單片機(jī)無(wú)線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文</b></p><p>　　基于單片機(jī)的環(huán)境參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)</p><p>　學(xué) 生 姓 名：</p><p>　班 級(jí)：</p><p>　學(xué) 號(hào)：</p><p>　指 導(dǎo) 教 師：電技091</p><p>

2、;　所 在 單 位： 電氣工程學(xué)院</p><p>　答 辯 日 期： 2013年06月24日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文研究的是短距離無(wú)線通信技術(shù)在溫濕度測(cè)量方面的一個(gè)具體應(yīng)用，主要介紹了基于無(wú)線收發(fā)芯片nRF24E1的短距離無(wú)線多點(diǎn)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)以嵌入51單片機(jī)內(nèi)核的

3、單片射頻收發(fā)芯片nRF24E1 為核心，采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20及模擬式濕度傳感器 HM1500，應(yīng)用傳感技術(shù)、無(wú)線收發(fā)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集和短距離無(wú)線傳輸?；?nRF24E1 的無(wú)線多點(diǎn)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成：第一部分為系統(tǒng)的下位機(jī)，以一片 nRF24E1 無(wú)線收發(fā)芯片為核心，與多片溫度、濕度傳感器組成溫濕度采集網(wǎng)絡(luò)，完成多點(diǎn)溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線發(fā)送；第二部分為系統(tǒng)的上位機(jī)，由一片

4、nRF24E1 無(wú)線收發(fā)芯片作為主控機(jī)，通過(guò)擴(kuò)展顯示、鍵盤、RS232 等接口模塊，完成溫度、濕度數(shù)據(jù)的無(wú)線接收、顯示和上傳功能[1]。</p><p>　　溫濕度數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸采用了挪威 Nordic VLSI 公司的單片無(wú)線收發(fā)芯片 nRF24E1。以 nRF2401 芯片為核心，nRF24E1 將射頻收發(fā)、GMSK調(diào)制、解調(diào)、增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核、9 輸入 12 位 ADC、125 頻道、UART、SPI

5、、PWM、RTC、WDT 全部集成到單芯片中，極少的外圍電路，高頻元件全部集成在芯片內(nèi)部，性能穩(wěn)定且不受外界電磁干擾。溫度數(shù)據(jù)的采集端采用了美國(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司的單總線數(shù)字式集成溫度傳感器 DS18B20。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，可在一條信號(hào)線上掛接數(shù)十個(gè)數(shù)字式傳感器，與微處理器的接口十分簡(jiǎn)單，非常適合分布式多點(diǎn)溫度的測(cè)量，使系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件開銷大為簡(jiǎn)化。利用 nRF24E1 內(nèi)置多路 A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，采用法

6、國(guó) Humirel 公司的 HM1500 型電壓輸出式集成濕度傳感器做為系統(tǒng)的濕度采集端。HM1500 濕度傳感器將側(cè)面接觸式濕敏電容 HS1101 與濕度信號(hào)調(diào)理器集成在一個(gè)模塊中，集成度高，不需要外圍元件，使用非常方便[10]。</p><p>　　該溫濕度測(cè)量系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，搭建方便，易于擴(kuò)展，可靠性高，室內(nèi)實(shí)際發(fā)射距離約25米，因此本系統(tǒng)適用于在短距離對(duì)多種環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)，有廣闊的應(yīng)用前景。</p&

7、gt;<p>　　關(guān)鍵詞 nRF24E1 芯片，溫度傳感器，濕度傳感器，數(shù)據(jù)采集，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper is a short-range wireless communications technology in the temperature and humidi

8、ty measuring specific aspects of an application, introduces the wireless transceiver chip nRF24E1 based short-range wireless multi-point temperature and humidity measurement system solution design and implementation meth

9、ods. System to embed 51 microcontroller core single-chip RF transceiver chip nRF24E1 as the core, the use of digital temperature sensor DS18B20 and humidity sensor simulation HM1500, appli</p><p>　　Temperatu

10、re and humidity data wireless transmission using the Norwegian company Nordic VLSI chip wireless transceiver chip nRF24E1. In nRF2401 chip as the core, nRF24E1 the radio frequency transceiver, GMSK modulation, demodulati

11、on, enhanced 8051 core, 9 input 12 ADC, 125 channels, UART, SPI, PWM, RTC, WDT all integrated into a single chip, very few peripheral circuits, high-frequency components are all integrated into the chip, stable and free

12、from external electromagnetic interference. Tempera</p><p>　　The temperature and humidity measurement system circuit is simple, easy to set up, easy to extend, high reliability, indoor actual transmission di

13、stance of about 25 meters, so this system is suitable for a short distance on a variety of environmental temperature and humidity monitoring, has broad application prospects.</p><p>　　Keywords: nRF24E1 chips

14、, temperature sensor, humidity sensor, data acquisition, wireless data transmission</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p>

15、;<p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1 課題背景及研究的意義1</p><p>　　1.1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.2 課題研究的意義1</p><p>　　1.2 溫濕度傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　第2章 系統(tǒng)方案整體設(shè)計(jì)

16、4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)方案規(guī)劃4</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案的確定4</p><p>　　2.2.1 傳感器方案4</p><p>　　2.2.2短距離無(wú)線通信模塊方案4</p><p>　　2.2.3系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案5</p><p>　　2.3

17、器件的選用6</p><p>　　2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇6</p><p>　　2.3.2集成濕度傳感器的選擇6</p><p>　　2.3.3 無(wú)線收發(fā)芯片的選擇7</p><p>　　2.3.4 鍵盤顯示模塊的選擇7</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)9</p>&

18、lt;p>　　3.1 溫濕度采集部分電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路9</p><p>　　3.1.2 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B209</p><p>　　3.1.3 集成濕度傳感器 HM150011</p><p>　　3.1.4 單片無(wú)線收發(fā)模塊 nRF24E111</p&g

19、t;<p>　　3.2 溫濕度顯示及上傳部分電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2.1 溫濕度顯示及上傳硬件接口電路13</p><p>　　3.2.2 鍵盤顯示模塊 ZLG7289A14</p><p>　　3.2.3 RS-232C 接口芯片 MAX23215</p><p>　　第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)16<

20、;/p><p>　　4.1 主程序設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1.1 上位機(jī)主程序16</p><p>　　4.1.2 下位機(jī)主程序16</p><p>　　4.2 子程序設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.2.1 溫度測(cè)量子程序18</p><p>　　4.2.2 濕度測(cè)量子程序1

