溫度數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、溫度數(shù)據(jù)采集與無線傳輸硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)The design of hardware system of temperature data acquisition andwireless transmission1摘 要采用單片機(jī)為核心利用多個DS18B20溫度傳感器，液晶顯示器1602，基于nRF905的無線收發(fā)電路完成了對溫度數(shù)據(jù)的采集，顯示，和傳輸。首先介紹了溫度數(shù)據(jù)采集和無線傳輸?shù)谋尘昂桶l(fā)展現(xiàn)狀。并對系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括各個部分電路的設(shè)計(jì)，各個芯片的選擇介紹，簡單的軟件設(shè)計(jì)，并制成目標(biāo)板。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為采集發(fā)送端和接受端。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了調(diào)試和測試。測試結(jié)果表明：

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完全符合溫度數(shù)據(jù)采集和無線傳輸?shù)囊?，可以投入使用。關(guān)鍵詞 溫度 數(shù)據(jù)采集 無線傳輸 LCD 顯示 單片機(jī)AbstractMCU is taken as the core , using multiple DS18B20 temperature sensor, liquid crystal display 1602, a wireless transceiver circuit based on nRF905 completed the acquisition of temperature data, display, and transmission. Firstly , int

3、roducing the background and current developing condition of the temperature data acquisition and wireless transmission .And designing the system , including: the circuit design of every part , selection and introduction of chips ,a simple software design, and completing of the target board. Accordin

4、g to the characteristics of the system, the system is divided into collecting and sending end and receiving end. After finishing the design of the system , I debugged and tested it. The result of the test demonstrated that the design of the hardware system fully agreed with the requirements of tempe

5、rature data acquisition and wireless transmission and could be put into using.Key words temperature wireless transmission LCD display目 錄第一章 緒論 . 11.1 無線溫度采集的意義 . . 11.2 無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 . . 21.3 溫度測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況 . . 31.4 本文的主要研究工作 . . 5第二章 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . . 62.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)組成 . . 62.2 主要芯片的選擇 . . 72.2.1 微處理器芯片

6、的選擇 . . 72.2.2 無線射頻芯片的選擇 . . 82.2.3 溫度傳感器的選擇 . . 102.3 系統(tǒng)電源電路和單片機(jī)最小系統(tǒng) . . 112.3.1 電源電路設(shè)計(jì) . . 112.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) . . 112.4 溫度數(shù)據(jù)采集 . . 122.4.1 溫度數(shù)據(jù)采集電路 . . 122.4.2 數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 . 122.5 數(shù)據(jù)顯示 . . 172.5.1 數(shù)據(jù)顯示電路 . . 172.5.2 液晶顯示LCD1602 . . 172.6 無線收發(fā) . . 192.6.1 數(shù)據(jù)收發(fā)電路 . . 192.6.2 無線收發(fā)nRF905 . 20第三章 系統(tǒng)軟件

7、設(shè)計(jì) . 253.1 發(fā)送端軟件設(shè)計(jì) . . 253.2 接收端軟件設(shè)計(jì) . . 26第四章 系統(tǒng)性能調(diào)試 . 284.1 系統(tǒng)調(diào)試 . . 284.1.1 硬件性能的測試 . . 284.1.2 無線傳輸距離的測試 . . 284.2 抗干擾措施 . . 28總結(jié)與展望 . 30致 謝 . 32參考文獻(xiàn) . 33附 錄 . 34硬件總體圖 . . 錯誤！未定義書簽。青島大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第一章 緒論本章闡述了數(shù)據(jù)采集和射頻無線傳輸?shù)母艣r，分析了短距離無線數(shù)據(jù)采集的國內(nèi)外現(xiàn)狀，指出了本文的研究目的、研究內(nèi)容和范圍、研究方法及研究意義，闡述了本文的設(shè)計(jì)方案和預(yù)期結(jié)果。1.1 無線溫度采集

8、的意義隨著微電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)和控制中，應(yīng)用數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以采集工業(yè)現(xiàn)場的溫度、濕度、電壓、電流、壓力、流量等諸多工藝參數(shù)，在將這些模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字量并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理后，所得的結(jié)果可以反饋給用戶或控制系統(tǒng)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段；在科學(xué)研究上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以為我們提供大量的動態(tài)信息，成為探索科學(xué)奧秘的重要手段。目前，數(shù)據(jù)采集幾乎無孔不入，它已滲透到了地質(zhì)、醫(yī)藥器械、雷達(dá)、通訊、遙感遙測等各個領(lǐng)域，為我們更好的獲取信息提供了良好的基礎(chǔ)。無線數(shù)據(jù)采集特別適用于復(fù)雜地形條件、高腐蝕性、建筑群、爆炸等場合，或者被采集對象是運(yùn)動

