無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要本文介紹的是一個(gè)由單片機(jī)構(gòu)成的無(wú)線溫度控制系統(tǒng)，它利用8051單片機(jī)和DS18B20及數(shù)碼管等其他器件實(shí)現(xiàn)。溫度測(cè)量局部工作原理是單片機(jī)利用DS18B20對(duì)溫度進(jìn)行采集，然后進(jìn)行無(wú)線發(fā)送，接收端收到信號(hào)后，進(jìn)行解碼，之后實(shí)現(xiàn)溫度顯示。溫度控制局部工作原理是由鍵盤(pán)輸入欲設(shè)定的溫度。溫度控制信號(hào)送入CPU處理，通過(guò)PID算法輸出控制信號(hào)，經(jīng)無(wú)線收發(fā)電路發(fā)射出去，接受端收到信號(hào)經(jīng)CPU處理控制半導(dǎo)體溫控裝置到達(dá)欲設(shè)定的溫度。本文對(duì)硬件和軟件進(jìn)行了框圖設(shè)計(jì)，protel原理圖設(shè)計(jì)，程序框圖設(shè)計(jì)，源程序設(shè)計(jì)，文后附錄了完整源程序。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫濕度的要求越來(lái)越高，準(zhǔn)確測(cè)量溫度變得至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)主要是針對(duì)惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以及高科技大范圍的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，布線困難，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差等問(wèn)題做出的一個(gè)解決方案。該方案主要是利用熱電偶采集外界的溫度，利用無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)顯示采集到的溫度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的比照和處理。關(guān)鍵詞：溫度數(shù)據(jù)采集，無(wú)線傳輸，單片機(jī)，PC機(jī) 目錄摘要 1目錄 2一、緒論 4二、系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì) 52.1系統(tǒng)方案設(shè)想 52.2系統(tǒng)方案確實(shí)定 52.2.1傳感器方案 52.2.2短距離無(wú)線通信模塊方案 62.2.3系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案 72.3器件的選用 82.3.1數(shù)字式溫度傳感器的選擇 82.3.2無(wú)線收發(fā)芯片的選擇 92.3.3鍵盤(pán)顯示模塊的選擇 112.3.4溫度控制模塊的選擇 12三、無(wú)線溫度采集原理 123.1.無(wú)線溫度采集的原理 123.2.溫度傳感器簡(jiǎn)介 12四電路的硬件設(shè)計(jì) 154.1溫度采集局部電路設(shè)計(jì) 154.1.1溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 154.1.2數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 164.2無(wú)線收發(fā)電路的設(shè)計(jì) 204.2.1nRF401芯片的介紹 204.2.2典型應(yīng)用電路說(shuō)明 214.3單片機(jī)的選擇 234.4鍵盤(pán)顯示電路的設(shè)計(jì) 234.4.1鍵盤(pán)硬件電路的設(shè)計(jì) 234.4.2顯示電路的設(shè)計(jì) 244.5溫度控制局部電路設(shè)計(jì) 264.5.1D/A轉(zhuǎn)換電路 264.5.2比例積分電路 264.5.3半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)電路 294.6相關(guān)控制電路設(shè)計(jì) 30五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 315.1主程序設(shè)計(jì) 315.1.1上位機(jī)主程序 325.1.2下位機(jī)主程序 325.2子程序設(shè)計(jì) 345.2.1nRF401的通信子程序 345.2.2溫度測(cè)量子程序 355.2.3PID控制子程序 35六、制作與調(diào)試 406.1制作 406.2調(diào)試 42七、總結(jié) 43致謝 44參考文獻(xiàn) 45附錄 46一、緒論隨著社會(huì)的進(jìn)步和生產(chǎn)的需要，利用無(wú)線通信進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的方式已經(jīng)滲透到社會(huì)生活生產(chǎn)的每一個(gè)角落，溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度在影響生產(chǎn)效益的同時(shí)也在逐步得到社會(huì)的重視。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長(zhǎng)時(shí)間停留在現(xiàn)場(chǎng)觀察設(shè)備是否運(yùn)行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個(gè)環(huán)境相對(duì)好的操控室內(nèi)，工作人員可以在這里將控制指令傳輸給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。這樣就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長(zhǎng)的通訊線，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯(cuò)誤換線困難。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無(wú)法鋪設(shè)電纜時(shí)，數(shù)據(jù)甚至無(wú)法傳輸，此時(shí)便需要利用無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不管是溫室大棚的溫度監(jiān)測(cè)，還是糧倉(cāng)的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧倉(cāng)占地面積大，檢測(cè)目標(biāo)分散，測(cè)點(diǎn)較多，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)開(kāi)展的需要。當(dāng)前的科技水平下，無(wú)線通信技術(shù)的開(kāi)展使得溫度采集測(cè)量精確，簡(jiǎn)便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會(huì)安裝室內(nèi)溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無(wú)線通信技術(shù)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫度情況進(jìn)行遙控通風(fēng)等操作，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。以上只是簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子，在現(xiàn)實(shí)生活中，這種溫度采集系統(tǒng)已經(jīng)被成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事國(guó)防、機(jī)器人控制等許多重要領(lǐng)域，而且類似于這種溫度采集系統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到民用和軍事領(lǐng)域。因此，對(duì)于如何利用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，尤其是如何提高無(wú)線數(shù)據(jù)采集的精度等課題的研究就變得非常的有意義。二、系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)溫濕度的檢測(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。因此，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案應(yīng)在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)，器件的選用要著眼于適宜的參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的本錢以及較好的互換性能。2.1系統(tǒng)方案設(shè)想系統(tǒng)采用近幾年來(lái)成熟的各種溫濕度傳感技術(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)造根本的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的功能往往決定了系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是溫濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量、存儲(chǔ)、顯示及后期處理等功能，因此，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以設(shè)想為溫濕度采集模塊、短距離無(wú)線通信模塊、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊等幾大局部。