【正文】 的日常生活、動植物的生存繁衍和周圍環(huán)境的溫度息息相關，石油、化工、冶金、紡織、機械制造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲等領域對溫度也有著較高的要求。由于單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎 “無處不在，無所不為 ”。 本文討論的單片機無線溫度控制系統(tǒng)的核心是目前應用極為廣泛的 51 系列單片機，配置了外圍設備，構成了一個可編程的溫度測量和顯示系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功 能強等特點。目前使用的 MCS51 系列單片機及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內閃爍存儲器型。 短距離無線通信技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 隨著移動通信需求和遠程數(shù)據(jù)采集量的增加，加之有線傳輸?shù)馁M用日益增長，人們正逐漸認識到在許多檢測領域采用無線傳輸?shù)谋匾浴? 紅外通信技術（ IrDA） [19] 紅外通信技術 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線通信技術。 （ WiFi） [19] 技術標準是無線局域網(wǎng)的國際標準，使用 的 ISM 頻段，采用直接序列擴頻 DSSS 技術進行調制解調增強了抗干擾能力，提高了傳輸速度。 [12]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、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現(xiàn)設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡，在工業(yè)、民用領域得到較為廣泛的應用。 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換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點。它的信號原則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。 IrDA 具有技術成熟、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、成本低廉等優(yōu)點。無線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，通訊協(xié)議簡單透明，技術成熟。 [13]由于 DSP 主要應用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部 I/0 接口比較少，不便于系統(tǒng)擴展，因此多數(shù) DSP 系統(tǒng)還要通過單片機來進行外部接口擴展，這導致了 DSP 的成本較高，另外， DSP 具有一定的專用性，開發(fā)過程比較復雜 ，不便于通用。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復雜的計算處理、對采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。其內部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉換器。 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格限制的系統(tǒng)。它最多允許在一根 MCU 的 I/O 總線上同時掛接 8 個 MAX6575L/H 進行多點溫度測量。在選擇時，應主要參考以下幾點： 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?，一般僅能達到標稱速率的 1/3，而采 用串口傳輸?shù)男酒?，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，編程方便。 ② nRF24E1 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機內核的高速單片無線收發(fā)芯片 [15]。 顯示模塊的選擇 顯示單元是人機交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)的關鍵性設備，通常的顯示器件有液晶顯示器（ LCD）和數(shù)碼管顯示器（ LED）。 圖 31 系 統(tǒng)總體結構框圖 溫度采集部分電路設計 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 由于 STC89C51 接口較少，故選用 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 。 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)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時需要的 A/D 轉換和較復雜的外圍電路。這為溫度的多點測量帶來了極大的方便。格式如 下表所示 ： 表 31 低位存放數(shù)據(jù) LSByts Bit0 Bit1 Bit2 Bit3 Bit4 Bit5 Bit6 Bit7 23 22 21 20 21 22 23 24 表 32 高 位存放數(shù)據(jù) MSByts Bit8 Bit9 Bit10 Bit11 Bit12 Bit13 Bit14 Bit15 S S S S S 26 25 24 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，則 DS18B20 內部的報警標志位就被置位，表示溫度測量值超出范圍。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。為了保證在有效的 時鐘周期內，提供足夠的電流，這種情況下，用一個 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 15 MOSFET 管和單片機的一個 I/O 口來完成對 DS18B20 總線的上拉。 RX Mode: 1214mA (9) 標準 DIP間距接口，便于嵌入式應用 (10） 具有發(fā)射距離遠，發(fā)射功率大，和發(fā)送字節(jié)長的優(yōu)勢。 在圖 37 中可以看出，微控制器的 I/O 口 控制 nRF903 的片選端； 口控制 nRF903 的時鐘信號； 口控制數(shù)字雙向 IO 口，實現(xiàn)半雙工通信； 控制數(shù)據(jù)完成指示； 控制接收發(fā)送模式選擇； 控制接收發(fā)送使能； 口控制 nRF401 的 POWER_UP 端，實現(xiàn)待機和上電的控制，達到節(jié)能目的。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉。但是，由于兩個濾光器之間充 滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光器后，會被液晶分子扭轉 90 度，最后從第二個濾光器中穿出。背光源正極接高電平，背光源負極接低電平。電路包含 1個齊納調節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在 177。該系統(tǒng)的軟件設計方法與硬件設計相對應，同樣采用 模塊化的設計思想，按整體功能分成多個不同的程序模塊，分別進行設計、編程和調試，最后通過主程序和中斷處理程序將各程序模塊連接起來。沒有中斷的時候，發(fā)射端子系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到有中斷需要響應時，單片機進入相應的中斷服務程序。通過 Mode control寄存器的 FMS位可設置， 0為時是 Direct mode（直接模式），為 1時是 FIFO mode。 ：在復位電平結束之后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15~60uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個 60~240uS的低電平信號。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴格遵循18B20的讀寫時序來操作。 系統(tǒng)結構采用模塊化設計，主要由兩大部分構成：第一部分為數(shù)據(jù)發(fā)射端，以單片機為核心，與一片單總線溫度傳感器 DS18B20 組成溫度采集網(wǎng)絡，完成溫度數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送；第二部分為數(shù)據(jù)接收端，由單 片機作為主控機，通過顯示接口模塊，完成溫度數(shù)據(jù)的無線接收和顯示功能。 ，比如可以使用 nRF24L01 無線模塊，與 nRF903相比，它更低耗， 內置 天線，工作于 Enhanced ShockBurst 具有 Automatic packet handling, Auto packet transaction handling,具有可選的內置包應答機制，極大的降低丟包率。 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 26 第五章 結論與展望 結論 本文所研究的無線溫度發(fā)射和接收系統(tǒng)是短距離無線通信技術在溫度測量方面的一個具體應用。 ：一個存儲器操作指令結束后則將進行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。 FIFO RX 接收流程 A. 當通過 SPI指令（或者管腳控制）使 RF903進入接收模式； B. RF903不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)； C. 當 RF935檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高（根據(jù)配置 IRQ杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 24 有不同的表現(xiàn)）； D. 當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢， RF903自動移去字頭、地址和 CRC校驗位，然后把 IRQ引腳置為高 E. 微控制器通過 SPI 口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內； [18] 圖 44 SPI 讀 操作時序 溫度 測量子程序 單片機對 DS18B20 的操作流程大致可分為 4 步： ：首先必須對 DS18B20 芯片進行復位，復位就是由單片機給 DS18B20單總線至少 480uS 的低電平信號。 接收 端主程序流程框圖如圖 42 所示。 發(fā)射端主程序 發(fā)射端主程序開始后先進行初始化設置。首先介紹了溫度采集電路和無線收發(fā)電路，然后介紹的是顯示電路，最后介紹了一些輔助電路。另外還有 5個固定電壓輸出（ 、 、 、 和 5V）的型號。是使能信號 E 與 相連。只有兩個濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種 90 度扭轉的狀態(tài)。 表 35 RF903模塊性能參考數(shù)據(jù) 參數(shù) 數(shù)值 單位 最低工作電壓 V 最大發(fā)射功率 15 dBm 最大數(shù)據(jù)傳輸率 150 kbps 輸出功率為 +10dBm時工作電流 34 mA 接收模式時工作電流 14 mA 溫度范圍 45～ +85 ℃ 典型靈敏度 110 dBm 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 17 表 36 接口電路管腳說明 管腳 名稱 管腳功能 說明 1 VCC 電源 2 SCS 數(shù)字輸入 SPI片選 4 SCK SPI時鐘 SPI時鐘 5 CKO 始終輸出 未啟用 6 DIO 數(shù)據(jù)輸入輸出 未啟用 7 TRS 數(shù)字輸入 接收發(fā)送模式選擇 8 IRQ 數(shù)字輸出 數(shù)據(jù)完成指示 9 PWR_UP 數(shù)字輸入 上電 10 TRE 數(shù)字輸入 接收發(fā)送使能 11 ADCIN 外部輸入 ADC 未啟用 12 RTCO 32K時鐘輸出 未啟用 13 GND 地 接地 14 GND 地 接地 典型應用電路說明 在無線溫度控制系統(tǒng)中， nRF903 主要完成對溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸。nRF903 滿足歐洲電信工業(yè)標準（ ETSI） EN300 2001 和美國聯(lián)邦通信委員會標準 FCC CFR47， part 15。 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。 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 34 所示。第 9 個字節(jié)是 CRC 校驗碼，是前面 8 個字節(jié)的循環(huán)校驗碼，用在通信中驗數(shù)據(jù)傳送的正確性。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?！?： ⑥ 溫度轉換精度 912 位可編程，能夠直接將溫度轉換值以 16 位二進制數(shù)碼的方式串行輸出。 系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，其中接收模塊由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、顯示模塊和控制模塊組成，發(fā)射模塊由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、溫度采集模塊和控制模塊組成。 ④ 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 調制和解調 , 抗干擾能力強；采用 DDS+PLL 頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達 100dBm , 最大發(fā)射功率達 +10dBm；數(shù)據(jù)速率可達 Kbit/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)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。它具有低電壓（ ~），極低的功耗，可編程輸出功率（ 20~10dBm），高靈敏度（一般 109dBm），小尺寸（ TSSOP28 封裝），集成了位同步器等特點。 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)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，所以，選用 DS18B20 做為溫度測量的傳感器。5 ℃ 。具有抗干擾能力強、分辨 力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。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，杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 8 National Semiconductor 公司的 Microwireplus 總線， Dallas Semiconductor 公司的1Wire 總線和 Siemens 公司的 Profibus 總線等。單片機應用系統(tǒng)正在被各個領域廣泛應用。根據(jù)微處理器的不同，專用計算機應用系統(tǒng)可分為 DSP 應用系統(tǒng)和單片機應用系統(tǒng)。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、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現(xiàn)設備間的無線連接，因此，較適合搭建