紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是一種利用紅外線作為傳輸媒介的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，它相對(duì)于無(wú)線電數(shù)據(jù)通信具有功耗低、價(jià)格便宜、低電磁干擾、高保密性等優(yōu)點(diǎn)，目前發(fā)展迅猛，尤其是在近距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信中得到廣泛的運(yùn)用。</p><p>　　本文主要介紹基于51單片機(jī)的紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的原理。在硬件設(shè)計(jì)原理的介紹中，主要

2、分析了系統(tǒng)中NE555數(shù)據(jù)調(diào)制電路、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、DS18B20溫度傳感器電路、單片機(jī)外圍電路以及聲光報(bào)警電路。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的介紹中，我們主要分析單片機(jī)串口通信協(xié)議、控制溫度傳感器采集數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)的編解碼；而液晶顯示部分軟件則是為了具有更好的人機(jī)交互界面。</p><p>　　通過(guò)調(diào)試后，本系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期要求，1、正確實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信功能，在2400波特率下通信距離達(dá)到7米左右；2、具有在超時(shí)通信不

3、暢的情況下進(jìn)行報(bào)警提示功能；3、具有自動(dòng)搜尋一幀數(shù)據(jù)起始位的功能，這樣可以有效防止外界的干擾；4、通過(guò)串口可以與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)正確通信,可以作為計(jì)算機(jī)的紅外無(wú)線終端,完成數(shù)據(jù)的上傳和下放。因此本系統(tǒng)具有廣闊的實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集；紅外通信；調(diào)制解調(diào)；串口通信</p><p><b>　　Abstract</b></p

4、><p>　　Infrared wireless data transmission system is a wireless data transfer method that uses infrared as a transmission medium, Compared with the radio data communication, it has many advantages in power cons

5、umption, Production costs, electromagnetic interference, and the confidentiality. At present, this technology is developing rapidly, In particular, It is widely used in short-range wireless data communications,</p>

6、<p>　　In this paper, we are introduced infrared wireless data transmission system’s theory that based on the single-chip microcomputer 51. In the hardware design principle introduction, We mainly analysis the syst

7、em’s data modulation circuit of NE555, infrared transmitter, IR receiver circuit, DS18B20 temperature sensor circuit, microcontroller peripheral circuits, as well as sound and light alarm circuit. In introducing the syst

8、em software design, We mainly analysis MCU serial communication protocol,</p><p>　　Through debugging, the system achieved the expected goals, 1, the system can correct achieve double-communications functions

9、, in 2400 baud rate, the communication distance can reach about 7 m; 2,It has alarm function in overtime communications impeded circumstances; 3, with an automatic search function of initial data, this can effectively pr

10、event outside interference; 4, the systems and PC can communicate through serial port, it can be used as the computer’s infrared wireless terminals and comp</p><p>　　Key words:AT89S52SCM；Data Acquisition；Inf

11、rared communication；Modem；Serial Communication</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1紅外技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2本課題的主要研究?jī)?nèi)容2&

12、lt;/p><p>　　1.3本課題的研究目的和意義2</p><p>　　2 紅外通信技術(shù)介紹4</p><p>　　2.1紅外通信系統(tǒng)基本組成4</p><p>　　2.2紅外通信系統(tǒng)工作原理4</p><p>　　2.3紅外通信系統(tǒng)的分類4</p><p><b>　　2.

13、4通信協(xié)議5</b></p><p>　　3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.1系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.2系統(tǒng)性能指標(biāo)7</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　4.1溫度采集電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　4.2單片機(jī)外圍

14、電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.2.1時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.2.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　4.2.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　4.2.4按鍵電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.3數(shù)據(jù)調(diào)制和紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　

15、4.3.1載波電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.3.2紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.4紅外接收電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.5與PC機(jī)串口通信電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.6 LCD顯示電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21</p><

16、;p>　　5.1系統(tǒng)總的程序流程圖設(shè)計(jì)21</p><p>　　5.2 溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　5.2.1 DS18B20的控制時(shí)序24</p><p>　　5.2.2 DS18B20的程序流程圖25</p><p>　　5.3串行通信軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.3.1串

17、行通信的字符格式26</p><p>　　5.3.2串行通信的數(shù)據(jù)通路形式26</p><p>　　5.3.3串行通信的工作方式27</p><p>　　5.3.4串行通信傳輸速率的計(jì)算27</p><p>　　5.3.5串行通信軟件設(shè)計(jì)流程圖28</p><p>　　5.4主從機(jī)串口中斷軟件設(shè)計(jì)29<

18、;/p><p>　　5.5報(bào)警部分軟件設(shè)計(jì)32</p><p>　　5.6液晶顯示模塊軟件設(shè)計(jì)33</p><p>　　6 系統(tǒng)的制作及組裝35</p><p>　　6.1系統(tǒng)電路的布局和布線35</p><p>　　6.2電路板的制作35</p><p>　　6.3系統(tǒng)組裝36<

19、/p><p>　　7 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析37</p><p>　　7.1硬件電路調(diào)試37</p><p>　　7.1.1系統(tǒng)電源測(cè)試37</p><p>　　7.1.2 紅外通信電路調(diào)試37</p><p>　　7.1.3 液晶背光調(diào)試40</p><p>　　7.2 軟件調(diào)試40<

20、;/p><p>　　7.3 性能測(cè)試41</p><p><b>　　8 結(jié) 論43</b></p><p><b>　　致 謝45</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)46</b></p><p><b>　　附 錄47<

21、;/b></p><p>　　附錄1：紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主機(jī)PCB圖47</p><p>　　附錄2：紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)從機(jī)PCB圖47</p><p>　　附錄3：紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)物圖48</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1紅外技術(shù)的國(guó)

22、內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　自從1800年英國(guó)天文學(xué)家F.W.赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今，紅外技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)多世紀(jì)，從那時(shí)開(kāi)始，紅外線和紅外元件、部件的科學(xué)研究逐步發(fā)展，但發(fā)展比較緩慢，直到1940年前后才真正出現(xiàn)現(xiàn)代的紅外技術(shù)，在這以前主要的研制成果主要是熱敏型紅外探測(cè)器，通過(guò)它科學(xué)家認(rèn)識(shí)了紅外輻射的特性及其規(guī)律，證明了紅外線與可見(jiàn)光具有相同的物理性質(zhì)。20世紀(jì)初開(kāi)始，通過(guò)測(cè)量大量的有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物的

