【正文】 悉各種方法的測量原理和特點 ,結(jié)合測量對象要求選擇合適的測量方法來完成。在傳統(tǒng)的溫度測量監(jiān)控技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代測溫技術(shù)主要有紅外非接觸測溫技術(shù)、基于彩色 CCD 三基色的測溫技術(shù)、單總線數(shù)字式測溫技術(shù)和激光測溫技術(shù)等。該設(shè)計由無線發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成，無線發(fā)送系統(tǒng)進行溫度采集以及數(shù)據(jù)發(fā)射，接收系統(tǒng)作為主系統(tǒng)對數(shù)據(jù)接收處理并在數(shù)碼管上顯示出來。 3 2 設(shè)計要求與方案論證 設(shè)計要求 ① 溫度監(jiān)測范圍：溫度 55～ 125℃； ② 接收系統(tǒng)顯示溫度實際值，收發(fā)距離： 50 米以內(nèi)； ③ 可以人工設(shè)定報警溫度上、下限定值； ④ 觀測值可以直接看到此時的溫度值； ⑤ 用戶可以隨時查詢之前某一時刻的溫度值； ⑥ 人們可以看到整個溫度變化曲線及規(guī)律并且可以大致預(yù)測將來某一時刻的溫度； 系統(tǒng)基本 方案選擇和論證 單片機芯片選擇方案與論證 方案一： 使用 FPGA(現(xiàn)場可編程陣列 )作為主要控制系統(tǒng)控制器。 8 位單片機具有價格比較合適，并且技術(shù)比較成熟，功耗較低，造價成本低便于購買等優(yōu)點，但是 8 位機程序執(zhí)行 速度比較慢，內(nèi)部資源比 16 位單片機少很多。 溫度采集模塊選擇方案與論證 方案一： 使用熱敏電阻作為溫度傳感器，溫度的變化轉(zhuǎn)換 成電信號的變化。因此此方案不可行。因此用它作為一個測溫器件，線路簡單，在一根通信線，它可以并接到多個地址線上與單片機通信。 TX315A 可應(yīng)用 于警戒系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送、自動抄表系統(tǒng)、無線鍵盤操作、無線遙控系統(tǒng)。 NB9148 通常采用 CMOS 工藝制造，功率消耗低，工作電壓在 2 到 6V 區(qū)間變化。因為波長較短，對障礙物的衍射能力比較差，因此紅外收發(fā)模塊適合短距離點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸，并且設(shè)計起來較復(fù)雜所以此方案不可行。 NRF24L01 功耗低，在以 6dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 10mA 以內(nèi)；接收時，工作電流只有 10mA 左右，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設(shè)計變得更加簡單，通信速率高，與 51 單片機接口簡單而且價格相對其他無線模塊較便宜，適合購買，因此選擇此方案。對于顯示文字比較適合，如采用在點陣式數(shù)碼管顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對較高 ,功耗相對較高所以也不用此種作為顯示。 LED 是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅固。 比較 上述三種方案，方案三電路簡單、功耗低、顯示信息量大、方便購買能很好的滿足題目要求，因此采用方案三 。 6 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)硬件電路主要分為：單片機 AT89C51 主控制系統(tǒng)、 DS18B20 溫度采集電路、NRF24L01 無線接收和發(fā)送模塊電路、 LED 數(shù)碼管顯示電路。具有線路簡單，體積小的特點。多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設(shè)計變得更容易；溫度顯示部份由 LED 數(shù)碼管來完成。 7 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機。 P0 口： 8 位，漏極開路的雙向 I/O 口。 P0 口可驅(qū)動八個 LS 型 TTL 負載。 P0 口可驅(qū)動 4個 LS 型 TTL 負載。 P2 口可驅(qū)動 4 個LS 型 TTL 負載。 P3 口還可提供第二功能。在此引腳加上持續(xù)時間大于 2 個機器周期的高電平，就可以使單片機復(fù)位。 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)晶體振蕩電路及時鐘復(fù)位電路。 9 引腳 RESET 是 AT89C51 單片機的復(fù)位輸入端，接上電容，電阻及電阻和按鈕實現(xiàn)手動復(fù)位電路，如圖 所示。因此，使用它作為一個溫度測量裝置，該電路很簡單，在一根通信線上，它可 以并接到多個地址線上與單片機的實現(xiàn)通信。