【正文】 沈 陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 初 始 化 D S 1 8 B 2 0返 回n R F 4 0 1 置 R X ？無(wú) 線 接 收 子 程 序測(cè) 溫 度 ？ 溫 度 控 制 ？D S 1 8 B 2 0 測(cè) 溫 子 程 序無(wú) 線 發(fā) 射 子 程 序溫 度 控 制 子 程 序N oY e sY e sY e sN oN o 圖 42 下位機(jī)流程圖 收發(fā)控制子程序 發(fā)送控制子程序 其主要完成單片機(jī)對(duì)單片機(jī)發(fā)送信號(hào)的接收工作 ， 以確?？刂葡到y(tǒng)能夠遠(yuǎn)距離無(wú)線控制。下位機(jī)然后向 DS18B20 發(fā)初始化脈沖。沒(méi)有中斷的時(shí)候，上位機(jī)子系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到有中斷需要響應(yīng)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，向下位機(jī)發(fā)送溫度測(cè)試指令，等下位機(jī)接收到完整數(shù)據(jù)后，將上位機(jī)置接收方式，準(zhǔn)備接收測(cè)得的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)接收完下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)中斷指令進(jìn)行顯示，并保持狀態(tài)，直到響應(yīng)新的中斷為止。同時(shí) ， MCS51 具有豐富、完整的操作指令 ， 可以使用戶編程過(guò)程中方便、快速的完成程序的編寫 ， 提高用戶編程的效率。由于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件程序語(yǔ)句較少、規(guī)模也比較小 ， 所以本次設(shè)計(jì)語(yǔ)言不使用高級(jí)語(yǔ)言 ， 選用單片機(jī)匯編語(yǔ)言。而匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言是我們用來(lái)編寫程序的 ， 在我們編寫程序完成后 ， 必須將編寫的程序語(yǔ)言編譯后翻譯為機(jī)器語(yǔ)言燒進(jìn)微控制器 ， 微控制器才能識(shí)別、執(zhí)行。因此 ， 現(xiàn)在的我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該充分享受微控制器為我們帶來(lái)的方便。 沈 陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體思路 在如今微控制器越來(lái)越功能強(qiáng)大的今天 ， 一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)不但需要設(shè)計(jì)完善的硬件電路 ， 還需要設(shè)計(jì)合理的和可行的軟件程序。 +5Q?P N PR?1KR?10KL S ?S P E A K E RP 2 .4 圖 39 報(bào)警電路 收發(fā)電路設(shè)計(jì) X C 11V D D2V S S3F I L T 14V C O 15V C O 26V S S7V D D8D I N9D O U T R F10P W R11CS12X C 220V D D13V S S14A N T 215A N T 116V S S17P W R U P18T X E N19U2R F 4 01Y2R61MC722pC522pT X E NP E R _U PC910 0 pC 10C 11C810 0 pCSR722KT X DR X DL122nC610 0 0pV C CC4C3C156 0 pC20. 01 uR5 圖 310 收發(fā)電路 沈 陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 如圖 310 所示 ， 1 腳和 20 腳之間連接的是震蕩電路 ， 采用 4MHz 的晶震；9 腳是數(shù)據(jù)的輸入引腳 ， 10 腳是數(shù)據(jù)的輸出引腳 ， 11 腳可以通過(guò)選擇不同的R7 值調(diào)整發(fā)射功率 ， 當(dāng) R7＝ 22kΩ時(shí) ， 有最大發(fā)射功率＋ 10dBm； 15 腳和 16腳是環(huán)形天線的連接引腳； 18 腳可控制工作和待機(jī)模式； 19 腳可以控制發(fā)射和接收模式。 比例積分控 制電路總的傳遞函數(shù)等于各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之和 ， 即 (38) 在本系統(tǒng)的溫度控制環(huán)節(jié)我使用的是 用粗調(diào)的比例環(huán)節(jié)加上細(xì)調(diào)的積分環(huán)節(jié)進(jìn)行組合控制 ， 由于溫度控制相對(duì)是變化緩慢的 ， 因此沒(méi)有加入微分調(diào)節(jié)。電路由比例、積分電路組合而成 ， 見圖 38。 由于系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槟撤N原因使得溫度急劇變化使系統(tǒng)快速反應(yīng) ， 因此本系統(tǒng)只需要比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)就可以完成溫度變化的控制 。