畢業(yè)設計（論文）單片機無線溫度控制系統(tǒng)設計

1、單片機無線溫度控制系統(tǒng)設計摘要 論文設計了一個基于51系列單片機的無線溫度控制系統(tǒng)。其主要內(nèi)容有：對溫度的采集，傳輸和控制系統(tǒng)的設計思路和整體框架進行分析，然后從系統(tǒng)的硬件和軟件兩方面進行詳細論述。整個系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，主控子系統(tǒng)由液晶屏1602，無線收發(fā)模塊nrf905和主控芯片stc組成，主要進行參數(shù)設定，控制信號發(fā)送和溫度數(shù)據(jù)接收，實時顯示。從控子系統(tǒng)由溫度傳感器ds18b20，無線收發(fā)模塊nrf905和從控芯片stc組成，主要進行溫度數(shù)據(jù)采集，發(fā)送和設定參數(shù)的接收，處理。論文最后對系統(tǒng)進行了整體調(diào)試，工作穩(wěn)定。關鍵詞：ds18b20；短距離；nrf905;無線收發(fā)目錄摘要iabst

2、racti第1章 緒論11.1 背景及應用11.2溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀11.3溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢21.4研究單片機無線溫度控制系統(tǒng)的目的和意義31.5本課題要解決的主要問題3第2章 本系統(tǒng)的總體方案設計12.1系統(tǒng)的總體結構12.2 單片機型號的選擇方案12.3溫度傳感器器件的選擇方案22.4 無線收發(fā)模塊選擇方案3第3章 系統(tǒng)硬件電路設計13.1系統(tǒng)電源電路設計13.1.1電路設計原理圖13.1.2 ams1117轉壓芯片工作原理13.2溫度采集端硬件電路設計23.2.1溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路23.2.2數(shù)字式溫度傳感器ds18b2023.2.3 ds18b20的內(nèi)部結構33.2.5 d

3、s18b20使用過程中需要注意的問題63.3液晶顯示電路設計63.3.1 lcd1602液晶顯示電路73.4無線收發(fā)電路設計73.4.1 nrf905模塊設計電路83.4.2 nrf905無線射頻收發(fā)模塊的管腳結構和電氣參數(shù)說明83.4.3 nrf905無線射頻芯片的工作方式103.4.4 nrf905無線射頻芯片的工作步驟10第4 章 系統(tǒng)軟件設計14.1 溫度采集程序設計14.1.1單總線技術（1-wire）14.1.2 ds18b20溫度采集程序設計34.3無線收發(fā)程序設計64.3.1 spi通信64.3.2 nrf905模塊發(fā)送程序設計94.3.3 nrf905模塊接收程序設計10第5

4、章 系統(tǒng)性能調(diào)試135.1 系統(tǒng)調(diào)試135.2抗干擾措施135.2.1 硬件抗干擾措施135.2.2 軟件抗干擾措施13第6章 結論與展望146.1 本論文的主要結論146.2 對以后工作的展望14參考文獻15致謝16附錄17第1章 緒論 1.1 背景及應用 現(xiàn)代信息技術的三大基礎是信息采集(即傳感器技術)、信息傳輸(通信技術)和信息處理(計算機技術)?；诂F(xiàn)代信息三大基礎技術的系統(tǒng)設計更是屬于現(xiàn)代信息技術的前沿產(chǎn)品,尤其是無線智能溫控系統(tǒng)被廣泛用于研究、生產(chǎn)、生活等領域,數(shù)量居于智能溫控系統(tǒng)前茅。傳統(tǒng)的溫度控制通常采用帶有線路的有線連接方式，但對于有些場合，如旋轉或移動物體的溫度測量、環(huán)境惡

5、劣人員無法涉足之處、不宜采用有線的環(huán)境。隨著無線通信技術和智能溫控技術的飛速發(fā)展，并從節(jié)省布線成本考慮，溫控技術開始從“有線”向“無線”發(fā)展。近年來，基于無線智能測溫技術應用的不斷增加，特別應用于環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)監(jiān)控等領域。作為無線產(chǎn)業(yè)新領域，短距離無線通信技術顯示出強勁的發(fā)展勢頭，在受環(huán)境條件限制方面優(yōu)勢明顯，甚至在一些特殊情況下，無線數(shù)據(jù)傳輸方式是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ环绞健?.2溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 目前，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)應用的溫度控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集大量使用基于物理機制的傳感器，且監(jiān)控和采集的對象多而分散。傳統(tǒng)的使用線纜直接連接實現(xiàn)信號傳輸?shù)姆绞剑瑢乐叵拗茢?shù)據(jù)采集點的安放靈活性，

6、設備布線苦難。為了達到實時、無人值守、不需重新布線的目的。因此，通過無線通信的方式傳遞數(shù)據(jù)是一種較為理想的選擇，它與有線方式相比主要有成本低、攜帶方便、布線安裝簡便等特點，特別適用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)?，F(xiàn)階段溫控系統(tǒng)分為以下幾類： 1模擬、集成溫度控制系統(tǒng)模擬溫度控制系統(tǒng)主要包括溫控開關、可編程溫度控制器。某些增強型集成溫度控制系統(tǒng)中還包含了a/d轉換器以及固化好的程序，這與智能溫控系統(tǒng)有某些相似之處。 2智能溫控系統(tǒng)智能溫控系統(tǒng)（亦稱數(shù)字溫控系統(tǒng)）是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ate)的結晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫控系統(tǒng)系列產(chǎn)品。智能溫

