【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DSP 是不經(jīng)濟(jì)的方案。在單片機(jī)能夠滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機(jī)無異是首選的信息處理單元 。 167。 傳感器方案 傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測(cè)量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測(cè)量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。但是模擬傳感器的模擬信號(hào)需要先經(jīng)過取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，再將本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號(hào)交由微處理器或 DSP 處理。被測(cè)信號(hào)從敏感元 件接收的非電物理量開始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號(hào)之間，設(shè)計(jì)者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)測(cè)試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn)品的可靠性及小型化。而且模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過程中，容易受到電磁干擾而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。在多點(diǎn)溫濕度檢測(cè)的場(chǎng)合，各被測(cè)點(diǎn)到測(cè)試裝置之間引線距離往往不同，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全清除。另外，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度也不可能很高，存在一定非線性，互換性較差。 采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。數(shù)字式傳感器能把被測(cè)模擬量直接換成數(shù)字量輸出，可 以直接與數(shù)字設(shè)備（計(jì)算機(jī)，計(jì)數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等）相聯(lián)，用微控制器、 DSP 或計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理、濾波、壓縮。它的信號(hào)原則上不受放大器和信號(hào)處理系統(tǒng)的溫度漂移的影響，具有極高的抗干擾能力。數(shù)字式傳感器具有高的測(cè)量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號(hào)易于處理、傳送和自動(dòng)控制，便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性高。雖然存在反應(yīng)速度較慢，溫度測(cè)量的范圍不寬的缺點(diǎn)，數(shù)字式傳感器技術(shù)的發(fā)展仍受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。 167。 短 距離無線通信模塊方案 藍(lán)牙技術(shù)作為一種近距離無線連接的全球性開放規(guī)范，已經(jīng)得到了全球眾多大企業(yè)的支持。藍(lán)牙技術(shù)同時(shí)支持語音和數(shù)據(jù)傳輸，使用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，本身包括糾錯(cuò)機(jī)制，可靠性高，藍(lán)牙規(guī)范的核心部分協(xié)議允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行相互定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)互操作和交互式應(yīng)用。但是藍(lán)牙設(shè)備價(jià)格昂貴，通訊距離近，藍(lán)牙 RF 定義了三種功率等級(jí)（ 100mw、 25mw 和 1 mw），當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備功率為 1 mw 時(shí)，其發(fā)射范圍一般為 10m[20]。 紅外線傳輸是使用紅外線波段的電磁波來進(jìn)行較近距離的傳輸。 IrDA 具有 技術(shù)成熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便、簡(jiǎn)單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、保密性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。也存在著只能視距傳輸、移動(dòng)時(shí)不本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 能傳輸、 LED 易磨損等缺點(diǎn)。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收發(fā)芯片。短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號(hào)射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界干擾。射頻芯片一般采用 FSK 調(diào)制方式，工作于 ISM 頻段，通信模塊一般包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡(jiǎn)單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成，用戶不用對(duì)無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且開發(fā)簡(jiǎn)單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離，確定該部分電路設(shè)計(jì)使用無線收發(fā)芯片。無線收發(fā)芯片的可 靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，通訊協(xié)議簡(jiǎn)單透明，技術(shù)成熟。使用該種方案無線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 167。 器件的選用 167。 