基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文).doc

畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo) 下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的 地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為 獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究 提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表 示了謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī) 定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán) 保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校 可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的 前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 湖湖南南商商學(xué)學(xué)院院本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)誠誠信信聲聲明明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議，除文中已經(jīng)注明 引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成 果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名： 年 月 日 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 內(nèi)容摘要內(nèi)容摘要 由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越寬、所涉及到的測(cè)量信號(hào)和信號(hào)源的類型越 來越多、對(duì)測(cè)量的要求也越來越高，國內(nèi)現(xiàn)在已有很多溫度測(cè)量和采集的系統(tǒng)，但很 多溫度采集系統(tǒng)存在功能單一、采集速率低、穩(wěn)定性不高，操作復(fù)雜，并且對(duì)溫度測(cè) 試環(huán)境要求比較高等等的許多問題。人們需要一種應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高的溫度數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)。 基于單片機(jī)的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由將來自 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器的信號(hào)直接 傳輸給單片機(jī)從機(jī)，單片機(jī)從機(jī)經(jīng)過信號(hào)處并通過 nRF2401 無線模塊發(fā)送給單片機(jī)主 機(jī)，并在主機(jī)上顯示出溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度過高或者過低的報(bào)警功能，溫度超過 50 攝 氏度時(shí)語音報(bào)警說明溫度過高，溫度低于 20 攝氏度時(shí)語音報(bào)警說明溫度過低。該設(shè)計(jì) 具有數(shù)據(jù)處理界面友好、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、顯示直觀、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，可以廣 泛應(yīng)用于智能家居、機(jī)電一體化、儀表、儀器、工農(nóng)業(yè)控制等許多領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 無線；溫度采集；單片機(jī)；報(bào)警 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) ABSTRACT since the wide range of data acquisition system, which involves the measurement signal and the type of signal source more and more, Surveyors are increasingly high requirements of the domestic now have a lot of data acquisition and measurement system But there are many single function systems, collecting less access, low collection rate, complicated operations, and the demands of the test environment and other issuesIt requires abroad scope of application, high reliability and low-cost data acquisition system Based on single-chip wireless temperature data acquisition system from the DS18B20 digital temperature sensor signal is transmitted directly to the microcontroller slave microcontroller slave signal processing and temperature nRF2401 wireless module is sent to the microcontroller host and displayed on the host, while temperature is too high or too low alarm function. The design has a powerful data processing, display and intuitive, friendly interface, cost-effective, wide range of applications can be widely used in many areas of industrial control, instrumentation, instrumentation, mechanical and electrical integration, and smart home. KEY WORDS Wireless；Temperature Acquisition ；Microcontroller ；Alerting 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 目目 錄錄 1 緒論.1 1.1 設(shè)計(jì)目的1 1.2 課題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1 1.2.1 課題的研究現(xiàn)狀.1 1.2.2 發(fā)展趨勢(shì).3 2 總體方案設(shè)計(jì).4 2.1 系統(tǒng)方案比較與選擇4 2.1.1 控制器模塊比較與論證.4 2.1.2 溫度傳感器模塊比較與論證.5 2.1.3 無線模塊的比較與論證.5 2.1.4 鍵盤顯示模塊的比較與論證.6 2.1.5 電源模塊比較與論證.6 2.2 系統(tǒng)最終方案7 2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)8 3 硬件電路的設(shè)計(jì)10 3.1 主控模塊的電路設(shè)計(jì)10 3.1.1 SPCE061A 簡(jiǎn)介.10 3.1.2 SPCE061A 性能.10 3.1.3 結(jié)構(gòu)概覽.11 3.1.4 芯片的引腳排列和說明.11 3.1.5 凌陽開發(fā)板電路.13 3.2 電源電路14 3.2.1 外部穩(wěn)壓電路.14 3.2.2 凌陽單片機(jī)板穩(wěn)壓電路.15 3.2.3 12v 防爆聚合物鋰離子蓄電池15 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3.2.3 電源自動(dòng)切換電路.15 3.3 溫度采集電路16 3.3.1 DS18B20 簡(jiǎn)介16 3.3.2 DS18B20 的 4 個(gè)主要數(shù)據(jù)部件17 3.3.3 DS18B20 的高速緩存存儲(chǔ)器18 3.3.4 電路設(shè)計(jì).18 