【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線通訊功能。 (3)控制單元軟硬件設(shè)計(jì)。 (4)溫度數(shù)據(jù)顯示程序的設(shè)計(jì) 。 河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的高敏感，紅外傳感器和無(wú)線傳輸模塊NRF905 的數(shù) 字處理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括 STR89C52 單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的總體框圖如下 圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)的總體框圖 紅外傳感器 STR89C52 NRF905 LCD顯示 NRF9055 電源模塊 電源模塊 STR89C52 河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 5 3 無(wú)線輸液監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成的，主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和 JTAG 接口電路。 系統(tǒng)電路圖如下圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)電路圖 輸液監(jiān)控外圍電路設(shè)計(jì) 紅外對(duì)管的選擇 在光譜中波長(zhǎng)自 至 400 微米的一段稱為紅外線，紅外線是不可見(jiàn)光線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠(yuǎn)紅外線。 紅外線發(fā)射管在 LED 封裝行業(yè)中主要有三個(gè)常用的波段，如下 850NM、 875NM、940NM。根據(jù)波長(zhǎng)的特性運(yùn)用的產(chǎn)品也有很大的差異， 850NM 波長(zhǎng)的主要用于紅外線監(jiān)控設(shè)備， 875NM 主要用于醫(yī)療設(shè)備， 940NM 波段的主要用于紅外線控制設(shè)備。 EG：紅外線遙控器、光電開(kāi)關(guān)、光電計(jì)數(shù)設(shè)備等。 紅外對(duì)管是紅外線發(fā)射管與 光敏接收管，或者紅外線接收管，或者紅外線接收頭河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 配合在一起使用時(shí)候的總稱。 光敏接收管，它是一個(gè)具有光敏特征的 PN 結(jié)，屬于光敏二極管，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí)，有很小的飽和反向漏電流（暗電流）。此時(shí)光敏管不導(dǎo)通。當(dāng)光照時(shí)，飽和反向漏電流馬上增加，形成光電流，在一定的范圍內(nèi)它隨入射光強(qiáng)度的變化而增大。 紅外線接收管，功能與光敏接收管相似只是不受可見(jiàn)光的干擾，感光面積大，靈敏度高，屬于光敏二極管，一般只對(duì)紅外線有反應(yīng)。 紅外線接收頭就是在紅外線接收管的基礎(chǔ)上增加了對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大的處理 的電路，類似開(kāi)關(guān)電路，接收到紅外信號(hào)給出高電平（接近工作電壓），無(wú)紅外信號(hào)低電平。 管子的極性不能搞錯(cuò)，通常較長(zhǎng)的引腳為正極，另一腳為負(fù)極。如果從引腳長(zhǎng)度上無(wú)法辨識(shí)（比如已剪短引腳的），可以通過(guò)測(cè)量其正反向電阻確定之。測(cè)得正向電阻較小時(shí)，黑表筆所接的引腳即為正極。 通過(guò)測(cè)量紅外發(fā)光二極管的正反向電阻，還可以在很大程度上推測(cè)其性能的優(yōu)劣。以 500 型萬(wàn)用表 R1k 檔為例，如果測(cè)得正向電阻值大于 20kΩ，就存在老化的嫌疑；如果接近于零，則應(yīng)報(bào)廢。如果反向電阻只有數(shù)千歐姆，甚至接近于零，則管子必壞無(wú)疑；它的反向電阻 愈大，表明其漏電流愈小，質(zhì)量愈佳。所選擇的紅外對(duì)管如下圖32 所示 。 圖 32 紅外對(duì)管實(shí)物 紅外線對(duì)管的判斷方法 。 人們習(xí)慣把紅外線發(fā)射管和紅外線接收管稱為紅外對(duì)管。紅外對(duì)管的外形與普通圓形的發(fā)光二極管類似。初接觸紅外對(duì)管者，較難區(qū)分發(fā)射管河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 7 和接收管。 （ 1）用三用表測(cè)量識(shí)別可用 500 型或其他型號(hào)指針式三用表的電阻擋，測(cè)量紅外對(duì)管的極間電阻，以判別紅外對(duì)管。 