及早地加入修正信號(hào) ， 使得系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)。使系統(tǒng)能夠快速的響應(yīng)。 ????????????? ? dt tdeTdtteTteKtu Dp )()(1)()( 101)11()( )()( 1 sTsTKsE sUsG Dp ????+Vdd14O U T 11l s b D B 011D B 110O U T 22D B 29D B 38D B 47D B 56R f b16D B 65m s b D B 74CS12V r e f15WR13U1A D 7 5 2 4+ 1 2R2R E S 4 1 012348U 2 AA D 8 0 7 2R1R E S 4D0D1D2D3D4D5D6D7CSWR12J1沈 陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 （ 2）積分控制作用的特點(diǎn) 是累計(jì)對(duì)系統(tǒng)輸入的變化量進(jìn)行調(diào)節(jié)。其控制規(guī)律為 (32) 寫成傳遞函數(shù)形式 (33) 式中 K—— 比例系數(shù)； TI—— 積分時(shí)間常數(shù)； TD—— 微分時(shí)間常數(shù) [14]； PID 控制系統(tǒng)中各分量的作用特點(diǎn)如下： （ 1）比例控制作用的特點(diǎn) 是當(dāng)系統(tǒng)存在輸入量時(shí) ， 就會(huì)產(chǎn)生作用 ， 開始根據(jù)比例系數(shù) Kp 放大或者減小輸入量。 由式 (31)可以看出 ， I 與 Utw 呈線性關(guān)系 ， 實(shí)現(xiàn)了通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)來(lái) 改變 TEC 電流大小的功能。 整個(gè)電路采用的是對(duì)稱的結(jié)構(gòu) ， U3A 和 U3B 分別接成同相放大器和反向放大器 ， 放大倍數(shù)均為 β； Q1~Q4 選用相同參數(shù)的場(chǎng)效應(yīng) 管 ， 跨導(dǎo)為 gm；電阻 R1~R6 的阻值均為 R； ZD ZD2 為穩(wěn)壓管 ， 其穩(wěn)壓值為 Uz， 正向?qū)〞r(shí)壓降為 UD。為此我是用 BTL 電路作為 TEC 的驅(qū)動(dòng)電路 [26]。如圖 35 當(dāng)輸入電壓 0 時(shí)管 Q Q4 導(dǎo)通似的負(fù)載 TEC 上獲得正半周電壓 ， 當(dāng)輸入端為負(fù)電壓時(shí) ， 管 Q Q3 導(dǎo)通 ， 使得負(fù)載 TEC 上獲得負(fù)半周電壓。 顯示電路 在選擇顯示電路時(shí)考慮選用利用 74l47 驅(qū)動(dòng) 3 個(gè)共陽(yáng)極數(shù)碼管 ， 掃描方式為動(dòng)態(tài)掃描 ， 這樣節(jié)省了單片機(jī) I/O 口資源的占用。 AT80C52 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器 ， 引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。其特點(diǎn)是 一個(gè)低電壓 ， 高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ， 具有 8KB 可反復(fù)擦寫的 ROM， 及沈 陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 256BRAM。所以單片機(jī)完全能夠完成其功能。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在選擇 CPU 時(shí) ， 針對(duì)本系統(tǒng)只是對(duì)溫度的控制 ， 集成性不高 ， 可以采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的 CPU。因此它能使用價(jià)格相對(duì)便宜的 pcb 天線 ， 在市場(chǎng)上性價(jià)比非常高 nRF401 僅 10 個(gè)左右 外圍元件。 引腳連接 晶振電路 為使單片機(jī)能夠高效的工作 ， 加上的晶振振蕩器電路 ， 其中晶振是 12MHZ，并聯(lián)電容是 47uf。其測(cè)量范圍在 － 55℃ ～ +125℃之間 ， 測(cè)量精度在 － 10℃ ～ +85℃內(nèi)精度是 ℃ ， 并且其能夠并聯(lián) 8 個(gè) ， 能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。 其中半導(dǎo)體制冷制熱是利用特種半導(dǎo)體材料通過(guò)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 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。因按鍵很少 ， 所以采用獨(dú)立式鍵盤。 數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器 ， 它對(duì)電源沒(méi)有特殊要求 ， 受環(huán)境溫度的影響不大 ， 不怕陽(yáng)光的照射 ， 也沒(méi)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。 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(wú)線收發(fā)芯片的首選 [23]。 