3.4 無線模塊電路18 3.4.1 nRF2401A 無線模塊基本特性與參數(shù)指標(biāo)18 3.4.2 nRF2401A 無線模塊功能簡(jiǎn)介18 3.4.3 nRF2401A 無線模塊結(jié)構(gòu)示意圖19 3.4.4 nRF2401A 及其外圍電路.19 3.4.5 nRF2401A 電源指示電路.20 3.4.6 nRF2401A 接口電路.20 3.5 鍵盤顯示電路21 3.5.1 LED 顯示器件的工作原理21 3.5.2 HD7279A 鍵盤顯示電路設(shè)計(jì).23 3.5.3 HD7279A 芯片簡(jiǎn)介.23 3.5.4 HD7279A 特點(diǎn).23 3.5.5 HD7279A 引腳及說明.24 4 軟件設(shè)計(jì)24 4.1 主控制程序設(shè)計(jì)25 4.2 無線模塊NRF2401 程序設(shè)計(jì).26 4.3 HD7279 程序設(shè)計(jì).26 4.4 DS18B20 溫度采集模塊程序設(shè)計(jì).27 5 調(diào)試及結(jié)果.27 5.1 測(cè)試環(huán)境及工具27 5.2 測(cè)試方法27 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5.3 測(cè)試結(jié)果及分析28 5.4 誤差分析28 5.4.1 DS18B20 的誤差28 5.4.2 溫度計(jì)測(cè)量誤差.28 5.5 偏差分析29 6 總結(jié).29 參考文獻(xiàn)：.30 致 謝32 附錄 1： 61 板原理圖.34 附錄 2： 主機(jī)部分主程序.35 附錄 3： 從機(jī)部分主程序.35 附錄 4： 無線模塊 NRF2401A 程序37 附錄 5： 無線模塊 NRF2401A 通信協(xié)議程序.46 附錄 6： HD7279 凌陽驅(qū)動(dòng)程序.47 附錄 7： DS18B20 溫度采集模塊程序.53 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 56 頁 基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 設(shè)計(jì)目的 利用單片機(jī)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、溫度測(cè)量技術(shù)等知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)基于凌陽單片機(jī)控 制的無線溫度采集系統(tǒng)，以 DS18B20 為傳感器，檢測(cè)比較精確的溫度信號(hào)，并通過無 線傳輸模塊將一個(gè)點(diǎn)的溫度信號(hào)傳到另一個(gè)地方。其涉及的知識(shí)面較廣，它涵蓋了電 子、機(jī)械、軟件學(xué)等領(lǐng)域。通過本次設(shè)計(jì)掌握一般自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件（如 C 語言、 匯編語言） ，單片機(jī)以及其他芯片和模塊（如 SPCE061A、DS18B20、nRF2401、HD7279）的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法，能提高對(duì)系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的總體試和整體把握能力，熟悉系統(tǒng)的開發(fā)安裝調(diào)試過程，給大學(xué)畫上一個(gè)句號(hào)。 1.2 課題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 課題的研究現(xiàn)狀 21 世紀(jì)的今天，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步同時(shí)也帶動(dòng)了測(cè)量技 術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代測(cè)控設(shè)備不同于以前，它們?cè)谛阅芎徒Y(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我 們已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的信息時(shí)代，測(cè)量技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)的主流，廣泛地深入到應(yīng)用 工程的各個(gè)領(lǐng)域。 溫度是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見以及最基本的參考數(shù)據(jù)之一，在生產(chǎn)過程中常需要 對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制，采用微型計(jì)算機(jī)機(jī)進(jìn)行溫度檢測(cè)、信息存儲(chǔ)、數(shù)字顯示及實(shí) 時(shí)自動(dòng)控制，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及節(jié)約能源等都具有特別重要的作用。 伴隨農(nóng)業(yè)科技和工業(yè)科技的飛速發(fā)展，溫度測(cè)量的需求越來越多，也越來越重要。但 是在一些特定的環(huán)境下溫度監(jiān)測(cè)范圍大,待測(cè)點(diǎn)距離遠(yuǎn),布線非常不方便。這時(shí)就要采用 無線的方式對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。 當(dāng)今無線通信存在于我們?nèi)祟惿畹姆椒矫婷妗６叹嚯x通信的有藍(lán)牙、紅外線等。 遠(yuǎn)距離通信的有 GPS，手機(jī)等等。二十一世紀(jì)是無線通信應(yīng)用高速發(fā)展的時(shí)代，手機(jī)， GPS 導(dǎo)航儀現(xiàn)在尤其火熱，幾乎每人都有手機(jī)，大部分車輛都安裝了 GPS 導(dǎo)航儀。但 是無線溫度測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展非常緩慢。這是由于電子元器件在溫度過高或者過低的時(shí)候 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 56 頁 無法工作。但是在常規(guī)的溫度測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，比如說糧食倉庫環(huán)境或者工業(yè)化 學(xué)反應(yīng)的溫度測(cè)量等等，無線溫度測(cè)量系統(tǒng)還是能夠滿足測(cè)量的需求的。 就無線溫度測(cè)量系統(tǒng)來說，我們僅僅需要在待測(cè)點(diǎn)放置一個(gè)傳感器和一個(gè)能處理 傳感器數(shù)據(jù)的單片機(jī)與能發(fā)送數(shù)據(jù)的無線模塊。此時(shí)，主機(jī)外圍含有的鍵盤顯示模塊 可以起到人為控制的作用，同時(shí)可以方便直觀的觀察到溫度數(shù)據(jù)，人在此時(shí)可以針對(duì) 性地作出一些反應(yīng)。無線模塊的使用即節(jié)約了系統(tǒng)的成本，又減少了工作量，同時(shí)使 用更加長久，因?yàn)榫€路在一定環(huán)境下容易腐蝕和損壞，我們?cè)诩依镆矔?huì)常常出現(xiàn)電線 被老鼠咬壞的情況，基于更加安全和穩(wěn)定的考慮，在使用的趨勢(shì)上會(huì)越來越趨向于使 用無線模塊，不僅僅是溫度測(cè)量系統(tǒng)，其他的更多的系統(tǒng)會(huì)更多地應(yīng)用到無線，無線 是未來的一個(gè)整體趨勢(shì)。 無線溫度采集系統(tǒng)可被廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量或相應(yīng)的可轉(zhuǎn)換為溫度量或供電故障 監(jiān)控的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、服務(wù)業(yè)、安全監(jiān)控等工程中，例如：城市路燈故障檢測(cè)和 供電線路防盜監(jiān)視、環(huán)保工程、大型倉庫溫度檢測(cè)、城市居民小區(qū)供熱檢測(cè)、大型倉 庫溫度檢測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)測(cè)控、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫度測(cè)控、環(huán)保工程、故障監(jiān)控工程等?？紤] 到許多工農(nóng)業(yè)環(huán)境中對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)控，一般需要測(cè)量幾十個(gè)點(diǎn)以上。