溫度數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

溫度數(shù)據(jù)采集與無線傳輸硬件系統(tǒng)設(shè)計Thedesignofhardwaresystemoftemperaturedataacquisitionandwirelesstransmission1摘要采用單片機為核心利用多個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)進行了設(shè)計，主要包括各個部分電路的設(shè)計，各個芯片的選擇介紹，簡單的軟件設(shè)計，并制成目標板。根據(jù)系統(tǒng)的特點，將系統(tǒng)分為采集發(fā)送端和接受端。系統(tǒng)設(shè)計完成后在實驗室進行了調(diào)試和測試。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)硬件設(shè)計完全符合溫度數(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AbstractMCUistakenasthecore,usingmultipleDS18B20temperaturesensor,liquidcrystaldisplay1602,awirelesstransceivercircuitbasedonnRF905completedtheacquisitionoftemperaturedata,display,andtransmission.Firstly,introducingthebackgroundandcurrentdevelopingconditionofthetemperaturedataacquisitionandwirelesstransmission.Anddesigningthesystem,including:thecircuitdesignofeverypart,selectionandintroductionofchips,asimplesoftwaredesign,andcompletingofthetargetboard.Accordingtothecharacteristicsofthesystem,thesystemisdividedintocollectingandsendingendandreceivingend.Afterfinishingthedesignofthesystem,Idebuggedandtestedit.Theresultofthetestdemonstratedthatthedesignofthehardwaresystemfullyagreedwiththerequirementsoftemperaturedataacquisitionandwirelesstransmissionandcouldbeputintousing.KeywordstemperaturewirelesstransmissionLCDdisplay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...............................................................62.1系統(tǒng)的總體設(shè)計及結(jié)構(gòu)組成...........................................................................................62.2主要芯片的選擇.............................................................................................................72.3系統(tǒng)電源電路和單片機最小系統(tǒng)...............................................................................112.4溫度數(shù)據(jù)采集...............................................................................................................122.5數(shù)據(jù)顯示.......................................................................................................................172.6無線收發(fā).......................................................................................................................19第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計.........................................................................................253.1發(fā)送端軟件設(shè)計...........................................................................................................253.2接收端軟件設(shè)計...........................................................................................................26第四章系統(tǒng)性能調(diào)試.........................................................................................284.1系統(tǒng)調(diào)試.......................................................................................................................284.2抗干擾措施...................................................................................................................28總結(jié)與展望.............................................................................................................30致謝.....................................................................................................................32參考文獻.................................................................................................................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）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)計方案和預(yù)期結(jié)果。