1、1温度数据采集与无线传输硬件系统设计The design of hardware system of temperature data acquisition and wireless transmission 青岛大学本科生毕业论文（设计）摘 要采用单片机为核心利用多个DS18B20温度传感器，液晶显示器1602，基于nRF905的无线收发电路完成了对温度数据的采集，显示，和传输。首先介绍了温度数据采集和无线传输的背景和发展现状。并对系统进行了设计，主要包括各个部分电路的设计，各个芯片的选择介绍，简单的软件设计，并制成目标板。根据系统的特点，将系统分为采集发送端和接受端。系统设计完成后在实验
2、室进行了调试和测试。测试结果表明：系统硬件设计完全符合温度数据采集和无线传输的要求，可以投入使用。关键词 温度 数据采集 无线传输 LCD显示 单片机AbstractMCU is taken as the core , using multiple DS18B20 temperature sensor, liquid crystal display 1602, a wireless transceiver circuit based on nRF905 completed the acquisition of temperature data, display, and transmissio
3、n. Firstly , introducing the background and current developing condition of the temperature data acquisition and wireless transmission .And designing the system , including: the circuit design of every part , selection and introduction of chips ,a simple software design, and completing of the target
4、 board. According to the characteristics of the system, the system is divided into collecting and sending end and receiving end. After finishing the design of the system , I debugged and tested it. The result of the test demonstrated that the design of the hardware system fully agreed with the requi
5、rements of temperature data acquisition and wireless transmission and could be put into using.Key words temperature wireless transmission LCD display青岛大学本科生毕业论文（设计）目 录第一章 绪论 .11.1 无线温度采集的意义 .11.2 无线通信技术的发展现状 .11.3 温度测量技术的发展现况 .31.4 本文的主要研究工作 .4第二章 无线数据采集系统的硬件设计 .62.1 系统的总体设计及结构组成 .62.2 主要芯片的选择 .72.2
6、.1 微处理器芯片的选择 .72.2.2 无线射频芯片的选择 .82.2.3 温度传感器的选择 .92.3 系统电源电路和单片机最小系统 .102.3.1 电源电路设计 .102.3.2 单片机最小系统 .112.4 温度数据采集 .112.4.1 温度数据采集电路 .112.4.2 数字式温度传感器 DS18B20.122.5 数据显示 .152.5.1 数据显示电路 .162.5.2 液晶显示 LCD1602 162.6 无线收发 .172.6.1 数据收发电路 .182.6.2 无线收发 nRF90518第三章 系统软件设计 .233.1 发送端软件设计 .233.2 接收端软件设计 .
7、24第四章 系统性能调试 .264.1 系统调试 .264.1.1 硬件性能的测试 .264.1.2 无线传输距离的测试 .264.2 抗干扰措施 .26青岛大学本科生毕业论文（设计）总结与展望 .28致 谢 .29参考文献 .30附 录 .31硬件总体图 .31青岛大学本科生毕业论文（设计）1第一章 绪论本章阐述了数据采集和射频无线传输的概况，分析了短距离无线数据采集的国内外现状，指出了本文的研究目的、研究内容和范围、研究方法及研究意义，阐述了本文的设计方案和预期结果。1.1 无线温度采集的意义随着微电子技术和数字信号处理技术的发展，数据采集系统得到了广泛的应用。在工业生产和控制中，应用数据
8、系统可以采集工业现场的温度、湿度、电压、电流、压力、流量等诸多工艺参数，在将这些模拟信号转变成数字量并进行相应的计算处理后，所得的结果可以反馈给用户或控制系统，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段；在科学研究上，数据采集系统可以为我们提供大量的动态信息，成为探索科学奥秘的重要手段。目前，数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。无线数据采集特别适用于复杂地形条件、高腐蚀性、建筑群、爆炸等场合，或者被采集对象是运动、旋转等情况。随着数字电路和射频电路制作工艺、低功耗电路、高能电池、微电子技术及集成电路技术的进步，无线
