毕业设计基于51单片机的无线壁挂炉温控器设计

1、前言基于单片机的无线壁挂炉温控器设计（发射端）1 前言温度是人们日常生活中接触比较多的一个物理量，人们的日常生活、动植物的生存繁衍和周围环境的温度息息相关，石油、化工、冶金、纺织、机械制造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存储等领域对温度也有着较高的要求。例如：烟叶和纸张是吸湿性极高的材料，卷烟生产的每一个阶段对温度都有非常特别的要求，以确保所使用材料的水分，保证生产的效率和产品质量；印刷车间的温度控制水平对印刷质量有很大的影响；为防止库存武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保持环境温度不能过高；而水果、种子、肉类等的保存又需要保证一定的温度。随着科学技术的发展，许多新兴产业对环境提出

2、了更高的要求：制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温度控制。因此，对温度的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术要求。目前，温度传感器已广泛应用于气象、农林、冶金、化工、纺织、食品、家用电器、仓储等许多领域。一些领域对温湿度控制的要求如表1所示。表1 各种行业温湿度要求范围行业工序温度（）行业工序温度（）印刷印刷2427蔬菜蘑菇栽培1427弹药存储70档案保管1424粮食谷物储藏16光学研磨27陶瓷成型27照相胶片制成2324烟草制丝3032纺织梳棉2124储藏2124精纺24272 选题背景2.1 目的和意义随着人们工作和生活节奏的加快，一个舒适的家庭环境能够在一

3、定程度上改善人们因压力过大而产生的疲惫感。无线壁挂炉温控器的设计与研究，有利于有效地控制炉壁的温度，为居民的生活带来方便和便捷。同时，满足了广大用户的要求，解决了无线遥控的需求。国际国内对壁挂炉温控器的研究从没有停止过。主要着力于功耗更小，通信距离更长，温度控制温度更精准，控制范围更广阔。同时，各个厂家追求控制界面的人性化，大屏幕显示，房间温度，设定温度，当前时钟同时显示，掉电永久记忆功能，可选华氏温度和摄氏温度单位，为了舒适和节能，可选休假和温度保持模式。2.2 课题背景单片机自1976年由intel公司推出mcs-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、

4、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、pc机外围以及网络通讯等广大领域。按照内部数据通道的宽度，单片机可分为4位、8位、16位及32位等。单片机的中央处理器（cpu）和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种地址访问方式、多种跳转、乘除法运算、状态监测、中断处理等，增强了实时性。2.3短距离无线通信技术的现状和发展趋势（1）红外通信技术（irda）26,28,30红外通信技术 irda

5、(infrared data association)采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，传统速度可达4 mbit/s，1995 年 irda 将通信速率扩展到的高达 16mbit/s，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方第21页(共64页)选题背景向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低廉的特点。因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，pda，移动电话等移动设备。但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20 度，两台

6、相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，irda 设备中的核心部件 led 易磨损。（2）蓝牙技术（bluetooth）26,28,30蓝牙技术使用全球统一开放的2.4ghz的ism频段，采用跳频扩频fhss技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网(piconet)。多个微微网之间也可以形成分布式网络(scatternet)，从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:

7、规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。（3） ieee802.11b（wi-fi）26,28,30ieee802.11b 技术标准是无线局域网的国际标准，使用2.4ghz的ism频段，采用直接序列扩频 dsss 技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度。802.11b 无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上ap(access point)，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。802.11b 具有有

8、线等价保密机制wep(wired equivalentprivacy)确保数据安全。以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。更多新的 wi-fi 标准正在制定之中。速度更快的 802.11g 使用与802.11b 相同的正交频分多路复用（ofdm）调制技术，同样工作在 2.4ghz频段，速率达 54 mbit/s，比目前通用的 802.11b 快了 5 倍，并且完全向后兼容 802.11b，802.11g 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，而

9、下一代的 wi-fi 标准 802.11n 可望达到 100 mbit/s。（4）微功率短距离无线通信技术30近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以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影响。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