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)。 (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)。 無(wú)線收發(fā)芯片的選擇 無(wú)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。 （ 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(guò)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。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。測(cè)溫范圍為 40~+125℃ ， 其誤差范圍：在 25℃時(shí)優(yōu)于177。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。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)。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。 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。 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)。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。 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。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?？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(wú)線收發(fā)芯片。短距離無(wú)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(wú)線通信模塊。 紅外線傳輸是使用紅外線波段的電磁波來(lái)進(jìn)行較近距離的傳輸?？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。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。而且模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中 ， 容易受到電磁干擾而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。以控制溫度在合理的范圍內(nèi) ， 達(dá)到對(duì)溫度的控制目的。能夠在遠(yuǎn)距離控 制溫度。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單方便 ， 也充分利用了單片機(jī)的控制優(yōu)勢(shì)。另外 ， 智能溫度控制器正從單通道向多通道的方向發(fā)展 ， 這就為研制和開發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件 [15,16]。為了提高多通道智能 溫控器 的轉(zhuǎn)換速率 ， 也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 [11]。 （ 1） ．提高溫度控制器測(cè)溫精度和分 辨力 在 20 世紀(jì) 90 年代中期最早推出的智能溫度控制器 ， 采用的是 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ， 其測(cè)溫精度較低 ， 分辨力只能達(dá)到 2176。至此這種基于此頻段的通信方式已日漸趨向成熟 [10]。 nRF401 模塊是一款新型單沈 陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 片射頻收發(fā)器件 ， 工作于 GHz～ GHz ISM 頻段 [8,9]。 在 非授權(quán)頻段上 ， 目前已經(jīng)云集了藍(lán)牙、 WiFi、 Zigbee 等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線協(xié)議。所以如果我們能夠很好地了解無(wú)線通信的基本原則以及這些技術(shù)的特點(diǎn) ， 就能更好地理解并完成傳感數(shù)據(jù)的無(wú)線采集。 隨著移動(dòng)通信需求和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集量的增加 ， 加之有線傳輸?shù)馁M(fèi)用日益增長(zhǎng) ， 人們正逐漸認(rèn)識(shí)到在許多檢測(cè)領(lǐng)域采用無(wú)線傳輸?shù)谋匾?[4,5]。當(dāng)溫度下降到上限溫度以下時(shí) ，停止降溫。當(dāng)溫度下降到上限溫度以下時(shí) ， 停止降溫。所以 ， 溫度對(duì)于各行各業(yè)都非常重要。 溫度是科學(xué)研究中占有重要的地位 ， 物理、化學(xué)、生物等學(xué)科與溫度都息息相關(guān)。單片機(jī)利用檢測(cè)到的數(shù)字溫度信號(hào)與設(shè)定的溫度上、下限值進(jìn)行對(duì)比 ， 由對(duì)比結(jié)果輸出是否運(yùn)行 半導(dǎo)體制冷器 指令以控制設(shè)備。很多生產(chǎn)領(lǐng)域中都需大量的加熱設(shè)備來(lái)進(jìn)行生