數(shù)字式溫度傳感器的選擇 隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設(shè)計(jì)工程師的選擇對(duì)象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單；測(cè)溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負(fù)載能力如何，能否滿足多 點(diǎn)測(cè)溫的需要；占用 MCU 的 I/O 引腳數(shù)情況如何，因?yàn)? MCU 的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點(diǎn)溫度測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量的點(diǎn)數(shù)超過了輸入通道時(shí)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時(shí)間，應(yīng)盡量節(jié)約；與 MCU 的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量的軟件開本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 發(fā)難度、成本要盡量小 [13]。 由于 DS18B20 獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，占用 MCU 的 I/O 引腳資源少，和 MCU 的通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單，成本較低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以，選用 DS18B20 做為溫度測(cè)量的傳感器。 167。 無線收發(fā) 芯片的選擇 無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在設(shè)計(jì)中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。 nRF24E1 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機(jī)內(nèi)核的高速單片無線收發(fā)芯片 [15]。采用先進(jìn)的 CMOS 工藝、6mm6mm 的 36 引腳 QFN 封裝；以 nRF2401 芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將射頻、8051MCU、 9 輸入 12 位 ADC、 125 頻道、 UART、 SPI、 PWM、 RTC、 WDT 全部集成到單芯片中；內(nèi)部有電壓調(diào)節(jié)器（工作電壓 ~）和 VDD 電壓監(jiān)視，通常開關(guān)時(shí)間小于 200μs，數(shù)據(jù)速率 1Mbps，輸出功率 0dBm；不需要外接 SAW 濾波器，極少的外圍電路，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影響；工作在全球開放的 頻段、勿需申請(qǐng)通信許可證 [20]。 基于 nRF401 成本低、可靠性高、外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)， 本系統(tǒng)將 nRF401 做為無線收發(fā)芯片的首選。 167。 鍵盤顯示模塊的選擇 顯示單元是人機(jī)交互的窗口， 是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè)備，通常的顯示器件有液晶顯示器（ LCD）和數(shù)碼管顯示器（ LED）。 液晶顯示器在使用中有許多注意事項(xiàng)：不能對(duì)它長(zhǎng)期施加直流電，否則易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過大的壓力；對(duì)于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時(shí)烙鐵要接地。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 可見液晶顯示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時(shí)也有一定的優(yōu)勢(shì)，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是 pA 級(jí)的。 數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對(duì)電源沒有特殊要求， 受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽光的照射，也沒有嚴(yán)格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強(qiáng)的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本系統(tǒng)由于要適合在不同環(huán)境條件下使用，所以選用數(shù)碼管顯示器。本系統(tǒng)采用五位數(shù)碼管，兩位用來顯示當(dāng)前溫度，兩位用來顯示欲設(shè)定的溫度，一位用來顯示當(dāng)前狀態(tài)。 在本系統(tǒng)中，鍵盤由四個(gè)鍵組成，即溫度增加鍵、溫度減小鍵、確認(rèn)鍵和取消鍵。因按鍵很少，所以采用獨(dú)立式鍵盤。 167。 溫度控制模塊的選擇 溫度控制單元是系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán) 節(jié)，也是系統(tǒng)中最重要的一部分。 目前制冷系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)、使用氨水的吸收式制冷系統(tǒng)和近幾年發(fā)展起來的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。 目前制熱技術(shù)主要有太陽能吸收熱量、煤炭燃燒制造熱量、熱泵和近幾年發(fā)展起來的半導(dǎo)體制熱系統(tǒng)。 其中半導(dǎo)體制冷制熱是利用特種半導(dǎo)體材料通過直流電時(shí)產(chǎn)生低溫高溫的一種制冷制熱方式，由于它彌補(bǔ)了其它制冷制熱方式的不足，在當(dāng)今世界的人下制冷制熱技術(shù)中占有獨(dú)特的地位。所以本系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體制冷制熱器件。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3章 電路的硬件設(shè)計(jì) 167。 總體設(shè)計(jì)方案 167。 多機(jī)通信一體化原理 多機(jī)通信是指 2 臺(tái)以上計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)工作 .主從式多機(jī)通信是多機(jī)通信中應(yīng)用最廣的一種 .主機(jī)可以是 PC 機(jī)或單片機(jī) ,從機(jī)一般采用單片機(jī)。 