【文章內(nèi)容簡介】 存存儲器中的第五個字節(jié) ,DS18B20 在工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值 。 微控制器 STC89C52 本系統(tǒng)采用單 片機 STC89C52 作為溫度采集點和控制端的微處理器，基于單片機的控制系統(tǒng)開發(fā)容易、系統(tǒng)小巧、功耗低、成本低廉、性價比高。 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供 靈活、 有效的解決方案。 STC89C52 的主要性能參數(shù)： (1)STC89C52 支持在線可編程 (ISP)寫入技術(shù) ,改寫單片機存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，串行寫入、速度更快、穩(wěn)定性更好； (2)工作頻率 范圍： 0～ 40MHz。 (3)通用異步 串行口 （ UART），還可用定時器 軟件 實現(xiàn)多個 UART； (4)內(nèi)部集成看門狗計時器，無需外接看門狗計時器單元電路； (5)工作電壓： ～ （ 5V 單片機 ） /～ （ 3V 單片機） ； (6)工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)級） /0～ 75℃ （商業(yè)級） ； (7)外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā) 電路， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā) 中斷方式 喚醒 ； (8)通用 I/O 口（ 32 個），復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是 準雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻 ； GND I/O UDD 內(nèi)部 UDD C VD2 VD1 64 位ROM和 單線接口 存儲器和控制邏輯 便箋式RAM 溫度傳感器 8 位 CRC 發(fā)生器 配置寄存器 高溫寄存器 低溫寄存器 電源檢測 圖 22 DS18B20 的內(nèi)部電路框圖 無線射頻模塊 本系統(tǒng)采用射頻模塊 nRF905 作為無線傳輸?shù)拿浇椤? 1. nRF905 無線模塊特點 (1)433Mhz 開放 ISM 頻段免許可證使用 ； (2)最高工作速率 50kbps，高效 GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制 場合； (3)125 頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要 ； (4)內(nèi)置硬件 CRC 檢錯和點對多點通信地址控制 ； (5)低功耗 工作，待機模式下狀態(tài)僅為 ； (6)收發(fā)模式切換時間 650us ； (7)模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示 )，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便 ； (8)TX Mode: 在 +10dBm 情況下 ，電流為 30mA。 RX Mode: ； (9)標準 DIP 間距接口，便于嵌入式應(yīng)用 ； 2. nRF905 接口電路管腳說明 nRF905 接口電路管腳說明 如 下 表 21 所示。 管腳 名稱 管腳功能 說明 1 VCC 電源 電源 +~ DC 2 TX_EN 數(shù)字輸入 TX_EN=1 TX 模式 TX_EN=0 RX 模式 3 TRX_CE 數(shù)字輸入 使能芯片發(fā)射或接收 4 PWR_UP 數(shù)字輸入 芯片上電 5 uCLK 時鐘輸出 本模塊該腳廢棄不用，向后兼容 6 CD 數(shù)字輸 出 載波檢測 7 AM 數(shù)字輸出 地址匹配 8 DR 數(shù)字輸出 接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成 9 MISO SPI 接口 SPI 輸出 10 MOSI SPI 接口 SPI 輸入 11 SCK SPI 時鐘 SPI 時鐘 12 CSN SPI 使能 SPI 使能 13 GND 地 接地 14 GND 地 接地 表 21 接口電路管腳說明 硬件電路設(shè)計 電源電路設(shè)計 電源是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，由于線性電源輸出端的紋波小，且在電磁干擾和電源純凈性方面都優(yōu)于開關(guān)電源 ，因此 本系統(tǒng)所需電源都采用線性電源。系統(tǒng)由 9V 充電電池供 電，通過三端集成穩(wěn)壓器 LM780 組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路提供系統(tǒng)所需的直流電源 +5V、 +，電源電路 [2326]如圖 23 所 示。 圖 23 系統(tǒng)電源電路圖 9V 電池經(jīng)過三端穩(wěn)壓器 LM7805 輸出 +5V 電壓， +5V 電壓給單片機 STC89SC5溫度傳感器、 LCD160蜂鳴器、繼電器等供電； LM7805 的輸出電壓 +5V 經(jīng)三端穩(wěn)壓芯片 獲得 電壓，為 NRF905 射頻模塊 提供工作電壓； 根據(jù)電源設(shè)計規(guī)則以及實驗條件，在進行本系統(tǒng)電源設(shè)計時，三 端穩(wěn)壓器 LM780 的輸入、輸出端采用 47181。