畢業設計論文_基于單片機的無線溫度發送和接受系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 RF 定義了三種功率等級（ 100mw、 25mw 和 1 mw），當藍牙設備功率為 1 mw 時，其發射范圍一般為 10m。 紅外線傳輸是使用紅外線波段的電磁波來進行較近距離的傳輸。 IrDA 具有技術成 熟、體積小、功率低、傳輸速率高、連接方便、簡單易用、數據傳輸干擾少、保密性強、成本低廉等優點。也存在著只能視距傳輸、移動時不能傳輸、 LED 易磨損等缺點。 隨著大規模集成電路技術的發展，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收發芯片。短距離無線通信系統的大部分功能都集成到一塊芯片內部，一般使用單片數字信號射頻收發芯片，加上微控制器和少量外圍器件構成專用或通用無線通信模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，一致性良好，性能穩定且不受外界干擾。射頻芯片一般采用 FSK 調制方式，工作于 ISM 頻段，通信 模塊一般包含簡單透明的數據傳輸協議或使用簡單的加密協議，發射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據命令字進行操作即可實現基本的數據無線傳輸功能。新一代短距離無線數據通信系統具有體積小、功耗低、穩定性好、抗干擾能力強等優點，而且開發簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網絡，在工業、民用領域得到較為廣泛的應用。考慮系統的經濟性、傳輸距離，確定該部分電路設計使用無線收發芯片。無線收發芯片的可靠性高、穩定性 好、抗干擾能力強，通訊協議簡單透明，技術成熟。使用該種方案無線通訊接口與數據采集系統接口電路設計簡單。 系統控制及數據處理模塊方案 溫度數據在采集后通常要進行數據處理，以實現測量數據的記錄、顯示和對測控系統的控制。對于一般的工業測量與控制，多采用專用計算機系統進行測控。 專用計算機系統是把采集系統作為一個獨立完整的功能實體，用單片機或DSP 來控制整個系統。最主要的特征是系統軟、硬件規模完全根據應用系統的要杭州電子科技大學本科畢業設計 7 求配置，獨立性、可擴展性好，因此系統具有較高的性價比。根據微處理器的不同，專用計算機應用系統 可分為 DSP 應用系統和單片機應用系統。 DSP 和單片機都是構成專用計算機系統的核心芯片， DSP 主要用于復雜的數字信號處理， DSP 芯片中具有各種特殊功能的計算模塊，采用流水線結構，提高了 DSP 的運行速度。 [13]由于 DSP 主要應用于高速數據處理，因此外部 I/0 接口比較少，不便于系統擴展，因此多數 DSP 系統還要通過單片機來進行外部接口擴展，這導致了 DSP 的成本較高，另外， DSP 具有一定的專用性，開發過程比較復雜，不便于通用。 單片機是把微型機的主要部分集中在一個芯片上的單芯片微型計算機。由于它的結構與指令都按照 工業控制要求設計的，故又稱微控制器（ Microcontroller Unit），也可稱微型計算機（ Single Chip Microputer）。通常由微型計算機和外圍設備組成，包括微處理器（ CPU）、存儲器（存放程序指令或數據指令的 ROM、RAM 等）、輸入 /輸出接口（ I/O）及其它功能部件如定時器 /計數器、中斷系統等。單片機受集成度限制，片內存儲容量較小，一般 ROM 只有 4~8K 字節， RAM 小于 256 字節，通過外部擴展， ROM、 RAM 可擴展至 64K 字節。與通用計算機系統相比，具有系統簡單、功能 易擴展、測控能力強、可靠性高。單片機應用系統正在被各個領域廣泛應用。 采用單片機具有系統簡單、開發容易，功能易擴展、測控能力強、可靠性高的特點。尤其適用于系統中沒有復雜的計算處理、對采集速度要求不高的數據采集處理系統。 對于不要求高速的一般的數據采集與處理系統，采用 DSP 是不經濟的方案。在單片機能夠滿足系統對數據處理速度要求的情況下，單片機無異是首選的信息處理單元 。 器件的選用 數字式溫度傳感器的選擇 隨著溫度傳感器智能化、集成化技術的進步，數字式溫度傳感器也得到了快速發展，世界上許多公 司推出了新型的數字溫度傳感器系列。這些產品的出現極大的豐富了設計工程師的選擇對象。在如此眾多的產品中選擇出合適的器件，應該把握以下幾點：外圍電路應該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發成本；溫度傳感器采用的總線負載能力如何，能否滿足多點測溫的需要；占用 MCU 的 I/O 引腳數情況如何，因為 MCU 的系統資源非常寶貴，輸入通道有限，多點溫度測量時，如果測量的點數超過了輸入通道時，就要添加多路復用器，這將增加成本和開發時間，應盡量節約；與 MCU 的通信協議應盡量簡單，溫度測量的軟件開發難度 、成本要盡量小。