《測(cè)溫度研制報(bào)告》word版

1、目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc204395224 第一章緒論 PAGEREF _Toc204395224 h 2 HYPERLINK l _Toc204395225 1.1課題背景 PAGEREF _Toc204395225 h 2 HYPERLINK l _Toc204395226 1.2課題的意義 PAGEREF _Toc204395226 h 2 HYPERLINK l _Toc204395227 1.3課題的主要研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc204395227 h 3 HYPERLINK l _Toc204395228 1.4本章小結(jié) PAG

2、EREF _Toc204395228 h 3 HYPERLINK l _Toc204395229 第二章 無線測(cè)溫系統(tǒng)硬件原理與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc204395229 h 4 HYPERLINK l _Toc204395230 2.1系統(tǒng)工作原理介紹 PAGEREF _Toc204395230 h 4 HYPERLINK l _Toc204395231 2.2 CPU的選擇 PAGEREF _Toc204395231 h 4 HYPERLINK l _Toc204395232 2.3無線芯片的選擇 PAGEREF _Toc204395232 h 7 HYPERLINK l _Toc2

3、04395233 2.4溫度傳感器的選擇 PAGEREF _Toc204395233 h 7 HYPERLINK l _Toc204395234 2.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc204395234 h 9 HYPERLINK l _Toc204395235 第三章 溫度采集單元的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc204395235 h 10 HYPERLINK l _Toc204395236 31 CC1100的程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc204395236 h 10 HYPERLINK l _Toc204395237 3.2 DS18B20的溫度的讀取 PAGEREF _Toc20

4、4395237 h 10 HYPERLINK l _Toc204395238 3.3 DS18B20的自動(dòng)識(shí)別技術(shù) PAGEREF _Toc204395238 h 11 HYPERLINK l _Toc204395239 3.4 DS18B20使用中的注意事項(xiàng) PAGEREF _Toc204395239 h 12 HYPERLINK l _Toc204395240 3.5單片機(jī)固件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc204395240 h 12 HYPERLINK l _Toc204395241 第四章 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc204395241 h 14 HYPERLINK l

5、 _Toc204395242 4.1單片機(jī)與Pc機(jī)的串行通信 PAGEREF _Toc204395242 h 15 HYPERLINK l _Toc204395243 4.2系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc204395243 h 16 HYPERLINK l _Toc204395244 傳導(dǎo)藕合干擾的抑制 PAGEREF _Toc204395244 h 16 HYPERLINK l _Toc204395245 空間禍合干擾的抑制 PAGEREF _Toc204395245 h 17 HYPERLINK l _Toc204395246 第五章 系統(tǒng)誤差 PAGEREF _Toc20439

6、5246 h 18 HYPERLINK l _Toc204395247 5.1基本誤差 PAGEREF _Toc204395247 h 18 HYPERLINK l _Toc204395248 5.2誤碼率 PAGEREF _Toc204395248 h 18 HYPERLINK l _Toc204395249 結(jié) 論 PAGEREF _Toc204395249 h 19緒論1.1課題背景 無線通訊方式的溫度測(cè)量系統(tǒng)是根據(jù)國(guó)內(nèi)外近幾年在測(cè)溫方面現(xiàn)有應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)所提出的一種新產(chǎn)品。無線溫度測(cè)量就是用來對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)以無線方式傳輸，它非常適用于運(yùn)動(dòng)物體和不方便鋪設(shè)線路場(chǎng)所，或危險(xiǎn)、有

7、毒、有害場(chǎng)所的溫度檢測(cè)，例如：轉(zhuǎn)爐、隧道窯、加工中的工件、酸堿濃度較高的化工場(chǎng)所等。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)美商國(guó)際集團(tuán)委托黑龍江省自動(dòng)化研究所，開發(fā)適合工作在有害氣體和不方便鋪設(shè)線路場(chǎng)合的垃圾場(chǎng)無線溫度測(cè)量系統(tǒng)。 美商國(guó)際集團(tuán)是由外商獨(dú)資興建，專業(yè)致力于對(duì)城市生活廢棄物進(jìn)行分類、資源回收和再利用，并采用生物高科技堆肥發(fā)酵工藝，生產(chǎn)有機(jī)肥的綜合性大型環(huán)保企業(yè)。其所處理的有機(jī)垃圾在除去雜質(zhì)進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵工序之前要在近70oC條件下經(jīng)過至少5天的發(fā)酵處理。發(fā)酵過程中硫化氫、胺氣、吲哚等有害、惡臭氣體的產(chǎn)生，對(duì)人員的身體健康產(chǎn)生很大的危害，尤其對(duì)呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的影響，危害非常大，原有的測(cè)溫方式為，工人用熱

