【文章內容簡介】 線通訊功能。 (3)控制單元軟硬件設計。 (4)溫度數(shù)據(jù)顯示程序的設計 。 河北工程大學畢業(yè) 設計說明書 4 2 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)總體框圖 本設計是基于單片機對產(chǎn)生數(shù)字信號的高敏感，紅外傳感器和無線傳輸模塊NRF905 的數(shù) 字處理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括 STR89C52 單片機、復位電路、溫度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設計。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 河北工程大學畢業(yè) 設計說明書 5 3 無線輸液監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計 總體設計 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、時鐘電路、復位電路和 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)控外圍電路設計 紅外對管的選擇 在光譜中波長自 至 400 微米的一段稱為紅外線，紅外線是不可見光線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠紅外線。 紅外線發(fā)射管在 LED 封裝行業(yè)中主要有三個常用的波段，如下 850NM、 875NM、940NM。根據(jù)波長的特性運用的產(chǎn)品也有很大的差異， 850NM 波長的主要用于紅外線監(jiān)控設備， 875NM 主要用于醫(yī)療設備， 940NM 波段的主要用于紅外線控制設備。 EG：紅外線遙控器、光電開關、光電計數(shù)設備等。 紅外對管是紅外線發(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畢業(yè) 設計說明書 6 配合在一起使用時候的總稱。 光敏接收管，它是一個具有光敏特征的 PN 結，屬于光敏二極管，具有單向導電性，因此工作時需加上反向電壓。無光照時，有很小的飽和反向漏電流（暗電流）。此時光敏管不導通。當光照時，飽和反向漏電流馬上增加，形成光電流，在一定的范圍內它隨入射光強度的變化而增大。 紅外線接收管，功能與光敏接收管相似只是不受可見光的干擾，感光面積大，靈敏度高，屬于光敏二極管，一般只對紅外線有反應。 紅外線接收頭就是在紅外線接收管的基礎上增加了對微弱信號進行放大的處理 的電路，類似開關電路，接收到紅外信號給出高電平（接近工作電壓），無紅外信號低電平。 管子的極性不能搞錯，通常較長的引腳為正極，另一腳為負極。如果從引腳長度上無法辨識（比如已剪短引腳的），可以通過測量其正反向電阻確定之。測得正向電阻較小時，黑表筆所接的引腳即為正極。 通過測量紅外發(fā)光二極管的正反向電阻，還可以在很大程度上推測其性能的優(yōu)劣。以 500 型萬用表 R1k 檔為例，如果測得正向電阻值大于 20kΩ，就存在老化的嫌疑；如果接近于零，則應報廢。如果反向電阻只有數(shù)千歐姆，甚至接近于零，則管子必壞無疑；它的反向電阻 愈大，表明其漏電流愈小，質量愈佳。所選擇的紅外對管如下圖32 所示 。 圖 32 紅外對管實物 紅外線對管的判斷方法 。 人們習慣把紅外線發(fā)射管和紅外線接收管稱為紅外對管。紅外對管的外形與普通圓形的發(fā)光二極管類似。初接觸紅外對管者，較難區(qū)分發(fā)射管河北工程大學畢業(yè) 設計說明書 7 和接收管。 （ 1）用三用表測量識別可用 500 型或其他型號指針式三用表的電阻擋，測量紅外對管的極間電阻，以判別紅外對管。 判據(jù)一：在紅外對管的端部不受光線照射的條件下調換表筆測量，發(fā)射管的正向電阻小，反向電阻大，且黑表筆接正極 (長引腳 )時，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：黑表筆接負極 (短引腳 )時電阻大的是發(fā)射管，電阻小并且三用表指針隨著光線強弱變化時，指針擺動的是接收管。注：（ 1）黑表筆接正極，紅表筆接負極時測量正向電阻。（ 2）電阻大是指三用表指針基本不動。 （ 2）通電試驗方法判別 用一只發(fā)光二極管和 —只電阻與被測的對管串聯(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)光二極管用來顯示被測紅外管的工作狀態(tài)。用遙控器 (電視機遙控器等 )對著被測管按下遙控器的任意鍵， LED 亮時，被測管是紅外接收管。不亮則是紅外發(fā)射 管。 測量紅外發(fā)光二極管在發(fā)射器電路上的工作電壓和工作電流，可以簡便地判定其工作善如何。測量管子兩端的工作電壓時，靜態(tài)下（即沒有按鍵按下時）通常為零，而動態(tài)下（即按下某一按鍵時）將跳變?yōu)橐粋€較小的電壓值，因遙控系統(tǒng)的編碼方式、驅動電路的結構以及工作電源電壓的不同，該電壓值通常在 ～ 之間，而且表筆還應微微顫抖。當使用數(shù)字式萬用表測量時，其測量值將普遍高于指針式萬用表測得的數(shù)值，通常在 ～ 之間。