判據(jù)一：在紅外對(duì)管的端部不受光線照射的條件下調(diào)換表筆測(cè)量，發(fā)射管的正向電阻小，反向電阻大，且黑表筆接正極 (長(zhǎng)引腳 )時(shí)，電阻小的 (1k—20k)是發(fā)射 管。正反向電阻都很大的是接收管。 判據(jù)二：黑表筆接負(fù)極 (短引腳 )時(shí)電阻大的是發(fā)射管，電阻小并且三用表指針隨著光線強(qiáng)弱變化時(shí)，指針擺動(dòng)的是接收管。注：（ 1）黑表筆接正極，紅表筆接負(fù)極時(shí)測(cè)量正向電阻。（ 2）電阻大是指三用表指針基本不動(dòng)。 （ 2）通電試驗(yàn)方法判別 用一只發(fā)光二極管和 —只電阻與被測(cè)的對(duì)管串聯(lián)，如圖 2 所示。圖中電阻起限流作用，阻值取 220 歐－－ 510 歐。 LED 發(fā)光二極管用來(lái)顯示被測(cè)紅外管的工作狀態(tài)。用遙控器 (電視機(jī)遙控器等 )對(duì)著被測(cè)管按下遙控器的任意鍵， LED 亮?xí)r，被測(cè)管是紅外接收管。不亮則是紅外發(fā)射 管。 測(cè)量紅外發(fā)光二極管在發(fā)射器電路上的工作電壓和工作電流，可以簡(jiǎn)便地判定其工作善如何。測(cè)量管子兩端的工作電壓時(shí)，靜態(tài)下（即沒(méi)有按鍵按下時(shí)）通常為零，而動(dòng)態(tài)下（即按下某一按鍵時(shí)）將跳變?yōu)橐粋€(gè)較小的電壓值，因遙控系統(tǒng)的編碼方式、驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)以及工作電源電壓的不同，該電壓值通常在 ～ 之間，而且表筆還應(yīng)微微顫抖。當(dāng)使用數(shù)字式萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，其測(cè)量值將普遍高于指針式萬(wàn)用表測(cè)得的數(shù)值，通常在 ～ 之間。如果出現(xiàn)靜態(tài)時(shí)表針顫抖而動(dòng)態(tài)時(shí)不抖、靜態(tài)下和動(dòng)態(tài)下都顫抖、靜態(tài)下和動(dòng)態(tài)下均不顫抖，以及動(dòng)態(tài)電 壓與靜態(tài)電壓無(wú)明顯差別等現(xiàn)象，可判定紅外發(fā)光二極管工作異常，倘若驅(qū)動(dòng)放大電路正常，則多為紅外發(fā)光二極管損壞。 紅外發(fā)光二極管應(yīng)保持清潔、完好狀態(tài)，尤其是其前端的球面形發(fā)射部分既不能存在臟垢之類的污染物，更不能受到摩擦損傷，否則，從管芯發(fā)出的紅外光將產(chǎn)生反射及散射現(xiàn)象，直接影響到紅外光的傳播，輕者可能降低遙控的靈敏度，縮減控制距離，重者可能產(chǎn)生失靈，甚至遙控失效。 紅外發(fā)光二極管在工作過(guò)程中其各項(xiàng)參數(shù)均不得超過(guò)極限值，因此在代換選型時(shí)應(yīng)當(dāng)注意原裝管子的型號(hào)和參數(shù)，不可隨意更換。另外，也不可任意變更紅外發(fā)光二極 管的限流電阻。由于紅外光波長(zhǎng)的范圍相當(dāng)寬，故紅外發(fā)光二極管必須與紅外接收二極管配對(duì)使用，否則將影響遙控的靈敏度，甚至造成失控。因此在代換選型時(shí)，要?jiǎng)?wù)必關(guān)注其所輻射紅外光信號(hào)的波長(zhǎng)參數(shù)。 紅外發(fā)光二極管封裝材料的硬度較低，它的耐高溫性能更差，為避免損壞，焊點(diǎn)應(yīng)當(dāng)晝遠(yuǎn)離引腳的根部，焊接溫度也不能太高，焊接時(shí)間更不宜過(guò)長(zhǎng)，最好用金屬鑷河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 子夾住引腳的根部，以幫助散熱。引腳彎折開(kāi)關(guān)的定型應(yīng)當(dāng)在焊接之前完成，焊接期間管體與引腳均不得受力。 紅外線接收頭采用小型設(shè)計(jì)、內(nèi)屏蔽模塊封裝，可以做紅外線解碼實(shí)驗(yàn)，紅外線遙控器等等。 配合遙控器完成遙控解碼及紅外遙控實(shí)驗(yàn)。在紅外遙控系統(tǒng)中作為接收元件廣泛應(yīng)用于 視聽(tīng)器材（如 VCD、 DVD、 DVB、 TV等） 家庭器材（如冷氣機(jī)，電風(fēng)扇、電燈等） 紅外線搖控（如玩具等） 金屬封裝紅外線接收管 ,適用于各類光電轉(zhuǎn)換的自控儀器 ,傳感器 .各類光電檢測(cè)器的信號(hào)光源 .根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可獲得穩(wěn)定光 .脈沖光 ,緩變光 .常用于控制 ,報(bào)警等方面 .持點(diǎn) 。采用反射功能的結(jié)構(gòu)形式 ,光功率較強(qiáng) ,低驅(qū)動(dòng)電壓 ,易與晶體管電路匹配 .結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐震 .可靠性高 .