無線溫度采集器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　無線溫度采集器</b></p><p>　　摘要:隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫濕度的要求越來越高，準(zhǔn)確測(cè)量溫度變得至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)主要是針對(duì)惡劣環(huán)境下的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以及高科技大范圍的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，布線困難，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差等問題做出的一個(gè)解決方案。該方案主要是利用熱電偶采集外界的溫度，利用無線傳輸實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)顯示采集到的溫度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比和處理。<

2、/p><p>　　關(guān)鍵詞：溫度數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、熱電偶</p><p><b>　　1．引言</b></p><p>　　本文主要利用兩路熱電偶采集溫度的模擬量，并且利用熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)進(jìn)行處理，并通過無線傳輸模塊將測(cè)量的數(shù)值傳輸給PC機(jī)，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，從而可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)

3、境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且利用該設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶測(cè)量準(zhǔn)確度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但應(yīng)用范圍廣泛，使用方便，而且節(jié)約資源，同時(shí)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的監(jiān)控。</p><p><b>　　2．總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　能實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)任務(wù)要求的方案不只一種，它們各有利弊。工作環(huán)境、測(cè)量精度、要求不相同時(shí)，選擇的方案亦有所區(qū)別。所以，我們要根據(jù)設(shè)計(jì)的具體要求

4、，對(duì)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的多種方案進(jìn)行論證，從中選擇出適合設(shè)計(jì)要求的最佳方案。</p><p>　　2．1方案一：定點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)</p><p>　　方案一的原理框圖如圖2-1所示。方案一所設(shè)計(jì)的無線溫度采集系統(tǒng)主要由一個(gè)上位機(jī)模塊和一個(gè)下位機(jī)模塊組成，上位機(jī)模塊和下位機(jī)模塊之間采用無線數(shù)據(jù)通道聯(lián)系。上位機(jī)模塊能對(duì)整個(gè)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行管理和控制，下位機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。下位

5、機(jī)模塊以單片機(jī)為控制核心，主要包括溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和無線發(fā)射電路。上位機(jī)模塊主要是單片機(jī)控制下的無線接收電路和PC機(jī)與無線收發(fā)單元間的串口通信電路。</p><p>　?。?）溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路</p><p>　　溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路主要包括熱電偶、信號(hào)放大器和低通濾波器，完成溫度數(shù)據(jù)采集的功能。其中熱電偶將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓量；放大器將傳感器輸出的小信號(hào)放大，

6、放大器的輸出結(jié)果滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換范圍。</p><p><b>　　（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路</b></p><p>　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是用A/D轉(zhuǎn)換器接收來自放大器的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)提供給發(fā)射電路。</p><p><b>　　（3）無線發(fā)射電路</b></p><p>　　無線發(fā)射電路是

7、由單片機(jī)控制，從發(fā)送端（模數(shù)轉(zhuǎn)換）接收數(shù)據(jù)，并用無線收發(fā)芯片對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后通過輸出端口輸出。</p><p><b>　?。?）無線接收電路</b></p><p>　　無線接收電路是接收發(fā)射電路發(fā)送的信號(hào)，通過無線收發(fā)芯片進(jìn)行譯碼，成為上位機(jī)可顯示的數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）PC機(jī)與無線收發(fā)單元間的通信電路</p&g

8、t;<p>　　系統(tǒng)采用一個(gè)接口芯片連接PC機(jī)與無線收發(fā)單元，通過該接口芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送和在PC機(jī)上顯示溫度采集結(jié)果。</p><p><b>　　信號(hào)調(diào)理電路</b></p><p>　　圖2-1 方案一系統(tǒng)框圖</p><p>　　2. 2方案二：自動(dòng)檢定溫度采集系統(tǒng)</p><p>　　方案二的原理框

9、圖如圖2-2所示。方案二所設(shè)計(jì)的無線溫度采集系統(tǒng)同樣是由一個(gè)上位機(jī)模塊和一個(gè)下位機(jī)模塊構(gòu)成，上位機(jī)模塊與下位機(jī)模塊之間采用無線數(shù)據(jù)通道聯(lián)系。上位機(jī)模塊能對(duì)整個(gè)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行管理和控制，下位機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。下位機(jī)模塊包括兩部分電路，一路是數(shù)據(jù)采集部分，一路是數(shù)字式自動(dòng)檢測(cè)部分；上位機(jī)是單片機(jī)控制下的無線接收電路和PC機(jī)與無線收發(fā)單元間的串口通信電路。</p><p>　?。?）溫度傳感

10、器電路</p><p>　　數(shù)據(jù)采集電路主要包括溫度采集電路的電流信號(hào)輸出完成被測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)采集功能。其中溫度采集器使用的是DB18B20的數(shù)字式溫度計(jì)。</p><p><b>　?。?）無線發(fā)射電路</b></p><p>　　無線發(fā)射電路是由單片機(jī)控制，從發(fā)送端（模數(shù)轉(zhuǎn)換）接收數(shù)據(jù)，并用無線收發(fā)芯片對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后通過輸出端口

11、輸出。</p><p><b>　?。?）無線接收電路</b></p><p>　　無線接收電路是接收發(fā)射電路發(fā)送的信號(hào)，通過無線收發(fā)芯片進(jìn)行譯碼，成為上位機(jī)可顯示的數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）PC機(jī)與無線收發(fā)單元間的通信電路</p><p>　　系統(tǒng)采用一個(gè)接口芯片連接PC機(jī)與無線收發(fā)單元，通過該接口芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)

12、傳送和在PC機(jī)上顯示溫度數(shù)據(jù)采集的結(jié)果以及被測(cè)溫度的檢定結(jié)果。</p><p>　　方案一是對(duì)一個(gè)定點(diǎn)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過各部分電路的處理后，通過無線通信的方式發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示，很顯然，這是典型的一路無線溫度采集系統(tǒng)；方案二是在溫度數(shù)據(jù)采集的同時(shí)對(duì)使用的傳感器進(jìn)行自動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)檢定，兩部分的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示和對(duì)比，從而確定被測(cè)熱電偶的性能情況，這是帶自動(dòng)檢定的無線溫度采集系統(tǒng)。&l