9、、旋轉(zhuǎn)等情況。隨著數(shù)字電路和射頻電路制作工藝、低功耗電路、高能電池、微電子技術(shù)及集成電路技術(shù)的進(jìn)步，無線通信技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，無線通信的實(shí)現(xiàn)越來越容易，傳輸速度越來越快，可靠性越來越高，并且逐漸達(dá)到可以和有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平。無線傳輸越來越多的被應(yīng)用在工業(yè)及民用的數(shù)據(jù)采集上，解決了一些布線復(fù)雜、甚至無法布線的情況。無線方式具有如下幾個顯著的特點(diǎn)：傳輸介質(zhì)采用的是電磁波，節(jié)省了架設(shè)電纜的所需的占地和各種花費(fèi)及其給其他建筑的建設(shè)帶來的不便，應(yīng)用起來更加方便；在應(yīng)用單片機(jī)編解碼接口技術(shù)的無線通信系統(tǒng)中，采用多字節(jié)地址編碼，收發(fā)器的數(shù)量不受限制；具有電路簡單、功耗小、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常便于

10、使用；設(shè)計(jì)設(shè)施都很簡便適合更換場合反復(fù)利用【1】。溫度作為一個重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對溫度測量的要求越來越高，而且測量的范圍也越來越廣，對溫度的檢測技術(shù)的要求也越來越高。因此，溫度測量的研究也是一個重要的研究課題。總之，本課題將數(shù)據(jù)采集與無線傳輸相結(jié)合，發(fā)揮無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，并且解決硬件、軟件及通信協(xié)議優(yōu)化等問題。11.2 無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無處不在的網(wǎng)絡(luò)終端、以人為本、個性化、智能化的移動計(jì)算以及方便快捷的無線接入、無線互聯(lián)等新概念和新的產(chǎn)品，已經(jīng)逐漸融入人們的日常生活和工作領(lǐng)域。隨著而來的便攜式終端以

11、及無線通信技術(shù)得到了極大的發(fā)展并在我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，目前應(yīng)用廣泛的無線通信技術(shù)主要有GSM CDMA GPRS 、IEEE8021 1wLAN 、藍(lán)牙、IrDA 、Home RF 、ZigBee 、UWB 、微功率短距離無線通信技術(shù)等。以上列出了五種常用的無線通信方式，這些通信方式各有優(yōu)點(diǎn)，各有不同的適用范圍，下面針對它們的使用范圍和各自特點(diǎn)進(jìn)行比較。IrDA 是一種視距傳輸技術(shù)，通信設(shè)備中間不能有任何阻擋物，通信設(shè)備的位置也需要相對固定，不適宜用于移動數(shù)據(jù)傳輸；其次，IrDA 只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信，不能完成點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信；最后，IrDA 設(shè)備的核心器件一紅外LED 容

12、易損壞，因而設(shè)備壽命有限【2】。IEEE 8021lx 無線局域網(wǎng)技術(shù)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而來，是專門針對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊而設(shè)計(jì)的無線通訊技術(shù)，其有效傳輸距離為50米，傳輸速率為llM 54M 不等，經(jīng)常應(yīng)用于企業(yè)學(xué)校等場所。IEEE 80211x 的通訊協(xié)議復(fù)雜，協(xié)議實(shí)現(xiàn)對硬件要求較高，因此基于IEEE 80211x 無線局域網(wǎng)技術(shù)所開發(fā)的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的成本較高，安裝調(diào)試復(fù)雜、維護(hù)困難【3】。藍(lán)牙(Blue Tooth技術(shù)專門為近距離無線數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)，其有效傳輸距離為10米，傳輸速率為IOM 。從藍(lán)牙(Blue Tooth技術(shù)正式公布到現(xiàn)在，藍(lán)牙(Blue Tooth技術(shù)一直沒有得到預(yù)