10、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。2.4 小结随着人们工作和生活节奏的加快，一个舒适的家庭环境能够在一定程度上改善人们因压力过大而产生的疲惫感。无线壁挂炉温控器的设计与研究，节省了室内电线电缆的安装，为居民的生活带来便捷，能更加有效地控制室内温度。同时，个性化的设计界面满足了广大用户的普遍要求。3 方案论证3.1 系统方案设计无线温度控制系统的设计方案图如图1所示：方案论

11、证键盘控制器显示器控制信号无线发射器执行机构炉壁加热器温度传感器控制对象室内温度方案论证 图1 无线温度控制系统的设计方案图3.1.1 传感器方案传统的模拟式传感器具有测量转换速度快，温度测量范围宽的优点。但是模拟传感器的模拟信号需要先经过取样、放大和模数转换电路处理，再将转换得到的表示温湿度值的数字信号交由微处理器或 dsp 处理。被测信号从敏感元件接收的非电物理量开始，到转换为微处理器可处理的数字信号之间，设计者须考虑的线路环节较多，相应测试装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及小型化。而且模拟信号在长距离传输过程中，容易受到电磁干扰而导致误差产生。在多点温湿度检测的场合，各被测

12、点到测试装置之间引线距离往往不同，各敏感元件参数的不一致性，都将会导致误差的产生，并且难以完全清除。另外，模数转换系统的精度也不可能很高，存在一定非线性，互换性较差。采用具有直接数字量输出的传感器能够避免上述问题。数字式传感器能把被测模拟量直接换成数字量输出，可以直接与数字设备（计算机，计数器，数字显示系统等）相联，用微控制器、dsp 或计算机进行信号的处理、滤波、压缩。它的信号原则上不受放大器和信号处理系统的温度漂移的影响，具有极高的抗干扰能力。数字式传感器具有高的测量精度和分辨率，稳定性好，信号易于处理、传送和自动控制，便于动态及多路测量，读数直观，安装方便，维护简单，工作可靠性高。虽然存

13、在反应速度较慢，温度测量的范围不宽的缺点，数字式传感器技术的发展仍受到人们越来越多的重视。考虑系统的经济性和温湿度传感器的优缺点及发展状况，确定温度传感器采用数字式。3.1.2 短距离无线通信模块方案蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全球众多大企业的支持。蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用。但是蓝牙设备价格昂贵，通讯距离近，蓝牙 rf 定以了三种功率等级（100mw、25mw 和 1 mw），当蓝牙设备功率为 1 mw 时，其发射范围一般

14、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

15、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

16、口电路设计简单。3.1.3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

17、线结构，提高了 dsp 的运行速度。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 microcomputer）。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 ro

18、m、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 48k 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

19、速度要求的情况下，单片机无异是首选的信息处理单元。3.2器件的选用3.2.1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

20、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，national semiconductor 公司的microwireplus总线，dallas semiconductor 公司的 1-wire 总线和 siemens 公司的 profibus总线等。常用的数字温度传感器主要有：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

21、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 0.25，精度为±2，转换时间为 1530ms。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。 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

22、眠模式，在休眠时消耗的电流不超过 10a,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 0.0625的分辨率，转换时间为 425ms。 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±3, 在 85时优于±4.5，在 125时优于±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

23、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。 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

24、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 0.0625，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。dallas 公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；具有 crc 校验功能，可靠性高；软件设计规范，系统简明直观，易于掌握

25、。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。3.2.2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： 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

26、效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。 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。 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。 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。 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： cc1000是根据chipcon公司的smartrf技术，在0.35m cmos 工艺下制造的一种理想的超高

27、频单片收发通信芯片。它的工作频带在 315、868 及 915mhz，但 cc1000 很容易通过编程使其工作在 3001000mhz 范围内。它具有低电压（2.33.6v），极低的功耗，可编程输出功率（-2010dbm），高灵敏度（一般-109dbm），小尺寸（tssop-28 封装），集成了位同步器等特点。其 fsk 数传速率可达 72.8kbps，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。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

28、0.18s cmos工艺、6mm×6mm 的 36 引脚 qfn 封装；以 nrf2401 芯片结构为基础，将射频、8051mcu、9 输入 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 1.93.6v）和 vdd 电压监视，通常开关时间小于 200s，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 2.4ghz

29、 频段、勿需申请通信许可证。 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 76.8 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。 th72011 是 melexis 公司的单片射频发射芯片，频率范围 380mhz450mhz，采用 vco+pll 频率合