9、通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现越来越容易，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。无线传输越来越多的被应用在工业及民用的数据采集上，解决了一些布线复杂、甚至无法布线的情况。无线方式具有如下几个显著的特点：传输介质采用的是电磁波，节省了架设电缆的所需的占地和各种花费及其给其他建筑的建设带来的不便，应用起来更加方便；在应用单片机编解码接口技术的无线通信系统中，采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制；具有电路简单、功耗小、体积小、成本低等优点，非常便于使用；设计设施都很简便适合更换场合反复利用 【1】 。温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、
10、最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度测量的要求越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高。因此，温度测量的研究也是一个重要的研究课题。总之，本课题将数据采集与无线传输相结合，发挥无线传输的优势，并且解决硬件、软件及通信协议优化等问题。青岛大学本科生毕业论文（设计）1.2 无线通信技术的发展现状随着网络和通信技术的迅速发展，无处不在的网络终端、以人为本、个性化、智能化的移动计算以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新的产品，已经逐渐融入人们的日常生活和工作领域。随着而来的便携式终端以及无线通信技术得到了极大的发展并在我们的日常生活中得到了广泛的应用，目前
11、应用广泛的无线通信技术主要有GSM CDMAGPRS、IEEE802 1 1wLAN、蓝牙、 IrDA、Home RF 、ZigBee、UWB、微功率短距离无线通信技术等。以上列出了五种常用的无线通信方式，这些通信方式各有优点，各有不同的适用范围，下面针对它们的使用范围和各自特点进行比较。IrDA是一种视距传输技术，通信设备中间不能有任何阻挡物，通信设备的位置也需要相对固定，不适宜用于移动数据传输；其次，IrDA只能实现点对点的无线通信，不能完成点对多点的无线通信；最后，IrDA设备的核心器件一红外LED容易损坏，因而设备寿命有限 【2】 。IEEE 8021lx无线局域网技术基于计算机网络技
12、术发展而来，是专门针对计算机网络通讯而设计的无线通讯技术，其有效传输距离为50米，传输速率为llM54M 不等，经常应用于企业学校等场所。IEEE 80211x的通讯协议复杂，协议实现对硬件要求较高，因此基于IEEE 80211x无线局域网技术所开发的无线数据传输设备的成本较高，安装调试复杂、维护困难 【3】 。蓝牙(Blue Tooth)技术专门为近距离无线数据传输而设计，其有效传输距离为10米，传输速率为IOM。从蓝牙(Blue Tooth)技术正式公布到现在，蓝牙 (Blue Tooth)技术一直没有得到预期的大范围的应用，是因为其芯片以及开发设备价格相对高 【4】 。基于GSM CDM
13、A、GPRS无线通讯网络的数据传输技术是近几年发展起来的一种新型的无线数据传输技术，该技术依托于GSM、CDMAGPRS无线通讯网络进行无线数据传输，因此其没有传输距离的限制，只要GSMCDMA 、 GPRS无线通讯网络覆盖的地区均可以进行无线数据传输。基于GSM 、CDMA 、GPRS 无线通讯网络的数据传输技术的传输速率为10Kb60Kb，由于其利用GSMCDMA、GPRS无线通讯网络进行无线数据传输，因此其运营成本较高 【5】 。基于嵌入式射频无线收发一体型芯片的无线数据传输技术是近几年发展起来的一种无线数据传输技术，其核心技术是嵌入式射频无线收发一体型芯片技术。嵌入式射频无线收发一体型
14、芯片是国外各大公司近年来推出的一种新型无线传输芯片，该芯片将信号调制、发射、接收、数字电路接口等功能集成在一枚芯片中，具有价格低廉、外围电路简单、体积小巧、通讯可靠性高、抗干扰能力强、传输速率快、低耗节能等诸多优点。同时，嵌入式无线射频收发一体型芯片普遍采用了标准的数字通讯接口，如 SPI，UART 等，可以很方青岛大学本科生毕业论文（设计）便的与 DSP 或单片机等微处理器芯片结合使用。基于嵌入式无线射频收发一体型芯片的上述优点，采用嵌入式无线射频收发一体型芯片技术解决低速率无线数据传输问题是比较理想的解决方案。通过无线射频收发一体型芯片与单片机或 DSP 的结合使用，再在数据传输过程中配合
