【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 溫度檢測(cè)系統(tǒng)來完成部分功能，然后對(duì)溫度數(shù)據(jù)做出反應(yīng)，比如說智能打開窗戶或者空調(diào)，當(dāng)沒有人在系統(tǒng)中出現(xiàn)的關(guān)閉所有應(yīng)該關(guān)閉的電源來節(jié)約能源，以達(dá)到環(huán)保的效果?？傊疁囟仁桥c我們?nèi)祟惿罡鱾€(gè)方面密切相關(guān)的一個(gè)方面，本設(shè)計(jì)方案旨在用合適的方法更加精準(zhǔn)地采集溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)無線傳輸。突出在無線這一方面。所以此設(shè)計(jì)的應(yīng)用面十分廣，應(yīng)用前景也是無可計(jì)量的。2 總體方案設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)系統(tǒng)有許多共同的特點(diǎn)：環(huán)境復(fù)雜、測(cè)量點(diǎn)多、布線分散、現(xiàn)場(chǎng)離監(jiān)控地點(diǎn)很遠(yuǎn)等等。如果使用一般溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，就必須設(shè)計(jì)信號(hào) A/D 轉(zhuǎn)換電路、調(diào)理電路以及對(duì)應(yīng)的接口電路，才能將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)去處理。這樣，由于外圍電路過多會(huì)使整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，系統(tǒng)收集最終數(shù)據(jù)偏差較大；又由于檢測(cè)環(huán)境的復(fù)雜、測(cè)量點(diǎn)又多、信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)及各種其他干擾的影響，隨著時(shí)間的推移，檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性逐日下降 。所以溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于下面三部分：主控單元的設(shè)計(jì)和溫度傳感器的選擇以及無線模塊的選擇。 系統(tǒng)方案比較與選擇為了更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性與高性價(jià)比，我針對(duì)以上這些模塊分別提出幾種方案以供選擇。 控制器模塊比較與論證單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制核心，其性能的優(yōu)劣將從根本上影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。針對(duì)本系統(tǒng)，特提出以下二種方案以供選擇方案一：采用 AT89S52 八位單片機(jī)。AT89S52 單片機(jī)的軟件編程自由度比較大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種算法以及邏輯控制。并且體積較小，引腳不多，方便安裝使用。可以單獨(dú)對(duì)數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行控制，另外 AT89S52 在工農(nóng)業(yè)控制上也有著比較廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)和外圍電路的配合使用都相當(dāng)成熟。但是使用 51 或者 52單片機(jī)該系統(tǒng)的外圍電路較多，實(shí)際操作比較麻煩，一次只能處理八位數(shù)據(jù)，計(jì)算比較繁瑣。方案二：使用 SPCE061A 凌陽 16 位單片機(jī)。SPCE061A 是凌陽科技經(jīng)典的一款 16位的具有語音處理結(jié)構(gòu)的微控制器。SPCE061A 采用 SOC 架構(gòu)，其內(nèi)核是凌陽科技公司自主研究開發(fā)的 μ’nSP 架構(gòu)內(nèi)核，該芯片自帶硬件乘法器，可以實(shí)現(xiàn)乘法，內(nèi)積等各種復(fù)雜的運(yùn)算。它運(yùn)算能力強(qiáng)，處理速度快，單周期最高能達(dá)到 49MHz 內(nèi)置的專用MIC 接口和雙路 10bitDAC，使得它非常適合開發(fā)語音電子產(chǎn)品。凌陽單片機(jī)SPCE061A 內(nèi)嵌 32k 字 Flash 程序存儲(chǔ)器和 2 路 16 位定時(shí)器、8 通道10bitADC、UART 接口、2K 的 SRAM、看門狗、電壓檢測(cè)以及時(shí)基輸出等模塊。豐富的外部資源和優(yōu)秀的檢測(cè)機(jī)制使芯片性能穩(wěn)定、功能豐富，可作為通用的微控制器，廣泛而深入地應(yīng)用于智能家電、工業(yè)控制、家居安防等多領(lǐng)域。