23、吸收和發(fā)射光譜，證明了紅外技術(shù)在物質(zhì)分析中的價(jià)值。30年代，首次出現(xiàn)紅外光譜代。40年代初，光電型紅外探測(cè)器問(wèn)世，其性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)牢靠。50年代，半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，使光電型紅外探測(cè)器得到新的推動(dòng)。60年代初，隨著固體物理、光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械的發(fā)展，使紅外技術(shù)在軍、民兩用都得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。70年代，紅外成像技術(shù)獲得迅速發(fā)展。80年代，紅外技術(shù)進(jìn)入研制鑲嵌焦面陣列系統(tǒng)的新時(shí)期。接下來(lái)的幾十年里隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，紅

24、外技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是紅外遙感技術(shù)的發(fā)展極大的開(kāi)闊了人類的視野，通過(guò)衛(wèi)星紅外遙感可以對(duì)地球進(jìn)行勘測(cè)，在尋找水源、氣象檢測(cè)、監(jiān)視森林火災(zāi)等方面起了重要的作用。21世紀(jì)以來(lái)紅</p><p>　　紅外通訊技術(shù)也是隨著紅外技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，尤其是進(jìn)入90年代這一通信技術(shù)又有了新的發(fā)展，應(yīng)用范圍更加廣泛。1993年，一個(gè)由部件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、外圍設(shè)備和電信廠商組成的大型集團(tuán)—紅外無(wú)線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IRDA）就紅外通信

25、的一套標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致?，F(xiàn)在約有一百多家廠商支持紅外通信標(biāo)準(zhǔn)。主要的PC機(jī)開(kāi)發(fā)商，如微軟、蘋果、東芝等，已推出了在計(jì)算機(jī) 之間采用這種高速紅外數(shù)據(jù)通信的數(shù)字設(shè)備。并且它作為一種最具有成本效益和便于使用的無(wú)線通信技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視。</p><p>　　中國(guó)的紅外技術(shù)研究工作是在新中國(guó)成立后才開(kāi)展的。首先研究的是工作波段在1—3um的硫化鉛紅外探測(cè)器，數(shù)年之后又相繼研究鈦酸鉛等熱電探測(cè)器，并得到一定應(yīng)用。改

26、革開(kāi)放以來(lái)，紅外技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，開(kāi)展了從單元、線列到紅外膠平面的探測(cè)器研究工作。紅外探測(cè)器產(chǎn)品已布滿1—3、3—5和8—14um三個(gè)大氣窗。上世紀(jì)90年代中前期，我國(guó)研制出第一臺(tái)熱像儀，其技術(shù)性能與國(guó)外相當(dāng)，為我國(guó)紅外技術(shù)的升級(jí)換代起了重要的作用。目前我國(guó)研制的熱成像儀，可以滿足軍隊(duì)武器系統(tǒng)的各種性能需要。在民用領(lǐng)域各種紅外測(cè)溫儀、紅外熱像儀、星載紅外遙感儀等，也逐漸發(fā)展成熟。</p><p>　　經(jīng)過(guò)40

27、多年大發(fā)展，中國(guó)在紅外技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了重大的進(jìn)步，建成了專業(yè)研究所，紅外物理實(shí)驗(yàn)室和眾多的研究課題組，一批高等院校中，也設(shè)立了紅外專業(yè)或包含紅外專業(yè)的光電技術(shù)系，一批民營(yíng)企業(yè)、股份制企業(yè)相繼誕生，已經(jīng)形成了不同規(guī)模的產(chǎn)品，中國(guó)紅外產(chǎn)品與應(yīng)用市場(chǎng)日趨成熟，正逐漸普及。</p><p>　　1.2本課題的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本次課題是基于51單片機(jī)的紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)

28、計(jì)，其根本任務(wù)就是要完成基于紅外線的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射、接收和數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要的任務(wù)有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　掌握紅外無(wú)線傳輸系統(tǒng)的基本組成和紅外無(wú)線傳輸系統(tǒng)的工作原理；</p><p>　　對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分塊理論分析，其中包括數(shù)據(jù)采集、發(fā)射部分、接收部分、調(diào)制部分、串口通信部分、顯示部分和控制部分；</p><p>　　根據(jù)要求進(jìn)行電路設(shè)

29、計(jì)和元器件的選型，并要仔細(xì)分析每個(gè)元件所起的作用，特別是對(duì)于51單片機(jī)、NE555定時(shí)器、TS1620液晶一定要掌握其控制原理；</p><p>　　在進(jìn)行電路布線時(shí)一定要注意信號(hào)干擾問(wèn)題，它將在很大程度上決定你的結(jié)果正確與否；</p><p>　　結(jié)合硬件電路來(lái)設(shè)計(jì)軟件，我們?cè)诰帉戃浖倪^(guò)程中應(yīng)該編好一部分調(diào)試一部分；不然，當(dāng)編寫很多時(shí)，不易分析問(wèn)題的所在地；</p>&l

30、t;p>　　結(jié)合軟硬件進(jìn)行電路調(diào)試，在這部分一定要學(xué)會(huì)分析問(wèn)題的所在，比如是硬件問(wèn)題還是軟件問(wèn)題、發(fā)射部分問(wèn)題還是接收部分問(wèn)題等。如果分析得當(dāng)將會(huì)少走許多彎路；</p><p>　　系統(tǒng)的性能測(cè)試和電路的優(yōu)化，其主要是測(cè)試有效通信的距離及其傳輸波特率。通過(guò)這些方法讓整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最好的效果。</p><p>　　通過(guò)以上的過(guò)程基本上就能設(shè)計(jì)出能進(jìn)行紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，并且可以通

31、過(guò)串口傳輸?shù)诫娔X上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。隨著調(diào)制和編碼技術(shù)的飛速發(fā)展，紅外這種無(wú)線傳輸技術(shù)也將日益得到廣泛的運(yùn)用。 </p><p>　　1.3本課題的研究目的和意義</p><p>　　在電腦技術(shù)發(fā)展的早期，當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)都是通過(guò)線纜傳輸?shù)?，線纜傳輸連線比較麻煩，需要特制接口，非常不方便，并且采用有線線纜的成本也很高。于是人們就開(kāi)始研究無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)取代這種傳統(tǒng)的線纜傳輸，就有了我們現(xiàn)在比較熟悉的紅

32、外、藍(lán)牙等無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。</p><p>　　紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相對(duì)于別的無(wú)線傳輸技術(shù)有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：1、紅外線在傳輸過(guò)程中不受無(wú)線電干擾，而且它的使用不受國(guó)家無(wú)線管委會(huì)的限制，并不需要申請(qǐng)專門的頻點(diǎn)，因此具有很強(qiáng)的保密性和穩(wěn)定性；2、紅外線具有很好的方向性，所以它特別適合方向性很強(qiáng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；3、紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相對(duì)于別的無(wú)線傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單的多，因此可以降低整個(gè)系統(tǒng)的成本；4、其傳輸不