7、控系統(tǒng)內(nèi)部都包含溫度傳感器、a/d轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器 (cpu)、隨機存取存儲器(ram)和只讀存儲器(rom)。智能溫控系統(tǒng)的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試控制功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。3無線與有線溫控系統(tǒng)無線溫控系統(tǒng)主要是以無線發(fā)射模塊為載體來實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳送，主要優(yōu)點是不受空間地域、外部條件的影響；相對來說有線溫控系統(tǒng)就是以實在的物理線路為載體來實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳送，主要有點是數(shù)據(jù)精度高、可靠性強，可以承載較大數(shù)據(jù)流量的溫度控制。1.3溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進

8、入21世紀后，智能溫控系統(tǒng)正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、研制單片溫控系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。下面就對以上這幾個發(fā)展方向進行闡述： （1）提高測溫精度和分辨力發(fā)展方向 在20世紀90年代中期最早推出的智能溫控系統(tǒng)，采用的是8位a/d轉換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到2c。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度系統(tǒng)，所用的是912位a/d轉換器，分辨力一般可達0.50.0625c。為了提高多通道智能溫控系統(tǒng)的轉換速率，也有的系統(tǒng)采用高速逐次逼近式a/d轉換器。 （2）增加測試功能發(fā)展方向智能溫控系統(tǒng)正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為以后研制和開發(fā)多路的智

9、能溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。智能溫控系統(tǒng)都具有多種工作模式可供選擇，對于某些智能溫控系統(tǒng)而言，主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其a/d轉換速率、分辨力、最大轉換時間等參數(shù)。 （3）總線技術的標準化與規(guī)范化發(fā)展方向 目前，智能溫控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(1-wire)總線、i2c總線、smbus總線和spi總線。采用的溫度傳感器可直接通過專用總線接口與主機進行通信。 （4）單片溫控制系統(tǒng)發(fā)展方向 單片系統(tǒng)(system on chip)是21世紀一項高新科技產(chǎn)品。它是在芯片上集成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)，其集成度將高達108109元件

10、/片，這將給ic產(chǎn)業(yè)及ic應用帶來時代的進步。半導體工業(yè)協(xié)會(sia)對單片系統(tǒng)集成所作的預測見（表1-1）。目前，國際上一些著名的ic廠家已開始研制單片測溫系統(tǒng)，相信在不久的將來即可面市。表1-1年 份2010201220142016最小線寬（微米）包含晶體管數(shù)量（片）成本（晶體管/毫美分）芯片尺寸(平方毫米)電源電壓（伏）芯片i/o數(shù)0079108002 14000948000061.1109001615000850000051.4109001316000752000041.710900117000656001.4研究單片機無線溫度控制系統(tǒng)的目的和意義 根據(jù)所學的相關理論知識, 結合當前智

11、能溫控系統(tǒng)的現(xiàn)狀,提出了本次設計的題目基于單片機無線智能溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了目前較先進的智能單總線數(shù)字溫度傳感器ds18b20，搭配市場上最普遍的51系列單片機，來實現(xiàn)對溫度的采集和智能控制，并通過無線傳感器nrf905來對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，使系統(tǒng)硬件簡單，具有測量精度高、抗干擾性強、靈活性強等優(yōu)點。現(xiàn)階段相對而言智能溫控系統(tǒng)固然不少，但把智能化儀器和無線數(shù)據(jù)傳輸領域交叉滲透的系統(tǒng)還比較少，特別是既有經(jīng)濟優(yōu)勢，又有性能優(yōu)勢的系統(tǒng)就更少，因此提出了這個設計題目。這一系統(tǒng)的提出不但擁有很高的性價比，而且擁有十分廣闊的現(xiàn)實意義。1.5本課題要解決的主要問題本課題主要研究的是短距離無線數(shù)據(jù)采集，

12、無線溫度控制系統(tǒng)的具體應用。主要研究內(nèi)容有一下幾個方面：（1）系統(tǒng)采用智能溫度傳感器ds18b20，儀器可靠性高，抗干擾能力強，安置靈活，支持單總線技術，信號易于處理和傳送，降低了系統(tǒng)維護費用。(2) 系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)的采集和處理，采用跳頻技術有效避免同頻段無線信號的干擾，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，提高了系統(tǒng)的靈活性和效率。 第2章 本系統(tǒng)的總體方案設計2.1系統(tǒng)的總體結構繼電器鍵盤液晶顯示單片機無線模塊傳感器單片機無線模塊 圖 2-1-1 從控子系統(tǒng) 圖 2-1-2 主控子系統(tǒng)圖2-1 系統(tǒng)整體結構 本論文提出的單片機無線溫度控制系統(tǒng)，由從控子系統(tǒng)（如圖2-1-1）和主控子系統(tǒng)（如圖2-1-2