8、電阻測(cè)溫桿插入發(fā)酵堆進(jìn)行測(cè)量，每次只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用時(shí)約10分鐘，一個(gè)發(fā)酵堆測(cè)9個(gè)點(diǎn)耗時(shí)一個(gè)多小時(shí)，每天一個(gè)工人最多可以測(cè)6個(gè)堆的溫度，占全部發(fā)酵堆的十分之一，并且具有大的滯后性，生物實(shí)驗(yàn)室無法根據(jù)溫度數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)酵對(duì)進(jìn)行溫度和供氧調(diào)節(jié)。在夏天中午時(shí)候廠房?jī)?nèi)的溫度達(dá)到50多，測(cè)溫工作幾乎無法進(jìn)行。我們研制的測(cè)溫系統(tǒng)減小了工人的工作量，工作時(shí)間減少到以前的百分之一。提高了生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量。1.2課題的意義無線測(cè)溫系統(tǒng)同樣適用于鋼鐵冶煉溫度監(jiān)控，蔬菜大棚溫度等領(lǐng)域。這種網(wǎng)絡(luò)是中距離、低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，射頻傳輸成本低，各結(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，低功耗，適于電池長(zhǎng)期供電，可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)、兩點(diǎn)間對(duì)

9、等通信，快速組網(wǎng)，高級(jí)電源管理。這種網(wǎng)路主要用于中短距離無線系統(tǒng)的連接，提供傳感器或二次儀表無線雙功網(wǎng)絡(luò)接入，能夠滿足對(duì)各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制命令和信息的需求，使現(xiàn)有的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、無線化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可允許使用第三方的傳感器、執(zhí)行器或低帶寬數(shù)據(jù)源。該網(wǎng)絡(luò)可拓展應(yīng)用在溫度濕度監(jiān)控、壓力過程控制數(shù)據(jù)采集、流量過程控制數(shù)據(jù)采集、工業(yè)監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)中心、制冷監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、社區(qū)安防、環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)、倉(cāng)庫(kù)貨物監(jiān)控等方面。此系統(tǒng)具有廣泛的推廣價(jià)值。1.3課題的主要研究?jī)?nèi)容本課題是與美商國(guó)際集團(tuán)的合作項(xiàng)目，研制基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏囟葴y(cè)量系統(tǒng)是本課題的主要研究?jī)?nèi)容。把無線通訊方式和傳感器結(jié)合起來，發(fā)

10、揮無線傳輸?shù)奶赜械膬?yōu)勢(shì)，使測(cè)試系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地的和計(jì)算機(jī)連接，更加方便了測(cè)溫系統(tǒng)的使用。課題主要集中在電路部分以及基于CC1100通信的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上。課題研究的具體內(nèi)容可分為如下兩個(gè)部分：1測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路選擇單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)單片機(jī)為核心的采集接收電路部分。2單片機(jī)固件程序的編寫編寫單片機(jī)控制程序，包括系統(tǒng)的初始化，數(shù)據(jù)采集處理，理與上位機(jī)的通信的程序等。1.4本章小結(jié)隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，尤其是隨著工廠自動(dòng)化水平的提高，因此研制基于無線傳輸?shù)臏囟葴y(cè)量系統(tǒng)具有非常重要的意義。傳感器無線化是傳感器應(yīng)用的一個(gè)新的趨勢(shì)，它具有方便性、靈活性、可快速組網(wǎng)等特點(diǎn)。第二章 無線測(cè)溫系統(tǒng)硬件原理與

11、設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)工作原理介紹根據(jù)到發(fā)酵廠房實(shí)地考察，廠房的結(jié)構(gòu)是400長(zhǎng)，100米寬的彩鋼結(jié)構(gòu)的空曠廠房，舉架高10米。發(fā)酵堆共64個(gè)，每個(gè)堆高2米，每個(gè)堆需要測(cè)9個(gè)溫度點(diǎn)，根據(jù)測(cè)溫點(diǎn)的分布情況與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕氣體的嚴(yán)重性，測(cè)溫單元采用不銹鋼鋼桿形式，帶有助力把手，非常容易插入發(fā)酵堆，電路部分位于測(cè)溫桿的最上方。廠房上方分布6個(gè)接收單元，負(fù)責(zé)接收測(cè)溫桿發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，6個(gè)接收單元通過RS-485總線通訊，最后接入總控室，通過485通訊卡進(jìn)去PC機(jī)，因?yàn)闇y(cè)溫實(shí)時(shí)性要求不高，每個(gè)測(cè)溫桿每次間隔20分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)，采用自報(bào)方式發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送一次數(shù)據(jù)占用時(shí)間為1ms,所以空中數(shù)據(jù)碰撞的可能性非長(zhǎng)小，完全可以