21、8</p><p><b>　　結(jié) 論20</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)21</p><p><b>　　致 謝22</b></p><p><b>　　附 錄23</b></p><p><b>　　第1章 緒

22、 論</b></p><p>　　1.1 課題背景及研究的意義</p><p>　　1.1.1 課題背景</p><p>　　溫濕度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)，而數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)有線電纜實(shí)現(xiàn)的。隨著射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信功能的實(shí)現(xiàn)越來(lái)越容易，數(shù)據(jù)傳輸速度也越來(lái)越快，抗干擾能力也更強(qiáng)。因此，許多應(yīng)用采用了無(wú)線傳輸技術(shù)。隨著微處理器以及微

23、電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字設(shè)備以其抗干擾、功耗低、便于微處理器控制的特點(diǎn)，逐漸成為測(cè)控系統(tǒng)中的主流。溫度與濕度測(cè)量，采用比較多的是DS18B20、熱敏電阻和濕敏電阻等傳感器，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換輸送給控制器，很難適合一些精度要求比較高及外圍電路要求簡(jiǎn)單的領(lǐng)域。另外，傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量?jī)x開發(fā)大部分是先按照系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)出原理圖，畫出PCB電路板，制作電路板和焊接元器件，然后進(jìn)行軟件編程，通過(guò)多次的硬件和軟件調(diào)試，最后把調(diào)試好的程序固化到程序存儲(chǔ)器。溫、

24、濕度檢測(cè)與控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們的日常生產(chǎn)和生活當(dāng)中，傳感器無(wú)疑是測(cè)量與控制系統(tǒng)中重要的組成部分。但是伴隨傳感器而來(lái)的是大量的數(shù)據(jù)線纜。眾多的線纜不僅帶來(lái)布線復(fù)雜的不便，而且存在著短路、斷線隱患，成本高、易老化，錯(cuò)綜復(fù)雜的線路還給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增加了難度。同時(shí)對(duì)于一些臨時(shí)使用的傳感器，搭接線纜十分不便。因此，尋找一種便捷的、能夠</p><p>　　隨著微處理器以及微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字設(shè)備以其抗干擾、功耗低

25、、便于微處理器控制的特點(diǎn)，逐漸成為測(cè)控系統(tǒng)中的主流。本課題將傳感器技術(shù)和新興的無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合，力圖以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無(wú)線化來(lái)解決由線纜帶來(lái)的諸多問題。</p><p>　　1.1.2 課題研究的意義</p><p>　　溫、濕度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|最多的兩個(gè)物理量，人們的日常生活、動(dòng)植物的生存繁衍和周圍環(huán)境的溫濕度息息相關(guān)，石油、化工、冶金、紡織、機(jī)械制造、航空航天、制藥、煙草、檔案保管、糧

26、食存儲(chǔ)等領(lǐng)域?qū)亍穸纫灿兄^高的要求。例如：煙葉和紙張是吸濕性極高的材料，卷煙生產(chǎn)的每一個(gè)階段對(duì)溫、濕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(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量；印刷車間的溫、濕度控制水平對(duì)印刷質(zhì)量有很大的影響；為防止庫(kù)存武器彈藥、金屬材料等物品霉?fàn)€、生銹，必須保持環(huán)境溫度不能過(guò)高和干燥；而水果、種子、肉類等的保存又需要保證一定的濕度；在礦山、棉麻、塑料、粉末金屬、食品生產(chǎn)加工等企業(yè)的生產(chǎn)車間（環(huán)境）中往往會(huì)產(chǎn)生大量的可燃

27、或易燃粉塵，如果空氣濕度過(guò)低，在一定的能量下，極易發(fā)生粉塵爆炸。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新興產(chǎn)業(yè)對(duì)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(xué)制藥需要精確的溫濕度控制。因此，對(duì)溫、濕度的監(jiān)測(cè)和控制已成為生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的技術(shù)要求。溫、濕度檢測(cè)與控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們的日常生產(chǎn)和生活當(dāng)中，傳感器無(wú)疑是測(cè)量與控制系統(tǒng)中重要的組成部分。但是伴隨傳感器而來(lái)的是大</p><p>　　本課題將

28、傳感器技術(shù)和新興的無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合，力圖以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無(wú)線化來(lái)解決由線纜帶來(lái)的諸多問題。</p><p>　　1.2 溫濕度傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　在后工業(yè)化時(shí)代，信息技術(shù)對(duì)社會(huì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步起了決定性作用，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。傳感器技術(shù)是 2l 世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)，各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感器技術(shù)視為現(xiàn)代高新

29、技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國(guó)等西方國(guó)家也將此技術(shù)列為國(guó)家科技和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。我國(guó)從 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)也已將傳感器技術(shù)列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。21 世紀(jì)是人類全面進(jìn)入信息電子化的時(shí)代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一的傳感器技術(shù)必將得到較大的發(fā)展。</p><p>　　傳統(tǒng)的溫度測(cè)量是從金屬(物質(zhì)) 的熱脹冷縮開始。水銀溫度計(jì)至今仍是各

30、種溫度測(cè)量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)?？墒撬娜秉c(diǎn)是只能近距離觀測(cè)，而且有毒。代替它的有酒精溫度計(jì)和金屬簧片溫度計(jì)，它們雖然沒有毒性，但測(cè)量精度很低。在電氣時(shí)代主要發(fā)展了金屬熱敏電阻。如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達(dá)六、七百度。但它們的缺點(diǎn)是靈敏度低，當(dāng)傳輸線路長(zhǎng)短不等時(shí)，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。近年發(fā)展起來(lái)的有 PN 結(jié)測(cè)溫器件。這類器件的優(yōu)點(diǎn)是在-50℃~+150℃范圍內(nèi)有良好的特性，體積小、響應(yīng)時(shí)間快、價(jià)格低。

31、但它的缺點(diǎn)是一致性差、不易做到互換，而且 PN 結(jié)易受外界、幅射的影響，穩(wěn)定性難以保證。石英晶體溫度檢測(cè)器的測(cè)量精度較高，一般可檢測(cè)到</p><p>　　0.001℃，可作標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)之用。光纖傳感器技術(shù)是本世紀(jì) 70 年代末發(fā)展起來(lái)的一門嶄新的技術(shù)，已開發(fā)了開關(guān)式溫度檢測(cè)器、輻射式溫度檢測(cè)器等多種實(shí)用型的品種。檢測(cè)精度在±1℃以內(nèi)，測(cè)溫范圍可以從絕對(duì)0~+2000℃。</p><p&