F/16V 電解電容和 104(容值： )獨石電容搭配使用；其中耐壓 16V、容值 47181。F 的電解電容用來支撐輸出電壓， 104 獨石電容用來旁路高頻干擾；在 PCB 布線時輸入、輸出端的電容盡量靠近穩(wěn)壓模塊。 溫度采集電路 溫度采集電路 [27,28]如圖 24 所示。 DS18B20 的數(shù)據(jù)輸入輸出腳 (DQ)與單片機STC89C52 的 口相連，進行數(shù)據(jù)和時鐘的傳輸。單總線通常要求外接一個大約 的上拉電阻，這樣，當總線閑置時 ，其狀態(tài)為高電平。 圖 24 溫度采集電路 射頻模塊 nRF905外圍電路 射頻模塊 nRF905 外圍電路 如圖 25 所示， nRF905 的 第 1 引腳 VCC 接 的 工作電壓， nRF905 的工作模式由 TRX_CE、 TX_EN 和 PWR_UP 三個引腳決定 ， nRF905 使用 SPI (Serial Peripheral Interface) 串行外設(shè)接口 與微 處理器之間進行 通信 。 圖 25 無線射頻 電路 本章小結(jié) 本章 以溫室溫度為控制對象，研究了基于 無線射頻 模塊 nRF905 的溫室溫度 測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括系統(tǒng)各個部分的設(shè)計思想、電路原理 圖 以及 核心 芯片的主要技術(shù)參數(shù)、特點等；為了實現(xiàn)系統(tǒng)的低成本和低功耗，在滿足設(shè)計要求的前提下，盡可能使用了芯片內(nèi)部功能和選擇價格低廉、低功耗的元器件 ,達到了基本的設(shè)計要求。 第三章 基于 nRF905 的溫室溫度測控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) 在測控系統(tǒng)設(shè)計中，軟件的設(shè)計在很大程度上決定了測控系統(tǒng)的性能。溫度采集點和控制端的程序設(shè)計是在 Keil 181。Vision2 開發(fā)環(huán)境下，采用 C 語言編寫。 基于 nRF905 的溫室溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 主要 包括： 溫度信號采集模塊、 無 線傳輸模塊 的程序設(shè)計 。 溫度采集模塊程序設(shè)計 由于 DS18B20 采用的是單總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而單片機 STC89C52 在硬件上不支持單總線協(xié)議，需要采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。因此， DS18B20 測溫軟件的編寫，需要嚴格遵循單總線協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。 DSl8B20 工作過程中的協(xié)議如下： 初始化； ROM 操作命令；存儲器操作命令；處理數(shù)據(jù)。 每一次訪問 DS18B20 時必須遵循這一順序，如果其中的任何一步缺少或順序混亂，DS18B20 將不會響應(yīng)。 單總線上的所有處理均從初始化序列開始。 操作命令 [2729] 一旦總線主機檢測到從器件的存在，即可根據(jù)具體情況發(fā)出器件相應(yīng)的 ROM 操作命令，所有 ROM 操作命令均為 8 位二進制數(shù)。 (1)Read ROM(讀 ROM)[33H]：允許總線主機讀 DS18B20 的 8 位產(chǎn)品系列編碼 、 唯一的 48 位序列號 、 8 位的 CRC。 (2)Match ROM(匹配 ROM)[55H]：允許總線主機對多點總線上待定的 DS18B20 尋址。 (3)Skip ROM(跳過 ROM)[CCH]：在單點 總線系統(tǒng)中，該命令通過允許主機不提供64 位 ROM 編碼而直接訪問存儲器操作來節(jié)省時間。 (4)Search ROM(搜索 ROM)[F0H]：允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從器件的 64 位編碼。 (5)Alarm Search(告警搜索 )[ECH]：僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下，DS18B20 才對此命令作出響應(yīng)。告警的條件定義為溫度高于 TH 或低于 TL。 DS18B20 一上電，告警條件就保持在設(shè)置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變 TH 或TL 的設(shè)置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內(nèi)，存儲在 E2PROM 內(nèi)的觸發(fā)器值用于警 告 。 (1)Write Scratchpad(寫暫存存儲器 )[4EH]：向 DS18B20 的暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開始位置在地址 2，接下來寫入的兩個字節(jié)將存在暫存器中的地址位置 2 和 3，可以在任何時刻發(fā)出復(fù)位命令來終止寫入。 (2)Read Scratchpad(讀暫存存儲器 )[BEH]：讀取暫存器的內(nèi)容，讀取數(shù)據(jù)將從字節(jié) 0開始，字節(jié) 8(CRC)結(jié)束，可以在任何時間發(fā)出復(fù)位命令中止讀取。 (3)Copy Scratchpad(復(fù)制暫存存儲器 )[48H]：將暫存器的 內(nèi)容復(fù)制到 DS18B20 的E2PROM 存儲器里，即把溫度報警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲器里。 (4)Convert Temperature(溫度變換 )[44H]：啟動一次溫度轉(zhuǎn)換而無需 其它 數(shù)據(jù)。溫度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行， DS18B20 保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條指令之后發(fā)出讀時間隙，而 DS18B20 忙于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， DS18B20 輸出 “0”；溫度轉(zhuǎn)換完成，輸出 “1”。 如果使用寄生電源，總線控制器必須在這條命令發(fā)出后立即啟動強上拉并保持 500ms。 (5)Recall E2PROM(重新調(diào)出 )[B8H]：將存儲 在 E2PROM 中溫度觸發(fā)器的值重新調(diào)至暫存存儲器。 (6)Read PowerSupply(讀電源 )[B4H]：對于在此指令發(fā)送至 DS18B20 之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據(jù)的時間隙，器件都會給出其電源方式的信號： “0”為寄生電源供電， “1”為外部電源供電。 當溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以 2 字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第 0 和第 1 字節(jié)，單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，低位在前，高位在后。 溫度數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖 31 所示； 溫度信號采集程序清單 見附錄 1。 無線傳輸模塊 的程序設(shè)計 nRF905 通過 SPI 與微控制器進行通信，只有在關(guān)機模式和待機模式下 nRF905 才能通過 SPI 接口進行通信， 因此微處理器 STC89C52 對 nRF905 進行讀寫操作前都應(yīng)該將 nRF905 置于待機模式。 nRF905發(fā)送流程程序設(shè)計 nRF905 設(shè)置為待機模式， MCU 準備好數(shù)據(jù)要發(fā)送到目的節(jié)點，通過 SPI 口將目的節(jié)點的地址信息和有效數(shù)據(jù)信息傳送到 nRF905 的發(fā)送寄存器中， MCU 設(shè)置 TRX_CE 和 TX_EN 為高來激活 nRF905 的發(fā)送模式。 nRF905 進入發(fā)送模式后，數(shù)據(jù)打包完成 (自動加字頭和 CRC 校驗碼 )，數(shù)據(jù)包發(fā)送 (自是 否 向 DS18B20 發(fā)送初始化脈沖 開始 向 DS18B20 發(fā)送跳過 ROM 命令(CCH) 向 DS18B20 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令(44H) 轉(zhuǎn)換結(jié)束？ 向 DS18B20 發(fā)送初始化脈沖 向 DS18B20 發(fā)送跳過 ROM 命令(CCH) 向 DS18B20 發(fā)送讀溫度暫存器命令 (BEH) 圖 31 溫度數(shù)據(jù)采集程序流程圖 讀取數(shù)據(jù) 動進行數(shù)據(jù)曼徹斯特編碼、 GFSK 調(diào)制、 100 kbps 速率發(fā)送 )，若 DR 信號置高則說明發(fā)送完成。 如果自動重發(fā)信號 (AUTO_RETRAN)被置高，則 nRF905 將不斷地重發(fā)數(shù)據(jù)，直到 TRX_CE 被置低為止。 當 TRX_CE 被置低時， nRF905 會立刻結(jié)束正在發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將自己置為 standby 模式 [22]。 發(fā)送完成后需要設(shè)置為待機模式，發(fā)送程序流程圖如圖 32 所示。 nRF905 發(fā)送程序清單見附 錄 2。 nRF905接收流程程序設(shè)計 當 TRX_CE 被置高，且 TX_EN 被置低時， NRF905 進入接收模式， 650 us 之后，nRF905 開始偵聽信道；若 nRF905 監(jiān)聽到所要接收的頻段的載波信號，則載波偵聽信號 CD 被置高；若接收到的數(shù)據(jù)包地址有效，則地址匹配信號 AM 被置高；若循環(huán)校驗碼 CRC 檢測正確，則 nNRF905 將去除數(shù)據(jù)包的字頭，地址和 CRC 各位，并將數(shù)據(jù)準備好信號 DR 置高。 MCU 將 TRX_CE 信號置低，進入 standby 模式，并通過 SPI 口以一定的速率將 開始