數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡的設計畢業(yè)論文

畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導教師簽名：日期：使用授權說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名：日期：

學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導師簽名：日期：年月日

注意事項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂

指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程1、學生在論文（設計）過程中的治學態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內畫“√”）指導教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日

評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學系意見：系主任：（簽名）年月日

第一章引言1.1課題的研究目的和意義溫度是人們日常生活中接觸非常多的一個物理量，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，石油、化工、冶金、紡織、機械制造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧食存儲等領域對溫度也有著較高的要求。例如：煙葉和紙張是吸濕性極高的材料，卷煙生產的每一個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，保證生產的效率和產品質量；印刷車間的溫度控制水平對印刷質量有很大的影響；為防止庫存武器彈藥、金屬材料等物品霉爛、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。隨著科學技術的發(fā)展，許多新興產業(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過程中非常重要的技術要求。目前，溫度傳感器已廣泛應用于氣象、農林、冶金、化工、紡織、食品、家用電器、倉儲等許多領域。由于一些大型場所的測量空間較大，維護較困難，現(xiàn)有的有線溫度測量系統(tǒng)無法滿足計量檢測的需要。為了能夠實現(xiàn)對遠距離溫度數(shù)據(jù)的計量采集，本人研究設計了一種結合嵌入式技術和無線傳感器技術的無線溫度采集系統(tǒng)，可以解決這方面的難題。1.2課題背景單片機自1976年由Intel公司推出MCS-48開始，迄今已有二十多年了。由于單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經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”。單片機的應用領域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產品、辦公自動化、汽車電子、PC機外圍以及網(wǎng)絡通訊等廣大領域。按照內部數(shù)據(jù)通道的寬度，單片機可分為4位、8位、16位及32位等。單片機的中央處理器（CPU）和通用微處理器基本相同，只是增設了“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、乘除法運算、狀態(tài)監(jiān)測、中斷處理等，增強了實時性。單片機有兩種基本結構形式:一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲器空間的結構，稱為普林斯頓（Princeton）結構。另一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址的結構，稱為哈佛（Har-vard）結構，一般需要較大的程序存儲器，目前的單片機以采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開的結構為多。單片微型計算機自從問世以來，作為微型計算機一個很重要的分支，應用廣泛，發(fā)展迅速，尤其是美國Intel公司生產的MCS-51系列單片機，由于其具有集成度高，處理功能強，可靠性高，系統(tǒng)結構簡單，價格低廉等優(yōu)點，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、機電一體化等方面取得了令人矚目的成就。本文討論的單片機無線溫度控制系統(tǒng)的核心是目前應用極為廣泛的51系列單片機，配置了外圍設備，構成了一個可編程的溫度測量和顯示系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功能強等特點。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可供開發(fā)，有著廣泛的應用領域。20世紀80年代中期以后，Intel公司以專利轉讓的形式把8051內核技術轉讓給許多半導體芯片生產廠家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。這些廠家生產的芯片是MCS-51系列的兼容產品，準確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些兼容機與8051的系統(tǒng)結構（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，它們對8051單片機一般都作了一些擴充，更有特點。其功能和市場競爭力更強，不該把它們直接稱呼為MCS-51系列單片機，因為MCS只是Intel公司專用的單片機系列型號。MCS-51系列及80C51單片機有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內部結構上有些區(qū)別。目前使用的MCS-51系列單片機及其兼容產品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超8位型、片內閃爍存儲器型。[10]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)廣泛應用于汽車,鍋爐,電子,化工等各個領域。早期常用的一些溫度控制系統(tǒng)都使用模擬電路設計制作的，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，其準確性和精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術的新一代產品，這種產品功能強，是前者的換代之物。隨著單片機性能價格比的不斷提高，新一代產品的應用也越來越廣泛，大可構成復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強大，體積小，質量輕，靈活好用，配以適當?shù)慕涌谛酒梢詷嬙旄鞣N各樣、功能各異的微電子產品。測量和顯示的控制。在本設計上按照個人的意圖稍加擴展，就可以實現(xiàn)更多更強大的功能。1.4短距離無線通信技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢隨著移動通信需求和遠程數(shù)據(jù)采集量的增加，加之有線傳輸?shù)馁M用日益增長，人們正逐漸認識到在許多檢測領域采用無線傳輸?shù)谋匾?。在過去的幾年中，無線通訊領域取得了很大的進展，這其中包括數(shù)字電路和射頻電路制作工藝的進步、低功耗電路、高能電池以及微電子技術的采用。以上諸多方面的發(fā)展使移動通信設備更加靈巧、經濟、可靠。與上述技術一樣，數(shù)字通信技術和數(shù)字調制技術的發(fā)展也發(fā)揮了很大的作用，他們使無線通信網(wǎng)絡向更加經濟、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的特點，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)通信技術可分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)，通用分組無線傳輸技術(GPRS)、EDGE等。二是基于局域網(wǎng)的技術，如IEEE802.11WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技術等。與目前已經具備相當規(guī)模的無線長距離通信網(wǎng)絡(如蜂窩移動通信網(wǎng))相比，短距離無線通信系統(tǒng)在基本結構、服務范圍、應用層次及通信業(yè)務(數(shù)據(jù)、話音)上，均有很大的不同。1.4.1紅外通信技術（IrDA）[19]紅外通信技術IrDA(InfraRedDataAssociation)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。它利用紅外線的通斷表示計算機中的0-1邏輯，通常有效作用半徑2米，傳統(tǒng)速度可達4Mbit/s，1995年IrDA將通信速率擴展到的高達16Mbit/s，紅外技術采用點到點的連接方式，發(fā)射、接收具有方向性，具有體積小、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、成本低廉的特點。因此廣泛應用于各種遙控器，筆記本電腦，PDA，移動電話等移動設備。但紅外技術只是一種視距傳輸技術，有效距離近，發(fā)射角度較小，一般不超過20度，兩臺相互通信的設備之間必須對準，而且傳輸數(shù)據(jù)時兩臺設備之間不能有阻擋物，只能限于兩臺設備通信，無法靈活構成網(wǎng)絡，且無法用于邊移動邊使用的設備，另外，IrDA設備中的核心部件LED易磨損。1.4.2藍牙技術（Bluetooth）[19]藍牙技術使用全球統(tǒng)一開放的2.4GHz的ISM頻段，采用跳頻擴頻FHSS技術實現(xiàn)設備之間的無線互連，有穿透能力，能夠全方位傳送，主要面對網(wǎng)絡中各種數(shù)據(jù)和語音設備，通過無線方式將它們連成一個微微網(wǎng)(Piconet)。多個微微網(wǎng)之間也可以形成分布式網(wǎng)絡(Scatternet)，從而方便，快速的實現(xiàn)各類設備之間的通信。藍牙技術作為一種新興的技術，主要具有以下特點:規(guī)范的開放性、產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。[3]藍牙技術目前只是一種行業(yè)聯(lián)盟制定的短距離無線通信規(guī)范。1.4.3IEEE802.11b（Wi-Fi）[19]IEEE802.11b技術標準是無線局域網(wǎng)的國際標準，使用2.4GHz的ISM頻段，采用直接序列擴頻DSSS技術進行調制解調增強了抗干擾能力，提高了傳輸速度。802.11b無線網(wǎng)絡的最大優(yōu)點是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡上裝上AP(AccessPoint)，就可以提供無線網(wǎng)絡服務，終端設備只要裝上無線網(wǎng)卡，就可以訪問所有網(wǎng)絡資源，象使用有線局域網(wǎng)一樣方便，卻免除了布線的麻煩。802.11b具有有線等價保密機制WEP(WiredEquivalentPrivacy)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，運營成本低，投資回報快等特點，正逐漸受到電信制造商和運營商的青睞，目前此種設備還比較昂貴，妨礙了其推廣和應用。更多新的Wi-Fi標準正在制定之中。速度更快的802.11g使用與802.11b相同的正交頻分多路復用（OFDM）調制技術，同樣工作在2.4GHz頻段，速率達54Mbit/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)絡產品制造商選擇作為產品標準，而下一代的Wi-Fi標準802.11n可望達到100Mbit/s。[10]1.4.4微功率短距離無線通信技術[19]近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術的發(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、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，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)全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。[12]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、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現(xiàn)設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡，在工業(yè)、民用領域得到較為廣泛的應用。1.5本章小結本文介紹的設計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，是單片機智能化的一種應用。