32、gt;　　國(guó)外在濕度傳感器研制方面起步較早，目前日本、德國(guó)、美國(guó)處于國(guó)際領(lǐng)先地位，測(cè)量范圍可實(shí)現(xiàn)全濕范圍測(cè)量，且精度可達(dá)到±2%RH。近幾年，國(guó)外濕度傳感器有了較大的發(fā)展，特別是電阻式濕度傳感器發(fā)展更快，人們不僅在電阻式陶瓷濕度傳感器特性方面做了大量工作，而且在高分子電阻式濕度傳感器上做出可喜的研究成果，這種傳感器穩(wěn)定性好、精度高、響應(yīng)特性優(yōu)，這是應(yīng)當(dāng)引以重視的技術(shù)動(dòng)向。根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化控制的需要，國(guó)內(nèi)外正在開展新一代濕度傳感器

33、的研制與開發(fā)。</p><p>　　隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展，信息的傳輸、處理技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，發(fā)展相對(duì)滯后的傳感器技術(shù)業(yè)已得到全世界的普遍重視。因此，今后一個(gè)時(shí)期傳感技術(shù)將成為人們研究的新熱點(diǎn)，并有可能形成較大產(chǎn)業(yè)。傳感器技術(shù)未來(lái)將向以下幾個(gè)方面發(fā)展：</p><p>　?、俑呔_度。為了提高測(cè)控精度，必須使傳感器的精度盡可能地高。</p><p&

34、gt;　?、谛⌒突：芏鄿y(cè)試場(chǎng)合要求傳感器具有盡可能小的尺寸。</p><p>　?、鄱喙δ芗苫?。研究多功能集成傳感器是傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。有 兩種類型。一種是將傳感器、放大器及溫度補(bǔ)償電路等集成在同一芯片上，減小體積，增強(qiáng)了抗干擾能力。另一種是在一個(gè)芯片上集成多種功能敏感元件或同一功能的多個(gè)敏感元件。例如溫濕度一體化傳感器，一個(gè)芯片可同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度。</p><p>　　

35、④數(shù)字化。為了使傳感器與計(jì)算機(jī)直接接口，致力于數(shù)字式傳感器研究是很重要的。</p><p>　?、葜悄芑＿@種傳感器一般是計(jì)算機(jī)與傳感器相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。它兼有檢測(cè)、信息處理、推理、聯(lián)想和控制等各種功能，重點(diǎn)是具有邏輯功能，是傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的。智能傳感器的出現(xiàn)將是傳感技術(shù)中的一次飛躍。</p><p>　　1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本課題所研

36、究的多點(diǎn)無(wú)線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)是短距離無(wú)線通信技術(shù)在溫濕度測(cè)量方面的一個(gè)具體應(yīng)用，主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面：</p><p>　?。?）選用溫濕度傳感器時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，信號(hào)易于處理、傳送，便于多路測(cè)量，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，環(huán)境溫度補(bǔ)償容易的器件。</p><p>　?。?）在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)盡量使用各種總線技術(shù)，以節(jié)約系統(tǒng)有限的

37、I/O 資源，并使系統(tǒng)電路盡量簡(jiǎn)單。</p><p>　?。?）在硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，一定要增加抗干擾措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　（4）軟件設(shè)計(jì)必須要有完善的思路，要充分考慮到各傳感器和無(wú)線收發(fā)器的時(shí)序，做到程序簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。</p><p>　?。?）通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，盡量降低無(wú)線數(shù)傳的誤碼率。</p>&

38、lt;p>　?。?）環(huán)境溫度和各種隨機(jī)噪聲都會(huì)對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償和誤差修正。</p><p><b>　　系統(tǒng)方案整體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　溫濕度的檢測(cè)有許多方法，可供選擇的器件和運(yùn)用的技術(shù)也有多種。因此，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案應(yīng)在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的前提下，充分考慮系統(tǒng)使用的環(huán)境，所選的結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)

39、，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。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)方案規(guī)劃</p><p>　　系統(tǒng)采用近幾年來(lái)成熟的各種溫濕度傳感技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理控制技術(shù)和功能化模塊來(lái)構(gòu)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(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是溫濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量、存儲(chǔ)、顯示及后期處理等功能，因此，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)想為溫

40、濕度采集模塊、短距離無(wú)線通信模塊、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊等幾大部分。系統(tǒng)方案在溫濕度數(shù)據(jù)采集部分主要有三種構(gòu)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(wú)線通信部分主要有三種構(gòu)想：一是采用藍(lán)牙技術(shù)，二是采用紅外線技術(shù)，三是選用無(wú)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(gòu)想：一是采用單片機(jī)控制，二是采用 DSP 進(jìn)行處理。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)

41、計(jì)</p><p>　　2.2.1 傳感器方案</p><p>　　傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測(cè)量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測(cè)量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。但是模擬傳感器的模擬信號(hào)需要先經(jīng)過(guò)取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，再將轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號(hào)交由微處理器或 DSP 處理。被測(cè)信號(hào)從敏感元件接收的非電物理量開始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號(hào)之間，設(shè)計(jì)者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)測(cè)試裝置中元器件數(shù)量難以

42、下降，隨之影響產(chǎn)品的可靠性及小型化。而且模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，容易受到電磁干擾而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。在多點(diǎn)溫濕度檢測(cè)的場(chǎng)合，各被測(cè)點(diǎn)到測(cè)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(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，并且難以完全清除。另外，模數(shù)轉(zhuǎn)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(cè)模擬量直接換成數(shù)字量輸出，可以直接與數(shù)字設(shè)備（計(jì)算機(jī)，計(jì)數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等

43、）相聯(lián)，用微控制器、DSP 或計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理、濾波、壓縮。它的信號(hào)原則上不受放大器和信號(hào)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(cè)量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號(hào)易于處理、傳送和自動(dòng)控制，便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)</p><p>　　2.2.2短距離無(wú)線通信模塊方案</p><p>　　藍(lán)牙技術(shù)作為一種近距離無(wú)線連接的全球性開放規(guī)范，已經(jīng)得到了全球眾多大企業(yè)的支持。

