【文章內(nèi)容簡介】 13 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳的 32 位高速 GPIO 線，使這些微控制器特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)中。圖 22 中詳細(xì)介紹了 LPC2103[2]各個引腳的功能，在本系統(tǒng)中，通過、 接口的 SPI 功能控制 nrf24L01 無線收發(fā)模塊；通過 、接口的 UART 功能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信；通過將 LM35 采集到的溫度輸入 并使用 AD 功能得到需要的溫度數(shù)據(jù)。圖 22 周立功 LPC2103 核心板電路圖圖 23 中詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)在設(shè)計與制作過程中所使用到的 LPC2103 核心板，該核心板將 48 個管腳的 LPC2103 芯片制作為直插式的電路板，方便在調(diào)試中拆卸與安裝，能夠保護(hù)芯片，延長使用壽命。6 溫度測量方案溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它在工業(yè)自動化、家用電器、環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)和汽車工業(yè)等行業(yè)中都是基本的檢測參數(shù)之一。溫度是溫度監(jiān)控系統(tǒng)中最基本、最為核心的衡量指標(biāo)，也是測溫系統(tǒng)中最為重要的測控參數(shù)，因此對溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測一直是一個重要的研究課題。因此，測量溫度的儀器在測溫系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的地位。隨著國內(nèi)外科技的發(fā)展，溫度測量技術(shù)不斷提高。目前各種溫度測量方法種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，主要包括以下幾種：(1) 傳統(tǒng)的利用物體熱脹冷縮原理的方法。水銀溫度計至今仍然廣泛應(yīng)用于各種溫度測量場合?？墒撬娜秉c(diǎn)是只能近距離觀測，易碎，而且有毒。代替它的有填充酒精、煤油等玻璃溫度計和利用金屬不同的膨脹系數(shù)制成的金屬片溫度計，它們的缺點(diǎn)都是測量精度很低。(2) 利用熱電效應(yīng)的方法。此方法制成的溫度檢測元件主要是熱電偶。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應(yīng)用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是線性不好，冷端需要溫度補(bǔ)償。(3) 利用熱阻效應(yīng)的方法。利用該方法的測溫元件大致有電阻測溫元件、導(dǎo)體測溫元件和陶瓷熱敏元件。其中電阻測溫元件是利用感溫元件的電阻隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻的變化值用顯示儀表反映出來，達(dá)到測溫的目的。這類元件如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達(dá)六、七百度。但它們的缺點(diǎn)是當(dāng)傳輸線路長短不等時，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。(4) 利用熱輻射原理。熱輻射高溫計通常分為單色輻射高溫計和全輻射高溫計。它的原理是物體受熱輻射后，視物體本身的性質(zhì)，能將其吸收、透過或反射。而受熱物體放出的輻射能的多少，與它的溫度有一定的關(guān)系。(5) 利用聲學(xué)原理的測量方法。近年發(fā)展起來的聲學(xué)溫度檢測技術(shù)，可以對爐內(nèi)的煙氣溫度測量值和火焰分布在線檢測，判斷爐的燃燒狀況，進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)和控制。其基本原理是通過測量聲波傳感器間的聲波傳播時間以最小二乘原理重建溫度的測量方法。(6) 晶體管測溫器件。半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)比金屬大1～2個數(shù)量級，二極管和三極管的PN 結(jié)電壓、電容對溫度靈敏度很高。由此制成的這類器件的優(yōu)點(diǎn)是在50℃ ~+150℃范圍內(nèi)有良好的特性，體積小、響應(yīng)時間快、價格低。但它的缺7 點(diǎn)是一致性差、不易做到互換，而且PN結(jié)容易受外界輻射的影響，穩(wěn)定性難以保證。(7) 光纖溫度檢測技術(shù)。在常規(guī)辦法無法測量的場合，光纖測溫得到快速發(fā)展，已開發(fā)了開關(guān)式溫度檢測器、輻射式溫度檢測器等多種實(shí)用型的品種。檢測精度在177。1℃以內(nèi)，測溫范圍可以從絕對0℃~2022℃。(8) 激光溫度檢測技術(shù)。激光測溫特別適于遠(yuǎn)程測量和特殊環(huán)境下的溫度測量。用氦氖激光源的激光作反射計，可測很高的溫度，℃；用激光干涉和散射原理制作的溫度檢測器可測量更高的溫度，上限可達(dá)+3000℃，專門用于核聚變研究，但在工業(yè)上應(yīng)用還需進(jìn)一步開發(fā)和實(shí)驗(yàn)。