第二章系統(tǒng)方案的總體設計溫度的檢測有許多方法，可供選擇的器件和運用的技術也有多種。因此，系統(tǒng)的總體設計方案應在滿足系統(tǒng)整體性能指標的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結構要盡量簡單實用、易于實現(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)方案構想系統(tǒng)采用近幾年來成熟的各種溫度傳感技術、短距離無線通信技術、數(shù)據(jù)處理控制技術和功能化模塊來構造基本的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的功能往往決定了系統(tǒng)采用的結構，本系統(tǒng)要實現(xiàn)的是溫度數(shù)據(jù)的測量、存儲、顯示等功能，因此，系統(tǒng)的總體結構可以構想為溫度采集模塊、短距離無線通信模塊、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊等幾大部分。系統(tǒng)方案在溫度數(shù)據(jù)采集部分主要有三種構想：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想：一是采用藍牙技術，二是采用紅外線技術，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想：一是采用單片機控制，二是采用DSP進行處理。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量轉換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點。但是模擬傳感器的模擬信號需要先經過取樣、放大和模數(shù)轉換電路處理，再將轉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，到轉換為微處理器可處理的數(shù)字信號之間，設計者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應測試裝置中元器件數(shù)量難以下降，隨之影響產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致誤差產生。在多點溫濕度檢測的場合，各被測點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，都將會導致誤差的產生，并且難以完全清除。另外，模數(shù)轉換系統(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)字設備（計算機，計數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等）相聯(lián)，用微控制器、DSP或計算機進行信號的處理、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，維護簡單，工作可靠性高。雖然存在反應速度較慢，溫度測量的范圍不寬的缺點，數(shù)字式傳感器技術的發(fā)展仍受到人們越來越多的重視?？紤]系統(tǒng)的經濟性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點及發(fā)展狀況，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牙技術作為一種近距離無線連接的全球性開放規(guī)范，已經得到了全球眾多大企業(yè)的支持。藍牙技術同時支持語音和數(shù)據(jù)傳輸，使用跳頻擴頻技術，本身包括糾錯機制，可靠性高，藍牙規(guī)范的核心部分協(xié)議允許多個設備進行相互定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實現(xiàn)互操作和交互式應用。但是藍牙設備價格昂貴，通訊距離近，藍牙RF定義了三種功率等級（100mw、25mw和1mw），當藍牙設備功率為1mw時，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行較近距離的傳輸。IrDA具有技術成熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、保密性強、成本低廉等優(yōu)點。也存在著只能視距傳輸、移動時不能傳輸、LED易磨損等缺點。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(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、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，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)全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進行操作即可實現(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、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現(xiàn)設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡，在工業(yè)、民用領域得到較為廣泛的應用?？紤]系統(tǒng)的經濟性、傳輸距離，確定該部分電路設計使用無線收發(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，通訊協(xié)議簡單透明，技術成熟。使用該種方案無線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設計簡單。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)在采集后通常要進行數(shù)據(jù)處理，以實現(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，多采用專用計算機系統(tǒng)進行測控。專用計算機系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個獨立完整的功能實體，用單片機或DSP來控制整個系統(tǒng)。最主要的特征是系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模完全根據(jù)應用系統(tǒng)的要求配置，獨立性、可擴展性好，因此系統(tǒng)具有較高的性價比。根據(jù)微處理器的不同，專用計算機應用系統(tǒng)可分為DSP應用系統(tǒng)和單片機應用系統(tǒng)。DSP和單片機都是構成專用計算機系統(tǒng)的核心芯片，DSP主要用于復雜的數(shù)字信號處理，DSP芯片中具有各種特殊功能的計算模塊，采用流水線結構，提高了DSP的運行速度。[13]由于DSP主要應用于高速數(shù)據(jù)處理，因此外部I/0接口比較少，不便于系統(tǒng)擴展，因此多數(shù)DSP系統(tǒng)還要通過單片機來進行外部接口擴展，這導致了DSP的成本較高，另外，DSP具有一定的專用性，開發(fā)過程比較復雜，不便于通用。單片機是把微型機的主要部分集中在一個芯片上的單芯片微型計算機。由于它的結構與指令都按照工業(yè)控制要求設計的，故又稱微控制器（MicrocontrollerUnit），也可稱微型計算機（SingleChipMicrocomputer）。通常由微型計算機和外圍設備組成，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（I/O）及其它功能部件如定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機受集成度限制，片內存儲容量較小，一般ROM只有4~8K字節(jié)，RAM小于256字節(jié)，通過外部擴展，ROM、RAM可擴展至64K字節(jié)。與通用計算機系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)簡單、功能易擴展、測控能力強、可靠性高。單片機應用系統(tǒng)正在被各個領域廣泛應用。采用單片機具有系統(tǒng)簡單、開發(fā)容易，功能易擴展、測控能力強、可靠性高的特點。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復雜的計算處理、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是不經濟的方案。在單片機能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機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、集成化技術的進步，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。這些產品的出現(xiàn)極大的豐富了設計工程師的選擇對象。在如此眾多的產品中選擇出合適的器件，應該把握以下幾點：外圍電路應該盡量簡單；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，就要添加多路復用器，這將增加成本和開發(fā)時間，應盡量節(jié)約；與MCU的通信協(xié)議應盡量簡單，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，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。其內部包含有帶隙溫度傳感器和10位A/D轉換器。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℃，轉換時間為15~30ms。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。AD7418可以級聯(lián)至多8片在同一個I2C總線上。②LM74是美國國家半導體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、△-∑型A/D數(shù)轉換器，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。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進行檢測，并在片內寄存器中存儲轉換的溫度值，主機可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。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的模數(shù)轉換器為12位外加符號位，因此在其有效工作范圍內可達0.0625℃的分辨率，轉換時間為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在其測溫范圍內非線性誤差較大，因此，當它用于高精度溫度測量時，必須對其進行非線性補償。它最多允許在一根MCU的I/O總線上同時掛接8個MAX6575L/H進行多點溫度測量。為了避免多個傳感器同時測溫時有重疊的現(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間選擇引腳。但是，MAX6575L的遠距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在5m以內，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弊端。④DS18B20是美國Dallas半導體公司的新一代數(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轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，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。DS18B20的測溫范圍-55~+125℃，最高分辨率可達0.0625℃，由于每一個DS18B20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。[7]Dallas公司的單總線技術具有較高的性能價格比，有以下特點：①適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優(yōu)越性；②性價比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；③具有CRC校驗功能，可靠性高；④軟件設計規(guī)范，系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握。由于DS18B20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/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，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，在設計中選擇合適芯片可以提高產品開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時，應主要參考以下幾點：①收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進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驗，需要更多的內存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩话銉H能達到標稱速率的1/3，而采用串口傳輸?shù)男酒瑧眉熬幊谭浅：唵?，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，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)量直接關系到系統(tǒng)的復雜程度和成本，因此應該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。③功耗大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應用在便攜式產品上的，因此功耗也非常重要，應該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產品．④發(fā)射功率在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發(fā)射功率較高的產品。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面積降低成本，適合便攜式產品的設計，也有利于開發(fā)和生產。常用的無線收發(fā)芯片主要有：①CC1000是根據(jù)Chipcon公司的SmartRF技術，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很容易通過編程使其工作在300~1000MHz范圍內。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。其FSK數(shù)傳速率可達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。②nRF24E1是挪威NordicVLSIASA公司最近開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機內核的高速單片無線收發(fā)芯片[15]。采用先進的0.18μsCMOS工藝、6mm×6mm的36引腳QFN封裝；以nRF2401芯片結構為基礎，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；內部有電壓調節(jié)器（工作電壓1.9~3.6V）和VDD電壓監(jiān)視，通常開關時間小于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)全部通過軟件設置完成，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，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。③nRF401是挪威NordicVLSI公司推出的單芯片RF收發(fā)機，專為在433MHzISM(工業(yè)、科研和醫(yī)療)頻段工作而設計。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調制、FSK解調、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。nRF401的外圍元件很少，僅10個左右。只包括一個4MHz基準晶振(可與MCU共享)、一個PLL環(huán)路濾波器和一個VCO電感，收發(fā)天線合一，沒有調試部件，這給研制及生產帶來了極大的方便。④nRF903單片射頻收發(fā)器芯片工作在915MHz國際通用的ISM頻段；GMSK/GFSK調制和解調,抗干擾能力強；采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好；靈敏度高達-100dBm,最大發(fā)射功率達+10dBm；數(shù)據(jù)速率可達76.8Kbit/s；170個頻道,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)、計算機遙測遙控系統(tǒng)等中應用。[14]基于nRF903抗干擾能力強、靈敏度高、傳輸速率快、外圍設計簡單的優(yōu)點，本系統(tǒng)將nRF903做為無線收發(fā)芯片的首選。2.3.3顯示模塊的選擇本次顯示模塊采用的是HD7279控制的數(shù)碼管顯示。HD7279是一片具有串行接口的可同時驅動8位共陰式數(shù)碼管智能顯示驅動芯片。該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示鍵盤接口的全部功能。HD7279內部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼并同時具有2種譯碼方式。此外還具有多種控制指令，如消隱閃爍左移右移段尋址等。HD7279具有片選信號可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。2.4本章小結本章首先介紹了系統(tǒng)方案的總體構想，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)的設計方案。