13、期的大范圍的應(yīng)用，是因?yàn)槠湫酒约伴_發(fā)設(shè)備價格相對高【4】?；贕SM CDMA 、GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該技術(shù)依托于GSM 、CDMA GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，因此其沒有傳輸距離的限制，只要GSM CDMA 、GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)均可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。基于GSM 、CDMA 、GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的傳輸速率為10Kb60Kb，由于其利用GSM CDMA 、GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，因此其運(yùn)營成本較高【5】?；谇度胧缴漕l無線收發(fā)一體型芯片的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的

14、一種無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其核心技術(shù)是嵌入式射頻無線收發(fā)一體型芯片技術(shù)。嵌入式射頻無線收發(fā)一體型芯片是國外各大公司近年來推出的一種新型無線傳輸芯片，該芯片將信號調(diào)制、發(fā)射、接收、數(shù)字電路接口等功能集成在一枚芯片中，具有價格低廉、外圍電路簡單、體積小巧、通訊可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快、低耗節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時，嵌入式無線射頻收發(fā)一體型芯片普遍采用了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通訊接口，如SPI ，UART 等，可以很方便的與DSP 或單片機(jī)等微處理器芯片結(jié)合使用?；谇度胧綗o線射頻收發(fā)一體型芯片的上述優(yōu)點(diǎn)，采用嵌入式無線射頻收發(fā)一體型芯片技術(shù)解決低速率無線數(shù)據(jù)傳輸問題是比較理想的解決方案。通過無線射頻收發(fā)一體

15、型芯片與單片機(jī)或DSP 的結(jié)合使用，再在數(shù)據(jù)傳輸過程中配合先進(jìn)的通訊協(xié)議數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)糾錯、校驗(yàn)以及加密等功能，可滿足無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。?.1為上述五種無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的具體性能比較。表1.1 五種無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的具體性能比較嵌入射頻收發(fā)一體型IrDA波長2.4GHz875mml 20米(必通信距離 須是直線功耗情況 中一般，對傳一般，對周圍環(huán)抗干擾能力 輸角度要境要求較高求比高高，可根據(jù)實(shí)際情況自主開發(fā)程差度以及通訊協(xié)議開發(fā)成本技術(shù)成熟度通訊協(xié)議協(xié)議運(yùn)營成本 無 無 無 極高 中 高 紅外傳輸802.11x Blue Tooth GPRS/CDMA1.X 極高 無 高 較成熟 高 較

16、成熟 高 較成熟 低 成熟 可自行定義，靈活度差 較高 差 任意制定或修改硬件較好 好 好 高 較高 高 低 50米 lO 米左右 無限制 100米以上 1.2GHz 900MHz 12GHz 433MHz 12GHz IEEE802.1l x 藍(lán)牙 GSM 、CDMA 、GPRS 芯片 工作頻率1.3 溫度測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它在工業(yè)自動化、家用電器、環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)和汽車工業(yè)等行業(yè)中都是基本的檢測參數(shù)之一。溫度是溫度監(jiān)控系統(tǒng)中最基本、最為核心的衡量指標(biāo)，也是測溫系統(tǒng)中最為重要的測控參數(shù)，因此對溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測一直是一個重要的研究課題。因此，測量溫度的儀器在

17、測溫系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的地位。隨著國內(nèi)外科技的發(fā)展，溫度測量技術(shù)不斷提高【6】。目前各種溫度測量方法種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，主要包括以下幾種：(1 傳統(tǒng)的利用物體熱脹冷縮原理的方法。水銀溫度計(jì)至今仍然廣泛應(yīng)用于各種溫度測量場合?？墒撬娜秉c(diǎn)是只能近距離觀測，易碎，而且有毒。代替它的有填充酒精、煤油等玻璃溫度計(jì)和利用金屬不同的膨脹系數(shù)制成的金屬片溫度計(jì)，它們的缺點(diǎn)都是測量精度很低。(2 利用熱電效應(yīng)的方法。此方法制成的溫度檢測元件主要是熱電偶。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應(yīng)用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是線性不好，冷端需要溫度

