基于单片机的无线温度发送和接受系统的设计(编辑修改稿)

基于单片机的无线温度发送和接受系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

近，蓝牙 RF 定义了三种功率等级（ 100mw、 25mw 和 1 mw），当蓝牙设备功率为 1 mw 时 ，其发射范围一般为 10m。 红外线传输是使用红外线波段的电磁波来进行较近距离的传输。 IrDA 具有技术成熟、体积小、功率低、传输速率高、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、保密性强、成本低廉等优点。 也存在着只能视距传输、移动时不能传输、 LED 易磨损等缺点。 随着大规模集成电路技术的发展，世界上主要的芯片厂商都推出了无线收发芯片。 短距离无线通信系统的大部分功能都集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。 所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成 在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界干扰。 射频芯片一般采用 FSK 调制方式，工作于 ISM 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。 新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛 的应用。 考虑系统的经济性、传输距离，确定该部分电路设计使用无线收发芯片。 无线收发芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。 使用该种方案无线通讯接口与数据采集系统接口电路设计简单。 系统控制及数据处理模块方案 温度数据在采集后通常要进行数据处理，以实现测量数据的记录、显示和对测控系统的控制。 对于一般的工业测量与控制，多采用专用计算机系统进行测控。 专用计算机系统是把采集系统作为一个独立完整的功能实体，用单片机或DSP 来控制整个系统。 最主要的特征是系统软、硬件规模完全根据应 用系统的要杭州电子科技大学本科毕业设计 7 求配置，独立性、可扩展性好，因此系统具有较高的性价比。 根据微处理器的不同，专用计算机应用系统可分为 DSP 应用系统和单片机应用系统。 DSP 和单片机都是构成专用计算机系统的核心芯片， DSP 主要用于复杂的数字信号处理， DSP 芯片中具有各种特殊功能的计算模块，采用流水线结构，提高了 DSP 的运行速度。 [13]由于 DSP 主要应用于高速数据处理，因此外部 I/0 接口比较少，不便于系统扩展，因此多数 DSP 系统还要通过单片机来进行外部接口扩展，这导致了 DSP 的成本较高，另外， DSP 具有一定的专用性，开发过程比较复杂 ，不便于通用。 单片机是把微型机的主要部分集中在一个芯片上的单芯片微型计算机。 由于它的结构与指令都按照工业控制要求设计的，故又称微控制器（ Microcontroller Unit），也可称微型计算机（ Single Chip Microputer）。 通常由微型计算机和外围设备组成，包括微处理器（ CPU）、存储器（存放程序指令或数据指令的 ROM、RAM 等）、输入 /输出接口（ I/O）及其它功能部件如定时器 /计数器、中断系统等。 单片机受集成度限制，片内存储容量较小，一般 ROM 只有 4~8K 字节， RAM 小于 256 字节，通过外部扩展， ROM、 RAM 可扩展至 64K 字节。 与通用计算机系统相比，具有系统简单、功能易扩展、测控能力强、可靠性高。 单片机应用系统正在被各个领域广泛应用。 采用单片机具有系统简单、开发容易，功能易扩展、测控能力强、可靠性高的特点。 尤其适用于系统中没有复杂的计算处理、对采集速度要求不高的数据采集处理系统。 对于不要求高速的一般的数据采集与处理系统，采用 DSP 是不经济的方案。 在单片机能够满足系统对数据处理速度要求的情况下，单片机无异是首选的信息处理单元。 器件的选用 数字式温 度传感器的选择 随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。 这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。 在如此众多的产品中选择出合适的器件，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 I/O 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。 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，杭州电子科技大学本科毕业设计 8 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 A/D 转换器。 测温范围为55℃ ~+125℃ ，具有 10 位数字输出温度值，分辨率为 ℃ ，精度为 177。 2 ℃ ，转换时间为 15~30ms。 具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境千扰等优点。 AD7418 可以级联至多 8 片在同一个 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、 △ ∑型 A/D 数转换器，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。 在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。 LM74 具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过 10μA,适用于对功率消耗有严格限制的系统。 LM74 的模数转换器为 12 位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达 ℃ 的分辨率，转换时间为 425ms。 ③ MAX6575L/H 是美国 MAXIM 公司的一种单总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 177。 3 ℃ , 在 85℃ 时优于 177。 ℃ ，在 125℃时优于 177。 5 ℃。 但是 MAX6575L/H 在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。 它最多允许在一根 MCU 的 I/O 总线上同时挂接 8 个 MAX6575L/H 进行多点温度测量。 为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象， MAX6575 提供了 “L”和 “H”两种型号的传感器 ,它们的使用方法相同 ,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。 