1.1無線溫度采集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)字量并進行相應(yīng)的計算處理后，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、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動、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)的進步，無線通信技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，無線通信的實現(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：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，非常便于使用；設(shè)計設(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?？傊?，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、IEEE802．11wLAN、藍牙、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，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進行比較。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只能實現(xiàn)點對點的無線通信，不能完成點對多點的無線通信；最后，IrDA設(shè)備的核心器件一紅外LED容易損壞，因而設(shè)備壽命有限【2】。IEEE802．1lx無線局域網(wǎng)技術(shù)基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而來，是專門針對計算機網(wǎng)絡(luò)通訊而設(shè)計的無線通訊技術(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。IEEE802．11x的通訊協(xié)議復(fù)雜，協(xié)議實現(xiàn)對硬件要求較高，因此基于IEEE802．11x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、維護困難【3】。藍牙(BlueTooth技術(shù)專門為近距離無線數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計，其有效傳輸距離為10米，傳輸速率為IOM。從藍牙(BlueTooth技術(shù)正式公布到現(xiàn)在，藍牙(BlueTooth技術(shù)一直沒有得到預(yù)期的大范圍的應(yīng)用，是因為其芯片以及開發(fā)設(shè)備價格相對高【4】。基于GSM＼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)均可以進行無線數(shù)據(jù)傳輸?；贕SM、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10Kb~60Kb，由于其利用GSM＼CDMA、GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)進行無線數(shù)據(jù)傳輸，因此其運營成本較高【5】。基于嵌入式射頻無線收發(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、傳輸速率快、低耗節(jié)能等諸多優(yōu)點。同時，嵌入式無線射頻收發(fā)一體型芯片普遍采用了標準的數(shù)字通訊接口，如SPI，UART等，可以很方便的與DSP或單片機等微處理器芯片結(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，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)一體型芯片與單片機或DSP的結(jié)合使用，再在數(shù)據(jù)傳輸過程中配合先進的通訊協(xié)議數(shù)據(jù)處理算法實現(xiàn)糾錯、校驗以及加密等功能，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)議運營成本無無無極高中高紅外傳輸802.11xBlueToothGPRS/CDMA1.X極高無高較成熟高較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1.2GHz900MHz／1．2GHz433MHz／1．2GHzIEEE802.1lx藍牙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、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，也是測溫系統(tǒng)中最為重要的測控參數(shù)，因此對溫度進行準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。水銀溫度計至今仍然廣泛應(yīng)用于各種溫度測量場合?？墒撬娜秉c是只能近距離觀測，易碎，而且有毒。代替它的有填充酒精、煤油等玻璃溫度計和利用金屬不同的膨脹系數(shù)制成的金屬片溫度計，它們的缺點都是測量精度很低。(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。它的缺點是線性不好，冷端需要溫度補償。(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，它們的特點是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達六、七百度。但它們的缺點是當(dāng)傳輸線路長短不等時，需要進行溫度補償。而陶瓷熱敏元件的實質(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)點是靈敏度高，過去的缺點是一致性差，現(xiàn)在由于改進配方問題基本解決，分辨率可達0.1％℃以內(nèi)。(4利用熱輻射原理。熱輻射高溫計通常分為單色輻射高溫計和全輻射高溫計。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，進行實時調(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1～2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。但它的缺點是一致性差、不易做到互換，而且PN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用型的品種。檢測精度在±1℃以內(nèi)，測溫范圍可以從絕對0℃~2000℃。(8激光溫度檢測技術(shù)。激光測溫特別適于遠程測量和特殊環(huán)境下的溫度測量。用氦氖激光源的激光作反射計，可測很高的溫度，精度達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+3000℃，專門用于核聚變研究，但在工業(yè)上應(yīng)用還需進一步開發(fā)和實驗。(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250kHz/oC，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。它的缺點是線性不好，冷端需要溫度補償。(10近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(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、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點，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牙、紅外通信、GSM＼CDMA＼GPRS、IEEE802．