18、補(bǔ)償。(3 利用熱阻效應(yīng)的方法。利用該方法的測溫元件大致有電阻測溫元件、導(dǎo)體測溫元件和陶瓷熱敏元件。其中電阻測溫元件是利用感溫元件的電阻隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻的變化值用顯示儀表反映出來，達(dá)到測溫的目的。這類元件如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達(dá)六、七百度。但它們的缺點(diǎn)是當(dāng)傳輸線路長短不等時，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。而陶瓷熱敏元件的實(shí)質(zhì)是利用半導(dǎo)體電阻的正溫特性，用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的熱敏元件。其主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，過去的缺點(diǎn)是一致性差，現(xiàn)在由于改進(jìn)配方問題基本解決，分辨率可達(dá)0.1以內(nèi)。(4 利用熱輻射原理。熱輻射高溫計(jì)通常分為單色輻射高溫計(jì)和全輻射高溫計(jì)。

19、它的原理是物體受熱輻射后，視物體本身的性質(zhì)，能將其吸收、透過或反射。而受熱物體放出的輻射能的多少，與它的溫度有一定的關(guān)系。(5 利用聲學(xué)原理的測量方法。近年發(fā)展起來的聲學(xué)溫度檢測技術(shù)，可以對爐內(nèi)的煙氣溫度測量值和火焰分布在線檢測，判斷爐的燃燒狀況，進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)和控制。其基本原理是通過測量聲波傳感器間的聲波傳播時間以最小二乘原理重建溫度的測量方法。(6 晶體管測溫器件。半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)比金屬大12個數(shù)量級，二極管和三極管的PN 結(jié)電壓、電容對溫度靈敏度很高。由此制成的這類器件的優(yōu)點(diǎn)是在-50+150范圍內(nèi)有良好的特性，體積小、響應(yīng)時間快、價格低。但它的缺點(diǎn)是一致性差、不易做到互換，而且PN

20、結(jié)容易受外界輻射的影響，穩(wěn)定性難以保證。(7 光纖溫度檢測技術(shù)。在常規(guī)辦法無法測量的場合，光纖測溫得到快速發(fā)展，已開發(fā)了開關(guān)式溫度檢測器、輻射式溫度檢測器等多種實(shí)用型的品種。檢測精度在±1以內(nèi)，測溫范圍可以從絕對02000。(8 激光溫度檢測技術(shù)。激光測溫特別適于遠(yuǎn)程測量和特殊環(huán)境下的溫度測量。用氦氖激光源的激光作反射計(jì)，可測很高的溫度，精度達(dá)0.01；用激光干涉和散射原理制作的溫度檢測器可測量更高的溫度，上限可達(dá)+3000，專門用于核聚變研究，但在工業(yè)上應(yīng)用還需進(jìn)一步開發(fā)和實(shí)驗(yàn)。(9 微波溫度檢測器是利用在不同溫度下，溫度與控制電壓成線性關(guān)系的原理制成的。這種檢測器的靈敏度為250

21、kHz/o C ，精度為l 左右，檢測范圍為+20-偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應(yīng)用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是線性不好，冷端需要溫度補(bǔ)償。(10 近年來，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)出將溫度傳感器和數(shù)字電路集成在一起的新型數(shù)字式集成溫度傳感器。數(shù)字式溫度傳感器內(nèi)部一般都包含溫度傳感器、A D 轉(zhuǎn)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(jī)存取存儲器(RAM和只讀存儲器(ROM。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器在精度、分辨率、可靠性、抗干擾能力以及器

22、件微小化方面都有明顯的優(yōu)點(diǎn)，而且，輸出的溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度控制量可以適配各種微控制器。但是受半導(dǎo)體器件本身限制，數(shù)字式傳感器還存在一些不足。比如測溫范圍不寬，一般為+50+150。由于簡化了硬件外圍電路使得軟件設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。1.4 本文的主要研究工作本課題在綜合分析藍(lán)牙、紅外通信、GSM CDMA GPRS 、IEEE80211x 等無線數(shù)據(jù)采集方式的基礎(chǔ)上，針對有線的數(shù)據(jù)采集方式應(yīng)用受到限制的場合，結(jié)合實(shí)際，考慮到做成實(shí)物調(diào)試的成本、開發(fā)的難易程度等可行性問題確定了無線射頻收發(fā)一體芯片解決方案。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于Nordic 公司的nRF905無線數(shù)據(jù)采集模塊。本文的主要研究工作包括

