【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 串行通道 2 個(gè)外部中斷源 共 6 個(gè)中斷源 2 個(gè)讀寫中斷口線 3 級(jí)加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 7 溫度傳感器的選擇 本設(shè)計(jì)中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件 DS18B20，是在經(jīng)過多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因： 測(cè)溫范圍為 55℃ ～ +125℃ ，測(cè)溫精度為士 ℃ ；可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式 。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型大規(guī)模集成電路功能越來越強(qiáng)大，體積越來越小，而價(jià)格也越來越低。由于 DS18B20 是單總線器件，測(cè)溫時(shí)無需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。使測(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。由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡(jiǎn)化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來方便。同時(shí)因?yàn)?DS18B20 是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。 DS18B20 相對(duì)于其他溫度傳感器有以下幾方面特征。 獨(dú)特的單引線接口僅 需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊，每個(gè)期間有唯一的 64位的序列號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布式測(cè)溫應(yīng)用，無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電。供電范圍 到 ，測(cè)溫范圍為 55~+125℃ ，在 10~+85℃ 內(nèi)精度為 177。5 ℃ ，溫度計(jì)分辨率可以被使用者選擇為 9~12 位，最多在 750ms 內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)化為 12 位數(shù)字，用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置，報(bào)警命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度的器件。DS18B20 芯片封裝結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。 圖 23 DS18B20 的芯片封裝結(jié)構(gòu) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 8 濕度傳感器的選擇 HS1101 電容傳 感器，其工作原理是空氣中的水分子透過多孔金電極被感濕膜吸附，使得兩電極間的介電常數(shù)發(fā)生變化，環(huán)境濕度越大，感濕膜吸附的水分子就越多，使?jié)穸葌鞲衅鞯碾娙萘吭黾拥迷蕉啵鶕?jù)電容量的變化可測(cè)得空氣的相對(duì)濕度。涉及如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)易于接受的信號(hào)，采用將 HS1101 置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被單片機(jī)所采集。 HS1101 電容傳感器有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn) [10]。 (1) 全互換性在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正 (2) 長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕 (3) 可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸 (4) 高可靠 性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性 (5) 專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu) (6) 可用于線性電壓或頻率輸出回路 (7) 快速反應(yīng)時(shí)間 相對(duì)濕度在 0%～ 100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 162pF 變到 200pF，其誤差不大于 2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5s；溫度系統(tǒng)為 ℃ 。可見其精度是較高的。其濕度電容響應(yīng)曲線如圖 24 所示 ， 濕度傳感器的產(chǎn)品圖片如圖25 所示， HS1101 濕度傳感器常用參數(shù)如表 22 所示。 20 40 60 80 相對(duì)濕度 %RH 圖 24 HS1101 濕度 —電容響應(yīng)曲線 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 9 圖 25 HS1101 產(chǎn)品實(shí)物圖 表 22 HS1101 常用參數(shù) 參數(shù) 符號(hào) 參數(shù)值 單位 工作溫度 Ta 40～ 100 ℃ 儲(chǔ)存溫度 Tstg 40～ 125 ℃ 供電電壓 Vs 10 Vac 濕度范圍 RH 0～ 100 %RH 焊接時(shí)間 @=260 T 10 S NRF24L01無線收發(fā)模塊 NRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ,工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊 ,并融合了增強(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。 NRF24L01 功耗低 ， 在以 6 dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有 9 mA； 接收時(shí)，工作電流只有 mA，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。 實(shí)物圖如 圖 26 所示。 NRF24L01 主要特性如下 [11]： (1) GFSK 調(diào)制 (2) 硬件集成 OSI 鏈路層 (3) 具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能 (4) 片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和 CRC 校驗(yàn)碼 (5) 數(shù)據(jù)傳輸率為 l Mb/s 或 2Mb/s (6) SPI 速率為 0 Mb/s～ 10 Mb/s (7) 125 個(gè)頻道 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 10 (8) 與其他 nRF24 系列射頻器件相兼容 (9) QFN20 引腳 4 mm4 mm 封裝 (10) 供電電壓為 V～ V 通過配置寄存器可將 NRF241L01 配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表 23 所示。 表 23 NRF24L01 四種工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 寄存器狀態(tài) 接收模式 1 1 1 發(fā)射模式 1 0 1 數(shù)據(jù)在 TX FIFO 寄存器中 發(fā)射模式 1 0 1→0 停在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機(jī)模式 2 1 0 1 TX FIFO 為空 待機(jī)模式 1 1 0 無數(shù)據(jù)傳輸 掉電 0 本章小結(jié) 本章首先是介紹了總體方案的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)的組成框圖，系統(tǒng)的組成框圖中明確的注明了系統(tǒng)各部分使用的傳感器和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的模塊。