在溫度數(shù)據(jù)采集上，利用 IO 口連接數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 的數(shù)據(jù)引腳，顯示上用 HD7279 控制鍵盤和顯示，單片機(jī)控制喇叭可實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警。 溫度傳感器模塊比較與論證 溫度傳感器用來進(jìn)行溫度采集，我們把采集到的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)上，單片機(jī)處理后把數(shù)據(jù)通過一個(gè)無線模塊發(fā)送到另一個(gè)無線模塊。所以在這個(gè)系統(tǒng)中溫度傳感器的作用是至關(guān)重要的。我們需要做到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確，并且能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。有以下幾個(gè)方案可以供選擇：方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，對(duì)于檢測(cè) 1 攝氏度的信號(hào)是不適用的。方案二：采用單片模擬量的溫度傳感器，比如 AD590,LM35 等。但這些芯片輸出的都是模擬信號(hào)，必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才能送給單片機(jī)，這樣就使得測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，這種測(cè)溫裝置的一根線上只能掛一個(gè)傳感器，不能進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。即使能實(shí)現(xiàn)，也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。方案三：采用 DS18B20 來測(cè)量待測(cè)電的溫度，數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 輸出的信號(hào)全數(shù)字化。方便單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性都很穩(wěn)定，它能作為工業(yè)測(cè)溫元件。此元件線性度好，在 0℃到 100℃時(shí)，最大線形偏差小于 1℃。DS18B20 的最大特點(diǎn)是單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì) DS18B20 和微控制器 SPCE061A 構(gòu)成的溫度采集系統(tǒng)，它可以直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，而且直接顯示在數(shù)碼管上。因此該溫度采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單，體積也較小。 無線模塊的比較與論證無線傳輸模塊主要是用于主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)先發(fā)送信號(hào)給從機(jī)，從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的信號(hào)后給主機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。方案一：采用紅外收發(fā)芯片 NB914NB9149。NB9148 是通用紅外遙控發(fā)射器集成芯片，該器件與 NB9149 配合使用可完成 10 個(gè)功能控制。 NB9148 采用 CMOS 工藝制造，功耗極低，工作電壓可在 之間變化，NB9148 的集成度高，工作時(shí)所需外圍元件少，其振蕩電路只需外接 LC 或陶瓷震蕩器即可起振，并支持多鍵組合。此外NB9148 的位碼可與其他模式相兼容。方案二：采用 nRF2401 無線模塊。無線芯片 nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM 頻段，芯片內(nèi)嵌晶體振蕩器、地址解碼器、時(shí)鐘處理器、調(diào)制器、低噪聲放大器、GFSK 濾波器、功率放大器和頻率合成器等功能模塊，通信頻道和輸出功率可通過程序進(jìn)行調(diào)配。芯片能耗相當(dāng)?shù)?，?dBm 的功率發(fā)射的時(shí)侯，工作的電流只有 ，接收的時(shí)侯工作電流只有 18mA。該無線模塊有多種低功率工作模式，設(shè)計(jì)節(jié)能而且使用更為方便。無線芯片 nRF2401 內(nèi)置了相當(dāng)多的功能模塊，外圍電路需要得很少，因此使用起來相當(dāng)方便。 鍵盤顯示模塊的比較與論證鍵盤和顯示是整個(gè)系統(tǒng)人機(jī)交互的橋梁。選擇好的鍵盤顯示模塊能夠更簡(jiǎn)單、更方便、更直觀的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制鍵盤、液晶顯示屏（LCD）顯示溫度數(shù)據(jù)。