11x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)合實際，考慮到做成實物調(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)計并實現(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以下幾個方面：1．對無線數(shù)據(jù)采集電路進行了總體規(guī)劃，設(shè)計了采集節(jié)點和接收節(jié)點的結(jié)構(gòu)。從實際需要出發(fā)，并從性能、價格等因素考慮，對主要元器件進行了選型，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，進而完成了發(fā)射接收部分硬件設(shè)計。2．根據(jù)單片機，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。3．對設(shè)計的系統(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板圖的繪制和實物板的制作。5．對無線數(shù)據(jù)采集模塊功能進行了調(diào)試測試，測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的無線數(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，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)膱龊稀１疚脑O(shè)計的模塊成本低，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)計本文的目的是設(shè)計一個體積小、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。為達到這個目標，需要對整個系統(tǒng)進行整體的規(guī)劃。本章針對系統(tǒng)的需求和特點，對主要元件進行選擇，在設(shè)計電路總體結(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。2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計及結(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)計的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要具有如下特點：1．由采集節(jié)點和接收節(jié)點組成，采集節(jié)點主要功能是數(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，接收節(jié)點將接收的數(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。當(dāng)采集節(jié)點不止一個的時候，接收節(jié)點和采集節(jié)點的關(guān)系是一點對多點的通信關(guān)系。各個采集節(jié)點具有相同的結(jié)構(gòu)且都在接收節(jié)點的無線信號覆蓋范圍之內(nèi)，采集節(jié)點彼此之間相互獨立。4．?dāng)?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。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)接收端負責(zé)數(shù)據(jù)的接收和顯示。本設(shè)計的核心控制芯片采用STC89C52RC單片機，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，單片機通過LCDl602液晶屏顯示，實現(xiàn)溫度的多點連續(xù)顯示。以上分析綜合，總體方案框圖如圖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。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、面向大數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器(DSP、增強型的16位單片機機以及32位的AR芯片。51單片機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，計算能力有限，并且擴展麻煩、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，從長遠的觀點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，它的運算能力強，速度快，偏重高端應(yīng)用領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計側(cè)重于有大量數(shù)字信息處理的場合，如雷達、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，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)用場合的增強型單片機，這些系列的單片機大多具有較強的功能模塊接口功能，較高的處理速度，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單片機是一款增強型51單片機，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；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8到12倍2.寬電壓：5.5~4.1V／3.7V，3.6V~2.4V／2.1V3.低功耗設(shè)計：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／低電平和遠程喚醒4.工作頻率：0~35MHz相當(dāng)于普通8051：0~420MHz5.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.ISP／IAP，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【7~11】根據(jù)系統(tǒng)的特點和要求結(jié)合各種芯片的優(yōu)缺點，我們選擇功能合適、價格低廉的STC單片機作為系統(tǒng)的處理器。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?；诒灸K的實際需求，應(yīng)該選用成本低、體積小、功耗低、集成度高、兼容性強、外圍元件少、抗干擾能力強、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)傳輸一直是國內(nèi)外電子通訊領(lǐng)域發(fā)展的重點，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)試困難，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，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單元以及CPLD單元，允許用戶直接對其進行編程，是一種高集成度的多功能芯片。在實際應(yīng)用中，無線射頻收發(fā)一體型芯片的外圍電路十分簡單，可方便與單片機或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、數(shù)據(jù)傳輸安全性好、價格低廉等特點，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)是否需要由軟件進行曼徹斯特編碼。