如果出現(xiàn)靜態(tài)時表針顫抖而動態(tài)時不抖、靜態(tài)下和動態(tài)下都顫抖、靜態(tài)下和動態(tài)下均不顫抖，以及動態(tài)電 壓與靜態(tài)電壓無明顯差別等現(xiàn)象，可判定紅外發(fā)光二極管工作異常，倘若驅動放大電路正常，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)光二極管在工作過程中其各項參數(shù)均不得超過極限值，因此在代換選型時應當注意原裝管子的型號和參數(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。由于紅外光波長的范圍相當寬，故紅外發(fā)光二極管必須與紅外接收二極管配對使用，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，要務必關注其所輻射紅外光信號的波長參數(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，焊點應當晝遠離引腳的根部，焊接溫度也不能太高，焊接時間更不宜過長，最好用金屬鑷河北工程大學畢業(yè) 設計說明書 8 子夾住引腳的根部，以幫助散熱。引腳彎折開關的定型應當在焊接之前完成，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計、內屏蔽模塊封裝，可以做紅外線解碼實驗，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驗。在紅外遙控系統(tǒng)中作為接收元件廣泛應用于 視聽器材（如 VCD、 DVD、 DVB、 TV等） 家庭器材（如冷氣機，電風扇、電燈等） 紅外線搖控（如玩具等） 金屬封裝紅外線接收管 ,適用于各類光電轉換的自控儀器 ,傳感器 .各類光電檢測器的信號光源 .根據(jù)驅動方式可獲得穩(wěn)定光 .脈沖光 ,緩變光 .常用于控制 ,報警等方面 .持點 。采用反射功能的結構形式 ,光功率較強 ,低驅動電壓 ,易與晶體管電路匹配 .結構堅固耐震 .可靠性高 .金屬玻璃封裝器件 ,耐磨耐溫性好 . 接收器對外只有 3 個引腳： Out、 GND、 Vcc 與單片機接口非常方便 （ 1） 脈沖信號輸出接，直接接單片機的 IO 口。 （ 2） GND 接系統(tǒng)的地線（ 0V）； （ 3） Vcc 接系統(tǒng)的電源正極（ +5V）。 外圍電路的設計 外圍電路的選擇上包括兩個 9013三極管，電阻六個，阻值分別為 1K,， 12K兩個， 470一個，一個發(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畢業(yè) 設計說明書 9 NRF905無線傳輸模塊設計 NRF905無線傳輸模塊選擇 本設計采用無線傳輸技術來和上位機進行通訊，來獲得實時溫度數(shù)據(jù)?？梢?采用現(xiàn)成的無線傳輸模塊 NRF905。 NRF905 采用 Nordic 公司的是 VLSI ShockBurst 技術。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 來進行數(shù)據(jù)處理 /時鐘覆蓋。通過將于 RF 協(xié)議有關的高速信號處理放到芯片內， NRF905 提供給應用的 MCU 一個 SPI 接口，速率由 MCU 自己設定的接口速率來決定。 NRF905 通過ShockBurst 工作模式在在 RF 以最大速率連接時降低數(shù)字應用部分的速率來降低應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 信號通知 MCU 一個有效地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在 ShockBurst TX 模式中，NRF905 自動產(chǎn)生前導碼和 CRC 校驗碼，數(shù)據(jù)就緒 DR 信號通知 MCU 數(shù)據(jù)傳輸應經(jīng)完成。這意味著降低 MCU 存儲器需求，也就是降低 MCU 成本同時縮短了軟件開發(fā)時間。因此 NRF905 廣泛應用與遙控、遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標簽、身份識別等。其基本特性見下表 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，內置環(huán)形天線，性能穩(wěn)定且不受外界影響，對電源不敏感，距離更遠。 (3)最大發(fā)射功率 +10dBm，高抗干擾 GFSK 調制，可跳頻，數(shù)據(jù)速率 50kbps，獨特的載波監(jiān)測輸出，地址匹配輸出，數(shù)據(jù)就緒輸出。 (4)內置完整通信協(xié)議和 CRC，只通過 SPI 就可以完 成所有無線收發(fā)傳輸，無線通河北工程大學畢業(yè) 設計說明書 10 信和 SPI 通信一樣簡單。 NRF905 共有四種工作模式，其中兩種活動 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 SPI 接口進行，一條 SPI 指令用來決定進行什么操作，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），包含目標寄存器地址，字長由配置寄存器設置。 有數(shù)據(jù)準備就緒 DR 如下圖 34 所 示。 圖 34 數(shù)據(jù)準備就緒 DR 無線傳輸模塊設計 本設計采用的是 Nordic 公司的 nRF905 芯片開發(fā)的無線傳輸模塊。該模塊工作在433/868/915MHZ 的 ISM 頻段，由一個完全集成的頻率調制器一個帶解調器的接收河北工程大學畢業(yè) 設計說明書 11 器一個功率放大器一個晶體震蕩器和一個調節(jié)器組成。 