【文章內容簡介】 溫度檢測系統(tǒng)來完成部分功能，然后對溫度數據做出反應，比如說智能打開窗戶或者空調，當沒有人在系統(tǒng)中出現的關閉所有應該關閉的電源來節(jié)約能源，以達到環(huán)保的效果?？傊疁囟仁桥c我們人類生活各個方面密切相關的一個方面，本設計方案旨在用合適的方法更加精準地采集溫度數據，并實現無線傳輸。突出在無線這一方面。所以此設計的應用面十分廣，應用前景也是無可計量的。2 總體方案設計溫度檢測系統(tǒng)有許多共同的特點：環(huán)境復雜、測量點多、布線分散、現場離監(jiān)控地點很遠等等。如果使用一般溫度傳感器采集溫度數據，就必須設計信號 A/D 轉換電路、調理電路以及對應的接口電路，才能將傳感器輸出的模擬信號轉換成數字信號，再將數字信號送到單片機去處理。這樣，由于外圍電路過多會使整個檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，系統(tǒng)收集最終數據偏差較大；又由于檢測環(huán)境的復雜、測量點又多、信號傳輸距離較遠及各種其他干擾的影響，隨著時間的推移，檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性逐日下降 。所以溫度采集系統(tǒng)的設計的關鍵在于下面三部分：主控單元的設計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現系統(tǒng)的可靠性與高性價比，我針對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系統(tǒng)的性能。針對本系統(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。AT89S52 單片機的軟件編程自由度比較大，可通過編程實現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?？梢詥为殞底譁囟葌鞲衅?DS18B20 進行控制，另外 AT89S52 在工農業(yè)控制上也有著比較廣泛的應用，編程技術和外圍電路的配合使用都相當成熟。但是使用 51 或者 52單片機該系統(tǒng)的外圍電路較多，實際操作比較麻煩，一次只能處理八位數據，計算比較繁瑣。方案二：使用 SPCE061A 凌陽 16 位單片機。SPCE061A 是凌陽科技經典的一款 16位的具有語音處理結構的微控制器。SPCE061A 采用 SOC 架構，其內核是凌陽科技公司自主研究開發(fā)的 μ’nSP 架構內核，該芯片自帶硬件乘法器，可以實現乘法，內積等各種復雜的運算。它運算能力強，處理速度快，單周期最高能達到 49MHz 內置的專用MIC 接口和雙路 10bitDAC，使得它非常適合開發(fā)語音電子產品。凌陽單片機SPCE061A 內嵌 32k 字 Flash 程序存儲器和 2 路 16 位定時器、8 通道10bitADC、UART 接口、2K 的 SRAM、看門狗、電壓檢測以及時基輸出等模塊。豐富的外部資源和優(yōu)秀的檢測機制使芯片性能穩(wěn)定、功能豐富，可作為通用的微控制器，廣泛而深入地應用于智能家電、工業(yè)控制、家居安防等多領域。在溫度數據采集上，利用 IO 口連接數字溫度傳感器 DS18B20 的數據引腳，顯示上用 HD7279 控制鍵盤和顯示，單片機控制喇叭可實現語音報警。 溫度傳感器模塊比較與論證 溫度傳感器用來進行溫度采集，我們把采集到的數據送到單片機上，單片機處理后把數據通過一個無線模塊發(fā)送到另一個無線模塊。所以在這個系統(tǒng)中溫度傳感器的作用是至關重要的。我們需要做到數據采集的準確，并且能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。有以下幾個方案可以供選擇：方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，對于檢測 1 攝氏度的信號是不適用的。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，必須經過 A/D 轉換后才能送給單片機，這樣就使得測溫裝置的結構較復雜。另外，這種測溫裝置的一根線上只能掛一個傳感器，不能進行多點測量。即使能實現，也要用到復雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現的難度。方案三：采用 DS18B20 來測量待測電的溫度，數字溫度傳感器 DS18B20 輸出的信號全數字化。方便單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性都很穩(wěn)定，它能作為工業(yè)測溫元件。此元件線性度好，在 0℃到 100℃時，最大線形偏差小于 1℃。DS18B20 的最大特點是單總線的數據傳輸，由數字溫度計 DS18B20 和微控制器 SPCE061A 構成的溫度采集系統(tǒng)，它可以直接輸出溫度的數字信號，而且直接顯示在數碼管上。因此該溫度采集系統(tǒng)的結構就比較簡單，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和從機之間的數據傳輸，主機先發(fā)送信號給從機，從機接收到主機發(fā)送的信號后給主機發(fā)送溫度數據。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，芯片內嵌晶體振蕩器、地址解碼器、時鐘處理器、調制器、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行調配。芯片能耗相當低，以5dBm 的功率發(fā)射的時侯，工作的電流只有 ，接收的時侯工作電流只有 18mA。該無線模塊有多種低功率工作模式，設計節(jié)能而且使用更為方便。無線芯片 nRF2401 內置了相當多的功能模塊，外圍電路需要得很少，因此使用起來相當方便。 鍵盤顯示模塊的比較與論證鍵盤和顯示是整個系統(tǒng)人機交互的橋梁。選擇好的鍵盤顯示模塊能夠更簡單、更方便、更直觀的實現人機交互。方案一：單片機控制鍵盤、液晶顯示屏（LCD）顯示溫度數據。液晶顯示屏（LCD）具有顯示清晰、輕薄短小、無輻射危險、低耗電量，影像穩(wěn)定不閃爍以及平面直角顯示等優(yōu)點，可視面積較大，畫面效果較好，分辨率較高，抗干擾能力較強等特點。但由于只顯示溫度數據，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：使用單片機控制鍵盤和傳統(tǒng)的數碼管顯示。