44、藍(lán)牙技術(shù)同時(shí)支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸，使用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，本身包括糾錯(cuò)機(jī)制，可靠性高，藍(lán)牙規(guī)范的核心部分協(xié)議允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行相互定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)互操作和交互式應(yīng)用。但是藍(lán)牙設(shè)備價(jià)格昂貴，通訊距離近，藍(lán)牙 RF 定義了三種功率等級(jí)（100mw、25mw 和 1 mw），當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備功率為 1 mw 時(shí)，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(lái)進(jìn)行較近距離的IrDA具有技術(shù)成熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便

45、、簡(jiǎn)單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、保密性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。也存在著只能視距傳輸、移動(dòng)時(shí)不能傳輸、LED 易磨損等缺點(diǎn)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)界上主 要的芯片廠商都推出了線收發(fā)芯片。短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的大部分功能都集 成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號(hào)射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無(wú)線通信模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)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(diào)

46、制方式，工作于 ISM 頻段，通信模塊一</p><p>　　無(wú)線收發(fā)芯片的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，通訊協(xié)議簡(jiǎn)單透明，技術(shù)成熟。使用該種方案無(wú)線通訊接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。</p><p>　　2.2.3系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊方案</p><p>　　溫濕度數(shù)據(jù)在采集后通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的控制。對(duì)于一般的

47、工業(yè)測(cè)量與控制，多采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控。專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立完整的功能實(shí)體，用單片機(jī)或 DSP 來(lái)控制整個(gè)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(yīng)用系統(tǒng)的要求配置，獨(dú)立性、可擴(kuò)展性好，因此系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。根據(jù)微處理器的不同，專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。DSP 和單片機(jī)都是構(gòu)成專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心芯片，DSP 主要用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，DSP 芯片中具有各種特殊功能的計(jì)

48、算模塊，采用流水線結(jié)構(gòu)，提高了 DSP 的運(yùn)行速度。由于 DSP 主要應(yīng)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(kuò)展，因此多數(shù) DSP 系統(tǒng)還要通過(guò)單片機(jī)來(lái)進(jìn)行外部接口擴(kuò)展，這導(dǎo)致了 DSP 的成本較高，另外，DSP 具有一定的專用性，開發(fā)過(guò)程比較復(fù)雜，不便于通用。單片機(jī)是把微型機(jī)的主要部分集中在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。由于它的結(jié)構(gòu)與指令都按照工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的，故又稱微控制器（Microcontroller U

49、nit），也可稱微型計(jì)算機(jī)</p><p>　　在單片機(jī)能夠滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機(jī)無(wú)異是首選的信息處理單元。</p><p><b>　　2.3 器件的選用</b></p><p>　　2.3.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇</p><p>　　隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字式溫度傳感器也得

50、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(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設(shè)計(jì)工程師的選擇對(duì)象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單；測(cè)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(fù)載能力如何，能否滿足多點(diǎn)測(cè)溫的需要；占用 MCU 的 I/O引腳數(shù)情況如何，因?yàn)?MCU 的系統(tǒng)資源非常寶貴，輸入通道有限，多點(diǎn)溫度測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量的點(diǎn)數(shù)超過(guò)了輸入通道時(shí)，

51、就要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時(shí)間，應(yīng)盡量節(jié)約；與 MCU 的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。</p><p>　　DS18B20是美國(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號(hào)線上掛接數(shù)十甚至上百個(gè)數(shù)字式傳感器，從而使測(cè)溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡(jiǎn)單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路

52、的缺點(diǎn)，而且，可以通過(guò)總線供電，由它組成的溫度測(cè)控系統(tǒng)非常方便，而</p><p>　　且成本低、體積小、可靠性高。DS18B20 的測(cè)溫范圍-55~+125℃，最高分辨率可達(dá) 0.0625℃，由于每一個(gè) DS18B20 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。Dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價(jià)格比，有以下特點(diǎn)：<

53、;/p><p>　?、龠m用于低速測(cè)控場(chǎng)合，測(cè)控對(duì)象越多越顯出其優(yōu)越性；</p><p>　?、谛詢r(jià)比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好；</p><p>　?、劬哂?CRC 校驗(yàn)功能，可靠性高；</p><p>　　④軟件設(shè)計(jì)規(guī)范，系統(tǒng)簡(jiǎn)明直觀，易于掌握。</p><p>　　由于 DS18B20 獨(dú)特的單總線接口方式在

54、多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，占用 MCU 的 I/O 引腳資源少，和 MCU 的通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單，成本較低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以，選用 DS18B20 做為溫度測(cè)量的傳感器。</p><p>　　2.3.2集成濕度傳感器的選擇</p><p>　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展。選擇集成濕度傳感器應(yīng)考慮以下

55、幾點(diǎn)：感濕性能好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬，要有較好的一致性、可重復(fù)性，線性度要好、濕滯小，較高的穩(wěn)定性和可靠性，有較強(qiáng)的抗污染能力、使用壽命長(zhǎng)。 </p><p>　　HM1500濕度傳感器是法國(guó) Humirel 公司采用 Humirel 專利濕敏電容 HS1101 設(shè)計(jì)制造的相對(duì)濕度傳感器。帶防護(hù)棒式封裝，5VDC 恒壓供電，1~4VDC 放大線性電壓輸出，便于用戶使用。濕度測(cè)試量程為0~100%RH

56、，精度達(dá)±3%RH（10~95%RH 范圍），防灰塵，可有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)，非常低的溫度依賴性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，反映時(shí)間 5s，廣泛應(yīng)用于機(jī)房監(jiān)控，智能樓宇，倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控等控制場(chǎng)合，價(jià)格實(shí)惠，是一款性價(jià)比極高的濕度傳感器。由于 HM1500 濕度傳感器的精度較高，測(cè)量范圍大，反應(yīng)時(shí)間較快，溫度依賴性比較低，長(zhǎng)期穩(wěn)定性能好，用戶使用方便，價(jià)格實(shí)惠，是性價(jià)比極高的一款集成濕度傳感器，故本方案采用 HM1500 做為濕度測(cè)量的傳感

57、器。</p><p>　　2.3.3 無(wú)線收發(fā)芯片的選擇</p><p>　　無(wú)線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在設(shè)計(jì)中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時(shí)，應(yīng)主要參考以下幾點(diǎn)：</p><p>　?、?收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼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)

58、據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的 1/3，而采用串口傳輸?shù)男酒?，?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，編程方便。</p><p>　?、?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(guān)系到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。</p><p>　　③ 功耗大多數(shù)無(wú)線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較

