【正文】 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。 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適用于低速測(cè)控場(chǎng)合，測(cè)控對(duì)象越多越顯出其優(yōu)越性； ②性價(jià)比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好； ③具有 CRC 校驗(yàn)功能，可靠性高； ④軟件設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀，易于掌握。 無線收發(fā)芯片的選擇 無線收發(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)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。 ② 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量 芯片外圍元器件的數(shù)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。 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。 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 m CMOS 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。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)。 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]。 ③ 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。可嵌入各種測(cè)量和 控制系統(tǒng)中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，在保安系統(tǒng)、微功耗遙測(cè)遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、 PLL 合成、 FSK 調(diào)制、 FSK 解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。只包括一個(gè) 4MHz 基準(zhǔn)晶振 (可與 MCU 共享 )、一個(gè) PLL 環(huán)路濾波器和一個(gè) VCO 電感，收發(fā)天線合一，沒有 調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。 4 過程設(shè)計(jì)論述 硬件設(shè)計(jì)部分 硬件總體設(shè)計(jì) 根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構(gòu)想，下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如 下 圖 2所示。 GND VCC 圖 3 DS18B20與單片機(jī)接口電路 二． 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 （ 1） DS18B20 的特點(diǎn) 單總線是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)，它只定義了一根信號(hào)線，總線上的每個(gè)器件都能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間驅(qū)動(dòng)它，相當(dāng)于把單片機(jī)的地址 nRF401 線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信 號(hào)線對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從而能使這些器件掛在一根信號(hào)線上進(jìn)行串行分時(shí)數(shù)據(jù)交換，大大簡(jiǎn)化了硬件電路。它的主要技術(shù)特性如下： ①具有獨(dú)特的單線接口方式，即微處理器與其接口時(shí)僅需占用 1 位 I/O 端口； ②支持多節(jié)點(diǎn)，使分布式多點(diǎn)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； 無線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 14頁（共 64頁） ③測(cè)溫時(shí)無需任何外部元件： ④可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗 工作方式： ⑤測(cè)溫范圍為 55~+125℃，測(cè)溫精度為177。 12 位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為 750ms?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。與單片機(jī)接口的每個(gè) I/O 口可掛接多個(gè) DS18B20 器件。頭八位是產(chǎn)品系列編碼，表示產(chǎn)品的分類編號(hào)；接著的 48 位是一個(gè)惟一的產(chǎn)品序列號(hào)，序列號(hào)是一個(gè) 15 位的十進(jìn)制編碼，每個(gè)芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識(shí)別出來，最后 8 位是前 56 位的循環(huán)冗余 (CRC)校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確的一種方法。這為溫度的多點(diǎn)測(cè)量帶來了極大的方便。第一、二個(gè)字節(jié)是溫度數(shù)據(jù) (MSB、 LSB)，可以在系統(tǒng)配置寄存器中自行設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù) (9~12 位 )，數(shù)據(jù)位越多溫度分辨率越高，多余的高位是溫度數(shù)據(jù)的符號(hào)擴(kuò)展位。第五字節(jié)是系統(tǒng)配置寄存器，寄存器各位定義如下： 第八位用來設(shè)置傳感器的工作狀態(tài)，“ 1” 為測(cè)試狀態(tài)，“ 0”為操作狀態(tài)，出廠設(shè)置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位的設(shè)置 (00、 0 11 分別對(duì)應(yīng) 1 12 位溫度數(shù)據(jù) )，出廠設(shè)置為 12 位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行修改，其余位無效。第 9 個(gè)字節(jié)是 CRC 校驗(yàn)碼，是前面 8 個(gè)字節(jié)的循環(huán)校驗(yàn)碼，用在通信中驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。格式如下： Bit0 Bit7 LSByts 23 22 21 20 21 22 23 24 Bit8 Bit15 MSByts S S S S S 26 25 24 無線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 16頁（共 64頁） 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 DS18B20 內(nèi)部的報(bào)警標(biāo)志位就被置位，表示溫度測(cè)量值超出范圍。不過溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)越大，轉(zhuǎn)換時(shí)間 也越長(zhǎng)。 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 Bit0 0 R1 R0 1 1 1 1 1 R R0 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 2 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。 （ 3） 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 5 所示。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘脈沖信過程設(shè)計(jì)論述 第 17頁 (共 64頁 ) 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)數(shù)值來測(cè)量溫度。這時(shí)溫度寄存器中的值就是被測(cè)的溫度值。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。 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。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。當(dāng)使用數(shù)據(jù)總線寄生供電時(shí)，供電端必須接地，無線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 18頁（共 64頁） 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。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 。 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 250μ A，接收待機(jī)狀態(tài)僅為 8μ A；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。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。壓控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的電感組成。 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。 （ 2）典型應(yīng)用電路說明 過程設(shè)計(jì)論述 第 19頁 (共 64頁 ) 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 8所示。 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。 圖 9 單片機(jī)和收發(fā)芯片的接口電路 在圖 9中可以看出，微控制器的 I/O口 nRF401的片選端， 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。具體來說，就是比較環(huán)境溫度和給定溫度的大小來確定加熱器的開關(guān)。 （ 2）具體仿真 無線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 22頁（共 64頁） 圖 11 繼電器與單片機(jī)接口電路 軟件設(shè)計(jì)部分 溫度測(cè)量子程序 （ 1） 首先由下位機(jī)發(fā)出 DS18B20 地 址，地址符合， DS18B20 回送本機(jī)地址，并改變 SM2， DS18B20 在與下位機(jī)建立聯(lián)系后，跟著以查詢方式接收下位機(jī)接著發(fā)送的 DS18B20 的 ROM 命令。 （ 2）子程序流程圖如下： 過程設(shè)計(jì)論述 第 23 頁 （共 64 頁） 圖 12 溫度測(cè)量程序流程圖 nRF401 的通信子程序 對(duì)于無線通訊，出現(xiàn)最大的問題就是通訊可靠性，因?yàn)闊o線通訊的通訊介質(zhì)是無線電波，大氣穩(wěn)定性、同頻干擾、拍頻差頻干擾等，都會(huì)使通訊中斷，或者出現(xiàn) 誤碼阻礙，所以必須解決。 nRF401 是一款 FSK 調(diào)制無線通訊芯片，有最大 20KBPS 速率通訊帶寬，實(shí)際上最大值在 19KBPS 左右，最低通訊頻率在 500BPS 左右，如果再低，芯片在后期運(yùn)放低通比較譯碼時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)逆轉(zhuǎn)，出現(xiàn)誤碼，正因?yàn)檫@樣，發(fā)送的數(shù)據(jù)不允許長(zhǎng)的脈沖，也就是速率不能太低。當(dāng)從 TX 到 RX 模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸出腳（ DOUT）要至少 3ms 以后有數(shù)據(jù)輸出。從待機(jī)模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時(shí)間是 2ms。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)， TXEN 必須保持 1ms 以后才可以往 DIN 發(fā)送數(shù)據(jù)。如果采用外 部振蕩器，這個(gè)時(shí)間可以縮短到 3ms。 圖 13 發(fā)送端程序流程圖 結(jié)果分析 第 25 頁 （共 64 頁） 5 結(jié)果分析 DS18B20 和 LCD 液晶顯示運(yùn)行結(jié)果分析 在理論上分析，當(dāng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)正確時(shí)，液晶顯示器的溫度會(huì)隨 著DS18B20 測(cè)量溫度的變化而實(shí)時(shí)變化，通過 proteus 仿真可以分析設(shè)計(jì)的正確與否。 鍵盤設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果分析 硬件設(shè)計(jì)中，鍵盤設(shè)定溫度的大小，一個(gè)鍵增大設(shè)定溫度，一個(gè)鍵減小設(shè)定溫度，設(shè)定溫度在 LCD 液晶實(shí)時(shí)顯示。 通過仿真可以驗(yàn)證鍵盤的正確性。具體來說，就是比較 環(huán)境溫度和給定溫度的大小來確定加熱器的開關(guān)。 仿真圖 2和 3給定值為 100 C,測(cè)量值分別為 65 C 和 128 C，繼電器處于開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。仿無線壁掛爐溫控 器設(shè)計(jì) (發(fā)射端 ) 第 28頁（共 64頁） 真結(jié)果正確，控制結(jié)果正確。系統(tǒng) 8051 單片機(jī)為核心，采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 及nRF401 無線收發(fā)芯片，應(yīng)用傳感 技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、控制和短距離無線傳輸。 該溫度控制系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，搭建方便，易于擴(kuò)展，室內(nèi)實(shí)際發(fā)射距離約 25 米（通過改進(jìn)天線的設(shè)計(jì)可適度 增加），經(jīng)過軟件進(jìn)行非線性及溫度補(bǔ)償后，測(cè)溫精度可進(jìn)一步提高，因此本系統(tǒng)適用于在短距離環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)、控制，有廣闊的應(yīng)用前景。比如溫度傳感器的測(cè)溫范圍不夠?qū)?，發(fā)射距離比較近，溫度控制精度不夠高等。本設(shè)計(jì)中采用了 8051 單片機(jī) ，也可以采用 功耗比較低的 89C51單片機(jī) 。 參考文獻(xiàn) 第 29 頁 （共 64 頁） 參考文獻(xiàn) [1] 萬福君，潘松峰 .單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第二版） [M]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 2021. 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