温度检测系统无线传输的设计

1、温度检测系统无线传输的设计摘 要：将远距离温度数据采集技术和无线数据传输技术相结合，很好地应用于工业测控系统中，提高了测控系统的灵活性，数字式温度传感器系统的设计与制作。同时解决了现代测控技术在环境恶劣地区等不宜连线环境中应用的技术难题。关键词： 数据采集 无线传输 数字式温度传感器DS18B20目 录1 前 言21.1 无线通信技术的发展21.2 课题内容42 系统方案的选用52.1 系统总体方案52.2接收端方案63 传感器73.1 控制器选择及介绍73.2 单总线技术123.3 传感器模块设计133.4无线收发模块设计164 数据接收端204.1单片机最小系统设计204.2 显示模块电路

2、设计204.3 PC机通信接口设计214.4 系统硬件抗干扰技术235 系统硬件图256 系统软件256.1 温度数据采集端软件设计256.2 数据接收端软件设计28参考文献30致谢31附录 主要程序3421 前 言1.1 无线通信技术的发展 作为现今大力发展的无线接入技术，大体上可分为移动式接入和无线方式的固定接入两大类。1   移动无线接入技术：此类技术主要指用户终端在较大范围内移动的通信系统的接入技术。这类通信系统主要包括以下几种：集群移动无线电话系统：它是专用调度指挥无线电通信系统，它在我国得到了较为广泛的应用。集群系统是从一对一的对讲机发展而来的，从单一信道一呼百

3、应的群呼系统，到后来具有选呼功能的系统，现在已是多信道基站多用户自动拨号系统，它们可以与市话网相连，并于该系统外的市话用户通话。如警察、消防、公交、出租、矿山等蜂窝移动电话系统：70年代初由美国贝尔实验室提出的，在给出蜂窝系统的覆盖小区的概念和相关理论之 后，该系统得到迅速的发展。其中第一代蜂窝移动电话系统：指陆上模拟蜂窝移动电话系统，主要特征是用无线信道传输模拟信号。第二代则指数字蜂窝移动电话系 统，它以直接传输和处理数字信息为主要特征，因此具有一切数字系统所具有的优点，代表性的是GSM、CDMA、3G。卫星通信系统：采用低轨道卫星通信系统是实现个人通信的重要途径之一，现在有美国Motoro

4、la公司的“铱星”计划，日本NTT计划，欧洲RACE计划，整个系统由三个部分构成：系统的主要部分是卫星及地面控制设备，关口站，终端。无线寻呼系统，如BB机无绳移动通信系统（小灵通）2 固定接入无线技术：其英文各为Fixed Wireless Access ，简称FWA ，它是指能把从有线方式传来的信息（语音、数据、图象）用无线方式传送到固定用户终端或是实现相反传输的一种通信系统，按上述定义，它应该包括了所有来自公共电话网的业务并用无线作传输方式送到固定用户终端的系统，与移动通信相比，固定无线接入系统的用户终端是固定的，或者是在极小范围内。从某种意义上讲，BlueTooth、IrDA、Wi-Fi

5、、Zigbee、WiMax等。 1.2 课题内容温度检测与无线传输系统是无线通信技术在温度数据无线传输方面的一个具体应用。该系统属于无线通信系统，设计的最主要内容是对其完成功能得各部分硬件电路设计和系统软件设计。设计时应注意以下几方面： 选用温度传感器时，应重点考虑测量精度高，抗干扰能力强，稳定性好，信号易于处理、传送，安装方便，维护简单的器件。 在硬件设计时，结构要尽量简洁实用、易于实现，应尽量使用各种总线技术，以节约系统有限的I/O资源，使系统电路尽量简单。 在硬件电路和软件程序设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统稳定性。 软件设计必须要有完善的思路，要充分考虑到各

6、传感器和无线收发器的时序，做到程序简单，调试方便。 通过软件设计，尽量降低无线数据传输过程中的误码率。第25页 共86页2 系统方案的选用2.1 系统总体方案基于单片机的温度检测与无线传输系统由多个传感器节点和数据接收端两个部份成，之间通过无线信道通信。传感器节点负责温度数据的采集和发送；数据接收端负责数据的接收和处理。系统整体结构框图如图2-1所示。传感器节点1RS232接口外部网络CAN接口传感器节点2传感器节点3传感器节点4传感器节点N数据接收端PC机 图2-1 系统总体结构框图传感器节点主要由传感器、微处理器和无线收发模块构成。传感器将转换后的数字信号送往无线模块打包发出，数据接收端主

