S2U1STCVCCGND123456789P212X1C1C2GNDStep2Step3Step4Step1P04P05P06P07P27P20P21P22P23P24P25P26 （ 3） 時(shí)鐘電路：本最小系統(tǒng)采用的是外部晶振電路，利用 的晶體振蕩器和兩個(gè) 30pF 的電容構(gòu)成。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 EnhancedShockBURSTDEMODClockRecoveryDataSlicerADDRDecodeCRCCode / DecodeFIFOIn / OutGFSKFiterIFBPF LNA PAFrequencySynthesiserV SS = 0 VDVDDMO SIMI SOSC KC SNIR QVDD=3VVSS=0VVDD=3VVDD=3VVSS=0VVSS=0VXC 1V DD _ PA = 1 . 8 VANT 1ANT 2100 + j 175 OIR EFXC 2CE 無線模塊電路設(shè)計(jì) NRF24L01 無線模塊的功能介紹 NRF24L01 是一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本無線收發(fā)器。 NRF24L01 功耗低，以 6 dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅 9 mA；接收時(shí)，工作電流僅 mA，多種低功率工作模式（掉電和空閑模式）更利于節(jié)能設(shè)計(jì) [1]。 表 NRF24L01四種工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 數(shù)據(jù)在 RX FIFO 寄存器中 發(fā)射模式 1 1 1 數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中 發(fā)射模式 1 0 1~0 停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機(jī)模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 待機(jī)模式 1 1 0 無數(shù)據(jù)傳輸 掉電 0 待機(jī)模式 I。 在掉電模式下 ， NRF24L01 各功能關(guān)閉保持電流消耗最小進(jìn)入掉電模式后NRF24L01 停止工作 寄存器內(nèi)容保持不變掉電模式由寄存器中 PWR_UP 位來控制。 接收數(shù)據(jù)時(shí) ,首先將 NRF24L01 配置為接收模式，接著延遲 130μs 進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。 NRF24L01 無線模塊在本系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)圖如下所示： 圖 電路接線圖 基于單片機(jī)的多路溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 液晶 顯示電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中顯示部分是使用 STC12C5A60S2 單片機(jī)控制 12864 顯示。 低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。而主機(jī)模塊上的 12864 液晶除了顯示主機(jī)采集到的環(huán)境溫度外，還要匯總顯示出各從機(jī)模塊通過無線傳輸芯片 NRF24L01 發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)，并能夠 實(shí)時(shí) 反映出各從機(jī)模塊采集到的溫度的變化。 本 課題 的 顯示電路設(shè)計(jì)如圖 所示。其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。C，在 10176。C。 DS18B20 有 4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： ① 64 位激光 ROM?？赏ㄟ^軟件寫入用戶報(bào)警上下限值 。 表 配置寄存器結(jié)構(gòu) 表 TM R1 R0 1 1 1 1 1