單總線適用于單片機系統(tǒng)中，主機可以是一個微控制器，機器也可以是單總線器件，他們的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號線便可實現(xiàn)， DS18B20 產(chǎn)品的特點如下： ① 所有的應(yīng)用模塊都集中在 一個和普通三極管大小相同的芯片內(nèi)，只需要一個端口即可實現(xiàn)通信； ② 具有 3 至 很廣范圍的工作電壓并且可以使用寄生電容供電的方式，此時只需只要在數(shù)據(jù)線上連接一個電容即可完成供電； ③ 實際應(yīng)用中不需要任何外部元器件即可實現(xiàn)測溫； ④ 測量溫度范圍在 55～ +125176。 圖 DS18B20溫度傳感器應(yīng)用電路 51 單片機和 DS18B20 一線 (單線 )總線連接 ,只有物理電纜 ,傳輸時鐘 ,而且傳輸數(shù)據(jù) ,和溝通是雙向的 ,也可以使用總線設(shè)備完成供電任務(wù)。 操作簡介： DS18B20 工作時需要接收特定的指令來完成相應(yīng)功能（指令：可以簡單的理解為可以被識別并有相應(yīng)意義的一系列高低電平信號），它的指令可分為 ROM 指令和 RAM 指令； ROM 指令主 要對其內(nèi)部的 ROM 進行操作，如查所使用 DS18B20 的序列號等，如果只使用一個 DS18B20， ROM 操作一般就可以直接跳過了； RAM 指令主要是完成對其內(nèi) RAM中的數(shù)據(jù)進行操作，如讓其開始進行數(shù)據(jù)采集、讀數(shù)據(jù)等。 11 ROM和 1WIRE總線接口CRC 校驗和生成器溫度傳感器配置寄存器低溫觸發(fā)器高溫觸發(fā)器存儲器和控制器高速緩存 圖 DS18B20的內(nèi)部結(jié) 構(gòu) DS18B20 的工作過程： ① 復(fù)位操作 ② 執(zhí)行 ROM 操作的 5 條指令之一： 1）讀 ROM， 2）匹配 ROM， 3）搜索 ROM， 4）跳過 ROM， 5）報警搜索。如 9 位數(shù)據(jù)時，有 1 位為小數(shù)，精度為 。只有在總線上存在單只 DS18B20 的時候才能使用這個命令。只有和 64 位 ROM 序列完全匹配的 DS18B20 才能響應(yīng)隨后的存儲器操作命令。這條命令允許總線控制器不用提供 64 位 ROM 編碼就使用存儲器操作命令，在單點總線情況下右以節(jié)省時間。搜索 ROM 命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機的 64 位編碼。和 DS18B20 間的任何通訊都需要以初始化序列開始，初始化序列見上圖。 NRF24L01 低能耗， 在 6 dBM功率發(fā)射，工作電流僅為 9 毫安 。 CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5VDD_PA11ANT112ANT213VSS14VDD151616VSS VSSDVDD18VDD1719IREF2076VSSVDD8XC1XC2IRQ109 圖 NRF24L01管腳圖 發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將 NRF24L01 配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點地址 TX_ADDR 和有效數(shù)據(jù) TX_PLD 按照時序由 SPI 口寫入 NRF24L01 緩存區(qū)， TX_PLD 必須在 CSN 為低時連續(xù)寫入，而 TX_ADDR 在發(fā)射時寫入一次即可，然后 CE 置為高電平并保持至少 10μ s，延遲 130μ s 后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動應(yīng)答開啟，那么 NRF24L01 在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式，接收應(yīng)答信號（自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點地址 TX_ADDR 一致）。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和 CRC 時，就將數(shù)據(jù)包存儲在 RX FIFO中，同時中斷標(biāo)志位 RX_DR 置高， IRQ 變低，產(chǎn)生中斷，通知 MCU 去取數(shù)據(jù)。但針對單個字節(jié)而言，要先送高位再送低位。由八個的發(fā)光二極管組成，通過點亮不同的發(fā)光二級管組合來顯示數(shù)字 0 至 9，字符 A、 b、 C、 d、 F、 H、 L、 P、 R、 Y、 E，符號“ ”及小數(shù)點“ .”。當(dāng)一個陰 極為高電平時 相應(yīng)的字段 不 亮 。 本設(shè)計中 4 位數(shù)碼管的驅(qū)動方式是動態(tài)驅(qū)動。 數(shù)碼管的引腳 如圖 所示。 4 位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，引腳如圖所示（正面朝自己，小數(shù)點在下方）。主系統(tǒng)的接受無線模塊 NRF24L01 接受數(shù)據(jù)送給主控芯片AT89C51， AT89C51 對數(shù)據(jù)進行分析處理，對現(xiàn)場所測量的溫度值在 LED 數(shù)碼管上進行顯示。