由單片機(jī)構(gòu)成的無線溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要 本文介紹的是一個(gè)由單片機(jī)構(gòu)成的無線溫度控制系統(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)。溫度測量部分工作原理是單片機(jī)利用 DS18B20 對溫度進(jìn)行采集，然后進(jìn)行無線發(fā)送，接收端收到信號后，進(jìn)行解碼， 之后實(shí)現(xiàn)溫度顯示。溫度控制部分工作原理是由鍵盤輸入欲設(shè)定的溫度。溫度 控制信號送入 CPU 處理，通過 PID 算法輸出控制信號，經(jīng)無線收發(fā)電路發(fā)射出 去，接受端收到信號經(jīng) CPU 處理控制半導(dǎo)體溫控裝置達(dá)到欲設(shè)定的溫度。本文 對硬件和軟件進(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。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：單片機(jī)，無線

2、發(fā)送接收，溫度控制，LED 顯示，定時(shí) Abstract What this text introduction is a constitutes to from the single slice machine of wireless temperature control system, it make use of 8051 single slice machine and other spare part realizations such as the DS18 B20 and figures tube etc.Temperatures measuring a part work p

3、rinciple is a single slice machine to make use of the DS18 B20 rightness temperatures to carry on collect, then carry on a wireless to send out, carry on a decoding after receiving to carry to receive signal, after carry out a temperature manifestation.Temperature control part work principle from ke

4、yboard importation desire enactment of temperature.The temperature control signal sends into CPU a processing, output control signal through a PID calculate way, Be received and dispatch electric circuit blast-off to go out by wireless and accept to carry to receive signal to control the semi-conduc

5、tor Wen Kong4s device to attain the temperature of desire enactment through the CPU processing.This text carried on frame diagram a design to the hardware and the software, the protel principle diagram design, procedure frame the diagram design, source program design, text after appendix complete so

6、urce procedure. Key words: microcontroller, wireless transmission and reception, temperature control, LED display, timing 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT .II 目 錄 .III 第一章 引 言 .1 1.1 課題的研究目的和意義.1 1.2 課題背景.2 1.3 課題來源.3 1.4 短距離無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.3 1.5 本章小結(jié).5 第二章 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì) .6 2.1 系統(tǒng)方案構(gòu)想.6 2.2 系統(tǒng)方案的確定.6 2.2.1 傳感器方案 .6 2

7、.2.2 短距離無線通信模塊方案 .7 2.2.3 系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案 .8 2.3 器件的選用.9 2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇 .9 2.3.2 無線收發(fā)芯片的選擇 .11 2.3.3 鍵盤顯示模塊的選擇21.13 2.3.4 溫度控制模塊的選擇 .13 2.4 本章小結(jié).14 第三章 電路的硬件設(shè)計(jì) .15 3.1 溫度采集部分電路設(shè)計(jì).15 3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 .15 3.1.2 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 .16 3.2 無線收發(fā)電路的設(shè)計(jì).21 3.2.1 nRF401 芯片的介紹15.21 3.2.2 典型應(yīng)用電路說明 .21 3.3 單片機(jī)

8、的選擇.24 3.4 鍵盤顯示電路的設(shè)計(jì).24 3.4.1 鍵盤硬件電路的設(shè)計(jì) .24 3.4.2 顯示電路的設(shè)計(jì) .25 3.5 溫度控制部分電路設(shè)計(jì).26 3.5.1 D/A 轉(zhuǎn)換電路 .26 3.5.2 比例積分電路 .26 3.5.3 半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動電路 .30 3.6 相關(guān)控制電路設(shè)計(jì).32 3.7 本章小結(jié).32 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .33 4.1 主程序設(shè)計(jì).33 4.1.1 上位機(jī)主程序 .33 4.1.2 下位機(jī)主程序 .33 4.2 子程序設(shè)計(jì).35 4.2.1 nRF401 的通信子程序 .35 4.2.2 溫度測量子程序 .36 4.2.3 PID 控制子程序 .