13、）組成。從控子系統(tǒng)由傳感器，單片機，繼電器和無線收發(fā)模塊組成，單片機將傳感器采集到的數(shù)據(jù)送給無線收發(fā)模塊發(fā)出，接受到主控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，按相應的通信協(xié)議取出有效數(shù)據(jù)，并通過處理來控制繼電器的工作情況。主控子系統(tǒng)由無線模塊，單片機，鍵盤，液晶組成，單片機接收到從控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，按相應的通信協(xié)議取出有效數(shù)據(jù)，實時在液晶屏上顯示出實測溫度和按鍵設定的溫度，并且將實測溫度和設定溫度對比處理的信號送給無線收發(fā)模塊發(fā)出，如此反復。系統(tǒng)總體結構如圖2-1所示。2.2 單片機型號的選擇方案單片機型號的選擇根據(jù)溫度控制系統(tǒng)的目標，功能，性價比，精度和速度等來共同決定的。51系列單片的使用最為廣泛，能兼容的外圍芯片

14、也很多，其中stc單片機是一款增強型51單片機，完全兼容mcs-51，還增加了新功能，新增兩級中斷優(yōu)先級，多一個外中斷，內(nèi)置eeprom，硬件看門狗，具有掉電模式，512b 內(nèi)存，支持isp在線編程，不用編程器，程序可擦寫10萬次。管腳完全兼容，性能更好，驅動能力更強；超強抗干擾能力；功耗更低；價格也比傳統(tǒng)的89系列低。stc單片機主要性能：（1）高速：1 個時鐘/ 機器周期，增強型8051 內(nèi)核，速度比普通8051 快812 倍（2）寬電壓：5.53.8v，2.43.8v（stc12le5410ad 系列）（3）低功耗設計：空閑模式，掉電模式（可由外部中斷喚醒）（4）工作頻率：035mhz，

15、相當于普通8051：0420mhz（5）時鐘：外部晶體或內(nèi)部rc 振蕩器可選，在isp 下載編程用戶程序時設置（6）12k/10k/8k/6k/4k/2k 字節(jié)片內(nèi)flash 程序存儲器，擦寫次數(shù)10 萬次以上（7） isp / iap，在系統(tǒng)可編程/ 在應用可編程,無需編程器/ 仿真器（8） 2個16位定時器，兼容普通8051的定時器t0/t1（9）硬件看門狗（wdt）（10）全雙工異步串行口（uart），兼容普通8051，可以當2個串口使用（11）先進的指令集結構，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令2.3溫度傳感器器件的選擇方案 傳感器是獲取信息的工具，是信息技術（傳感與控制技術

16、，通信技術和計算機技術）的前沿尖端產(chǎn)品，已被廣泛地應用于各個學科領域，如現(xiàn)代化工農(nóng)生產(chǎn)、交通運輸、航空航天技術、海洋開發(fā)等，而且傳感器的應用促進了以上各領域的發(fā)展。尤其是溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了一下3個階段：（1） 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件），主要是能夠進行非電量和電量之間的轉換。（2） 模擬集成溫度傳感器/控制器。（3） 智能傳感器，目前國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，有集成向智能化，網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。 以下介紹一些常用的溫度傳感器：（1） ad7818/ad7817 美國adi公司（模擬器件公司）研制的單片溫度測量和控制

17、集成電路，其有4通道10位轉換器，其轉換時間是s。供電范圍2.7v到5.5v,測溫范圍-55到+125,精度為2.體積小,使用方便,測量精度高,編程簡單。（2） lm35是ns公司（美國國家半導體公司）生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器系列產(chǎn)品之一，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線性成比例。因而從使用角度來說，lm35與開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之處，lm35無需外部校準或微調(diào)，可以提供0.25的常用的室溫精度，在-55至+150溫度范圍內(nèi)為0.75。lm35系列適合用密封的to-46晶體管封裝，而lm35c也適合塑料to-92晶體管封裝。lm35主要特性

18、：1) 工作電壓：直流4至30伏；2) 工作電流：小于133ua; 3) 輸出電壓：+6v至-1v； 4）輸出阻抗：1ma負載時0.1； 5）精度：0.5精度（在+25時）； 6）漏泄電流：小于60ua; 7) 比例因數(shù)：線性+10.0mv/； 8）非線性值：0.25； 9）額定溫度范圍：-55至+150； 10）校準方式：直接用攝氏溫度校準。 (3) ds18b20是dallas公司生產(chǎn)的可編程集成數(shù)字測溫器件，系統(tǒng)中傳遞的只是數(shù)字信號，可以保證傳輸精度。它廣泛的應用于工業(yè)控制，產(chǎn)品設計，溫度測量以及其它對熱敏感的地方。其內(nèi)部包括溫度傳感器和微控制器。它與單片機（微控制器）的數(shù)據(jù)通信僅需要一