30、成技术，频率稳定性好；fsk 调制方式,抗干扰能力强； fsk 频偏和中心频率可独立调节；宽电压范围 1.95.5v，静态电流小，工作电流可在 3.5ma10.7 ma 调节；发射功率可在-12 dbm+10dbm 调节，数据速率可达 40kbit/s。可嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在保安系统、微功耗遥测遥控系统等中应用。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

31、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。基于nrf401成本低、可靠性高、外围设计简单的优点，本系统将nrf401 做为无线收发芯片的首选。4 过程设计论述4.1 硬件设计部分4.1.1 硬件总体设计根据上一章所选的系统方案构想，下面进行系统硬件电路的具体设计，系统的总体结构框图如下图2所示。 键盘lcd液晶显示液晶显示8051单片机温度传感器ds18b20无线发射模块图2 硬件设计方框图 4.1.2温度采集部分电路

32、设计一温度数据采集硬件接口电路针对 8051单片机 i/o 口线较少的特点,ds18b20 型单线数字式集成温度传感过程设计论述器与单片机接口电路如图3。vwo ccgnd80c51ds18b20ds18b20 gnd vcc图3 ds18b20与单片机接口电路二数字式温度传感器 ds18b20（1）ds18b20的特点单总线是美国 dallas 半导体公司近年推出的新技术，它只定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在适当的时间驱动它，相当于把单片机的地址nrf401线、数据线、控制线合为一根信号线对外进行数据交换。为了区分这些芯片，厂家在生产芯片时，为每个芯片编制了惟一的序列号，通过寻址就

33、能把芯片识别出来。从而能使这些器件挂在一根信号线上进行串行分时数据交换，大大简化了硬件电路。ds18b20 是美国 dallas 半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。它的主要技术特性如下：具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅需占用 1 位i/o 端口；支持多节点，使分布式多点测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化；测温时无需任何外部元件：可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式：测温范围为-55+125，测温精度为±0.5：温度转换精度 9-12 位可编程，能够直接将温度转换值以 16 位二进制数码的方式串行输出。12 位精度转换的最大时间为 750ms。因为

34、它是数字输出，而且只占用一个 i/o 端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的 a/d 转换和较复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。（2）ds18b20 的结构主要由四部分组成：64 位光刻 rom 数据存储器温度传感器非易失性电可擦写温度报警触发器 th 和 tl非易失性电可擦写设置寄存器如图4所示，器件只有 3 根外部引脚，其中 vdd和 gnd 为电源引脚，另一根 dq 线则用作 i/o 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

35、 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(912 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

36、位。第三、四字节是温度上下限报警值( 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、01、10、11 分别对应9、10、11、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

37、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 bit7lsbyts232221202-12-22-32-4bit8 bit15 msbytssssss262524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 912 位，分别对应的测温分辨率为0.5, 0.25，0.125，0

38、.0625。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 bit00r1r011111r1、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r1r0分辨率最大转换时间ms有效位数000.593.759位（bit11bit3）010.25187.5010位（bit11bit2）100

39、.125375.0011位（bit11bit1）110.0625750.0012位（bit11bit0）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

40、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 to-92，比 ds

41、1820 的pr-35 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，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

42、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。4.1.3 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

43、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（2.7v3.6v），功耗低，发射时电源电流8ma，接收时电源电流250a，接收待机状态仅为8a；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

44、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#（1433.9,mhz），cs=“1”为通道#2（434.33mhz）；18脚电源开关；pwrup=“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

45、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值调整发射功率，当r322k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p2.7控制nrf401的片选端，p

46、2.5口控制nrf401的txen端，即发送/接收控制端，实现半双工通信功能；p2.6口控制nrf401的power_up端，实现待机和上电的控制，达到节能目的。4.1.4 液晶显示电路图10 lcd与单片机接口电路4.1.5 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）具体仿真图11 继电器与单片机接口电路4.2 软件设计部分4.2.1 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， d

47、s18b20 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：图12 温度测量程序流程图4.2.2 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，

48、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 pwrup 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。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

49、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 2.7v 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。第 25 页 （共 64 页）结果分析图13 发送端程序流程图5结果分析5.1 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