12、滿足實(shí)際應(yīng)用。溫度采集單元A1溫度采集單元A2溫度采集單元B溫度采集單元B接收單元B接收單元A總控制室PCRS485圖 2-1 系 統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖2.2 CPU的選擇作為測(cè)控系統(tǒng)的核心部件，處理器的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。面向工控領(lǐng)域的單片處理器，有目前廣泛應(yīng)用的51系列的8位單片機(jī)，面向大量數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，以及市場(chǎng)上增強(qiáng)型的16位單片機(jī)。51 系 列的 8位單片機(jī)作為從八十年代就開始流行的處理器，其開發(fā)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，不足之處在于功能過于簡(jiǎn)單，功耗高，已經(jīng)不能適應(yīng)于目前對(duì)測(cè)控系統(tǒng)功能和速度的要求.ARM器件在工控領(lǐng)域的應(yīng)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看是

13、一個(gè)必然趨勢(shì)。但從現(xiàn)階段各ARM器件的情況來看，偏重于高端應(yīng)用領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)側(cè)重于有大量數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合，如多媒體等領(lǐng)域，不適合在儀表領(lǐng)域的使用，而且目前其價(jià)格較高，開發(fā)技術(shù)難度大。作為這兩種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(chǎng)合的增強(qiáng)型單片機(jī)，如AVR系列、TI MSP430系列和Philips的PCF80C51系列等。這些系列的單片機(jī)大多具有較強(qiáng)的功能模塊接口功能、較高的處理速度、大容量ROM和RAM，往往處理器本身就己經(jīng)是一個(gè)小系統(tǒng)模式，僅僅需要一些簡(jiǎn)單電容、電阻元件就可以工作，其中MSP430系列單片機(jī)就是其中的性能價(jià)格比較為優(yōu)越的一款16位單片機(jī)。TI公

14、司MSP430系列，是具有RISC指令集的超低功耗芯片，功能豐富，主要用于低功耗應(yīng)用。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了系統(tǒng)的可靠性、低功耗和經(jīng)濟(jì)性，因此，硬件設(shè)計(jì)需要遵循以下原則:1. 單元要在短時(shí)間處理完數(shù)據(jù)，然后休眠使系統(tǒng)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，這樣可以降低系統(tǒng)的功耗，所以對(duì)快速性要求較高，所以對(duì)CPU的選擇要考慮它的快速性;2. 對(duì)于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來說，系統(tǒng)對(duì)中斷的異步快速響應(yīng)能力是降低系統(tǒng)功耗的一個(gè)重要方面。3. 應(yīng)用環(huán)境中，對(duì)可靠性要求較高，所以必須考慮CPU具有豐富的集成外設(shè)功能，使外部電路精簡(jiǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性;4. 采用低功耗硬件電路設(shè)計(jì)及微控制器芯片，系統(tǒng)運(yùn)行的低功耗是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普遍取向

15、，由于系統(tǒng)采用電池供電，所以低功耗是本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的基本原則，同時(shí)也可以根據(jù)以后系統(tǒng)應(yīng)用的需要，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展。根據(jù)以上原則本文選擇該系列單片機(jī)，其中下位機(jī)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用MSP430F1121芯片，上位機(jī)溫度數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)選用MSP430F149芯片。MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開發(fā)的16位單片機(jī)，其突出特點(diǎn)是超低功耗，非常適合于各種功率要求低的應(yīng)用，有多個(gè)系列和型號(hào)，它們分別由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成，典型應(yīng)用是智能家庭儀表、醫(yī)療設(shè)備和保安系統(tǒng)等方面。由于其較高的性能價(jià)格比，應(yīng)用己日趨廣泛。1. 超 低 功 耗在正常的工作狀態(tài)下，如果工作電壓為3.2V，其典型消耗