7、要由无线收发模块、微处理器构成。数据接收端接收到采集节点发送的数据后，将数据按照通信协议拆包，取出里面的有效数据并通过数码管显示温度值，再通过串口发送给计算机存储，并通过接口电路发送给外部网络。系统硬件实现简单，传感器节点和接收端均采用无线收发一体芯片，微处理器可以采用射频芯片内部集成的51系列单片机。数据接收端与计算机通过串口通信。由于CAN总线的稳定性及其在工业数据传输网络中的广泛应用，系统采用CAN接口作为基站与外部网络的通信接口。在低功耗要求方面，本系统通过选用大容量电池、低功耗电子元器件及制定合理的无线通信协议来解决。 2.2接收端方案4位数码管显示无线收发模块CAN接口外部网络SR

8、AM微 处 理 器时钟蜂鸣器报警RS-232接口PC机外 部 电 源 图2.-2 接收端结构框图从图2-2中可以看出，数据接收端由微处理器、时钟、4位数码管显示模块、SRAM、无线收发模块、外部电源、蜂鸣器报警电路、RS-232通信接口以及CAN接口组成，主要完成的功能是： 利用无线收发模块接收各个传感器节点发送的实时数据。 微处理器对数据处理后通过数码管显示，超过设定温度值自动报警。 将数据通过RS-232通信接口发送给上位机存储显示，对系统进行温度控制。并通过CAN接口发送给外部网络。3 传感器3.1 控制器选择及介绍作为应用系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用

9、。表3.1.1 系统控制器方案对比控制器 优点缺点DSP功能强大，能完成复杂的控制和数据处理任务开发成本、周期要比单片机要高、要长且开发难度大 ARM资源丰富，处理能力强，扩展简单、功耗低开发成本、周期比单片机要高、要长单片机实现简单，开发成本低，周期短、功耗低处理能力不强，被控对象少，抗干扰能力较差DSP器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然的趋势。但从现阶段各种DSP器件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大的小型系统使用，而且目前其价格较高，开发技术难度大。ARM芯片具有体积小、功耗低、低成本和高

10、性能的特点，但是与DSP器件一样，不适合应用在小型系统的场合。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有51系列的8位单片机、面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器(DSP)、增强型的16位单片机以及32位的ARM芯片。51单片机作为从八十年代就开始流行的处理器，其价格低廉，开发技术成熟，应用广泛。如今各大公司纷纷推出各种面向不同应用场合的增强型单片机，这些系列的单片机大多具有较强的功能模块接口功能，较高的处理速度，大容量ROM和RAM，往往处理器本身就已经一个小系统模式，仅仅需要一些简单的电容、电阻元件就可以工作。这类微控制器正好满足无线数据传输系统低功耗、低价格、开发简单的要求。用单片机

11、组成的微机控制系统具有以下特点： 受集成度限制，片内存储器容量较小，一般片内ROM小于48K字节，片内RAM小于256字节；但可在外部进行扩展，如MCS-51系列单片机的片外可擦可编程只读存储器(EPROM)静态随机存储器(SRAM)可分别扩展至64K字节。 可靠性高。单片机芯片本身是按工业控制环境要求设计的，其抗工业噪声的能力优于一般通用CPU；程序指令及其常数、表格固化在ROM中不易破坏；常用信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的总线及并行、串行输入/输出端口，很容易构成各种规模的微机控制系统。 控制功能强。为了满足工业控

12、制要求，单片机的指令系统中有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 一般的单片机内无监控程序或系统管理软件，软件开发工作量大。但近年来已开始出现了片内固化有BASIC解释程序及FROTH操作系统的单片机，使单片机系统的开发提高了一个新水平。此外，单片机成本低、集成度高、控制功能多，可灵活地组装成各种智能控制装置，并能有针对性设计成专用系统，解决从简单到复杂的各种需要，实现最佳的性价比。特别是单片机与传统机械产品相结合，使原有机械产品的结构简化、控制智能化。近年来，单片机发展极快，其产量占微机产量的70%以上

