无线壁挂炉温控器设计(编辑修改稿)

无线壁挂炉温控器设计(编辑修改稿)内容摘要：

总线，因此称为一线式数据总线。 与单片机接口的每个 I/O 口可挂接多个 DS18B20 器件。 每片 DS18B20 含有一个唯一的 64 位 ROM 编码。 头八位是产品系列编码，表示产品的分类编号；接着的 48 位是一个惟一的产品序列号，序列号是一个 15 位的十进制编码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将其识别出来，最后 8 位是前 56 位的循环冗余 (CRC)校验码，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。 所以多片 DS18B20 能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。 这为温度的多点测量带来了极大的方便。 DS18B20 传感器的内部数据存储器由 9 个字节组成。 第一、二个字节是温度数据 (MSB、 LSB)，可以在系统配置寄存器中自行设置数据位数 (9~12 位 )，数据位越多温度分辨率越高，多余的高位是温度数据的符号扩展位。 第三、四字节是温度上下限过程设计论述 第 15页 (共 59页 ) 报警值 ( TH、 TL)。 第五字节是系统配置寄存器，寄存器各位定义如下：第八位用来设 置传感器的工作状态，“ 1” 为测试状态，“ 0”为操作状态，出厂设置为操作功能状态，用户不能修改；第七、六两位是温度转换数据位的设置 (00、 0 11 分别对应 1 12 位温度数据 )，出厂设置为 12 位温度数据位，用户可根据需要进行修改，其余位无效。 第六、七、八字节保留未用。 第 9 个字节是 CRC 校验码，是前面 8 个字节的循环校验码，用在通信中验数据传送的正确性。 图 4 DS18B20 内部结构框图（注明：本图引于百度文库） 温度传感器的转换结果以 16 位二进制补码的形式存放在便 笺式存储器中，其中第一个字节（ Byte0）存放测温结果的低位（ LS Byts），第二个字节（ Byte1）存放测温结果的高位（ MS Byts）， S 为符号位，其它位为数据位，温度为负时 S=1； 温度为正时， S=0。 格式如下： Bit0 Bit7 LSByts 23 22 21 20 21 22 23 24 Bit8 Bit15 MSByts S S S S S 26 25 24 无线壁挂炉温控 器设计 (发射端 ) 第 16页（共 59页） 如果测量的温度值高于温度报警触发器 TH 或低于 TL 中的值，则 DS18B20 内部的报警标志位就被置位，表示温度测量值超出范围。 DS18B20 的温度转换位数可以选择 9~12 位，分别对应的测温分辨率为 ℃ , ℃， ℃， ℃。 不过温度转换位数越大，转换时间也越长。 12 位精度的最大转换时间为 750ms。 DS18B20 的测温范围为 55~+125℃，温度转换结果以 16 位二进制方式单线输出 , 转换的位数可通过写配置寄存器（字节 4）设定 , 其格式如下 ： Bit7 Bit0 0 R1 R0 1 1 1 1 1 R R0 的设定值与位数、分辩率和最大转换时间的关系如表 2 所示，可见位数每减少一位，分辩率同比减少而转换时间则加快一倍 , 器件上电时默认分辩率为 12 位。 表 2 配置寄存器设置 R1 R0 分辨率 ℃ 最大转换时间 ms 有效位数 0 0 9 位（ Bit11~Bit3） 0 1 10位（ Bit11~Bit2） 1 0 11 位（ Bit11~Bit1） 1 1 12位（ Bit11~Bit0） 温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器 (EEPROM )组成，设置值通过相应命令写入，一旦写入后不会因为掉电而丢失。 （ 3） DS18B20 的测 温原理 DS18B20 的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图 5 所示。 DS18B20 内部有两个不同温度系数的振荡器。 低温系数振荡器输出的时钟脉冲信过程设计论述 第 17页 (共 59页 ) 号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数，通过该计数值来测量温度。 计数器被预置为与 55℃对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度高于 55℃，被预置在 55℃的温度寄存器的值就增加一个增量，同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计 数直至零，如果开门通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。 这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。 这个值以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。 温度值由主机通过发读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。 图 5 DS18B20 测温原理方框图 （注明：本图引于百度文库） （ 4） DS18B20 的封装和供电方式 DS18B20 是 DS1820 的升级产品，一般封装为 TO92，比 DS1820 的 PR35 封装更小。 DS18B20 只有三根外引线 ：单线数据传输端口 DQ、共用地线 GND、外供电源线 VDD。 DS18B20 有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时 VDD 接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。 为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用一个 MOSFET 管和单片机的一个 I/O 口来完成对 DS18B20 总线的上拉。 另一种是外部供电方式 (VDD 接 +5V)，完成温度测量的时间较短。 当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，无线壁挂炉温控 器设计 (发射端 ) 第 18页（共 59页） 同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以 便对传感器充电。 但当所测温度超过 100℃时， DS18B20 的漏电流增大，传感器从 I/O 线上获取的电流不足以维持DS18B20 通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。 比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。 