9、36 4.3 本章小結(jié).40 第五章 結(jié)論與展望 .41 5.1 結(jié)論.41 5.2 展望.41 參考文獻(xiàn) .42 致 謝 .44 附錄 1 總體電路圖 .45 附錄 2 系統(tǒng)源程序 .46 第一章 引 言 1.1 課題的研究目的和意義 溫度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|比較多的一個(gè)物理量，人們的日常生活、動植 物的生存繁衍和周圍環(huán)境的溫度息息相關(guān)，石油、化工、冶金、紡織、機(jī)械制 造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲等領(lǐng)域?qū)囟纫灿兄^高的 要求。例如：煙葉和紙張是吸濕性極高的材料，卷煙生產(chǎn)的每一個(gè)階段對溫度 都有非常特別的要求，以確保所使用材料的水分，保證生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量； 印刷車間的溫度

10、控制水平對印刷質(zhì)量有很大的影響；為防止庫存武器彈藥、金 屬材料等物品霉?fàn)€、生銹，必須保持環(huán)境溫度不能過高；而水果、種子、肉類 等的保存又需要保證一定的溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對環(huán)境 提出了更高的要求：制造大規(guī)模集成電路需要極高的空氣潔凈度，生物化學(xué)制 藥需要精確的溫度控制。因此，對溫度的監(jiān)測和控制已成為生產(chǎn)過程中非常重 要的技術(shù)要求。目前，溫度傳感器已廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)林、冶金、化工、紡 織、食品、家用電器、倉儲等許多領(lǐng)域。一些領(lǐng)域?qū)貪穸瓤刂频囊笕绫?1-1 所示。 表 1-1 各種行業(yè)溫濕度要求范圍 行業(yè)行業(yè)工序工序溫度（溫度（）行業(yè)行業(yè)工序工序溫度（溫度（） 印刷印刷24

11、27蔬菜蘑菇栽培1427 彈藥存儲70檔案保管1424 糧食谷物儲藏16光學(xué)研磨27 陶瓷成型27照相膠片制成2324 制絲3032梳棉2124煙草 儲藏2124 紡織 精紡2427 1.2 課題背景 單片機(jī)自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS-48 開始，迄今已有二十多年了。 由于單片機(jī)集成度高、功能強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價(jià)格 低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎“無處 不在，無所不為” 。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能 儀表等迅速發(fā)展到家用消費(fèi)產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、PC 機(jī)外圍以及網(wǎng)絡(luò) 通訊等廣大領(lǐng)域。 按照

12、內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，單片機(jī)可分為 4 位、8 位、16 位及 32 位等。 單片機(jī)的中央處理器（CPU）和通用微處理器基本相同，只是增設(shè)了“面向控 制”的處理功能。例如：位處理、查表、多種地址訪問方式、多種跳轉(zhuǎn)、乘除 法運(yùn)算、狀態(tài)監(jiān)測、中斷處理等，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。 單片機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)形式:一種是在通用微型計(jì)算機(jī)中廣泛采用的，將 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個(gè)存儲器空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓 （Princeton）結(jié)構(gòu)。另一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋 址的結(jié)構(gòu)，稱為哈佛（Har-vard）結(jié)構(gòu)，一般需要較大的程序存儲器，目前的 單片機(jī)以采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開的結(jié)構(gòu)為多

13、。 單片微型計(jì)算機(jī)自從問世以來，作為微型計(jì)算機(jī)一個(gè)很重要的分支，應(yīng)用 廣泛，發(fā)展迅速，尤其是美國 Intel 公司生產(chǎn)的 MCS-51 系列單片機(jī)，由于其 具有集成度高，處理功能強(qiáng)，可靠性高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在 智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成就。 本文討論的單片機(jī)無線溫度控制系統(tǒng)的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的 51 系 列單片機(jī)，配置了外圍設(shè)備，構(gòu)成了一個(gè)可編程的溫度測量和顯示系統(tǒng)，具有 體積小，可靠性高，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可 供開發(fā)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 20 世紀(jì) 80 年代中期以后，Intel 公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把