13、t;/p><p>　　在工業(yè)上，傳統(tǒng)的檢定裝置由程序給定器、PID調(diào)節(jié)器、溫度顯示記錄儀、可控硅等組成控制系統(tǒng)來控制溫度，等待爐溫穩(wěn)定后，用手動(dòng)電位差計(jì)測(cè)量毫伏電動(dòng)勢(shì)，然后手動(dòng)查表、數(shù)據(jù)處理。這種方法操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、浪費(fèi)能源，也易帶來一些人為誤差。方案二設(shè)計(jì)的就是一種簡(jiǎn)易的數(shù)字式溫度無線傳輸系統(tǒng)。</p><p>　　從根本上說，方案一與方案二的最大的區(qū)別就是方案二的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，無論是在硬

14、件設(shè)計(jì)上還是在軟件設(shè)計(jì)上方案二都占有很大的優(yōu)勢(shì)。因此我確定方案二為本次設(shè)計(jì)的最終方案。</p><p>　　3.分電路設(shè)計(jì)和論證</p><p>　　3．1 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)和論證</p><p>　　3．1．1 方案一：紅外溫度傳感器電路</p><p>　　信號(hào)調(diào)理電路的原理如圖3-1 所示，一共分為3 個(gè)部分，分別是電流/電壓轉(zhuǎn)換模

15、塊、濾波模塊</p><p>　　1.電流/電壓轉(zhuǎn)換模塊</p><p><b>　　圖3-1 調(diào)理電路</b></p><p>　　該測(cè)試系統(tǒng)選用的傳感器為非接觸式紅外溫度傳感器，測(cè)溫范圍為－ 25 ～ 80℃，模擬輸出為4 ～ 20 mA 兩線制電流輸出。為此，需要將其轉(zhuǎn)換成1 ～ 5 V 的電壓信號(hào)，以便輸送給數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。其中最簡(jiǎn)

16、單的方法是加一個(gè)250Ω 的電阻，但這樣發(fā)熱功率太大，并且會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生一定的影響。因此本文借助放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于本文的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，所設(shè)計(jì)的電路如圖3-2 所示。</p><p>　　圖3-2電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖</p><p><b>　　2. 濾波模塊</b></p><p>　　由于溫度信號(hào)為低頻信號(hào)，同時(shí)為了抑制環(huán)境干擾源消除

17、高頻噪聲，需要進(jìn)行低通濾波。在實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)中，有很多種響應(yīng)去逼近具有理想特性的濾波器。成熟的逼近方法有巴特沃斯響應(yīng)、切比雪夫響應(yīng)、橢圓響應(yīng)、貝賽爾響應(yīng)等［2］。巴特沃斯濾波器有著最為平坦的通帶幅值響應(yīng)，但高于截止頻率的衰減度不是很大，且相位線性度不是很好; 貝賽爾濾波器的相位特性最好，但高于截止頻率的衰減度最小，且通帶幅值響應(yīng)不是很好; 而切比雪夫?yàn)V波器在高于截止頻率時(shí)有著最大的衰減度，但位線性度最差，且在通帶范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象［

18、3］。本電路選取了各項(xiàng)指標(biāo)都較均衡且具有最好幅值響應(yīng)的巴特沃斯濾波器。</p><p>　　3．1．2方案二： 數(shù)字式溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路</p><p>　　數(shù)據(jù)采集部分的電路由溫度采集電流輸出電路組成，這一模塊的功能就是將采集到的溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。</p><p>　　溫度傳感器是現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)展最迅速應(yīng)用最廣泛的傳感器，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，工業(yè)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域，而

19、且在科學(xué)研究領(lǐng)域中也發(fā)揮著巨大的作用。溫度傳感器主要可以分為接觸式和非接觸式傳感器兩種[15]。我們平時(shí)所用到的溫度傳感器一般為接觸式傳器即將被測(cè)物體與傳感器接觸在一起，根據(jù)熱量由高溫物體向低溫物體傳遞的原理，讓傳感器直接感受被測(cè)物體的溫度，這樣測(cè)得的溫度直接反映了被測(cè)物體的溫度，真實(shí)性直觀性好。還有一種是通過測(cè)量物體的熱輻射所發(fā)出的紅外線來測(cè)量物體的溫度，成為非接觸式溫度傳感器，這種方式對(duì)技術(shù)要求比較高。 </p>&l

20、t;p>　　我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是要把傳感器埋到地表以下，甚至是在冬天把傳感器放在凍土層里的，所以這里我們選擇接觸式溫度傳感器，主要有熱電偶傳感器集成溫度傳感器等。</p><p><b>　　一． 熱電偶</b></p><p><b>　　1.熱電偶的功能</b></p><p>　　熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)

21、換為電勢(shì)變化的傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應(yīng)用最廣泛的測(cè)溫元件之一。在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中，熱電偶處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，對(duì)系統(tǒng)的功能起了決定性的作用。因此，只有根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的熱電偶，才能得到精確可靠的溫度數(shù)據(jù)。</p><p>　　2.熱電偶的工作原理</p><p>　　目前對(duì)熱電偶的工作原理有兩種解說，都應(yīng)該是正確的，下面我們將分別

22、介紹這兩種說法。</p><p>　　（1）熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在Seebeck電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下

23、得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。</p><p>　?。?）兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱

24、為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。</p><p>　　3.熱電偶的幾個(gè)注意事項(xiàng)</p><p>　　熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度，對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題：

25、</p><p>　　熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)；</p><p>　　熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)； </p><p>　　當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，則熱

26、電偶的熱電勢(shì)僅是工作端溫度的單值函數(shù)。</p><p>　　4.熱電偶的冷端補(bǔ)償</p><p>　　由熱電偶測(cè)溫公式得知，熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度有關(guān)，而且也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度恒定時(shí)，才能通過測(cè)量熱電勢(shì)的大小得到熱端的溫度。當(dāng)熱電偶冷端處在溫度波動(dòng)較大的地方時(shí)，必需首先使用補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方，在考慮將冷端處理為0℃，這稱為熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償。下

27、面介紹幾種冷端處理的方法：</p><p><b>　　補(bǔ)償導(dǎo)線法</b></p><p>　　補(bǔ)償導(dǎo)線在100℃（或200℃）以下的溫度范圍內(nèi)，具有與熱電偶相同的熱電特性，用它連接熱電偶可起到延長(zhǎng)熱電偶冷端的作用。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線通常有補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套和屏蔽層組成。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線有兩方面的功能：其一實(shí)現(xiàn)冷端遷移；其二是降低電路成本。當(dāng)熱電偶與測(cè)量?jī)x表距離較