第三章電路的硬件設計根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構想，下面進行系統(tǒng)硬件電路的具體設計，系統(tǒng)的總體結構框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，其中接收模塊由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、顯示模塊和控制模塊組成，發(fā)射模塊由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、溫度采集模塊和控制模塊組成。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)傳到單片機，由單片機處理通過無線收發(fā)電路向接收模塊發(fā)送信號，接收模塊收到信號經單片機處理在LED上顯示出來。無線發(fā)射電路RF903無線發(fā)射電路RF903單片機8051單片機805118B20溫度采集電路無線接收電路RF903無線接收電路RF903單片機8051LED顯示圖3-1系統(tǒng)總體結構框圖3.1溫度采集部分電路設計3.1.1溫度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路由于STC89C51接口較少，故選用一只DS18B20型單線數(shù)字式集成溫度傳感器組成溫度采集網(wǎng)絡。VCCVCCGNDSTC89C51DS18B20圖3-2溫度采集網(wǎng)絡框圖3.1.2數(shù)字式溫度傳感器DS18B20簡介單總線是美國DALLAS半導體公司近年推出的新技術，它只定義了一根信號線，總線上的每個器件都能夠在適當?shù)臅r間驅動它，相當于把單片機的地址nRF401線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號線對外進行數(shù)據(jù)交換。為了區(qū)分這些芯片，廠家在生產芯片時，為每個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行串行分時數(shù)據(jù)交換，大大簡化了硬件電路。DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的應用單總線技術的數(shù)字溫度傳感器。它的主要技術特性如下：①具有獨特的單線接口方式，即微處理器與其接口時僅需占用1位I/O端口；②支持多節(jié)點，使分布式多點測溫系統(tǒng)的線路結構設計和硬件開銷大為簡化；③測溫時無需任何外部元件：④可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式：⑤測溫范圍為-55~+125℃，測溫精度為±0.5℃：⑥溫度轉換精度9-12位可編程，能夠直接將溫度轉換值以16位二進制數(shù)碼的方式串行輸出。12位精度轉換的最大時間為750ms。因為它是數(shù)字輸出，而且只占用一個I/O端口，所以它特別適合于微處理器控制的各種溫度測控系統(tǒng)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時需要的A/D轉換和較復雜的外圍電路。縮小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。1．DS18B20的結構DS18B20主要由四部分組成。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和TL④非易失性電可擦寫設置寄存器如圖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。與單片機接口的每個I/O口可掛接多個DS18B20器件。每片DS18B20含有一個唯一的64位ROM編碼。頭八位是產品系列編碼，表示產品的分類編號；接著的48位是一個惟一的產品序列號，序列號是一個15位的十進制編碼，每個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)校驗碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗數(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。這為溫度的多點測量帶來了極大的方便。DS18B20傳感器的內部數(shù)據(jù)存儲器由9個字節(jié)組成。第一、二個字節(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)的符號擴展位。第三、四字節(jié)是溫度上下限報警值(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)，出廠設置為操作功能狀態(tài)，用戶不能修改；第七、六兩位是溫度轉換數(shù)據(jù)位的設置(00、01、10、11分別對應9、10、11、12位溫度數(shù)據(jù))，出廠設置為12位溫度數(shù)據(jù)位，用戶可根據(jù)需要進行修改，其余位無效。第六、七、八字節(jié)保留未用。第9個字節(jié)是CRC校驗碼，是前面8個字節(jié)的循環(huán)校驗碼，用在通信中驗數(shù)據(jù)傳送的正確性。GNDGND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TL64位ROM和單線接口VDDVDDDQ供電方式檢測便箋式存儲器CRC發(fā)生器圖3-3DS18B20的結構框圖溫度傳感器的轉換結果以16位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中，其中第一個字節(jié)（Byte0）存放測溫結果的低位（LSByts），第二個字節(jié)（Byte1）存放測溫結果的高位（MSByts），S為符號位，其它位為數(shù)據(jù)位，溫度為負時S=1；溫度為正時S=0。格式如下表所示：表3-1低位存放數(shù)據(jù)LSBytsBit0Bit1Bit2Bit3Bit4Bit5Bit6Bit7232221202-12-22-32-4表3-2高位存放數(shù)據(jù)MSBytsBit8Bit9Bit10Bit11Bit12Bit13Bit14Bit15SSSSS262524如果測量的溫度值高于溫度報警觸發(fā)器TH或低于TL中的值，則DS18B20內部的報警標志位就被置位，表示溫度測量值超出范圍。DS18B20的溫度轉換位數(shù)可以選擇9~12位，分別對應的測溫分辨率為0.5℃,0.25℃，0.125℃，0.0625℃。不過溫度轉換位數(shù)越大，轉換時間也越長。12位精度的最大轉換時間為750ms。DS18B20的測溫范圍為-55~+125℃，溫度轉換結果以16位二進制方式單線輸出,轉換的位數(shù)可通過寫配置寄存器（字節(jié)4）設定,其格式如下表：表3-3輸出位數(shù)配置寄存器Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit00R1R011111R1、R0的設定值與位數(shù)、分辯率和最大轉換時間的關系如表3-1所示，可見位數(shù)每減少一位，分辯率同比減少而轉換時間則加快一倍,器件上電時默認分辯率為12位。表3-4配置寄存器設置R1R0分辨率℃最大轉換時間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）溫度報警觸發(fā)器和設置寄存器都由非易失性電可擦寫存儲器(EEPROM)組成，設置值通過相應命令寫入，一旦寫入后不會因為掉電而丟失。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率影響來測量溫度，如圖3-4所示。DS18B20內部有兩個不同溫度系數(shù)的振蕩器。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘脈沖信號通過由高溫系數(shù)振蕩器產生的門開通周期而被計數(shù)，通過該計數(shù)值來測量溫度。