23、以下幾個方面：1對無線數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行了總體規(guī)劃，設(shè)計(jì)了采集節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。從實(shí)際需要出發(fā)，并從性能、價格等因素考慮，對主要元器件進(jìn)行了選型，微處理器采用STC80C52RC ，溫度傳感器采用DS18B20，射頻芯片采用Nordic 公司的nRF905，顯示采用LCD1602，進(jìn)而完成了發(fā)射接收部分硬件設(shè)計(jì)。2根據(jù)單片機(jī)，無線射頻芯片等的電流適用情況完成了直流電源供電部分設(shè)計(jì)。3對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完成了系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)和調(diào)試。4完成了系統(tǒng)PCB 板圖的繪制和實(shí)物板的制作。5對無線數(shù)據(jù)采集模塊功能進(jìn)行了調(diào)試測試，測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)采集模塊具有體積小、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)

24、，可以很好地應(yīng)用在無線數(shù)據(jù)采集及其它短距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊?。本文設(shè)計(jì)的模塊成本低，采用的芯片體積小，容易嵌入到如頭戴設(shè)備、手持設(shè)備中去，有著靈活的使用方式和組網(wǎng)方式，應(yīng)用范圍廣泛，開發(fā)方便。第二章 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本文的目的是設(shè)計(jì)一個體積小、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠且對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的多功能、多用途的無線數(shù)據(jù)采集電路，可用于工業(yè)現(xiàn)場的無法布線環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。為達(dá)到這個目標(biāo)，需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行整體的規(guī)劃。本章針對系統(tǒng)的需求和特點(diǎn)，對主要元件進(jìn)行選擇，在設(shè)計(jì)電路總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要介紹了數(shù)據(jù)采集電路、無線射頻電路、數(shù)據(jù)顯示電路，并且給出了無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各個部分的電路原理圖。

25、2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)組成根據(jù)采集電路的功能和應(yīng)用范圍，本文設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要具有如下特點(diǎn)：1由采集節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)組成，采集節(jié)點(diǎn)主要功能是數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)處理，送LCD 顯示的同時也要將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)將接收的數(shù)據(jù)送LCD 顯示。2本系統(tǒng)針對的是數(shù)據(jù)采集的頻率適中，傳輸速度和距離適中的情況。3可以根據(jù)需要，增加采集節(jié)點(diǎn)。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)不止一個的時候，接收節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)的關(guān)系是一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信關(guān)系。各個采集節(jié)點(diǎn)具有相同的結(jié)構(gòu)且都在接收節(jié)點(diǎn)的無線信號覆蓋范圍之內(nèi)，采集節(jié)點(diǎn)彼此之間相互獨(dú)立。4數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場可能存在各種干擾因素，因此需要在硬件和軟件上采取相應(yīng)措施來

26、提高系統(tǒng)的抗干擾能力，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?模塊需要具有體積小，成本低，開發(fā)周期短的特點(diǎn)。6為了后續(xù)研究和系統(tǒng)更新，模塊必須具有可更新的能力，并且使用方式靈活多樣。 本文的系統(tǒng)由數(shù)據(jù)多點(diǎn)采集端，無線通信接收端兩大部分組成，數(shù)據(jù)發(fā)送端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，處理，顯示和發(fā)送，數(shù)據(jù)接收端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和顯示。本設(shè)計(jì)的核心控制芯片采用STC89C52RC 單片機(jī)，控制多片DSl8B20組成溫度數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，同時通過LCDl602顯示溫度，控制nRF905無線收發(fā)芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，另一片nRF905接收數(shù)據(jù)給接收端單片機(jī)，單片機(jī)通過LCDl602液晶屏顯示，實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)連續(xù)顯示。以上分析綜合，總體方案框圖如

27、圖2.1所示。圖2.1 無線數(shù)據(jù)采集電路方框圖2.2 主要芯片的選擇微處理器、無線射頻芯片和溫度傳感器是本系統(tǒng)最關(guān)鍵的三個部件，從上面的分析可以看出，本系統(tǒng)所選用的元器件需要滿足低功耗、低價格、開發(fā)簡單、操作簡單的特點(diǎn)。2.2.1 微處理器芯片的選擇作為系統(tǒng)的核心部件，微處理器的選擇對整個系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的用。面向工控領(lǐng)域的單片處理器，目前廣泛應(yīng)用的有51系列的8位單片機(jī)、面向大數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器(DSP、增強(qiáng)型的16位單片機(jī)機(jī)以及32位的AR 芯片。51單片機(jī)作為從八十年代就開始流行的處理器，其價格低廉，開發(fā)技術(shù)成熟，用廣泛，但是其不足在于功能過于簡單，計(jì)算能力有限，并且