針對(duì)系統(tǒng)方案的整體構(gòu)思選擇 51 單片機(jī) 作為微處理器， DS18B20 溫度傳感器為溫度采集的感溫元件，濕度采集則使用 HS1101 濕度傳感器， 并對(duì)傳感器進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，也對(duì)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 NRF24L01 芯片進(jìn)行了介紹和說明。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 11 第 3章 硬件電路的設(shè)計(jì) 微處理器 單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。目前，可用于 51 系列單片機(jī)開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以 AT89S52 單片機(jī)為 基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便地運(yùn)用于測(cè)試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 STC89C52 的引腳具體介紹 STC89C52 系列單片機(jī)是新一代高速 ∕低功耗 ∕超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)。 STC89C52 單片機(jī)的外形結(jié)構(gòu)為 40 引腳雙列直插式封裝，其外部管腳如圖 31 所示 ， STC89C52 外部管腳如圖 31所示。 圖 31 STC89C51 外部引腳圖 STC89C52 的引腳含義具體介紹如下： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 12 1. 主電源引腳（ 2 根） VCC(Pin40)：電源輸入，接＋ 5V 電源 GND(Pin20)：接地線 2. 外接晶振引腳（ 2 根） XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 3. 控制引腳（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào) PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 4. 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） STC89C51 單片機(jī)有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P PP3 口，每個(gè)口有 8 位（ 8 根引腳），共 32 根。 PO 口（ Pin39～ Pin32）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P1 口（ Pin1～ Pin8）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P2 口（ Pin21～ Pin28）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P3 口（ Pin10～ Pin17）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 晶振電路 MCS51 單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器， 引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，例如復(fù)位后 PC=0000H，使單片機(jī)從第一個(gè)單元取指令。 MCS51 系列單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 上只要出現(xiàn) 10ms 以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)復(fù)位。硬件電路如圖 32 所示。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 13 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) 溫度采集電路設(shè)計(jì) DS18B20 的測(cè)溫原理如圖 34 所示。低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù) 器 2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將 55℃ 所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)溫度寄存器的值將加 1，減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器 1 重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循 環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度 [12]。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，提高測(cè)量準(zhǔn)確制度。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值。 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖33 所示： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 14 圖 33 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 34 溫度測(cè)量原理電路 DS18B20 主要由 4 部分組成： 64 位 ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 有 4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： 光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（ 28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20 的目的。 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn) 制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位。 表 31 為不同溫度對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)。 斜率累加器 預(yù)置 減法計(jì)數(shù)器 減至 0 減法計(jì)數(shù)器 高溫度系數(shù) 振蕩器 低溫度系數(shù)振蕩器 溫度寄存器 減至 0 預(yù)置 計(jì)數(shù)比較器 哈爾濱理工大學(xué)學(xué) 士學(xué)位論文 15 表 31 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表 溫度 DIGITAL OUTPUT (Binary) DIGITAL OUTPUT (Hex) +125℃ 0000 0111 1101 0000 07D0h +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550h +℃ 0000 0001 1001 0001 0191h + 0000 0000 1010 0010 00A2h +℃ 0000 0000 0000 1000 0008h 0℃ 0000 0000 0000 0000 0000h ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8h ℃ 1111 1111 0101 1110 FF5Eh ℃ 1111 1110 0110 1111 FF6Eh 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90h DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器： DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM和 一個(gè)非易失性的可電擦除的 EEPRAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 配置寄存器：該字節(jié)各位的意義如表 32所示。 表 32 配置寄存器結(jié)構(gòu) TM R1 R0 1 1 1 1 1