本文設(shè)計(jì)多 點(diǎn)無線溫度采集系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)是以凌陽公司的 SPCE061A 單片機(jī)作為控制核心，以 DS18B20 為采集終端 的溫度采集與控制系統(tǒng)。設(shè)定與鍵盤和顯示部分相連的單片機(jī)為主機(jī)，每個(gè)溫度傳感 器對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的單片機(jī)，設(shè)為從機(jī)。主機(jī)與從機(jī)之間通過無線模塊建立通信?？刂?器通過溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)各節(jié)點(diǎn)的溫度變化，并在 LED 上顯示各點(diǎn)溫度的變化，并 實(shí)現(xiàn)溫度超過限定值報(bào)警的功能。 因?yàn)閷?duì)環(huán)境進(jìn)行溫度檢測(cè)、數(shù)字顯示、及實(shí)時(shí)控制，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì) 量、節(jié)約能源等都有重要的作用，并且溫度參數(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的十分重要，所以溫度測(cè) 量系統(tǒng)的精確度和智能化一直受到企業(yè)的重視。所以學(xué)習(xí)并研究溫度測(cè)量及相關(guān)知識(shí) 可做為一個(gè)較為實(shí)用的課題的方向，能獲得較實(shí)用的知識(shí)和方法。因此溫度測(cè)控技術(shù) 是一個(gè)很實(shí)用、也很重要的技術(shù)，值得去研究掌握。它應(yīng)用的領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛，可以 應(yīng)用到消防電氣的非破壞性溫度檢測(cè)，電力、電訊設(shè)備的過熱故障預(yù)知檢測(cè)，空調(diào)系 統(tǒng)的溫度檢測(cè)，各類運(yùn)輸工具之組件的過熱檢測(cè)，保全與監(jiān)視系統(tǒng)之應(yīng)用，醫(yī)療與健 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 56 頁 診的溫度測(cè)試，化工、機(jī)械等設(shè)備溫度過熱檢測(cè)。因此前景是相當(dāng)?shù)目捎^。 1.2.2 發(fā)展趨勢(shì) 溫度是一個(gè)十分重要的物理量，因?yàn)樗苯佑绊懞婵尽⑷紵?、煅燒、蒸餾、結(jié)晶、 空氣流動(dòng)、溫度漂移等各種化學(xué)過程和物理過程。溫度控制失誤就可能引起產(chǎn)品產(chǎn)量 低下，產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)甚至導(dǎo)致生產(chǎn)安全以及威脅人們生活安全等一系列問題。從而 溫度的檢測(cè)是必不可少的一個(gè)課題，而如何讓它在社會(huì)生活中發(fā)展得越來越完善，為 人們的生產(chǎn)生活帶來更多更大的方便就需要我們當(dāng)代青年來不斷的探求和摸索。 溫度采集控制系統(tǒng)在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活領(lǐng)域中，得到了廣泛 應(yīng)用。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時(shí)候都需要對(duì)溫度進(jìn)行非常嚴(yán)格的檢測(cè)和控制，以 使得生產(chǎn)能夠順利的進(jìn)行，讓產(chǎn)品的質(zhì)量得到充分的保證。使用無線溫度采集系統(tǒng)可 以對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的溫度進(jìn)行及時(shí)而方便的察覺，從而做出反應(yīng)。實(shí)際生活生產(chǎn)當(dāng)中，人 們經(jīng)常將此設(shè)計(jì)應(yīng)用在智能控制中，從而保證生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化能夠順利而安全 進(jìn)行，從而提高生產(chǎn)效率。 在過去的一段時(shí)間，觸摸開關(guān)風(fēng)靡一時(shí)。觸摸開關(guān)正是通過溫度信號(hào)的檢測(cè)來控 制開關(guān)的狀態(tài)。只是一般的居民地區(qū)沒有必要用到無線傳輸，這樣也不劃算。但是在 工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還是特別多的，而且越來越先進(jìn)，功能越來越強(qiáng)大，測(cè)溫范圍也越來 越大，最重要的是大都趨向于無人全自動(dòng)機(jī)械化，大大節(jié)約了人力成本，而且安全性 與保證性也更大了。 現(xiàn)在推出了新型環(huán)保家居的設(shè)想，雖然在社會(huì)上并沒有完全普及，但是這個(gè)想法 將會(huì)是人們未來生活的預(yù)景。全智能的環(huán)保家居系統(tǒng)當(dāng)中也很大程度上需要溫度檢測(cè) 系統(tǒng)來完成部分功能，然后對(duì)溫度數(shù)據(jù)做出反應(yīng)，比如說智能打開窗戶或者空調(diào)，當(dāng) 沒有人在系統(tǒng)中出現(xiàn)的關(guān)閉所有應(yīng)該關(guān)閉的電源來節(jié)約能源，以達(dá)到環(huán)保的效果。 總之溫度是與我們?nèi)祟惿罡鱾€(gè)方面密切相關(guān)的一個(gè)方面，本設(shè)計(jì)方案旨在用合 適的方法更加精準(zhǔn)地采集溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)無線傳輸。突出在無線這一方面。所以此 設(shè)計(jì)的應(yīng)用面十分廣，應(yīng)用前景也是無可計(jì)量的。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 56 頁 2 總體方案設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)系統(tǒng)有許多共同的特點(diǎn)：環(huán)境復(fù)雜、測(cè)量點(diǎn)多、布線分散、現(xiàn)場(chǎng)離監(jiān)控 地點(diǎn)很遠(yuǎn)等等。如果使用一般溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，就必須設(shè)計(jì)信號(hào) A/D 轉(zhuǎn)換電 路、調(diào)理電路以及對(duì)應(yīng)的接口電路，才能將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 再將數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)去處理。這樣，由于外圍電路過多會(huì)使整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性 不高，系統(tǒng)收集最終數(shù)據(jù)偏差較大；又由于檢測(cè)環(huán)境的復(fù)雜、測(cè)量點(diǎn)又多、信號(hào)傳輸 距離較遠(yuǎn)及各種其他干擾的影響，隨著時(shí)間的推移，檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性逐日 下降 。所以溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于下面三部分：主控單元的設(shè)計(jì)和溫度傳感 器的選擇以及無線模塊的選擇。 2.1 系統(tǒng)方案比較與選擇 為了更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性與高性價(jià)比，我針對(duì)以上這些模塊分別提出幾種方 案以供選擇。 2.1.1 控制器模塊比較與論證 單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制核心，其性能的優(yōu)劣將從根本上影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。針 對(duì)本系統(tǒng)，特提出以下二種方案以供選擇 方案一：采用 AT89S52 八位單片機(jī)。AT89S52 單片機(jī)的軟件編程自由度比較大， 可通過編程實(shí)現(xiàn)各種算法以及邏輯控制。并且體積較小，引腳不多，方便安裝使用。 可以單獨(dú)對(duì)數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行控制，另外 AT89S52 在工農(nóng)業(yè)控制上也有 著比較廣泛的應(yīng)用，編程技術(shù)和外圍電路的配合使用都相當(dāng)成熟。