將一機(jī)設(shè)為主機(jī)，其他設(shè)為從機(jī)，將從機(jī)編號(hào)，并存起來，通信時(shí)，主機(jī)若要對(duì)所有機(jī)器通信，剛發(fā)出一個(gè)自己設(shè)定好的信號(hào)，若要對(duì)某一特定機(jī)器通信，則發(fā)出該機(jī)器的編號(hào)，各機(jī)收到通信請(qǐng)求命令后，將命令與自己存的編號(hào)對(duì)比，看主機(jī)是不是要與本機(jī)通信，是，接收后邊的信號(hào)，不是，則不接收。其工作系統(tǒng)如圖 31 所示： 主 機(jī) T X D R X DT X D R X D 從 機(jī)T X D R X D 從 機(jī)T X D R X D 從 機(jī) 圖 31 多機(jī)通信原理圖 167。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構(gòu)想，下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 32 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 32 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)由溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤顯示模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、溫度控制模塊等部分組成。溫度采集部分工作原理是由數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫并把數(shù)據(jù)傳到 CPU，由 CPU 處理通過無線收發(fā)電路向外發(fā)送信號(hào)，接收端收到信號(hào)經(jīng) CPU 處理在數(shù)碼管上顯示出來。溫度控制部分工作原理是由鍵盤輸入欲設(shè)定的溫度。溫度數(shù)據(jù)信號(hào)送入 CPU 處理，通過無線收發(fā)電路發(fā)射出去，接受端收到 信號(hào)經(jīng) CPU 處理控制半導(dǎo)體溫控裝置達(dá)到欲設(shè)定的溫度 。 167。 溫度采集部分電路設(shè)計(jì) 167。 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 針對(duì) 8051 單片機(jī) I/O 口線較少的特點(diǎn)，用一只 DS18B20 型單線數(shù)字式集成溫度傳感器組成溫度采集網(wǎng)絡(luò)。其溫度采集網(wǎng)絡(luò)框圖如下圖 33 所示： 數(shù)字溫度傳感器DS18B20 中央 控 制單元 8051 無 線 收發(fā)電路nRF401 半導(dǎo)體制冷制熱器件 中央 控 制單元 8051 無線收發(fā)電路 nRF401 鍵盤顯示模塊 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 33 溫度采集網(wǎng)絡(luò)框圖 167。 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 單總線是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)，它只定義了一根信號(hào)線，總線上的每個(gè)器件都能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間驅(qū)動(dòng)它，相當(dāng)于把單片機(jī)的地址 nRF401 線、數(shù)據(jù)線、 控制線合為一根信號(hào)線對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為了區(qū)分這些芯片，廠家在生產(chǎn)芯片時(shí)，為每個(gè)芯片編制了惟一的序列號(hào)，通過尋址就能把芯片識(shí)別出來。從而能使這些器件掛在一根信號(hào)線上進(jìn)行串行分時(shí)數(shù)據(jù)交換，大大簡(jiǎn)化了硬件電路。 DS18B20 是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器 [ 18]。它的主要技術(shù)特性如下： （ 1）具有獨(dú)特的單線接口方式，即微處理器與其接口時(shí)僅需占用 1 位I/O 端口； （ 2）支持多節(jié)點(diǎn)，使分布式多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件開銷大為簡(jiǎn)化； （ 3）測(cè)溫時(shí)無需任何外部元件： （ 4）可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式： （ 5）測(cè)溫范圍為 55~+125℃ ，測(cè)溫精度為 177?！?： （ 6）溫度轉(zhuǎn)換精度 912 位可編程，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以 16 位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出。 12 位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為 750ms[18]。 VCC GND 8051 DS18B20 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 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。 1． DS18B20 的結(jié)構(gòu) DS18B20 主要由四部分組成。 （ 1） 64 位光刻 ROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （ 2）溫度傳感器 （ 3）非易失性電可擦寫溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL （ 4）非易失性電可擦寫設(shè)置寄存器 如圖 33 所示，器件只有 3 根外部引腳，其中 VDD 和 GND 為電源引腳，另一根 DQ 線則用作 I/O 總線，因此稱為一線式數(shù)據(jù)總線。與單片機(jī)接口的每個(gè) I/O 口可掛接多個(gè) DS18B20 器件。 每片 DS18B20 含有一個(gè)唯一的 64 位 ROM 編碼。頭八位是產(chǎn)品系列編碼，表示產(chǎn)品的分類編號(hào)；接著的 48 位是一個(gè)惟一的 產(chǎn)品序列號(hào)，序列號(hào)是一個(gè) 15 位的十進(jìn)制編碼，每個(gè)芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識(shí)別出來，最后 8 位是前 56 位的循環(huán)冗余 (CRC)校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確的一種方法。所以多片 DS18B20 能夠連接在同一條數(shù)據(jù)線上而不會(huì)造成混亂。這為溫度的多點(diǎn)測(cè)量帶來了極