14、 8051 內(nèi)核技術(shù) 轉(zhuǎn)讓給許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如 ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS 等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是 MCS- 51 系列的兼容產(chǎn)品，準(zhǔn)確地說是與 MCS-51 指令系統(tǒng)兼容的單片機(jī)。這些兼容 機(jī)與 8051 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用 CMOS 工藝，因而，常用 80C51 系列來稱呼所有具有 8051 指令系統(tǒng)的單片機(jī)，它們對 8051 單片機(jī)一般 都作了一些擴(kuò)充，更有特點(diǎn)。其功能和市場競爭力更強(qiáng)，不該把它們直接稱呼 為 MCS-51 系列單片機(jī)，因?yàn)?MCS 只是 Intel 公司專用的單片機(jī)系列型號。 MCS-51 系列及

15、 80C51 單片機(jī)有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主 要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。目前使用的 MCS-51 系列單片機(jī)及其兼容產(chǎn)品通常 分成以下幾類：基本型、增強(qiáng)型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內(nèi)閃爍存 儲器型。 1.3 課題來源 在日常生活和工作中，我們常常用到溫度控制，溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于 汽車, 鍋爐, 電子, 化工等各個(gè)領(lǐng)域。早期常用的一些溫度控制系統(tǒng)都使用模 擬電路設(shè)計(jì)制作的，有些使用熱敏電阻，有些使用鉑電阻，有些使用熱電偶， 還有些使用 PN 結(jié)，其準(zhǔn)確性和精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字 技術(shù)的新一代產(chǎn)品，這種產(chǎn)品功能強(qiáng)，是前者的換代之物。隨著單片機(jī)性能價(jià)

16、 格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程 控制系統(tǒng)，完成復(fù)雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童 電子玩具。它功能強(qiáng)大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒?可以構(gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。 測量和顯示的控制。在本設(shè)計(jì)上按照個(gè)人的意圖稍加擴(kuò)展，就可以實(shí)現(xiàn)更 多更強(qiáng)大的功能。 1.4 短距離無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 隨著移動通信需求和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集量的增加，加之有線傳輸?shù)馁M(fèi)用日益增 長，人們正逐漸認(rèn)識到在許多檢測領(lǐng)域采用無線傳輸?shù)谋匾?。在過去的幾年 中，無線通訊領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，這其中包括數(shù)字電路和射頻電路制作工 藝的進(jìn)步、低

17、功耗電路、高能電池以及微電子技術(shù)的采用。以上諸多方面的發(fā) 展使移動通信設(shè)備更加靈巧、經(jīng)濟(jì)、可靠。與上述技術(shù)一樣，數(shù)字通信技術(shù)和 數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展也發(fā)揮了很大的作用，他們使無線通信網(wǎng)絡(luò)向更加經(jīng)濟(jì)、 更加容易操作的方向發(fā)展。所以如果我們能夠很好地了解無線通信的基本原則 以及這些技術(shù)的特點(diǎn)，就能更好地理解并完成傳感數(shù)據(jù)的無線采集。無線數(shù)據(jù) 通信技術(shù)可分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù) (CDPD)，通用分組無線傳輸技術(shù)(GPRS) 、EDGE 等。二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)， 如 IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技 術(shù)

18、等。與目前已經(jīng)具備相當(dāng)規(guī)模的無線長距離通信網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩移動通信網(wǎng))相 比，短距離無線通信系統(tǒng)在基本結(jié)構(gòu)、服務(wù)范圍、應(yīng)用層次及通信業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù)、 話音)上，均有很大的不同。 （1）紅外通信技術(shù)（IrDA）26,28,30 紅外通信技術(shù) IrDA(InfraRed Data Association)采用人眼看不到的紅外 線傳輸信息，是使用最廣泛的短距離無線通信技術(shù)。它利用紅外線的通斷表示 計(jì)算機(jī)中的 0-1 邏輯，通常有效作用半徑 2 米，傳統(tǒng)速度可達(dá) 4 Mbit/s，1995 年 IrDA 將通信速率擴(kuò)展到的高達(dá) 16Mbit/s，紅外技術(shù)采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接方 式，發(fā)射、接收具有方向性，具有體積小