28、遠(yuǎn)時(shí)，使用補(bǔ)償導(dǎo)線，可節(jié)約熱電偶材料，尤其對(duì)貴金屬熱電偶來說，經(jīng)濟(jì)效益更是明顯。</p><p>　　熱電偶冷端溫度恒溫法</p><p>　　在一個(gè)保溫瓶里放冰水混合物，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（101.325kPa）冰和純水的平衡溫度為0℃，在密封的蓋子上插入若干支試管，試管的直徑盡量小，并有足夠的插入深度。試管底部有少量高度相同的水銀或變壓器油，若放水銀則可把補(bǔ)償導(dǎo)線與銅導(dǎo)線直接插入試管中的

29、水銀里，形成導(dǎo)電通路，不過在水銀上面應(yīng)加少量蒸餾水并用石蠟封結(jié)，以防止水銀蒸發(fā)和溢出。若改用變壓器油代替水銀，則必須使補(bǔ)償導(dǎo)線與銅導(dǎo)線接觸良好。自由端恒溫法適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。</p><p><b>　　冷端補(bǔ)償電橋法</b></p><p>　　補(bǔ)償電橋法是利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值，補(bǔ)償電橋

30、的4個(gè)橋臂中有一個(gè)臂是銅電阻作為感溫元件，其余3個(gè)臂由阻值恒定的錳銅電阻制成。</p><p>　　橋臂銅電阻必須和熱電偶的冷端處于同一溫度下。電橋在0℃設(shè)計(jì)的銅電阻的阻值與其余3個(gè)橋臂電阻相等，這時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)冷端溫度變化（比如升高），熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)也將變化（減?。?，而此時(shí)串聯(lián)電橋中的熱電阻阻值也將變化并使電橋兩端的電壓也發(fā)生變化（升高）。如果參數(shù)選擇得好且接線正確，電橋產(chǎn)生的電壓正好與熱電勢(shì)隨溫度

31、變化而變化的量相等，整個(gè)熱電偶測(cè)量回路的總輸出電壓（電勢(shì)）正好真實(shí)反映了所測(cè)量的溫度值。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的無線溫度采集系統(tǒng)主要用于工業(yè)高溫測(cè)控方面，因此對(duì)熱電偶的準(zhǔn)確度要求較高，在這里我們并不采用以上幾種熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)姆椒?，而是使用一種芯片，關(guān)于該芯片的介紹將在后面的內(nèi)容中提到。</p><p><b>　　5.標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶</b></p>

32、<p>　　由熱電偶測(cè)溫原理可知，由兩種不同金屬A和B構(gòu)成一個(gè)閉合回路就可以組成熱電偶，但為了保證測(cè)溫精度和工程上的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩種。所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，是指工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶分度表

33、及熱電極材料如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶分度表及熱電極材料</p><p>　　集成溫度傳感器：這類傳感器是通過把溫敏元件、線性電路、偏置電路以及功率放大電路集成在同一塊芯片上的集成溫度傳感器。集成溫度傳感器體積小，使用方便，外圍電路一般只要幾個(gè)單獨(dú)的電阻電容，測(cè)溫性能好，穩(wěn)定可靠，線性度高，容易校準(zhǔn)，而且價(jià)格便宜。 </p><p>

34、;　　我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)，測(cè)量溫度范圍為比較小，約為-30°C ~ +70°C 之間，對(duì)比以上幾種溫度傳感器我們最終選擇集成溫度傳感器 DS18B20，它是一種新型的單總線溫度傳感器，被測(cè)的溫度在芯片內(nèi)部就可以直接由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，省去了附加的 A/D轉(zhuǎn)換芯片，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，符合本測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　二．集成溫度傳感器 DS18B20 的介紹 </p>

35、<p>　　DALLAS 公司推出的集成溫度傳感器DS18B20 是一種單總線的溫度傳感器，推出之初就得到了社會(huì)的廣泛認(rèn)可，迅速推廣。其中 DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出引腳；VDD 為外接電源輸入源(在利用寄生電源這種接法時(shí)，VDD 接地)；GND 為電源地。DS18B20 溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸只靠一根數(shù)據(jù)線與 CPU 連接，所有的數(shù)據(jù)傳輸、通信都根據(jù)時(shí)序轉(zhuǎn)換在一根線上操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，所以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度控制、消費(fèi)類設(shè)

36、備中得到了廣泛的應(yīng)用。下面我們主要從 DS18B20 的主要特性，它的測(cè)溫原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)三個(gè)方面介紹這類溫度傳感器。 </p><p>　?。?）DS18B20 的特性： </p><p>　　1）使用時(shí)不需要外圍器件； </p><p>　　2）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.0V~5.5V； </p><p>　　3）支持多點(diǎn)的組網(wǎng)功能，每

37、一個(gè) DS18B20 溫度傳感器在出廠的時(shí)候都具有全球唯一的序號(hào)，所以多個(gè)溫度傳感器可以并聯(lián)在同一根單總線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，不混淆； </p><p>　　獨(dú)特的單總線接口：DS18B20 溫度傳感器與微處理器連接時(shí)只需要一根信號(hào)線</p><p>　　4）即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 DS18B20 的雙向通信； </p><p>　　5）具有報(bào)警搜索命令可以報(bào)告所測(cè)溫度超出

38、了 DS18B20 的溫度測(cè)量范圍，用戶可以自設(shè)定報(bào)警上下限值； </p><p>　　6）負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度傳感器不會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱而損壞，但是不能正常工作。 </p><p>　　DS18B20 溫度傳感器的測(cè)溫范圍為-55°C ~ +125°C 度，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果分為 9 位，10位，11 位，12 位。轉(zhuǎn)換結(jié)果為 9 位時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間位 93.75ms,測(cè)量精

39、度為 0.5°C；轉(zhuǎn)換結(jié)果為 10 位時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 187.5ms，測(cè)量精度位 0.25°C；轉(zhuǎn)換結(jié)果為 11 位時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 375ms,測(cè)量精度為 0.125°C；轉(zhuǎn)換結(jié)果為 12 位時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 750ms，測(cè)量精度位 0.0625°C [18]；實(shí)際應(yīng)用時(shí)我們可以通過匹配寄存器設(shè)定轉(zhuǎn)換結(jié)果的為數(shù)，DS18B20在出廠時(shí)被設(shè)置為 12 位。為了提高溫度測(cè)量準(zhǔn)確率，本設(shè)計(jì)中我們次用 1