16、電流僅為250uA /MIPS (MIPS為每秒百萬(wàn)條指令數(shù))，而待機(jī)模式下工作電流更降至1uA以下，1/O輸入端口的漏電流最大僅為50nA.2. 強(qiáng)大的處理能力MSP430系列單片機(jī)是16位單片機(jī)，采用了目前流行精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令，具有豐富的尋址能力(源操作數(shù)7 種，目的操作數(shù)4種，但只有簡(jiǎn)潔的27 條指令);片內(nèi)寄存器數(shù)量多，可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算，有高效的查表處理方法。這些特點(diǎn)保證了可以編制出高效的程序。3. 豐 富的 片上外圍模MSP430 系列單片機(jī)上集成了較多的片上外圍模塊，它包含:硬件乘法器，2組頻率可達(dá)SMHz的時(shí)鐘模塊，2個(gè)帶有大量捕獲/比較寄存

17、器的16位定時(shí)器，看門狗，2個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信接口、數(shù)十個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口。4. 執(zhí)行速度快MSP430系列單片機(jī)的工作電壓范圍為1.8至3.6V，在8MHz的晶振工作時(shí)，執(zhí)行速度可達(dá)6MIPS。5. 在線支持強(qiáng)MSP430系列單片機(jī)均可由FLAsH仿真工具(FET)提供支持。該FET是一種完整的集成開發(fā)環(huán)境，包括源代碼級(jí)調(diào)試器、仿真器、匯編/連接器、C編譯器、兩種評(píng)估芯片、目標(biāo)板、JTAG接口以及編程單元等。利用單片機(jī)本身具有的JTAG接口,可以在一臺(tái)主機(jī)PC及一個(gè)結(jié)構(gòu)小巧的JTAG控制器的幫助下實(shí)現(xiàn)程序的下載，完成程序調(diào)試。6. 工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)

18、境MSP430 系列單片機(jī)的運(yùn)行環(huán)境溫度為一40+58 ，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合運(yùn)行于工業(yè)環(huán)境下。7. 低工作電壓1.8-3.6V，超低功耗有5種節(jié)能模式，其中LPM14數(shù)據(jù)保持模式僅耗0.1uA，活動(dòng)狀態(tài)耗電為20uA，從低功耗模式到活動(dòng)狀態(tài)只需6ns。8. 有一套 效率高、執(zhí)行速度快的指令系統(tǒng)，硬件乘法器可快速執(zhí)行8x8、8xl6、16xl6整型乘法操作，并在一個(gè)機(jī)器周期立即得到結(jié)果，可滿足溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的大量計(jì)算要求。9. MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部集成64KROM，8KRAM，片內(nèi)有Flash信息存儲(chǔ)器，容量大可用于保存數(shù)據(jù)或程序，溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無需再擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路:1

19、0. 功 能 強(qiáng)大的CPU 內(nèi)核，16位RISC結(jié)構(gòu)，高效的內(nèi)部尋址方式;在8MHz時(shí)可得到125ns的指令周期，具有16個(gè)快速響應(yīng)中斷。11. 16 位 TimerA 與TimerB 可方便地實(shí)現(xiàn)程序定時(shí)。12. 靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，可使用外部時(shí)鐘源，用32768Hz晶體產(chǎn)生低頻時(shí)鐘達(dá)到低功耗的目的，高頻晶體產(chǎn)生高頻時(shí)鐘達(dá)到快速采樣的目的。13. 片內(nèi)獨(dú)立的看門狗，保證系統(tǒng)軟件可靠運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，使用普通堿性電池，系統(tǒng)已連續(xù)工作了3年，系統(tǒng)仍在繼續(xù)工作，可見此芯片功耗之低。2.3無線芯片的選擇由于工廠的環(huán)境復(fù)雜，干擾源較多，信號(hào)容易受到干擾，因此本系統(tǒng)采用了抗干擾性能好的CC1100無線收發(fā)

20、芯片。位于挪威奧斯陸的Chipcon公司作為全球領(lǐng)先的供應(yīng)商，在低系統(tǒng)成本、低功耗的射頻芯片和網(wǎng)絡(luò)型軟件方面發(fā)布了CC1100產(chǎn)品、CC1100是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。電路主要設(shè)定為在315、433、868和915MHz的ISM和SRD頻率波段。RF收發(fā)器集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個(gè)調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbps。CC1100為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評(píng)估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性能得到提升。CC1100的主要操作參數(shù)和64字節(jié)

21、傳輸/接收FIFO可通過SPI接口控制。在這個(gè)個(gè)典型的系統(tǒng)里，CC1100和MSP430的SPI接口進(jìn)行無縫連接。在實(shí)際使用中CC1100通訊距離大于100米，誤碼率小于1%。2.4溫度傳感器的選擇無線溫度的采集主要基于單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片。Dallas 半導(dǎo)體公司的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為 -55 +125，在-10+85范圍內(nèi),精度為0.5?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸

22、，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，支持3V5.5V的電壓范圍， DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5。數(shù)字單總線溫度傳感器是目前最新的測(cè)溫器件，它集溫度測(cè)量，A/D轉(zhuǎn)換于一體，具有單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)字量輸出，直接與微機(jī)接口等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試在-10-70間測(cè)得誤差為0.25,80T105時(shí)誤差為0.5,當(dāng)T105誤差為增大到1左右。DS18B20高速暫存器共9個(gè)存存單元，如表所示：序號(hào)寄存器名稱作 用序號(hào)寄存器名稱作用0溫度低字節(jié)以16位補(bǔ)碼形式存放4、5保留字節(jié)1、21溫度高字節(jié)6計(jì)數(shù)器余值2TH/用戶字節(jié)1存放溫度上限7計(jì)數(shù)器/3HL/用戶字節(jié)2存放

23、溫度下限8CRC 表 2-1光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。 DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例: 用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘

24、于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。 2.5本章小結(jié)本章主要對(duì)無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行概述，介紹了該系統(tǒng)的工作原理及主要功能。該系統(tǒng)主要由兩部分組成:溫度數(shù)據(jù)采集單元和溫度數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。在分別介紹每個(gè)單元系統(tǒng)的組成及主要功能的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和具體要求，選擇系統(tǒng)所需CPU微處理芯片MSP430、無線射頻芯片CC1100、溫度傳感器DS18B20并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。第三章 溫度采集單元的設(shè)計(jì)31 CC1100的程序設(shè)計(jì) CC1100通過4線SPI兼容接口（SI,SO,SCLK和CSn）配置。這

25、個(gè)接口同時(shí)用作寫和讀緩存數(shù)據(jù)。SPI接口上所有的地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換被最先在重要的位上處理。SPI接口上所有的處理都同一個(gè)包含一個(gè)讀/寫位，一個(gè)突發(fā)訪問位和一個(gè)6位地址的頭字節(jié)一起作用。當(dāng)頭字節(jié)在SPI接口上被寫入時(shí)，芯片狀態(tài)字節(jié)在SO腳上被CC1100寫入。狀態(tài)字節(jié)包含關(guān)鍵狀態(tài)信號(hào)，對(duì)MCU有用。第一位s7,是CHIP_RDYn信號(hào)。在SCLK的第一個(gè)正邊緣之前，這個(gè)信號(hào)必須為低。CHIP_RDYn信號(hào)表明晶體正處在工作中，調(diào)節(jié)數(shù)字提供電壓是穩(wěn)定的。在地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換期間，CSn腳必須保持為低點(diǎn)評(píng)。如果在過程中CSn變?yōu)楦唠娖剑D(zhuǎn)換取消。當(dāng)CSn變低，在開始轉(zhuǎn)換頭字節(jié)之前，MCU必須等待，直到SO腳

26、變低。這表明電壓調(diào)制器已經(jīng)穩(wěn)定，晶體正在工作中。除非芯片處在SLEEP或XOFF狀態(tài)，SO腳在CSn變低后總會(huì)立即變低。CC1100配置寄存器位于SPI地址從0 x00到0 x2F之間。所有的寄存器均能讀寫。通過在地址頭設(shè)置突發(fā)位，連續(xù)地址的寄存器能高效地被訪問。這個(gè)地址在內(nèi)部技術(shù)器內(nèi)設(shè)置起始地址。每增加一個(gè)新的字節(jié)，計(jì)數(shù)器值增加1。突發(fā)訪問，不管是讀訪問還是寫訪問，必須通過設(shè)置CSn為高來終止。對(duì)0 x30-0 x3D間的地址來說，突發(fā)位用以在狀態(tài)寄存器和命令濾波器之間選擇。命令濾波可被視為CC1100的單字節(jié)指令。通過命令濾波寄存器的選址，內(nèi)部序列被啟動(dòng)。這些命令用來關(guān)閉晶體振蕩器，開啟傳

27、輸模式和電磁波激活等。命令濾波寄存器的訪問和一個(gè)寄存器的寫操作一樣，單沒有數(shù)據(jù)被傳輸。就是說64字節(jié)TX FIFO和64字節(jié)RX FIFO通過0 x3F來訪問。3.2 DS18B20的溫度的讀取DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2RAM,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。暫存存儲(chǔ)器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用

