【正文】 解決這些問題的最好方法就是編寫通信協(xié)議。下位機(jī)主程序流程框圖如圖 42 所示。接著循環(huán)查詢 nRF401 子系統(tǒng)是否置接收方式，直到有接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，執(zhí)行溫度的檢測(cè)或溫度的控制。下位機(jī)然后向 DS18B20 發(fā)初始化脈沖。 下位機(jī)主程序下位機(jī)主程序開始后首先進(jìn)行初始化設(shè)置。由鍵盤輸入溫度數(shù)據(jù)后，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送經(jīng) PID 算法得出的控制信號(hào)，下位機(jī)接受到完整數(shù)據(jù)后，控制半導(dǎo)體制冷器加熱或制冷，使溫度達(dá)到設(shè)定值。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，8051 單片機(jī)的初始化，設(shè)置串口通信參數(shù)，打開 CPU 中斷，打開串口中斷，設(shè)置定時(shí)器 T0 中斷。下位機(jī)的系統(tǒng)初始化主要包括 8051 單片機(jī)中寄存器、存儲(chǔ)單元的配置、nRF401 子系統(tǒng)初始化、DS18B20 的初始化。 主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)定以及判斷調(diào)用各T1TRANS41234D1BRIDGE1C3CAPC4CAP123J1Vout 3GND2Vin1U27912T2TRANS1C1ELECTRO1C2ELECTRO1C7ELECTRO11234D2BRIDGE1Vin1GND2Vout 3U17812Vin1GND2Vout 3U2780512J2C5CAPC6CAPC8CAP C9CAP第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)33模塊程序，即主要實(shí)現(xiàn)各程序模塊的連接。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)溫度測(cè)量系統(tǒng)的功能是在程序控制下實(shí)現(xiàn)的。然后介紹的是鍵盤顯示電路。DzmtwTECmURgURgI ???2β）（第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)32圖 315 電源電路原理圖 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件電路的工作原理和實(shí)施方案。通過變壓器變壓，橋式整流，電容的濾波作用，穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓作用，可輸出穩(wěn)定電壓。由式()可以看出，I 與 U tw呈線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)輸入信號(hào)來改變 TEC 電流大小的功能。實(shí)現(xiàn)了對(duì)通過 TEC 電流方向的控制。圖 314 半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)電路原理圖整個(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；ZDZD2 為穩(wěn)壓管，其穩(wěn)壓值為 Uz，正向?qū)〞r(shí)壓降為 UD。在 BTL 功放電路前面加上一個(gè)由同相放大器和反相放大器并聯(lián)組成的電壓轉(zhuǎn)換電路就可以方便的實(shí)現(xiàn)上述要求。BTL 和 OCL、OTL 相比電路的理想轉(zhuǎn)換效率不變，仍為 %，但是電源利用率卻提高了 4 倍，即在使用較低電源電壓供電情況下，使負(fù)載獲得較大功率。OCL 和 OTL 兩種功放電路的效率很高，但是他們的缺點(diǎn)就是電源的利用率都不高，其主要原因是在一個(gè)周期內(nèi)每只三集管只工作半個(gè)周期，使電源也只能在半個(gè)周期內(nèi)供電，從而造成能量的閑置。這就需要功率放大電路。通過比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的高精度穩(wěn)恒控制。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)我們可以將溫控系統(tǒng)的比例積分控制器看作是具有粗調(diào)的比例作用與微調(diào)的積分作用的組合。圖 313 比例積分電路圖比例運(yùn)算電路由電阻 R1，R2 和運(yùn)算放大器組成，理想情況下，輸入輸出關(guān)系可由下式表示：（34）INOUTR12??12J1 R1RES2R4RES2R2RES2R3RES212348 U1AAD807256 784U1BAD8072C1CAP ∑ 12J2第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)29其傳遞函數(shù)關(guān)系為（35）實(shí)際電路中，R 1 時(shí)由一個(gè)固定電阻和可調(diào)電阻組成的，可以實(shí)現(xiàn) KP從2~67 之間連續(xù)可調(diào)。電路由比例、積分電路組合而成，見圖 313。比例控制的實(shí)現(xiàn)由兩種方法，一種是串聯(lián)負(fù)反饋法，一種是并聯(lián)負(fù)反饋法。由溫度是相對(duì)變化較緩慢的物理量，因此只采用比例積分控制環(huán)節(jié)。通過調(diào)整比例和積分控制參數(shù)同樣能夠達(dá)到好的控制效果。?????????dteTtetKtuDp )()(1)()(0)1()(sTKsEUGDp??