但是使用 51 或者 52 單片機(jī)該系統(tǒng)的外圍電路較多，實(shí)際操作比較麻煩，一次只能處理八位數(shù)據(jù)，計(jì)算比 較繁瑣。 方案二：使用 SPCE061A 凌陽 16 位單片機(jī)。SPCE061A 是凌陽科技經(jīng)典的一款 16 位的具有語音處理結(jié)構(gòu)的微控制器。SPCE061A 采用 SOC 架構(gòu)，其內(nèi)核是凌陽科技公 司自主研究開發(fā)的 nSP 架構(gòu)內(nèi)核，該芯片自帶硬件乘法器，可以實(shí)現(xiàn)乘法，內(nèi)積等 各種復(fù)雜的運(yùn)算。它運(yùn)算能力強(qiáng)，處理速度快，單周期最高能達(dá)到 49MHz 內(nèi)置的專用 MIC 接口和雙路 10bitDAC，使得它非常適合開發(fā)語音電子產(chǎn)品。凌陽單片機(jī) SPCE061A 內(nèi)嵌 32k 字 Flash 程序存儲(chǔ)器和 2 路 16 位定時(shí)器、8 通道 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 56 頁 10bitADC、UART 接口、2K 的 SRAM、看門狗、電壓檢測(cè)以及時(shí)基輸出等模塊。豐富 的外部資源和優(yōu)秀的檢測(cè)機(jī)制使芯片性能穩(wěn)定、功能豐富，可作為通用的微控制器， 廣泛而深入地應(yīng)用于智能家電、工業(yè)控制、家居安防等多領(lǐng)域。在溫度數(shù)據(jù)采集上， 利用 IO 口連接數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 的數(shù)據(jù)引腳，顯示上用 HD7279 控制鍵盤和 顯示，單片機(jī)控制喇叭可實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警。 2.1.2 溫度傳感器模塊比較與論證 溫度傳感器用來進(jìn)行溫度采集，我們把采集到的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)上，單片機(jī)處理后 把數(shù)據(jù)通過一個(gè)無線模塊發(fā)送到另一個(gè)無線模塊。所以在這個(gè)系統(tǒng)中溫度傳感器的作 用是至關(guān)重要的。我們需要做到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確，并且能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。有以下 幾個(gè)方案可以供選擇： 方案一：采用熱敏電阻，可滿足 40 攝氏度至 90 攝氏度測(cè)量范圍，但熱敏電阻精度、 重復(fù)性、可靠性較差，對(duì)于檢測(cè) 1 攝氏度的信號(hào)是不適用的。 方案二：采用單片模擬量的溫度傳感器，比如 AD590,LM35 等。但這些芯片輸出 的都是模擬信號(hào)，必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才能送給單片機(jī)，這樣就使得測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu) 較復(fù)雜。另外，這種測(cè)溫裝置的一根線上只能掛一個(gè)傳感器，不能進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。即 使能實(shí)現(xiàn)，也要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。 方案三：采用 DS18B20 來測(cè)量待測(cè)電的溫度，數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 輸出的信 號(hào)全數(shù)字化。方便單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)的很多外圍電路。且該芯 片的物理化學(xué)性都很穩(wěn)定，它能作為工業(yè)測(cè)溫元件。此元件線性度好，在 0到 100 時(shí)，最大線形偏差小于 1。DS18B20 的最大特點(diǎn)是單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度 計(jì) DS18B20 和微控制器 SPCE061A 構(gòu)成的溫度采集系統(tǒng)，它可以直接輸出溫度的數(shù)字 信號(hào)，而且直接顯示在數(shù)碼管上。因此該溫度采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單，體積也較 小。 2.1.3 無線模塊的比較與論證 無線傳輸模塊主要是用于主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)先發(fā)送信號(hào)給從機(jī)， 從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的信號(hào)后給主機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。 方案一：采用紅外收發(fā)芯片 NB9148、NB9149。NB9148 是通用紅外遙控發(fā)射器集 成芯片，該器件與 NB9149 配合使用可完成 10 個(gè)功能控制。NB9148 采用 CMOS 工藝 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 56 頁 制造，功耗極低，工作電壓可在 2.5-5.5V 之間變化，NB9148 的集成度高，工作時(shí)所需 外圍元件少，其振蕩電路只需外接 LC 或陶瓷震蕩器即可起振，并支持多鍵組合。此外 NB9148 的位碼可與其他模式相兼容。 方案二：采用 nRF2401 無線模塊。無線芯片 nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，工作 于 2.42.5GHz ISM 頻段，芯片內(nèi)嵌晶體振蕩器、地址解碼器、時(shí)鐘處理器、調(diào)制器、 低噪聲放大器、GFSK 濾波器、功率放大器和頻率合成器等功能模塊，通信頻道和輸 出功率可通過程序進(jìn)行調(diào)配。芯片能耗相當(dāng)?shù)?，?5dBm 的功率發(fā)射的時(shí)侯，工作的 電流只有 10.5mA，接收的時(shí)侯工作電流只有 18mA。該無線模塊有多種低功率工作模 式，設(shè)計(jì)節(jié)能而且使用更為方便。無線芯片 nRF2401 內(nèi)置了相當(dāng)多的功能模塊，外圍 電路需要得很少，因此使用起來相當(dāng)方便。 2.1.4 鍵盤顯示模塊的比較與論證 鍵盤和顯示是整個(gè)系統(tǒng)人機(jī)交互的橋梁。選擇好的鍵盤顯示模塊能夠更簡(jiǎn)單、更 方便、更直觀的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。 方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制鍵盤、液晶顯示屏（LCD）顯示溫度數(shù)據(jù)。液晶顯示屏 （LCD）具有顯示清晰、輕薄短小、無輻射危險(xiǎn)、低耗電量，影像穩(wěn)定不閃爍以及平 面直角顯示等優(yōu)點(diǎn)，可視面積較大，畫面效果較好，分辨率較高，抗干擾能力較強(qiáng)等 特點(diǎn)。但由于只顯示溫度數(shù)據(jù)，信息量比較少，但是液晶工作量較大，控制器的資源 占用較多，使得系統(tǒng)效率變低，而且使用液晶顯示器的成本偏高。 方案二：使用單片機(jī)控制鍵盤和傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有：低能耗、低損 耗、低壓，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度比較高，稱量快，精確可靠， 操作簡(jiǎn)單。數(shù)碼管是采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，編程容易，資源占用較少。 方案三： HD7279A 控制鍵盤與 LED 顯示。HD7279A 是一個(gè)具有串行接口的智能 顯示與鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片。它可以同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰數(shù)碼管，還能同時(shí)連接多達(dá) 64 鍵的鍵 盤矩陣，單片就可完成 LED 數(shù)據(jù)顯示和鍵盤驅(qū)動(dòng)的全部功能。HD7279A 內(nèi)置譯碼器， 可直接接受 BCD 碼以及 16 進(jìn)制碼，并同時(shí)具備 2 種譯碼方式，此外還它還具有多種 控制指令 ，如左移、右移、消隱、段尋址和閃爍等。HD7279A 具有片選信號(hào)，可非 常方便地實(shí)現(xiàn)多位 LED 顯示和鍵盤驅(qū)動(dòng)。