28、于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。低五位一直都是1 ，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500us，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待1660us左右，后發(fā)出60240us的存在低脈沖，主CPU收到此信

29、號(hào)表示復(fù)位成功。3.3 DS18B20的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在長(zhǎng)期的使用過程中由于熱應(yīng)力的作用DS18B20的管腳會(huì)開焊，正常更換DS18B20時(shí)候，要更新程序中的相應(yīng)的64位地址碼，重新編程顯得比較麻煩，現(xiàn)介紹一種自動(dòng)識(shí)別地址碼的過程，實(shí)現(xiàn)的只更換器件而不用重新編程的方法。每個(gè)數(shù)字溫度傳感器內(nèi)均有惟一的64位序列號(hào)，只有獲得該序列號(hào)后財(cái)可能對(duì)單線多傳感器系統(tǒng)進(jìn)行一一識(shí)別。讀DS18B20是從最低有效位開始的，8位產(chǎn)品代碼都讀出后，48位序列號(hào)再讀入，移位寄存器中就存儲(chǔ)CRC值了?？刂破骺梢杂?4位ROM中的前56位計(jì)算出一個(gè)CRC值，再用存儲(chǔ)再DS18B20的64位ROM中的值或DS18B20內(nèi)部計(jì)

30、算出的8位CRC值進(jìn)行比較，以確定ROM數(shù)據(jù)是否被總線控制器接收無誤。在ROM操作命令中，有兩條命令智能在總線上僅有一個(gè)傳感器的情況下使用。搜索ROM命令（F0H）。讀ROM命令只能在總線上僅有一個(gè)傳感器的情況下使用。搜索過程位3個(gè)步驟：讀一位，讀該位的補(bǔ)碼，寫所需位的值?？偩€主機(jī)在ROM的每一位上完成這3個(gè)步驟，在全部過程完成后，總線主機(jī)便獲得一個(gè)傳感器ROM的內(nèi)容，其他傳感器的序列號(hào)則由相應(yīng)的另外一個(gè)過程來識(shí)別。具體搜索過程為：1總線主機(jī)發(fā)出復(fù)位脈沖進(jìn)行初始化，總線上的傳感器則發(fā)出存在脈沖響應(yīng)。2.總線主機(jī)在單總線上發(fā)出搜索ROM命令。3 總線主機(jī)從總線上讀一位。每一個(gè)傳感器首先把它們各自

31、的ROM中的第一位放到總線上產(chǎn)生“線與”，總線主機(jī)讀得“線與”結(jié)果。接著每一個(gè)傳感器把它們各自的ROM中的第一位的補(bǔ)碼放到總線上，總線主機(jī)再次讀得“線與”的結(jié)果?？偩€主機(jī)根據(jù)以上讀得的結(jié)果，可以進(jìn)行如下判斷：結(jié)果為00表明總線上連有傳感器，且在此數(shù)據(jù)位上它們的值發(fā)生沖突；為01表明此數(shù)據(jù)位上它們的值均為0；為10表明此數(shù)據(jù)位上它們的值均為1；11表明總線上沒有連接傳感器。4總線主機(jī)將一個(gè)數(shù)值位（0或1）寫到總線上，則該位與之相符的傳感器仍連到總線上。5.其他位重復(fù)以上步驟，直至獲得其中一個(gè)傳感器的64位序列號(hào)。3.4 DS18B20使用中的注意事項(xiàng)DS18B20雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)溫精度高

32、、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下兩方面的問題：1.連接DS18B20的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過50米時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽的電纜時(shí)，正常通信距離可以達(dá)到150m。當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通信距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。這種情況主要由于總線分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?。因此，在用DS18B20進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。2.在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS18B20

33、接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀DS18B20時(shí)候，將沒有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)要考慮。3.5單片機(jī)固件設(shè)計(jì)開發(fā)接口固件的整體思想是模塊化和通用性。采用C語(yǔ)言來開發(fā)單片機(jī)固件。C語(yǔ)言是一種通用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它既有高級(jí)語(yǔ)言的特征又能直接操作系統(tǒng)硬件，而且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中用宏來代替需要經(jīng)常被調(diào)用代碼，來簡(jiǎn)化冗長(zhǎng)操作的代碼。固件設(shè)計(jì)使用一種分層的結(jié)構(gòu)。在最底層是一些簡(jiǎn)單的、原始的功能子程序，這些子程序直接和硬件打交道或完成一些最基本的功能，如向外部設(shè)備寫數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)。調(diào)用這些子程序形成了高層的更復(fù)雜的應(yīng)用程序。把子程序的聲明和宏定義編成