(9) 微波溫度檢測器是利用在不同溫度下，溫度與控制電壓成線性關(guān)系的原理制成的。這種檢測器的靈敏度為250kHz／℃，精度為l ％左右，熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應(yīng)用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是線性不好，冷端需要溫度補(bǔ)償。(10) 近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)出將溫度傳感器和數(shù)字電路集成在一起的新型數(shù)字式集成溫度傳感器。數(shù)字式溫度傳感器內(nèi)部一般都包含溫度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器) 和接口電路，有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器在精度、分辨率、可靠性、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點(diǎn)，而且，輸出的溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度控制量可以適配各種微控制器。但是受半導(dǎo)體器件本身限制，數(shù)字式傳感器還存在一些不足。比如測溫范圍不寬，一般為+50℃~+150℃。由于簡化了硬件外圍電路使得軟件設(shè)計變得更為復(fù)雜。LM35 是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從 0℃開始。在常溫下，LM35 [3]不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到 177。1/4℃的準(zhǔn)確率。其電源供應(yīng)模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種，單電源模式在 25℃下靜止電流約 50μA，工作電壓較寬，可在 4—20V 的供電電壓范圍內(nèi)正常工作非常省電；另外，工作電壓在 4～30V 時，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約50μA） ，所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場合中，輸出可以由第三個引腳取出，根本無需校準(zhǔn)。基于本設(shè)計需要精度高、可靠性強(qiáng)、器件體積小的器件，同時又考慮8 到價格上的因素，最終選擇 LM35 溫度傳感器來采集溫度數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)無線傳輸方案隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無處不在的網(wǎng)絡(luò)終端、以人為本、個性化、智能化的移動計算以及方便快捷的無線接入、無線互聯(lián)等新概念和新的產(chǎn)品，已經(jīng)逐漸融入人們的日常生活和工作領(lǐng)域。隨著而來的便攜式終端以及無線通信技術(shù)得到了極大的發(fā)展并在我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，目前應(yīng)用廣泛的無線通信技術(shù)主要有GSM＼ CDMA＼GPRS、藍(lán)牙、IrDA、 、ZigBee 、UWB、微功率短距離無線通信技術(shù)等。以上列出了五種常用的無線通信方式，這些通信方式各有優(yōu)點(diǎn)，各有不同的適用范圍，下面針對它們的使用范圍和各自特點(diǎn)進(jìn)行比較。IrDA是一種視距傳輸技術(shù)，通信設(shè)備中間不能有任何阻擋物，通信設(shè)備的位置也需要相對固定，不適宜用于移動數(shù)據(jù)傳輸；其次，IrDA只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信，不能完成點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信；最后，IrDA設(shè)備的核心器件——紅外LED容易損壞，因而設(shè)備壽命有限。IEEE 802．1lx無線局域網(wǎng)技術(shù)基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而來，是專門針對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊而設(shè)計的無線通訊技術(shù)，其有效傳輸距離為50米，傳輸速率為11M—54M不等，經(jīng)常應(yīng)用于企業(yè)學(xué)校等場所。IEEE ，協(xié)議實(shí)現(xiàn)對硬件要求較高，因此基于IEEE 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的成本較高，安裝調(diào)試復(fù)雜、維護(hù)困難。藍(lán)牙(Blue Tooth)技術(shù)專門為近距離無線數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計，其有效傳輸距離為10米，傳輸速率為10M。從藍(lán)牙(Blue Tooth)技術(shù)正式公布到現(xiàn)在，藍(lán)牙 (Blue Tooth)技術(shù)一直沒有得到預(yù)期的大范圍的應(yīng)用，是因?yàn)槠湫酒约伴_發(fā)設(shè)備價格相對高。