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 56 頁 2.1.5 電源模塊比較與論證 方案一：采用穩(wěn)壓源提供正負(fù) 5V 的電壓。穩(wěn)壓源可以提供多種不同的電壓，為單 片機(jī)、信號(hào)處理電路供電。 方案二：采用 4 節(jié)五號(hào)電池串聯(lián)給整個(gè)系統(tǒng)供電。但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)電池為直 流電機(jī)供電時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓不夠，性能不穩(wěn)定。 方案三：采用 12V 蓄電池變壓后為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以 及穩(wěn)定的電壓輸出性能，并且移動(dòng)方便，成本低。采用此種供電方式后，單片機(jī)和各 部分電路工作穩(wěn)定，易于安裝，能夠滿足系統(tǒng)的要求。 方案四：采用穩(wěn)壓電源 12V 經(jīng)過濾波穩(wěn)壓為 5V 后給系統(tǒng)供電，同時(shí)使用 12V 蓄 電池變壓為 5V 后為系統(tǒng)提供備用電源。 2.2 系統(tǒng)最終方案 經(jīng)過反復(fù)比較與論證，最終確定了如下方案： （1） 采用單凌陽單片機(jī) SPCE061A 作為控制核心； 由于系統(tǒng)要求精度高且性價(jià)比高，經(jīng)綜合考慮后選用凌陽 16 位單片機(jī) SPCE061A 實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)。凌陽 SPCE061A 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由空間大， 可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低，體積小，技術(shù)成熟和成 本低的優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相比之下 51 單片機(jī)就遜色很多，51 單片機(jī)不 僅內(nèi)部資源很少，而且它的內(nèi)部寄存器只能處理 8 位數(shù)據(jù)，所以具有很大的局限性和 不穩(wěn)定性。且在學(xué)校有凌陽開發(fā)板可供使用，大大方便了我的設(shè)計(jì)。 （2） 采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來采集溫度數(shù)據(jù)； 采用溫度溫度傳感器 DS18B20 測(cè)量溫度，體現(xiàn)了系統(tǒng)芯片化這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。部分 外圍電路的集成，使總體電路更加簡(jiǎn)潔，搭建電路以及焊接電路時(shí)更加方便快捷。集 成塊能有效的避免外界干擾，提高系統(tǒng)的精確度，所以集成芯片的普及使用時(shí)電路發(fā) 展的一種趨勢(shì)。本方案應(yīng)用這一數(shù)字溫度芯片 DS18B20，也是順應(yīng)系統(tǒng)芯片化的趨勢(shì)。 （3） 采用與凌陽配套的低功耗芯片 nRF2401 做無線傳輸； 采用與凌陽單片機(jī)配套的nRF2401 模塊來搭建系統(tǒng)，使用起來更加方便，各方面性能 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 56 頁 都比較優(yōu)秀。而主機(jī)和從機(jī)之間進(jìn)行無線通信時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)目煽啃约霸骷牡凸?耗非常重要，所以無線傳輸模塊采用方案二。 （4） 采用 HD7279 鍵盤顯示芯片控制鍵盤和 LED 顯示； 由于控制器模塊選擇的是 16 位的凌陽單片機(jī)，所以選擇方案三可以使系統(tǒng)更加穩(wěn) 定，并且選擇方案三線路跟外圍電路都比較少，所以減少了線路出錯(cuò)的的幾率。使系 統(tǒng)的可靠性增加。 （5） 采用 5V 的穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電，同時(shí)使用 12V 電池來作為備用電源，即 選擇方案四。采用方案四可以在保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定的同時(shí)，保障系統(tǒng)在停電或者斷電 以及其他突發(fā)情況下能照常運(yùn)行，從可行性上來考慮，應(yīng)選擇方案四。 2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件分為兩個(gè)分開的部分，在測(cè)溫點(diǎn)放置的是從機(jī)，用于檢測(cè)溫度并傳輸 數(shù)據(jù)。主機(jī)放置在離人近或者方便看見的地方，用于接收數(shù)據(jù)并顯示溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn) 不在限溫范圍內(nèi)報(bào)警的功能（超過 50即報(bào)警還有低于 20即報(bào)警） 。系統(tǒng)采用凌陽 單片機(jī)為處理控制器，主機(jī)從機(jī)都有各自的控制器。由于凌陽單片機(jī)自帶報(bào)警電路， 所以只需接一個(gè)喇叭就可以直線報(bào)警的功能，在圖中就沒有畫出來。nRF2401 無線模 塊是在可以直接應(yīng)用到凌陽單片機(jī)上的應(yīng)用模塊，使用方便，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收功能 的半雙工無線模塊。鍵盤顯示電路都是由 HD7279 和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。溫度傳感器 DS18B20 來實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的獲取，并直接傳輸給從機(jī)單片機(jī)。本系統(tǒng)采用單凌陽單片 機(jī)，完全滿足系統(tǒng)需求，充分利用了各項(xiàng)資源，使得本設(shè)計(jì)更趨向智能化，人性化。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 56 頁 圖 2.1 主機(jī)硬件組成框圖 圖 2.2 從機(jī)硬件組成框圖 系統(tǒng)主控模塊的主機(jī)電路方框圖如圖 3.1 所示，凌陽單片機(jī)控制無線模塊接收和發(fā) 送信號(hào)的半雙工狀態(tài)，主機(jī)接收從機(jī)從溫度傳感器 DS18B20 傳來的溫度信號(hào)，控制鍵 盤顯示模塊。無線模塊之間的最大無障礙距離約 50m 最大有障礙距離約 20m。 無線 模塊 IOB0 IOB7 IOB15 凌 陽 單 片 機(jī) 2 溫度傳感器 模塊 最大無障礙 距離約 50m 最大有障礙 距離約 20m 鍵盤顯 示模塊 無線 模塊 IOA12 IOA15 IOB0 IOB7 凌 陽 單 片 機(jī) 1 圖 2.3 系統(tǒng)總電路框圖 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 56 頁 3 硬件電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的硬件電路包括主控模塊和其他外圍電路，外圍電路又包括：穩(wěn)壓電路、 溫度采集電路、鍵盤顯示電路等，下面將依次對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行說明。 3.1 主控模塊的電路設(shè)計(jì) 3.1.1 SPCE061A 簡(jiǎn)介 SPCE061A 是繼 nSP 系列產(chǎn)品 SPCE500A 等之后凌陽科技推出的一款 16 位結(jié)構(gòu)微型控制器。與 凌陽 SPCE500A 不同之處在于，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用 戶較少資源需求同時(shí)方便程序調(diào)試等功能，凌陽 SPCE061A 里內(nèi)嵌 32K 字的閃存， 它的比較高的處理速度使 nSP 能夠非?？焖俣菀椎靥幚硐鄬?duì)復(fù)雜的各種數(shù)字信 號(hào)。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 56 頁 3.1.2 SPCE061A 性能 表 3.1 SPCE061A 的特性參數(shù) 3.1.3 結(jié)構(gòu)概覽 SPCE061A 的結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示： 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 56 頁 圖 3.1 SPCE061A 的結(jié)構(gòu)圖 3.1.4 芯片的引腳排列和說明 SPCE061A 有兩種封裝片，一種為 84 個(gè)引腳，PLCC84 封裝形式；它的排列如圖 3.2 所示；另一種為 80 個(gè)引腳，LQFP80 封裝。