33、受地域的限制既可以在室內(nèi)使用也可以在室外使用。5、紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸還具有低功耗的特點(diǎn)，在移動(dòng)設(shè)備中這一點(diǎn)尤其重要；6、隨著編碼調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，其數(shù)據(jù)傳輸速率越來(lái)越高，信息容量也變得越來(lái)越來(lái)大。但是紅外無(wú)線傳輸技術(shù)也有一些技術(shù)難題和缺點(diǎn)，例如紅外射束易受塵埃、雨水等物質(zhì)的吸收，如何在野外環(huán)境下克服這些物質(zhì)的吸收，增強(qiáng)紅外射束信號(hào)的強(qiáng)度是急需研究解決的課題。</p><p>　　雖然紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸還存在一些不足，但

34、是他在近距離數(shù)據(jù)傳輸和控制上相對(duì)于別的無(wú)線傳輸方式還是具有很大的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在紅外通信技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，廣泛運(yùn)用于移動(dòng)設(shè)備、室內(nèi)辦公設(shè)備、各種近距離遙控系統(tǒng)以及電腦外圍設(shè)備等?，F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始研究把紅外無(wú)線通信運(yùn)用到無(wú)線局域網(wǎng)中；隨著各種調(diào)制和編碼技術(shù)的發(fā)展，體積小、位數(shù)率高、傳輸距離較遠(yuǎn)的紅外無(wú)線通信技術(shù)日益成熟，紅外通信技術(shù)將會(huì)在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。所以，研究紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)非常有意義的課題。</p><

35、p>　　2 紅外通信技術(shù)介紹</p><p>　　2.1紅外通信系統(tǒng)基本組成</p><p>　　紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由發(fā)射部分、信道部分和接收器三部分組成。發(fā)射部分：主要包括紅外發(fā)射器和編解碼控制器，其主要功能就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼后再發(fā)射出去；信道部分：信道是傳輸信息的載體，本系統(tǒng)是以紅外線作為傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；接收部分：主要包括紅外接收器和解碼控制器，其主要功能

36、就是完成接收信號(hào)的正確解調(diào)和解碼。圖2-1所示的就是一個(gè)最基本的紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-1 紅外通信系統(tǒng)基本組成</p><p>　　2.2紅外通信系統(tǒng)工作原理</p><p>　　紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是利用950nm 近紅外波段的紅外線作為傳輸載體的一種無(wú)線通信技術(shù)。發(fā)送端將需要傳送的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制到38kHz的載波上，并驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管

37、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光脈沖的形式發(fā)送出去；接收端將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，最后還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后輸出。其實(shí)紅外通信的實(shí)質(zhì)就是對(duì)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，這樣可以增加信號(hào)的抗干擾能力，以便利用紅外信道進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　2.3紅外通信系統(tǒng)的分類</p><p>　　根據(jù)紅外收發(fā)器的位置來(lái)分，則有4 種通信方式：(a)

38、窄視方式(NLOS，narrow line2of2sight) 、(b) 寬視方式(WLOS、wide2LOS) 、(c) 散射方式(diffuse) 、(d) 跟蹤方式(tracked)，如圖2-2 所示。以上四種方式中，相同的通信距離下發(fā)射光強(qiáng)排列為:散射方式>寬視方式>窄視方式=跟蹤方式。根據(jù)接收紅外信號(hào)方式不同還可以分為直射方式和反射方式，具體如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-2 紅

39、外信號(hào)按收發(fā)器位置不同的傳輸方式</p><p>　　圖2-3 直射和反射式</p><p>　　紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)通信速率的不同可分為：低速模式（SIR，Serial Infrared）,其通信速率小于115.2Kbps；中速模式（MIR，Medium Speed Infrared），通信速率為0.567Mbps；高速模式（FIR，F(xiàn)ast Speed Infrared）,通信速率為4

40、Mbps；超高速模式（VFIR，Very Fast Speed Infrared），位速率為16Mbps。</p><p><b>　　2.4通信協(xié)議</b></p><p>　　紅外無(wú)線通信作為一種成熟的通信技術(shù)，目前已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用協(xié)議。紅外數(shù)據(jù)委員會(huì)( IrDA) 作為一個(gè)工業(yè)機(jī)構(gòu)間協(xié)作組織于1993 年由HP、COMPAQ、INTEL等發(fā)起成立，旨在建立開(kāi)

41、放的紅外數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。目前，IrDA 規(guī)定了紅外物理層協(xié)議( IrPHY)、紅外鏈路訪問(wèn)層協(xié)議( IrLAP)、紅外鏈路管理層協(xié)議( IrLMP)，并且還規(guī)定了一些專門的應(yīng)用層協(xié)議。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 紅外通信協(xié)議結(jié)構(gòu)</p><p>　　紅外物理層協(xié)議是規(guī)定了自由空間中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電器設(shè)備之間采用半雙工通信的紅外鏈接標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定串行紅外(SIR ) 數(shù)據(jù)發(fā)射速

42、率分別至115.2Kpbs、0.576Mbps、1. 152 Mbps、4 Mbps、16 Mbps?！℃溌吩L問(wèn)層協(xié)議是在物理層協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)一步規(guī)定了通信協(xié)議中堆棧的分配。目前只對(duì)LOS 方式作了規(guī)定，包括協(xié)議服務(wù)、環(huán)境假設(shè)、協(xié)議實(shí)現(xiàn)的消息表、對(duì)消息的編碼、消息交互規(guī)范，該鏈路協(xié)議適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。紅外鏈路管理層協(xié)議為多個(gè)軟件應(yīng)用能夠獨(dú)立、同時(shí)地操作入口提供支持，從而共享一個(gè)IrLAP 連接。</p><

43、p><b>　　3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的紅外無(wú)線發(fā)射和接收，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要圍繞采集需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)射、數(shù)據(jù)接收等方面來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)，下面兩節(jié)將分別介紹系統(tǒng)整體框圖和系統(tǒng)所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　3.1系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)</p><p>　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)

44、時(shí)，為了有更好的可操作性，將系統(tǒng)分為主控和受控兩個(gè)部分，在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中實(shí)行雙向通信，這樣更好的增加了雙機(jī)交互功能，在使用中也有很大的實(shí)用性。下圖3-1就是我們本次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分：主機(jī)部分和從機(jī)部分。下面我們分別進(jìn)行這兩方面的介紹：</p><p>　　一、紅外無(wú)線通信主控部

45、分（主機(jī)）；它在整個(gè)系統(tǒng)中起核心控制地位，首先，通過(guò)單片機(jī)對(duì)溫度傳感器的控制來(lái)采集本地環(huán)境溫度；然后，把采集到的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)中進(jìn)行分析處理，并通過(guò)LCD進(jìn)行本地溫度顯示；按鍵部分主要是起通信模式切換的作用，本系統(tǒng)共有3種模式可供選擇；模式1：測(cè)試兩機(jī)的通信部分是否正常；模式2：將主機(jī)的溫度數(shù)據(jù)傳送到從機(jī)；模式3：將從機(jī)的溫度傳到主機(jī)。并且每一種模式都是通過(guò)主機(jī)發(fā)射指令來(lái)確保兩機(jī)的模式同步。其中不管是哪一種模式我們都可以將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳

46、到PC上位機(jī)，這樣更加便于我們分析數(shù)據(jù)。最后，就是主機(jī)的通信部分，它主要包括發(fā)射和接收兩部分；發(fā)射部分：主要利用單片機(jī)串口具有自動(dòng)編碼功能，在發(fā)射時(shí)單片機(jī)自動(dòng)加上幀的起始位和結(jié)束位，然后將其調(diào)制到555振蕩器產(chǎn)生的38KHZ載波上，再通過(guò)紅外發(fā)射管進(jìn)行發(fā)射；接收部分：采用一體化的紅外接收頭來(lái)對(duì)接收到的紅外信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)，最后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理執(zhí)行相應(yīng)的功能。主機(jī)部分除完成雙機(jī)通信外，還設(shè)置有通信轉(zhuǎn)換接口，通過(guò)電腦的上位機(jī)軟

47、件來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與系統(tǒng)的通信功能。</p><p>　　二、紅外無(wú)線通信的受控部分（從機(jī)）；它除了沒(méi)有與PC機(jī)通信的串口接頭和不能發(fā)送控制命令外，其余部分的結(jié)構(gòu)和功能與主機(jī)基本相同。從機(jī)也能采集本地溫度進(jìn)行顯示；從機(jī)最重要的功能是隨時(shí)保持對(duì)主機(jī)發(fā)送命令的應(yīng)答，通過(guò)接收的不同命令進(jìn)行不同的響應(yīng)操作；</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)性能指標(biāo)</b></p>

48、;<p>　　在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先要實(shí)現(xiàn)的功能就是完成數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收；如果這一功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，那么就根本談不上別的功能。其次，為了增加系統(tǒng)的實(shí)用性，可以將PC機(jī)與整個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)；這樣更加符合現(xiàn)代通信要求。最后，顯示部分一定要很直觀的反應(yīng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)處理情況等。因此，根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：</p><p>　?。?）系統(tǒng)能正確的通過(guò)紅外線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射和接收；</p

49、><p>　?。?）采集的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位；</p><p>　?。?）紅外的有效傳輸距離S，在傳輸速率為1200bps時(shí)，S>7m；2400bps時(shí)，S>6m；</p><p>　?。?）實(shí)現(xiàn)雙機(jī)雙向通信的功能；</p><p>　?。?）實(shí)行主、從機(jī)設(shè)計(jì)，主機(jī)單端全程控制整個(gè)系統(tǒng)；</p><p&

50、gt;　　（6）顯示部分準(zhǔn)確顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、工作模式、溫度數(shù)據(jù)等；</p><p>　　（7）系統(tǒng)具有超時(shí)差錯(cuò)報(bào)警功能，良好的人機(jī)交互界面；</p><p>　?。?）具有自動(dòng)搜索一組數(shù)據(jù)標(biāo)志位的能力，即使在某一時(shí)刻數(shù)據(jù)被打亂，接下來(lái)只要通信信道通常，系統(tǒng)就能自動(dòng)搜索正確數(shù)據(jù)的起始位。</p><p>　　（9）系統(tǒng)通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行雙向通信功能，這樣更加方便

51、數(shù)據(jù)的分析、保存。</p><p>　　通過(guò)上面的介紹，可以大體上了解整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，接下來(lái)將進(jìn)行具體的電路原理圖設(shè)計(jì)。</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)主要以AT89S52單片機(jī)為主控制器，以溫度傳感器、液晶顯示、鍵盤部分、串口部分、報(bào)警部分、紅外發(fā)射和接收部分為受控模塊，它們共同構(gòu)建起了整個(gè)紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在主

52、機(jī)部分，為了能與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外無(wú)線通信，特增加了串口轉(zhuǎn)換接頭和電平轉(zhuǎn)換部分來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的多樣化。</p><p>　　系統(tǒng)的通信過(guò)程與單片機(jī)的串口通信很相似，唯一的區(qū)別就是用紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)采用單片機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)編碼功能可以實(shí)現(xiàn)硬件電路簡(jiǎn)單、編碼可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且，通過(guò)軟件對(duì)通信協(xié)議的規(guī)定可以實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)傳輸和接收，具有抗干擾強(qiáng)、超時(shí)出錯(cuò)報(bào)警等功能特點(diǎn)。接下來(lái)就是電路的分塊設(shè)計(jì)。<

53、/p><p>　　4.1溫度采集電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)中，我們主要使用DS18B20溫度傳感器來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它具有體積更小、使用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，它的測(cè)量溫度范圍為?55~+125℃，在?10~+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接用“一線總線”的方式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性，

54、適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，它還可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，因此使用非常方便。</p><p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TL和TH、高速暫存器。DS18B20管腳排列如圖4-1，從左到右管腳分別為1、GND；2、I/O；3、VDD。</p><p>　　圖4-1 DS18B20 </p><p

55、>　　光刻64位序列號(hào)是出廠前被刻好的，它可以看成是該DS18B20的地址序列號(hào)。由于光刻ROM使每一個(gè)DS18B20都相互不同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。溫度傳感器可以完成對(duì)溫度的測(cè)量。內(nèi)部高速暫存器包含8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)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8位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高8位，第3、4個(gè)是TH、TL的易失性拷貝，第5個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這3個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位

56、時(shí)被刷新。第6、7、8字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第9個(gè)字節(jié)是冗余字節(jié)。暫存器具體分布如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 DS18B20寄存器分布</p><p>　　DS18B20使用12位的二進(jìn)制數(shù)來(lái)存儲(chǔ)溫度值，最高位為符號(hào)，其中，低8位的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存順序?yàn)椋?lt;/p><p>　　高8位的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存順序?yàn)?</p><p>　　S代表溫度的正

57、負(fù)，S=1，代表接收到的為負(fù)溫度；S=0，代表接收到的為正溫度；結(jié)合上面的順序就可以將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度，例如，0550H為85℃，0191H為+25.0625℃，但要注意的是，負(fù)溫度是以二進(jìn)制的補(bǔ)碼形式存在的，因此在轉(zhuǎn)換時(shí)要將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行取反加1后再進(jìn)行操作。例如FF92H所代表的溫度為?55℃。</p><p>　　DS18B20與單片機(jī)相連主要有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，DQ與單

