【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 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 [17][18]。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??？紤]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。 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(yǔ)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[19]。 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 [20]?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離，確定該部分沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 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。 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案 溫度數(shù)據(jù)在采集后通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的控制。對(duì)于一般的工業(yè)測(cè)量與控制，多采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控。 專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立完整的功能實(shí)體，用單片機(jī)或 DSP 來控制整個(gè)系統(tǒng)。最主要的特征是系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模完全根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求配置，獨(dú)立性、可擴(kuò)展性好，因此系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。根據(jù)微處理器的不同，專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) [21,22]。 DSP 和單片機(jī) 都是構(gòu)成專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心芯片， DSP 主要用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理， DSP 芯片中具有各種特殊功能的計(jì)算模塊，采用流水線結(jié)構(gòu)，提高了 DSP 的運(yùn)行速度。由于 DSP 主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部 I/0 接口比較少，不便于系統(tǒng)擴(kuò)展，因此多數(shù) DSP 系統(tǒng)還要通過單片機(jī)來進(jìn)行外部接口擴(kuò)展，這導(dǎo)致了 DSP 的成本較高，另外， DSP 具有一定的專用性，開發(fā)過程比較復(fù)雜，不便于通用。 單片機(jī)是把微型機(jī)的主要部分集中在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。由于它的 結(jié)構(gòu) 與指 令都按 照工 業(yè)控 制要求 設(shè)計(jì) 的， 故又 稱微控 制器（ Microcontroller Unit），也可稱微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）。通常由微型計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備組成，包括微處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器（存放程序指令或數(shù)據(jù)指令的 ROM、 RAM 等）、輸入 /輸出接口（ I/O）及其它功能部件如定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機(jī)受集成度限制，片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小，一般 ROM 只有 4~8K 字節(jié)， RAM 小于 256 字節(jié)，通過外部擴(kuò)展， ROM、 RAM 可擴(kuò)展至 64K 字節(jié)。與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、功能易擴(kuò)展、測(cè)控能力強(qiáng)、可靠 性高。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)正在被各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 [23,24]。 采用單片機(jī)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、開發(fā)容易，功能易擴(kuò)展、測(cè)控能力強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復(fù)雜的計(jì)算處理、對(duì)采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。 對(duì)于不要求高速的一般的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采用 DSP 是不經(jīng)濟(jì)的方沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 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。 器件的選用 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)量的軟件開發(fā) 難度、成本要盡量小。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有 Philips 公司的 I2C 總線，Motorola 公司的 SPI 總線， National Semiconductor 公司的 Microwireplus 總線， Dallas Semiconductor 公司的 1Wire 總線和 Siemens 公司的 Profibus 總線等。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有： （ 1） AD7418 是是美國(guó)模擬器件公司（ ADI）推出的單片溫度測(cè)量與控制用集成電路。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。測(cè) 溫范圍為55℃ ~+125℃，具有 10 位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為 ℃，精度為177。 2℃，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 15~30ms。具有體積小、編程簡(jiǎn)單、使用容易、測(cè)量精度高，并且不易受環(huán)境千擾等優(yōu)點(diǎn)。 AD7418 可以級(jí)聯(lián)至多 8 片在同一個(gè) I2C 總線上 [16]。 （ 2） LM74 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、△ ∑型 A/D 數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器通電工作后自動(dòng)按一定速率對(duì)溫度進(jìn)行檢 測(cè)，并在片內(nèi)寄存器中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的溫度值，主機(jī)可以在任意時(shí)刻讀出傳感器溫度值。 