59、小的產(chǎn)品．</p><p>　?、?發(fā)射功率在同等條件下，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)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(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。</p><p>　　nRF24E1是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近開發(fā)的一種嵌入了高&l

60、t;/p><p>　　性能單片機(jī)內(nèi)核的高速單片無(wú)線收發(fā)芯片。采用先進(jìn)的 0.18µs CMOS工藝、6mm×6mm 的 36 引腳 QFN 封裝；以 nRF2401 芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，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(nèi)部有電壓調(diào)節(jié)器（工作電壓 1.9~3.6V）和 VDD 電壓監(jiān)視，通常開關(guān)時(shí)間小于 20

61、0µs，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(guò)軟件設(shè)置完成，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)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(qǐng)通信許可證。nRF24E1 內(nèi)部集成了增強(qiáng)型的 51 內(nèi)核、12位 A/D 轉(zhuǎn)換器，不必再單獨(dú)配置單片機(jī)，既簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，又提高了系統(tǒng)的抗干擾能

62、力，更重要的，nRF24E1 比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜，具有成本優(yōu)勢(shì)。所以 nRF24E1 是業(yè)界體積小、功耗少、外圍元件少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。它可應(yīng)用在：無(wú)線鍵盤和鼠標(biāo)、無(wú)線耳機(jī)、工業(yè)傳感器、P</p><p>　　2.3.4 鍵盤顯示模塊的選擇</p><p>　　顯示有串行和并行兩種方式。并行顯示方式占用硬件資源多，八個(gè)筆劃段和幾個(gè)顯示驅(qū)動(dòng)控制端都要接到單片機(jī)的 I/O 引腳，但顯示刷新

63、速度快；串行顯示方式占用硬件資源少，僅數(shù)據(jù)鎖存控制端、時(shí)鐘端、數(shù)據(jù)端三個(gè)端口要接到單片機(jī)的 I/O 引腳上，顯示刷新速度較并行顯示方式慢。由于 nRF24E1 芯片的外部接口資源非常有限，本系統(tǒng)選用有 SPI 串行接口的 ZLG7289A 做為鍵盤顯示模塊。ZLG7289A 是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片, 和微處理器之間采用串行接口，其接口和外圍電路比較簡(jiǎn)單，且占用口線少，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管(或

64、64 只獨(dú)立 LED)，還可連接多達(dá) 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，可完全替代其它公司的 8279、8155、8255 等系列顯示器件。ZLG7289A 內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收 BCD 碼或 16 進(jìn)制碼，且有 2 種譯碼方式，此外，還具有消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等多種控制指令。</p><p>　　液晶顯示器在使用中有許多注意事項(xiàng)：不能對(duì)它長(zhǎng)期施加直流電，否則易造

65、成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過(guò)大的壓力；對(duì)于使用的環(huán)境溫度要特別注意，溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射；要特別注意防靜電，焊接顯示器時(shí)烙鐵要接地?？梢娨壕э@示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時(shí)也有一定的優(yōu)勢(shì)，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是 pA 級(jí)的。數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器，它對(duì)電源沒有特殊要求，受環(huán)境溫度的影響不大，不怕陽(yáng)光的照射，也沒有嚴(yán)格的防靜電要求，而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多，適于

66、安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強(qiáng)的各種環(huán)境中，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本系統(tǒng)由于要適合在不同環(huán)境條件下使用，所以選用數(shù)碼管顯示器。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)上一章所選的系統(tǒng)方案構(gòu)想，下面進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1 所示。</p><p>　　圖 3-1

67、 多點(diǎn)無(wú)線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　系統(tǒng)由溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤顯示驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)上傳等部分組成。一片 nRF24E1 無(wú)線收發(fā)模塊作為下位機(jī)，與多片溫度、濕度傳感器組成溫濕度采集網(wǎng)絡(luò)，完成多點(diǎn)溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線發(fā)送；另一片 nRF24E1 無(wú)線收發(fā)模塊作為上位機(jī)，通過(guò)擴(kuò)展顯示、鍵盤、RS232 等接口模塊，完成溫度、濕度數(shù)據(jù)的接收、顯示和上傳。</p><p>

68、　　3.1 溫濕度采集部分電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集硬件接口電路</p><p>　　針對(duì) nRF24E1 內(nèi)置多路 A/D 轉(zhuǎn)換器而 I/O 口線較少的特點(diǎn)，用多只DS18B20 型單線數(shù)字式集成溫度傳感器和 HM1500 型電壓輸出式集成濕度傳感器組成多點(diǎn)溫濕度采集網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　圖 3-2 溫濕度采集網(wǎng)絡(luò)框圖</

69、p><p>　　附圖 1 給出了溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集部分的硬件接口電路原理圖。下位機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展了一片型號(hào)為25AA320的EEPROM，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序。電復(fù)位時(shí)，在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，通過(guò) SPI 接口從 EEPROM 加載到 1 個(gè)4KB 的 RAM 中，這個(gè) 4KB 的 RAM 也用來(lái)存儲(chǔ)溫濕度數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.1.2 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20[22]</p>

70、<p>　　單總線是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)，它只定義了一根信號(hào)線，總線上的每個(gè)器件都能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間驅(qū)動(dòng)它，相當(dāng)于把單片機(jī)的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號(hào)線對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為了區(qū)分這些芯片，廠家在生產(chǎn)芯片時(shí)，為每個(gè)芯片編制了惟一的序列號(hào)，通過(guò)尋址就能把芯片識(shí)別出來(lái)。從而能使這些器件掛在一根信號(hào)線上進(jìn)行串行分時(shí)數(shù)據(jù)交換，大大簡(jiǎn)化了硬件電路。因?yàn)樗菙?shù)字輸出，而且只占用一個(gè) I/O 端口，所以它特

71、別適合于微處理器控制的各種溫度測(cè)控系統(tǒng)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時(shí)需要的 A/D 轉(zhuǎn)換和較復(fù)雜的外圍電路?？s小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　DS18B20 主要由四部分組成。</p><p>　　①64位光刻 ROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</p><p><b>　?、跍囟葌鞲衅?lt;/b></p><