58、片機(jī)的I/O口相連；另外一種是用寄生電源供電，此時(shí)，VCC和GND都接地，DQ口與單片機(jī)的I/O相連。但無(wú)論是那一種方式，其DQ都要接5K左右的上拉電阻來(lái)增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。其典型電路如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 DS18B20的典型應(yīng)用電路圖</p><p>　　由于DS18B20是單線通信，單片機(jī)通過(guò)此線向18B20發(fā)送指令，18B20也通過(guò)此線將采集到的溫度傳回來(lái)

59、。因此，在溫度采集的軟件編寫過(guò)程中一定要注意好時(shí)序邏輯的控制，否則將采集不到正確的數(shù)據(jù)。這個(gè)我們?cè)谲浖糠謺?huì)具體說(shuō)明。</p><p>　　4.2單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用的是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指

60、令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)編程，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52單片機(jī)為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　AT89S52單片機(jī)為用戶提供了豐富的資源：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)

61、RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、串口、中斷繼續(xù)工作，掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。接下來(lái)將分類介紹單片機(jī)的外圍電路。</p>

62、<p>　　4.2.1時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為XTAL2，在芯片的外部通過(guò)這兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。電路如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 AT89S52外部時(shí)鐘源電路圖</p><p>　　電路中的電容

63、一般取22PF左右，而晶體振蕩器的頻率范圍通常是1.2MHZ～12MHZ，在本系統(tǒng)中使用的11.0592MHZ，但我們必須注意的是振蕩脈沖經(jīng)過(guò)二分頻才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，在二分頻的基礎(chǔ)上再三分頻產(chǎn)生ALE信號(hào)，在二分頻的基礎(chǔ)上再進(jìn)行六分頻就得到機(jī)器周期信號(hào)。因此一個(gè)機(jī)器周期是振蕩周期的12倍,我們使用的是11.0592MHZ晶振，因此機(jī)器周期為(1/11.0592)*12微秒。</p><p>　　4.2.2復(fù)位

64、電路設(shè)計(jì)</p><p>　　RST引腳是單片機(jī)復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期（即2個(gè)機(jī)器周期）以上，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 單片機(jī)復(fù)位電路</p><p>　　此復(fù)位電路為按鍵電平方式復(fù)位，首先具有開(kāi)機(jī)復(fù)位的功能，在平時(shí)狀態(tài)中由于電容阻斷直流電壓，因此RST復(fù)位端口一直為低電平；

65、當(dāng)按鍵S1按下時(shí)經(jīng)過(guò)R6、R7分壓，RST端為高電平則會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。</p><p>　　4.2.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在這個(gè)系統(tǒng)中報(bào)警部分主要采用蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中其信號(hào)被阻擋超過(guò)一定的時(shí)間時(shí)，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警來(lái)提示信號(hào)傳輸不正常，蜂鳴器電路如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 蜂鳴器電路</p><p

66、>　　在這個(gè)電路中將Bell（蜂鳴器的控制端）與單片機(jī)的I/O口相連，用PNP型三極管8550對(duì)蜂鳴器進(jìn)行電路驅(qū)動(dòng)，用軟件來(lái)控制蜂鳴器的響停。</p><p>　　4.2.4按鍵電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在單片機(jī)的按鍵部分采用按鈕型按鍵，按鍵未按下時(shí)其輸出端為高電平，按鍵按下時(shí)輸出端為低電平；為了增加電平的準(zhǔn)確性，可以在按鍵的輸出端加上拉電阻來(lái)確保其高低電平的正確，這樣通過(guò)單片機(jī)

67、來(lái)檢測(cè)I/O口的電平狀況，然后執(zhí)行不同的操作，這樣就實(shí)現(xiàn)了按鍵的控制功能，電路如圖4-7所示。</p><p><b>　　圖4-7 按鍵電路</b></p><p>　　4.3數(shù)據(jù)調(diào)制和紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)據(jù)發(fā)射部分是我們本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，它的性能好壞直接關(guān)系到我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能否正常無(wú)線通信和通信的有效距離；在

68、設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過(guò)大量資料的查詢和進(jìn)行多個(gè)方案的論證，我們發(fā)現(xiàn)這部分需要解決的問(wèn)題主要有兩個(gè)方面：1、如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)制；2、對(duì)調(diào)制后的數(shù)據(jù)又怎樣進(jìn)行紅外發(fā)射。因此，下面主要從這兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)明電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.3.1載波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能為：紅外無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，由于所需要傳輸?shù)臏囟葦?shù)據(jù)是由單片機(jī)串口發(fā)送，這樣的信號(hào)頻率較低，抗干擾的性能較差，因此，為

69、了增加信號(hào)的抗干擾能力和信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，我們將要傳輸?shù)男盘?hào)調(diào)制到一個(gè)比調(diào)制信號(hào)頻率高得多的信號(hào)上，這就要求設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)生載波的電路，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用NE555定時(shí)器來(lái)構(gòu)成載波信號(hào)發(fā)生器。</p><p>　　NE555定時(shí)器是一種將模擬功能與邏輯功能相結(jié)合的多用途單片集成電路，可以產(chǎn)生時(shí)間遲延和脈沖信號(hào)，由555構(gòu)成的時(shí)基電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、定時(shí)精度高，工作速度快；2、使用電壓范圍寬，為2V～18V；3、結(jié)構(gòu)

70、簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活；4、有一定的輸出功率，可以直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器、指示燈及微電機(jī)；5、工作可靠性高，使用范圍廣；只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與整形電路，在工業(yè)自動(dòng)化控制、定時(shí)、測(cè)量及家用電器等方面廣泛的應(yīng)用。NE555的引腳排列如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 NE555管腳圖</p><p>　　各引腳的功能如表4

71、-2所示。</p><p>　　表4-2 NE555引腳描述</p><p>　　NE555內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。它包含兩個(gè)電壓比較器、一個(gè)基本的RS觸發(fā)器、泄放電管和三個(gè)5K電阻構(gòu)成的分壓器。Comp是兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器。比較器一共有兩個(gè)輸入端，分別標(biāo)有“+”和“?”。如果V+>V-, </p><p>　　圖4-9 NE555內(nèi)部電路

72、結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　比較器輸出電壓為高電平，反之則輸出為低電平。比較器的參考電壓由電阻分壓器決定。在控制電壓端CV（第5腳）懸空時(shí)，則Comp1“—”的參考電壓為2/3Vcc，Comp2的“+”端參考電壓為Vcc/3?；居|發(fā)器的RS端為直接清零端，低電平有效，平時(shí)可以接高電平；放電管提供外接電容的放電回路；控制電壓輸入端CV端平時(shí)可以對(duì)地接一個(gè)去耦電容。NE555定時(shí)器的功能如表4-3所示。</p