它的排列如圖所示。 圖 3.2 SPCE061 封裝引腳排列圖 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 56 頁 表 3.2 芯片的引腳說明 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 56 頁 3.1.5 凌陽開發(fā)板電路 凌陽最小系統(tǒng)電路包括電源電路，晶振電路，倍頻電路，濾波電路，復(fù)位電路。 如下圖所示： 圖 3.3 凌陽小系統(tǒng)電路圖 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 56 頁 凌陽開發(fā)板的外圍電路有 A/D 電路,D/A 電路，下載電路,I/O 口，鍵盤電路等，如 圖 3.4 所示。 圖 3.4 凌陽板總外圍電路圖 3.2 電源電路 從穩(wěn)壓電源接出 12V 的電壓，經(jīng)過外部穩(wěn)壓電路，得到 5V 的穩(wěn)定電壓，可為傳 感器或者鍵盤顯示模塊供電。5V 的穩(wěn)定電壓經(jīng)過凌陽單片機(jī)自帶的穩(wěn)壓電路后，得到 3.3V 的穩(wěn)定電壓，給單片機(jī)供電。同時(shí) 12V 的電池電源接上一個(gè)二極管，再通過穩(wěn)壓 模塊后作為系統(tǒng)備用電源。 3.2.1 外部穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路原理如圖 3.5 所示。電源 12V 電壓輸入，經(jīng)過濾波穩(wěn)壓電路后輸出穩(wěn)定 的 5V 給單片機(jī)供電。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 56 頁 圖 3.5 穩(wěn)壓電路原理圖 3.2.2 凌陽單片機(jī)板穩(wěn)壓電路 凌陽單片機(jī) SPCE061A 內(nèi)部自帶穩(wěn)壓電路，如圖 3.6 所示。5V 輸入，3.3V 輸出。 圖 3.6 凌陽單片機(jī)板穩(wěn)壓電路圖 3.2.3 12V 防爆聚合物鋰離子蓄電池 輸入電壓：12.6VDC 輸出電壓：12.6-10.8VDC 電池容量：3000 mAh 輸出插頭參數(shù)：公頭，DC 外徑 5.5mm ， 內(nèi)徑 2.1mm 體積大約：100*60*19 mm 充電器 上面標(biāo) 1A 電流，實(shí)測(cè) 700mA 充電電流，輸出電壓 12.6V 3.2.3 電源自動(dòng)切換電路 將穩(wěn)壓電源跟串聯(lián)了二極管的電池一起并聯(lián)接入，作為總的電源電路。系統(tǒng)在正 常情況下是使用外部的穩(wěn)壓電源，但是當(dāng)外部的穩(wěn)壓電源出現(xiàn)狀況，比如說電源損壞， 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 56 頁 斷電等等，這時(shí)跟電池串聯(lián)的二極管就導(dǎo)通了，此時(shí)由電池供電。這樣的模式有效的 避免了突發(fā)情況而導(dǎo)致應(yīng)用的失敗。也讓整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，使用長久。 3.3 溫度采集電路 3.3.1 DS18B20 簡(jiǎn)介 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 是 Dallas 公司生產(chǎn)的一線式溫度傳感器，測(cè)溫分辨率可 達(dá) 0.0625，被測(cè)溫度用帶符號(hào)擴(kuò)展的 16 位二進(jìn)制數(shù)字量方式串行輸出。測(cè)量溫度范 圍為 -55+125，在-10+85范圍內(nèi)，其精度為0.5。單片機(jī)只需一根端口 線就能與 DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和其他邏輯電 路。DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如磁鐵吸附式， 螺紋式，不銹鋼封裝式，管道式，型號(hào)多種多樣，有 LTM8874，LTM8877 等等。主要 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同來改變其外觀。封裝后的 DS18B20 可用于農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，機(jī)房測(cè) 溫，鍋爐測(cè)溫，電纜溝測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，彈藥庫測(cè)溫等各種非極 限溫度的場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間 設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.7 所示。 圖 3.7 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3.3.2 DS18B20 的 4 個(gè)主要數(shù)據(jù)部件 A、 64 位激光 ROM。64 位激光 ROM 從高位到低位依次為 8 位 CRC、48 位序列 號(hào)和 8 位家族代碼(28H)組成。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 56 頁 B、 溫度靈敏元器件。 表 3.3 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)表 溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示 +125 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55 00000111 11010000 00000001 10010001 00000000 10100010 00000000 00001000 00000000 00000000 11111111 11111000 11111111 01011110 11111110 01101111 11111100 10010000 07D0H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FE6FH FC90H C、 非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL。可以通過軟件寫入用戶報(bào)警上限值和 下限值。 D、 配置寄存器。配置寄存器是高速暫存存儲(chǔ)器中第五個(gè)字節(jié)。其中 R0、R1 是 溫度計(jì)分辨率設(shè)置位，其對(duì)應(yīng)四種分辨率如表 3.2 所列， R0、R1 置是缺省值， R0=1，R1=1（即 12 位分辨率） ，可根據(jù)需要改寫配置寄存器來獲得合適的分辨率。 表 3.4 分辨率關(guān)系表 R0R1分辨率/bit最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/us 00993.75 0110187.5 1011375 1112750 3.3.3 DS18B20 的高速緩存存儲(chǔ)器 高速緩存存儲(chǔ)器由 9 個(gè)字節(jié)組成，其分配如表 3.5 所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)出后， 溫度值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的補(bǔ)碼形式，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第 0 和 第 1 個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀去到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)先低位，后高位。當(dāng)符號(hào) 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 56 頁 位 S=0 時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng) S=1 時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再轉(zhuǎn)換成 十進(jìn)制值。 表 3.5 DS18B20 存儲(chǔ)器 溫度 LSB 溫度 MSB THTL保留保留計(jì)數(shù)寄存器計(jì)數(shù)寄存器8 位 CRC 3.3.4 電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)為多點(diǎn)溫度測(cè)試。