需要由軟件進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，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?，一般僅能達到標準速率的1／3。2．芯片發(fā)射功率。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，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，RF2915，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】。數(shù)字溫度傳感器是微電子技術(shù)、計算機技術(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：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載能力如何，能否滿足多點測溫的需要；占用MCU的I／O引腳數(shù)情況如何，因為MCU的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點溫度測量時，如果測量的點數(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I2C總線，Motorola公司的SPI總線，NationalSemiconductor公司的。Microwireplus總線，DallasSemiconductor公司的1—Wire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：(1AD7418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15~30ms。具有體積小、編程在同一個I2C總線上。(2LM74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Σ型A／D數(shù)模轉(zhuǎn)換器，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、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。LM74具有休眠模式，在休眠時消耗的電流不超過10μA，適用于對功率消耗有嚴格限制的系統(tǒng)。LM74在其有效工作范圍內(nèi)可達0.0625℃的分辨率，轉(zhuǎn)換時間為425ms。(3MAX6575L／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±4．5℃，在125℃時優(yōu)于±5℃。但是MAX6575L／H在其測溫范圍內(nèi)非線性誤差較大，MAX6575L的遠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。(4DSl8820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，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±0．5℃，由于每一個DSl8820出廠時都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獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優(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，所以，選用DSl8820做為溫度測量的傳感器。2.3系統(tǒng)電源電路和單片機最小系統(tǒng)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9~12V的交流電壓，LM7805為轉(zhuǎn)壓芯片其將9~12V的電壓轉(zhuǎn)化為5V直流電VCC，為單片機等提供電源。1086是將5V直流電轉(zhuǎn)化為3.3V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470μF的濾波電容。7805所接的負載必須足夠大，否則將導(dǎo)致過熱，損壞。單片機采用內(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。STC89C52RC圖2.3單片機最小系統(tǒng)2.4溫度數(shù)據(jù)采集本系統(tǒng)為多點溫度采集，DSl8820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，所以用單片機的一個I／O來驅(qū)動多路DSl8B20，如圖2.4所示。單片機讀取各個DSl8B20的序列號，分別獲取器數(shù)據(jù)。DSl8B20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DSl8B20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℃。現(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（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：①64位光刻ROM數(shù)據(jù)存儲器②溫度傳感器③非易失性電可擦寫溫度報警觸發(fā)器TH、TL④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。與單片機接口的每個I／O口可掛接多個DQVD圖2.5DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）DS18B20內(nèi)部4個主要的數(shù)據(jù)部件介紹：①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，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。②DS18B20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位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。表2.2DS18B20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2.3DS18B20的溫度數(shù)據(jù)表③DS18B20溫度傳感器的存儲器DS18B20溫度傳感器的內(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。④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)的溫度計算：當(dāng)符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。表2.6DS18B20暫存寄存器分布根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制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進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，指令如表2.7，最后發(fā)送RAM指令，指令如表2.8。這樣才能對DS18B20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。