數碼管具有：低能耗、低損耗、低壓，對外界環(huán)境要求低，易于維護，同時其精度比較高，稱量快，精確可靠，操作簡單。數碼管是采用 BCD 編碼顯示數字，編程容易，資源占用較少。方案三： HD7279A 控制鍵盤與 LED 顯示。HD7279A 是一個具有串行接口的智能顯示與鍵盤驅動芯片。它可以同時驅動 8 位共陰數碼管，還能同時連接多達 64 鍵的鍵盤矩陣，單片就可完成 LED 數據顯示和鍵盤驅動的全部功能。HD7279A 內置譯碼器，可直接接受 BCD 碼以及 16 進制碼，并同時具備 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，可非常方便地實現多位 LED 顯示和鍵盤驅動。 電源模塊比較與論證方案一：采用穩(wěn)壓源提供正負 5V 的電壓。穩(wěn)壓源可以提供多種不同的電壓，為單片機、信號處理電路供電。 方案二：采用 4 節(jié)五號電池串聯(lián)給整個系統(tǒng)供電。但經過實驗驗證，當電池為直流電機供電時，單片機、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。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，并且移動方便，成本低。采用此種供電方式后，單片機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 經過濾波穩(wěn)壓為 5V 后給系統(tǒng)供電，同時使用 12V 蓄電池變壓為 5V 后為系統(tǒng)提供備用電源。 系統(tǒng)最終方案經過反復比較與論證，最終確定了如下方案：（1） 采用單凌陽單片機 SPCE061A 作為控制核心；由于系統(tǒng)要求精度高且性價比高，經綜合考慮后選用凌陽 16 位單片機 SPCE061A實現本系統(tǒng)。凌陽 SPCE061A 單片機算術運算功能強，軟件編程靈活，自由空間大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低，體積小，技術成熟和成本低的優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛。相比之下 51 單片機就遜色很多，51 單片機不僅內部資源很少，而且它的內部寄存器只能處理 8 位數據，所以具有很大的局限性和不穩(wěn)定性。且在學校有凌陽開發(fā)板可供使用，大大方便了我的設計。（2） 采用數字溫度傳感器 DS18B20 來采集溫度數據；采用溫度溫度傳感器 DS18B20 測量溫度，體現了系統(tǒng)芯片化這個發(fā)展趨勢。部分外圍電路的集成，使總體電路更加簡潔，搭建電路以及焊接電路時更加方便快捷。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電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應用這一數字溫度芯片 DS18B20，也是順應系統(tǒng)芯片化的趨勢。（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。而主機和從機之間進行無線通信時，信號傳輸的可靠性及元器件的低功耗非常重要，所以無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，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)長期穩(wěn)定的同時，保障系統(tǒng)在停電或者斷電以及其他突發(fā)情況下能照常運行，從可行性上來考慮，應選擇方案四。 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)的硬件分為兩個分開的部分，在測溫點放置的是從機，用于檢測溫度并傳輸數據。主機放置在離人近或者方便看見的地方，用于接收數據并顯示溫度，同時實現不在限溫范圍內報警的功能（超過 50℃即報警還有低于 20℃即報警） 。系統(tǒng)采用凌陽單片機為處理控制器，主機從機都有各自的控制器。由于凌陽單片機自帶報警電路，所以只需接一個喇叭就可以直線報警的功能，在圖中就沒有畫出來。nRF2401 無線模塊是在可以直接應用到凌陽單片機上的應用模塊，使用方便，可實現發(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 和單片機實現控制。溫度傳感器DS18B20 來實現溫度數據的獲取，并直接傳輸給從機單片機。本系統(tǒng)采用單凌陽單片機，完全滿足系統(tǒng)需求，充分利用了各項資源，使得本設計更趨向智能化，人性化。 圖 主機硬件組成框圖 圖 從機硬件組成框圖系統(tǒng)主控模塊的主機電路方框圖如圖 所示，凌陽單片機控制無線模塊接收和發(fā)送信號的半雙工狀態(tài)，主機接收從機從溫度傳感器 DS18B20 傳來的溫度信號，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1圖 系統(tǒng)總電路框圖3 硬件電路的設計本系統(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，下面將依次對各個模塊進行說明。 主控模塊的電路設計 SPCE061A 簡介SPCE061A 是繼 181?！痭SP? 系列產品 SPCE500A 等之后凌陽科技推出的一款 16位結構微型控制器。與 凌陽 SPCE500A 不同之處在于，在存儲器資源方面考慮到用戶較少資源需求同時方便程序調試等功能，凌陽 SPCE061A 里內嵌 32K 字的閃存，它的比較高的處理速度使 181?！痭SP? 能夠非?？焖俣菀椎靥幚硐鄬碗s的各種數字信號。 SPCE061A 性能表 SPCE061A 的特性參數 結構概覽SPCE061A 的結構如圖 所示：圖 SPCE061A 的結構圖 芯片的引腳排列和說明 SPCE061A 有兩種封裝片，一種為 84 個引腳，PLCC84 封裝形式；它的排列如圖 所示；另一種為 80 個引腳，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)定電壓經過凌陽單片機自帶的穩(wěn)壓電路后，得到 的穩(wěn)定電壓，給單片機供電。同時 12V 的電池電源接上一個二極管，再通過穩(wěn)壓模塊后作為系統(tǒng)備用電源。