金屬玻璃封裝器件 ,耐磨耐溫性好 . 接收器對(duì)外只有 3 個(gè)引腳： Out、 GND、 Vcc 與單片機(jī)接口非常方便 （ 1） 脈沖信號(hào)輸出接，直接接單片機(jī)的 IO 口。 （ 2） GND 接系統(tǒng)的地線（ 0V）； （ 3） Vcc 接系統(tǒng)的電源正極（ +5V）。 外圍電路的設(shè)計(jì) 外圍電路的選擇上包括兩個(gè) 9013三極管，電阻六個(gè)，阻值分別為 1K,， 12K兩個(gè)， 470一個(gè)，一個(gè)發(fā)光二極管。 外圍電路的仿真圖如下圖 33所示 。 圖 33 外圍電路仿真圖河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 NRF905無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì) NRF905無(wú)線傳輸模塊選擇 本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)和上位機(jī)進(jìn)行通訊，來(lái)獲得實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)?？梢?采用現(xiàn)成的無(wú)線傳輸模塊 NRF905。 NRF905 采用 Nordic 公司的是 VLSI ShockBurst 技術(shù)。ShockBurst 使 NRF905 能夠提供高速數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速 MCU 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 /時(shí)鐘覆蓋。通過(guò)將于 RF 協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)， NRF905 提供給應(yīng)用的 MCU 一個(gè) SPI 接口，速率由 MCU 自己設(shè)定的接口速率來(lái)決定。 NRF905 通過(guò)ShockBurst 工作模式在在 RF 以最大速率連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速率來(lái)降低應(yīng)用中的平均電流消耗。在 ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和和 數(shù)據(jù)就緒 DR 信號(hào)通知 MCU 一個(gè)有效地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在 ShockBurst TX 模式中，NRF905 自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和 CRC 校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)就緒 DR 信號(hào)通知 MCU 數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)經(jīng)完成。這意味著降低 MCU 存儲(chǔ)器需求，也就是降低 MCU 成本同時(shí)縮短了軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。因此 NRF905 廣泛應(yīng)用與遙控、遙測(cè)、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽、身份識(shí)別等。其基本特性見(jiàn)下表 31。 表 31 基本特性 參數(shù) 數(shù)值 單位 工作電壓 V 最大發(fā)射功率 10 dBm 最大數(shù)據(jù)傳輸率 100 kbps 接收模式時(shí)工作電流 mA 溫度范圍 40+85 ℃ 接收靈敏度 100 dBm 掉電模式工作電流 uA 產(chǎn)品特性： (1)430/868/915Mhz 高性能嵌入式模塊，多頻道選擇，低電壓低功耗工作。 (2)超小體積，內(nèi)置環(huán)形天線，性能穩(wěn)定且不受外界影響，對(duì)電源不敏感，距離更遠(yuǎn)。 (3)最大發(fā)射功率 +10dBm，高抗干擾 GFSK 調(diào)制，可跳頻，數(shù)據(jù)速率 50kbps，獨(dú)特的載波監(jiān)測(cè)輸出，地址匹配輸出，數(shù)據(jù)就緒輸出。 (4)內(nèi)置完整通信協(xié)議和 CRC，只通過(guò) SPI 就可以完 成所有無(wú)線收發(fā)傳輸，無(wú)線通河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 信和 SPI 通信一樣簡(jiǎn)單。 NRF905 共有四種工作模式，其中兩種活動(dòng) RX/TX 模式，兩種節(jié)電模式。 