系統(tǒng)方案在溫濕度數(shù)據(jù)采集局部主要有三種設(shè)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)線通信局部主要有三種設(shè)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)處理局部也有兩種設(shè)想：一是采用單片機(jī)控制，二是采用DSP進(jìn)行處理。2.2系統(tǒng)方案確實(shí)定傳感器方案?jìng)鹘y(tǒng)的模擬式傳感器具有測(cè)量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測(cè)量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。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。被測(cè)信號(hào)從敏感元件接收的非電物理量開(kāi)始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號(hào)之間，設(shè)計(jì)者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)測(cè)試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn)品的可靠性及小型化。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。在多點(diǎn)溫濕度檢測(cè)的場(chǎng)合，各被測(cè)點(diǎn)到測(cè)試裝置之間引線距離往往不同，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全去除。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。采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠防止上述問(wèn)題。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。它的信號(hào)原那么上不受放大器和信號(hào)處理系統(tǒng)的溫度漂移的影響，具有極高的抗干擾能力。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。雖然存在反響速度較慢，溫度測(cè)量的范圍不寬的缺點(diǎn)，數(shù)字式傳感器技術(shù)的開(kāi)展仍受到人們?cè)絹?lái)越多的重視?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及開(kāi)展?fàn)顩r，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。短距離無(wú)線通信模塊方案藍(lán)牙技術(shù)作為一種近距離無(wú)線連接的全球性開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)得到了全球眾多大企業(yè)的支持。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)牙標(biāo)準(zhǔn)的核心局部協(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。但是藍(lán)牙設(shè)備價(jià)格昂貴，通訊距離近，藍(lán)牙RF定義了三種功率等級(jí)〔100mw、25mw和1mw〕，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備功率為1mw時(shí)，其發(fā)射范圍一般為10m。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。IrDA具有技術(shù)成熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便、簡(jiǎn)單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、保密性強(qiáng)、本錢低廉等優(yōu)點(diǎn)。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)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的開(kāi)展，世界上主要的芯片廠商都推出了無(wú)線收發(fā)芯片。短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的大局部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。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界干擾。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)根本的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能。新一代短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無(wú)線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離，確定該局部電路設(shè)計(jì)使用無(wú)線收發(fā)芯片。無(wú)線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，通訊協(xié)議簡(jiǎn)單透明，技術(shù)成熟。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。系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案溫度數(shù)據(jù)在采集后通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的控制。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。專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立完整的功能實(shí)體，用單片機(jī)或DSP來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)。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。根據(jù)微處理器的不同，專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為DSP應(yīng)用系統(tǒng)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。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。由于DSP主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部I/0接口比擬少，不便于系統(tǒng)擴(kuò)展，因此多數(shù)DSP系統(tǒng)還要通過(guò)單片機(jī)來(lái)進(jìn)行外部接口擴(kuò)展，這導(dǎo)致了DSP的本錢較高，另外，DSP具有一定的專用性，開(kāi)發(fā)過(guò)程比擬復(fù)雜，不便于通用。單片機(jī)是把微型機(jī)的主要局部集中在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。由于它的結(jié)構(gòu)與指令都按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，故又稱微控制器〔MicrocontrollerUnit〕，也可稱微型計(jì)算機(jī)〔SingleChipMicrocomputer〕。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。單片機(jī)受集成度限制，片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小，一般ROM只有4~8K字節(jié)，RAM小于256字節(jié)，通過(guò)外部擴(kuò)展，ROM、RAM可擴(kuò)展至64K字節(jié)。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。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)正在被各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。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)。尤其適用于系統(tǒng)中沒(méi)有復(fù)雜的計(jì)算處理、對(duì)采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。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。在單片機(jī)能夠滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機(jī)無(wú)異是首選的信息處理單元。2.3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開(kāi)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設(shè)計(jì)工程師的選擇對(duì)象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出適宜的器件，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、分辨率要適宜，以便減少不必要的電路和軟件開(kāi)發(fā)本錢；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)資源非常珍貴，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，這將增加本錢和開(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、本錢要盡量小。