目前在數字溫度傳感器中采用的串行總線主要有 Philips 公司的 I2C 總線， Motorola 公司的 SPI 總線，杭州電子科技大學本科畢業設計 8 National Semiconductor 公司的 Microwireplus 總線， Dallas Semiconductor 公司的1Wire 總線和 Siemens 公司的 Profibus 總線等。常用的數字溫度傳感器主要有： ① AD7418 是是美國模擬器件公司（ ADI）推出的單片溫度測量與控制用集成電路。其內部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉換器。測溫范圍為55℃ ~+125℃ ，具有 10 位數字輸出溫度值，分辨率為 ℃ ，精度為 177。2 ℃ ，轉換時間為 15~30ms。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高，并且不易受環境千擾等優點。 AD7418 可以級聯至多 8 片在同一個 I2C 總線上。 ② LM74 是美國國家半導體公司推出的集成了帶隙式溫度傳感器、 △ ∑型 A/D 數轉換器，并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數字溫度傳感器。具有抗干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優點。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進行檢測，并在片內寄存器中存儲轉換 的溫度值，主機可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。 LM74 具有休眠模式，在休眠時消耗的電流不超過 10μA,適用于對功率消耗有嚴格限制的系統。 LM74 的模數轉換器為 12 位外加符號位，因此在其有效工作范圍內可達 ℃ 的分辨率，轉換時間為 425ms。 ③ MAX6575L/H 是美國 MAXIM 公司的一種單總線式數字溫度傳感器，具有較好的線性、較低的功耗，而且編程簡單，調試容易，使用方便。測溫范圍為40~+125℃ ，其誤差范圍：在 25℃ 時優于 177。3 ℃ , 在 85℃ 時優于 177。℃ ，在 125℃時優于 177。5 ℃ 。但是 MAX6575L/H 在其測溫范圍內非線性誤差較大，因此，當它用于高精度溫度測量時，必須對其進行非線性補償。它最多允許在一根 MCU 的 I/O 總線上同時掛接 8 個 MAX6575L/H 進行多點溫度測量。為了避免多個傳感器同時測溫時有重疊的現象， MAX6575 提供了 “L”和 “H”兩種型號的傳感器 ,它們的使用方法相同 ,而且每一種型號的傳感器又可以通過時間選擇引腳。但是，MAX6575L 的遠距離傳輸特性并不理想，傳輸范圍只能在 5m 以內，超過此范圍將采集不到被測溫度數據，這也 是這種器件的一個弊端。 ④ DS18B20 是美國 Dallas 半導體公司的新一代數字式溫度傳感器，它具有獨特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數十甚至上百個數字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的 A/D 轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，而且，可以通過總線供電，由它組成的溫度測控系統非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。 DS18B20 的測溫范圍 55~+125℃ ，最高分辨率可達 ℃ ，由于每一個 DS18B20 出廠時都刻有唯一的一個 序列號并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡單的通信協議就可以識別，從而節省了大量的引線和邏輯電路。 [7] Dallas 公司的單總線技術具有較高的性能價格比，有以下特點： ① 適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優越性； ② 性價比高，硬件施工、維修方便，抗干擾性能好； 杭州電子科技大學本科畢業設計 9 ③ 具有 CRC 校驗功能，可靠性高； ④ 軟件設計規范，系統簡明直觀，易于掌握。 由于 DS18B20 獨特的單總線接口方式在多點測溫時有明顯的優勢，占用 MCU 的 I/O 引腳資源少，和 MCU 的通信協議比較簡單，成本較低，傳輸距 離遠，所以，選用 DS18B20 做為溫度測量的傳感器。 無線收發芯片的選擇 無線收發芯片的種類和數量比較多，在設計中選擇合適芯片可以提高產品開發周期、節約成本。