40、2 位的轉(zhuǎn)換精</p><p>　　(2) DS18B20 的測(cè)溫原理 </p><p>　　DS18B20 的測(cè)溫原理可以簡(jiǎn)單的用圖 3-3 表示。圖中，高溫度系數(shù)振蕩器和低溫度系數(shù)振蕩器除了自身的特性外，還要受到溫度的影響，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)的晶振頻率隨著溫度變化其震蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器

41、 2 的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將-55°C 所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在-55°C 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，但減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置初值減到

42、0 時(shí)溫度寄存器的值將加 1，減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置初值將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器 1 重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直道減法計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的</p><p>　　(3) DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) </p><p>　　DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要

43、有四部分組成：64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-13 所示。 在 ROM 中，開始的 8 位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，隨后的 48 位是產(chǎn)品器件的唯一標(biāo)識(shí)序列號(hào)，由于每個(gè)產(chǎn)品出廠時(shí)的序列號(hào)是不同的，所以我們可以把多個(gè)溫度傳感器接在同一根數(shù)據(jù)</p><p>　　圖3-3 DS18B20測(cè)溫原理圖</p><p&

44、gt;　　線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；DS18B20 傳感器還包括最后 8 位，這八位是前面 56位的 CRC 校驗(yàn)位，讀出其內(nèi)容的時(shí)候我們可以采用 ROM 命令。 DS18B20 溫度傳感器包括四種工作模式，我們可以用軟件進(jìn)行設(shè)置為它的任意一種工作模式，但是位數(shù)越多，設(shè)定的分辨率就越高，所以需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間也就最長(zhǎng)，在一些高速 CPU 的使用中尤要注意。 </p><p>　　(4) 溫度傳感器的電路設(shè)計(jì) </

45、p><p>　　我們?cè)O(shè)計(jì)傳感器需要 20 個(gè)溫度傳感器，分為兩組，每組十個(gè)傳感器，所有的傳感器均勻的埋設(shè)在高速公路路基以下 0.6 米~3.6 米的范圍內(nèi)。因?yàn)橐粋€(gè) DS18B20 的連接只占用一個(gè) I/O 端口，而且根據(jù)它們出廠時(shí)的設(shè)計(jì)，每一個(gè) DS18B20 溫度傳感器具有唯一的地址，我們可以把它們分別連接到兩根數(shù)據(jù)線上，所以在這里，我們就把這兩組溫度傳感器通過兩根數(shù)據(jù)線并聯(lián)到 CPU 的兩個(gè) I/O 口。我們知

46、道 DS18B20 的電源可以采用兩種方式[21]，在這里我們采用外部電源供電的方式，而沒有采用寄生電源這種更為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方式，這是有原因的：我們每個(gè) I/O 端口都接入了 10 個(gè)溫度傳感器，需要內(nèi)部 的驅(qū)動(dòng)電流較大，這就需要額外的強(qiáng)上拉電阻來增大驅(qū)動(dòng)電流，而且單總線的情況下芯片的操作時(shí)序變得更加復(fù)雜，給調(diào)試和設(shè)計(jì)造成不必要的困難。此外，由于我們的 CPU 和溫度傳感器的距離比較遠(yuǎn)，采用寄生電源的話 DS18B20的漏電流比較大，可能

47、會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的正確性，造成誤差。</p><p>　　DS18B20 的溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖3-4 所示。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中我們把 DS18B20 都接在 ARM7 處理器的 PE 端口，實(shí)際中有兩組溫度傳感器，這里只是畫出了一個(gè)傳感器的接法，其它的傳感器類似的并聯(lián)在同一條數(shù)據(jù)線上，因?yàn)槲覀兊臏囟葌鞲衅骱拖到y(tǒng)的CPU 模塊不在一起而是分開的，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)溫度傳感器與

48、CPU 的連線距離與上拉電阻的大小對(duì)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有較大的影響，甚至出現(xiàn)不準(zhǔn)確的情形，在近距離時(shí)準(zhǔn)確度很高，但是，在超過一定的距離時(shí)，我們不能單純的再使用芯片資料提供的 4.7k 的上拉電阻了，具體的數(shù)量級(jí)需要實(shí)測(cè)，本系統(tǒng)中，我們的溫度傳感器和單片機(jī)的距離大約為 30 米，在這個(gè)距離的時(shí)候，經(jīng)過我們多次試驗(yàn)測(cè)試得到的數(shù)值，上拉電阻的阻值在 400 歐姆到 700 歐姆之間都是可以得到正確的溫度測(cè)量值的。 </p>

49、<p>　　圖3-4 DS18B20的連接電路</p><p>　　3.2 定時(shí)器電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　在本系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)中，我們選用 DALLAS 公司生產(chǎn)的 DS12CR887[20]芯片，DS12CR887 是與 DS12R885 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）功能兼容的替代產(chǎn)品。該產(chǎn)品提供 R/T日歷時(shí)鐘，定時(shí)鬧鐘，三個(gè)可屏蔽的中斷和一個(gè)通用中斷輸出、可編程方波以及 11

50、4 字節(jié)電池備份的靜態(tài) RAM。少于 31 天的月份，月末日期可自行調(diào)整，其中包括閏年補(bǔ)償。該器件還可以工作于 24 小時(shí)或帶 AM/PM 指示的 12 小時(shí)格式。一個(gè)精密的溫度補(bǔ)償電路用來監(jiān)視 VCC 的工作狀態(tài)。如果檢測(cè)到主電源故障，該器件可以自動(dòng)切換到備用電池供電。Vbackup 引腳用于支持可充電電池或超級(jí)電容，內(nèi)部包括一個(gè)始終有效的涓流充電器。DS12CR887 可以通過一個(gè)多路復(fù)用的單字節(jié)接口訪問，該接口支持 Intel 和

51、Motorola 模式。DS12R887 和 DS12CR887 的結(jié)構(gòu)一樣，都是將 DS12R885 與石英晶體和電池集成在一塊芯片內(nèi)部。 </p><p>　　(1) DS12CR887 芯片主要管腳介紹 </p><p>　　MOT 引腳是芯片的 Motorola 或 Intel 總線時(shí)序選擇端，利用此引腳選擇兩種總線類型中的一種，連接到 VCC 時(shí)選擇 Motorola 總線時(shí)序，