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(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。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10位A/D轉(zhuǎn)換器。測(cè)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±2②LM74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。具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、本錢低等優(yōu)點(diǎn)。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)存放器中存儲(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具有休眠模式，在休眠時(shí)消耗的電流不超過(guò)10μA,適用于對(duì)功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。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)0.0625℃③MAX6575L/H是美國(guó)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(jiǎn)單，調(diào)試容易，使用方便。測(cè)溫范圍為-40~+125℃，其誤差范圍：在25℃時(shí)優(yōu)于±3℃,在85℃時(shí)優(yōu)于±4.5℃，在125℃時(shí)優(yōu)于±5℃。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。它最多允許在一根MCU的I/O總線上同時(shí)掛接8個(gè)MAX6575L/H進(jìn)行多點(diǎn)溫度測(cè)量。為了防止多個(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“④DS18B20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，而且本錢低、體積小、可靠性高。DS18B20的測(cè)溫范圍-55~+125℃，最高分辨率可達(dá)0.0625Dallas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)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀，易于掌握。由于DS18B20獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，占用MCU的I/O引腳資源少，和MCU的通信協(xié)議比擬簡(jiǎn)單，本錢較低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以，選用DS18B20做為溫度測(cè)量的傳感器。無(wú)線收發(fā)芯片的選擇無(wú)線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比擬多，在設(shè)計(jì)中選擇適宜芯片可以提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、節(jié)約本錢。在選擇時(shí)，應(yīng)主要參考以下幾點(diǎn)：①收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會(huì)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?，一般僅能到達(dá)標(biāo)稱速率的1/3，而采用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率，編程方便。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)雜程度和本錢，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。③功耗大多數(shù)無(wú)線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品．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。⑤收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積降低本錢，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。常用的無(wú)線收發(fā)芯片主要有：①CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，在0.35μmCMOS工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在315、868及915MHz，但CC1000很容易通過(guò)編程使其工作在300~1000MHz范圍內(nèi)。它具有低電壓〔2.3~3.6V〕，極低的功耗，可編程輸出功率〔-20~10dBm〕，高靈敏度〔一般-109dBm〕，小尺寸〔TSSOP-28封裝〕，集成了位同步器等特點(diǎn)。其FSK數(shù)傳速率可達(dá)72.8Kbps，具有250Hz步長(zhǎng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數(shù)能通過(guò)串行總線接口編程改變，使用非常靈活。②nRF24E1是挪威NordicVLSIASA公司最近開(kāi)發(fā)的一種嵌入了高性能單片機(jī)內(nèi)核的高速單片無(wú)線收發(fā)芯片[15]。采用先進(jìn)的0.18μsCMOS工藝、6mm×6mm的36引腳QFN封裝；以nRF2401芯片結(jié)構(gòu)為根底，將射頻、8051MCU、9輸入12位ADC、125頻道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中；內(nèi)部有電壓調(diào)節(jié)器〔工作電壓1.9~3.6V〕和VDD電壓監(jiān)視，通常開(kāi)關(guān)時(shí)間小于200μs，數(shù)據(jù)速率1Mbps，輸出功率0dBm；不需要外接SAW濾波器，極少的外圍電路，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，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影響；工作在全球開(kāi)放的2.4GHz頻段、勿需申請(qǐng)通信許可證。③nRF903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)76.8Kbit/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(wú)線數(shù)據(jù)雙向傳輸，在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)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。④TH72011是Melexis公司的單片射頻發(fā)射芯片，頻率范圍380MHz~450MHz，采用VCO+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；FSK調(diào)制方式,抗干擾能力強(qiáng)；FSK頻偏和中心頻率可獨(dú)立調(diào)節(jié)；寬電壓范圍1.9~5.5V，靜態(tài)電流小，工作電流可在3.5mA~10.7mA調(diào)節(jié)；發(fā)射功率可在-12dBm~+10dBm調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)速率可達(dá)40Kbit/s。可嵌入各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)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。⑤nRF401是挪威NordicVLSI公司推出的單芯片RF收發(fā)機(jī)，專為在433MHzISM(工業(yè)、科研和醫(yī)療)頻段工作而設(shè)計(jì)。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)。nRF401的外圍元件很少，僅10個(gè)左右。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(méi)有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便?；趎RF401本錢低、可靠性高、外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)將nRF401做為無(wú)線收發(fā)芯片的首選。鍵盤(pán)顯示模塊的選擇顯示單元是人機(jī)交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè)備，通常的顯示器件有液晶顯示器〔LCD〕和數(shù)碼管顯示器〔LED〕。液晶顯示器在使用中有許多考前須知：不能對(duì)它長(zhǎng)期施加直流電，否那么易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過(guò)大的壓力；對(duì)于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時(shí)烙鐵要接地。