13、。目前，至少有50个系列400余种机型，性能和结构各不相同，Intel、Motorola、Atmel等公司都有系列单片微型计算机。本系统选用美国Atmel公司AT89S52单片机，AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在现己广泛应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。它具有89C52的全部功能，是80C51的增强型并且指令完全兼容，AT89S52新增加的功能由特殊功能寄存器完成，相信日后它将更广泛地应用于工业控制、汽车控制、智能仪器仪表及电机控制等应用领域。AT89S52单片机有如下特点： 兼容MCS51单片机 8K字节FLASH存贮器支持在系统编程ISP

14、1000次擦写周期 256字节片内RAM 工作电压4.0V6.0V 全静态时钟0Hz33MHz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 3个16位定时器/计数器 八个中断源 掉电标识符 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 双数据指针此外，与AT89C52相比，AT89S52新增加了许多功能，这将使单片机在工作过程中具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统可靠性；AT89S52独有的双数据指针使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHz；最后，AT89S52

15、支持ISP（In-System Programming）在线下载功能。AT89S52中ISP引脚共有4个：RST、MOSI、MISO和SCK。用户可以直接替换应用系统中的AT89C51/52，而软件硬件均不需作任何修改，这给正使用AT89C51/52单片机的用户更新换代带来许多方便。 正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因外部环境恶劣而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生。因此，用它作为系统的控制器可以满足检测与控制的要求。而且，从经济性的角度来看，AT89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能强、性价比高，符合本设计的要求。图3-1 AT89S52引脚图AT8

16、9S52单片机引脚如图3-1所示。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写1时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节，在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0和P1.

17、2分别作定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器2的触发输入，具体如表3.1.2所示。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 表3.1.2 P1口的第二功能引脚号 第二功能 P1.0T2 (定时器/计数器T2的外部计数输出)，时钟输出 P1.1T2EX (定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制) P1.5MOSI (在系统编程用) P1.6MISO (在系统编程用) P1.7SCK (在系统编程用)P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时

18、，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P3口也可作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.1.3所示。在F

19、lash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 表3.1.3 P3口第二功能 引脚号 第二功能 P3.0 RXD(串行输入) P3.1 TXD(串行输出) P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT1(外部中断1) P3.4 T0(定时器0外部输入) P3.5 T1(定时器1外部输入) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器写选通)RST复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位

20、高电平有效。ALE/：地址所存控制信号ALE是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置1，ALE操作将无效。这一位置1，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个

21、机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP是访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2 单总线技术目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有总线、SPI总线和SCI总线。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。近年来，美国DALLAS半导体公司开发了一种新技术单总线技术。它采用单根信号线完成数据的双向传输，并且可以通过该信号线

22、为单总线器件提供电源。它具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点，适用于远距离、多点测试、集中控制、现场缺电等场合。单总线系统是由挂在一对双绞线(一根信号线，一根地线)上的单总线器件芯片，专门的通信协议组成，该系统中只有一个总线命令者，从者可以有多个。总线命令者可以是PC机或者普通的单片机，从者是DALLAS公司提供的单总线器件芯片。下面从硬件配置、总线协议和总线信号三方面介绍单总线技术。3.3 传感器模块设计3.3.1数字式温度传感器的选择由于智能温度传感器采用数字化技术，能以数据形式输出被测温度值，具有测温误差小、分辨力高、抗干扰能力强、用户可设定温度上下限

23、、具有超限自动报警功能，并且带串行总线接口，适配各种微控制器。考虑系统的经济性和温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温度传感器。常用的数字温度传感器主要有： AD7418 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0.25，精度为士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，并且不易受环境干扰等优点。 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、A/D转换器，并具有SPI/Microwire兼容总线接口的数

24、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。 MAX6575 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

25、.5，在125时优于±5。但是MAX6575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。 DS18B20 是美国Dallas半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量。它具有独特的单总线接口方式，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，温度变换功率来源于数据总线

