【正文】 051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(wú)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(kāi)，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(kāi)的結(jié)構(gòu)為多。例如：位處理、查表、多種地址訪問(wèn)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(wú)處不在，無(wú)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(wú)線傳感器技術(shù)的無(wú)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(cāng)儲(chǔ)等許多領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對(duì)環(huán)境提出了更高的要求：制造大規(guī)模集成電路需要極高的空氣潔凈度，生物化學(xué)制藥需要精確的溫度控制。第一章 引言 課題的研究目的和意義溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|非常多的一個(gè)物理量，人們的日常生活、動(dòng)植物的生存繁衍和周圍環(huán)境的溫度息息相關(guān)，石油、化工、冶金、紡織、機(jī)械制造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲(chǔ)等領(lǐng)域?qū)囟纫灿兄^高的要求。例如：煙葉和紙張是吸濕性極高的材料，卷煙生產(chǎn)的每一個(gè)階段對(duì)溫度都有非常特別的要求，以確保所使用材料的水分，保證生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量；印刷車間的溫度控制水平對(duì)印刷質(zhì)量有很大的影響；為防止庫(kù)存武器彈藥、金屬材料等物品霉?fàn)€、生銹，必須保持環(huán)境溫度不能過(guò)高；而水果、種子、肉類等的保存又需要保證一定的溫度。因此，對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)和控制已成為生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的技術(shù)要求。由于一些大型場(chǎng)所的測(cè)量空間較大，維護(hù)較困難，現(xiàn)有的有線溫度測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法滿足計(jì)量檢測(cè)的需要。 課題背景單片機(jī)自1976年由Intel公司推出MCS48開(kāi)始，迄今已有二十多年了。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費(fèi)產(chǎn)品、辦公自動(dòng)化、汽車電子、PC機(jī)外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。單片機(jī)的中央處理器（CPU）和通用微處理器基本相同，只是增設(shè)了“面向控制”的處理功能。單片機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)形式:一種是在通用微型計(jì)算機(jī)中廣泛采用的，將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合用一個(gè)存儲(chǔ)器空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓（Princeton）結(jié)構(gòu)。單片微型計(jì)算機(jī)自從問(wèn)世以來(lái)，作為微型計(jì)算機(jī)一個(gè)很重要的分支，應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速，尤其是美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的MCS51系列單片機(jī)，由于其具有集成度高，處理功能強(qiáng)，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測(cè)控制、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成就。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可供開(kāi)發(fā)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這些廠家生產(chǎn)的芯片是MCS51系列的兼容產(chǎn)品，準(zhǔn)確地說(shuō)是與MCS51指令系統(tǒng)兼容的單片機(jī)。其功能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，不該把它們直接稱呼為MCS51系列單片機(jī)，因?yàn)镸CS只是Intel公司專用的單片機(jī)系列型號(hào)。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。[10] 課題來(lái)源在日常生活和工作中，我們常常用到溫度控制，溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于汽車, 鍋爐, 電子, 化工等各個(gè)領(lǐng)域。隨著單片機(jī)性能價(jià)格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，大可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)，完成復(fù)雜的控制功能。它功能強(qiáng)大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒?，可以?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。在本設(shè)計(jì)上按照個(gè)人的意圖稍加擴(kuò)展，就可以實(shí)現(xiàn)更多更強(qiáng)大的功能。在過(guò)去的幾年中，無(wú)線通訊領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，這其中包括數(shù)字電路和射頻電路制作工藝的進(jìn)步、低功耗電路、高能電池以及微電子技術(shù)的采用。與上述技術(shù)一樣，數(shù)字通信技術(shù)和數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展也發(fā)揮了很大的作用，他們使無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)向更加經(jīng)濟(jì)、更加容易操作的方向發(fā)展。無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)可分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)，通用分組無(wú)線傳輸技術(shù)(GPRS) 、EDGE 等。與目前已經(jīng)具備相當(dāng)規(guī)模的無(wú)線長(zhǎng)距離通信網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng))相比，短距離無(wú)線通信系統(tǒng)在基本結(jié)構(gòu)、服務(wù)范圍、應(yīng)用層次及通信業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)、話音)上，均有很大的不同。它利用紅外線的通斷表示計(jì)算機(jī)中的01邏輯，通常有效作用半徑2米，傳統(tǒng)速度可達(dá)4 Mbit/s，1995 年 IrDA 將通信速率擴(kuò)展到的高達(dá) 16Mbit/s，紅外技術(shù)采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接方式，發(fā)射、接收具有方向性，具有體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、速度快、保密性強(qiáng)、成本低廉的特點(diǎn)。但紅外技術(shù)只是一種視距傳輸技術(shù)，有效距離近，發(fā)射角度較小，一般不超過(guò)20 度，兩臺(tái)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，而且傳輸數(shù)據(jù)時(shí)兩臺(tái)設(shè)備之間不能有阻擋物，只能限于兩臺(tái)設(shè)備通信，無(wú)法靈活構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，且無(wú)法用于邊移動(dòng)邊使用的設(shè)備，另外，IrDA 設(shè)備中的核心部件 LED 易磨損。多個(gè)微微網(wǎng)之間也可以形成分布式網(wǎng)絡(luò)(Scatternet)，從而方便，快速的實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。[3]藍(lán)牙技術(shù)目前只是一種行業(yè)聯(lián)盟制定的短距離無(wú)線通信規(guī)范。 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡(luò)上裝上AP(Access Point)，就可以提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端設(shè)備只要裝上無(wú)線網(wǎng)卡，就可以訪問(wèn)所有網(wǎng)絡(luò)資源，象使用有線局域網(wǎng)一樣方便，卻免除了布線的麻煩。以其具有穿透能力，全方位傳送，建網(wǎng)速度快，可用來(lái)組建大型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)成本低，投資回報(bào)快等特點(diǎn)，正逐漸受到電信制造商和運(yùn)營(yíng)商的青睞，目前此種設(shè)備還比較昂貴，妨礙了其推廣和應(yīng)用。