15、先进的通讯协议数据处理算法实现纠错、校验以及加密等功能，可满足无线数据传输的要求。表 1.1 为上述五种无线数据传输技术的具体性能比较。表1.1 五种无线数据传输技术的具体性能比较IrDA IEEE802.1l x 蓝牙 GSM、CDMA、GPRS嵌入射频收发一体型芯片工作频率 波长875mm2.4GHz 1.2GHz 900MHz12GHz 433MHz12GHz通信距离l 20米(必须是直线 )50米 lO米左右 无限制 100米以上功耗情况 中 高 较高 高 低抗干扰能力一般，对传输角度要求比高一般，对周围环境要求较高较好 好 好自主开发程度差 差 较高 差高，可根据实际情况任意制定或修
16、改硬件以及通讯协议开发成本 中 高 高 高 低技术成熟度 高 较成熟 较成熟 较成熟 成熟通讯协议红外传输协议802.11x Blue Tooth GPRS/CDMA1.X可自行定义，灵活度极高运营成本 无 无 无 极高 无1.3 温度测量技术的发展现况温度是表征物体冷热程度的物理量，它在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等行业中都是基本的检测参数之一。温度是温度监控系统中最基本、最为核心的衡量指标，也是测温系统中最为重要的测控参数，因此对温度进行准确的检测一直是一个重要的研究课题。因此，测量温度的仪器在测温系统中占有至关重要的地位。随着国青岛大学本科生毕业论文（设计）内外科技
17、的发展，温度测量技术不断提高 【6】 。目前各种温度测量方法种类繁多，应用范围广泛，主要包括以下几种：(1) 传统的利用物体热胀冷缩原理的方法。水银温度计至今仍然广泛应用于各种温度测量场合。可是它的缺点是只能近距离观测，易碎，而且有毒。代替它的有填充酒精、煤油等玻璃温度计和利用金属不同的膨胀系数制成的金属片温度计，它们的缺点都是测量精度很低。(2) 利用热电效应的方法。此方法制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿。(3) 利用热阻效应的方法。利
18、用该方法的测温元件大致有电阻测温元件、导体测温元件和陶瓷热敏元件。其中电阻测温元件是利用感温元件的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，达到测温的目的。这类元件如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七百度。但它们的缺点是当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。而陶瓷热敏元件的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制成的热敏元件。其主要优点是灵敏度高，过去的缺点是一致性差，现在由于改进配方问题基本解决，分辨率可达0.1以内。(4) 利用热辐射原理。热辐射高温计通常分为单色辐射高温计和全辐射高温计。它的原理是物体受热辐射后，视物体
19、本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。(5) 利用声学原理的测量方法。近年发展起来的声学温度检测技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。其基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。(6) 晶体管测温器件。半导体的电阻温度系数比金属大12个数量级，二极管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。由此制成的这类器件的优点是在-50+150范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结容易受外界辐射的影响，稳定性难
20、以保证。(7) 光纤温度检测技术。在常规办法无法测量的场合，光纤测温得到快速发展，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。检测精度在1以内，测温范围可以从绝对02000。(8) 激光温度检测技术。激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。用氦氖激光源的激光作反射计，可测很高的温度，精度达0.01；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达+3000，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。(9) 微波温度检测器是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHz/ oC，精度为l左右，检测范围
21、为+20-偶发展较早，比较成青岛大学本科生毕业论文（设计）熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿。(10) 近年来，随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术的发展，人们开发出将温度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器。数字式温度传感器内部一般都包含温度传感器、AD转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路，有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。与模拟传感器相比，数字式传感器在精度、分辨率、可靠性、抗干扰能力以及器件微小化
