【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 8， 每個(gè) HCS08 系列的 MCU 都是由 HCS08 核加上幾個(gè)存儲(chǔ)器以及外設(shè)模塊組成。 HCS08 核的組成部分都有 HCS08 CPU， 背景調(diào)試控制器 (BDC)，支持多達(dá) 32 個(gè)中斷 /復(fù)位源，芯片級(jí)地址譯碼， 無線收發(fā)單元。 畢業(yè) 論文 8 方案三： AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī) 。 AT89C2051是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器 。 最終確定選擇方案三的 AT89C51，因?yàn)?51單片機(jī)具有好的適用性和強(qiáng)大的功能。能滿足本設(shè)計(jì)的需要。 ②無線收發(fā)單元 方案一： 采用 TI公司的 CC2500。 CC2500是一種低成本真正單片的 ，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。電路設(shè)定為 ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和 SRD（短距離設(shè)備）頻率波段。 RF收發(fā)器集成了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) 500kbps的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性能得到提升。 方案二： 采用 nRF2401， nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ 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程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以 5dBm的 功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有 ，接收時(shí)工作電流只有 18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其 DuoCeiverTM技術(shù)使 nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。 nRF2401適用于多種無線通信的場(chǎng)合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。 方案三： 采用 TI公司的 CC1100。 CC1100是一種低成本真正單片的 UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。電路主要設(shè)定為在 31 43 868和 915MHz的 ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和 SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可 以容易地設(shè)置為 300348 MHz、 400464 MHz和800928 MHz的其他頻率。 無線射頻芯片的種類和數(shù)量繁多，無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，正確的選擇可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本。無線射頻收發(fā)芯片的工作頻段有 433MHz， 968MHz，以及 ZigBee使用的 2． 4GHz等等。在選擇無線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。 （ 1）發(fā)射功率。在同等條件下，為了保證有效和可靠通信 ，應(yīng)選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。 畢業(yè) 論文 9 （ 2）功耗。大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。 （ 3）收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量。芯片外圍元件的數(shù)量直接決定產(chǎn)品的成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。有些芯片似乎比較便宜，可是外圍元件使用很多昂貴的元件，如變?nèi)莨?、聲表濾波器等；還有些芯片收發(fā)分別需要兩根天線，會(huì)增加成本。 （ 4）收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼。采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會(huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，需要更多的內(nèi)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(dá)到標(biāo)稱速率的 1／ 3。而采用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率。 （ 5）收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少 PCB面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。 綜合以上 5點(diǎn)要素，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇 Chipcon公司的 CC2500無線射頻芯片。 ③供電單元 由于節(jié)點(diǎn)的電源由兩節(jié) 5號(hào)電池供電，節(jié)點(diǎn)芯片工作在 3． 3 v的電壓下，所以采Linear公司的 LTC3400開關(guān)型升壓芯片。它的開關(guān)頻率為 1． 2 MHz，效率最高可達(dá) 92％。它的外圍電路簡(jiǎn)單，使整個(gè)電源在 PCB上的面積大大降低。 因此選擇了 LTC3400LTC3400還可在輕負(fù)載情況下自動(dòng)轉(zhuǎn)為突發(fā)模式，以節(jié)省電能。 ④傳感器單元 傳感器種類很多，可以檢測(cè)溫濕度、光照、噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)、加速度等物理量，將這些環(huán)境變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒y(cè)量的信號(hào)。相對(duì)于常規(guī)的傳感器，課題的設(shè)計(jì)中更多的會(huì)涉及到的是現(xiàn)成的集成設(shè)計(jì)的微型傳感器，至于傳感器的具體工作原理，我們并不關(guān)心，我們只要知道用就可以了?？紤]到整個(gè)節(jié)點(diǎn)由電池供電，必須選擇體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單的傳感器。如果是實(shí) 際應(yīng)用，完全可以直接采用不需要信號(hào)調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器，而在我們的課題設(shè)計(jì)中，則應(yīng)當(dāng)盡量不要使用數(shù)字式傳感器。 傳感器電源的供電電路設(shè)計(jì)對(duì)傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對(duì)于小電流工作的傳感器，可由處理器 I/O 口直接驅(qū)動(dòng)，可以減少能量消耗。對(duì)于大電流工作的傳感器， I/O 口不能直接驅(qū)動(dòng)傳感器，通常使用場(chǎng)效應(yīng)管來控制后級(jí)電路能量輸入。當(dāng)有多個(gè)大電流傳感器接入時(shí)，通常使用集成的模擬開關(guān)芯片來實(shí)現(xiàn)電源控制。 本設(shè)計(jì)內(nèi)選用溫度傳感器 DS18B20。 畢業(yè) 論文 10 AT89C51 CC2500 LTC3400 +5V +~ DS18B20 + 最終確定的方案 由 AT89C51 構(gòu) 成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由五部分組成： DS18B20 溫度傳感器、AT89C5 LTC3400 電源、 CC2500 射頻單元。 DS18B20 溫度傳感器完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換然后傳送給 AT89C51， AT89C51 將數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)送給 CC2500 無線模塊，通過無線模塊發(fā)送出去， LTC3400 的電源部分為整個(gè)系統(tǒng)提供電力供應(yīng)?？傮w設(shè)計(jì)如圖 23所示： 圖 23 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 工作原理 利用 AT89C51 組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作原理：溫度傳感器 DS18B20 將被測(cè)環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成帶符號(hào) 的數(shù)字信號(hào)（以十六位補(bǔ)碼形式，占兩個(gè)字節(jié)）傳送給 51單片機(jī)，然后單片機(jī)經(jīng)過處理經(jīng)由 CC2500 的無線發(fā)射模塊發(fā)送給上位機(jī)。