可見(jiàn)液晶顯示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時(shí)也有一定的優(yōu)勢(shì)，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是pA級(jí)的。數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對(duì)電源沒(méi)有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽(yáng)光的照射，也沒(méi)有嚴(yán)格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強(qiáng)的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本系統(tǒng)由于要適合在不同環(huán)境條件下使用，所以選用數(shù)碼管顯示器。本系統(tǒng)采用五位數(shù)碼管，兩位用來(lái)顯示當(dāng)前溫度，兩位用來(lái)顯示欲設(shè)定的溫度，一位用來(lái)顯示當(dāng)前狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，鍵盤(pán)由四個(gè)鍵組成，即溫度增加鍵、溫度減小鍵、確認(rèn)鍵和取消鍵。因按鍵很少，所以采用獨(dú)立式鍵盤(pán)。溫度控制模塊的選擇溫度控制單元是系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中最重要的一局部。目前制冷系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)、使用氨水的吸收式制冷系統(tǒng)和近幾年開(kāi)展起來(lái)的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。目前制熱技術(shù)主要有太陽(yáng)能吸收熱量、煤炭燃燒制造熱量、熱泵和近幾年開(kāi)展起來(lái)的半導(dǎo)體制熱系統(tǒng)。其中半導(dǎo)體制冷制熱是利用特種半導(dǎo)體材料通過(guò)直流電時(shí)產(chǎn)生低溫高溫的一種制冷制熱方式，由于它彌補(bǔ)了其它制冷制熱方式的缺乏，在當(dāng)今世界的人下制冷制熱技術(shù)中占有獨(dú)特的地位。所以本系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體制冷制熱器件。三、無(wú)線溫度采集原理3.1.無(wú)線溫度采集的原理無(wú)線溫度采集的原理如下：溫度傳感器將被測(cè)點(diǎn)的溫度采集后輸出的模擬信號(hào)逐步送往信號(hào)放大電路、低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換器〔即信號(hào)調(diào)理電路〕，然后在單片機(jī)的控制下將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)傳送到無(wú)線收發(fā)芯片中，并通過(guò)芯片的調(diào)制處理后由芯片內(nèi)部的天線發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)模塊中，發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)由單片機(jī)控制的無(wú)線收發(fā)芯片接收并解調(diào)，最后通過(guò)接口芯片發(fā)送到PC機(jī)中進(jìn)行顯示和處理。3.2.溫度傳感器簡(jiǎn)介在采集被測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)會(huì)用到溫度傳感器。溫度傳感器就是能夠感知和測(cè)量環(huán)境中某點(diǎn)溫度的一種敏感器件，它將環(huán)境中的溫度或與溫度有關(guān)的參量的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得被測(cè)點(diǎn)在環(huán)境中的溫度信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警系統(tǒng)。溫度測(cè)量方法有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類。接觸式測(cè)溫是，溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象接觸，經(jīng)過(guò)換熱后兩者溫度相等。目前常用的接觸式測(cè)溫儀表有：膨脹式溫度計(jì)。一種是利用液體和氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸汽壓變化來(lái)測(cè)量溫度，如玻璃液體溫度計(jì)和壓力式溫度計(jì)；另一種是利用兩種金屬的熱膨脹差來(lái)測(cè)量溫度，如雙金屬溫度計(jì)。熱電阻溫度計(jì)。它利用固體材料的電阻隨溫度而變化的原理測(cè)量溫度，如鉑電阻、銅電阻和熱敏電阻。熱電偶溫度計(jì)。它利用熱電效應(yīng)測(cè)量溫度。其他原理的溫度計(jì)。例如，基于半導(dǎo)體器件溫度效應(yīng)的集成溫度傳感器、基于晶體的固有頻率隨溫度而變化的石英晶體傳感器等。接觸式測(cè)溫的測(cè)量方法比擬直觀、可靠，測(cè)量?jī)x表也比擬簡(jiǎn)單。但是，由于敏感元件必須與被測(cè)對(duì)象接觸，在接觸過(guò)程中就有可能破環(huán)被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)分布，從而造成測(cè)量誤差。有的測(cè)溫元件不能和被測(cè)對(duì)象充分接觸，不能到達(dá)充分的熱平衡，使測(cè)溫元件和被測(cè)對(duì)象溫度不一致，也會(huì)帶來(lái)誤差。在接觸過(guò)程中，有的介質(zhì)有強(qiáng)烈的腐蝕性，特別在高溫時(shí)對(duì)測(cè)溫元件的影響更大，從而不能保證測(cè)溫元件的可靠性和工作壽命。非接觸測(cè)溫時(shí)，溫度敏感元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，而是通過(guò)輻射能量進(jìn)行熱交換，由輻射能的大小來(lái)推算被測(cè)物體的溫度。目前常用的非接觸式測(cè)溫儀表有：輻射式溫度計(jì)。其測(cè)量原理是基于普朗克定理，如光電高溫計(jì)、輻射傳感器、比色溫度計(jì)。光纖式溫度計(jì)。它是利用光纖的溫度特性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，或者僅僅是光纖作為傳光的介質(zhì)。如光纖溫度傳感器、光纖輻射溫度計(jì)。目前在高溫測(cè)量中，應(yīng)用最廣泛的是非接觸式測(cè)溫儀表，主要應(yīng)用在冶金、鑄造、熱處理，以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。任何物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，因其內(nèi)部帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，都會(huì)以一定波長(zhǎng)電磁波的形式向外輻射能量，只是在低溫段這種能量很弱。輻射式測(cè)溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。在測(cè)量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，而不必與物體接觸，因此，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度且不破壞物體的溫度場(chǎng)。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必到達(dá)被測(cè)物體的實(shí)際溫度，從理論上講，沒(méi)有上限，可以測(cè)量高溫。但是，這樣的非接觸式測(cè)溫儀表的測(cè)量精度一般不高。為了采集特定點(diǎn)的溫度，并在上位機(jī)上進(jìn)行顯示和控制，要求所使用的溫度傳感器必需有一定的精度，顯然使用非接觸式測(cè)溫儀表就不是非常適宜。而在接觸式測(cè)溫儀表中，熱電阻式傳感器的測(cè)溫范圍主要在中、低溫區(qū)域〔-200℃～650℃〕，且線性度較差，只在某一較窄范圍內(nèi)有較好的線性度，由于是半導(dǎo)體材料，其復(fù)現(xiàn)性和互換性較差；熱電偶傳感器是一種將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)變化的傳感器，在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫元件之一，其主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣，可以在1K至2800表3-1為國(guó)際電工委員會(huì)〔IEC〕推薦的8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的特性[1]。