工作模式的有 TRX_CE、 TX_EN 和 PWR_UP 決定，如下表 32 所示 表 32 工作模式 PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式 0 X X 掉電和 SPI 編程 1 0 X Standby 和 SPI 編程 1 1 0 ShockBurst RX 1 1 1 ShockBurst TX NRF905 所有配置都通過(guò) SPI 接口進(jìn)行，一條 SPI 指令用來(lái)決定進(jìn)行什么操作，SPI 接口只在掉電和 Standby 模式下激活。如圖 33 所示 SPI 接口由 5 個(gè)寄存器組成： (1)狀態(tài)寄存器（ StatusRegister），包含數(shù)據(jù)就緒 DR 和地址匹配 AM 狀態(tài)。 (2)RF 配置寄存器（ RFConfiguration Register），包含收發(fā)器頻率和輸出功率等配置信息。 (3)發(fā)送地址（ TXAddress），包含目標(biāo)寄存器地址，字長(zhǎng)由配置寄存器設(shè)置。 有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 DR 如下圖 34 所 示。 圖 34 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 DR 無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用的是 Nordic 公司的 nRF905 芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線傳輸模塊。該模塊工作在433/868/915MHZ 的 ISM 頻段，由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器一個(gè)帶解調(diào)器的接收河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 器一個(gè)功率放大器一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。 ShockBurst 工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和 CRC 可以很容易通過(guò) SPI 接口進(jìn)行編程配置電流消耗很低在發(fā)射功率為＋ 10dBm 時(shí)發(fā)射電流為 30mA 接收電流為 POWERDOWN 模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。 nRF905 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 433MHz 的 ISM 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體 振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以 10dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅有 30mA，接收時(shí)工作電流只有 ，多種低功率工作模式，待機(jī)模式下電流僅為 ，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其 ShockBurst 技術(shù)可在通訊時(shí)自動(dòng)生成前導(dǎo)碼和 CRC 校驗(yàn)位。 nRF905 適用于多種無(wú)線通信的場(chǎng)合，如無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、報(bào)警及安全系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化、遙感監(jiān)測(cè)、無(wú)線門禁系統(tǒng)等。 ～ 工作頻段 。 512 個(gè)通訊頻道，滿足多點(diǎn)通訊、分組、跳頻等應(yīng)用需求 。 發(fā)射功率可設(shè)置 為： 10dBm、 6dBm、 2dBm 和 10dBm。通過(guò) SPI 接口與 MCU 連接 。 支持 50kbps 傳輸速率 。 ShockBurst 傳輸模式，自動(dòng)生成前導(dǎo)碼和 CRC 校驗(yàn)碼 。 工作電壓范圍： ～ ，待機(jī)模式下電流僅為 。工作溫度范圍： 40℃ ～ +85℃ 。 工作模式： nRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技術(shù)。 ShockBurst 技術(shù)使nRF905 能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速 MCU 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 /時(shí)鐘覆蓋。通過(guò)將與 RF 協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)， nRF905 提供給應(yīng)用的微控制器一個(gè) SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。 