計數(shù)器被預置為與-55℃對應的一個基數(shù)值，如果計數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門周期結束前計數(shù)到零，表示測量的溫度高于-55℃，被預置在-55℃的溫度寄存器的值就增加一個增量，同時為了補償和修正溫度振蕩器的非線性，計數(shù)器被斜率累加器所決定的值進行預置，時鐘再次使計數(shù)器計數(shù)直至零，如果開門通時間仍未結束，那么重復此過程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結束為止。這時溫度寄存器中的值就是被測的溫度值。這個值以16位二進制補碼的形式存放在便箋式存儲器中。溫度值由主機通過發(fā)讀存儲器命令讀出，經過取補和十進制轉換，得到實測的溫度值。3.DS18B20的封裝和供電方式DS18B20是DS1820的升級產品，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VDD接地，它是通過內部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉換，完成溫度轉換的時間較長。為了保證在有效的時鐘周期內，提供足夠的電流，這種情況下，用一個MOSFET管和單片機的一個I/O口來完成對DS18B20總線的上拉。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，完成溫度測量的時間較短。當使用數(shù)據(jù)總線寄生供電時，供電端必須接地，同時總線口在空閑的時候必須保持高電平，以便對傳感器充電。但當所測溫度超過100℃時，DS18B20的漏電流增大，傳感器從I/O線上獲取的電流不足以維持DS18B20通訊所需的電流，此時只能選用外部供電方式。比較而言，寄生電源方式少用一根導線，但它完成溫度測量所需的時間較長，而外部電源方式測量速度則要快些。低溫度低溫度系數(shù)振蕩器高溫度系數(shù)振蕩器停止+1預置計數(shù)器溫度寄存器=0計數(shù)器=0斜率累加器預置比較器圖3-4DS18B20測溫原理3.2無線收發(fā)電路的設計3.2.1nRF903芯片的介紹nRF903是一個為433/868/915MHzISM頻段設計的真正單片UHF多段無線收發(fā)芯片，它采用優(yōu)化的GMSK調制解調技術，可在155.6KHz的有效帶寬下傳輸最高76.8Kbps的數(shù)據(jù)，發(fā)射功率可以調整，最大發(fā)射功率是+10dBm，天線接口設計為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線，所有的參數(shù)包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過一個14bit的配置寄存器用SPI串行線進行設置，nRF903的工作電壓范圍可以從2.7～3.3V，nRF903還具有待機模式，這樣可以更省電和高效。nRF903滿足歐洲電信工業(yè)標準（ETSI）EN300200-1V1.3.1和美國聯(lián)邦通信委員會標準FCCCFR47，part15。nRF903的特點如下：(1)433Mhz開放ISM頻段免許可證使用(2)最高工作速率150Kb/s，高效FSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合(3)可軟件設置頻率，適合跳頻工作的特殊場合(4)內置硬件CRC檢錯和地址碼控制(5)低功耗2.2-3.6V工作，休眠狀態(tài)僅為2uA可滿足低功耗設備的要求(6)收發(fā)模式切換時間<650us(7)模塊可軟件設地址，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34mA;RXMode:12-14mA(9)標準DIP間距接口，便于嵌入式應用(10）具有發(fā)射距離遠，發(fā)射功率大，和發(fā)送字節(jié)長的優(yōu)勢。功率最大為+15dbm，發(fā)送數(shù)據(jù)字長為64Byte.[16]圖3-5nRF903引腳圖VCC腳接電壓范圍為3V—3.6V之間，不能在這個區(qū)間之外，超過3.6V將會燒毀模塊。推薦電壓3.3V左右。除電源VCC和接地端，其余腳都可以直接和普通的3.3V單片機IO口直接相連，無需電平轉換。當然對5V左右的單片機普通IO口線需要加1-2K限流電阻。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。表3-5RF903模塊性能參考數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)值單位最低工作電壓3.0V最大發(fā)射功率15dBm最大數(shù)據(jù)傳輸率150kbps輸出功率為+10dBm時工作電流34mA接收模式時工作電流14mA溫度范圍-45～+85℃典型靈敏度-110dBm表3-6接口電路管腳說明管腳名稱管腳功能說明1VCC電源3.3V電源2SCS數(shù)字輸入SPI片選4SCKSPI時鐘SPI時鐘5CKO始終輸出未啟用6DIO數(shù)據(jù)輸入輸出未啟用7TRS數(shù)字輸入接收發(fā)送模式選擇8IRQ數(shù)字輸出數(shù)據(jù)完成指示9PWR_UP數(shù)字輸入上電10TRE數(shù)字輸入接收發(fā)送使能11ADCIN外部輸入ADC未啟用12RTCO32K時鐘輸出未啟用13GND地接地14GND地接地3.2.2典型應用電路說明在無線溫度控制系統(tǒng)中，nRF903主要完成對溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸。圖3-7是發(fā)送和接收電路框圖。在圖3-7中可以看出，微控制器的I/O口P1.0控制nRF903的片選端；P1.1口控制nRF903的時鐘信號；P1.2口控制數(shù)字雙向IO口，實現(xiàn)半雙工通信；P1.3控制數(shù)據(jù)完成指示；P1.4控制接收發(fā)送模式選擇；P1.5控制接收發(fā)送使能；P1.6口控制nRF401的POWER_UP端，實現(xiàn)待機和上電的控制，達到節(jié)能目的。圖3-6發(fā)送和接收電路框圖3.3單片機的選擇單片機體積小、重量輕、抗干擾能力強、對環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易，自問世以來以其極高的性價比一直受到人們的重視和關注，而DSP由于電路復雜，編程要求高，價格高昂等原因，故不予考慮。因8051單片機技術比較成熟，價格比較低，且本次設計對單片機的性能要求比較低，所以本人選擇STC89C51單片機。3.4顯示電路的設計本次采用基于HD7279的LED顯示，用該方法顯示位數(shù)大，顯示方法靈活?？梢暂^精確的顯示溫度值HD7279是一片具有串行接口的可同時驅動8位共陰式數(shù)碼管智能顯示驅動芯片。該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示鍵盤接口的全部功能。HD7279內部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼并同時具有2種譯碼方式。此外還具有多種控制指令，如消隱閃爍左移右移段尋址等。HD7279具有片選信號可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。3.4.1HD7279的工作原理圖3-7HD7279顯示電路連接HD7279A應連接共陰式數(shù)碼管。應用中，無需用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連接。串入DP及SA—SG連接的8只電阻為200歐。8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線DIG0－DIG7的電阻，應遵從一定的比例關系，典型值為10倍,下拉電阻的取值范圍是10K—100K，位選電阻的取值圍是1K—10K。