28、擴(kuò)展麻煩、功耗高，已不能適應(yīng)于目前對測控系統(tǒng)功能和速度的要求。DSP 器件在工控領(lǐng)域的應(yīng)用，從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看是一個必然的趨勢。但從現(xiàn)階段種DSP 器件的情況來看，它的運(yùn)算能力強(qiáng)，速度快，偏重高端應(yīng)用領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)側(cè)重于有大量數(shù)字信息處理的場合，如雷達(dá)、多媒體等領(lǐng)域，不適合在數(shù)據(jù)處理量不大的小型系統(tǒng)使用。而目前其價格較高，開發(fā)技術(shù)難度大。ARM 芯片具有體積小、功耗低、功能廣泛和高性能的特點(diǎn)，但是與DSP 器件一樣不適合應(yīng)用在要求簡單的小型系統(tǒng)的場合。作為這幾類微處理器的一種折衷方案，各大公司紛紛推出各種面向不同應(yīng)用場合的增強(qiáng)型單片機(jī)，這些系列的單片機(jī)大多具有較強(qiáng)的功能模塊接口功能，較高的

29、處理速度，大容量ROM 和RAM ，往往處理器本身就已經(jīng)是一個小系統(tǒng)，僅僅需要一些簡單的電容、電阻元件就可以工作。STC 單片機(jī)是一款增強(qiáng)型51單片機(jī)，完全兼容MCS 51，還增加了新的功能，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(qū)動能力更強(qiáng)；超強(qiáng)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(jī)主要性能：1. 高速：1個時鐘機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8到12倍 2. 寬電壓：5.54.1V3.7V ，3.6V2.4V2.1

30、V3. 低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式(可由任意一個中斷喚醒 、掉電模式(可由任意一個外部中斷喚醒，可支持下降沿低電平和遠(yuǎn)程喚醒4. 工作頻率：035MHz相當(dāng)于普通8051：0420MHz5. 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(shè)置6. 芯片內(nèi)EEPROM 功能，擦寫次數(shù)10萬以上7. ISPIAP ，在系統(tǒng)可編程在應(yīng)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/T19. 硬件看門狗(WDT10. 全雙工異步串行D(UART，兼容普通8051，可當(dāng)2個串口使用11. 先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通8051指令集，有硬件乘法除法指令【711】

31、根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求結(jié)合各種芯片的優(yōu)缺點(diǎn)，我們選擇功能合適、價格低廉的STC 單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器。2.2.2 無線射頻芯片的選擇無線射頻芯片是整個無線通信單元的核心部件，它的選擇成功與否將直接關(guān)系到整個無線數(shù)據(jù)采集電路的性能、成本和開發(fā)周期及難易程度。正確的選擇射頻芯片可以使研發(fā)過程少走彎路，降低成本，更快更好地將產(chǎn)品推向市場。基于本模塊的實(shí)際需求，應(yīng)該選用成本低、體積小、功耗低、集成度高、兼容性強(qiáng)、外圍元件少、抗干擾能力強(qiáng)、接口簡單、開發(fā)方便的無線射頻收發(fā)一體、對于發(fā)射具體沒有很高要求的芯片。無線射頻收發(fā)一體型芯片技術(shù)是近幾年來發(fā)展起來的一種新型無線通訊技術(shù)。近年來，近距離無線數(shù)據(jù)傳輸一

32、直是國內(nèi)外電子通訊領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)，并在家電領(lǐng)域、民用通訊領(lǐng)域以及軍用領(lǐng)域中得到了比較廣泛的應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的無線射頻收發(fā)裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，而且其可靠性以及安全性都不是很好，不能滿足對環(huán)境以及安全性要求比較高的場合的要求，因此國外各大公司紛紛推出了無線射頻收發(fā)一體型芯片。無線射頻收發(fā)一體型芯片采用了目前流行的單芯片設(shè)計(jì)，在一塊芯片上集合了信號調(diào)制解調(diào)、信號射頻發(fā)射、信號接收信號電平轉(zhuǎn)換等功能，有些無線射頻收發(fā)一體型芯片內(nèi)部甚至還集合了單片機(jī)單元以及CPLD 單元，允許用戶直接對其進(jìn)行編程，是一種高集成度的多功能芯片。在實(shí)際應(yīng)用中，無線射頻收發(fā)一體型芯片的外圍電路十分簡單，可方便與單片機(jī)或