液晶顯示屏（LCD）具有顯示清晰、輕薄短小、無輻射危險(xiǎn)、低耗電量，影像穩(wěn)定不閃爍以及平面直角顯示等優(yōu)點(diǎn)，可視面積較大，畫面效果較好，分辨率較高，抗干擾能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于只顯示溫度數(shù)據(jù)，信息量比較少，但是液晶工作量較大，控制器的資源占用較多，使得系統(tǒng)效率變低，而且使用液晶顯示器的成本偏高。方案二：使用單片機(jī)控制鍵盤和傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度比較高，稱量快，精確可靠，操作簡(jiǎn)單。數(shù)碼管是采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，編程容易，資源占用較少。方案三： HD7279A 控制鍵盤與 LED 顯示。HD7279A 是一個(gè)具有串行接口的智能顯示與鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片。它可以同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰數(shù)碼管，還能同時(shí)連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，單片就可完成 LED 數(shù)據(jù)顯示和鍵盤驅(qū)動(dòng)的全部功能。HD7279A 內(nèi)置譯碼器，可直接接受 BCD 碼以及 16 進(jìn)制碼，并同時(shí)具備 2 種譯碼方式，此外還它還具有多種控制指令 ，如左移、右移、消隱、段尋址和閃爍等。HD7279A 具有片選信號(hào)，可非常方便地實(shí)現(xiàn)多位 LED 顯示和鍵盤驅(qū)動(dòng)。 電源模塊比較與論證方案一：采用穩(wěn)壓源提供正負(fù) 5V 的電壓。穩(wěn)壓源可以提供多種不同的電壓，為單片機(jī)、信號(hào)處理電路供電。 方案二：采用 4 節(jié)五號(hào)電池串聯(lián)給整個(gè)系統(tǒng)供電。但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)電池為直流電機(jī)供電時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓不夠，性能不穩(wěn)定。方案三：采用 12V 蓄電池變壓后為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，并且移動(dòng)方便，成本低。采用此種供電方式后，單片機(jī)和各部分電路工作穩(wěn)定，易于安裝，能夠滿足系統(tǒng)的要求。方案四：采用穩(wěn)壓電源 12V 經(jīng)過濾波穩(wěn)壓為 5V 后給系統(tǒng)供電，同時(shí)使用 12V 蓄電池變壓為 5V 后為系統(tǒng)提供備用電源。 系統(tǒng)最終方案經(jīng)過反復(fù)比較與論證，最終確定了如下方案：（1） 采用單凌陽單片機(jī) SPCE061A 作為控制核心；由于系統(tǒng)要求精度高且性價(jià)比高，經(jīng)綜合考慮后選用凌陽 16 位單片機(jī) SPCE061A實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)。凌陽 SPCE061A 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由空間大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低，體積小，技術(shù)成熟和成本低的優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相比之下 51 單片機(jī)就遜色很多，51 單片機(jī)不僅內(nèi)部資源很少，而且它的內(nèi)部寄存器只能處理 8 位數(shù)據(jù)，所以具有很大的局限性和不穩(wěn)定性。且在學(xué)校有凌陽開發(fā)板可供使用，大大方便了我的設(shè)計(jì)。（2） 采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來采集溫度數(shù)據(jù)；采用溫度溫度傳感器 DS18B20 測(cè)量溫度，體現(xiàn)了系統(tǒng)芯片化這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。部分外圍電路的集成，使總體電路更加簡(jiǎn)潔，搭建電路以及焊接電路時(shí)更加方便快捷。集成塊能有效的避免外界干擾，提高系統(tǒng)的精確度，所以集成芯片的普及使用時(shí)電路發(fā)展的一種趨勢(shì)。本方案應(yīng)用這一數(shù)字溫度芯片 DS18B20，也是順應(yīng)系統(tǒng)芯片化的趨勢(shì)。（3） 采用與凌陽配套的低功耗芯片 nRF2401 做無線傳輸； 采用與凌陽單片機(jī)配套的 nRF2401 模塊來搭建系統(tǒng)，使用起來更加方便，各方面性能都比較優(yōu)秀。而主機(jī)和從機(jī)之間進(jìn)行無線通信時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)目煽啃约霸骷牡凸姆浅Ｖ匾詿o線傳輸模塊采用方案二。（4） 采用 HD7279 鍵盤顯示芯片控制鍵盤和 LED 顯示；由于控制器模塊選擇的是 16 位的凌陽單片機(jī)，所以選擇方案三可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，并且選擇方案三線路跟外圍電路都比較少，所以減少了線路出錯(cuò)的的幾率。