19、、功耗低、連接方便、簡單易用、數(shù) 據(jù)傳輸干擾少、速度快、保密性強(qiáng)、成本低廉的特點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用于各種遙 控器，筆記本電腦，PDA，移動電話等移動設(shè)備。但紅外技術(shù)只是一種視距傳 輸技術(shù)，有效距離近，發(fā)射角度較小，一般不超過 20 度，兩臺相互通信的設(shè) 備之間必須對準(zhǔn)，而且傳輸數(shù)據(jù)時(shí)兩臺設(shè)備之間不能有阻擋物，只能限于兩臺 設(shè)備通信，無法靈活構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，且無法用于邊移動邊使用的設(shè)備，另外，IrDA 設(shè)備中的核心部件 LED 易磨損。 （2）藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）26,28,30 藍(lán)牙技術(shù)使用全球統(tǒng)一開放的 2.4GHz 的 ISM 頻段，采用跳頻擴(kuò)頻 FHSS 技 術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無線互連，有

20、穿透能力，能夠全方位傳送，主要面對網(wǎng)絡(luò)中 各種數(shù)據(jù)和語音設(shè)備，通過無線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng)(Piconet)。多個(gè) 微微網(wǎng)之間也可以形成分布式網(wǎng)絡(luò)(Scatternet)，從而方便，快速的實(shí)現(xiàn)各類 設(shè)備之間的通信。藍(lán)牙技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，主要具有以下特點(diǎn):規(guī)范的 開放性、產(chǎn)品的互操作性及兼容性、公用通信頻段以及提供大容量的語音和數(shù) 據(jù)網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙技術(shù)目前只是一種行業(yè)聯(lián)盟制定的短距離無線通信規(guī)范。 （3） IEEE802.11b（Wi-Fi）26,28,30 IEEE802.11b 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是無線局域網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，使用 2.4GHz 的 ISM 頻 段，采用直接序列擴(kuò)頻 DSSS 技術(shù)進(jìn)行

21、調(diào)制解調(diào)增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了傳 輸速度。802.11b 無線網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡(luò)上裝上 AP(Access Point)，就可以提供無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端設(shè)備只要裝上無線網(wǎng)卡， 就可以訪問所有網(wǎng)絡(luò)資源，象使用有線局域網(wǎng)一樣方便，卻免除了布線的麻煩。 802.11b 具有有線等價(jià)保密機(jī)制 WEP(Wired EquivalentPrivacy)確保數(shù)據(jù)安 全。以其具有穿透能力，全方位傳送，建網(wǎng)速度快，可用來組建大型無線網(wǎng)絡(luò)， 運(yùn)營成本低，投資回報(bào)快等特點(diǎn)，正逐漸受到電信制造商和運(yùn)營商的青睞，目 前此種設(shè)備還比較昂貴，妨礙了其推廣和應(yīng)用。更多新的 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)正在制 定之中。

22、速度更快的 802.11g 使用與 802.11b 相同的正交頻分多路復(fù)用 （OFDM）調(diào)制技術(shù)，同樣工作在 2.4GHz 頻段，速率達(dá) 54 Mbit/s，比目前通 用的 802.11b 快了 5 倍，并且完全向后兼容 802.11b，802.11g 將有可能被 大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而下一代的 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn) 802.11n 可望達(dá)到 100 Mbit/s。 （4）微功率短距離無線通信技術(shù)30 近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，短距離無線通信系統(tǒng)的大部分 功能都可以集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片，加上 微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線

23、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)定且不受外界影 響。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 簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有 工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成，用戶不用對無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)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代 短距離無線數(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)，而且開發(fā)簡單快速，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。 1

24、.5 本章小結(jié) 本文介紹的設(shè)計(jì)是針對日常生活常用的無線溫度控制系統(tǒng)，可以完成測量 溫度、顯示溫度和控制溫度的功能。該系統(tǒng)操作簡單，功能齊全，是單片機(jī)智 能化的一種應(yīng)用。 第二章 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì) 溫濕度的檢測有許多方法，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)要盡量簡單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)，器件的選用要著眼于合適的 參數(shù)、穩(wěn)定的性能、較低的功耗、低廉的成本以及較好的互換性能。 2.1 系統(tǒng)方案構(gòu)想 系統(tǒng)采用近幾年來成熟的各種溫濕度傳感技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、數(shù) 據(jù)處理控制技術(shù)和功能化模塊來構(gòu)造基本的系統(tǒng)功