72、p>　?、鄯且资噪娍刹翆憸囟葓?bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL</p><p>　?、芊且资噪娍刹翆懺O(shè)置寄存器</p><p>　　每片 DS18B20 含有一個(gè)唯一的64位ROM編碼。頭八位是產(chǎn)品系列編碼，表示產(chǎn)品的分類編號(hào)；接著的48位是一個(gè)惟一的產(chǎn)品序列號(hào)，序列號(hào)是一個(gè) 15 位的十進(jìn)制編碼，每個(gè)芯片惟一的編碼可以通過(guò)尋址將其識(shí)別出來(lái)，最后 8 位是前 56 位的循環(huán)冗余(CRC)

73、校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信中校驗(yàn)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(huì)造成混亂。這為溫度的多點(diǎn)測(cè)量帶來(lái)了極大的方便。溫度傳感器的轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲(chǔ)器中，其中第一個(gè)字節(jié)（Byte0）存放測(cè)溫結(jié)果的低位（LS Byts），第二個(gè)字節(jié)（Byte1）存放測(cè)溫結(jié)果的高位（MS Byts），S 為符號(hào)位，其它位為數(shù)據(jù)位，溫度為負(fù)時(shí) S=1；溫度為正時(shí) S=0。格式如下：<

74、/p><p>　　表 3-1 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)</p><p>　　溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果以 16 位二進(jìn)制方式單線輸出, 轉(zhuǎn)換的位數(shù)可通過(guò)寫配置寄存器（字節(jié) 4）設(shè)定, 其格式如下：</p><p>　　表3-2 DS18B20 配置寄存器</p><p>　　DS18B20 的溫度傳感器是通過(guò)溫度對(duì)振蕩器的頻率影響來(lái)測(cè)量溫度，如圖 3-3所示

75、。DS18B20 內(nèi)部有兩個(gè)不同溫度系數(shù)的振蕩器。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過(guò)由高溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門開通周期而被計(jì)數(shù)，通過(guò)該計(jì)數(shù)值來(lái)測(cè)量溫度。計(jì)數(shù)器被預(yù)置為與- 55℃對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值，如果計(jì)數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門周期結(jié)束前計(jì)數(shù)到零，表示測(cè)量的溫度高于- 55℃，被預(yù)置在- 55℃的溫度寄存器的值就增加一個(gè)增量，同時(shí)為了補(bǔ)償和修正溫度振蕩器的非線性，計(jì)數(shù)器被斜率累加器所決定的值進(jìn)行預(yù)置，時(shí)鐘再次使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)直至零，如果開

76、門通時(shí)間仍未結(jié)束，那么重復(fù)此過(guò)程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結(jié)束為止。這時(shí)溫度寄存器中的值就是被測(cè)的溫度值。這個(gè)值以 16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在便箋式存儲(chǔ)器中。溫度值由主機(jī)通過(guò)發(fā)讀存儲(chǔ)器命令讀出，經(jīng)過(guò)取補(bǔ)和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，得到實(shí)測(cè)的溫度值。</p><p>　　圖 3-3 DS18B20 測(cè)溫原理</p><p>　　3.1.3 集成濕度傳感器 HM1500</p><

77、;p>　　HM1500 是法國(guó) Humirel 公司于 2002 年推出的一種基于硬質(zhì)封裝的HS1101 濕敏電容的電壓輸出式集成濕度傳感器。它將側(cè)面接觸式濕敏電容與濕度信號(hào)調(diào)理器集成在一個(gè)模塊中，集成度高，有很小的易于安裝的接頭，因此不需要外圍元件，使用非常方便。其主要特點(diǎn)是采用恒壓供電，輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，對(duì)溫度的依賴性非常低，可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性高，互換性好，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，浸水無(wú)影響，

78、長(zhǎng)時(shí)間處于飽和狀態(tài)后能快速脫濕，抗污染能力強(qiáng)。</p><p>　　HM1500 的工作原理</p><p>　　圖3-4 HM1500 工作原理</p><p>　　HM1500 的輸出電壓與相對(duì)濕度的響應(yīng)曲線如下圖所示：</p><p>　　圖 3-5 HM1500 的輸出電壓與相對(duì)濕度的響應(yīng)曲線</p><p>

79、　　3.1.4 單片無(wú)線收發(fā)模塊 nRF24E1</p><p>　　nRF24E1 是挪威 Nordic 公司 2003 年開發(fā)的一種嵌入了高性能單片機(jī)內(nèi)核的高速單片無(wú)線收發(fā)模塊。采用先進(jìn)的 0.18µs CMOS 工藝、36 引腳 QFN 封裝；以 nRF2401 芯片結(jié)構(gòu)為核心，將射頻發(fā)射、接收、GMSK調(diào)制、解調(diào)、增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核、9 輸入 12 位 ADC、125 頻道、UART、SPI

80、、PWM、RTC、WDT 全部集成到單芯片中；內(nèi)部有電壓調(diào)節(jié)器（工作電壓 1.9~3.6V）和 VDD 電壓監(jiān)視，通常開關(guān)時(shí)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(guò)軟件設(shè)置完成，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界電磁干擾；工作在全球開放的 2.4GHz 頻段、勿需申請(qǐng)通信許

81、可證。</p><p><b>　　引腳功能</b></p><p>　　nRF24E1 有 11 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳，由 P0 口（DIO2~DIO9）和 P1 口（DIO0、DIO1、DIN0）組成，除了 DIN0 只能用于輸入外，其余都是雙向引腳，而且大部分?jǐn)?shù)字 I/O 有復(fù)用功能。各引腳的復(fù)用功能如下表所示。</p><p>　　表

82、3-3 I/O 端口及復(fù)用功能</p><p>　　nRF24E1 有 9 個(gè)模擬輸入引腳，AREF 為 ADC 參考電壓。該器件還有 2 個(gè)天線引腳 ANT1 和 ANT2 以及兩個(gè)晶振引腳 XC1 和 XC2。為了支持 1Mbit/s 的傳輸速率，nRF24E1 必須用 16MHz 以上的高精度晶振。</p><p>　　nRF24E1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>

83、;<b>　　微處理器</b></p><p>　　nRF24E1 是一款帶有增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核的 RF 芯片，其 MCU 的功能和內(nèi)部構(gòu)成基本與標(biāo)準(zhǔn) 8051 一致。只是它的定時(shí)器的工作頻率和內(nèi)部少許配置字的功能與標(biāo)準(zhǔn) 8051 有一些差別。如 nRF24E1 的每條指令執(zhí)行時(shí)間為 4~20 個(gè)時(shí)鐘周期，而工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 的每條指令執(zhí)行時(shí)間為 12~48 個(gè)時(shí)鐘周期。nRF24E1