19、個引腳，唯一的1-wire接口與單片機進行數(shù)據(jù)交換。ds18b20傳感器工作電壓范圍為3.0至5.5v直流，測溫范圍為-55至+125,靈敏度為0.0625。-10至+85范圍內(nèi)精度為0.5。測量數(shù)據(jù)結果以9或12位數(shù)字量方式進行串口傳送，其最大傳輸時間為750ms。 綜上比較，結合本設計溫度采集、控制的思想，決定采用ds18b20溫度傳感器，充分利用其單總線的特點，節(jié)省i/o口，便于其他功能的擴展。2.4 無線收發(fā)模塊選擇方案 目前許多應用領域都采用無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，這些領域包括無線抄表，門禁系統(tǒng)，小型無線網(wǎng)絡，小區(qū)傳呼，工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無線遙控系統(tǒng)，無線標簽身份識別，非接觸rf智能

20、卡等。由于無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，無線收發(fā)芯片的選擇在設計上是至關重要的，正確的選擇可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快的將產(chǎn)品推向市場。選擇無線收發(fā)芯片時應該考慮以下幾個因素：功耗，發(fā)射功率，接收靈敏度。收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量，芯片成本，數(shù)據(jù)傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼等。以下介紹一些常用的無線收發(fā)模塊：（1)nrf401是nordic公司研制的單片uhf無線收發(fā)芯片，工作在433mhzlsm(industrial，scientific and medical)頻段。它采用fsk調(diào)制解調(diào)技術，抗干擾能力強，并采用pll頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好，發(fā)射功率最大可達10db

21、m，接收靈敏度最大為105dbm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達20kbps。工作電壓在+3-5v之間。nrf401無線收發(fā)芯片所需外圍元件較少，并可直接接單片機串口。（2)ccl000是chipcon公司推出的單片可編程rf收發(fā)芯片，它基于chipcons smart rf技術，可工作在ism頻段(300至1000mhz)。ccl00集成了射頻發(fā)射，pll合成，fsk調(diào)制解調(diào)，可編程控制等多種功能。 cc1000采用鎖相環(huán)技術，發(fā)射頻率是通過內(nèi)部的頻率合成器來配置的，可置的范圍為300至1000mhz，適合應用調(diào)頻協(xié)議，一般可配出10或20個頻點， 該芯片靈敏度為109dbm，并可自動校驗，可編程輸出功率

22、為20dbm至+10dbm。 ccl000的主要工作參數(shù)可由一個串行接口編程設定，使用非常方便并且具有靈活性。ccl000芯片的外圍元件較少，且對精度要求不要，并提供三種編碼方式與微控制器接口。所以ccl000與一個微控制器和少數(shù)幾個外接元件便可組成一個完整的rf收發(fā)系統(tǒng)。 ( 3)nrf905是nordic vlsi公司推出的一款無線收發(fā)芯片，32腳封裝，供電電壓為1.9至3.6v，工作與433868915mhz三個ism(工業(yè)，科學和醫(yī)學)頻道。可自動處理字頭和crc(循環(huán)冗余校驗)。微處理器可以通過spi接口及相關指令訪問nrf905的寄存器。功耗低，高抗干擾gfsk調(diào)制，可調(diào)頻，載波檢

23、測輸出，地址匹配輸出以及數(shù)據(jù)就緒輸出。nrf905適用于遙感，遙測，無線抄表，工業(yè)數(shù)據(jù)采集以及家庭自動化等領域。 表2-1 三種無線收發(fā)芯片性能比較表芯片nrf401cc1000nrf905生產(chǎn)廠商nordicchipconnordic頻段433mhz3001000mhz433/868/915mhz最大發(fā)射功率+10dbm+10dbm+10dbm最高靈敏度-105dbm-109dbm-104dbm最高通信速率20kbps19.2kbps76.8kbps調(diào)制方式fskfskgfsk工作電壓2.75.25v2.73.6v2.73.3v接收電流11ma(433mhz)7.7ma(433mhz)18.

24、5ma(433mhz)發(fā)送電流8ma(433mhz)8ma(433mhz)12.5ma(433mhz)低功耗電流8 ua(standby)30ua(powerdown)1ua(powerdown) 這三款無線收發(fā)芯片的性能對比如表2-1所示，nrf905模塊具有通信速率高，與微控制器spi通信，配置方便，且功耗低。所以本系統(tǒng)選擇nrf905作為無線收發(fā)模塊。 第3章 系統(tǒng)硬件電路設計 本系統(tǒng)硬件設計總體框架如下圖所示：stc89c52stc89c52繼電器電源的供給電路ds18b20電源的供給電路 nrf905液晶nrf905 圖3-1-1從控制子系統(tǒng) 圖3-1-2主控制子系統(tǒng) 圖3-1硬件系

25、統(tǒng)總體圖 對于本論文設計的單片機無線溫度控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)由從控制系統(tǒng)（如圖3-1-1所示）和主控制系統(tǒng)（如圖3-1-2所示）組成，從控制系統(tǒng)負責溫度采集，發(fā)送和繼電器的控制，主控制系統(tǒng)負責實時溫度接收，顯示和控制信號的發(fā)送。3.1系統(tǒng)電源電路設計3.1.1電路設計原理圖 圖3-2 電壓轉換電路原理圖3.1.2 ams1117轉壓芯片工作原理 ams1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器，最小壓差為1v。負載電流為800ma時其輸出電壓為1.3v。其固定輸出電壓為1.5v，1.8v，2.5v，2.85v，3.3v和5.0v。ams1117提供短路和熱保護。電路包含一個精準的參考電壓（1.25v）確保輸