HD7279控制數(shù)碼管顯示采用的是循環(huán)掃描的工作方式，如果采用普通的數(shù)碼管，亮度有可能不夠，采用高亮或超高亮的型號，可以解決這個問題，數(shù)碼管的尺寸不宜選的過大。上電以后，所有的數(shù)碼管均顯示為空，所有的顯示位的顯示屬性均為“顯示”和“不閃爍”當有數(shù)值輸入時，此時可以利用軟件控制數(shù)碼管的顯示值。HD7279的控制指令共有兩大類：純指令和帶有數(shù)據(jù)的指令。純指令包括復位指令、測試指令、左右移位指令和循環(huán)左右移位指令。帶數(shù)據(jù)的指令包括方式0譯碼指令、方式1譯碼指令、閃爍控制指令、消隱指令、段點亮關閉指令以及讀鍵盤數(shù)據(jù)指令。3.4.2HD7279與單片機的接口電路在本系統(tǒng)中。HD7279中的CS口接單片機的P2.3口，CLK口接單片機的P2.2口，DATA口接單片機的P2.1口，KEY口接單片機的P2.0口。3.5其他電路的設計由于nRF903的VCC腳需接3.3V電壓，而電源電壓為5V，故需要一個低壓差電壓調節(jié)器把5V電壓轉換成3.3V電壓。LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如LM317HVH、W317L等。電子愛好者經常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設定的。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是1.25V到37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是1.25V到45V），所以R2/R1的比值范圍只能是0—28.6。本次需要的電壓為3.3V，故的值約為1.64。在設計中，R1為電位器?？梢暂^為方便的調整電壓。圖3-8電壓電路框圖3.6本章小結本章詳細介紹了系統(tǒng)的硬件電路的工作原理和實施方案。首先介紹了溫度采集電路和無線收發(fā)電路，然后介紹的是顯示電路，最后介紹了一些輔助電路。