73、><p>　　表4-3 NE555邏輯功能表</p><p>　　在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用NE555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生38KHZ載波。多諧振蕩器是一種無(wú)穩(wěn)態(tài)電路，接通電源后，無(wú)需外加觸發(fā)信號(hào)，就能自動(dòng)地不斷翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形波。由于這種矩形波中含有很多諧波分量，因此就稱之為多諧振蕩器。具體的電路如圖4-10所示。</p><p>　　圖4-10 NE555定時(shí)器電路&l

74、t;/p><p>　　在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先必須掌握555振蕩頻率的計(jì)算。系統(tǒng)接通電源后，電源通過(guò)R12、R13對(duì)C5進(jìn)行充電，輸出端OUT輸出高電平；當(dāng)C5上的電壓高于2/3Vcc時(shí)泄電管就會(huì)導(dǎo)通，這時(shí)C5通過(guò)R13進(jìn)行放電，這時(shí)輸出端輸出為低電平；當(dāng)C5上電壓低于1/3Vcc時(shí)放電管被截止，這時(shí)又開(kāi)始進(jìn)行充電，輸出高電平；就是這樣不斷的翻轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生我們所需要的波形；其輸入與輸出信號(hào)關(guān)系如圖4-11所示。</p

75、><p>　　圖4-11 NE555的輸入與輸出波形</p><p>　　555定時(shí)器輸出信號(hào)波形的高低電平持續(xù)時(shí)間與充放電的電容、電阻有直接關(guān)系，其中高電平持續(xù)時(shí)間TW1≈0.7*R12*C5(由于接有高速開(kāi)關(guān)管IN4148，因此在充電時(shí)R13會(huì)被短路掉，這樣可以調(diào)整輸出波形的占空比。)；低電平的持續(xù)時(shí)間為TW2≈0.7*R13*C5；則整個(gè)脈沖周期為T=TW1+TW2，其占空比為q=TW1

76、/T；</p><p>　　由于接收部分使用的是一體化紅外接收頭，專門接收38KHZ的紅外信號(hào)，所以這就要求NE555定時(shí)器產(chǎn)生38KHZ的載波信號(hào)，載波信號(hào)的周期為T=(1/38)ms=26.3us,又因?yàn)門=TW1+TW2=0.7*R12*C5+0.7*R13*C5=26.3us，并且C5=3300PF，R13=5.1K ,R12為10K 的滑動(dòng)變阻器；經(jīng)計(jì)算R12≈6.3K ，這個(gè)阻值完全能夠通過(guò)調(diào)整電位器

77、來(lái)達(dá)到。</p><p>　　下面主要分析信號(hào)是怎樣調(diào)制到載波上去的。本系統(tǒng)中需要傳輸?shù)男盘?hào)是由單片機(jī)串口發(fā)送出來(lái)的，為了使接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的相位差為0，我們?cè)趩纹瑱C(jī)的發(fā)送端（TXD）加上一個(gè)74HC04非門對(duì)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行反相，然后再用這個(gè)信號(hào)去控制NE555定時(shí)器的復(fù)位端（RST），555定時(shí)器的復(fù)位端是低電平有效，因此當(dāng)74HC04輸出到555復(fù)位端的信號(hào)為高電平時(shí)，則555輸出端的信號(hào)為38KHZ的方波

78、；為低電平時(shí)，則555被復(fù)位，其輸出端為低電平。這樣一個(gè)過(guò)程就完成了將要發(fā)射的TXD基帶信號(hào)調(diào)制到38KHZ載波信號(hào)上的任務(wù)，然后再用調(diào)制好的信號(hào)再去控制三極管的導(dǎo)通與截止，導(dǎo)通時(shí)紅外發(fā)射二極管就會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)為940nm左右的紅外線，具體的波形轉(zhuǎn)換如圖4-12所示。</p><p>　　圖4-12信號(hào)傳輸波形</p><p>　　4.3.2紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)</p><p&

79、gt;　　平時(shí)我們常用的紅外發(fā)射二極管有SE303、PH303等，它們是采用砷化鎵（GaAs）和砷鋁化鎵（GaAlAs）等半導(dǎo)體材料制成的，本系統(tǒng)電路發(fā)射部分采用的是日本NEC公司生產(chǎn)的SE303紅外發(fā)射二極管，其外形與普通的發(fā)光二極管相似，導(dǎo)通時(shí)管壓降小于1.4V。紅外發(fā)光二極管的反向擊穿電壓較低，約為5~30V，因此在平時(shí)的使用過(guò)程中其反向電壓不得超過(guò)5V。</p><p>　　一般小功率的紅外發(fā)射二極管的正

80、向工作電流為30~50mA，在使用時(shí)如果長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)電流的工作范圍，容易使紅外發(fā)光二極管損壞；但是，在紅外通信過(guò)程中又要求通信距離盡可能的遠(yuǎn)，這時(shí)就可以采用脈沖電流的方式來(lái)發(fā)射紅外信號(hào)。若脈沖電流的平均值與恒定的直流值相等，則脈沖電流的幅度要比允許的工作電流大得多，其發(fā)射效率也較高。因此，本系統(tǒng)采用直流脈沖電流驅(qū)動(dòng)方式，其電路如圖4-13所示。其中R17、R20 為限流電阻，以防止流過(guò)SE303的電流過(guò)大而</p><

81、p>　　圖4-13 紅外發(fā)射電路圖</p><p>　　損壞管子。在電路圖中三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)（截止和飽和導(dǎo)通），功率計(jì)算如下，Ve為SE303的導(dǎo)通電壓，Vce為三極管發(fā)射極與集電極之間的電壓，則當(dāng)飽和導(dǎo)通時(shí)電流I=（5?Ve?Vce）/R17=(5?1.2?0.3)/20=0.175A;則發(fā)射時(shí)紅外二極管的功率為P=UI=1.2*0.175=0.21W，又因?yàn)槊}沖占空比q≈0.5，所以平均功率為P/2

82、=105mW,電阻R17的功率Pr=20*0.175/2=1.75W,因此R17必需用一個(gè)大功率的電阻。 </p><p>　　4.4紅外接收電路設(shè)計(jì)</p><p>　　紅外接收二極管其實(shí)就是一種光電二極管，它的內(nèi)阻由射入管內(nèi)的光通量決定，無(wú)紅外光照時(shí)為幾兆歐，有紅外光照時(shí)僅為幾千歐姆，接收到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)非常微弱；所以，這個(gè)信號(hào)必需通過(guò)放大器放大后才能用于對(duì)電路的控制。而這個(gè)