26、，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源，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。 表3.3.1 几种数字温度传感器的比较 传感器型号 适用总线温度准确度（）测温范围() LM75 3 -25+100 LM74 SPI 3-55+125 MAX6575 1-Wire0.8-55+125 DS1820 1-Wire0.5-55+125 DS18B20

27、 1-Wire0.5-55+125 由于DS18B20具有独特的单总线接口，占用的I/O资源少，通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，和其他数字温度传感器相比，它更适合本系统，所以，选用DS18B20做为温度测量的传感器。3.3.2 数字温度传感器DS18B20（1）DS18B20的内部结构 DS18B20主要由四部分组成：64位激光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、TL以及非易失性电可擦写设置寄存器。如图3-3。64位ROM和单线端口电源探测DQVDD内部VDD存储器和控制逻辑寄存器温度传感器上限触发TH下限触发TL8位CRC产生器 图3-3 DS18B20

28、内部结构框图实物如图3-4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。DSI8B20的管脚排列如图3.3.2所示。 GND DQ VDDDS18B2012348765I/OGNDNCNCVccNCNCNCDS18B201 2 3 （a）PR-35封装 （b）SOSI封装 图3-4 DS18B20的封装形式每片DS18B20含有一个唯一的64位ROM编码。头8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

29、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。（6）DS18B20的供电方式DS18B20有两种供电方式：如图3-7 ，一种为数据线供电方式(即寄生电源供电方式)；另一种为外部供电方式。寄生电源方式下，GND端和 VDD端都接地，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；外接电源方式下，DS18B20的VDD端外接一个+3+5V电源，GND端接地。可见寄生电源方式可以省掉一根电源线，大大较低了布线的成本

30、，但是当总线上节点较多且同时进行温度转换时，容易造成供电不足且所需的转换时间较长。外接电源方式稳定可靠，测量速度较快。所以本系统采用外接电源供电方式。实物图见图3-8其中象三极管样子的为DS18B20。 （a）寄生电源供电方式 （b）外接电源供电方式 图3-7 DS18B20的供电方式 图3-8 DS18B20与单片机实物图3.4无线收发模块设计3.4.1 无线收发芯片的选择 无线收发芯片是整个无线通信模块的核心部件，他的选择成功与否将直接关系到整个系统的性能、成本和开发周期。正确的选择射频芯片可以使研发过程少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。基于本系统的实际需求，应该选用成本低、体积小

31、、功耗低、集成度高、兼容性强、外围元件少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体芯片。常用无线射频收发芯片主要有nRF401、nRF905、TRF6900和RF2915，表3.4.1是这几种芯片的主要性能比较。表3.4.1 几种主要无线收发芯片性能比较芯片类型nRF401nRF905 TRF6900 RF2915生产厂家NORDIC NORDIC TI RFMD通信频率433MHz433/868/915MHz868/915MHz433/868/915MHz工作电压2.75.0V1.93.6V2.23.6V2.45.0V是否需要曼彻斯特编码不需要不需要 需要 需要调制方式 FSK G

32、FSK FSK FSK最大传输速率 20Kbps100Kbps30Kbps9.6Kbps发射电流818mA 11mA 50mA 27mA接收电流10mA 12.5mA 34mA 6.8mA最大输出功率+10dBm+10dBm+4.5dBm 0dBm外围元器件数目约10个 约10个约50个 约50个从表3.4.1中可以看出，相比其它几种芯片，NORDIC公司的nRF905无线射频收发一体芯片功耗低，数据传输速率最快，所需外围元器件最少，输出功率最大，并且采用了比FSK调制抗干扰能力更强的GFSK调制，数据传输更加稳定可靠，因而本系统选用nRF905作为无线数据传输芯片。3.4.2无线收发芯片nR

33、F905nRF905是挪威NORDIC公司推出的单片无线收发一体的芯片，工作电压为1.93.6V，可通过编程工作于433/868/915MHz 3个ISM频段，使用SPI接口与微处理器通信，配置非常方便。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表面滤波器，其外部连接元件包括一个基准晶振、RF偏压电阻、外部天线等几个部分，是目前集成度较高的无线数传产品，具有性能优异、功耗低、开发简单等优点。nRF905采用抗干扰能力强的高斯频移键控(GFSK)调制方式，抗干扰能力强，能很好的减少噪声环境对系统性能的影响。与幅移键控(ASK)和开关键控(On-Off K