22、方面都有明显的优点，而且，输出的温度数据和相关的温度控制量可以适配各种微控制器。但是受半导体器件本身限制，数字式传感器还存在一些不足。比如测温范围不宽，一般为+50 +150。由于简化了硬件外围电路使得软件设计变得更为复杂。1.4 本文的主要研究工作本课题在综合分析蓝牙、红外通信、GSMCDMAGPRS、IEEE80211x等无线数据采集方式的基础上，针对有线的数据采集方式应用受到限制的场合，结合实际，考虑到做成实物调试的成本、开发的难易程度等可行性问题确定了无线射频收发一体芯片解决方案。设计并实现了一个基于Nordic 公司的nRF905无线数据采集模块。本文的主要研究工作包括以下几个方面：
23、1对无线数据采集电路进行了总体规划，设计了采集节点和接收节点的结构。从实际需要出发，并从性能、价格等因素考虑，对主要元器件进行了选型，微处理器采用STC80C52RC，温度传感器采用 DS18B20，射频芯片采用Nordic公司的nRF905，显示采用LCD1602，进而完成了发射接收部分硬件设计。2根据单片机，无线射频芯片等的电流适用情况完成了直流电源供电部分设计。3对设计的系统完成了系统应用软件开发和调试。4完成了系统PCB板图的绘制和实物板的制作。5对无线数据采集模块功能进行了调试测试，测试结果表明，本文设计的无线数据采集模块具有体积小、数据传输稳定可靠、使用灵活等优点，可以很好地应用在
24、无线数据采集及其它短距离无线数据传输的场合。本文设计的模块成本低，采用的芯片体积小，容易嵌入到如头戴设备、手持设备中去，有着灵活的使用方式和组网方式，应用范围广泛，开发方便。青岛大学本科生毕业论文（设计）第二章 无线数据采集系统的硬件设计本文的目的是设计一个体积小、功耗低、数据传输稳定可靠且对数据传输速率要求不高的多功能、多用途的无线数据采集电路，可用于工业现场的无法布线环境下的数据采集。为达到这个目标，需要对整个系统进行整体的规划。本章针对系统的需求和特点，对主要元件进行选择，在设计电路总体结构的基础上，主要介绍了数据采集电路、无线射频电路、数据显示电路，并且给出了无线数据采集系统各个部分的
25、电路原理图。2.1 系统的总体设计及结构组成根据采集电路的功能和应用范围，本文设计的无线数据采集系统需要具有如下特点：1由采集节点和接收节点组成，采集节点主要功能是数据采集，将采集到的数据处理，送LCD显示的同时也要将处理过的数据发送给接收节点，接收节点将接收的数据送LCD显示。2本系统针对的是数据采集的频率适中，传输速度和距离适中的情况。3可以根据需要，增加采集节点。当采集节点不止一个的时候，接收节点和采集节点的关系是一点对多点的通信关系。各个采集节点具有相同的结构且都在接收节点的无线信号覆盖范围之内，采集节点彼此之间相互独立。4数据采集现场可能存在各种干扰因素，因此需要在硬件和软件上采取相
26、应措施来提高系统的抗干扰能力，以保证数据传输的可靠性。5模块需要具有体积小，成本低，开发周期短的特点。6为了后续研究和系统更新，模块必须具有可更新的能力，并且使用方式灵活多样。本文的系统由数据多点采集端，无线通信接收端两大部分组成，数据发送端负责数据的采集，处理，显示和发送，数据接收端负责数据的接收和显示。本设计的核心控制芯片采用STC89C52RC 单片机，控制多片 DSl8B20组成温度数据采集网络，同时通过LCDl602显示温度，控制nRF905无线收发芯片发送数据，另一片nRF905接收数据给接收端单片机，单片机通过LCDl602液晶屏显示，实现温度的多点连续显示。以上分析综合，总体方
27、案框图如图2.1所示。青岛大学本科生毕业论文（设计）2.2 主要芯片的选择微处理器、无线射频芯片和温度传感器是本系统最关键的三个部件，从上面的分析可以看出，本系统所选用的元器件需要满足低功耗、低价格、开发简单、操作简单的特点。2.2.1 微处理器芯片的选择作为系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要的用。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有51系列的8位单片机、面向大数字信号处理领域的数字信号处理器(DSP)、增强型的16位单片机机以及 32位的AR 芯片。51单片机作为从八十年代就开始流行的处理器，其价格低廉，开发技术成熟，用广泛，但是其不足在于功能过于简单，计算能力
28、有限，并且扩展麻烦、功耗高，已不能适应于目前对测控系统功能和速度的要求。DSP器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然的趋势。但从现阶段种DSP器件的情况来看，它的运算能力强，速度快，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量数字信息处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大的小型系统使用。而目前其价格较高，开发技术难度大。ARM芯片具有体积小、功耗低、功能广泛和高性能的特点，但是与DSP器件一样不适合应用在要求简单的小型系统的场合。作为这几类微处理器的一种折衷方案，各大公司纷纷推出各种面向不同应用场合的增强型单片机，这些系列的单片机大多具有较强的功能模块接口功能，较高