26、出電壓的線性調(diào)整度最大為0.2，負載調(diào)整度最大為0.4。ams1117有sot-223和to-252封裝。輸出端需接一個至少22uf的膽電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。特性：1） 提供1.5v，1.8v，2.5v，2.85v，3.3v，5.0v和可調(diào)電壓；2） 輸出電流可達800ma;3） 線性調(diào)整度：0.2（最大）；4） 負載調(diào)整度：0.4（最大）；5） 有sot-223和to-252封裝；6） 在輸入和輸出最小為1v時也能工作。應用：1） 高效線性調(diào)整器；2） 5v至3.3v線性調(diào)整器；3） 電池充電器；4） 筆記本的電源管理設備；5） 電池供電儀器；6） scsi有源終端。3.2溫度采集端硬

27、件電路設計3.2.1溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 圖3-3 ds18b20硬件電路3.2.2數(shù)字式溫度傳感器ds18b20dsl8b20是美國dallas公司推出的智能化數(shù)字式溫度傳感器，全部傳感組件及轉換電路集成在一個三極管的集成電路中。dsl8b20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55+125，在10+85范圍內(nèi)，精度為o5?，F(xiàn)場溫度直接以“單總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。特性1)獨特的單線接口，只需1個接口引腳即可通信；2)多個能力使分布式溫度檢測應用得以簡化；3)不需要外部組件；4)可

28、用數(shù)據(jù)線供電；5)零待機功耗；6）測溫范圍從55+125，增量值為0.5；7）以9位數(shù)字值方式讀出溫度；8)溫度數(shù)字量轉換時間200ms（典型值）；8)用戶可定義的非易失性的溫度告警設置；9)報警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件(溫度告警情況)；10）應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費類產(chǎn)品，溫度計或任何熱敏系統(tǒng)。3.2.3 ds18b20的內(nèi)部結構dsl8b20主要由四部分組成：64位光刻rom數(shù)據(jù)存儲器、溫度傳感器、非易失性電可擦寫溫度報警觸發(fā)器th、tl以及非易失性電可擦寫設置寄存器。器件只有3根外部引腳，其中vdd和gnd為電源引腳，另一根dq線則用作i/o總線，因此稱為

29、一線式數(shù)據(jù)總線。與單片機接口的每個io口可掛接多個dsl8820器件。 圖3-4 ds18b20內(nèi)部結構每片dsl8820含有一個唯一的64位rom編碼。頭八位是產(chǎn)品系列編碼，表示產(chǎn)品的分類編號；接著的48位是一個惟一的產(chǎn)品序列號，序列號是一個十進制編碼，每個芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識別出來，最后8位是前56位的循環(huán)冗余(crc)校驗碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確的一種方法。所以多片dsl8820能夠連接在同一條數(shù)據(jù)線上而不會造成混亂。 表3-1 64位激光8位crc編號48位序列號8位產(chǎn)品序列編碼 dsl8820傳感器的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器由9個字節(jié)組成。第1、2個字節(jié)是溫度數(shù)據(jù)(ms

30、b，lsb)，可以在系統(tǒng)配置寄存器中自行設置數(shù)據(jù)位數(shù)(912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)的符號擴展位。第三、四字節(jié)是溫度上下限報警值(th，tl)。第五字節(jié)是系統(tǒng)配置寄存器，寄存器各位定義如下：第八位用來設置傳感器的工作狀態(tài)，“1”為測試狀態(tài)，“0”為操作狀態(tài)，出廠設置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉換數(shù)據(jù)位的設置(00，01，10，01分別對應9，10，11，12位溫度數(shù)據(jù)l，出廠設置為12位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進行修改，其余位無效。第6、7、8字節(jié)保留未用。第9個字節(jié)是crc校驗碼，是前面8個字節(jié)的循環(huán)校驗碼，用在通信中檢驗數(shù)據(jù)傳送的正確性。

31、溫度傳感器的轉換結果以16位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中，其中第一個字節(jié)存放測溫結果的低位，第二個字節(jié)存放測溫結果的高位，s為符號位，其它位為數(shù)據(jù)位，溫度為負時s=l，溫度為正時s-0。格式如下： 表3-2 用二進制補碼表示的ds18b20溫度數(shù)據(jù) 其中，高位字節(jié)中的前5位s是符號位，若測得的溫度大于0，則這5位數(shù)據(jù)也都為“o”，實際溫度也就等于測到的數(shù)值與00625(00625clsb)的乘積；若溫度小于0，則這5位數(shù)據(jù)就都為“1”，實際溫度就等于測到的數(shù)值取反加l后再乘以00625。如果測量的溫度值高于溫度報警器th或低于tl中的值，則dsl8820內(nèi)部的報警標志位就被置位，表示溫

32、度測量值超出范圍。dsl8820的溫度轉換位數(shù)可以選擇9-12位，分別對應的測溫分辨率為o5，025，0125，00625。不過溫度轉換位數(shù)越大，轉換時間也越長。12位精度的最大轉換時間為750ms。dsl8820的測溫范圍為-55+125，溫度轉換結果以16位二進制方式單線輸出，轉換的位數(shù)可通過寫配置寄存器(字節(jié)4)設定。 表3-3 配置寄存器設置 表3-4 ds18b20典型溫度對照表 其中，tm：測試模式標志位，出廠時被寫入0，不能改變；r0、r1：溫度計分辨率設置位，其對應四種分辨率如下表所列，出廠時r0、r1置為缺省值：r0=1，ri=1(即12位分辨率)，用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存