84、 比工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 增加了 ADC、SPI、RF 接收器 1 個(gè)、RF 接收器 2 個(gè)、喚醒定時(shí)器 5 個(gè)中斷源，以及 3 個(gè)與 8051 一樣的定時(shí)器。nRF24E1 內(nèi)含 1 個(gè)與 8051 相同的 UART，在傳統(tǒng)的異步通信方式下，可用定時(shí)器1和定時(shí)器2作為UART的波特率發(fā)生器。為了便于和外部RAM區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，nRF24E1 的 CPU 還集成 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針。nRF24E1 微控制器的時(shí)鐘直接來(lái)源于晶振。微處理器中有

85、256 字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM 和 512 字節(jié)的 ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動(dòng)執(zhí)行 ROM 中引導(dǎo)區(qū)的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從 EEPROM 加載到 1 個(gè) 4KB 的 RAM 中，這個(gè) 4K</p><p>　?。?） PWM 輸出</p><p>　　nRF24E1 具有一個(gè)可編程控制的 PWM 輸出。使用時(shí)，通過(guò)程序改變DIO9（即 P0.7）的功能，并可編

86、程確定 PWM 的輸出工作于 6 位、7 位或8 位。通過(guò) 6 位的前向量化，PWM 信號(hào)的頻率可由軟件控制。</p><p>　　（3） SPI 接口</p><p>　　nRF24E1 的 SPI 總線中含 3 條串口線（SDI，SCK 和 SDO）它們是可以復(fù)用的。既可作 GPIO（DIN0、DIO0 和 DIO1）引腳，又可作 RF 收發(fā)器引腳。其工作模式與標(biāo)準(zhǔn) 8051 一致。S

87、PI 硬件不產(chǎn)生任何片選信號(hào)，通常用 GPIO 的位（P0 口）作為外部 SPI 設(shè)備的片選口。</p><p>　?。?） RTC 喚醒定時(shí)器、WTD 和 RC 振蕩器</p><p>　　nRF24E1 內(nèi)有一個(gè)低功耗的 RC 振蕩器，可在停止外部晶體振蕩的情況下提供 CPU 時(shí)鐘信號(hào)，使 CPU 可在 POWER DOWN 省電模式下定時(shí)喚醒(一般單片機(jī)在 POWER DOWN 模式

88、下只能通過(guò)外部復(fù)位喚醒 )。該振蕩器不能禁止，當(dāng) VDD≥1.8V 時(shí)，其連續(xù)工作。RTC 喚醒定時(shí)器和 WTD（看門狗）為 2 個(gè) 16 可編程定時(shí)器，它們的工作時(shí)鐘為 RC 振蕩器的LP-OSC 時(shí)鐘。喚醒定時(shí)器和看門狗的定時(shí)時(shí)間約為 300µs~80ms，默認(rèn)值為 10ms。</p><p>　?。?） A/D 轉(zhuǎn)換器</p><p>　　nRF24E1 A/D 轉(zhuǎn)換器有

89、10 位的動(dòng)態(tài)范圍，線性轉(zhuǎn)換時(shí)間為每 10 位48 個(gè) CPU 指令周期。其參考電壓可選 AREF 的輸入電壓或是一個(gè)大小為1.22V 的帶隙電壓。A/D 轉(zhuǎn)換器有 9 個(gè)輸入通道可通過(guò)軟件進(jìn)行選擇，但9 個(gè)通道不能同時(shí)工作。通道 0~7 可以把對(duì)應(yīng)引腳 AIN0~AIN7 上的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通常 8 用于對(duì) nRF24E1 工作電壓的監(jiān)控。A/D 轉(zhuǎn)換器默認(rèn)工作于 10 位方式，也可根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)軟件使其工作于 6 位、8位或

90、 12 位方式。</p><p><b>　　（6） 無(wú)線收發(fā)器</b></p><p>　　nRF24E1 收發(fā)器通過(guò)內(nèi)部并行口或內(nèi)部 SPI 口與其它模塊進(jìn)行通信，具有同單片射頻收發(fā)器 nRF2401 相同的功能。DuoCeiver 接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，可通過(guò)程序使其為微處理器的中斷或通過(guò)GPIO口傳給CPU。nRF2401 工作于全球開放的 2.4~2.5

91、GHz 頻段。收發(fā)器由 1 個(gè)完整的頻率合成器、1 個(gè)功率放大器、1 個(gè)調(diào)節(jié)器和 2 個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器 RADIO（0xA0）編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗僅為 10.5mA，接收模式下為 18mA。為了節(jié)能，可通過(guò)程序控制收發(fā)器的開/關(guān)。</p><p>　　3.2 溫濕度顯示及上傳部分電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 溫濕

92、度顯示及上傳硬件接口電路</p><p>　　傳統(tǒng)的鍵盤顯示驅(qū)動(dòng)芯片對(duì) MCU 的 I/O 口線占用較多，要完成多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢、顯示和上傳，若選用傳統(tǒng)的芯片，需要另外擴(kuò)展數(shù)據(jù)線，這將增加系統(tǒng)的硬件電路和軟件編程的復(fù)雜程度。因此，本系統(tǒng)選擇有 SPI 串行接口的 ZLG7289A 做為鍵盤顯示驅(qū)動(dòng)模塊。通過(guò)擴(kuò)展顯示器件、RS232 等接口模塊，完成溫濕度數(shù)據(jù)的測(cè)量、顯示和上傳如圖3-6所示。溫濕度顯示及上

93、傳硬件接口電路原理圖見附圖 2。</p><p>　　圖 3-6 ZLG7289A 及 RS232 與 nRF24E1 的接口電路框圖</p><p>　　使用時(shí) ZLG7289A 應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管，無(wú)需用到的數(shù)碼管和鍵盤可以不連接。如果不用鍵盤，連接鍵盤的 8 只 10K 電阻和 8 只 100K 下拉電阻可以省去，如果使用鍵盤，電路中的 8 只 100K 下拉電阻都不得省略。除非不接

94、數(shù)碼管，否則串入 DP 及 SA-SG 連線的 8 只電阻也不能省去。</p><p>　　3.2.2 鍵盤顯示模塊 ZLG7289A</p><p>　　ZLG7289A 是廣州周立功公司自行設(shè)計(jì)的顯示驅(qū)動(dòng)芯片，采用 SPI 接口，外圍電路簡(jiǎn)單，占用口線少，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管(或 64 只獨(dú)立 LED)，還可連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成 LED 顯示、鍵盤接口的