29、的处理速度，大容量ROM和RAM，往往处理器本身就已经是一个小系统，仅仅需要一些简单的电容、电阻元件就可以工作。STC 单片机是一款增强型51单片机，完全兼容MCS51，还增加了新的功能，新增两级中断优先级，多一个外中断，内置EEPROM，硬件看门狗，具有掉电模式，512B内存，支持ISP在线编程，不用编程器，程序可擦写10万次。管脚完全兼容，性能更好，驱动能力更强；超强抗干扰能力；功耗更低；价格也比传统的89系列低。STC单片机主要性能：DS18B20DS18B20DS18B20STC89C52RCnRF905LCD1602nRF905STC89C52RCLCD1602图 2.1 无线数据采
30、集电路方框图青岛大学本科生毕业论文（设计）1. 高速：1个时钟机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8到12倍2. 宽电压：5.54.1V 3.7V，3.6V2.4V 2.1V3. 低功耗设计：空闲模式(可由任意一个中断唤醒)、掉电模式(可由任意一个外部中断唤醒，可支持下降沿低电平和远程唤醒)4. 工作频率：035MHz相当于普通 8051：0420MHz5. 时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP 下载编程用户程序时设置6. 芯片内EEPROM 功能，擦写次数 10万以上7. ISPIAP，在系统可编程在应用可编程，无需编程器仿真器8. 2个16位定时器，兼容普通8051的
31、定时器T0/T19. 硬件看门狗(WDT)10. 全双工异步串行D(UART)，兼容普通8051，可当2个串口使用11. 先进的指令集结构，兼容普通 8051 指令集，有硬件乘法除法指令 【711】根据系统的特点和要求结合各种芯片的优缺点，我们选择功能合适、价格低廉的 STC单片机作为系统的处理器。2.2.2 无线射频芯片的选择无线射频芯片是整个无线通信单元的核心部件，它的选择成功与否将直接关系到整个无线数据采集电路的性能、成本和开发周期及难易程度。正确的选择射频芯片可以使研发过程少走弯路，降低成本，更快更好地将产品推向市场。基于本模块的实际需求，应该选用成本低、体积小、功耗低、集成度高、兼容
32、性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体、对于发射具体没有很高要求的芯片。无线射频收发一体型芯片技术是近几年来发展起来的一种新型无线通讯技术。近年来，近距离无线数据传输一直是国内外电子通讯领域发展的重点，并在家电领域、民用通讯领域以及军用领域中得到了比较广泛的应用。由于传统的无线射频收发装置结构比较复杂，调试困难，而且其可靠性以及安全性都不是很好，不能满足对环境以及安全性要求比较高的场合的要求，因此国外各大公司纷纷推出了无线射频收发一体型芯片。无线射频收发一体型芯片采用了目前流行的单芯片设计，在一块芯片上集合了信号调制解调、信号射频发射、信号接收信号电平转换等功能，
33、有些无线射频收发一体型芯片内部甚至还集合了单片机单元以及 CPLD 单元，允许用户直接对其进行编程，是一种高集成度的多功能芯片。在实际应用中，无线射频收发一体型芯片的外围电路十分简单，可方便与单片机或 DSP 连接，而且有些型号的无线射频收发一体型芯片在环境以及电磁兼容性方面的要求可满足工业设备或军工设备的使用。与传统的无线收发射频装置相比，无线射频收发一体型芯片具有电磁兼容性好、耗电量低、体积小、外围电路简单、可靠性高、抗干扰能力强、数据传输安全性好、价格低廉等特点，在各种嵌入系统、家电、军工等许多领域都得到了广泛的应用。青岛大学本科生毕业论文（设计）本模块的射频芯片的选择上，主要参考以下原
34、则：1.收发芯片的数据是否需要由软件进行曼彻斯特编码。需要由软件进行曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标准速率的 13。2芯片发射功率。发射功率决定无线芯片的信号覆盖范围，在同等条件下为保证有效可靠的通信，应该选用发射功率较高、功率调节范围更大的产品。3芯片抗干扰性能。在无通信当中，易受干扰，为保证数据通信的可靠性，应该选用抗干扰能力强的芯片。4芯片功耗。芯片的功耗决定着整个模块性能和应用场合，应作为考虑的主要因素之一。5收发芯片正常工作所需的外围元器件数目。芯片外围元件的数量的直接决定产品的成本，
35、因此应该选择外围元件少的收发芯片。6收发芯片的封装和引脚数。较少的引脚以及较小的封装，有利于减少 PCB 面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。常用无线射频收发芯片主要有nRF401，nRF905，TRF6900，RF2915 ，BCC418 ， XEl201A 和 CC400，表 2.1 是这几种芯片的主要性能比较。表2.1 几种常用无线收发芯片性能比较nRF40l Nrf905 TRF6900 RF2915 BCC418 XEl201A CC400生产公司 NORDIC NORDIC TI RFMD Bluechip Xemics ChipCon通信频率 (MHz) 2.