表3-1標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)B適于測(cè)量1000℃在中低溫領(lǐng)域熱電動(dòng)勢(shì)小，不能用于600℃R,S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化；抗氧化、耐化學(xué)腐蝕；可作標(biāo)準(zhǔn)靈敏度低；不適用于復(fù)原性氣氛〔尤其是氫氣、金屬蒸汽〕；熱電動(dòng)勢(shì)的線性不好；價(jià)格高N熱電動(dòng)勢(shì)線性好；1000℃不適用于復(fù)原性氣氛；同貴重金屬熱電偶相比，時(shí)效變化大K熱電動(dòng)勢(shì)線性好；1000℃不適用于復(fù)原性氣氛；同貴重金屬熱電偶相比，時(shí)效變化大；因短程有序結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高；同J型相比，耐熱性能良好；兩極非磁性不適用于復(fù)原性氣氛；熱導(dǎo)率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于復(fù)原性氣氛；熱電動(dòng)勢(shì)較K型高20％左右鐵正極易生銹；熱電特性漂移大T熱電動(dòng)勢(shì)線性好；低溫特性好；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好；可用于復(fù)原性氣氛使用溫度低；銅正極易氧化；熱傳導(dǎo)誤差大四電路的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案設(shè)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)框圖如圖4-1所示。數(shù)字溫度傳感器DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS18B20中央控制單元8051無(wú)線收發(fā)電路nRF401半導(dǎo)體制冷制熱器件中央控制單元8051無(wú)線收發(fā)電路nRF401鍵盤(pán)顯示模塊圖4-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)由溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤(pán)顯示模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、溫度控制模塊等局部組成。溫度采集局部工作原理是由數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫并把數(shù)據(jù)傳到CPU，由CPU處理通過(guò)無(wú)線收發(fā)電路向外發(fā)送信號(hào)，接收端收到信號(hào)經(jīng)CPU處理在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。溫度控制局部工作原理是由鍵盤(pán)輸入欲設(shè)定的溫度。溫度數(shù)據(jù)信號(hào)送入CPU處理，通過(guò)無(wú)線收發(fā)電路發(fā)射出去，接受端收到信號(hào)經(jīng)CPU處理控制半導(dǎo)體溫控裝置到達(dá)欲設(shè)定的溫度。4.1溫度采集局部電路設(shè)計(jì)4.1.1溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路針對(duì)8051單片機(jī)I/O口線較少的特點(diǎn)，用一只DS18B20型單線數(shù)字式集成溫度傳感器組成溫度采集網(wǎng)絡(luò)。VCCVCCGND8051DS18B20圖4-2溫度采集網(wǎng)絡(luò)框圖4.1.2數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 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。為了區(qū)分這些芯片，廠家在生產(chǎn)芯片時(shí)，為每個(gè)芯片編制了惟一的序列號(hào)，通過(guò)尋址就能把芯片識(shí)別出來(lái)。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。DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器[18]。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(kāi)銷大為簡(jiǎn)化；③測(cè)溫時(shí)無(wú)需任何外部元件：④可以通過(guò)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±0.5⑥溫度轉(zhuǎn)換精度9-12位可編程，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出。12位精度轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為750ms。因?yàn)樗菙?shù)字輸出，而且只占用一個(gè)I/O端口，所以它特別適合于微處理器控制的各種溫度測(cè)控系統(tǒng)，防止了模擬溫度傳感器與微處理器接口時(shí)需要的A/D轉(zhuǎn)換和較復(fù)雜的外圍電路?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。1．DS18B20的結(jié)構(gòu)DS18B20主要由四局部組成。①64位光刻ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器②溫度傳感器③非易失性電可擦寫(xiě)溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL④非易失性電可擦寫(xiě)設(shè)置存放器如圖4-4所示，器件只有3根外部引腳，其中VDD和GND為電源引腳，另一根DQ線那么用作I/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(gè)I/O口可掛接多個(gè)DS18B20器件。每片DS18B20含有一個(gè)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(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(guò)尋址將其識(shí)別出來(lái)，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。所以多片DS18B20能夠連接在同一條數(shù)據(jù)線上而不會(huì)造成混亂。這為溫度的多點(diǎn)測(cè)量帶來(lái)了極大的方便。DS18B20傳感器的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成。第一、二個(gè)字節(jié)是溫度數(shù)據(jù)(MSB、LSB)，可以在系統(tǒng)配置存放器中自行設(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。第三、四字節(jié)是溫度上下限報(bào)警值(TH、TL)。第五字節(jié)是系統(tǒng)配置存放器，存放器各位定義如下：第八位用來(lái)設(shè)置傳感器的工作狀態(tài)，“1”為測(cè)試狀態(tài)，“0GNDGND存儲(chǔ)器和控制邏輯溫度傳感器高溫度觸發(fā)器TH低溫度觸發(fā)器TL64位ROM和單線接口VDDVDDDQ供電方式檢測(cè)便箋式存儲(chǔ)器CRC發(fā)生器圖4-4DS18B20的結(jié)構(gòu)框圖溫度傳感器的轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲(chǔ)器中，其中第一個(gè)字節(jié)〔Byte0〕存放測(cè)溫結(jié)果的低位〔LSByts〕，第二個(gè)字節(jié)〔Byte1〕存放測(cè)溫結(jié)果的高位〔MSByts〕，S為符號(hào)位，其它位為數(shù)據(jù)位，溫度為負(fù)時(shí)S=1；溫度為正時(shí)S=0。格式如下：Bit0Bit7LSByts232221202-12-22-32-4Bit8Bit15MSBytsSSSSS262524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，那么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。DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)可以選擇9~12位，分別對(duì)應(yīng)的測(cè)溫分辨率為0.5℃,0.25℃，0.125℃，0.0625Bit7Bit00R1R011111R1、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4-1所示，可見(jiàn)位數(shù)每減少一位，分辯率同比減少而轉(zhuǎn)換時(shí)間那么加快一倍,器件上電時(shí)默認(rèn)分辯率為12位。表4-1配置存放器設(shè)置R1R0分辨率℃最大轉(zhuǎn)換時(shí)間ms有效位數(shù)000.593.759位〔Bit11~Bit3〕010.25187.5010位〔Bit11~Bit2〕100.125375.0011位〔Bit11~Bit1〕110.0625750.0012位〔Bit11~Bit0〕溫度報(bào)警觸發(fā)器和設(shè)置存放器都由非易失性電可擦寫(xiě)存儲(chǔ)器(EEPROM)組成，設(shè)置值通過(guò)相應(yīng)命令寫(xiě)入，一旦寫(xiě)入后不會(huì)因?yàn)榈綦姸鴨适А?.DS18B20的測(cè)溫原理DS18B20的溫度傳感器是通過(guò)溫度對(duì)振蕩器的頻率影響來(lái)測(cè)量溫度，如圖3-4所示。DS18B20內(nèi)部有兩個(gè)不同溫度系數(shù)的振蕩器。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過(guò)由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門(mén)開(kāi)通周期而被計(jì)數(shù)，通過(guò)該計(jì)數(shù)值來(lái)測(cè)量溫度。