第四章系統(tǒng)的軟件設計溫度測量系統(tǒng)的功能是在程序控制下實現(xiàn)的。該系統(tǒng)的軟件設計方法與硬件設計相對應，同樣采用模塊化的設計思想，按整體功能分成多個不同的程序模塊，分別進行設計、編程和調試，最后通過主程序和中斷處理程序將各程序模塊連接起來。這樣有利于程序修改和調試，增強了程序的可移植性。溫度測量系統(tǒng)的軟件主要分為：發(fā)射端的溫度采集、數(shù)據(jù)無線傳輸程序以及接收端的溫度數(shù)據(jù)的無線接收和顯示。4.1主程序設計系統(tǒng)的主程序設計主要完成系統(tǒng)初始化、判斷調用各模塊程序，即主要實現(xiàn)各程序模塊的連接。發(fā)射端部分的系統(tǒng)初始化主要包括STC89C51單片機中寄存器、存儲單元的設置、nRF903子系統(tǒng)初始化和DS18B20子系統(tǒng)的初始化。接收端部分的系統(tǒng)初始化主要包括STC89C51單片機中寄存器、存儲單元的配置、nRF903子系統(tǒng)初始化和HD7279顯示模塊的初始化。4.1.1發(fā)射端主程序發(fā)射端主程序開始后先進行初始化設置。初始化的過程包括給相應的字符名稱賦值，STC單片機的初始化，nRF903和DS18B20的初始化。沒有中斷的時候，發(fā)射端子系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到有中斷需要響應時，單片機進入相應的中斷服務程序。發(fā)射端單片機向DS18B20發(fā)送溫度檢測指令，然后接收DS18B20檢測到的溫度數(shù)據(jù)，轉換成十進制數(shù)據(jù)，最后將nRF903置發(fā)射模式，將溫度數(shù)據(jù)傳輸給接收端。發(fā)射端主程序流程框圖如圖4-1所示。4.1.2接收端主程序接收端主程序開始后先進行初始化設置。初始化的過程包括給相應的字符名稱賦值，STC單片機的初始化，LCD1602液晶的初始化。nRF903置接收模式，實時檢測數(shù)據(jù)，當檢測到溫度數(shù)據(jù)之后，通過單片機計算處理，將完整的溫度在液晶上顯示。接收端主程序流程框圖如圖4-2所示。4.2子程序設計4.2.1nRF903的通信子程序RF903一共有兩種工作模式,FIFOmode和Directmode。通過Modecontrol寄存器的FMS位可設置，0為時是Directmode（直接模式），為1時是FIFOmode。在FIFO模式下，RF903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，當發(fā)送過程完成后，IRQ引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。典型的RF903收發(fā)流程分以下幾步：FIFOTX發(fā)送流程A.當微控制器有數(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RF903，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定；B.微控制器置Modecontrol寄存器，且TRS為高，激發(fā)RF903的FIFO發(fā)送模式；圖4-1發(fā)射端主程序流程框圖C.RF903的FIFO模式發(fā)送：(1)射頻寄存器自動開啟；(2)數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)；(3)發(fā)送數(shù)據(jù)包；(4)當數(shù)據(jù)發(fā)送完成，IRQ有相應指示（具體可配置）；圖4-2接收端主程序流程框圖nRF903讀寫時序如圖4-2、圖4-3所示。圖4-3SPI寫操作時序D.RF903發(fā)送過程完成，可選著進入任何模式，可通過SPI或管腳控制。FIFORX接收流程A.當通過SPI指令（或者管腳控制）使RF903進入接收模式；B.RF903不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)；C.當RF935檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高（根據(jù)配置IRQ有不同的表現(xiàn)）；D.當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，RF903自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把IRQ引腳置為高E.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；[18]圖4-4SPI讀操作時序4.2.2溫度測量子程序單片機對DS18B20的操作流程大致可分為4步：1.復位：首先必須對DS18B20芯片進行復位，復位就是由單片機給DS18B20單總線至少480uS的低電平信號。當18B20接到此復位信號后則會在15~60uS后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。2.存在脈沖：在復位電平結束之后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15~60uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60~240uS的低電平信號。至此，通信雙方已經達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與18B20間的數(shù)據(jù)通信。如果復位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設計時要注意意外情況的處理。3.控制器發(fā)送存儲器操作指令：在與18B20達成協(xié)議之后，緊接著就是發(fā)送存儲器操作指令了。操作指令為8位，共6條，存儲器操作指令分別是寫RAM數(shù)據(jù)、讀RAM數(shù)據(jù)、將RAM數(shù)據(jù)復制到EEPROM、溫度轉換、將EEPROM中的報警值復制到RAM、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關鍵。4.執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲器操作指令結束后則將進行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉換指令則單片機必須等待18B20執(zhí)行其指令，一般轉換時間為500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴格遵循18B20的讀寫時序來操作。4.2.3顯示子程序 首先HD7279進行初始化。當單片機接收到溫度數(shù)據(jù)時。將溫度值通過方式0譯碼顯示在LED數(shù)碼管上面。4.3本章小結本章介紹了系統(tǒng)的軟件設計，首先介紹了主程序的設計，然后介紹了各部分子程序的設計。