25、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 測量、存儲、顯示及后期處理等功能，因此，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)想為溫濕 度采集模塊、短距離無線通信模塊、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊等幾大部分。系 統(tǒng)方案在溫濕度數(shù)據(jù)采集部分主要有三種構(gòu)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；在短距離無線通 信部分主要有三種構(gòu)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 無線數(shù)傳模塊；在系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理部分也有兩種構(gòu)想：一是采用單片機(jī)控 制，二是采采用 DSP 進(jìn)行處理。 2.2 系統(tǒng)方案的確定 2.2.1 傳感器方案 傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測

26、量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。但是 模擬傳感器的模擬信號需要先經(jīng)過取樣、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)字信號交由微處理器或 DSP 處理。被測信號從敏感 元件接收的非電物理量開始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號之間，設(shè)計(jì) 者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)測試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產(chǎn) 品的可靠性及小型化。而且模擬信號在長距離傳輸過程中，容易受到電磁干擾 而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。在多點(diǎn)溫濕度檢測的場合，各被測點(diǎn)到測試裝置之間引線距 離往往不同，各敏感元件參數(shù)的不一致性，都將會導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以 完全清除。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，

27、互換 性較差。 采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。數(shù)字式傳感器能把 被測模擬量直接換成數(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)行信號的處理、濾波、壓 縮。它的信號原則上不受放大器和信號處理系統(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量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號易 于處理、傳送和自動控制，便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護(hù) 簡單，工作可靠性高。雖然存在反應(yīng)速度較慢，溫度測量的范圍不寬的缺點(diǎn)， 數(shù)字式傳感器技術(shù)的發(fā)展仍受到人們越來越多的重視。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫 濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展

28、狀況，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。 2.2.2 短距離無線通信模塊方案 藍(lán)牙技術(shù)作為一種近距離無線連接的全球性開放規(guī)范，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)牙規(guī)范的核心部分協(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（100mw、25mw 和 1 mw） ， 當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備功率為 1 mw 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

29、率高、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干 擾少、保密性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。也存在著只能視距傳輸、移動時(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)的發(fā)展，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收 發(fā)芯片。短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用 單片數(shù)字信號射頻收發(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 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單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加 密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全

30、部通過軟件設(shè)置完成，用戶不 用對無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)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代短距離無線數(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)，而且開發(fā)簡單快速，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?？紤]系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離，確定該部分電 路設(shè)計(jì)使用無線收發(fā)芯片。無線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力 強(qiáng)，通訊協(xié)議簡單透明，技術(shù)成熟。使用該種方案無線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)簡單。 2.2.3 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

31、常要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和 對測控系統(tǒng)的控制。對于一般的工業(yè)測量與控制，多采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行 測控。 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

32、應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部 I/0 接口比較少，不便于系統(tǒng)擴(kuò)展，因此多數(shù) DSP 系統(tǒng)還要通過單片機(jī)來進(jìn)行外 部接口擴(kuò)展，這導(dǎo)致了 DSP 的成本較高，另外，DSP 具有一定的專用性，開 發(fā)過程比較復(fù)雜，不便于通用。 單片機(jī)是把微型機(jī)的主要部分集中在一個(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 （Microcontroller Unit） ，也可稱微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer） 。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） 、 存儲器（存放程序指令或數(shù)據(jù)指令的 ROM、RAM 等） 、輸入/輸出接口（

33、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) 存儲容量較小，一般 ROM 只有 48K 字節(jié)，RAM 小于 256 字節(jié)，通過外部擴(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)簡單、 功能易擴(kuò)展、測控能力強(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)簡單、開發(fā)容易，功能易擴(kuò)展、測控能力強(qiáng)、可靠性 高的特點(diǎn)。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復(fù)雜的計(jì)算處理、對采集速度要求不高的數(shù) 據(jù)采集處理系統(tǒng)。 對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)對數(shù)據(jù)處理速度要求的情況

34、下，單片機(jī)無異是首選 的信息處理單元。 2.3 器件的選用 2.3.1 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 快速發(fā)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)工程師的選擇對象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器 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)?MCU 的系 統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點(diǎn)溫度測量時(shí)，如果測量的點(diǎn)數(shù)超過了輸

35、 入通道時(shí)，就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時(shí)間，應(yīng)盡量節(jié)約；與 MCU 的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡單，溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。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，National Semiconductor 公司的 Microwireplus 總線，Dallas Semiconductor 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： 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