52、接地或者懸空時(shí)選擇 Intel 總線時(shí)序，該引腳內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻。 </p><p>　　引腳 4 到引腳 11 為芯片的雙向地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線。地址在總線周期的開始發(fā)送到總線上，并有 AS 信號(hào)的下降沿鎖存到 DS12CR887，所寫的數(shù)據(jù)由 DS 信號(hào)的下降沿（Motorola 時(shí)序）或 R/W 信號(hào)的上升沿（Intel 時(shí)序）鎖存。讀數(shù)據(jù)周期中，DS12CR887于 DS 信號(hào)的后期（Motorola 時(shí)

53、序中 DS 和 R/W 均為高，Intel 時(shí)序中 DS 為低,R/W 為高）將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。讀數(shù)據(jù)周期結(jié)束后，總線恢復(fù)到高阻狀態(tài)，同時(shí) DS 在 Motorola時(shí)序中變低，在 Intel 時(shí)序中變高。 </p><p>　　CS 位是芯片片選信號(hào)輸入引腳。片選信號(hào)低電平有效，在訪問 DS12CR887 的總線周期內(nèi)必須保持低電平。在中的 DS 和 AS 信號(hào)工作期間，Intel 時(shí)序中的 DS 和 R/W

54、 信號(hào)工作期間，CS 必須保持有效。在 CS 信號(hào)無效的情況下，總線操作將不能訪問芯片。當(dāng) VCC 低于 VPF 電壓時(shí)，DS12CR887 內(nèi)部通過禁止 CS 輸入來拒絕訪問。此舉旨在斷電時(shí)保護(hù) RTC 數(shù)據(jù)和 RAM 數(shù)據(jù)。 </p><p>　　AS 是地址選通輸入引腳，由低電平變?yōu)楦唠娖降牡刂愤x通脈沖用來分離總線信號(hào)。在 AS 信號(hào)的下降沿，地址鎖存到 DS12CR887 內(nèi)。無論 CS 信號(hào)是否有效，A

55、S 的下一個(gè)上升沿將都清除地址。地址選通信號(hào)必須先于每個(gè)讀或?qū)懺L問操作,如果在 CS 信號(hào)無效的情況下執(zhí)行了讀或者寫操作，則必須在 CS 信號(hào)有效時(shí)且在讀或者寫訪問操作之前，重新發(fā)一遍地址選通信號(hào)。 </p><p>　　R/W 是芯片讀寫輸入引腳。R/W 引腳有兩種操作模式，在 MOT 引腳接 VCC 的Motorola 時(shí)序中，R/W 電平用來指示當(dāng)前周期是讀還是寫。在 DS 為高時(shí)，R/W 為高電平時(shí)表示讀

56、周期，R/W 為低電平則表示寫周期。在 MOT 引腳接地的 Intel 時(shí)序中，R/W為低電平有效。在此模式下，R/W 引腳與普通 RAM 的讀寫時(shí)能信號(hào)（WE）工作方式類似，在此信號(hào)的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。 </p><p>　　數(shù)據(jù)選通或讀輸入引腳。DS 引腳根據(jù) MOT 引腳電平有兩種模式。MOT 引腳接VCC 時(shí)，選擇 Motorola 總線時(shí)序，此模式下，總線周期的后期 DS 為正脈沖，在讀周期中

57、，DS 表明 DS12CR887 將要驅(qū)動(dòng)雙向總線。在寫周期中，DS 信號(hào)的下降沿使DS12CR887 鎖存所寫的數(shù)據(jù)。當(dāng) MOT 接地時(shí)，選擇 Intel 總線時(shí)序，DS 表示讀取30DS12CR887 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)總線的時(shí)間周期，此模式下，DS 引腳與普通 RAM 的輸出使能的信號(hào)(OE)工作方式類似。 </p><p>　　RESET 為芯片的復(fù)位輸入端。低電平有效，此引腳對(duì)時(shí)鐘、日歷或 RAM 不起作用。上電

58、時(shí)首先保持低電平，以等待電源穩(wěn)定下來。保持低電平的時(shí)間可以根據(jù)應(yīng)用需要軟件確定，如果上電時(shí)使用 RESET 信號(hào)，RESET 保持低電平的時(shí)間應(yīng)超過 200ms, DS12CR887 上電的內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)結(jié)束。在典型應(yīng)用中，可將 RESET 與 VCC 連接，使得 DS12CR887 在進(jìn)入或退出電池時(shí)不影響任何控制寄存器的值。 </p><p>　　IRQ 是時(shí)鐘芯片的中斷請(qǐng)求輸出引腳。DS12CR887 在此

59、引腳低電平時(shí)有效，可用作處理器的中斷申請(qǐng)輸入，只要引起中斷的狀態(tài)位置位，并且相應(yīng)中斷使能位也置位，IRQ 將一直保持低電平。處理器程序通常讀取 C 寄存器來清除 IRQ 引腳輸出，RESET引腳也會(huì)清除未處理的中斷，沒有中斷發(fā)生時(shí) IRQ 為高阻狀態(tài)，可將多個(gè)中斷器件接到一條 IRQ 總線上，只要它們均為漏極開路輸出。IRQ 引腳為漏極開路輸出，需要使用一個(gè)外接的上拉電阻與 VCC 相連。 </p><p>　　

60、SQW 為芯片的方波輸出引腳，SQW 引腳能提供 RTC 內(nèi)部 15 級(jí)分頻器的 13 個(gè)分頻比之一，可通過對(duì)寄存器 A 編程來控制 SQW 引腳的輸出信號(hào)頻率，SQW 信號(hào)可通過設(shè)置寄存器 B 的 SQWE 位來打開或者關(guān)閉，當(dāng) VCC 低于 VPF 時(shí)，SQW 信號(hào)無法輸出。 </p><p>　　(2) 定時(shí)器電路設(shè)計(jì) </p><p>　　本系統(tǒng)中，定時(shí)器模塊的電路連接如圖 3-