34、eying)方式相比，GFSK的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合通信更加可靠，更适合工业现场控制场合。nRF905内置了完整的通信协议和CRC校验电路，并且由片内硬件自动完成曼彻斯特编码与解码，只需通过SPI接口即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便。nRF905传输数据时采用非实时方式，即发送端发出数据，接收端接收到后先暂存在芯片的存储器中，由微处理器在在需要的时候通过SPI接口读取。nRF905的内部结构如图3-9所示，各引脚功能描述如表3.4.2所示。实物图如图3-10 图3-9 nRF905内部结构图 表3.4.2 nRF905引脚功能描述管脚名称 管

35、脚功能 说明 1TRX_CE数字输入使能芯片发射或接受 2PWR_UP数字输入芯片上电 3uPCLK时钟输出由晶振分频的输出时钟 4VDD电源电源（+3V） 5Vss电源接地 6CD数字输出载波检测 7AM数字输出地址匹配 8DR数字输出接受或发送数据完成 9Vss电源接地 10MISOSPI接口SPI输出 11MOSISPI接口SPI输入 12SCKSPI时钟SPI时钟 13CSNSPI使能SPI使能 14XC1模拟输入晶振1脚 15XC2模拟输出晶振2脚 16Vss电源接地 17VDD电源电源（+3V） 18Vss电源接地 19VDD_PA电源输出给nRF905功率放大器提供的+1.8V电

36、源 20ANT1射频输出天线接口1 21ANT2射频输出天线接口2 22Vss电源接地 23IREF模拟输入参考电流 24Vss电源接地 25VDD电源电源（+3V） 26 Vss电源接地 27 Vss电源接地 28 Vss电源接地 29 Vss电源接地 30Vss电源接地 31DVDD_1V2电源De耦合的低压正数字电源输出 32TX_EN数字输入TX_EN=“1”为TX模式；“0”为RX模式图3-10 nRF905图4 数据接收端设计4.1单片机最小系统设计数据接收端由微处理器、4位数码管显示模块、无线收发模块、外部电源、蜂鸣器报警电路、RS-232通信接口以及CAN接口组成。考虑到系统设

37、计方便微处理器仍然选用ATMEL公司的AT89S52，控制器与nRF905无线发射模块接口电路上一章已经介绍，这里不再赘述。微控制器AT89S52无线收发模块CAN接口外部网络RS-232接口PC机 外 部 电 源4位数码管显示 图4-1 单片机系统结构图nRF905无线收发模块接收各个传感器节点发送的实时采集数据，微处理器AT89S52对数据处理后通过数码管显示，超过设定温度值蜂鸣器自动报警，并将数据通过RS-232通信接口发送给上位机存储以便对系统进行温度控制。并通过CAN接口发送给外部网络。附录2图2给出了此部分硬件电路原理图。4.2 显示模块电路设计数码管采用共阳极的4位显示数码管，其

38、中a、b、c、d、e、f、g、dp各段的引脚可以与单片机的I/O口直接连接。AT89S52单片机的I/O口可以输出4 mA的拉电流足以驱动数码管发光。要使某一个数码管亮则对应的C端置高，三极管的基极为低电平时导通，这样数码管就可以显示接收到的温度值。图4-2为数码管显示模块电路图。 图4-2 数码管显示模块电路4.3 PC机通信接口设计4.3.1 串行通信随着计算机系统的应用和微机网络的发展，计算机的通信功能显得越来越重要。从广义上讲，计算机通信可以分为并行通信和串行通信。并行通信速度快、实时性好，但占用的口线多、成本高、通信距离短，不适用于小型化产品。串行通信只需一根传输线即可完成通信功能，

39、成本低，在通信中得到了广泛应用。串行通信是计算机与外设进行信息交换的一种方式，是指数据一位一位地按顺序在一根信号线上进行传输的通信方式。串行通信有两种基本工作方式：异步传送和同步传送。在单片机中使用的串行通信都是异步方式，因此本系统采用异步串行通信方式来实现单片机和PC机之间的通信。异步串行通信是以字符为单位组成的帧传送的，即一帧一帧地传送。帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线被接收设备一帧一帧地接收。为了保证发送数据能准确的被接收端接收，接收端必须与发送端同步。也就是说接收端不但要知道一组二进制的开始与结束，还需要知道每位的持续时间，这样才能做到用合适的采样频率采样所接收到的数据。所以没传送