33、DSP 連接，而且有些型號的無線射頻收發(fā)一體型芯片在環(huán)境以及電磁兼容性方面的要求可滿足工業(yè)設(shè)備或軍工設(shè)備的使用。與傳統(tǒng)的無線收發(fā)射頻裝置相比，無線射頻收發(fā)一體型芯片具有電磁兼容性好、耗電量低、體積小、外圍電路簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸安全性好、價格低廉等特點(diǎn)，在各種嵌入系統(tǒng)、家電、軍工等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。本模塊的射頻芯片的選擇上，主要參考以下原則：1. 收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)是否需要由軟件進(jìn)行曼徹斯特編碼。需要由軟件進(jìn)行曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會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?，一般僅能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)速率的13。2芯片發(fā)射功率。

34、發(fā)射功率決定無線芯片的信號覆蓋范圍，在同等條件下為保證有效可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高、功率調(diào)節(jié)范圍更大的產(chǎn)品。3芯片抗干擾性能。在無通信當(dāng)中，易受干擾，為保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，應(yīng)該選用抗干擾能力強(qiáng)的芯片。4芯片功耗。芯片的功耗決定著整個模塊性能和應(yīng)用場合，應(yīng)作為考慮的主要因素之一。5收發(fā)芯片正常工作所需的外圍元器件數(shù)目。芯片外圍元件的數(shù)量的直接決定產(chǎn)品的成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。6收發(fā)芯片的封裝和引腳數(shù)。較少的引腳以及較小的封裝，有利于減少PCB 面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。常用無線射頻收發(fā)芯片主要有nRF401，nRF905，TRF6900，R

35、F2915，BCC418，XEl201A 和CC400，表2.1是這幾種芯片的主要性能比較。表2.1 幾種常用無線收發(fā)芯片性能比較 從表中可以看出，相比其它幾種芯片，Nordic 公司的nRF905無線射頻收發(fā)一體芯片功耗低，自身進(jìn)行曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)傳輸速率最快，所需外圍元器件最少，輸出功率最大，并且采用了比FSK 調(diào)制抗干擾能力更強(qiáng)的GFSK 調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠，而外圍器件相對需要的比較少，因而本模塊選用nRF905作為本系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片【12】。2.2.3 溫度傳感器的選擇數(shù)字溫度傳感器是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種數(shù)字溫度傳

36、感器系列產(chǎn)品。在如此眾多的產(chǎn)品中如何選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(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)溫度測量時，如果測量的點(diǎn)數(shù)超過了輸入通道時，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時間，應(yīng)盡量節(jié)約；與MCU 的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡單，溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小【13】。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I 2C 總線，Motorola 公司的SPI 總線，N

37、ational Semiconductor公司的。Microwireplus 總線，Dallas Semiconductor公司的1Wire 總線和Siemens 公司的Profibus 總線等。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有：(1 AD7418是是美國模擬器件公司(ADI推出的單片溫度測量與控制用集成電路。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10位A D 轉(zhuǎn)換器。測溫范圍為-55+125，具有10位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為0.25，精度為±2，轉(zhuǎn)換時間為1530ms。具有體積小、編程在同一個I 2C 總線上。(2 LM74是美國國家半導(dǎo)體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、一型A D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

38、，并具有SPI Microwire 兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。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)。LM74具有休眠模式，在休眠時消耗的電流不超過10A ，適用于對功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。LM74在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá)0.0625的分辨率，轉(zhuǎn)換時間為425ms 。(3 MAX6575L H 是美國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，而且編程簡單，調(diào)試容易，使用方便。測溫范圍為-40+125，其誤差范圍：在25時優(yōu)于±3，在85時優(yōu)于±45，在125時優(yōu)于±5。但是MAX6575L H 在其測溫范圍內(nèi)非線性誤

39、差較大，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溫度數(shù)據(jù)，這也是器件的一個弊端。(4 DSl8820是美國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，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時需要的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，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。DSl8820的測溫范圍-55+125，固有測溫分辨率±05，由于每一個DSl8820出廠時都