33、器以獲得合適的分辨率。 表3-5 配置寄存器與分辨率的關系 3.2.3.2.4 ds18b20的工作步驟 （1）初始化； （2）rom操作命令； （3）存儲器操作指令； （4）執(zhí)行數(shù)據(jù)。 ds18b20為用戶提供了5個rom命令和6個存儲器命令（如表3-6所示），而具體命令的傳送，則主要通過初始化時序、讀時序、寫時序三個基本時序單元的組合來實現(xiàn)。 表3-6 ds18b20指令集和代碼說明3.2.5 ds18b20使用過程中需要注意的問題 (1)較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于dsl8820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對dsl8b20進行讀寫編程時，必須嚴格地保證讀寫時序

34、，否則將無法讀取測溫結果。(2)連接dsl8b20的總線電纜是有長度限制的。在采用dsl8b20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。(3)在dsl8b20測溫程序設計中，向dsl8b20發(fā)出溫度轉換命令后，序總要等待dsl8b20的返回信號，一旦dsl8b20接觸不好或斷線，當程序讀該dsl8b20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。3.3液晶顯示電路設計液晶顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內(nèi)容豐富，超薄輕巧等優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件。本設計選用的是lcdl602液晶顯示模塊，

35、它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單+5v電源供電，外圍電路配置簡單價格便宜，具有很高的性價比。1.lcdl602主要管腳介紹：v0：液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生鬼影，使用時可以通過一個10k的電位器調(diào)整對比度。rs：寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。r/w：讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當rs和rw共同為低電平時，可以寫入指令或者顯示地址，當rs為高電平，rw為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。e：使能端，當e端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行行命令。2.lcd1602的控制命令介紹： lcd

36、1602有11個控制指令，如表3-7所示 表 3-7 lcd1602控制指令表 3.3.1 lcd1602液晶顯示電路 圖 3-8 lcd1602顯示電路 說明：數(shù)據(jù)線d0d7連接單片機的p3口；3條控制線分別連接p1.1，p1.2，p1.3（可以根據(jù)具體的硬件電路修改數(shù)據(jù)線和3條控制線）。3.4無線收發(fā)電路設計 nrf905模塊使用nordic公司的nrf905芯片開發(fā)而成。nrf905單片無線收發(fā)器工作在433868915mhz的ism頻段，由一個完全集成的頻率調(diào)制器，一個帶解調(diào)器的接收器，一個功率放大器，一個晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成，shockburst工作模式的特點是自動產(chǎn)生前導碼和

37、crc可以很容易通過spi接口進行編程配置電流消耗很低在發(fā)射功率為+10dbm時發(fā)射電流為30ma，接收電流為125ma。進入powerdown模式可以很容易實現(xiàn)節(jié)電。特性：(1)最高工作速率50kbps，高效gfsk調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合；(2)125頻段，滿足多點通信和跳頻通信需要；(3)內(nèi)置硬件crc檢錯和點對多通信地址控制；(4)低功耗1936v工作，待機模式下狀態(tài)僅為25ua；(5)模塊可軟件設地址。可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便；(6)tx mode：在+10dbm情況下，電流為30ma；rx mode：122ma。 3.4.1 nrf905模塊設計電路

38、 圖3-9 nrf905模塊及外圍電路 3.4.2 nrf905無線射頻收發(fā)模塊的管腳結構和電氣參數(shù)說明 表3-9 nrf905模塊管腳說明 說明：(1)vcc腳接電壓范圍為33v-36v之間，不能在這個區(qū)間之外，超過36v將會燒毀模塊，推薦電壓在33v左右。(2)除電源vcc和接地端，其余腳都可以直接和普通的5v單片機io口直接相連，無需電平轉換。(3)硬件上面沒有spi的單片機也可以控制本模塊，用普通單片機io 13模擬spi不需要單片機spi模塊介入，只需添加代碼模擬spi時序即可。(4)與51系列單片機p0口連接時候，需要加10k的上拉電阻，與其余口連接不需要。表3-10 nrf905

39、模塊性能參數(shù) 表3-11 nrf905模塊工作電壓與最大發(fā)射增益3.4.3 nrf905無線射頻芯片的工作方式 nrf905模塊一共有四種工作模式，其中有兩種活動rxtx模式和兩種節(jié)電模式?；顒幽Ｊ絪hockburst rx和shockburst tx，節(jié)電模式有掉電和spi編程，standby和spi編程。nrf905工作模式由trx_ce，tx_en，pwr_up的設置來設定。 表3-12 工作模式對照表 3.4.4 nrf905無線射頻芯片的工作步驟shoekbursttm收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從控制器送入，但高速發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也