无线收发电路的设计 （ 1） nRF401 芯片的介绍 射频收发芯片 nRF401 工作在 433MHz 国际通用的 ISM 频段； FSK 调制和解调，抗干扰能力强；采用 PLL 频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达 105dBm，最大发射功率 达到 +10dBm；数据速率可达 20Kbit/S；可方便地嵌入各种测量和控制系统中；在仪器仪表数据采集系统、无线抄表系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。 nRF401 具有两个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合；可直接与微控制器接口；低工作电压（ — ），功耗低，发射时电源电流 8mA，接收时电源电流 250μ A，接收待机状态仅为 8μ A；仅需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器，电路模块尺寸为 30*22*6mm3。 nRF401 采用 20 脚 SSOIC 封装，内部 电路可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路几部分。 发射电路包含有：射频功率放大器，锁相环（ PLL），压控振荡器（ VCO），频率合成器等电路。 基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需的无源 回路滤波器和压控振荡器组成。 压控振荡器由片内的振荡电路和外接的电感组成。 要发射的数据通过 DIN端（第 9脚）输入。 9脚 DIN输入数字信号和 10 脚 DOUT 输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过 DIN输入，解调出来的信号经过 DOUT 输出； 12 脚通道选择：CS=“ 0”为通道 （ ,MHz） ， CS=“ 1”为通道 2（ ）； 18 脚电源开关；PWR— UP=“ 0”为待机模式； 19脚发射允许： TXEN=“ 1”为发射模式； TXEN=“ 0”为接收模式。 nRF401 内部结构图 4，引脚图 5。 （ 2）典型应用电路说明 过程设计论述 第 19页 (共 59页 ) 我们使用的是 nRF401 快速开发开发套件，典型应用电路如 图 8所示。 图 6 nRF401 内部结构图 图 7 nRF401 引脚图 图 8 nRF401 典型应用电路 (注明：本图引于中国电子设计论坛 ) 如图 7所示， 1 脚和 20 脚之间连接的是震荡电路，采用 4MHz 的晶震； 9脚是数据 的输入引脚， 10 脚是数据的输出引脚， 11 脚可以通过选择不同的 R3 值调整发射功无线壁挂炉温控 器设计 (发射端 ) 第 20页（共 59页） 率，当 R3＝ 22kΩ时，有最大发射功率＋ 10dBm； 15脚和 16 脚是环形天线的连接引脚；18脚可控制工作和待机模式； 19 脚可以控制发射和接收模式。 在无线温度控制系统中， nRF401 主要完成对温度数据和命令参数的无线传输。 图 7 是 单片机和收发芯片的接口电路。 图 9 单片机和收发芯片的接口电路 在图 9中可以看出，微控制器的 I/O口 nRF401的片选端， 控 制 nRF401的 TXEN 端，即发送 /接收控制端，实现半双工 通信功能； 口控制 nRF401 的POWER_UP 端，实现待机和上电的控制，达到节能目的。 过程设计论述 第 21页 (共 59页 ) 液晶显示电路 图 10 LCD 与单片机接口电路 控制电路 （ 1）控制原理 采用简单的比较控制方式。 具体来说，就是比较环境温度和给定温度的大小来确定加热器的开关。 但给定值大于测定值时，开加热器，即开继电器，是测定值增加，反之亦然。 （ 2）具体仿真 无线壁挂炉温控 器设计 (发射端 ) 第 22页（共 59页） 图 11 继电器与单片机接口电路 软件设计部分 温度测量子程序 （ 1） 首先由下位机发出 DS18B20 地址，地址符合 ， DS18B20 回送本机地址，并改变 SM2， DS18B20 在与下位机建立联系后，跟着以查询方式接收下位机接着发送的 DS18B20 的 ROM 命令。 然后单片机发送读寄存器命令，把 DS18B20 寄存器内的数据先放入单片机 RAM 的指定地址中。 （ 2）子程序流程图如下： 过程设计论述 第 23 页 （共 59 页） 图 12 温度测量程序流程图 nRF401 的通信子程序 对于无线通讯，出现最大的问题就是通讯可靠性，因为无线通讯的通讯介质是无线电波，大气稳定性、同频干扰、拍频差频干扰等，都会使通讯中断，或者出现误码阻碍，所 以必须解决。 解决这些问题的最好方法就是编写通信协议。 nRF401 是一款 FSK 调制无线通讯芯片，有最大 20KBPS 速率通讯带宽，实际上最大值在 19KBPS 左右，最低通讯频率在 500BPS 左右，如果再低，芯片在后期运放低通比较译码时会出现数据逆转，出现误码，正因为这样，发送的数据不允许长的脉冲，也就是速率不能太低。 当从 RX 到 TX 模式时，数据输入脚（ DIN）必须保持为高至少 1ms 才能发送数据。 当从 TX 到 RX 模式时，数据输出脚（ DOUT）要至少 3ms 以后有数据输出。 从待机模式到接收模式， 当 PWR＿ UP 输入设成 1 时，经过 3ms 时间后， DOUT 脚输出数据才有效所示。 从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是 2ms。 无线壁挂炉温控 器设计 (发射端 ) 第 24页（共 59页） 从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中 TXEN 的输入脚必须保持为低，以便于频率合器进入稳定工作状态。 当由上电进入发射模式时， TXEN 必须保持 1ms 以后才可以往 DIN 发送数据。 从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据， DOUT 也不会有有效数据输出，直到电压稳定达到 以上，并且至少保持 5ms。 如果采用外部振荡器，这 个时间可以缩短到 3ms。 下图给出了发送端程序流程图，以便更好的说明无线通信的协议。 图 13 发送端程序流程图 结果分析 第 25 页 （共 59 页） 5 结果分析 DS18B20 和 LCD 液晶显示运行结果分析 在理论上分析，当硬件设计和软件设计正确时，液晶显示器的温度会随 着DS18B20 测量温度的变化而实时变化，通过 proteus 仿真可以分析设计的正确与否。 实际仿真结果如下： （ 1）测量值为 43 C 时的仿真图 1 图 14 仿真图 1 （ 2）测量值为 65 C 时的仿真图 2无线壁挂炉温控 器设计 (发射端 ) 第 26页（共 59页） 图 15 仿真图 2 （ 3）。