DS18B20 采用外部供電方式，單片機(jī)的多個(gè) I/O 來驅(qū)動(dòng) DS18B20。使用一個(gè)上拉電阻將 I/O 口線直接和電源相連。電路如圖 3.8 圖 3.8 溫度傳感器 DS18B20 原理圖 3.4 無線模塊電路 無線傳輸模組以nRF2401A芯片為核心，提供了一路的無線發(fā)射和兩路的無線接收 功能，該模組通一個(gè)10Pin接口直接插接到61板上，方便使用。 3.4.1 nRF2401A 無線模塊基本特性與參數(shù)指標(biāo) 工作電壓：3.3V 模塊尺寸：27mm*31mm 3.4.2 nRF2401A 無線模塊功能簡(jiǎn)介 可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收 可以開發(fā)無線的電子產(chǎn)品：如無線遙控器、無線麥克、無線耳機(jī)、無線的文件 傳輸系統(tǒng)等 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 共 56 頁 3.4.3 nRF2401A 無線模塊結(jié)構(gòu)示意圖 圖 3.9 無線傳輸模組結(jié)構(gòu)示意圖 3.4.4 nRF2401A 及其外圍電路 nRF2401A 及其外圍電路如圖 3.10 所示 ，包括 nRF2401A 芯片部分、晶振部分、 晶振部分、天線部分和穩(wěn)壓部分。電壓 VDD 經(jīng)過電容 C1、C2、C3 濾波處理后為芯片 提供工作電壓；晶振部分包括 C9、C10 和 Y1，晶振 Y1 允許值為：4 MHz 、8 MHz 、12 MHz 和 16 MHz，當(dāng)需 1 Mbps 的通信速率時(shí)必須選擇 16 MHz 的晶振。天線部 分包含電感 L1 和 L2，用來將 nRF2401A 芯片 ANT1 和 ANT2 管腳產(chǎn)生的 2.4G 電平 信號(hào)轉(zhuǎn)為電磁波信號(hào)，或?qū)㈦姶挪ㄐ盘?hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)輸入芯片的 ANT1 及 ANT2 管 腳。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 56 頁 圖 3.10 nRF2401A 及其外圍電路 3.4.5 nRF2401A 電源指示電路 電路板上提供了一個(gè)電源指示燈，其電路如圖 3.11。 圖 3.11 電源指示電路 3.4.6 nRF2401A 接口電路 為方便與凌陽 61 板的連接，模組提供了兩個(gè)接口 J1 和 J2 ，其中 J1 為 nRF2401A 的控制端口和通道 1 的收發(fā)通道，J2 為預(yù)留端口，是通道 2 的接收通道。 J1 接口為 10Pin 的插孔，其布局和 61 板的 I/O 端口布局一致，可以直接插接到 61 板的 I/O 端口使用。J2 預(yù)留，需要采用雙通道接收時(shí)，可將 J2 對(duì)應(yīng)的 3 根信號(hào)線引 出，接到單片機(jī)的 I/O 上即可。 圖 3.12 接口電路 對(duì)應(yīng)的 I/O 連接和功能描述如表 3.6 所示。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 56 頁 表 3.6 芯片管腳連接及功能描述 3.5 鍵盤顯示電路 3.5.1 LED 顯示器件的工作原理 LED 是一種電流發(fā)光器件它不但能夠工作在恒定電流狀態(tài)，而且能夠工作在脈 沖電流狀態(tài)。平均電流相同時(shí)，脈沖工作狀態(tài)可產(chǎn)生較直流工作狀態(tài)更強(qiáng)的亮度，一 般每秒鐘可以導(dǎo)通 100500 次，每次為幾個(gè)毫秒：LED 有單個(gè)發(fā)光二極管、七段(或 八段)LED 顯示器和 LED 點(diǎn)陣顯示器等類型。發(fā)光顏色有紅、綠、黃等。LED 顯示器 每段正常發(fā)光需直流電流 10-20mA，發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)其正向?qū)▔航禐?1.7v 左右。 七段 LED 顯示器是由 7 個(gè) LED 按定的圖形排列組成，如圖 3-13(a)所示，七段 LED 顯示器的各個(gè)二極管分別稱為 a、b、c、d、e、f、g 段，有些七段顯示器增加一 個(gè) dp 段表示小數(shù)點(diǎn)，也稱為八段 LED 顯示器。 七段 LED 顯示器有兩種結(jié)構(gòu)：共陰極七段 LED 顯示器和共陽極七段 LED 顯示器， 如圖 3-13(b)、(c)所示。所有二極管的陰極接在一起的稱為共陰極七段 LED 顯示器； 所有二極管的陽極接在一起的稱為共陽極七段 LLD 顯示器。共陽極七段 LED 顯示器 工作時(shí)，二極管的公共陽極接向電平“1”各段的陰極接與共陽七段碼相對(duì)應(yīng)的低電 平。共陰極七段 LED 顯示器工作時(shí)，其公共極接到低電平，各段的陽級(jí)接與共陰七段 碼相對(duì)應(yīng)的高電平。在實(shí)際應(yīng)用中，除公共極外，其他各極應(yīng)串接一個(gè)電阻后再接到 相應(yīng)電平。電阻的作用是限制流過 LED 中的電流以保證在發(fā)光時(shí)二極管不因電流過大 而被燒壞。 LED 的顯示有靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。在靜態(tài)顯示方式下，N 塊顯示器件 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 56 頁 都處于選通狀態(tài)；每一塊顯示器件的段選線和一個(gè) 8 位的并行口相連，只要控制顯示 位的段選碼，就可顯示出相應(yīng)的字符。由于顯示器件由不同的 I/O 控制，所以靜態(tài)顯 示方式中的每一位都可以獨(dú)立顯示，在同一時(shí)刻每一位顯示的字符可以各不相同。 LED 動(dòng)態(tài)顯示就是將所有顯示位的段選線并聯(lián)在一起，有一個(gè) 8 位 I/O 口控制， 而位選線則有其他的 I/O 口控制，通過程序控制，不斷循環(huán)輸出相應(yīng)的段選碼和位選 碼，由于人的視覺暫留效應(yīng)，就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。 將數(shù)碼管的引腳和單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出口相連，控制輸出的數(shù)據(jù)可以使數(shù)碼管顯示 不同的數(shù)字和字符，通常稱控制發(fā)光二極管的 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)為段選碼。7 段 LED 段選 碼如表 3-1 所示。可以看出，共陽極和共陰極的段選碼互為補(bǔ)數(shù)。 a bf c g d e D PY L ED gn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g D S? D PY _7-S EG D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED vcc a b c d e f g h D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED D S? L ED a b c d e f g h （a）典型的七段 LED 器件 （b）共陽極 LED 顯示器 （c）共陰極 LED 顯示器 圖 3.13 七段 LED 顯示器的結(jié)構(gòu)原理 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 56 頁 3.5.2 HD7279A 鍵盤顯示電路設(shè)計(jì) 圖 3.14 HD7279 鍵盤顯示電路圖 3.5.3 HD7279A 芯片簡(jiǎn)介 HD7279A 是一片具串行接口的智能顯示與鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片。它可以同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共 陰式數(shù)碼管，還能同時(shí)連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，單片就可完成 LED 數(shù)據(jù)顯示和鍵 盤驅(qū)動(dòng)的全部功能。HD7279A 內(nèi)置譯碼器，可直接接受 BCD 碼以及 16 進(jìn)制碼，并同 時(shí)具備 2 種譯碼方式，此外還它還具有多種控制指令 ，如左移、右移、消隱、段尋址 和閃爍等。HD7279A 具有片選信號(hào)，可非常方便地實(shí)現(xiàn)多位 LED 顯示和鍵盤驅(qū)動(dòng)。 