40、能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費用(低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射1；數(shù)據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高。shockbursttm技術同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流。在shockbursttm收發(fā)模式下，nrf905自動處理字頭和crc校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和crc校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和crc校驗碼，當發(fā)送過程完成后，dr引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。shockburst tx發(fā)送流程典型的nrf905發(fā)送流程分以下幾步：a當微處理器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過spi接口，按時序把接收機

41、的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nrf905，spi接口的速率在通信協(xié)議和器件配置是確定的；b微處理器置高trx_ce和tx_en，激發(fā)nrf905的shockbursttm發(fā)送模式；cnrf905的shockbursttm發(fā)送：(1)射頻寄存器自動開啟；(2)數(shù)據(jù)打包(加字頭和crc校驗碼)：(3)發(fā)送數(shù)據(jù)包；(4) 當數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準備好引腳被置高；dauto_retran被置高，nrf905不斷重發(fā)，直到trx ce被置低；e當trx_ce被置低，nrf905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。注意：shockbursttm工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論trx en和tx en引腳

42、是高或低，發(fā)送過程都會被處理完。只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nrf905才能接收下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。shoekburst rx接收流程a.當trx_ce 為高，tx_en為低時，nrf905進shockbursttm入接收模式；b650us后，nrf905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)；c當nrf905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高；d當接收到一個相匹配的地址，am引腳被置高：e當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nrf905自動移去字頭，地址和crc校驗位，然后把dr引腳置高；f微處理器把trx_ce置低，nrf905進入空閑模式；g微處理器通過spi口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微處理器內(nèi)；h當所

43、有的數(shù)據(jù)接收完畢，nrf905把dr引腳和am引腳置低；inrf905此時可以進入shockbursttm接收模式，shockbursttm發(fā)送模式或關機模式。接收一個數(shù)據(jù)包時，trx ce和tx en引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nrf905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當微處理器接收am引腳的信號之后，其就知道nrf905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓nrf905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進入另一個工作模式。節(jié)能模式nrf905的節(jié)能模式包括關機模式和節(jié)能模式。在關機模式，nrf905的工作電流最小，一般為25ua。進入關機模式后，nrf905保持配置字中的內(nèi)容，但不會接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)。空閑模式有

44、利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動時間也比較短。在空閑模式下，nrf905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。 第4 章 系統(tǒng)軟件設計 本系統(tǒng)的軟件部分采用c語言編程，選用集成開發(fā)軟件環(huán)境是keil uvision2。keil uvision2是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。集編輯，編譯/匯編，調(diào)試為一體，并且能生成hex文件，配合stc-isp v35程序下載軟件，是開發(fā)stc系列單片機的理想開發(fā)工具。 對于本系統(tǒng)的軟件編程，編程時采用模塊化的設計思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊都編程獨立的函數(shù)被主程序調(diào)用，主要的程序模塊由以下幾

45、個自組成：溫度采集，處理程序，液晶顯示程序，無線收發(fā)程序，繼電器控制程序，按鍵處理程序。而其中的關鍵程序是溫度采集程序和無線收發(fā)程序，下面就主要研究設計這兩個程序。4.1 溫度采集程序設計4.1.1單總線技術（1-wire） 單總線是美國達拉斯半導體公司（dallas）推出的外圍擴展總線，它將地址線、控制線、電源線合為一根信號線，允許在這根線上掛數(shù)百個測控對象。在單總線上掛接的測控對象使用的芯片，每個都有一個64位的rom（也稱之為身份證號碼），確保掛接在單總線上后，可以被唯一地識別出來，這是定位和尋址器件實現(xiàn)單總線測控功能的前提條件。rom中含crc校驗碼，能確保數(shù)據(jù)交換可靠；芯片內(nèi)還有收、

46、發(fā)控制和電源存儲電路，一般不用另附電源。這些在控制地點就把模擬信號數(shù)字化，單總線上傳送的是數(shù)字信號，使系統(tǒng)的抗干擾力好，可靠性高。 下面從單總線硬件配置、總線通信協(xié)議和總線信號三個方面來介紹單總線技術。（1） 單總線硬件配置單總線系統(tǒng)只定義了一根信號線?？偩€上的每個器件都能夠在合適的時間驅動它，相當于把地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合成一根線對外進行數(shù)據(jù)交換。為了區(qū)分這些芯片，廠家在生產(chǎn)每個芯片時，都編制了唯一的序列號，通過尋址就能把芯片識別出來，組成一個自動測控系統(tǒng)，甚至還可以組成一個微型局域網(wǎng)。廠家對每個芯片用激光刻錄了一個64位二進制rom代碼。從最低位開始，前8位是族碼，表示產(chǎn)品的分類編號；接

47、著的48位是一個序列號；最后8位是前6位的crc校驗碼（如表3-1）。由于這些芯片采用cmos技術，耗電量很小(空閑時幾uw，工作時幾mw，從單總線上吸收一點電流儲存在芯片內(nèi)的電容中就可正常工作，故一般不用另附電源。單總線上通常處于高電位(sv左右)，每個器件都能在需要時驅動它。為了避免在不工作時給總線增加功耗，單總線器件都是漏極開路或者三態(tài)輸出的。當單總線上所掛器件超過8個時，就需要注意器件的總線驅動問題。連接單總線電纜是有長度限制的。當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將可能發(fā)生錯誤；將總線電纜改為雙絞屏蔽電纜時，正常通信距離可達150m。2）單總線的總線協(xié)議所有的單總線