速度更快的 相同的正交頻分多路復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，同樣工作在 ，速率達(dá) 54 Mbit/s，比目前通用的 快了 5 倍，并且完全向后兼容 ， 將有可能被大多數(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而下一代的 WiFi 標(biāo)準(zhǔn) 可望達(dá)到 100 Mbit/s。射頻芯片一般采用 FSK 調(diào)制方式，工作于 ISM 頻段，通信模塊一般包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡(jiǎn)單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成，用戶不用對(duì)無(wú)線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能。 本章小結(jié)本文介紹的設(shè)計(jì)是針對(duì)日常生活常用的無(wú)線溫度控制系統(tǒng)，可以完成測(cè)量溫度、顯示溫度和控制溫度的功能。第二章 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)溫度的檢測(cè)有許多方法，可供選擇的器件和運(yùn)用的技術(shù)也有多種。 系統(tǒng)方案構(gòu)想系統(tǒng)采用近幾年來(lái)成熟的各種溫度傳感技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理控制技術(shù)和功能化模塊來(lái)構(gòu)造基本的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)方案在溫度數(shù)據(jù)采集部分主要有三種構(gòu)想：一是溫濕度傳感器選用傳統(tǒng)的模擬式器件，二是選用集成式器件，三是選用數(shù)字式傳感器；在短距離無(wú)線通信部分主要有三種構(gòu)想：一是采用藍(lán)牙技術(shù)，二是采用紅外線技術(shù)，三是選用無(wú)線數(shù)傳模塊；在系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理部分也有兩種構(gòu)想：一是采用單片機(jī)控制，二是采用 DSP 進(jìn)行處理。但是模擬傳感器的模擬信號(hào)需要先經(jīng)過(guò)取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，再將轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號(hào)交由微處理器或 DSP 處理。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。另外，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度也不可能很高，存在一定非線性，互換性較差。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)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。數(shù)字式傳感器具有高的測(cè)量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號(hào)易于處理、傳送和自動(dòng)控制，便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性高?？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。藍(lán)牙技術(shù)同時(shí)支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸，使用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，本身包括糾錯(cuò)機(jī)制，可靠性高，藍(lán)牙規(guī)范的核心部分協(xié)議允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行相互定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)互操作和交互式應(yīng)用。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。也存在著只能視距傳輸、移動(dòng)時(shí)不能傳輸、LED 易磨損等缺點(diǎn)。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。射頻芯片一般采用FSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，通信模塊一般包含簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡(jiǎn)單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成，用戶不用對(duì)無(wú)線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離，確定該部分電路設(shè)計(jì)使用無(wú)線收發(fā)芯片。使用該種方案無(wú)線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。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。最主要的特征是系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模完全根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求配置，獨(dú)立性、可擴(kuò)展性好，因此系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。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。單片機(jī)是把微型機(jī)的主要部分集中在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。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。與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、功能易擴(kuò)展、測(cè)控能力強(qiáng)、可靠性高。采用單片機(jī)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、開(kāi)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)。對(duì)于不要求高速的一般的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采用DSP是不經(jīng)濟(jì)的方案。 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。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單；測(cè)溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開(kāi)發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負(fù)載能力如何，能否滿足多點(diǎn)測(cè)溫的需要；占用MCU的I/O引腳數(shù)情況如何，因?yàn)镸CU的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點(diǎn)溫度測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量的點(diǎn)數(shù)超過(guò)了輸入通道時(shí)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，應(yīng)盡量節(jié)約；與MCU的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量的軟件開(kāi)發(fā)難度、成本要盡量小。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有：①AD7418 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。測(cè)溫范圍為55℃~+125℃，具有 10 位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為 ℃，精度為177。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)。② LM74 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、△∑型 A/D 數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。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。 LM74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12 位外加符號(hào)位，因此在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá) ℃的分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 425ms。測(cè)溫范圍為40~+125℃，其誤差范圍：在 25℃時(shí)優(yōu)于177?！妫?125℃時(shí)優(yōu)于177。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。為了避免多個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)溫時(shí)有重疊的現(xiàn)象，MAX6575 提供了“L”和“H”兩種型號(hào)的傳感器,它們的使用方法相同,而且每一種型號(hào)的傳感器又可以通過(guò)時(shí)間選擇引腳。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。[7]Dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價(jià)格比，有以下特點(diǎn)：①適用于