第五章結論與展望5.1結論本文所研究的無線溫度發(fā)射和接收系統(tǒng)是短距離無線通信技術在溫度測量方面的一個具體應用。系統(tǒng)以STC89C51單片機為核心，采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20及nRF903無線收發(fā)芯片，應用傳感技術、無線收發(fā)技術，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集和短距離無線傳輸。系統(tǒng)結構采用模塊化設計，主要由兩大部分構成：第一部分為數(shù)據(jù)發(fā)射端，以單片機為核心，與一片單總線溫度傳感器DS18B20組成溫度采集網(wǎng)絡，完成溫度數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送；第二部分為數(shù)據(jù)接收端，由單片機作為主控機，通過顯示接口模塊，完成溫度數(shù)據(jù)的無線接收和顯示功能。該溫度控制系統(tǒng)電路簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，可靠性高，搭建方便，易于擴展，室內實際發(fā)射距離約25米（通過改進天線的設計可適度增加），因此本系統(tǒng)在短距離環(huán)境溫度的監(jiān)測方面，有廣闊的應用前景。5.2展望當然，系統(tǒng)的研究還存在一些問題需要解決。比如溫度傳感器的測溫地比較固定，發(fā)射距離較近，溫度控制精度不夠高等。任何系統(tǒng)都需要不斷地完善和改進，針對上述幾個問題，結合最新的技術和器件，可以得到很好的解決方案。增加溫度傳感器，由于DS18B20與單片機相連只需使用單片機一個引腳，很節(jié)省引腳，可以使用多個溫度傳感器與一個單片機相連，分別把多處地點的溫度傳送給單片機，然后在一個液晶上顯示出各地點的溫度。改變無線收發(fā)芯片或天線，比如可以使用nRF24L01無線模塊，與nRF903相比，它更低耗，內置2.4Ghz天線，工作于EnhancedShockBurst具有Automaticpackethandling,Autopackettransactionhandling,具有可選的內置包應答機制，極大的降低丟包率。改變單片機，可以改為AVR等單片機，AVR可靠性高、功能強、速度快、功耗低，是該系統(tǒng)理想的單片機。