LM74 具有休眠模式，在休眠時(shí)消耗的電流不超過 10μ A，適用于對(duì)功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。 LM74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12 位外加符號(hào)位，因此在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá) ℃的分辨率，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 425ms。 （ 3） MAX6575L/H 是美國(guó) MAXIM 公司的一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，使用方便。測(cè)溫范圍為 40~+125℃，其誤差范圍：在 25℃時(shí)優(yōu)于177。 3℃， 在 85℃時(shí)優(yōu)于177?！?，在 125℃時(shí)優(yōu)于177。 5℃。但是 MAX6575L/H 在其測(cè)溫范圍內(nèi)非線性誤差較大，因此，當(dāng)它用于高精度溫度測(cè)量時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行非線性補(bǔ)償。它最多允許在一根 MCU 的 I/O 總線上同時(shí)掛接 8 個(gè) MAX6575L/H 進(jìn)行多點(diǎn)溫度測(cè)量。為了避免多個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)溫時(shí)有重疊的現(xiàn)象， MAX6575 提供了“ L”和“ H”兩種型號(hào)的傳感器，它們的使用方法相同，而且每一種型號(hào)的傳感器又可以通過時(shí)間選擇引腳。但是， MAX6575L 的遠(yuǎn)距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在 5m 以內(nèi)，超過此范圍將采 集不到被測(cè)溫度數(shù)據(jù)，這也是這種器件的一個(gè)弊端。 （ 4） DS18B20 是美國(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號(hào)線上掛接數(shù)十甚至上百個(gè)數(shù)字式傳感器，從而使測(cè)溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡(jiǎn)單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，而且，可以通過總線供電，由它組成的溫度測(cè)控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。 DS18B20 的測(cè)溫范圍 55~+125℃，最高分辨率可達(dá) ℃，由于每一個(gè) DS18B20 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。 Dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價(jià)格比，有以下特點(diǎn)： 1）適用于低速測(cè)控場(chǎng)合，測(cè)控對(duì)象越多越顯出其優(yōu)越性； 2）性價(jià)比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好； 3）具有 CRC 校驗(yàn)功能，可靠性高； 4）軟件設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀，易于掌握。 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。 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)品沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時(shí)，應(yīng)主要參考以下幾點(diǎn)： (1) 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，編程方便 。 (2) 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量 芯片外圍元器件的數(shù)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。 (3) 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． (4) 發(fā)射功率 在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。 (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)。 常用的無線收發(fā)芯片 nRF903 單片射頻收發(fā)器芯片工作在 915MHz 國(guó)際通用的 ISM 頻段；GMSK/GFSK 調(diào)制和解調(diào)， 抗干擾能力強(qiáng)；采用 DDS+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達(dá) 100dBm ， 最大發(fā)射功率達(dá) +10dBm；數(shù)據(jù)速率可達(dá) Kbit/s； 170 個(gè)頻道，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；可方便地嵌入各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)雙向傳輸，在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)遙測(cè)遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。 TH72020 是 Melexis 公 司 的 單 片 射 頻 發(fā) 射 芯 片 ， 頻 率 范 圍380MHz~450MHz，采用 VCO+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好； FSK 調(diào)制方式，抗干擾能力強(qiáng)； FSK 頻偏和中心頻率可獨(dú)立調(diào)節(jié)；寬電壓范圍 ~，靜態(tài)電流小，工作電流可在 ~ mA 調(diào)節(jié)；發(fā)射功率可在 12 dBm~+10dBm 調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)速率可達(dá) 40Kbit/s?？汕度敫鞣N測(cè)量和控制系統(tǒng)中進(jìn)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 行無線數(shù)據(jù)傳輸，在保安系統(tǒng)、微功耗遙測(cè)遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。 nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片 RF 收發(fā)機(jī)，專為在 433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療 ) 頻段 工作而設(shè)計(jì)。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、 PLL 合成、 FSK 調(diào)制、 FSK 解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。 nRF401 的外圍元件很少，僅 10 個(gè)左右。只包括一個(gè) 4MHz 基準(zhǔn)晶振 (可與 MCU 共享 )、一個(gè) PLL環(huán)路濾波器和一個(gè) VCO 電感，收發(fā)天線合一，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。 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 [23]。 鍵盤顯