83、放大器除了應(yīng)有高的放大倍數(shù)外，還應(yīng)該是低噪聲并具有對(duì)信號(hào)波的解調(diào)能力（濾除信號(hào)載波，只留下有用的調(diào)制信號(hào)）。如果所有的這些電路都由自己搭建出來(lái)，其效果并不理想而且抗干擾能力差，所以我們選擇了一體化的專用紅外接收頭HS0038B，其外觀如圖4-14所示。</p><p>　　圖4-14 HS0038B管腳圖</p><p>　　HS0038B是集成紅外接收、放大、濾波和比較器輸出的模塊，主要

84、有以下優(yōu)點(diǎn)：1、單一的接收器和前置放大器的組合；2、靈敏度高；3、內(nèi)置濾波器；4、抗干擾強(qiáng)；5、與TTL及CMOS兼容，適用于微處理器操作與控制。6、低功耗。其內(nèi)部原理框圖和典型應(yīng)用電路如圖4-15所示。</p><p>　　圖4-15 HS0038B內(nèi)部框圖及典型應(yīng)用電路圖</p><p>　　HS0038B紅外接收二極管主要用于接收頻率為38KHZ的紅外線，當(dāng)接收到38KHZ的紅外信號(hào)

85、時(shí)，輸出端1腳為低電平；當(dāng)接收到的紅外信號(hào)頻率不是此頻率或沒(méi)有接收到紅外線信號(hào)時(shí)，則輸出端1腳為高電平。由于接收頭輸出的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平；因此，我們可以直接將接收到的信號(hào)送入單片機(jī)的接收端RXD進(jìn)行信號(hào)處理。解調(diào)過(guò)程如圖4-16所示。</p><p>　　圖4-16 HS0038B的接收與輸出波形</p><p>　　正因?yàn)橐惑w化紅外接收頭有如此多的有點(diǎn)，所以它在紅外通信中得到了越來(lái)

86、越來(lái)廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　4.5 與PC機(jī)串口通信電路設(shè)計(jì)</p><p>　　51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。為了使單片機(jī)能夠與PC機(jī)進(jìn)行紅外無(wú)線通信，在設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)特增加了串口電路，串口通信部分只設(shè)在主機(jī)電路部分，在從機(jī)電路中不設(shè)此模塊。雖然電腦與單片機(jī)都有串口，但他們并不能直接相連起來(lái)進(jìn)行通信。因?yàn)殡娔X的串口是RS—232C

87、接口，是符合EIA（美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)）RS—232C規(guī)范的外部總線標(biāo)準(zhǔn)接口。RS—232C采用的是負(fù)邏輯，及邏輯“1”時(shí)為－5V~?15V；邏輯“0”時(shí)為+5Ｖ~＋15V。而CMOS電平邏輯“1”時(shí)為4.99V，邏輯“0”時(shí)為0.01V；TTL電平的邏輯“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)電平為2.4V和0.4V。所以，在單片機(jī)與PC機(jī)通信電路之間應(yīng)添加轉(zhuǎn)換電路將TTL或CMOS電平與RS—232C電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。</p><p

88、>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的是MAXIM公司的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，MAX232C屬于MAXIM公司的通用串行接收/發(fā)送驅(qū)動(dòng)芯片，芯片引腳如圖4-17所示。其實(shí)它就是起一個(gè)電壓變換作用，將高電平變成低電平，低電平變成高電平，但與普通的</p><p>　　圖4-17 MAX232引腳圖</p><p>　　反向器又有所不同的是它還具有升壓的功能。MAX232C的主要特點(diǎn)有：1、符合所

89、有的RS—232C技術(shù)規(guī)范；2、只要單一+5V電源供電；3、片載電荷泵，具有升壓、電壓極性翻轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和?10V電壓；4、低功耗，典型供電電流5mA；5、內(nèi)部集成了2個(gè)RS—232C驅(qū)動(dòng)器。并且MAX232外部電路也非常簡(jiǎn)單，只需接幾個(gè)0.1uF電容就可以了；典型應(yīng)用如圖4-18所示。</p><p>　　圖4-18 MAX232典型應(yīng)用原理圖</p><p>　　PC機(jī)和M

90、AX232接口的連接非常簡(jiǎn)單，在一般的應(yīng)用中，只需有三條線即可完成通信，分別是串口接頭DB9的第2腳RXD與MAX232的輸出相連，第3腳TXD與MAX232的輸入相連，然后在共地，最后，通過(guò)串口線連接到電腦的串口上就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信了，不過(guò)在通信的過(guò)程中一定要特別注意雙方的波特率一定要相同，否則，通信是不可能成功的，具體的電路如圖4-19所示。</p><p>　　圖4-19 PC機(jī)與MAX23

91、2的電路圖</p><p>　　4.6 LCD顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在顯示部分使用的是TS1620液晶顯示器，它是利用液晶經(jīng)處理后能改變光線的傳輸方向的特性實(shí)現(xiàn)顯示信息的。液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。其外觀如圖4-20所示。</p><p>　　圖4-20 TS1620液晶顯示器&l

92、t;/p><p>　　TS1620是一款字符型液晶模塊,使用2行16字的5*7點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符,它采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，各引腳情況如表4-4所示。</p><p>　　表4-4 TS1620引腳功能介紹</p><p>　　TS1620的數(shù)據(jù)端和指令端可以直接與單片機(jī)的I/O口相連接，其中第3腳為液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)端口，接地時(shí)對(duì)比度最強(qiáng)；接電源時(shí)對(duì)比度最強(qiáng)；因此，可以對(duì)地

93、連接一個(gè)10K的滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)液晶的對(duì)比度；在15腳的背光地接一個(gè)小電阻進(jìn)行限流； TS1620與單片機(jī)的連接電路如圖4-21所示。</p><p>　　圖4-21 單片機(jī)與TS1620液晶的連接電路</p><p>　　TS1620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由DDRAM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等大規(guī)模集成電路組成。</p><p>　　DDRAM為數(shù)據(jù)顯示用的R

94、AM，用以存放LCD顯示的數(shù)據(jù)，只要將標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼放入DDRAM，內(nèi)部控制線路就會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳送到顯示器上，并顯示出該ASCII碼對(duì)應(yīng)的字符；</p><p>　　CGROM為字符產(chǎn)生器ROM，它存儲(chǔ)了192個(gè)5*7的點(diǎn)陣字型，但只能讀出不能寫入；</p><p>　　CGRAM為字型、字符型的RAM，可供使用者存儲(chǔ)特殊造型的造型碼，但它最多只能存8個(gè)造型；</p>&

95、lt;p>　　IR為指令寄存器，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)MCU要寫給LCD的指令碼，當(dāng)RS及R/W引腳為0且E由1變?yōu)?時(shí)，D0～D7引腳上的數(shù)據(jù)會(huì)存入到IR寄存器中；</p><p>　　DR為數(shù)據(jù)寄存器，它負(fù)責(zé)存儲(chǔ)微機(jī)要寫到CGRAM或DDRAM的數(shù)據(jù)，因此可將DR看成一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器；</p><p>　　BF為忙碌信號(hào)，當(dāng)BF=1時(shí)，不接收微機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)或指令；當(dāng)BF=0時(shí)，接收外部數(shù)據(jù)或指令