3.5.4 HD7279A 特點(diǎn) 串行接口，無需過多的外圍元件，并可以可直接驅(qū)動(dòng) LED 各位具有獨(dú)立控制譯碼/不譯碼以及消隱和閃爍的屬性 具有段尋址指令，方便控制獨(dú)立的 LED 數(shù)碼管顯示 64 鍵鍵盤控制器，內(nèi)置去抖動(dòng)電路 具有 DIP 和 SOIC 兩種封裝形式可供選擇 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 56 頁 3.5.5 HD7279A 引腳引腳及說明及說明 圖 3.15 HD7279A 引腳圖 表 3.7 HD7279A 引腳說明 4 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 采用 unSP IDE 集成開發(fā)環(huán)境，C 語言編寫程序。所有的軟件程序都在該開發(fā)環(huán)境 中編譯通過。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)主要功能模塊有：主程序模塊、無線控制 程序模塊、溫度采集模塊等。整個(gè)設(shè)計(jì)的功能是通過硬件電路配合軟件程序來達(dá)到設(shè) 計(jì)目的的，當(dāng)硬件的設(shè)計(jì)基本完成后，軟件的功能即能確定了，此時(shí)再根據(jù)軟件的功 能來進(jìn)行軟件編程。從軟件的各部分功能不同可分為五大類: 主機(jī)程序：控制系統(tǒng)的核心部分，用來協(xié)調(diào)鍵盤顯示和無線模塊的運(yùn)行。 從機(jī)程序：是控制系統(tǒng)的非常重要的部分，協(xié)調(diào)溫度采集與無線模塊的運(yùn)行。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 56 頁 鍵盤顯示程序：完成實(shí)質(zhì)性的功能，按鍵跟顯示。 溫度采集程序：采集溫度數(shù)據(jù)，傳送給單片機(jī)。 無線模塊程序：驅(qū)動(dòng)無線模塊的運(yùn)行，同時(shí)協(xié)調(diào)收發(fā)之間的關(guān)系。 無線傳輸協(xié)議：無線模塊之間專用的通信協(xié)議。 4.1 主控制程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)控制模塊采用一塊 16 位凌陽單片機(jī) SPCE061A，完成以下功能：7279 檢測(cè) 按鍵是否按下，如果按下，單片機(jī)將通過無線模塊 nRF2401 向從機(jī)發(fā)送信號(hào)，當(dāng)從機(jī) 發(fā)來數(shù)據(jù)時(shí)，無線模塊 nRF2401 接收數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)處理后送給 HD7279A,HD7279A 來完成 LED 的顯示功能，此時(shí)溫度數(shù)據(jù)就顯示在 LED 上。主機(jī)程 序流程圖如圖 4.1。 從機(jī)部分控制模塊采用一塊 16 位凌陽單片機(jī) SPCE061A，完成以下功能：從機(jī)檢 測(cè)無線模塊 nRF2401 數(shù)據(jù)看主機(jī)是否發(fā)來開始的信號(hào)，如果發(fā)來開始的信號(hào)，溫度傳 感器開始工作，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸給從機(jī)單片機(jī)，從機(jī)單片機(jī)通過無線模塊 nRF2401 將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)單片機(jī)。從機(jī)程序流程圖如圖 4.2 圖 4.1 主機(jī)程序流程圖 圖 4.2 從機(jī)程序流程圖 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁 共 56 頁 4.2 無線模塊 nRF2401 程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)所使用的無線模塊的通信是半雙工的，即一個(gè)在發(fā)送的時(shí)候，另一個(gè)必須是 接收的狀態(tài)，但是一個(gè)無線模塊可以有兩種狀態(tài)，即發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)。通過程序 來判斷模塊的模式是接收模式還是發(fā)送模式，從而執(zhí)行接收數(shù)據(jù)或發(fā)總數(shù)據(jù)的操作。 圖 4.3 無線模塊 nRF2401 程序流程圖 4.3 HD7279 程序設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，鍵盤顯示采用了專用鍵盤、顯示接口擴(kuò)展芯片 HD7279，它具有自動(dòng) 完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能，有專門的指令及讀寫時(shí)序。其鍵盤掃描與顯示的 流程圖分別如圖 4.4 和圖 4.5 所示。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁 共 56 頁 圖 4.4 HD7279 按鍵程序流程圖 圖 4.5 HD7279 LED 顯示程序流程圖 4.4 DS18B20 溫度采集模塊程序設(shè)計(jì) 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟： 在每一次讀寫前都要對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功之后發(fā)送一條 ROM 指令，再發(fā) 送 RAM 指令，這樣才能對(duì) DS18B20 進(jìn)行操作。DS18B20 之后將溫度數(shù)據(jù)傳送給單片 機(jī)，再由單片機(jī)處理傳來的溫度數(shù)據(jù)。其程序流程圖分別如圖 4.6 所示。 圖 4.6 DS18B20 溫度采集程序流程圖 5 調(diào)試及結(jié)果 5.1 測(cè)試環(huán)境及工具 測(cè)試溫度：0100 攝氏度（模擬多點(diǎn)不同溫度值環(huán)境） 。 測(cè)試儀器及軟件：數(shù)字萬用表，溫度計(jì) 0100 攝氏度。 測(cè)試方法：目測(cè)。 5.2 測(cè)試方法 使系統(tǒng)運(yùn)行，觀察系統(tǒng)硬件檢測(cè)是否正常（包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，鍵盤電路，顯 示電路，溫度測(cè)試電路等） 。系統(tǒng)自帶測(cè)試表格數(shù)據(jù)，觀察顯示數(shù)據(jù)是否相符合即可。 采用溫度傳感器和溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)水溫變化情況（取溫度值不同的多點(diǎn)） ，目測(cè)顯 示電路是否正常。并記錄各點(diǎn)溫度值，與實(shí)際溫度值比較，得出系統(tǒng)的溫度指標(biāo)。使 用串口調(diào)試助手與單片機(jī)通訊，觀察單片機(jī)與串口之間傳輸數(shù)據(jù)正確否。 湖南商學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁 共 56 頁 5.3 測(cè)試結(jié)果及分析 表 5.1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù) 數(shù)碼管顯示溫度 28303538 溫度計(jì)目測(cè)溫度 28.230.135.338.2 誤差+0.2+0.1+0.3+0.2 誤差百分比7%3.3%8.5%5.2% 自檢正常，各點(diǎn)溫度顯示正常，串口傳輸數(shù)據(jù)正確。 因?yàn)樾酒撬芰戏庋b，所以對(duì)溫度的感應(yīng)靈敏度不是相當(dāng)高，需要一個(gè)很短的時(shí) 間才能達(dá)到穩(wěn)定。 5.4 誤差分析 5.4.1 DS18B20 的誤差 (1) DS18B20 傳感器的精度較差為2,這是由其內(nèi)部構(gòu)造而決定的。 (2) DS18B20 默認(rèn)的配置是 12 位的轉(zhuǎn)換精度，然而輸出的結(jié)果只取到小數(shù)點(diǎn)后 兩位，這也必然造成一小部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失，從而造成誤差。 (3) 數(shù)據(jù)在程序?qū)?shù)據(jù)的處理中以及各種進(jìn)制轉(zhuǎn)換中會(huì)出現(xiàn)小部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的情 況。 5.4.2 溫度計(jì)測(cè)量誤差 表 5.2 溫度計(jì)誤差的各種可能 A.感溫液體飛濺、斷柱而引起的誤差 B.感溫液體掛壁、跳躍等而引起的誤差一、產(chǎn)品原理結(jié)構(gòu)帶來的誤差 C.非線性誤差 A.分格間距不均勻引起的誤差 B.分度線寬度引起的誤差 C.標(biāo)尺松動(dòng)位移造成的誤差 D