第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)28（3）微分作用的特點(diǎn) 通過對(duì)誤差進(jìn)行微分，能感覺出誤差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小，缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并且能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。（2）積分控制作用的特點(diǎn) 能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。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)。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器、被控對(duì)象、反饋組成。 比例積分電路比例積分微分控制(ProportionalIntegralDifferential Control)是模擬控制系統(tǒng)中比較常見的控制。圖 310 數(shù)碼管顯示電路圖1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 10Jun2022 Sheet of File: F:\\.Ddb Drawn By:1 2U3A74073 4U3B74075 6U3C74079 8U3D7407a bfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS1DPY_7SEGa bfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS2DPY_7SEGa bfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS3DPY_7SEGa bfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS4DPY_7SEGabcdefgabcdefgabcdefgabcdefgled1led2led3led4a bfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS5DPY_7SEGabcdefg11 10U3E7407led5第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)26 溫度控制部分電路設(shè)計(jì) D/A 轉(zhuǎn)換電路D/A 轉(zhuǎn)換電路的作用是將設(shè)定的溫度值轉(zhuǎn)換成模擬電壓。本文的 5 個(gè)數(shù)碼管均采用動(dòng)態(tài)顯示方式，顯示當(dāng)前的溫度、要達(dá)到的溫度和當(dāng)前的狀態(tài)。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點(diǎn)亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時(shí)間。每只數(shù)碼管的共陰極則與另一 I/O 口相連，控制被點(diǎn)亮的位。選擇動(dòng)態(tài)顯示方式，可以使耗電量更小。動(dòng)態(tài)顯示方式的每位數(shù)碼管都需要一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器，因此，其硬件電路比較復(fù)雜。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時(shí)，只要從對(duì)應(yīng)的 I/O 口輸出并鎖存其顯示代碼即第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)25可。數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。例如：當(dāng) I/O 口控制芯片輸出的代碼是 00111111 時(shí)，數(shù)碼管顯示的字符為 0。每個(gè)二極管就是一個(gè)筆劃，若干個(gè)二極管發(fā)光時(shí)，就構(gòu)成了一個(gè)顯示字符。本文用到的 4 個(gè)數(shù)碼管均是共陰極的。數(shù)碼管是由 8 個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示器件。 口表示取消鍵。 口表示數(shù)字“+“鍵，按一下溫度數(shù)值加 1。電路如圖 39。則說明閉合鍵已穩(wěn)定。本文在軟件中采用了相應(yīng)的軟件程序來消除抖動(dòng)。抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間的常長(zhǎng)短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般在 510ms 之間。按鍵閉合過程在相應(yīng)的I/O 端口形成一個(gè)負(fù)脈沖。因 8051 單片機(jī)技術(shù)比較成熟，價(jià)格比較低，且本次設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)的性能要求比較低，所以選擇 8051 單片機(jī)。 P25 8051 P26 P27 RXD TXDTXENPWR_UPCS nRF401DOUTDINXC11 VDD2VSS3 FILT14VCO15 VCO26VSS7 VDD8DIN9 DOUT10XC2 20TXEN 19PWR_UP 18VSS 17ANT1 16ANT2 15VSS 14VDD 13CS 12RF_PWR 11U3nRF401Y2R61MC522pF C722pF C1560pFC9100pFC8100pFR818KR722KC61000pF TXDRXD CS1TXENPWR_UPVCC第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)23圖 38 發(fā)送和接收電路框圖在圖 38 中可以看出，微控制器的 I/O 口 控制 nRF401 的片選端，口控制 nRF401 的 TXEN 端，即發(fā)送/接收控制端，實(shí)現(xiàn)半雙工通信功能；口控制 nRF401 的 POWER_UP 端，實(shí)現(xiàn)待機(jī)和上電的控制，達(dá)到節(jié)能目的。