nRF905通過(guò) ShockBurst工作模式在 RF 以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來(lái)降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。在 ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 DR 信號(hào)通知MCU 一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在 ShockBurst TX 模式中， nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和 CRC 校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒 DR 信號(hào)通知 MCU 數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成?？傊?，這意味著降低 MCU 的存儲(chǔ)器需求也就是說(shuō)降低 MCU 成本，又同 時(shí)縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。 (1)典型 ShockBurst TX 模式： ① 當(dāng)應(yīng)用 MCU 有遙控?cái)?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的地址 TXaddress 和有效數(shù)據(jù)TXpayload 通過(guò) SPI 接口傳送給 nRF905 應(yīng)用協(xié)議或 MCU 設(shè)置接口速度； ② MCU 設(shè)置 TRX_CE、 TX_EN 為高來(lái)激活 nRF905 ShockBurst 傳輸； ③ nRF905 ShockBurst： 無(wú)線系統(tǒng)自動(dòng)上電 數(shù)據(jù)包完成（加前導(dǎo)碼和 CRC 校驗(yàn)碼） 數(shù)據(jù)包發(fā)送（ 100kbps， GFSK，曼切斯特編碼） ④ 如果 AUTO_RETRAN 被設(shè)置為高 nRF905 將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包直到 TRX_CE河北工程大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 被設(shè)置為低； ⑤ 當(dāng) TRX_CE 被設(shè)置為低時(shí)， nRF905 結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并自動(dòng)進(jìn)入 standby 模式。 (2)典型 ShockBurst RX 模式 ① 通過(guò)設(shè)置 TRX_CE 高， TX_EN 低來(lái)選擇 ShockBurst 模式； ② 650us 以后， nRF905 監(jiān)測(cè)空中的信息； ③ 當(dāng) nRF905 發(fā)現(xiàn)和接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測(cè) CD 被置高； ④ 當(dāng) nRF905 接收到有效的地址時(shí)，地址匹配 AM 被置高； ⑤ 當(dāng) nRF905 接收到有效的數(shù)據(jù)包（ CRC 校驗(yàn)正確）時(shí)， nRF905 去掉前導(dǎo)碼、地址 和 CRC 位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（ DR）被置高； ⑥ MCU 設(shè)置 TRX_CE 低，進(jìn)入 standby 模式低電流模式； ⑦ MCU 可以以合適的速率通過(guò) SPI 接口讀出有效數(shù)據(jù)； ⑧ 當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)被讀出后， nRF905 將 AM 和 DR 置低； ⑨ nRF905 將準(zhǔn)備進(jìn)入 ShockBurst RX、 ShockBurst TX 或 Powerdown 模式。 (3)掉電模式 在掉電模式中， nRF905 被禁止，電流消耗最小，典型值低于 。當(dāng)進(jìn)入這種模式時(shí)， nRF905 是不活動(dòng)的狀態(tài)。這時(shí)候平均電流消耗最小，電池使用壽命最長(zhǎng)。在掉電模式中 ，配置字的內(nèi)容保持不變。 (4)STANDBY 模式 Standby 模 式在保 持電 流消 耗最 小的 同時(shí)保 證最 短的 ShockBurstRX 、ShockBurstTX 的啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)進(jìn)入這種模式時(shí)，一部分晶體振蕩器是活動(dòng)的。電流消耗取決于晶體振蕩器頻率，如：當(dāng)頻率為 4MHZ 時(shí)， IDD=12uA