致謝本文是在張小林老師的親切關懷和悉心指導下完成的。從課題的選擇到項目的最終完成，張小林老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。在畢業(yè)設計、論文寫作階段，張小林老師給予了我很多的指導與幫助。張小林老師平易近人，對畢業(yè)設計中出現(xiàn)的問題都能夠給予熱心、耐心的指導和幫助。值此論文完成之際，在此謹向張小林在論文撰寫過程中，遇到了許多困難，但由于許多老師對我的指導和同學們的熱心幫助，使我順利的完成了畢業(yè)設計，在此不勝感激。特別要感謝我的指導學長馬翔哲關心和幫助，在我遇到疑難時他都很熱情的幫助我解決問題，使我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。大學生活即將結束，感謝母校對我的栽培。在未來的學習和工作過程中，我會更加勤奮努力，以實際行動為母校增光添彩，回報學校！最后，感謝評閱、評議畢業(yè)論文和出席畢業(yè)論文答辯會的各位老師，感謝他們在百忙的工作中能給予指導。在此向他們致以誠摯的謝意！

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附錄一發(fā)射端電路圖

附錄二接收端電路圖

附錄三發(fā)射端程序#include<reg51.h>#include"intrins.h"#include<stdlib.h>sbitDS=P1^7;//defineinterfaceunsignedinttemp;//variableoftemperatureunsignedcharflag1;//signoftheresultpositiveornegativeunsignedintkey_number,j,k,count=1,number,m,aa,t_ten,t_one,t_dec;unsignedinttmr;unsignedlongwait_cnter;sbitcs=P2^3;sbitclk=P2^2;sbitdat=P2^1;sbitkey=P2^0;sbitnRF903_Scs=P1^0;sbitnRF903_Sck=P1^1;sbitnRF903_Sdi=P3^4;sbitnRF903_Sdo=P3^4;sbitnRF903_PowerOn=P1^6;sbitnRF903_Trs=P1^4;sbitnRF903_Tre=P1^5;sbitnRF903_Irq=P3^2;unsignedchartx_buf[32];#defineC_FIFO_Byte0x20//數(shù)據(jù)包長度，根據(jù)需要修改#defineC_Tx_Frequency0xcccc#defineC_Rx_Frequency0xd0cb#defineCMD_RESET0xa4#defineCMD_TEST0xbf#defineDECODE00x80#defineDECODE10xc8#defineCMD_READ0x15#defineUNDECODE0x90#defineRTL_CYCLE0xa3#defin