36、75 1.63.6 2.23.6 2.45 2.53.4 2.45.5 2.73.3是否需要曼彻斯特编码 不需要 不需要 需要 需要 需要 需要 需要调制方式 FSK GFSK FSK FSK FSK FSK FSK最人数据传输速率(Kbps) 20 100 30 9.6 50个 约30个 25个从表中可以看出，相比其它几种芯片，Nordic 公司的 nRF905 无线射频收发一体芯片功耗低，自身进行曼彻斯特编码，数据传输速率最快，所需外围元器件最少，输出功率最大，青岛大学本科生毕业论文（设计）并且采用了比 FSK 调制抗干扰能力更强的 GFSK 调制，数据传输更加稳定可靠，而外围器件相对需要
37、的比较少，因而本模块选用 nRF905 作为本系统的无线数据传输芯片 【12】 。2.2.3 温度传感器的选择数字温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上已开发出多种数字温度传感器系列产品。在如此众多的产品中如何选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用 MCU 的 IO 引脚数情况如何，因为 MCU 的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开
38、发时间，应尽量节约；与 MCU 的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小 【13】 。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有 Philips 公司的 I2C 总线，Motorola 公司的 SPI 总线，National Semiconductor 公司的。Microwireplus 总线，Dallas Semiconductor公司的 1Wire 总线和 Siemens 公司的 Profibus 总线等。常用的数字温度传感器主要有：(1) AD7418 是是美国模拟器件公司(ADI)推出的单片温度测量与控制用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和 10 位 AD 转换器
39、。测温范围为-55+125，具有 10 位数字输出温度值，分辨率为 0.25，精度为2，转换时间为 1530ms。具有体积小、编程在同一个 I2C 总线上。(2) LM74 是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、一 型 AD 数模转换器，并具有 SPI Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。LM74 具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10A，适用于对功率消耗有严格限制的系统。LM74 在其有效工作范围内可达 0.0625的分辨率，转换时间为 425ms。(3) MAX6575LH 是美国 MAXIM 公司的一种单总
40、线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40+125，其误差范围：在 25时优于3，在 85时优于45，在 125时优于5。但是MAX6575LH 在其测温范围内非线性误差较大， MAX6575L 的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在 5m 以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是器件的一个弊端。(4) DSl8820 是美国 Dallas 半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需
41、要的 AD 转换器青岛大学本科生毕业论文（设计）及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DSl8820 的测温范围-55+125 ，固有测温分辨率05，由于每一个 DSl8820 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其 ROM 中，因此CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。综上所述，由于 DSl8820 独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占用MCU 的 I0 引脚资源少，和 MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用 DSl8820 做为温度测量的传感器。2.3
42、系统电源电路和单片机最小系统2.3.1 电源电路设计图 2.2 为系统的电源电路。整个系统有市电供电，PJ 为电源适配器，将市电转化为912V 的交流电压， LM7805 为转压芯片其将 912V 的电压转化为 5V 直流电 VCC，为单片机等提供电源。1086 是将 5V 直流电转化为 3.3V 交流电 VSS，以供无线射频芯片使用。电源适配器、7805、1086 后都并接 470F 的滤波电容。7805 所接的负载必须足够大，否则将导致过热，损坏。470uF470uF123PJPWR5 470uFLED2LED0VCC1KPR2Res211 223 3780511 223 31086VSS