基于GSM ＼CDMA＼GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該技術(shù)依托于GSM ＼CDMA ＼GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，因此其沒有傳輸距離的限制，只要GSM＼ CDMA＼GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)均可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?；贕SM＼ CDMA＼GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的傳輸速率為10KB~60KB，9 由于其利用GSM＼CDMA＼GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，因此其運(yùn)營成本較高?；谇度胧降纳漕l無線收發(fā)的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其核心技術(shù)是 無線收發(fā)技術(shù)。嵌入式射頻無線收發(fā)一體型芯片是國外各大公司近年來推出的一種新型無線傳輸芯片，該芯片將信號調(diào)制、發(fā)射、接收、數(shù)字電路接口等功能集成在一枚芯片中，具有價格低廉、外圍電路簡單、體積小巧、通訊可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快、低耗節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時，嵌入式無線射頻收發(fā)一體型芯片普遍采用了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通訊接口，如 SPI，UART 等，可以很方便的與 DSP 或單片機(jī)等微處理器芯片結(jié)合使用?；谇度胧綗o線射頻收發(fā)一體型芯片的上述優(yōu)點(diǎn)，采用嵌入式無線射頻收發(fā)一體型芯片技術(shù)解決低速率無線數(shù)據(jù)傳輸問題是比較理想的解決方案。通過無線射頻收發(fā)一體型芯片與單片機(jī)或 DSP 的結(jié)合使用，再在數(shù)據(jù)傳輸過程中配合先進(jìn)的通訊協(xié)議數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)糾錯、校驗(yàn)以及加密等功能，可滿足無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆D 23 nrf24L01 無線收發(fā)模塊nrf24L01[4]是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01 功耗低，在以 6 dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有 9 mA；接收時，10 工作電流只有 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便?；趦r格、體積、抗干擾能力、功耗等方面的考慮，本設(shè)計使用的是云佳科技公司的 nrf24L01 無線收發(fā)模塊。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 電源模塊 +圖 31 電源模塊由于 LPC2103 需要 和 雙電源供電，所以在本系統(tǒng)的電源模塊主要由兩部分組成，一部分首先將輸入電壓變?yōu)?，另一部分再將 電壓進(jìn)一步變?yōu)?；為增強(qiáng)該系統(tǒng)的可移動性，POWER 接口選擇了三節(jié)干電池組成的 直流電源輸入，D1 為 4007 二極管，防止正負(fù)極反接燒壞電路，然后接入，將電壓轉(zhuǎn)換為 ，C1 、CCCCC6 為濾波電容，由于電源模塊部分為直流電源，所以選擇 的電容作為濾波電容；同理，將 電壓接入 ，將電壓轉(zhuǎn)換為 ，D2 為電源指示燈，點(diǎn)亮?xí)r電路接通。11 溫度采集模塊 123JLM5RKC04DPV_圖 32 溫度采集模塊該模塊的作用是采集環(huán)境溫度，并將其傳送給 LPC2103 核心板；管腳 1 作為輸入端接 電源，管腳 2 作為輸出端與 LPC2103 核心板的 口相連接，管腳 3 接地，為防止電流過大燒壞 LPC2103，在管腳 1 和管腳 2 各接入一個 1K的電阻，C10 與 C12 為濾波電容，該模塊也為直流電路，所以選擇 104 作為濾波電容。 無線收發(fā)模塊 678nrfl圖 33 無線收發(fā)模塊該部分為 nrf24L01 無線收發(fā)模塊，在發(fā)射端中的作用是將 LM35 傳感器采集到的溫度發(fā)送給接收端的 nrf24L01，然后 LPC2103 在接收端再通過串口發(fā)送給上12 位機(jī)，在接收板中的作用是接受發(fā)送板發(fā)送的數(shù)據(jù)；其中管腳 1 接地，管腳 2 接電源，C12 為濾波電容，管腳 3 作為 CE 端與 口直接相連，管腳 4 作為CSN 端與 直接相連，管腳 5，6，7 分別為 SPI 功能的 SCK，MOSI ，MISO接口，應(yīng)該與 LPC2103 上的 SPI 接口一一對應(yīng)，根據(jù)圖 22 的管腳功能圖，分別與 ， 接