96、，所以在寫數(shù)據(jù)或指令到LCD之前，必須查看BF是否為0；</p><p>　　AC為地址寄存器，負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)寫入/讀出CGRAM或DDRAM的數(shù)據(jù)地址，AC依照MCU對(duì)LCD的設(shè)置值而自動(dòng)修改它本身的內(nèi)容。</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是紅外無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，也就是用紅外線作為傳輸

97、媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。首先的任務(wù)就是確立要傳輸什么數(shù)據(jù)；這些數(shù)據(jù)怎樣進(jìn)行傳輸；其次是如何將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)、顯示出來(lái)，給人一個(gè)直觀的感覺(jué)；還有就是要設(shè)置一些控制端，這樣可以更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。</p><p>　　5.1系統(tǒng)總的程序流程圖設(shè)計(jì)</p><p>　　在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)方案是采集一個(gè)地點(diǎn)的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，然后再將其傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)地方；其中，在通信過(guò)程中設(shè)計(jì)有主機(jī)和從機(jī)

98、兩部分；主機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，從機(jī)的主要任務(wù)就是接收主機(jī)發(fā)送的命令，并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)給從機(jī)；同時(shí)，根據(jù)命令做出相應(yīng)的反應(yīng)。除此以外，雙機(jī)都具有發(fā)送和接收溫度數(shù)據(jù)的功能。</p><p>　　根據(jù)上面所設(shè)計(jì)的任務(wù)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用一體化的溫度傳感器DS18B20來(lái)采集環(huán)境溫度；用顯示內(nèi)容比較豐富的TS1620液晶顯示器來(lái)進(jìn)行顯示；所以軟件的設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面：1、DS18B20的讀寫操作軟件設(shè)計(jì)；2、通信程序

99、的編寫；3、TS1620液晶顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫；4、人機(jī)交互功能及控制程序的編寫。根據(jù)上面的要求所設(shè)計(jì)的主、從機(jī)程序流程圖分別如圖5-1和圖5-2所示。</p><p>　　圖5-1 單片機(jī)主機(jī)主程序流程圖</p><p>　　圖5-2 單片機(jī)從機(jī)主程序流程圖</p><p>　　5.2 溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　在前面的硬件

100、部分已經(jīng)分析了DS18B20的結(jié)構(gòu)及功能，現(xiàn)在我們主要分析其軟件控制指令及其方法。因?yàn)镈S18B20是支持“一線總線”接口的溫度傳感器，與單片機(jī)的連接方便、占用口線較少等功能，但是由于單片機(jī)對(duì)DS18B20發(fā)送指令和接收它回傳給單片機(jī)的數(shù)據(jù)都是通過(guò)這單根總線進(jìn)行通信的，所以在程序編寫過(guò)程中必需注意時(shí)序問(wèn)題：1、DS18B20從測(cè)量結(jié)束到溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這個(gè)延時(shí)必需保證的，不然，則會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是

101、顯示85；2、較小的硬件開(kāi)銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳輸，因此對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必需嚴(yán)格保證讀寫時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)量結(jié)果。3、在DS18B20測(cè)量溫度程序設(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)，一旦有某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時(shí)，則沒(méi)有返回信號(hào)，程序就會(huì)進(jìn)入死循環(huán)，這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和

102、軟件設(shè)計(jì)時(shí)都要給與重視。另外在進(jìn)行通訊時(shí)必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制器操作。因此，控制器必</p><p>　　表5-1 DS18B20的指令集</p><p>　　5.2.1 DS18B20的控制時(shí)序</p><p><b>　?。?）初始化</b></p><p>　　時(shí)序見(jiàn)圖5-3所示。單片機(jī)總線

103、t0時(shí)刻發(fā)送一個(gè)復(fù)位脈沖（持續(xù)時(shí)間最短不得低于480us的低電平信號(hào)），接著在t1時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)，DS18B20在檢測(cè)到總線的上升沿之后，等待15－60us，接著DS18B20在t2發(fā)出存在脈沖（應(yīng)答信號(hào)為低電平，持續(xù)時(shí)間60—240us），如圖5-3中虛線所示。 </p><p>　　圖5-3 DS18B20初始化時(shí)序圖</p><p><b>　?。?）寫時(shí)間隙&

104、lt;/b></p><p>　　當(dāng)主機(jī)總線t0時(shí)刻從高拉至低電平，就產(chǎn)生寫時(shí)間隙，從t0時(shí)刻開(kāi)始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DS18B20在t0后15—60us間對(duì)總線采樣。若低電平，寫入的位是0，見(jiàn)圖5-4；若為高電平，寫入的位是1，見(jiàn)圖5-5。連續(xù)寫兩位的間隙應(yīng)大于1us。</p><p>　　圖5-4 寫0時(shí)序 圖5-5寫1時(shí)序&l

105、t;/p><p><b>　　（3）讀時(shí)間隙</b></p><p>　　時(shí)序見(jiàn)圖5-6，主機(jī)總線t0時(shí)刻從高電平拉至低電平時(shí)，總線只須保持低電平14us。之后在t1時(shí)刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時(shí)間時(shí)隙，讀時(shí)間隙在t1時(shí)刻后t2時(shí)刻前有效。t2距t0為15us，也就是說(shuō)，t2時(shí)刻前主機(jī)必需完成讀位。在讀時(shí)間結(jié)束時(shí)，I/O引腳經(jīng)外部的上拉電阻拉回至高電平。并在t0后的60us后釋

106、放總線。</p><p><b>　　圖5-6 讀時(shí)序</b></p><p>　　5.2.2 DS18B20的程序流程圖</p><p>　　對(duì)DS18B20的操作一般包含下面四個(gè)步驟：1、初始化；2、ROM操作命令；3、存儲(chǔ)器操作命令；4、執(zhí)行/數(shù)據(jù)。其中的初始化如上面的時(shí)序中講到的一樣；然后就是對(duì)ROM的操作，DS18B20片內(nèi)有光刻64

107、位的ROM，它可以看成是該DS18B20的地址序列碼。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)的目的。由于我們此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)在單總線上左右一個(gè)DS18B20，那我們就直接跳過(guò)匹配ROM（Skip ROM）的操作就行了。接下來(lái)就是對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫操作，其中讀寫“1”和“0”與上面的時(shí)序操作一樣。 最后就是將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行微機(jī)處理；這樣就完成了一次對(duì)DS18B20的訪問(wèn)過(guò)程。其具體程序流程如圖5-7