61、5 所示。我們采取芯片的 Intel總線時(shí)序進(jìn)行操作，我們可以把 MOT引腳直接懸空或者接地，這里我們選擇把此引腳接地；把 DS12CR887 的數(shù)據(jù)/地址線全部接到單片機(jī)的 PD 口，接在同一個(gè) I/O 口的目的是操作方便，接線簡(jiǎn)單，便于調(diào)試。所有芯片中 NC 的意思是無連接，我們把此芯片的 NC 引腳統(tǒng)統(tǒng)懸空；片選信號(hào) CS，以及主要的時(shí)序控制信號(hào) AS，R/W，DS 我們都接在 PC 口，我們把 DS12R887 的中斷，我們接在

62、圖 3-5 DS12CR887 連接電路 </p><p>　　3.3 無線收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)和論證</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸， 首先需要選擇合適的無線收發(fā)的器件或者是模塊，其次需要了解該器件或者是模塊如何與單片機(jī)以及PC機(jī)連接。</p><p>　　1.無線收發(fā)芯片的選擇</p><p>

63、　　由于無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，如何在設(shè)計(jì)中選擇所需要的芯片非常關(guān)鍵。正確的選擇可以使開發(fā)工作少走彎路，以下幾點(diǎn)是在選擇芯片或者模塊時(shí)所需要注意的問題：</p><p>　　收發(fā)芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式</p><p>　　采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會(huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)的傳輸效率，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的1/3。而采用串口

64、傳輸?shù)男酒?，如nRF401系列的芯片，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實(shí)際速率，因?yàn)榇诘木幊滔鄬?duì)簡(jiǎn)單，編程開發(fā)工作也很方便。</p><p><b>　　外圍元件數(shù)量</b></p><p>　　芯片外圍元件的數(shù)量決定了模塊的體積和重量，以及整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。這方面nRF401是一個(gè)較為理想的選擇。外圍元件僅10個(gè)左

65、右，無需聲波濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體收發(fā)天線合一。</p><p><b>　　功耗</b></p><p>　　由于無線收發(fā)芯片是應(yīng)用在測(cè)控系統(tǒng)上，因此功耗非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的模塊。</p><p><b>　　發(fā)射功率</b></p><p&

66、gt;　　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。</p><p>　　收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)</p><p>　　較少的引腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積。nRF401僅20腳，是管腳和體積最小的。</p><p>　　2. PTR8000無線數(shù)據(jù)傳輸模塊</p><p>　　PTR8000芯片專為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)

67、無線通信設(shè)計(jì)，內(nèi)置數(shù)據(jù)協(xié)議和CRC檢錯(cuò)，無亂碼輸出，載波監(jiān)測(cè)輸出，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信硬件控制，全面升級(jí)替代PTR2000系列無線模塊。</p><p>　　1. PTR8000芯片的產(chǎn)品特性</p><p>　　PTR8000芯片的產(chǎn)品特性如下所示：</p><p>　　430/868/915Mhz高性能嵌入式無線模塊，多頻道多頻段，1.9～3.6V低電壓工作，待機(jī)功耗2

68、uA；</p><p>　　超小體積，內(nèi)置環(huán)形天線，性能穩(wěn)定且不受外界影響，對(duì)電源不敏感，距離更遠(yuǎn)；</p><p>　　最大發(fā)射功率+10dBm，高抗干擾GFSK調(diào)制，可跳頻，數(shù)據(jù)速率50Kbps，獨(dú)特的載波監(jiān)測(cè)輸出，地址匹配輸出，數(shù)據(jù)就緒輸出</p><p>　　內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC，只需通過SPI即可完成所有的無線收發(fā)傳輸，無線通信如同SPI通信一樣方便

69、；</p><p>　　PTR8000的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋哼b控、遙測(cè)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、信息家電、無線232、無線422/485數(shù)據(jù)通信等。</p><p>　　2. PTR8000基本電氣特性</p><p>　　PT

70、R8000的基本電氣特性如表3-3所示。</p><p>　　表3-3 PTR8000 基本電氣特性</p><p>　　3. PTR8000的硬件接口及管腳功能</p><p>　　如圖3-6所示，為PTR8000的用戶接口，表3-4為PTR8000的引腳說明，用戶接口由10個(gè)數(shù)字輸入/輸出/I/O組成，按照工作可分三組：</p><p>

71、;<b>　　模式控制</b></p><p>　　該接口由TRX_CE，TX_EN，PWR組成，控制PTR8000的四種工作模式：掉電和SPI編程模式；待機(jī)和SPI編程模式；發(fā)射模式；接收模式；各種模式的控制模式見表3-5所示。</p><p>　　說明：①待機(jī)模式下功耗約為40uA，此時(shí)發(fā)射/接收電路均關(guān)閉，只有SPI接口工作；</p><p&

72、gt;　　②掉電模式下功耗約為25uA，此時(shí)所有電路關(guān)閉，進(jìn)入最省電狀態(tài)；</p><p>　?、墼诖龣C(jī)和掉電模式下PTR8000均不能接收、發(fā)射數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行配置。</p><p><b>　　SPI接口</b></p><p>　　SPI接口SCK、MISO、MOSI以及CSN組成：</p><p>　?、僭谂渲媚Ｊ?/p>

73、下，單片機(jī)通過SPI接口配置PTR8000的工作參數(shù)；</p><p>　?、谠诎l(fā)射/接收模式下，單片機(jī)SPI接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　狀態(tài)輸出接口</b></p><p>　　提供載波檢測(cè)輸出CD，地址匹配輸出AM，數(shù)據(jù)就緒輸出DR

74、 </p><p>　　表3-4 PTR8000的引腳說明</p><p>　　表3-5四種控制模式</p><p>　　4 PTR8000的工作過程</p><p>　　1）上電后CPU首先對(duì)PTR8000模塊進(jìn)行配置。先將PWR、TX_EN、TRX_CE設(shè)為配置模式，通過SPI把配置字寫入相應(yīng)的寄存器。在掉電和待機(jī)模式下，配

75、置內(nèi)容仍然有效，只有當(dāng)電源撤除了之后PTR8000中的數(shù)據(jù)才會(huì)丟失。</p><p>　　2）當(dāng)CPU有數(shù)據(jù)要發(fā)射時(shí)，首先把PWR、TX_EN置高，然后把接收節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)通過SPI先寫入PTR8000，再通過TRX_CE的一個(gè)上升沿來啟動(dòng)傳輸。之后PTR8000內(nèi)部要進(jìn)行無線系統(tǒng)加電、數(shù)據(jù)打包和編碼發(fā)射等處理。當(dāng)TRX_CE為低時(shí)，PTR8000結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式。</p><

