【正文】 為它是數(shù)字輸出，而且只占用一個(gè) I/O 端口，所以它特別適合于微處理器控制的各種溫度測(cè)控系統(tǒng)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時(shí)需要的 A/D 轉(zhuǎn)換和較復(fù)雜的外圍電路?！?： ⑥ 溫度轉(zhuǎn)換精度 912 位可編程，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以 16 位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出。 DS18B20 是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。為了區(qū)分這些芯片，廠家在 生產(chǎn)芯片時(shí)，為每個(gè)芯片編制了惟一的序列號(hào)，通過尋址就能把芯片識(shí)別出來。 圖 31 系 統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 溫度采集部分電路設(shè)計(jì) 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 由于 STC89C51 接口較少，故選用 一只 DS18B20 型單線數(shù)字式集成溫度傳感器組成溫度采集網(wǎng)絡(luò) 。 系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，其中接收模塊由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、顯示模塊和控制模塊組成，發(fā)射模塊由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、溫度采集模塊和控制模塊組成。 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)方案的總體構(gòu)想，然后又介紹了系 統(tǒng)方案的確定，最后介紹了器件的選用，確定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。液晶顯示器相比于數(shù)碼管顯示器具有很多優(yōu)勢(shì)，最明顯的是低功耗，消耗電流一般是 pA 級(jí)的。 顯示模塊的選擇 顯示單元是人機(jī)交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè)備，通常的顯示器件有液晶顯示器（ LCD）和數(shù)碼管顯示器（ LED）。 ④ 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。 nRF401 的外圍元件很少，僅 10 個(gè)左右。 ③ 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)。 ② nRF24E1 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機(jī)內(nèi)核的高速單片無線收發(fā)芯片 [15]。它具有低電壓（ ~），極低的功耗，可編程輸出功率（ 20~10dBm），高靈敏度（一般 109dBm），小尺寸（ TSSOP28 封裝），集成了位同步器等特點(diǎn)。 常用的無線收發(fā)芯片主要有： ① CC1000 是根據(jù) Chipcon 公司的 SmartRF 技術(shù)，在 CMOS 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。 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。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剩话銉H能達(dá)到標(biāo)稱速率的 1/3，而采 用串口傳輸?shù)男酒瑧?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。 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。 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。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。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。5 ℃ 。3 ℃ , 在 85℃ 時(shí)優(yōu)于 177。 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。 LM74 具有休眠模式，在休眠時(shí)消耗的電流不超過 10μA,適用于對(duì)功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。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)。 AD7418 可以級(jí)聯(lián)至多 8 片在同一個(gè) I2C 總線上。2 ℃ ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 15~30ms。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。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，杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 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。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 。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)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)正在被各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。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)。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）。 [13]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。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)。 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)。 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。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。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。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。 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。 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)。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。 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。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?。它的信?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。 采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。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。被測(cè)信號(hào)從敏感元件接收的非電物理量開始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號(hào)之間，設(shè)計(jì)者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)測(cè)試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn)品的可靠性及小型化。 系統(tǒng)方案的確定 傳感器方案 傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測(cè)量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測(cè)量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)的功能往往決定了系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量、存儲(chǔ)、顯示等功能，因此，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)想為溫度采集模塊、短距 離無線通信模塊、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊等幾大部分。因此，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案應(yīng)在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)，器件的選用要著眼于合適的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的成本以及較好的互換性能。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，功能齊全，是單片機(jī)智能化的一種應(yīng)用 。 [12]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。 [10] 微功率短距離無線通信技術(shù) [19] 近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都可以集成到一塊芯片內(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)定且不受外界影響。更多新的 WiFi 標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中。 具有有線等價(jià)保密機(jī)制 WEP(Wired EquivalentPrivacy)確保數(shù)據(jù)安全。 （ WiFi） [19] 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是無線局域網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使用 的 ISM 頻段，采用直接序列擴(kuò)頻 DSSS 技術(shù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了傳輸速度。藍(lán)牙技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，主要具有以下特點(diǎn) :規(guī)范的開放性、產(chǎn)品的互操作性及兼容性、公用通信頻段以及提供大容量的語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。 藍(lán)牙技術(shù)（ Bluetooth） [19] 藍(lán)牙技術(shù)使用全球統(tǒng)一開放的 的 ISM 頻段，采用跳頻擴(kuò)頻 FHSS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無線互連，有穿透能力，能夠全 方位傳送，主要面對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各種數(shù)據(jù)和語音設(shè)備，通過無線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng) (Pico)。因此廣泛應(yīng)用于各種遙控器，筆記本電腦，PDA，移動(dòng)電話等移動(dòng)設(shè)備。 紅外通信技術(shù)（ IrDA） [19] 紅外通信技術(shù) IrDA(InfraRed Data Association)采用人眼看不到的紅外線傳輸信息，是使用最廣泛的短距離無線通信技術(shù)。二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)，如 WLAN、 Bluetooth、IrDA、 HomeRF、微功率短距離無線通信技術(shù)等。所以如果我們能夠很好地了解無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)的無線采集。以上諸多方面的發(fā)展使移動(dòng)通信設(shè)備更加靈巧、經(jīng)濟(jì)、可靠。 短距離無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 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)域采用無線傳輸?shù)谋匾浴? 測(cè)量和顯示的控制。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。早期常用的 一些溫度控制系統(tǒng)都使用模擬電路設(shè)計(jì)制作的，有些使用熱敏電阻，有些使用鉑電阻，有些使用熱電偶，還有些使用 PN 結(jié)，其準(zhǔn)確性和精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品，這種產(chǎn)品功能強(qiáng)，是前者的換代之物。目前使用的 MCS51 系列單片機(jī)及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強(qiáng)型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器型。 MCS51 系列及 80C51 單片機(jī)有多種品種。這些兼容機(jī)與 8051 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用 CMOS 工藝，因而，常用 80C51 系列來稱呼所有具有 8051 指令系統(tǒng)的單片機(jī)，它們對(duì) 8051 單片機(jī)一般 都作了一些擴(kuò)充，更有特點(diǎn)。 20 世紀(jì) 80 年代中期以后， Intel 公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把 8051 內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如 ATMEL、 PHILIPS、 ANALOG、 DEVICES、 DALLAS等。 本文討論的單片機(jī)無線溫度控制系統(tǒng)的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的 51 系列單片機(jī)，配置了外圍設(shè)備，構(gòu)成了一個(gè)可編程的溫度測(cè)量和顯示系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功 能強(qiáng)等特點(diǎn)。另一種是將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，稱為哈佛（ Harvard）結(jié)構(gòu)，一般 需要較大的程序存儲(chǔ)器，目前的單片機(jī)以采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開的結(jié)構(gòu)為多。例如：位處理、查表、多種地址訪問方式、多種跳轉(zhuǎn)、乘除法運(yùn)算、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、中斷處理等，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。 按照內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，單片機(jī)可分為 4 位、 8 位、 16 位及 32 位等。由于單片機(jī)集成度高、功能強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎 “無處不在，無所不為 ”。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離溫度數(shù)據(jù)的計(jì)量采集，本人研究設(shè)計(jì)了一種結(jié)合嵌入式技術(shù)和無線傳感器技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng)，可以解決這方面的難題。目前，溫度傳感器已廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)林、冶金、化工、紡織、食品、家用電器、倉儲(chǔ)等許多領(lǐng)域。隨著科學(xué)