表2.7ROM指令表表2.8RAM指令表4.DS1820使用中注意事項DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：（1）較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。（2）在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820，在實際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設(shè)計時要注意。（3）連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當(dāng)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)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。（4）在DS1820測溫程序設(shè)計中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個DS1820接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計時一定要重視。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對接地線與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地。2.5數(shù)據(jù)顯示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(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件。本設(shè)計選用的是LCDl602液晶顯示模塊，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。LCD1602的引腳1接地，引腳2接5V電源，引腳3接電位器來調(diào)節(jié)顯示器的對比度，圖2.6顯示接口電路引腳4~14接單片機，引腳15接10K電阻來設(shè)置顯示器的亮度。如圖2.6所示：1.顯示特性（1）單5V電源電壓，低功耗，長壽命，高可靠性（2）內(nèi)置192種字符（160個5×7點陣字符和32個5×10點陣字符）（3）具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義8個5×8點陣字符或四個5×11點陣字符（4）顯示方式：STN、半透、正顯（5）驅(qū)動方式：1/16DUTY，1/5BIAS（6）視角方向：6點（7）背光方式：底部LED（8）通訊方式：4為或8位并口可選（9）標準的接口特性，適配MC51和M6800系列MPU的操作時序。2.接口定義表2.9介紹了LCD1602的引腳配置。表2.9LCD1602的引腳接口定義4.結(jié)構(gòu)塊圖LCD模塊組件內(nèi)部主要由LCD顯示屏、控制器、列驅(qū)動和偏壓產(chǎn)生電路構(gòu)成。如圖2.6所示。LCD顯示屏為common和segment交叉形成的點陣。列驅(qū)動器與控制器配套使用，它接收來自控制器的振蕩、幀同步輸出、串行輸出的數(shù)據(jù)和移位及鎖存脈沖，產(chǎn)生列segment交流掃描驅(qū)動信號?？刂破鹘邮諄碜訫PU的指令和數(shù)據(jù)，控制著整個模塊的工作，由CGTOM、CGRAM和DDRAM等字符存儲區(qū)域、以及與MPU和列驅(qū)動器的I/O接口、指令寄存和譯碼機構(gòu)、地址計數(shù)器等部分組成。在控制器的控制下，模塊通過數(shù)據(jù)總線DB0~DB7和E、R/W、RS三個輸入控制端與MPU接口。這三根控制線按照規(guī)定的時序相互協(xié)調(diào)作用，使控制器通過數(shù)據(jù)總線DB接收MPU發(fā)送來的指令和數(shù)據(jù)，從CGROM中找到欲顯示字符的字符碼，送入DDRAM，在LCD顯示屏上與DDRAM存儲單元對應(yīng)的規(guī)定位置顯示出該字符。控制器還可以根據(jù)MPU的指令，實現(xiàn)字符的顯示、閃爍和移位等顯示效果。圖2.7LCD1602的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.6無線收發(fā)本系統(tǒng)采用基于nRF905的無線射頻電路作為數(shù)據(jù)傳輸電路。圖2.8為基于nRF905無線收發(fā)模塊的接口電路。VCC接3.3V電壓；μCLK為輸出時鐘，本系統(tǒng)中無需使用，懸空；CD為輸出，單片機不對其進行控制，懸空：GND接地；其它引腳和單片機相連，由單片機控制發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機。以nRF905芯片為核心的無線收發(fā)電路工作在433／868／915MHz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(dǎo)碼和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12．5mA。進入POWERDOWN模式可以很容易實現(xiàn)節(jié)電【15】。圖2.9為基于nRF905的無線收發(fā)模塊電路圖：圖2.9基于nRF905的的無線發(fā)射模塊電路圖1.特征（1）433Mhz開放ISM頻段免許可證使用（2）最高工作速率50kbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，適合工業(yè)控制場合（3）125頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要（4）內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制（5）低功耗1.9-3.6V工作，待機模式下狀態(tài)僅為2.5uA（6）收發(fā)模式切換時間<650us（7）電路可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便（8）TXMode:在+10dBm情況下，電流為30mA;RXMode:12.2mA（9）標準DIP間距接口，便于嵌入式應(yīng)用2.接口電路引腳說明表2.10為基于nRF905的無線收發(fā)電路的引腳定義：（1）VCC腳接電壓范圍為3.3V~3.6V之間，超過3.6V將會燒毀模塊。推薦電壓3.3V。（2）除電源VCC和接地端，其余腳都可以直接和5V單片機IO口直接相連。（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口模擬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）13腳、14腳為接地腳,需要和母板的邏輯地連接起來（5）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2.10無線收發(fā)電路的引腳定義3.模塊引腳和電氣參數(shù)表2.11為基于nRF905的無線收發(fā)電路的性能參考數(shù)據(jù)表2.11nRF905電路性能參考數(shù)據(jù)4.工作方式NewMsg-RF905一共有四種工作模式,其中有兩種活動RX/TX模式和兩種節(jié)電模式。活動模式：ShockBurstRX、ShockBurstTX節(jié)電模式：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(shè)置來設(shè)定，具體如表2.12。