76、;p>　　接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先要通過把TRX_CE置高、TX_EN置低來使PTR8000進(jìn)入接收模式。模塊等待650us后檢測(cè)空中的信息。如果發(fā)現(xiàn)與接收頻率一致的載波時(shí)，載波檢測(cè)(CD)輸出高電平。如果接收到地址于本機(jī)地址一致時(shí)，地址匹配(AM)輸出高電平。如果接收到的數(shù)據(jù)包校驗(yàn)正確，是有效數(shù)據(jù)包時(shí)，PTR8000會(huì)去掉前導(dǎo)碼、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)置為高電平。CPU可以通過SPI接口讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀出后，AM

77、和DR自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p><b>　　5. 單片機(jī)</b></p><p>　　目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)向巨型化、微型化和單片化三個(gè)方向高速發(fā)展。自1975年美國(guó)德州儀器公司（Texas Instruments）第一塊微型計(jì)算機(jī)芯片TMS-1000問世以來，在短短二十年間，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中一個(gè)非常有前途的分支，它有自己的技術(shù)特征、規(guī)范、發(fā)展道

78、路和應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　單片機(jī)是為了滿足工業(yè)控制需要而誕生的，是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件，它具有體積小、性能突出、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，而且它的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，除了工業(yè)控制、智能化儀表、通信、家用電器外，在智能化高檔電子玩具產(chǎn)品中也大量采用單片機(jī)芯片作為核心控制部件。</p><p>　　我們所要設(shè)計(jì)的無線溫度采集系統(tǒng)也屬于一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，因此，我們選用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制

79、核心。</p><p><b>　　1.單片機(jī)的特點(diǎn)</b></p><p>　　單片機(jī)芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，除了具備通用危機(jī)CPU的數(shù)值計(jì)算功能外，還必須具有靈活、強(qiáng)大的控制功能，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入量、控制系統(tǒng)的輸出量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由于單片機(jī)主要面向工業(yè)控制，工作環(huán)境比較惡劣，如高溫、強(qiáng)電磁干擾，甚至含有腐蝕性氣體，在太空中工作的單片機(jī)控制系統(tǒng)，還必須具

80、有抗輻射能力，因而決定了單片機(jī)CPU與通用微機(jī)CPU具有不同的特點(diǎn)：</p><p>　　單片機(jī)的抗干擾性強(qiáng)，工作溫度范圍寬，而通用微機(jī)CPU一般要求在室溫下工作，抗干擾能力較低；</p><p>　　可靠性高，在工業(yè)控制中可以盡量避免因故障而造成的嚴(yán)重后果；</p><p>　　控制功能較強(qiáng)，數(shù)值計(jì)算能力較差，而通用微機(jī)CPU具有很強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算能力，但控制能力相對(duì)

81、較弱，將通用微機(jī)用于工業(yè)控制時(shí)，一般需要增加一些專用的接口電路；</p><p>　　指令系統(tǒng)比通用微機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單；</p><p>　　更新?lián)Q代速度比通用微機(jī)CPU慢得多。</p><p>　　2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分。下面我們首先介紹單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)部分，而軟件實(shí)現(xiàn)部分將在后

82、面的內(nèi)容中進(jìn)行論述。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，我們選用的單片機(jī)芯片為STC12LE5410AD，如圖3-7所示，該芯片是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍，內(nèi)部集成MAX801專用復(fù)位電路，4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。下面具體介紹一下STC12LE5410A

83、D芯片：</p><p>　　增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；</p><p>　　工作電壓為2.4V～3.8V；</p><p>　　工作頻率范圍是0～35MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420MHz；</p><p>　　用戶應(yīng)用程序空間1K/2K/4K/6K/8K/10K/12K 字節(jié)……；

84、</p><p>　　片上集成512字節(jié)RAM； </p><p>　　通用I/O口（15個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽/強(qiáng)上拉、僅為輸入/高阻、開漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過55mA；</p><p>　　6） ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿

85、真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； </p><p>　　7） 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體20M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路） 圖3-7 STC12LE5410AD管腳圖</p><p>　　8）時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器，用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘，常溫下內(nèi)部

86、R/C振蕩器頻率為：5.2MHz～6.8MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，應(yīng)認(rèn)為是4MHZ～8MHz；</p><p>　　9） 共6個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)專用16位定時(shí)器T0和T1，再加上PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)4個(gè)16位定時(shí)器；</p><p>　　10）A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路；</p><p>　　11）通用全雙

87、工異步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，也可再用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多串口；</p><p>　　12）SPI同步通信口，主模式/從模式；</p><p>　　13）工作溫度范圍：0～75℃/-40～+85℃；</p><p>　　3.單片機(jī)與各芯片的連接電路</p><p>　　1.發(fā)射部分單片機(jī)與各芯片的連接電路</

88、p><p>　　圖3-8發(fā)射部分STC12LE5410AD 與各芯片的連接</p><p>　　圖3-8為發(fā)射部分單片機(jī)STC12LE5410AD與溫度采集部分的放大電路、自動(dòng)檢測(cè)部分的信號(hào)放大芯片MAX6675以及無線收發(fā)芯片PTR8000的連接電路。</p><p>　　如圖所示，溫度采集部分的放大電路輸出的電壓VOLT1由引腳13輸送到單片機(jī)中，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

89、自動(dòng)檢測(cè)部分的信號(hào)放大芯片MAX6675的CS口連接在單片機(jī)引腳2上，CS端是MAX6675的片選端，CS為低時(shí)啟動(dòng)串行接口，SCK口接在單片機(jī)引腳3上，單片機(jī)為MAX6675提供串行時(shí)鐘，SO口接在單片機(jī)引腳12上，是接收的MAX6675輸出的串行數(shù)據(jù)；無線收發(fā)芯片PTR8000的AM、DR、CD、PWR、SCK1、MOSI、MISO、CSN、TXEN、TRX_CE口分別連接在單片機(jī)的6、7、8、9、19、18、17、16、15、14

90、引腳上，實(shí)現(xiàn)各引腳的功能。</p><p>　　2. 接收部分單片機(jī)與各芯片的連接電路</p><p>　　圖3-9為接收部分單片機(jī)STC12LE5410AD與無線收發(fā)芯片PTR8000、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232的連接電路。由圖中可以看出，單片機(jī)STC12LE5410AD與無線收發(fā)芯片PTR8000的連接方式和上位機(jī)中單片機(jī)與無線收發(fā)芯片的連接方式是相同的；電平轉(zhuǎn)換芯片</p>