34、頭問件，包含在應(yīng)用程序中。例如，在設(shè)計(jì)中將單片機(jī)寄存器、公用的宏定義、調(diào)用外部函數(shù)的原型分別編寫在430.h、global.h、external.h中。程序編寫的分層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔易懂，并且易于編寫和測(cè)試，既增加了程序的通用性，又增加了代碼的可讀性。中斷NY初始化20分鐘到嗎?進(jìn)入低功耗等待定時(shí)中斷關(guān)閉發(fā)送模塊清看門狗采集發(fā)送數(shù)據(jù)中斷服務(wù)程序定時(shí)器中斷單片機(jī)固件的流程如圖3-1所示，按照模塊化思想又可分為以下幾個(gè)模塊：初始化模塊、低功耗模塊、定時(shí)器模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。初始化程序模塊用來初始化單片機(jī)和外部硬件等，使定位器進(jìn)入正常的使用狀態(tài)。如設(shè)置單片機(jī)的功能模塊的寄存器；設(shè)置引腳功能寄存

35、器，為多功能引腳選擇功能方式；設(shè)置中斷觸發(fā)模式及中斷優(yōu)先級(jí)。圖3-1 單片機(jī)固件第四章 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，通訊接收設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié).數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接收端掛在廠房的上方后，與外界交互只有靠無線通訊實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)接收端是被動(dòng)方，數(shù)據(jù)采集單元是主動(dòng)方，數(shù)據(jù)采集單元用定時(shí)器中斷方式來計(jì)時(shí)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，這個(gè)過程是靠CPU的定時(shí)器TimerA中斷源來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)TimerA中斷延時(shí)程序達(dá)到20分鐘后啟動(dòng)一次溫度采集過程，給數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)返回不同的數(shù)據(jù)。在整個(gè)通信的過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (下位機(jī)無線終端)和數(shù)據(jù)接受系統(tǒng) (上位機(jī))既是數(shù)據(jù)發(fā)送端也是數(shù)據(jù)接收端。由于在本無線網(wǎng)絡(luò)中，存在

36、6個(gè)主站 (即上位機(jī))和多個(gè)從站 (下位機(jī)無線終端)，因此本無線通信的協(xié)議是一個(gè)一對(duì)多的無線通信協(xié)議.在整個(gè)無線通信系統(tǒng)中，無線通信模塊的工作頻率是 433MHz，數(shù)據(jù)傳輸率是 110Kb/s。由于整個(gè)系統(tǒng)工作在單一載波頻率下，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)載波頻率，采用隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的方式，由于硬件缺少?zèng)_突檢測(cè)的機(jī)制，所以在經(jīng)過權(quán)衡之后，認(rèn)為采用TDMA(方式)，即時(shí)分多路訪問，由于整個(gè)系統(tǒng)每次最多的通信數(shù)據(jù)量限制在1K以內(nèi),減少了數(shù)據(jù)空中碰撞的機(jī)會(huì)。由于CC1100帶有地址濾波功能，共可以有255個(gè)地址，我們?cè)诎?55個(gè)地址中選用6個(gè)地址，相應(yīng)發(fā)送給主站數(shù)據(jù)的溫度傳感器采用同一地址，如果主機(jī)檢測(cè)到非子傳感器來

37、的數(shù)據(jù)，會(huì)被地址濾波器濾掉。 目標(biāo)板天線CC1100CPU通訊接口RS485總線存儲(chǔ)器 。 圖 4.1 系統(tǒng)接受單元框圖 接收的數(shù)據(jù)通過FEC糾正后，存入主站中的FLASH中，在存入每個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)，存入相應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)間。每隔20分鐘PC機(jī)讀取主站中的數(shù)據(jù)一次。讀完主站數(shù)據(jù)后，主站清空FLASH內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)。下面就通訊協(xié)議和系統(tǒng)抗干擾作一簡(jiǎn)單介紹。4.1單片機(jī)與Pc機(jī)的串行通信 要想保證通信的成功，通信雙方必須有一系列的約定。作為發(fā)送方，必須清楚在何時(shí)發(fā)送信息、發(fā)送什么內(nèi)容、何時(shí)發(fā)送結(jié)束以及對(duì)方是否收到、收到的內(nèi)容是否正確、對(duì)方接收不正確時(shí)要不要重發(fā)等。作為接收方，必須清楚對(duì)方是否發(fā)送了信息、發(fā)送什