表2.12無線收發(fā)模塊的設(shè)定PWR_UPTRX_CETX_EN工作模式0111X011XX01掉電和SPI編程Standby和SPI編程ShockBurstRXShockBurstTX（1）ShockBurst模式：ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入高速發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此也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(guān)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行，這樣做的好處：盡量節(jié)能；低系統(tǒng)費用(低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射；數(shù)據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高。ShockBurstTM技術(shù)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，RF905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(dāng)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。ShockBurstTX發(fā)送流程：①.當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給RF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定；②.微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)RF905的ShockBurstTM發(fā)送模式；③.RF905的ShockBurstTM發(fā)送：a.射頻寄存器自動開啟；b.數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼；c.發(fā)送數(shù)據(jù)包；d.當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準備好引腳被置高；④.AUTO_RETRAN被置高，RF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低；⑤.當(dāng)TRX_CE被置低，RF905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，RF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。ShockBurstRX接收流程：①.當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時，RF905進入ShockBurstTM接收模式；②.650us后，RF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)；③.當(dāng)RF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高；④.當(dāng)接收到一個相匹配的地址，AM引腳被置高；⑤.數(shù)據(jù)包接收完畢，芯片自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后DR腳置高⑥.微控制器把TRX_CE置低，nRF905進入空閑模式；⑦.微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；⑧.當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把DR引腳和AM引腳置低；⑨.nRF905此時可以進入ShockBurstTM接收和發(fā)送模式或關(guān)機模式。當(dāng)正在接收一個數(shù)據(jù)包時，TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，RF905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到AM引腳的信號之后，其就知道RF905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓RF905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進入另一個工作模式。（2）節(jié)能模式：RF905的節(jié)能模式包括關(guān)機和節(jié)能模式。關(guān)機模式的工作電流最小一般為2.5uA。進入關(guān)機模式后，配置字中內(nèi)容保持，不接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。在空閑模式有利于減小工作電流，內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。其從空閑到發(fā)送或接收模式的啟動時間也比較短。5.芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，使用非常方便。芯片詳細結(jié)構(gòu)如圖2.10：圖2.10nRF905的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計對于本系統(tǒng)的軟件編程時采用模塊化的設(shè)計思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊都編成獨立的函數(shù)被主程序調(diào)用，主要的程序模塊由以下幾個組成：初始化程序，溫度采集及處理程序，液晶顯示程序，無線收發(fā)程序。3.1發(fā)送端軟件設(shè)計數(shù)據(jù)發(fā)送端流程：發(fā)送端主程序首先是對初始狀態(tài)的設(shè)置，采集數(shù)據(jù)，處理溫度數(shù)據(jù)，顯示同時數(shù)據(jù)打包發(fā)送。主程序死循環(huán)流程如圖3.1用DS18B20進行采集溫度數(shù)據(jù)時，先給單總線復(fù)位，延時，復(fù)位成功之后選擇DS18B20發(fā)轉(zhuǎn)換命令，總線復(fù)位，延時，復(fù)位成功之后發(fā)讀溫度命令，返回溫度值。處理溫度數(shù)據(jù)，先判斷正負，若為負值則設(shè)一個標志位，取出小數(shù)位（低四位），將小數(shù)位移出，剩下的位整數(shù)，分別用模10和除以10得到溫度值的個位和十位。將DS18B20的序號和處理溫度數(shù)據(jù)所得的數(shù)據(jù)賦給發(fā)送有效數(shù)據(jù)寄存器。buffer[0]：DS18B20的序號i；buffer[1]：溫度為負值時為1，否則為0；buffer[2]：溫度值的十位；buffer[3]：溫度值的個位；buffer[4]：溫度值的小數(shù)位。用LCD1602顯示溫度值首先初始化，清屏，功能設(shè)置，顯示設(shè)置，再次清屏，給定要顯示的內(nèi)容，然后設(shè)定顯示位置就可以顯示了。對于nRF905模塊，要使其發(fā)送數(shù)據(jù)包，先初始化905模塊，配置905寄存器，使能spi總線，寫入向TX-Payload中寫入發(fā)送有效數(shù)據(jù)命令，寫數(shù)據(jù)，禁止spi總線；然后使能spi總線，寫入向TX-Address中寫入發(fā)送有效地址命令，寫地址，禁止spi總線；開啟發(fā)射使能，延時，等待發(fā)送數(shù)據(jù)，關(guān)閉發(fā)射使能。圖3.1數(shù)據(jù)發(fā)送端總流程圖3.2接收端軟件設(shè)計接收端流程：接收端主程序首先是對初始化狀態(tài)的設(shè)置，接收數(shù)據(jù)，送顯示流程如圖3.2對于nRF905模塊，要使其接收數(shù)據(jù)包，先初始化905模塊，配置905寄存器，設(shè)定接收模式，等待接收完成，即DR=1,使能spi總線，發(fā)送讀有效數(shù)據(jù)包命令，讀數(shù)據(jù)，禁止spi總線。