36、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(shí)間為 1530ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且 不易受環(huán)境千擾等優(yōu)點(diǎn)。AD7418 可以級聯(lián)至多 8 片在同一個(gè) I2C 總線上。 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、- 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、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器通電工作 后自動按一定速率對溫度進(jìn)行檢測，并在片內(nèi)寄存器中存儲轉(zhuǎn)換的溫度值，主 機(jī)可以在任意

37、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 10A,適用于對功率消耗有嚴(yán)格限制的系統(tǒng)。 LM74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換 器為 12 位外加符號位，因此在其有效工作范圍內(nèi)可達(dá) 0.0625的分辨率， 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 425ms。 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(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量時(shí)，必須對其進(jìn)行非線性補(bǔ)

38、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)溫度測量。為 了避免多個(gè)傳感器同時(shí)測溫時(shí)有重疊的現(xiàn)象，MAX6575 提供了“L”和“H”兩 種型號的傳感器,它們的使用方法相同,而且每一種型號的傳感器又可以通過時(shí) 間選擇引腳。但是，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)，這也是這種器件的一個(gè)弊端。 DS18B20 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(gè)數(shù)字式 傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的

39、接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感 器與微機(jī)接口時(shí)需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，而且，可以 通過總線供電，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，而且成本低、體積小、可 靠性高。DS18B20 的測溫范圍-55+125，最高分辨率可達(dá) 0.0625，由于 每一個(gè) DS18B20 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)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。 Dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價(jià)格比，有以下特點(diǎn)： 適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優(yōu)越性； 性價(jià)比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好； 具有 CRC 校驗(yàn)功

40、能，可靠性高； 軟件設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握。 由于 DS18B20 獨(dú)特的單總線接口方式在多點(diǎn)測溫時(shí)有明顯的優(yōu)勢，占用 MCU 的 I/O 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 DS18B20 做為溫度測量的傳感器。 2.3.2 無線收發(fā)芯片的選擇 無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在設(shè)計(jì)中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品 開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時(shí)，應(yīng)主要參考以下幾點(diǎn)： 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剩话銉H能達(dá)到

41、標(biāo)稱速率的 1/3，而采 用串口傳輸?shù)男酒?，?yīng)用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí) 際速率，編程方便。 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量 芯片外圍元器件的數(shù)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，因此應(yīng)該選擇 外圍元件少的收發(fā)芯片。 功耗 大多數(shù)無線收發(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 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。 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)。 常用的無線收發(fā)芯片主要有： CC1000 是根據(jù)

42、 Chipcon 公司的 SmartRF 技術(shù)，在 0.35m CMOS 工藝 下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它的工作頻帶在 315、868 及 915MHz，但 CC1000 很容易通過編程使其工作在 3001000MHz 范圍內(nèi)。它具 有低電壓（2.33.6V） ，極低的功耗，可編程輸出功率（-2010dBm） ，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)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。 nRF24E1 是

43、挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近開發(fā)的一種嵌入了高性能 單片機(jī)內(nèi)核的高速單片無線收發(fā)芯片15。采用先進(jìn)的 0.18s CMOS 工藝、 6mm6mm 的 36 引腳 QFN 封裝；以 nRF2401 芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，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 1.93.6V）和 VDD 電壓監(jiān)視， 通常開關(guān)時(shí)間小于 200s，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 軟件設(shè)置完成，

44、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；工作在全球開放的 2.4GHz 頻段、勿 需申請通信許可證。 nRF903 單片射頻收發(fā)器芯片工作在 915MHz 國際通用的 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) 76.8 Kbit/s；170 個(gè)頻道,適合需要多信道工作的特殊場合；可方便地嵌入各 種測量和控制系統(tǒng)中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)雙向傳輸，在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)遙測遙控系統(tǒng)等中

45、應(yīng)用。 TH72011 是 Melexis 公司的單片射頻發(fā)射芯片，頻率范圍 380MHz450MHz，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 1.95.5V，靜態(tài) 電流小，工作電流可在 3.5mA10.7 mA 調(diào)節(jié)；發(fā)射功率可在-12 dBm+10dBm 調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)速率可達(dá) 40Kbit/s。可嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中進(jìn)行無線數(shù)據(jù) 傳輸，在保安系統(tǒng)、微功耗遙測遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。 nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片 RF 收發(fā)機(jī)，專為在 433MHz ISM (工業(yè)、科研和