圖 37 nRF401 典型應(yīng)用電路在無線溫度控制系統(tǒng)中，nRF401 主要完成對(duì)溫度數(shù)據(jù)和命令參數(shù)的無線傳輸。 典型應(yīng)用電路說明我們使用的是 nRF401 快速開發(fā)開發(fā)套件，典型應(yīng)用電路如圖 37 所示。9 腳 DIN 輸入數(shù)字信號(hào)和 10 腳 DOUT 輸出數(shù)字信號(hào)均為標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平信第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)21號(hào)，需要發(fā)射的數(shù)字信號(hào)通過 DIN 輸入，解調(diào)出來的信號(hào)經(jīng)過 DOUT 輸出；12腳通道選擇：CS=“0”為通道（,MHz） ，CS=“1”為通道2（） ；18 腳電源開關(guān)；PWR—UP=“0”為待機(jī)模式；19 腳發(fā)射允許：TXEN=“1”為發(fā)射模式；TXEN=“0”為接收模式。接收電路中，低噪聲放大器放大輸入的射頻信號(hào)，接收靈敏度105dBm。要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過 DIN 端（第 9 腳）輸入。本機(jī)振蕩用鎖相環(huán)（PLL）方式，由在 DDS 基礎(chǔ)上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器，鎖相環(huán)（PLL） ，壓控振蕩器（VCO） ，頻率合成器等電路。nRF401 具有兩個(gè)信號(hào)通道，適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；可直接與微控制器接口；低工作電壓（—） ，功耗低，發(fā)射時(shí)電源電流 8mA，接收時(shí)電源電流 250μA，接收待機(jī)狀態(tài)僅為 8μA；僅需外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，即可構(gòu)成一個(gè)完整的射頻收發(fā)器，電路模塊尺寸為 30*22*6mm3。比較而言，寄生電源方式少用一根導(dǎo)線，但它完成溫度測(cè)量所需的時(shí)間較長(zhǎng)，而外部電源方式測(cè)量速度則要快些。當(dāng)使用數(shù)據(jù)總低溫度系數(shù)振蕩器 高溫度系數(shù)振蕩器停止+1預(yù)置計(jì)數(shù)器溫度寄存器=0計(jì)數(shù)器 =0斜率累加器預(yù)置比較器第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)20線寄生供電時(shí)，供電端必須接地，同時(shí)總線口在空閑的時(shí)候必須保持高電平，以便對(duì)傳感器充電。為了保證在有效的時(shí)鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，這種情況下，用一個(gè) MOSFET 管和單片機(jī)的一個(gè) I/O 口來完成對(duì) DS18B20 總線的上拉。DS18B20 只有三根外引線：?jiǎn)尉€數(shù)據(jù)傳輸端口 DQ、共用地線 GND、外供電源線 VDD。溫度值由主機(jī)通過發(fā)讀存儲(chǔ)器命令讀出，經(jīng)過取補(bǔ)和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到實(shí)測(cè)的溫度值。這時(shí)溫度寄存器中的值就是被測(cè)的溫度值。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開通周期而被計(jì)數(shù)，通過該計(jì)第三章 電路的硬件設(shè)計(jì)19數(shù)值來測(cè)量溫度。2. DS18B20 的測(cè)溫原理DS18B20 的溫度傳感器是通過溫度對(duì)振蕩器的頻率影響來測(cè)量溫度，如圖 34 所示。DS18B20 的測(cè)溫范圍為55~+125℃，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16 位二進(jìn)制方式單線輸出, 轉(zhuǎn)換的位數(shù)可通過寫配置寄存器（字節(jié) 4）設(shè)定, 其格式如下：Bit7 Bit00 R1 R0 1 1 1 1 1RR 0 的設(shè)定值與位數(shù)、分辯率和最大轉(zhuǎn)換時(shí)間的關(guān)系如表 31 所示，可見位數(shù)每減少一位，分辯率同比減少而轉(zhuǎn)換時(shí)間則加快一倍, 器件上電時(shí)默認(rèn)分辯率為 12 位。不過溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)越大，轉(zhuǎn)換時(shí)間也越長(zhǎng)。格式如下：Bit0 Bit7LSByts 23 22 21 20 21 22 23 24Bit8 Bit15MSByts S S S S S 26 25 24如果測(cè)量的溫度值高于溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 或低于 TL 中的值，則GND存儲(chǔ)器和控制邏輯溫度傳感器高溫度觸發(fā)器 TH低溫度觸發(fā)器 TL64 位ROM和單線接口VDDVDDDQ