ShockBurst 工作模式的特點是自動產(chǎn)生前導碼和 CRC 可以很容易通過 SPI 接口進行編程配置電流消耗很低在發(fā)射功率為＋ 10dBm 時發(fā)射電流為 30mA 接收電流為 POWERDOWN 模式可以很容易實現(xiàn)節(jié)電。 nRF905 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 433MHz 的 ISM 頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體 振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以 10dBm 的功率發(fā)射時，工作電流僅有 30mA，接收時工作電流只有 ，多種低功率工作模式，待機模式下電流僅為 ，節(jié)能設計更方便。其 ShockBurst 技術可在通訊時自動生成前導碼和 CRC 校驗位。 nRF905 適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、報警及安全系統(tǒng)、家庭自動化、遙感監(jiān)測、無線門禁系統(tǒng)等。 ～ 工作頻段 。 512 個通訊頻道，滿足多點通訊、分組、跳頻等應用需求 。 發(fā)射功率可設置 為： 10dBm、 6dBm、 2dBm 和 10dBm。通過 SPI 接口與 MCU 連接 。 支持 50kbps 傳輸速率 。 ShockBurst 傳輸模式，自動生成前導碼和 CRC 校驗碼 。 工作電壓范圍： ～ ，待機模式下電流僅為 。工作溫度范圍： 40℃ ～ +85℃ 。 工作模式： nRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技術。 ShockBurst 技術使nRF905 能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速 MCU 來進行數(shù)據(jù)處理 /時鐘覆蓋。通過將與 RF 協(xié)議有關的高速信號處理放到芯片內， nRF905 提供給應用的微控制器一個 SPI接口，速率由微控制器自己設定的接口速度決定。 nRF905通過 ShockBurst工作模式在 RF 以最大速率進行連接時降低數(shù)字應用部分的速度來降低在應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)準備就緒 DR 信號通知MCU 一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在 ShockBurst TX 模式中， nRF905自動產(chǎn)生前導碼和 CRC 校驗碼，數(shù)據(jù)準備就緒 DR 信號通知 MCU 數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成?？傊?，這意味著降低 MCU 的存儲器需求也就是說降低 MCU 成本，又同 時縮短軟件開發(fā)時間。 (1)典型 ShockBurst TX 模式： ① 當應用 MCU 有遙控數(shù)據(jù)節(jié)點時，接收節(jié)點的地址 TXaddress 和有效數(shù)據(jù)TXpayload 通過 SPI 接口傳送給 nRF905 應用協(xié)議或 MCU 設置接口速度； ② MCU 設置 TRX_CE、 TX_EN 為高來激活 nRF905 ShockBurst 傳輸； ③ nRF905 ShockBurst： 無線系統(tǒng)自動上電 數(shù)據(jù)包完成（加前導碼和 CRC 校驗碼） 數(shù)據(jù)包發(fā)送（ 100kbps， GFSK，曼切斯特編碼） ④ 如果 AUTO_RETRAN 被設置為高 nRF905 將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包直到 TRX_CE河北工程大學畢業(yè) 設計說明書 12 被設置為低； ⑤ 當 TRX_CE 被設置為低時， nRF905 結束數(shù)據(jù)傳輸并自動進入 standby 模式。 (2)典型 ShockBurst RX 模式 ① 通過設置 TRX_CE 高， TX_EN 低來選擇 ShockBurst 模式； ② 650us 以后， nRF905 監(jiān)測空中的信息； ③ 當 nRF905 發(fā)現(xiàn)和接收頻率相同的載波時，載波檢測 CD 被置高； ④ 當 nRF905 接收到有效的地址時，地址匹配 AM 被置高； ⑤ 當 nRF905 接收到有效的數(shù)據(jù)包（ CRC 校驗正確）時， nRF905 去掉前導碼、地址 和 CRC 位，數(shù)據(jù)準備就緒（ DR）被置高； ⑥ MCU 設置 TRX_CE 低，進入 standby 模式低電流模式； ⑦ MCU 可以以合適的速率通過 SPI 接口讀出有效數(shù)據(jù)； ⑧ 當所有的有效數(shù)據(jù)被讀出后， nRF905 將 AM 和 DR 置低； ⑨ nRF905 將準備進入 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 。當進入這種模式時， nRF905 是不活動的狀態(tài)。這時候平均電流消耗最小，電池使用壽命最長。在掉電模式中 ，配置字的內容保持不變。 (4)STANDBY 模式 Standby 模 式在保 持電 流消 耗最 小的 同時保 證最 短的 ShockBurstRX 、ShockBurstTX 的啟動時間。當進入這種模式時，一部分晶體振蕩器是活動的。電流消耗取決于晶體振蕩器頻率，如：當頻率為 4MHZ 時， IDD=12uA