46、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，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。 基于 nRF401 成本低、可靠性高、外圍設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)將 nRF401 做為無線收發(fā)芯片的首選。 2.3.3 鍵盤顯示模塊的選擇21 顯示單元是人機(jī)交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè) 備，通常的顯示器件有

47、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注意事項(xiàng)：不能對它長期施加直流電，否則易 造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過大的壓力；對于使用的環(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， 其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是 pA 級的。 數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對電源沒有特殊要求，受環(huán)境溫度的 影響不大，不怕陽光的照射，也沒有嚴(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

48、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，兩位用來顯示當(dāng)前溫度，兩 位用來顯示欲設(shè)定的溫度，一位用來顯示當(dāng)前狀態(tài)。 在本系統(tǒng)中，鍵盤由四個(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。 2.3.4 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 重要的一部分。 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)和近幾年發(fā)展起來的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。 目前制熱技術(shù)主要有太陽能吸收熱量、煤炭燃燒制造熱量、

49、熱泵和近幾年 發(fā)展起來的半導(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不足，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。 2.4 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)方案的總體構(gòu)想，然后又介紹了系統(tǒng)方案的確定，最 后介紹了器件的選用，確定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 第三章 電路的硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構(gòu)想，下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)，系 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)由溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤顯示模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、溫度控 制模塊

50、等部分組成。溫度采集部分工作原理是由數(shù)字溫度傳感器測溫并把數(shù)據(jù) 傳到CPU，由CPU處理通過無線收發(fā)電路向外發(fā)送信號，接收端收到信號經(jīng)CPU 處理在數(shù)碼管上顯示出來。溫度控制部分工作原理是由鍵盤輸入欲設(shè)定的溫度。 溫度數(shù)據(jù)信號送入CPU處理，通過無線收發(fā)電路發(fā)射出去，接受端收到信號經(jīng) CPU處理控制半導(dǎo)體溫控裝置達(dá)到欲設(shè)定的溫度。 數(shù)字溫度傳感 器 DS18B20 中央控制單元 8051 無線收發(fā)電 路 nRF401 半導(dǎo)體制冷制 熱器件 中央控制單元 8051 無線收發(fā)電路 nRF401 鍵盤顯示模塊 3.1 溫度采集部分電路設(shè)計(jì) 3.1.1 溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路 針對 8051 單片機(jī)

51、 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)。 圖 3-2 溫度采集網(wǎng)絡(luò)框圖 3.1.2 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 單總線是美國 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線對外進(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，通過尋址就能把 芯片識別出來。從而能使這些器件掛在一根信號線上進(jìn)行串行分時(shí)數(shù)據(jù)交換， 大大簡化了硬件電路。 DS18B20 是美國 DALLAS 半導(dǎo)

52、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： 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； 支持多節(jié)點(diǎn)，使分布式多點(diǎn)測溫系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件開銷大為簡 化； 測溫時(shí)無需任何外部元件： VCCGND 8051 DS18B20 可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式： 測溫范圍為-55+125，測溫精度為0.5： 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

53、溫度測控系統(tǒng)，避免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。縮小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。 1DS18B20 的結(jié)構(gòu) DS18B20 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(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL 非易失性電可擦寫設(shè)置寄存器 如圖 3-3 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 線則用作 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

54、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(gè)惟一的產(chǎn)品序列號，序列號是一個(gè) 15 位的十進(jìn)制編碼，每個(gè)芯片惟一的編碼可以通過尋址將其識別出來，最后 8 位是前 56 位的循環(huán)冗余(CRC)校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正 確的一種方法。所以多片 DS18B20 能夠連接在同一條數(shù)據(jù)線上而不會造成混 亂。這為溫度的多點(diǎn)測量帶來了極大的方便。 DS18B20 傳感器的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器由 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)配置寄存器中自行設(shè)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(kuò)展位。第三、四 字節(jié)是