91、;<p>　　MAX3232的T1IN口接在單片機(jī)的引腳3上，R1OUT口接在單片機(jī)的引腳2上，數(shù)據(jù)由T1IN輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)，由PC機(jī)輸出的RS232數(shù)據(jù)由MAX3232的R1IN轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后通過R1OUT輸入到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)TTL——RS232之間的雙向電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖3-9 接收部分STC12LE5410AD與各芯片的連接</p>&l

92、t;p>　　3.4單片機(jī)與PC機(jī)接口數(shù)據(jù)傳輸電路</p><p>　　RS-232是1970年美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industry Association）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的一種用于串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)。采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳

93、送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。 </p><p>　　RS-232規(guī)定了自己的電氣標(biāo)準(zhǔn)，由于它是在TTL電路之前研制的，所以它的電平不是+5 V和地，而是采用負(fù)邏輯，即邏輯“0”：+5 V～+15 V；邏輯“1”：-5 V～-15 V（TTL電平：邏輯“0”：<0.4V；邏輯“1”：+3 V～+5 V ）。因此，RS-232C不能和TTL電平直接相連，使用時(shí)必須進(jìn)行

94、電平轉(zhuǎn)換，否則將使TTL電路燒壞。</p><p>　　MAX3232是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片，其連接圖如圖3-10所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分： 圖3-10 RS-232連接電路圖</p><p>　　第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩

95、個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。</p><p>　　第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 </

96、p><p>　　TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成</p><p>　　RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。</p><p>　　第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+3.2v）</p><p&

97、gt;　　MAX3232是雙列16腳封裝，實(shí)現(xiàn)TTL——RS-232之間的雙向電平轉(zhuǎn)換，MAX3232內(nèi)部有兩組收發(fā)電路，通常我們只需用其中的一組，當(dāng)然也可以使用兩組以提高工作效率，MAX3232的工作電壓為+3.0～5.5V，RL為3K，CL為1000PF，傳輸速率是1Mbps。該芯片常被使用在電池供電設(shè)備、手持式裝備、高速調(diào)制解調(diào)器、

98、 筆記本電腦、亞筆記本電腦與掌上電腦、外設(shè)以及打印機(jī)等設(shè)備中。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，選用MAX3232芯片主要是該芯片是低電壓供電，可使用3.2V供電電壓，與其他芯片相同，更便于設(shè)計(jì)的進(jìn)行。</p><p><b>　　3.5直流穩(wěn)壓電源</b></p><p><b>　　1.原理概述&l

99、t;/b></p><p>　　任何電子設(shè)備都需要用到直流電源供電，獲得直流電的方法有很多，如干電池、蓄電池、直流電機(jī)等。但較常用的方法是利用交流電源變換而成的直流電源。利用交流電源變換成直流電源的組成方框圖如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 直流電源組成方框圖</p><p>　　電源變壓器的作用是把220V的電網(wǎng)電壓變換成所需要的交流電壓，

100、通過單相橋式整流電路后輸出單一方向的直流脈動(dòng)電壓。利用電容器兩端電壓不能突變的特點(diǎn)，將脈動(dòng)電壓中的紋波濾除，使輸出電壓成為較平滑的直流電壓。由于該電壓隨著電網(wǎng)的波動(dòng)、負(fù)載的變化而變化，因此還需要經(jīng)過穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，使負(fù)載獲得穩(wěn)定的直流電壓。[10]</p><p><b>　　2.應(yīng)用設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖3-12 可輸出+12V和+5V電壓的直流穩(wěn)壓

101、電源</p><p>　　圖3-13 輸出3.2V電壓的直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　應(yīng)用直流穩(wěn)壓電源電路圖如圖3-12與3-13所示。設(shè)計(jì)中用到±12V、+5V和+3.2V的電源電壓，因此選用三端固定式集成穩(wěn)壓器。LM7812和LM7912構(gòu)成±12V電源，再選用CW7805型集成穩(wěn)壓器將+12V電源電壓穩(wěn)定在+5V輸出。</p><p>

102、　　如圖3-13所示，利用三端低壓差穩(wěn)壓器LM2937將+5V的電壓轉(zhuǎn)換為+3.2V</p><p><b>　　4.軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 溫度傳感器軟件設(shè)計(jì) </p><p>　　對(duì) DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行操作首先要掌握芯片的讀寫時(shí)序，由于我們是在一根</p><p>　　I/O 線上操

103、作，這樣就使我們對(duì)數(shù)據(jù)的讀，對(duì)數(shù)據(jù)的寫有更高的要求。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫時(shí)序。根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，單片機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每次讀寫之前都要對(duì) DS18B20 進(jìn)行一次復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，只有這樣才能對(duì)DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。圖 4-1為 DS18B20 溫度傳感器的軟件操作流程圖。</p>

104、<p>　　(1) DS18B20 的復(fù)位時(shí)序 </p><p>　　此芯片的復(fù)位要求 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500us，然后釋放，DS18B20 收到信號(hào)后等</p><p>　　待 16-60us 左右，然后發(fā)出 60-240us 的低脈沖，主 CPU 收到此拉低的信號(hào)表示復(fù)位成功，否則繼續(xù)等待，具體復(fù)位程序如下： </p><p>　　void re

105、set() </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　uchar ss=1; //設(shè)定標(biāo)志位，初始值為‘1’ </p><p>　　DQ=1; //開始先釋放總線 </p>

106、<p>　　NOP();NOP(); //經(jīng)過簡(jiǎn)單的延時(shí) </p><p>　　while(ss) //進(jìn)入循環(huán)進(jìn)行判斷 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　DQ=0;

107、 //拉低總線 </p><p>　　delayus(70,30); //軟件仿真測(cè)得的準(zhǔn)確延時(shí) </p><p>　　DQ=1; //再次釋放，簡(jiǎn)單延時(shí)，等待發(fā)出低脈沖 </p><p>　　delayus(4,4); </p

108、><p>　　if(DQ==1) </p><p><b>　　ss=1; </b></p><p><b>　　else </b></p><p>　　ss=0; //若返回‘0’，則表示復(fù)位成功，否則繼續(xù)等待 </p><p>