38、么內(nèi)容以及收到的信息是否正確、接收不正確時(shí)如何通知對(duì)方重新發(fā)送、怎樣判斷結(jié)束等。這種約定就叫通信協(xié)議，必須在編程之前確定下來。只有雙方遵守通信協(xié)議，通信才能順利進(jìn)行。 在系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信期間，在有效數(shù)據(jù)間會(huì)混有噪聲，為了識(shí)別噪聲和有效數(shù)據(jù)，通常在要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊前加三個(gè)字節(jié)的協(xié)議頭表示，在數(shù)據(jù)塊的最后加校驗(yàn)和進(jìn)行糾錯(cuò)。通信數(shù)據(jù)幀格式為：起始碼設(shè)備地址包大小數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)本系統(tǒng)中設(shè)定如下:(l)通信起始碼:4e，31 ，32。(2)數(shù)據(jù)校驗(yàn):采用CRC校驗(yàn)。(3)單片機(jī)系統(tǒng)為1-6，上位機(jī)為7。 在串行通信中，一個(gè)重要的指標(biāo)是波特率，它反映了串行通信的速率，也反映了對(duì)傳輸通道的要求。一般異步通信的波

39、特率在 50b/s9600b/s 之間。由于異步雙方各用自己的時(shí)鐘，要保證捕捉到正確的信息，最好采用較高頻率的時(shí)鐘，一般選擇時(shí)鐘頻率比波特率高16或64倍，若選擇時(shí)鐘頻率低于波特率，則頻率稍有偏差便會(huì)產(chǎn)生接收錯(cuò)誤。上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)后等待下位機(jī)的回應(yīng)，如果下位機(jī)接收正確，則發(fā)送下一條數(shù)據(jù):如果下位機(jī)接收錯(cuò)誤，或者沒有收到回應(yīng)信息，上位機(jī)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，如果重復(fù)發(fā)送三次還沒有回應(yīng)，系統(tǒng)提醒用戶通信中斷。 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的接收采用中斷的方式，即只要計(jì)算機(jī)的緩存區(qū)有數(shù)據(jù)從串口傳過來，立即執(zhí)行中斷程序。4.2系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作在惡劣的電磁環(huán)境中，受到各種各樣的電磁干擾。而數(shù)據(jù)采集是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

40、的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它能否正常工作對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)起著決定性的作用。溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在垃圾處理廠中屬弱點(diǎn)設(shè)備，抗干擾能力較弱。因此，如果不加防范，電磁干擾會(huì)嚴(yán)重地干擾系統(tǒng)工作，甚至造成電路擊穿損壞，形成永久性故障。下面就從電磁干擾的產(chǎn)生、對(duì)電磁干擾的抑制和提高單片機(jī)自身可靠性三個(gè)方面論述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。 電氣設(shè)備工作時(shí)，在接收的信號(hào)中，除了接收有用的信號(hào)之外，還夾雜著一些無用的信號(hào)這種無用且不規(guī)則變化的信號(hào) “噪聲”，外部噪聲對(duì)電氣設(shè)備的干擾幾乎都是通過傳導(dǎo)耦合和空間耦合兩種方式實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)采用了如下的抗干擾措施:4.2.1傳導(dǎo)藕合干擾的抑制數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)電源來自工頻交流線路，外部噪聲

41、傳導(dǎo)耦合是主要噪聲來源，因此如何抑制來自電源系統(tǒng)的干擾就成為提高系統(tǒng)抗干擾性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。首先是對(duì)系統(tǒng)浪涌沖擊干擾的抑制，浪涌沖擊變化快、時(shí)間短、功率大，因而危害性大。對(duì)浪涌沖擊一般可采用吸收其能量和瞬時(shí)短路干擾噪聲的辦法。由于壓敏電阻和瞬變抑制二極管具有瞬間短路放電的性能，因此被用來抑制線路大電流沖擊。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要正常工作,首先應(yīng)正確無誤地檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)。若信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致信號(hào)難以辨識(shí)，在一些干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，微弱的信號(hào)甚至?xí)谎蜎]于干擾之中。為了獲得真實(shí)信號(hào)，采取如下措施:首先是提高信號(hào)幅值，從抑制傳輸干擾的角度看，提高信號(hào)幅值是一種簡(jiǎn)單而有效的方法。提高信號(hào)幅值就提高了“信噪比”，因而增強(qiáng)了信號(hào)在傳輸過程中的抗干擾能力，為此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件上人為地將信號(hào)進(jìn)行前期放大。4.2.2空間禍合干擾