55、溫度上下限報(bào)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(shè)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(shè)置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉(zhuǎn) 換數(shù)據(jù)位的設(shè)置(00、01、10、11 分別對應(yīng) 9、10、11、12 位溫度數(shù)據(jù))，出 廠設(shè)置為 12 位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行修改，其余位無效。第六、 七、八字節(jié)保留未用。第 9 個(gè)字節(jié)是 CRC 校驗(yàn)碼，是前面 8 個(gè)字節(jié)的循環(huán)校 驗(yàn)碼，用在通信中驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。 圖 3-3 DS18B20 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

56、箋式存儲器中， 其中第一個(gè)字節(jié)（Byte0）存放測溫結(jié)果的低位（LS Byts） ，第二個(gè)字節(jié) （Byte1）存放測溫結(jié)果的高位（MS Byts） ，S 為符號位，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： Bit0 Bit7 LSByts232221202-12-22-32-4 Bit8 Bit15 MSBytsSSSSS262524 如果測量的溫度值高于溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 或低于 TL 中的值，則 GND 存儲器和控制邏輯 溫度傳感器 高溫度觸發(fā)器 TH 低溫度觸發(fā)器 TL 64 位 ROM 和單線 接口 VDD VDD DQ 供電 方式 檢測 便箋式存儲器 C

57、RC 發(fā)生器 DS18B20 內(nèi)部的報(bào)警標(biāo)志位就被置位，表示溫度測量值超出范圍。DS18B20 的 溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)可以選擇 912 位，分別對應(yīng)的測溫分辨率為 0.5, 0.25， 0.125，0.0625。不過溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)越大，轉(zhuǎn)換時(shí)間也越長。12 位精度的 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 750ms。DS18B20 的測溫范圍為-55+125，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16 位二進(jìn)制方式單線輸出, 轉(zhuǎn)換的位數(shù)可通過寫配置寄存器（字節(jié) 4）設(shè)定, 其格式如下： Bit7 Bit0 0R1R011111 R1、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 3-1 所示， 可見位數(shù)每減少一位，分辯率同比減少而轉(zhuǎn)換時(shí)

58、間則加快一倍, 器件上電時(shí)默 認(rèn)分辯率為 12 位。 表 3-1 配置寄存器設(shè)置 R1R0分辨率分辨率最大轉(zhuǎn)換時(shí)間最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 ms有效位數(shù)有效位數(shù) 000.593.759 位 （Bit11Bit3） 010.25187.5010 位 （Bit11Bit2） 100.125375.0011 位 （Bit11Bit1） 110.0625750.0012 位 （Bit11Bit0） 溫度報(bào)警觸發(fā)器和設(shè)置寄存器都由非易失性電可擦寫存儲器(EEPROM )組 成，設(shè)置值通過相應(yīng)命令寫入，一旦寫入后不會因?yàn)榈綦姸鴣G失。 2. DS18B20 的測溫原理 DS18B20 的溫度傳感器是通過溫度對振蕩器的頻

59、率影響來測量溫度，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)鐘脈沖信號通過由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開通周期而被計(jì)數(shù)，通過該計(jì) 數(shù)值來測量溫度。計(jì)數(shù)器被預(yù)置為與- 55對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值，如果計(jì)數(shù)器在 高溫系數(shù)振蕩器輸出的門周期結(jié)束前計(jì)數(shù)到零，表示測量的溫度高于- 55， 被預(yù)置在- 55的溫度寄存器的值就增加一個(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，如果開門通時(shí)間仍未結(jié)束，那么重復(fù)此過程，直到高溫度系數(shù) 振蕩器的門周期結(jié)束為止。這時(shí)溫度寄存器中的值就是被測的溫度值。這個(gè)值

60、 以 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲器中。溫度值由主機(jī)通過發(fā)讀存 儲器命令讀出，經(jīng)過取補(bǔ)和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到實(shí)測的溫度值。 圖 3-4 DS18B20 測溫原理 3. DS18B20 的封裝和供電方式 DS18B20 是 DS1820 的升級產(chǎn)品，一般封裝為 TO-92，比 DS1820 的 PR- 35 封裝更小。DS18B20 只有三根外引線：單線數(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 是通過內(nèi)部電容在空閑時(shí)從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，完成溫度轉(zhuǎn)換 的時(shí)間較長。為了保證在有效的時(shí)