95、全部功能，可完全替代 8279、8155、8255 等系列顯示器件。內(nèi)部有譯碼器，可直接接收 BCD 碼或 16 進(jìn)制碼，且有 2 種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令。具有片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 鍵的鍵盤接口。</p><p><b>　　1.特點(diǎn)：</b></p><p>　?、倬哂写薪涌?，無(wú)需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng) LED</p

96、><p>　?、诟魑华?dú)立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性</p><p>　　③（循環(huán)）左移/（循環(huán)）右移指令</p><p>　?、芫哂卸螌ぶ分噶罘奖憧刂篇?dú)立 LED</p><p>　?、?4 鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動(dòng)電路</p><p>　　引腳功能 如下表所示</p><p>　　表 3-3

97、引腳功能說(shuō)明</p><p>　　3.2.3 RS-232C 接口芯片 MAX232</p><p>　　RS-232C 是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA(Electronic Industy Association)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C 總線標(biāo)淮規(guī)定了 21 個(gè)信號(hào)和 25 個(gè)引腳，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道。完整的 RS-232C 接口采用

98、標(biāo)準(zhǔn)的 25 芯插頭；對(duì)于一般雙工通信，常用 9 芯插頭，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，最簡(jiǎn)單的通訊方式只需 3 根引線，包括一條發(fā)送線、一條接收線和一條地線。由于 RS-232C 的邏輯 0 電平規(guī)定為+5~+15V，邏輯 1 電平規(guī)定為-15~-5V，因此，在與 TTL 電路接口時(shí)必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換。下面簡(jiǎn)單介紹一下常用的 RS-232C 電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232。MAX232 是 MAXIM 公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的RS-2

99、32C 電平轉(zhuǎn)換芯片，適用于各種 232 通信接口。MAX232 芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V 電源電壓變換成為 RS-232C 輸出電平所需的±10V 電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V 電源就可以了。由于其適應(yīng)性強(qiáng)，加之價(jià)格低廉</p><p><b>　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　溫濕度測(cè)量系

100、統(tǒng)的功能是在程序控制下實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法與硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，按整體功能分成多個(gè)不同的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后通過(guò)主程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來(lái)。這樣有利于程序修改和調(diào)試，增強(qiáng)了程序的可移植性。溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的軟件主要分為：下位機(jī)的溫度、濕度采集和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸程序以及上位機(jī)的溫度、濕度數(shù)據(jù)的查詢、接收、顯示和上傳程序。</p><p><b>　

101、　4.1 主程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)初始化、中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)定以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實(shí)現(xiàn)各程序模塊的連接。上位機(jī)的系統(tǒng)初始化主要包括 nRF24E1 中寄存器、存儲(chǔ)單元的設(shè)置、nRF2401 子系統(tǒng)初始化、ZLG7289A 的初始化。下位機(jī)的系統(tǒng)初始化主要包括 nRF24E1 中寄存器、存儲(chǔ)單元的配置、nRF2401 子系統(tǒng)初始化、DS18B20 的初始化

102、和 HM1500地址的設(shè)置。</p><p>　　4.1.1 上位機(jī)主程序</p><p>　　上位機(jī)主程序開始后先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)的字符名稱賦值，ZLG7289A 的初始化，設(shè)置串口通信參數(shù)，打開 CPU 中斷，打開串口中斷，設(shè)置定時(shí)器 T0 中斷。沒有中斷的時(shí)候，上位機(jī)子系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到有中斷需要響應(yīng)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，向下位機(jī)發(fā)送溫度（或濕度

103、）測(cè)試指令，等下位機(jī)接收到完整數(shù)據(jù)后，將上位機(jī)置接收方式，準(zhǔn)備接收測(cè)得的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)接收完下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)中斷指令進(jìn)行顯示（或上傳），并保持狀態(tài)，直到響應(yīng)新的中斷為止。</p><p>　　上位機(jī)主程序流程框圖如圖 4-1 所示。</p><p>　　4.1.2 下位機(jī)主程序</p><p>　　下位機(jī)主程序開始后首先進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化的內(nèi)容包括給相應(yīng)

104、的字符名稱賦值，設(shè)置串口通信參數(shù)。下位機(jī)然后向在線的 DS18B20發(fā)初始化脈沖。然后發(fā)送 Skip ROM 命令，也就是接下來(lái)的 RAM 命令是針對(duì)在線所有 DS18B20。將在線所有 DS18B20 序列號(hào)存入下位機(jī)中，接著循環(huán)查詢 nRF2401 子系統(tǒng)是否置接收方式，直到有接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，執(zhí)行溫度（或濕度）的檢測(cè)，然后，將測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，復(fù)位返回，準(zhǔn)備進(jìn)行新的測(cè)試。</p><p>　

105、　下位機(jī)主程序流程框圖如圖 4-2 所示。</p><p><b>　　是</b></p><p>　　圖 4-1 上位機(jī)主程序流程框圖</p><p>　　圖 4-2 下位機(jī)主程序流程框圖</p><p><b>　　4.2 子程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.2.

106、1 溫度測(cè)量子程序</p><p>　　首先由下位機(jī)發(fā)出所要查詢的 DS18B20 地址，所有的 DS18B20 響應(yīng)中斷，判斷是否與主機(jī)查詢的地址相符。地址符合的 DS18B20 回送本機(jī)地址，并改變 SM2，地址不符合的 DS18B20 退出中斷，SM2＝1 不變。DS18B20 在與下位機(jī)建立聯(lián)系后，跟著以查詢方式接收下位機(jī)接著發(fā)送的 DS18B20 的 ROM 命令。主機(jī)只有兩種 DS18B20 的 RO

107、M 命令：讀 DS18B20 的序列號(hào)和匹配指定 DS18B20。讀序列號(hào)和匹配指定DS18B20 都是單字節(jié)的指令。匹配指定 DS18B20 命令發(fā)送后緊接著的是相應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)序列號(hào)。DS18B20 首先判斷是那一種命令，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序進(jìn)行處理。讀序列號(hào)指令相應(yīng)的子程序完成的是，讀出在線的 DS18B20 的序列號(hào)，一共八個(gè)字節(jié)并回送下位機(jī)。讀序列號(hào)時(shí)線上只能有一個(gè) DS18B20，否則會(huì)引起數(shù)據(jù)沖突。匹配指定 DS18B20 命令相