計(jì)數(shù)器被預(yù)置為與0℃對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值，如果計(jì)數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門(mén)周期結(jié)束前計(jì)數(shù)到零，表示測(cè)量的溫度高于0℃，被預(yù)置在0℃的溫度存放器的值就增加一個(gè)增量，同時(shí)為了補(bǔ)償和修正溫度振蕩器的非線性，計(jì)數(shù)器被斜率累加器所決定的值進(jìn)行預(yù)置，時(shí)鐘再次使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)直至零，如果開(kāi)門(mén)通時(shí)間仍未結(jié)束，那么重復(fù)此過(guò)程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門(mén)周期結(jié)束為止。這時(shí)溫度存放器中的值就是被測(cè)的溫度值。這個(gè)值以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲(chǔ)器中。溫度值由主機(jī)通過(guò)發(fā)讀存儲(chǔ)器命令讀出，經(jīng)過(guò)取補(bǔ)和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到實(shí)測(cè)的溫度值。低溫度低溫度系數(shù)振蕩器高溫度系數(shù)振蕩器停止+1預(yù)置計(jì)數(shù)器溫度存放器=0計(jì)數(shù)器=0斜率累加器預(yù)置比擬器圖4-4DS18B20測(cè)溫原理3.DS18B20的封裝和供電方式DS18B20是DS1820的升級(jí)產(chǎn)品，一般封裝為T(mén)O-92，比DS1820的PR-35封裝更小。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。DS18B20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時(shí)VDD接地，它是通過(guò)內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來(lái)完成溫度轉(zhuǎn)換，完成溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長(zhǎng)。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(lái)完成對(duì)DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，完成溫度測(cè)量的時(shí)間較短。當(dāng)使用數(shù)據(jù)總線寄生供電時(shí)，供電端必須接地，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。但當(dāng)所測(cè)溫度超過(guò)100℃4.2無(wú)線收發(fā)電路的設(shè)計(jì)4.2.1nRF401芯片的介紹射頻收發(fā)芯片nRF401工作在433MHz國(guó)際通用的ISM頻段；FSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達(dá)-105dBm，最大發(fā)射功率到達(dá)+10dBm；數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Kbit/S；可方便地嵌入各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中；在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線抄表系統(tǒng)、無(wú)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。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〔2.7V—3.6V〕，功耗低，發(fā)射時(shí)電源電流8mA，接收時(shí)電源電流250μA，接收待機(jī)狀態(tài)僅為8μA；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。nRF401采用20腳SSOIC封裝，內(nèi)部電路可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路幾局部。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?；鶞?zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。本機(jī)振蕩用鎖相環(huán)〔PLL〕方式，由在DDS根底上的頻率合成器、外接的無(wú)源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的電感組成。要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過(guò)DIN端〔第9腳〕輸入。接收電路包含有：低噪聲放大器、混頻器、FSK解調(diào)器、濾波器等電路。接收電路中，低噪聲放大器放大輸入的射頻信號(hào)，接收靈敏度-105dBm。混頻器采用Ⅰ級(jí)混頻結(jié)構(gòu)，混頻器的輸出信號(hào)經(jīng)中頻濾波器濾波后送入FSK解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DOUT端〔第10腳〕輸出。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(guò)DIN輸入，解調(diào)出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)DOUT輸出；12腳通道選擇：CS=“0”為通道#〔1433.9,MHz〕，CS=“1”為通道#2〔434.33MHz〕；18腳電源開(kāi)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。nRF401內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-5，引腳圖4-6。4.2.2典型應(yīng)用電路說(shuō)明我們使用的是nRF401快速開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)套件，典型應(yīng)用電路如圖4-7所示。DEMDEMOSCPLLVCOPA圖4-5nRF401內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2020191817161514131211XC1VDDVSSFILT1VCO1VCO2VSSVDDDINDOUTXC2TXENPWR_UPVSSANT1ANT2VSSVDDCSRFPWRDOUT圖4-6nRF401引腳圖如圖4-7所示，1腳和20腳之間連接的是震蕩電路，采用4MHz的晶震；9腳是數(shù)據(jù)的輸入引腳，10腳是數(shù)據(jù)的輸出引腳，11腳可以通過(guò)選擇不同的R3值調(diào)整發(fā)射功率，當(dāng)R3＝22kΩ時(shí)，有最大發(fā)射功率＋10dBm；15腳和16腳是環(huán)形天線的連接引腳；18腳可控制工作和待機(jī)模式；19腳可以控制發(fā)射和接收模式。圖4-7nRF401典型應(yīng)用電路在無(wú)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(wú)線傳輸。圖4-8是發(fā)送和接收電路框圖。P25P258051P26P27RXDTXDTXENPWR_UPCSnRF401DOUTDIN圖4-8發(fā)送和接收電路框圖在圖4-8中可以看出，微控制器的I/O口P2.7控制nRF401的片選端，P2.5口控制nRF401的TXEN端，即發(fā)送/接收控制端，實(shí)現(xiàn)半雙工通信功能；P2.6口控制nRF401的POWER_UP端，實(shí)現(xiàn)待機(jī)和上電的控制，到達(dá)節(jié)能目的。4.3單片機(jī)的選擇單片機(jī)體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好、開(kāi)發(fā)較為容易，自問(wèn)世以來(lái)以其極高的性價(jià)比一直受到人們的重視和關(guān)注。因8051單片機(jī)技術(shù)比擬成熟，價(jià)格比擬低，且本次設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)的性能要求比擬低，所以選擇8051單片機(jī)。4.4鍵盤(pán)顯示電路的設(shè)計(jì)4.4.1鍵盤(pán)硬件電路的設(shè)計(jì)按鍵是一組常開(kāi)的按鍵開(kāi)關(guān),每個(gè)按鍵都被賦予一個(gè)代碼,稱為鍵碼.按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合過(guò)程在相應(yīng)的I/O端口形成一個(gè)負(fù)脈沖。閉合和釋放過(guò)程都要經(jīng)過(guò)一定的過(guò)程才能到達(dá)穩(wěn)定，這一過(guò)程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動(dòng)。抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間的常長(zhǎng)短與開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般在5-10ms之間。為了防止CPU屢次處理按鍵的一次閉合，應(yīng)采用措施消除抖動(dòng)。本文在軟件中采用了相應(yīng)的軟件程序來(lái)消除抖動(dòng)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時(shí)，延時(shí)10-20ms再查詢是否有鍵按下，假設(shè)沒(méi)有鍵按下，說(shuō)明上次查詢結(jié)果為干擾或抖動(dòng)；假設(shè)仍有鍵按下。那么說(shuō)明閉合鍵已穩(wěn)定。本文采用的是獨(dú)立式按鍵，直接用I/O口線構(gòu)成單個(gè)按鍵電路，每個(gè)按鍵占用一條I/O口線，每個(gè)按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生互相影響。