將接收到的有效數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)賦給DS18B20的序號和溫度數(shù)據(jù)。RxBuf[0]：DS18B20的序號i；RxBuf[1]：溫度為負值時為1，否則為0；RxBuf[2]：溫度值的十位；RxBuf[3]：溫度值的個位；RxBuf[4]：溫度值的小數(shù)位。用LCD1602顯示溫度值首先初始化，清屏，功能設(shè)置，顯示設(shè)置，再次清屏，給定要顯示的內(nèi)容，然后設(shè)定顯示位置就可以顯示了。圖3.2數(shù)據(jù)接收端總流程圖第四章系統(tǒng)性能調(diào)試4.1系統(tǒng)調(diào)試按照本文的軟硬件設(shè)計思想，連接測試板扳，調(diào)試中首先對無線溫度采集的發(fā)射端進行調(diào)試，本實驗板安置了3個溫度傳感器，通過液晶屏1602顯示采集到的溫度值，并通過測試無線模塊的DR端的點評變化，判斷是否發(fā)射數(shù)據(jù)成功。顯示器能夠根據(jù)設(shè)計逐一顯示各個溫度傳感器檢測的溫度，并隨著其溫度的變化而變化，nRF905的DR端由低電平變?yōu)楦唠娖?，則發(fā)射端測試成功。發(fā)射端調(diào)試成功后，再調(diào)試接接收端。接收端無線收發(fā)模塊接收到數(shù)據(jù)送液晶顯示器1602顯示。顯示器能正確反映測試的各個溫度傳感器的溫度，并隨著數(shù)據(jù)采集端的溫度值的變化而相應(yīng)變化，則實驗板調(diào)試成功，軟硬件的設(shè)計都符合主題要求。傳輸距離的測試分室外環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境兩種情況進行。其中室外環(huán)境測試在操場上進行，經(jīng)測試在兩節(jié)點相距90米左右時仍然能夠正常通信，在通信距離超過150米左右時會發(fā)生通信中斷的現(xiàn)象。室內(nèi)環(huán)境測試，由于障礙物的存在，節(jié)點通信距離下降明顯，在不需要穿墻時的通信距離在70米左右，穿兩堵墻時的通信距離在50米左右。4.2抗干擾措施系統(tǒng)在運行過程中會遇到一些末知的干擾，這些干擾嚴重時會破壞系統(tǒng)的正常工作，使其性能達不到設(shè)計要求，甚至造成系統(tǒng)崩潰。因此，為了保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定的工作，必須解決抗干擾問題。硬件干擾措施：（1）首先要選擇體積小，集成度高，可靠性強并且能夠承受環(huán)境影響的集成芯片。nRF905是單片集成，信號的收發(fā)過程都是在一個封裝的芯片內(nèi)完成，避免外部元器件的干擾，且又引進了PLL頻率合成拄術(shù)及鎖相環(huán)技術(shù)，極大的增強了頻率穩(wěn)定性及抗干擾能力。（2）數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)化過程中會產(chǎn)生沖擊電流，在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴重干擾。為了抑制這種干擾，即在電源端和地線端接電容，去掉高頻噪聲。去耦電容的值一般在001～0．1uF之間。(3系統(tǒng)芯片中沒有用到的引腳應(yīng)浚接地或者接到電源上，使它們有固定的電平，從而不容易受到外界的干擾而使?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化。PCB的制板：無線收發(fā)模塊印刷電路板的毆計直接關(guān)系到系統(tǒng)性能，PCB的設(shè)計中把以nRF905為核心的無線收發(fā)模塊獨立出來，單獨做成一塊PCB板，只通過插口與微處理器相連。盡量減少單片機的干擾，各器件要緊靠在nRF905周圍，減少分布參數(shù)的影響。PCB板的太小要適中，過大時印制線條過長，阻抗增加，降低了抗噪能力，過小時元器件過于密集，會相互干擾，散熱效果也不好。用大量過孔連接元件血的接地面和底而的接地面，且加粗地線能夠降低導(dǎo)線電阻，一般地線寬度應(yīng)在2～3mm以上。在實際制作成目標板時，還要考慮元器件的形狀和大小，如LCD和收發(fā)模塊在板上方的占用空間的情況，二極管是否處于直接可視的方位等?？偨Y(jié)與展望1.本文的總結(jié)本篇文章主要研究的是在短距離無線數(shù)據(jù)采集方面的無線多點溫度采集系統(tǒng)的具體應(yīng)用。本系統(tǒng)以STC單片機作為主控芯片，采用數(shù)字式溫度傳感器DSl8820，并利用其特有的單總線特性組技術(shù)，實現(xiàn)多點溫度數(shù)據(jù)的采集和短距離的無線傳輸。本文設(shè)計的模塊具有體積小，功耗低，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，成本低，使用方式靈活等特，因此適用于短距離對各種環(huán)境下對溫度的監(jiān)控。本文的主要工作內(nèi)容如下：1．通過對比藍牙、紅外通信、GSM＼CDMA＼GPRS、IEEE802．11x和基于射頻技術(shù)的短距離無線通信的特點，確定了無線射頻收發(fā)一體芯片的解決方案。2．完成了無線數(shù)據(jù)采集模塊的硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)。整個系統(tǒng)由兩大塊組成，第一部分為溫度數(shù)據(jù)采集和發(fā)送端，由溫度傳感器DSl8820網(wǎng)絡(luò)，液晶屏1602，基于nRF905無線收發(fā)模塊和主控芯片STC89C52RC組成。另一部分為溫度數(shù)據(jù)接收顯示端，基于nRF905無線收發(fā)模塊和主控芯片STC89C52RC，液晶屏1602構(gòu)成。主要包括傳感器接口電路、溫度數(shù)據(jù)顯示電路，無線射頻電路的設(shè)計。3．完成了由本模塊構(gòu)成的小型無線網(wǎng)絡(luò)的方案并給出了程序流程圖。4．根據(jù)硬件設(shè)計圖作出PCB板圖，并嘗試用雕刻和腐蝕的方法作出電路板，焊接元件。5．對本模塊進行了收發(fā)數(shù)據(jù)及傳輸距離的測試，結(jié)果表明本模塊硬件設(shè)計合理，軟件工作正常，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定。2.心得在整個系統(tǒng)的中，經(jīng)歷了查閱資料，設(shè)計圖稿，繪制板圖，購買元件，制作實物板，調(diào)試實驗班，最終成功完成實驗。在這個過程中，通過學(xué)習(xí)對傳感器，單總線技術(shù)，無線通信技術(shù)，LCD顯示技術(shù)等都有了一定的了解。對系統(tǒng)的設(shè)計將以前所學(xué)的各科知識聯(lián)系到一起，對實物的制作與測試又為理論知識向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化積累了經(jīng)驗。設(shè)計系統(tǒng)時，單片機管腳的分配，PCB板雖圖中元器件的擺放，采購中實際元件的情況都要綜合考慮，使得各個部分都達到合理化，同時因為現(xiàn)有資源的的限制，在理論上弄清楚時實際也會采取折中方案。雖然溫度采集和無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計只涉足電子領(lǐng)域的一小部分，卻是我了解并投入到電子生活的開始，它有利于我今后的學(xué)習(xí)和研究。3.對今后的展望本文的工作僅是初步的，還有許多內(nèi)容和問題有待進一步的研究和解決。(1對制成的PCB板，利用改進布線設(shè)計等途徑提高無線數(shù)據(jù)傳輸距離。(2通過對整個系統(tǒng)的各個性能指標的檢測，進一步改進系統(tǒng)的整體性能。