48、器件都要遵守嚴格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。單總線協(xié)議定義了復位脈沖，應答脈沖，寫o，寫1，讀0，讀1時序等幾種信號類型。所有的單總線命令序列(初始化，rom命令，功能命令)都是由這些基本的信號類型組成的。在這些信號中，除了應答脈沖外，其他均由主機發(fā)出同步信號，并且發(fā)送的所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。圖4-1是初始化時序，初始化時序包括主機發(fā)出的復位脈沖和從機發(fā)出的應答脈沖。在每一個時序中，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。所有的讀寫時序至少需要40us，且每兩個獨立的時序之間至少需要lus的回復時間。單總線器件僅在主機發(fā)出讀時序時才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，當主機向單總線器件發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬

49、上產(chǎn)生讀時序，以便單總線器件能傳輸數(shù)據(jù)。在主機發(fā)出讀時序之后，單總線器件能傳輸數(shù)據(jù)。在主機發(fā)出讀時序之后，單總線器件才開始在總線上發(fā)送0和1。若單總線器件發(fā)送1，則總線保持高電平，若發(fā)送0，則拉低總線。由于單總線器件發(fā)送數(shù)據(jù)后可保持15us有效時間，因此，主機在讀時序期間必須釋放總線，且必須在15us的采樣總線狀態(tài)，以便接收從機發(fā)送的數(shù)據(jù)。3）總線信號單總線傳送的數(shù)據(jù)或命令是由一系列的時序信號組成的，單總線上共有4種時序信號：初始化信號、寫0信號、寫1信號、讀信號。各器件的數(shù)據(jù)手冊對這4種波形參數(shù)都作了具體要求，設計中應保證指令執(zhí)行時間小于或等于時序信號中的最小時間。 圖 4-1初始化時序圖

50、圖4-2寫時序圖 圖4-3 讀時序圖4.1.2 ds18b20溫度采集程序設計 ds18b20以單總線協(xié)議工作，單片機首先發(fā)送復位脈沖，使信號線上的ds18b20被復位，接著發(fā)送rom操作指令，使ds18b20被激活進入接受存儲器訪問命令狀態(tài)。存儲器訪問命令完成溫度轉換、讀取等工作（單總線在rom命令發(fā)送之前存儲和控制命令不起作用）。 系統(tǒng)以rom命令和存儲器命令的形式對dsl8b20操作。rom操作命令均為8位，命令代碼分別為：讀rom(33h)、匹配rom(55h)、跳過rom(cch)、搜索rom(foh)和告警搜索(ech)命令。存儲器操作命令為：寫暫存存儲器(4eh)、讀暫存存儲器(

51、beh)、復制暫存存儲器(48h)、溫度變換(44h)、重新調(diào)出ezpram(b8h)和讀電源供電方式(b4h)命令。 寫數(shù)據(jù)：將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號。在15us之內(nèi)將所需寫的位送到數(shù)據(jù)線上，在15us到60us之間對數(shù)據(jù)線進行采樣，如果采樣為高電平，就寫1，如果為低電平寫0。在開始另一個寫周期前必須有l(wèi)us以上的高電平恢復期。讀數(shù)據(jù)：主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平lus以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電平，從而產(chǎn)生讀起始信號。主機在讀時間片下降沿之后15us內(nèi)完成讀位。每個讀周期最短的持續(xù)期為60us，各個讀周期之間也必須有l(wèi)us以上的高電平恢復期。 溫度采集流程圖如圖4-4所示：

52、 開始結束不向ds18b20發(fā)送初試化命令發(fā)送cch，跳過rom命令發(fā)送44h，啟動溫度轉換發(fā)送beh，準備度溫度初始化成功讀出溫度，數(shù)據(jù)保存是 圖4-4溫度采集流程圖 主要代碼如下： 1.初始化 初始化是dsl8b20的底層基本操作之一。通過單線總線進行的所有操作都是從一個初始化序列開始。初始化序列包括一個由控制器發(fā)出的復位脈沖及其后由dsl8820發(fā)出的存在脈沖。存在脈沖讓控制器知道dsl8b20在總線上且己做好操作準備。源碼如下：init_ds18b20(void)dq=1； /dq復位delay(10)； /稍做延時。dq=0； /單片機將dq拉低。delay(100)； /延時大于4

53、80us。dq=i； /拉高總線。delay(10)；presencc=dq； 如果=o則初始化成功=l則初始化失敗。delay(120)；dq=1；return(presence)；返回信號，0=存在，1=不存在。2.寫數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫是ds18b20的底層基本操作之一，所有的指令、數(shù)據(jù)發(fā)送均有該操作完成。ds18b20的寫操作是逐位進行的，源碼如下：writeonechar(unsigned char dat)unsigned char i；i=o；for(i=0；i=1;/數(shù)據(jù)右移。 3.讀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫是ds18b20的底層基本操作之一，所有的指令、數(shù)據(jù)發(fā)送均有該操作完成。ds18b20的讀操作是逐位進行的，源碼如下：readonechar(void)u