電路如圖4-9。10K10K×4+58051P10P12P14P16開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)圖4-9鍵盤(pán)電路框圖P1.0口表示確認(rèn)鍵。P1.2口表示數(shù)字“+“鍵，按一下溫度數(shù)值加1。P1.4口表示數(shù)字“-”鍵，按一下溫度數(shù)值減1。P1.6口表示取消鍵。4.4.2顯示電路的設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示器本錢低，配置靈活，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。1.數(shù)碼管的工作原理數(shù)碼管是由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示器件。在數(shù)碼管中，假設(shè)將二極管的陽(yáng)極連在一起，稱為共陽(yáng)極數(shù)碼管；假設(shè)將二極管的陰極連在一起，稱為共陰極數(shù)碼管。本文用到的4個(gè)數(shù)碼管均是共陰極的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，它就會(huì)發(fā)光。每個(gè)二極管就是一個(gè)筆劃，假設(shè)干個(gè)二極管發(fā)光時(shí)，就構(gòu)成了一個(gè)顯示字符。將單片機(jī)的I/O口控制相應(yīng)的芯片與數(shù)碼管的a-g相連，高電平的位對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管亮，這樣，由I/O口輸出不同的代碼，就可以控制數(shù)碼管顯示不同的字符。例如：當(dāng)I/O口控制芯片輸出的代碼是00111111時(shí)，數(shù)碼管顯示的字符為0。這樣形成的顯示字符的代碼稱為顯示代碼或段選碼。2.數(shù)碼管顯示器與單片機(jī)的接口電路數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。在靜態(tài)顯示方式下，每位數(shù)碼管的a-g和h端與一個(gè)8位的I/O相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時(shí)，只要從對(duì)應(yīng)的I/O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點(diǎn)是:數(shù)碼管中的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹?。?dòng)態(tài)顯示方式的每位數(shù)碼管都需要一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器，因此，其硬件電路比擬復(fù)雜。但它的顯示程序法常簡(jiǎn)單。選擇動(dòng)態(tài)顯示方式，可以使耗電量更小。在動(dòng)態(tài)顯示方式中，各位數(shù)碼管的a-h并聯(lián)在一起，與單片機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)I/O口相連，從該I/O口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陰極那么與另一I/O口相連，控制被點(diǎn)亮的位。動(dòng)態(tài)顯示方式的特點(diǎn)是:每一時(shí)刻只能有1位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，各位依次輪流被點(diǎn)亮；對(duì)于每一位來(lái)講，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點(diǎn)亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時(shí)間。利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的駐留效應(yīng)，通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每位數(shù)碼管被點(diǎn)亮的時(shí)間間隔，可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。本文的5個(gè)數(shù)碼管均采用動(dòng)態(tài)顯示方式，顯示當(dāng)前的溫度、要到達(dá)的溫度和當(dāng)前的狀態(tài)。電路原理圖如圖4-10所示。圖4-10數(shù)碼管顯示電路圖4.5溫度控制局部電路設(shè)計(jì)4.5.1D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路的作用是將設(shè)定的溫度值轉(zhuǎn)換成模擬電壓。電路原理圖如圖4-11所示。4.5.2比例積分電路比例積分微分控制(Proportional-Integral-DifferentialControl)是模擬控制系統(tǒng)中比擬常見(jiàn)的控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-12所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器、被控對(duì)象、反響組成。圖4-11D/A轉(zhuǎn)換電路圖Y〔t〕Y〔t〕R〔t〕U〔t〕E〔t〕比例積分微分被控對(duì)象圖4-12控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)(4-1)將偏差的比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制。其控制規(guī)律為(4-2)寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式(4-3)式中K——比例系數(shù)；TI——積分時(shí)間常數(shù)；TD——微分時(shí)間常數(shù)。PID控制系統(tǒng)中各分量的作用特點(diǎn)如下：〔1〕比例控制作用的特點(diǎn)系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器就立即有控制作用，使被PID控制的對(duì)象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，缺點(diǎn)是對(duì)于具有自平衡〔即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值〕能力的被控對(duì)象存在靜差，加大Kp可減小靜差，但Kp過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞?！?〕積分控制作用的特點(diǎn)能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。缺乏之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強(qiáng)會(huì)使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。〔3〕微分作用的特點(diǎn)通過(guò)對(duì)誤差進(jìn)行微分，能感覺(jué)出誤差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小，缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并且能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。對(duì)于溫度控制系統(tǒng)來(lái)講，溫度是一個(gè)緩慢變化的物理量，因此溫度控制系統(tǒng)可以省略主要針對(duì)快速變化過(guò)程的微分環(huán)節(jié)。通過(guò)調(diào)整比例和積分控制參數(shù)同樣能夠到達(dá)好的控制效果。對(duì)于實(shí)際溫控系統(tǒng)而言，給定值r(t)指用戶設(shè)定的預(yù)置溫度；c(t)被控量的輸出值，即溫控儀溫控面的溫度；u(t)為控制信號(hào)量；被控對(duì)象是指半導(dǎo)體致冷器及其驅(qū)動(dòng)局部；反響部件指溫度采樣局部。由溫度是相對(duì)變化較緩慢的物理量，因此只采用比例積分控制環(huán)節(jié)。本文中使用了運(yùn)算放大器和分立式元件構(gòu)成了比例積分控制系統(tǒng)。比例控制的實(shí)現(xiàn)由兩種方法，一種是串聯(lián)負(fù)反響法，一種是并聯(lián)負(fù)反響法。我們采用了并聯(lián)反響的方法，反響信號(hào)為電流量。電路由比例、積分電路組合而成，見(jiàn)圖4-13。這種組合方式防止了誤差級(jí)間放大，保證了溫控系統(tǒng)的精度。圖4-13比例積分電路圖比例運(yùn)算電路由電阻R1，R2和運(yùn)算放大器組成，理想情況下，輸入輸出關(guān)系可由下式表示：〔4-4〕其傳遞函數(shù)關(guān)系為〔4-5〕實(shí)際電路中，R1時(shí)由一個(gè)固定電阻和可調(diào)電阻組成的，可以實(shí)現(xiàn)KP從2~67之間連續(xù)可調(diào)。積分運(yùn)算電路由電阻R3、R4，電容C1和運(yùn)算放大器組成，在理想情況下，輸入輸出關(guān)系可由下式表示〔4-6〕其傳遞函數(shù)關(guān)系為〔4-7〕其中TI=R3C1，實(shí)際電路中R3比例積分控制電路總的傳遞函數(shù)等于各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之和，即(4-8)我們可以將溫控系統(tǒng)的比例積分控制器看作是具有粗調(diào)的比例作用與微調(diào)的積分作用的組合。