(3通過過對天線的設(shè)計改進和參數(shù)的調(diào)整，提高天線傳輸?shù)木嚯x。通過上述的這些改進措施，這個無線溫度傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將具有更強的實用性，而且可擴展性更好。致謝在論文完成之際，真誠地向在青島大學(xué)期問曾經(jīng)指導(dǎo)我的老師、關(guān)心我的領(lǐng)導(dǎo)以及許許多多幫助過我的同學(xué)朋友們表示衷心的感謝!本論文是在李相偉老師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師從學(xué)習(xí)、工作等方面都給予了我莫大的關(guān)懷和支持，老師淵博的知識、豐富的經(jīng)驗使學(xué)生受益匪淺；嚴謹治學(xué)、為人師表的高尚情操使學(xué)生終生難忘，學(xué)生的點滴收獲都是恩師辛勤培育的結(jié)果。在此向李老師和其他教導(dǎo)過學(xué)生的老師表示最崇高的敬意。感謝青島大學(xué)自動化學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)、老師們對我的培養(yǎng)和教育。感謝青島大學(xué)對我學(xué)業(yè)的支持和幫助，提供的優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境和良好的研究資源。感謝所有關(guān)心我、幫助我的朋友們。感謝各位評委的指導(dǎo)和批評。參考文獻1.韓學(xué)軍，趙文濤，無線收發(fā)器在高壓斷路器在線監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用【J】，ElectricPowerIt，2005(3：53-552.張曉紅，SasanSaadat，喬為明．紅外通信IrDA標準與應(yīng)用【J】．光電子技術(shù)，2003，23(4：261．26．3.李文華．藍牙技術(shù)與紅外IEEE80211b和HomeRF的比較[J】．江西通信科技，2003，4(12：15．17．4.YuTingChang．TCP／IP與OSI之比較研究【Z】．http：／／lips．1is．ntu．edu．tw／ytchiang／,1999．5.郭勁松．對開放系統(tǒng)OSI／RM與TCP/IP的界定【J】．湘潭師范學(xué)院學(xué)報，2005(4：36-42．6.黃賢武．傳感器原理與應(yīng)用．電子科技大學(xué)出版社，2006．7.馬淑華．單片機原理與接口技術(shù)．北京郵電大學(xué)出版社，2005．8.李廣弟，朱月秀，王秀山編著．單片機基礎(chǔ)．北京航天航空大學(xué)出版社，2001．9.孫涵芳．MCS-51／96系列單片機原理及應(yīng)用．北京航天航空大學(xué)出版社，2005．10.王迎旭．單片機原理及應(yīng)用．機械工業(yè)出版社，2003．11.赫建國，鄭燕，薛延俠．單片機在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用，2002．12.蔣俊峰．無線收發(fā)芯片比較與選擇權(quán)．今日電子，2003，(9：58．60．13.江世明，劉先任．基于DSl8820的智能溫度測量裝置【J】．邵陽學(xué)院學(xué)報，2004．14.萬福軍，潘松峰.單片機危機原理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用.中國科技技術(shù)大學(xué)出版社，200315.NordicVLSIASA．Singlechip433／868／915MHzTransceivernRF905[J]．ProductDatasheet，2004．16.金保華．基于nRF905的無線數(shù)據(jù)多點跳傳通信系統(tǒng)【J】．儀表技術(shù)與傳感器，2004(9：39-40．目錄前言......................................................................................................................................................................1第1章系統(tǒng)的硬件構(gòu)成......................................................................................................................................21.1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu).....................................................................................................................................21.2系統(tǒng)電源電路設(shè)計.................................................................................................................................21.3溫度采集端硬件電路設(shè)計.....................................................................................................................3第2章系統(tǒng)軟件設(shè)計的整體框架......................................................................................................................82.1發(fā)送方程序設(shè)計.....................................................................................................................................83.1DS18B20的時序..................................................................................................................................15第4章無線數(shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計........................................................................................................................224.1nRF905的工作模式和配置寄存器.....................................................................................................22第5章液晶顯示屏（LCD）顯示程序設(shè)計....................................................................................................355.1LCD接口定義及操作時序....................................................................