在選擇時，應主要參考以下幾點： ① 收發芯片的數據傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經驗，需要更多的內存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數據傳輸的效率，一般僅能達到標稱速率的 1/3，而采用串口傳輸的芯片，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，編程方便。 ② 收發芯片所 需的外圍元件數量 芯片外圍元器件的數量直接關系到系統的復雜程度和成本，因此應該選擇外圍元件少的收發芯片。 ③ 功耗 大多數無線收發芯片是應用在便攜式產品上的，因此功耗也非常重要，應該根據需要選擇綜合功耗較小的產品． ④ 發射功率 在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發射功率較高的產品。 ⑤ 收發芯片的封裝和管腳數 較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少 PCB 面積降低成本，適合便攜式產品的設計，也有利于開發和生產。 常用的無線收發芯片主要有： ① CC1000 是根據 Chipcon 公司的 SmartRF 技術，在 CMOS 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發通信芯片。它的工作頻帶在 31 868 及 915MHz，但 CC1000 很容易通過編程使其工作在 300~1000MHz 范圍內。它具有低電壓（ ~），極低的功耗，可編程輸出功率（ 20~10dBm），高靈敏度（一般 109dBm），小尺寸（ TSSOP28 封裝），集成了位同步器等特點。其 FSK 數傳速率可達 ，具有 250Hz 步長可編程頻率能力，適用于跳頻協議；主要工作參數能通過串行總線接口編程 改變，使用非常靈活。 ② nRF24E1 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近開發的一種嵌入了高性能單片機內核的高速單片無線收發芯片 [15]。采用先進的 CMOS 工藝、 6mm6mm 的 36 引腳 QFN 封裝；以 nRF2401 芯片結構為基礎，將射頻、 8051MCU、 9 輸杭州電子科技大學本科畢業設計 10 入 12 位 ADC、 125 頻道、 UART、 SPI、 PWM、 RTC、 WDT 全部集成到單芯片中；內部有電壓調節器（工作電壓 ~）和 VDD 電壓監視，通常開關時間小于 200μs，數據速率 1Mbps，輸出功率 0dBm；不需要外接 SAW 濾波器，極少的外圍電路，發射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經全部集成在芯片內部，一致性良好，性能穩定且不受外界影響；工作在全球開放的 頻段、勿需申請通信許可證。 ③ nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片 RF 收發機，專為在 433MHz ISM (工業、科研和醫療 ) 頻段工作而設計。該芯片集成了高頻發射、高頻接收、 PLL 合成、 FSK 調制、 FSK 解調、雙頻道切換等 功能，具有性能優異、功耗低、使用方便等特點。 nRF401 的外圍元件很少，僅 10 個左右。只包括一個 4MHz 基準晶振 (可與 MCU 共享 )、一個 PLL 環路濾波器和一個 VCO 電感，收發天線合一，沒有調試部件，這給研制及生產帶來了極大的方便。 ④ nRF903 單片射頻收發器芯片工作在 915MHz 國際通用的 ISM 頻段； GMSK/GFSK 調制和解調 , 抗干擾能力強；采用 DDS+PLL 頻率合成技術，頻率穩定性好；靈敏度高達 100dBm , 最大發射功率達 +10dBm；數據速率可達 Kbit/s； 170 個頻道 ,適合需要多信道工作的特殊場合；可方便地嵌入各種測量和控制系統中進行無線數據雙向傳輸，在儀器儀表數據采集系統、無線數據通信系統、計算機遙測遙控系統等中應用。 [14] 基于 nRF903 抗干擾能力強、靈敏度高、傳輸速率快、外圍設計簡單的優點，本系統將 nRF903 做為無線收發芯片的首選。 顯示模塊的選擇 顯示單元是人機交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態和檢測數據的關鍵性設備，通常的顯示器件有液晶顯示器（ LCD）和數碼管顯示器（ LED）。 數碼管顯示器耗電量明顯高于液晶顯示 器，而且會耗費單片機大量引腳，造成軟件編程的困難。液晶顯示器相比于數碼管顯示器具有很多優勢，最明顯的是低功耗，消耗電流一般是 pA 級的。此外，液晶顯示器顯示直觀，易于軟件編程，因此本人選用液晶顯示器作為顯示模塊。 本章小結 本章首先介紹了系統方案的總體構想，然后又介紹了系統方案的確定，最后介紹了器件的選用，