但是，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，这也是这种器件的一个弊端。 ④ DS18B20 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要的 A/D 转换器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。 DS18B20 的测温范围 55~+125℃ ，最高分辨率可达 ℃ ，由于每一个 DS18B20 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。 [7] Dallas 公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点： ① 适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性； ② 性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好； 杭州电子科技大学本科毕业设计 9 ③ 具有 CRC 校验功能，可靠性高； ④ 软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。 由于 DS18B20 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 I/O 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 DS18B20 做为温度测量的传感器。 无线收发芯片的选择 无线收发芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期、节约成本。 在选择时，应主要参考以下几点： ① 收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码采用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，一般仅能达到标称速率的 1/3，而采 用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。 ② 收发芯片所需的外围元件数量 芯片外围元器件的数量直接关系到系统的复杂程度和成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。 ③ 功耗 大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品． ④ 发射功率 在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。 ⑤ 收发芯片的封装和管脚数 较少的管脚以及较小的封装，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。 常用的无线收发芯片主要有： ① CC1000 是根据 Chipcon 公司的 SmartRF 技术，在 CMOS 工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。 它的工作频带在 31 868 及 915MHz，但 CC1000 很容易通过编程使其工作在 300~1000MHz 范围内。 它具有低电压（ ~），极低的功耗，可编程输出功率（ 20~10dBm），高灵敏度（一般 109dBm），小尺寸（ TSSOP28 封装），集成了位同步器等特点。 其 FSK 数传速率可达 ，具有 250Hz 步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。 ② nRF24E1 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近开发的一种嵌入了高性能单片机内核的高速单片无线收发芯片 [15]。 采用先进的 CMOS 工艺、 6mm6mm 的 36 引脚 QFN 封装；以 nRF2401 芯片结构为基础，将射频、 8051MCU、 9 输杭州电子科技大学本科毕业设计 10 入 12 位 ADC、 125 频道、 UART、 SPI、 PWM、 RTC、 WDT 全部集成到单芯片中；内部有电 压调节器（工作电压 ~）和 VDD 电压监视，通常开关时间小于 200μs，数据速率 1Mbps，输出功率 0dBm；不需要外接 SAW 滤波器，极少的外围电路，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响；工作在全球开放的 频段、勿需申请通信许可证。 ③ nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单芯片 RF 收发机，专为在 433MHz ISM (工业、科研和医疗 ) 频段工作而设计。 该芯片集成了高频发射、高频接收、 PLL 合成、 FSK 调制、 FSK 解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。 nRF401 的外围元件很少，仅 10 个左右。 只包括一个 4MHz 基准晶振 (可与 MCU 共享 )、一个 PLL 环路滤波器和一个 VCO 电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。 ④ nRF903 单片射频收 发器芯片工作在 915MHz 国际通用的 ISM 频段； GMSK/GFSK 调制和解调 , 抗干扰能力强；采用 DDS+PLL 频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达 100dBm , 最大发射功率达 +10dBm；数据速率可达 Kbit/s； 170 个频道 ,适合需要多信道工作的特殊场合；可方便地嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据双向传输，在仪器仪表数据采集系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。 [14] 基于 nRF903 抗干扰能力强、灵敏度高、传输速率快、外围设计简单的优点，本系统将 nRF903 做为无线收发芯片的首选。 显示模块的选择 显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（ LCD）和数码管显示器（ LED）。 数码管显示器耗电量明显高于液晶显示器，而且会耗费单片机大量引脚，造成软件编程的困难。 液晶显示器相比于数码管显示器具有很多优势，最明显的是低功耗，消耗电流一般是 pA 级的。 此外，液晶显示器显示直观，易于软件编程，因此本人选用液晶显示器作为显示模块。 本章小结 本章首先介绍了系统方案的总体构想，然后又介绍了系 统方案的确定，最后介绍了器。