43、2.3.2 单片机最小系统单片机采用内时钟方式，利用芯片内部振荡电路，在 X1，X2 的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激荡。定时元件本系统采用的是 11.0592MHz 的晶振和 30pF 的两个电容组成的并联谐振电路，其连接方法如图 2.3 所示 【14】 。单片机在最小系统除了包含晶振回路还包含一个复位电路，如图 2.3 所示。图 2.2 电源电路图青岛大学本科生毕业论文（设计）2.4 温度数据采集2.4.1 温度数据采集电路本系统为多点温度采集，DSl8820 采用外部供电方式，理论上可以在一根数据总线上挂 256 个 DSl8B20，但实践应用中发现，如果挂接 25 个以上的
44、 DSl8820 仍旧有可能产生功耗问题。另外单总线长度也不宜超过 90M，否则也会影响到数据的传输。在这里，由于我们连接的 DS18B20 并不会多于 25 个，所以用单片机的一个 IO 来驱动多路 DSl8B20，如图 2.4 所示。单片机读取各个 DSl8B20 的序列号，分别获取器数据。123DS18B20_0Header 3123DS18B20_1Header 3123DS18B20_2Header 3123DS18B20_3Header 3VCC VCC VCC VCCVCC4K7R2Res2DS18B202.4.2 数字式温度传感器 DS18B20DSl8B20 是美国 DALL
45、AS 公司推出的智能化数字式温度传感器，全部传感组件及转换电路集成在一个三极管的集成电路中。信息经过单线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出，因此从中央处理器到 DSl8B20 仅需连接一条线。读，写和完成温度变换所需的电源可以由图 2.4 数据采集接口电路图 2.3 单片机最小系统STC89C52RC青岛大学本科生毕业论文（设计）数据线本身提供，而不需要外部电源。DSl8B20 支持 “一线总线”接口，测量温度范围为-55+125 ，在-10+85范围内，精度为0.5 。现场温度直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。1.特征：（1）独特的单线接口。只需 1
46、 个接口引脚即可通信（2）多个能力使分布式温度检测应用得以简化（3）不需要外部组件（4）可用数据线供电（5）不需备份电源（6）测温范围从-55+125，增量值为 0.5（7）以 9 位数字值方式读出温度（8）用户可定义的，非易失性的温度告警设置（9）告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件(温度告警情况)2.引脚定义：（1）DQ为数字信号输入/输出端；（2）GND为电源地；（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） 。3.内部结构DSl8B20 内部有四个主要部分： 64 位光刻 ROM 数据存储器 温度传感器 非易失性电可擦写温度报警触发器 TH、TL 非易失性电可
47、擦写设置寄存器。除此之外还有告诉缓存存储器。器件只有 3 根外部引脚，其中 VDD 和 GND 为电源引脚，另一根 DQ 线则用作O 总线，因此称为一线式数据总线。与单片机接口的每个 IO 口可挂接多个DQVDD 图 2.5 DS18B20 内部结构（1）DS18B20 内部 4 个主要的数据部件介绍： 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码。64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H ）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码青岛大学本科生毕业论文（设
48、计）（CRC=X8+X5+X4+1） 。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 序列号都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以 12 位转化为例：用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB 形式表达，其中 S 为符号位。表2.2 DS18B20的温度格式表这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于0.0625 即可得到实际温度；如果
49、温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于0.0625 即可得到实际温度。DS18B20 的温度格式如表 2.2 所示。例如+125 的数字输出为 07D0H，+25.0625 的数字输出为 0191H，-25.0625的数字输出为 FF6FH，-55 的数字输出为 FC90H，温度数据如表 2.3 所示。表2.3 DS18B20的温度数据表 温度 数字输出（二进制） 数字输出（十六进制）+125 0000 0111 1101 0000 07D0h+85oC 0000 0101 0101 0000 0550h+25.0625 0000 0001 1001 0001 0191h+10.125oC 0000 0000 1010 0010 00A2h+0.5oC 0000 0000 0000 1000 0008h0oC 0000 0000 0000 0000 0000h-0.5oC 1111 1111 1111 1000 FFF0h-10.125oC 1111 1