整個軟件采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，并利用 C 語言編制。接收機無線模塊接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)并顯示在數(shù)碼管上。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉500 微秒，然后釋放。 18 開始讀取溫度值發(fā)送跳過 ROM 指令配置 NRF 24 L 01 為發(fā)送通過 NRF 24 L 01 傳輸溫度值開始溫度轉(zhuǎn)換復(fù)位 DS 18 B 20發(fā)送完畢 ？YN 圖 發(fā)送端程序流程圖 本系 統(tǒng)接收端采用 NRF24L01 無線模塊接收發(fā)送端傳來溫度數(shù)據(jù)，經(jīng) 51 單片機處理后在數(shù)碼管上顯示溫度值，其中包括 NRF24L01 無線模塊和數(shù)碼管的初始化。第一位顯示十位，第二位顯示個位，第三位顯示一位小數(shù)緊接著是溫度單位 176。 C 語言是一種十分流行的編程開發(fā)語言，它既可以用來編寫計算機的系統(tǒng)程序，也可以用來編寫一般的應(yīng)用程序。其次：利用 uVision2 的文件編輯器編寫 C 語言源程序文件，將文件保存并添加到項目中去。 Protel 現(xiàn)在已經(jīng)是國內(nèi)使用最廣的 EDA軟件，它把設(shè)計 設(shè)計 PCB 板圖 、 仿真電路、 電路原理圖 和設(shè)計 PLD 等許多實用功能組合在一起來完成 EDA 的工作，她是第一個吧 EDA 軟件做成基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品。 下面將對 Protel 2020 的作圖流 程做一個簡單的介紹。布局均勻，導(dǎo)線不要有交叉。因為 PCB 板上 有高頻數(shù)字信號，假如有共模輻射產(chǎn)生，那么電纜就是共模輻射理想 的天線。如果連接器與高速器件必須相連，就用該把高速器件丟在鏈接器處面。 ④ 發(fā)熱器件必須要離集成電路遠，最好的做法就是放在邊緣，以便于器件的散熱。 ② 避免 PCB 導(dǎo)線的不連續(xù)性，跡線寬度不能突變，避免 90176。 24 ⑤ 最小化環(huán)面積；信號路徑和他的返回線緊靠在一起將有助于最小化地環(huán)。 硬件軟件聯(lián)合調(diào)試 硬件調(diào)試和軟件調(diào)試完成以后，需要進行軟硬件的聯(lián)合調(diào)試。 實物調(diào)試 整個系統(tǒng)完成后最主要的部分就是對其做全面的測試，查看硬件電路是否連接無誤有無虛接短路，用萬能表對各路器件進行仔細的檢測以確保線路連接完好。根據(jù)設(shè)計要求并結(jié)合實物編寫修改程序。 經(jīng)過仔細檢查發(fā)現(xiàn) keil uVision2 里編寫的程序關(guān)于DS18B20 的部分引腳分配錯誤，并且實物中 DS18B20 溫度傳感器插反，經(jīng)過逐一糾正， 26 接收機成功顯示當(dāng)下時刻的溫度。通過過程序的編寫實現(xiàn)接收機與上位機的串口通信，將接收機收到的試驗現(xiàn)場溫度值發(fā)送到上位機無線測溫系統(tǒng)。如果不需要報警功能，用戶可以直接將報警功能關(guān)閉，并可以根據(jù)自己的需要設(shè)定報警溫度的上下限的值。 點擊上位機無線測溫系統(tǒng)中“歷史數(shù)據(jù)”可知該時間段溫度數(shù)據(jù)，溫度歷史數(shù)據(jù)整理后如表 所示。因此，溫度監(jiān)控儀作為簡稱為儀器中不能缺少的一種儀器，如何用簡單便宜，性能良好，外圍電路簡單的元器件制造出性能良好的溫度監(jiān)控器便成為了溫度的發(fā)展方向。溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用無線傳輸 ,解決了惡劣環(huán)境中有線傳輸布線難和不靈活的問題 ,同時采用數(shù)碼管顯示 ,使得操作簡單 ,顯示直接明了 ,而且大大減少了功耗。 NRF24L01 無線收發(fā)模塊集成度高，傳輸速度快，精度高，集合了編碼解碼，發(fā)射接收功能，抗干擾能力強，用戶使用起來也非常方便，使得系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計輕松簡單了許多。 30 參 考 文 獻 [1] 趙建領(lǐng) .51 系列單片機開發(fā)寶典 [M].北京 : 電子工業(yè)出版社 .2020 [2] 黃智偉 .無線發(fā)射與接收電路設(shè)計 [M].北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 .2020 [3] 高峰 .單片微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計及實用技術(shù) [M].北京 :機械工業(yè)出版社 ,2020. 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