比例控制局部可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大的偏差信號(hào)的快速響應(yīng)，積分控制局部可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)靜差的消除，以保持系統(tǒng)良好的靜態(tài)精度。通過(guò)比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的高精度穩(wěn)恒控制。4.5.3半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)電路要想半導(dǎo)體制冷器能夠正常工作，首先必須保證驅(qū)動(dòng)電路能夠提供足夠大的功率。這就需要功率放大電路。常用的功率放大電路主要有和OCL、OTL和BTL三種形式。OCL和OTL兩種功放電路的效率很高，但是他們的缺點(diǎn)就是電源的利用率都不高，其主要原因是在一個(gè)周期內(nèi)每只三集管只工作半個(gè)周期，使電源也只能在半個(gè)周期內(nèi)供電，從而造成能量的閑置。在這里我們采用BTL功率放大電路。BTL和OCL、OTL相比電路的理想轉(zhuǎn)換效率不變，仍為78.5%，但是電源利用率卻提高了4倍，即在使用較低電源電壓供電情況下，使負(fù)載獲得較大功率。此外我們對(duì)半導(dǎo)體制冷器工作原理的分析可知，對(duì)半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動(dòng)需要為半導(dǎo)體制冷器提供一個(gè)大小、方向可調(diào)節(jié)的電流，通過(guò)調(diào)整電流的大小來(lái)調(diào)整半導(dǎo)體制冷器制冷制熱的強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)整電流的方向?qū)崿F(xiàn)加熱和制冷的轉(zhuǎn)換。在BTL功放電路前面加上一個(gè)由同相放大器和反相放大器并聯(lián)組成的電壓轉(zhuǎn)換電路就可以方便的實(shí)現(xiàn)上述要求。電路圖如圖4-14所示。圖4-14半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)電路原理圖整個(gè)電路采用的是對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，U3A和U3B分別接成同相放大器和反向放大器，放大倍數(shù)均為β；Q1~Q4選用相同參數(shù)的場(chǎng)效應(yīng)管，跨導(dǎo)為gm；電阻R1~R6的阻值均為R；ZD1、ZD2為穩(wěn)壓管，其穩(wěn)壓值為Uz，正向?qū)〞r(shí)壓降為UD。當(dāng)輸入端的信號(hào)為正時(shí)，運(yùn)放U3A的輸出為正，U3B的輸出為負(fù)，場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q3導(dǎo)通，Q2、Q4截止，電流從TEC的“+”端流向“-”端；當(dāng)輸入端信號(hào)為負(fù)時(shí)，運(yùn)放U3A的輸出為負(fù)，U3B的輸出為正，場(chǎng)效應(yīng)管Q2、Q4導(dǎo)通，Q1、Q3截止，電流從TEC的“-”端流向“+”端。實(shí)現(xiàn)了對(duì)通過(guò)TEC電流方向的控制。通過(guò)電路理論可以推導(dǎo)出通過(guò)半導(dǎo)體制冷器的電流I與輸入電壓Utw的關(guān)系〔4-9〕其中，RTEC為T(mén)EC的電阻。由式(4-9)可以看出，I與Utw呈線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)來(lái)改變TEC電流大小的功能。4.6相關(guān)控制電路設(shè)計(jì)電源電路包括變壓器、橋式整流器、電容和穩(wěn)壓器。通過(guò)變壓器變壓，橋式整流，電容的濾波作用，穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓作用，可輸出穩(wěn)定電壓。電路原理圖如圖4-15所示。圖4-15電源電路原理圖五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)溫度測(cè)量系統(tǒng)的功能是在程序控制下實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法與硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，按整體功能分成多個(gè)不同的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后通過(guò)主程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來(lái)。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。溫度測(cè)量系統(tǒng)的軟件主要分為：下位機(jī)的溫度采集、溫度控制和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸程序以及上位機(jī)的溫度數(shù)據(jù)的查詢、接收、顯示和溫度控制局部的數(shù)據(jù)輸入。5.1主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)定以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實(shí)現(xiàn)各程序模塊的連接。上位機(jī)的系統(tǒng)初始化主要包括8051單片機(jī)中存放器、存儲(chǔ)單元的設(shè)置、nRF401子系統(tǒng)初始化、鍵盤(pán)顯示子系統(tǒng)的初始化和PID控制子系統(tǒng)的初始化。下位機(jī)的系統(tǒng)初始化主要包括8051單片機(jī)中存放器、存儲(chǔ)單元的配置、nRF401子系統(tǒng)初始化、DS18B20的初始化。5.1.1上位機(jī)主程序上位機(jī)主程序開(kāi)始后先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，8051單片機(jī)的初始化，設(shè)置串口通信參數(shù)，翻開(kāi)CPU中斷，翻開(kāi)串口中斷，設(shè)置定時(shí)器T0中斷。沒(méi)有中斷的時(shí)候，上位機(jī)子系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到有中斷需要響應(yīng)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的中斷效勞程序，向下位機(jī)發(fā)送溫度測(cè)試指令，等下位機(jī)接收到完整數(shù)據(jù)后，將上位機(jī)置接收方式，準(zhǔn)備接收測(cè)得的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)接收完下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)中斷指令進(jìn)行顯示，并保持狀態(tài)，直到響應(yīng)新的中斷為止。由鍵盤(pán)輸入溫度數(shù)據(jù)后，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送經(jīng)PID算法得出的控制信號(hào)，下位機(jī)接受到完整數(shù)據(jù)后，控制半導(dǎo)體制冷器加熱或制冷，使溫度到達(dá)設(shè)定值。上位機(jī)主程序流程框圖如圖5-1所示。5.1.2下位機(jī)主程序下位機(jī)主程序開(kāi)始后首先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，設(shè)置串口通信參數(shù)。下位機(jī)然后向DS18B20發(fā)初始化脈沖。然后發(fā)送SkipROM命令。接著循環(huán)查詢nRF401子系統(tǒng)是否置接收方式，直到有接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，執(zhí)行溫度的檢測(cè)或溫度的控制。然后，將測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，復(fù)位返回，準(zhǔn)備進(jìn)行新的測(cè)試。YesNoYesNoNOYES初始化nRF401有中斷溫度測(cè)試子程序無(wú)線發(fā)射子程序無(wú)線接收子程序PID子程序無(wú)線發(fā)射子程序顯示子程序返回鍵盤(pán)輸入系統(tǒng)初始化下位機(jī)主程序流程框圖如圖5-2所示。YesNoYesNo返回NOYESNOYES初始化DS18B20nRF401置RX？無(wú)線接收子程序測(cè)溫度？DS18B20測(cè)溫子程序無(wú)線發(fā)射子程序溫度控制？溫度控制子程序5.2子程序設(shè)計(jì)5.2.1nRF401的通信子程序?qū)τ跓o(wú)線通訊，出現(xiàn)最大的問(wèn)題就是通訊可靠性，因?yàn)闊o(wú)線通訊的通訊介質(zhì)是無(wú)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。解決這些問(wèn)題的最好方法就是編寫(xiě)通信協(xié)議。nRF401是一款FSK調(diào)制無(wú)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)放低通比擬譯碼時(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RX到TX模式時(shí)，數(shù)據(jù)輸入腳〔DIN〕必須保持為高至少1ms才能發(fā)送數(shù)據(jù)。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)模式到接收模式，當(dāng)PWR＿UP輸入設(shè)成1時(shí)，經(jīng)過(guò)3ms時(shí)間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效所示。從待機(jī)模式到發(fā)