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 傳感器單元 DS18B20 傳感器模塊，又稱為數(shù)據(jù)采集模塊，它主要目的是將傳感器所采集到得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)處理等待發(fā)送，它為系統(tǒng)提供了進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息。因此，它是現(xiàn)代監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器獲得信息正確與否，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度，如果傳感器的誤差較大則隨后的測(cè)量電路、放大 電路以及微處理器的精確度再高也是徒勞的，因此正確選用傳感器尤為重要。 在本系統(tǒng)中，考慮到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的多樣性，設(shè)計(jì)采用內(nèi)部和外部傳感器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。所謂內(nèi)部就是在節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式測(cè)溫芯片 —— DSl8B20；所謂外部就是系統(tǒng)對(duì)外提供兩路接口給外接傳感器。 DSl8820是是美國(guó) DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器。目前常用的微機(jī)與外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€ (如 SPI總線、 I2C總線或 SCI總線等 )，至少需要兩條或兩條以上的信號(hào)線。美國(guó) DALLAS半導(dǎo)體公司開發(fā)了一種新技術(shù) —— 單總線技術(shù)。它采 用單根信號(hào)線完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，并且可以通過該信號(hào)線為單總線器件提供電畢業(yè) 論文 11 源，節(jié)省 I／ O口資源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉、便于擴(kuò)展。單總線系統(tǒng)是由掛在一對(duì)雙絞線 (一根信號(hào)線，一根地線 )上的單總線器件芯片，專門的通信協(xié)議組成，該系統(tǒng)中只有一個(gè)總線命令者，從者可以有多個(gè)。總線命令者可以是 PC機(jī)或者普通的單片機(jī)，從者是 DALLAS公司提供的單總線器件芯片。 作為單總線器件。 DSl8820全部傳感元件和轉(zhuǎn)換電路都集成在一個(gè)形如三極管的集成電路內(nèi)。與其它傳感器相比， DSl8820具有以下技術(shù)特性： （ 1）具有獨(dú)特的單總線接口方 式， DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需一條 I/O口線就可實(shí)現(xiàn)微處理器與它的雙向通信； （ 2）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，一條總線上可以同時(shí)掛接多個(gè) DSl8B20，很方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的檢測(cè)； （ 3）數(shù)字信號(hào)輸出，不需要信號(hào)放大和 A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路； （ 4）測(cè)溫范圍 55~+125℃，在 1~+85℃時(shí)測(cè)溫準(zhǔn)確度為177。 ℃； （ 5）能提供 9～ 12位二進(jìn)制溫度值輸出，可通過編程決定輸出位數(shù)； （ 6）其工作電源既可采用寄生電源方式產(chǎn)生，也可在遠(yuǎn)端引入，電源電壓范圍為 +~。 因?yàn)樗菙?shù)字輸出，而且只占用 一個(gè) I/O端口，所以它特別適合于微處理器控制的各種溫度測(cè)控系統(tǒng)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時(shí)需要的 A/D轉(zhuǎn)換和較復(fù)雜的外圍電路?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。 DSl8820只有三根外部引腳，其中 VDD和 GND為電源引腳，另一根 DQ則作為 I/O總線，因此稱為一線式數(shù)據(jù)總線。如圖 24： 24 DS18B20連接設(shè)計(jì)圖 DS18B20 采用３腳 PR－ 35 封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。 DS18B20 引腳介紹： TO－ 92 封裝的 DS18B20 的引腳排列見圖 25，其引腳功能描 述見表 21。 圖 25 畢業(yè) 論文 12 表 21 DS18B20 詳細(xì)引腳功能描述 序號(hào) 名稱 引腳功能描述 1 GND 地信號(hào) 2 I/O 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 DS18B20的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì) AT89C51 單片機(jī) 來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì) DS18B20 芯片的訪問。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。 DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_ 性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 DS18B20 采用３腳 TO92封裝或８腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如 26所示。 圖 26 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 64 位 ROM的結(jié)構(gòu)開始８位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有 48 位，最后８位是前面 56 位的 CRC 檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè) DS18B20 可以采用一線進(jìn)行通信的原因。溫度報(bào)警觸發(fā)器ＴＨ和ＴＬ，可通過軟件寫入戶報(bào)警上下限。 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存ＲＡＭ和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EERAM。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為８字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。C 64 位 ROM 和 單 線 接 口 高速緩存 存儲(chǔ)器與控制邏輯 溫度傳感器 高溫觸發(fā)器 TH 低溫觸發(fā)器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 發(fā)生器 VDD I/O 畢業(yè) 論文 13 頭２個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第３和第４字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第５個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度 值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。 DS18B20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖 27所示。低５位一直為１，ＴＭ是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式， DS18B20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為０，用戶要去改動(dòng)， R1 和Ｒ 0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。 由表 22 可見， DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。 高速暫存ＲＡＭ的第６、７、８字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯１。第９字節(jié)讀出前面所有８字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。 圖 27 DS18B20 字節(jié)定義 表 22 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表 R0R1000101119101112分辨率/ 位 溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間/ m s9 3 . 7 51 8 7 . 53 7 57 5 0.... 當(dāng) DS18B2