40、刻有唯一的一個序列號并存入其ROM 中，因此CPU 可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。綜上所述，由于DSl8820獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用MCU 的I 0引腳資源少，和MCU 的通信協(xié)議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以，選用DSl8820做為溫度測量的傳感器。2.3 系統(tǒng)電源電路和單片機(jī)最小系統(tǒng)2.3.1 電源電路設(shè)計(jì)圖2.2為系統(tǒng)的電源電路。整個系統(tǒng)有市電供電，PJ 為電源適配器，將市電轉(zhuǎn)化為912V的交流電壓，LM7805為轉(zhuǎn)壓芯片其將912V的電壓轉(zhuǎn)化為5V 直流電VCC ，為單片機(jī)等提供電源。1086是將5V 直流電轉(zhuǎn)化為3.3

41、V 交流電VSS ，以供無線射頻芯片使用。電源適配器、7805、1086后都并接470F 的濾波電容。7805所接的負(fù)載必須足夠大，否則將導(dǎo)致過熱，損壞。 2.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)采用內(nèi)時鐘方式，利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在X1，X2的引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激蕩。定時元件本系統(tǒng)采用的是11.0592MHz 的晶振和30pF 的兩個電容組成的并聯(lián)諧振電路，其連接方法如圖2.3所示【14】。單片機(jī)在最小系統(tǒng)除了包含晶振回路還包含一個復(fù)位電路，如圖2.3所示。STC 89C52RC圖 2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.4 溫度數(shù)據(jù)采集2.4.1 溫度數(shù)據(jù)采集電路本系統(tǒng)為多點(diǎn)溫度采集，D

42、Sl8820采用外部供電方式，理論上可以在一根數(shù)據(jù)總線上掛256個DSl8B20，但實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果掛接25個以上的DSl8820仍舊有可能產(chǎn)生功耗問題。另外單總線長度也不宜超過90M ，否則也會影響到數(shù)據(jù)的傳輸。在這里，由于我們連接的DS18B20并不會多于25個，所以用單片機(jī)的一個I O 來驅(qū)動多路DSl8B20，如圖2.4所示。單片機(jī)讀取各個DSl8B20的序列號，分別獲取器數(shù)據(jù)。 2.4.2 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(zhuǎn)換電路集成在一個三極管的集成電路中。信息經(jīng)過單線接口送入DSl8B20或從DS

43、l8B20送出，因此從中央處理器到DSl8B20僅需連接一條線。讀，寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。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±0.5?，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。1. 特征：（1）獨(dú)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(yīng)用得以簡化 （3）不需要外部組件 （4）可用數(shù)據(jù)線供電 （5）不需備份電源（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）用戶可定義的，非易失性的溫度告警設(shè)置

44、（9）告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 2. 引腳定義：（1）DQ 為數(shù)字信號輸入/輸出端； （2）GND 為電源地；（3）VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。3. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)DSl8B20內(nèi)部有四個主要部分： 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(bào)警觸發(fā)器TH 、TL 非易失性電可擦寫設(shè)置寄存器。除此之外還有告訴緩存存儲器。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O 總線，因此稱為一線式數(shù)據(jù)總線。與單片機(jī)接口的每個I O 口可掛接多個DQVD圖2.5 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）D

45、S18B20內(nèi)部4個主要的數(shù)據(jù)部件介紹： 光刻ROM 中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM 的排列是：開始8位（28H ）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM 的作用是使每一個DS18B20序列號都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S 為符號位。表2.2 DS1

46、8B20的溫度格式表 是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM 中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。DS18B20的溫度格式如表2.2所示。例如+125的數(shù)字輸出為07D0H ，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H ，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH ，-55的數(shù)字輸出為FC90H ，溫度數(shù)據(jù)如表2.3所示。表2.3 DS18B20的溫度數(shù)據(jù)表 DS18B20溫度傳感器的存儲器DS18B20溫度

47、傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM 和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM, 后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH 、TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。 配置寄存器該字節(jié)各位的意義如表2.4：表2.4 配置寄存器結(jié)構(gòu)低五位一直都是1 ，TM 是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如表2.5所示：（DS18B20出廠時被設(shè)置為12位）表2.5 溫度值分辨率設(shè)置表 （2）高速暫存存儲器高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表2.6所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。第九個字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。表2.6 DS18B20暫存寄存器分布 根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行