50、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结果分析图15 仿真图2（3）测量值为128 c时的仿真图3图16 仿真图3由图可知，液晶显示器的温度会随着ds18b20测量温度实时变化，ds18b2o和lcd液晶显示运行结果正确。5.2键盘设计运行结果分析硬件设计中，键盘设定温度的大小，一个键增大设定温度，一个键减小设定温度，设定温度在lcd液晶实时显示。单片机在0.2s内采集一次键盘的温度输入，因此键盘的灵敏度会比较高。通过仿真可以验证键盘的正确性。 键盘设定温度为55c仿真图4图17 仿真图45.3控制结果分析采用简单的

51、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。仿真图2和3给定值为100 c,测量值分别为65 c和128 c，继电器处于开和关第 63 页 （共 64 页）结束语两个状态。即给定值大于测定值时，开继电器，给定值小于测定值时，关继电器。仿真结果正确，控制结果正确。6 结束语6.1 结论本文所研究的无线温度控制系统是短距离无线通信技术在温度测量与控制方面的一个具体应用。系统8051 单片机为核心，采用数字式温度传感器 ds18b20 及nrf401无线收发芯片，应用传感技术、无线收发技术，实现温度数

52、据的采集、控制和短距离无线传输。系统结构采用模块化设计，主要由两大部分构成：第一部分为系统的下位机，以一片8051单片机为核心，与一片单总线温度传感器 ds18b20组成温度采集网络，完成温度数据的采集、控制和无线发送；第二部分为系统的上位机，由一片 8051单片机作为主控机，通过显示、键盘等接口模块，完成温度、数据的无线接收、显示、控制功能。该温度控制系统电路简单，性能稳定，抗干扰能力强，可靠性高，搭建方便，易于扩展，室内实际发射距离约 25 米（通过改进天线的设计可适度增加），经过软件进行非线性及温度补偿后，测温精度可进一步提高，因此本系统适用于在短距离环境温度的监测、控制，有广阔的应用前

53、景。但是，对该系统的研究还存在一些问题需要解决。比如温度传感器的测温范围不够宽，发射距离比较近，温度控制精度不够高等。6.2 展望任何方案都有一个不断改进和完善的过程，针对上述存在的问题，结合一些新技术和新器件的发展情况，可以从两方面考虑进行改进:改变单片机。本设计中采用了8051单片机，也可以采用功耗比较低的89c51单片机。改变无线收发芯片或天线，以提高发射距离和数据的准确率。参考文献参考文献1 万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计与应用（第二版）m. 合肥：中国科学技术大学出版社，2001.2 胡汉才.单片机原理及其接口技术m. 北京：清华大学出版社，2004.3 蔡美琴，张为民.mcs

54、-51 系列单片机系统及其应用（第二版）m. 北京：高等教育出版社，2004.4 杨振江，杜铁军.流行单片机实用子程序及应用实例m.西安电子科技大学出版社，2002.5 张培仁.基于 c 语言编程 mcs-51 单片机原理与应用m. 北京：清华大学出版社，2003.6 冯锡生，朱荣.无线数据通信m. 北京：中国铁道出版社，1997.7 美andrew seybold.计算机网络与无线通信系统m. 北京：电子工业出版社，1996.8 美theodore s.rappaport.无线通信原理及应用m. 北京：电子工业出版社，1999.9 刘迎春，叶湘滨.现代新型传感器原理与应用m. 北京：国防工业

55、出版社，1998.10 何希才.传感器及其应用电路m. 北京：电子工业出版社，2001.11 沙占友.智能化集成温度传感器原理与应用m. 北京：机械工业出版社，2002.12 赵继文.传感器与应用电路设计m. 北京：科学出版社，2002.13 丁镇生.传感器及传感技术应用m. 北京：电子工业出版社，1998.14 microchip technology inc.32kbit spi? bus serial eeprom p. product datasheet.2004.15 nordic vlsi asa. nrf401 2.4ghz radio transceiver with microcontrollerp. preliminary product specification, datasheet order code: 300403-nrf24e1.2003.16 nordic vlsi asa. nrf401 and nrf24e2 rf layoutsp. application note, order code