使系統(tǒng)的可靠性增加。（5） 采用 5V 的穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電，同時(shí)使用 12V 電池來作為備用電源，即選擇方案四。采用方案四可以在保障系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的同時(shí)，保障系統(tǒng)在停電或者斷電以及其他突發(fā)情況下能照常運(yùn)行，從可行性上來考慮，應(yīng)選擇方案四。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件分為兩個(gè)分開的部分，在測(cè)溫點(diǎn)放置的是從機(jī)，用于檢測(cè)溫度并傳輸數(shù)據(jù)。主機(jī)放置在離人近或者方便看見的地方，用于接收數(shù)據(jù)并顯示溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不在限溫范圍內(nèi)報(bào)警的功能（超過 50℃即報(bào)警還有低于 20℃即報(bào)警） 。系統(tǒng)采用凌陽單片機(jī)為處理控制器，主機(jī)從機(jī)都有各自的控制器。由于凌陽單片機(jī)自帶報(bào)警電路，所以只需接一個(gè)喇叭就可以直線報(bào)警的功能，在圖中就沒有畫出來。nRF2401 無線模塊是在可以直接應(yīng)用到凌陽單片機(jī)上的應(yīng)用模塊，使用方便，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收功能的半雙工無線模塊。鍵盤顯示電路都是由 HD7279 和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。溫度傳感器DS18B20 來實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的獲取，并直接傳輸給從機(jī)單片機(jī)。本系統(tǒng)采用單凌陽單片機(jī)，完全滿足系統(tǒng)需求，充分利用了各項(xiàng)資源，使得本設(shè)計(jì)更趨向智能化，人性化。 圖 主機(jī)硬件組成框圖 圖 從機(jī)硬件組成框圖系統(tǒng)主控模塊的主機(jī)電路方框圖如圖 所示，凌陽單片機(jī)控制無線模塊接收和發(fā)送信號(hào)的半雙工狀態(tài)，主機(jī)接收從機(jī)從溫度傳感器 DS18B20 傳來的溫度信號(hào)，控制鍵盤顯示模塊。無線模塊之間的最大無障礙距離約 50m 最大有障礙距離約 20m。無線模塊IOB0~IOB7IOB15凌陽單片機(jī)2溫度傳感器模塊最大無障礙距離約 50m 最大有障礙距離約 20m鍵盤顯示模塊無線模塊IOA12~IOA15IOB0~IOB7凌陽單片機(jī)1圖 系統(tǒng)總電路框圖3 硬件電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件電路包括主控模塊和其他外圍電路，外圍電路又包括：穩(wěn)壓電路、溫度采集電路、鍵盤顯示電路等，下面將依次對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行說明。 主控模塊的電路設(shè)計(jì) SPCE061A 簡(jiǎn)介SPCE061A 是繼 181?！痭SP? 系列產(chǎn)品 SPCE500A 等之后凌陽科技推出的一款 16位結(jié)構(gòu)微型控制器。與 凌陽 SPCE500A 不同之處在于，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶較少資源需求同時(shí)方便程序調(diào)試等功能，凌陽 SPCE061A 里內(nèi)嵌 32K 字的閃存，它的比較高的處理速度使 181。’nSP? 能夠非?？焖俣菀椎靥幚硐鄬?duì)復(fù)雜的各種數(shù)字信號(hào)。 SPCE061A 性能表 SPCE061A 的特性參數(shù) 結(jié)構(gòu)概覽SPCE061A 的結(jié)構(gòu)如圖 所示：圖 SPCE061A 的結(jié)構(gòu)圖 芯片的引腳排列和說明 SPCE061A 有兩種封裝片，一種為 84 個(gè)引腳，PLCC84 封裝形式；它的排列如圖 所示；另一種為 80 個(gè)引腳，LQFP80 封裝。它的排列如圖所示。圖 SPCE061 封裝引腳排列圖表 芯片的引腳說明 凌陽開發(fā)板電路凌陽最小系統(tǒng)電路包括電源電路，晶振電路，倍頻電路，濾波電路，復(fù)位電路。如下圖所示：圖 凌陽小系統(tǒng)電路圖凌陽開發(fā)板的外圍電路有 A/D 電路,D/A 電路，下載電路,I/O 口，鍵盤電路等，如圖 所示。圖 凌陽板總外圍電路圖 電源電路從穩(wěn)壓電源接出 12V 的電壓，經(jīng)過外部穩(wěn)壓電路，得到 5V 的穩(wěn)定電壓，可為傳感器或者鍵盤顯示模塊供電。5V 的穩(wěn)定電壓經(jīng)過凌陽單片機(jī)自帶的穩(wěn)壓電路后，得到 的穩(wěn)定電壓，給單片機(jī)供電。同時(shí) 12V 的電池電源接上一個(gè)二極管，再通過穩(wěn)壓模塊后作為系統(tǒng)備用電源。