40、一个字符时，不论所采用的字符代码长度为多少位，总是以“起始位”开始，其长度规定为1个码元，极性为“0”，即空号的极性；中间是字符位，字符本身由58位数据位组成，接着字符位后面是一位校验位（也可以没用校验位）；以“停止位”结束，其长度为1、1.5或2个码元，极性皆为“1”；停止位后面是补丁长的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值为1），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。表4.3.1总结了异步通信时每位的信息格式。 表4.3.1 异步通信的信息格式位名称极性 位数 起始位 逻辑0 1位 数据位 逻辑0或逻辑1 5位、6位、7位、8位 校验位逻辑0或逻辑1 1位或无 停止位 逻辑1 1

41、位、1.5位或2位 空闲位 逻辑1 任意数量在串行通信中，数据通常是校验、偶校验和无校验，由用户根据需要选定。在发送端和接收端之间进行传送，根据数据传送的方向，可分成三种基本的传送形式：单工、全双工和半双工。单工形式的数据传送是单向的，只需要一根数据线。半双工形式的数据传送是双向的，但任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。半双工形式比单工形式灵活，但它的效率依然较低，从发送方式切换到接收方式所需要的时间大约为数个毫秒，这个时间延迟在对时间较为敏感的系统中是无法容忍的。全双工形式下，采用了信道划分技术，避免了半双工形式的缺点，数据传送是双向的，且可以同时发送和接收数据。本系统采用了效

42、率较高的全双工通信形式。4.4 系统硬件抗干扰技术目前，对于无线传输系统以及工业控制系统的可靠性问题是人们十分关心与重视的，尤其是抗干扰问题已经成为计算机应用方面的关键性问题。由于干扰将破坏系统的正常运行，因此必须采取强有力的抗干扰措施。本系统采取的硬件抗干扰措施主要有：接地技术、电路板合理布局和布线、采用“看门狗”电路。（1）接地技术接地技术一般来说有两种方法：单点接地：单点接地一般可分为串联单点接地和并联单点接地。当使用串联单点接地时候, 电路与地线的连接点对地的电位不同, 而且其中任何一个连接点的电位都受到任何其它的电路电流变化的影响, 即公共地线电阻耦合干扰。并联单点接地指各个电路的地

43、线只有一点汇合。各电路的对地电位只与本电路的电流和接地电阻有关, 就消除了公共地线电阻耦合干扰。多点接地：含有高频信号的电路经常采用多接地点，减少对系统高频信号的干扰。数字地与模拟地的处理方法：在单片机系统中，若需要采集的参数包括模拟信号和数字信号，则相对应的在电路板上，既有模拟电路， 又有数字电路。一般采用将模拟信号和数字信号的“地”分别接到仪器的模拟地和数字地上， 这是因为数字地信号波形有陡峭的边沿，数字电路的地电流呈现脉冲变化，如果模拟电路与数字电路共用一根地线，也就是说，数字地与模拟地不分类别地连接，那么数字地中的电流就会通过公共地阻抗的耦合将给模拟电路引入瞬态干扰，特别是对于电流大、

44、频率高的脉冲信号，则干扰更大。正确的方法是这样的：系统的模拟地和数字地分别连接在一起, 最后汇合到一点上, 即与系统地相连。机壳接地。在单片机系统中，通常是把数字电子装置和模拟电子装置的工作基准地悬空， 而设备外壳或机箱采用屏蔽接地。浮地方式可以使微机系统不受大电流的影响，提高了系统的抗干扰的性能。（2）电路板合理布局和布线合理的布局与布线有利于减少系统本身产生的干扰，提高系统的抗干扰能力，本系统电路板布局和布线方面采取了如下措施：电源模块采用星型拓扑布线，即将数字部分，模拟部分及射频部分的电源线分别直接从总电源线引出，并采用适当的电容解藕。尽可能加大电源线宽度，以减少环路电阻。使电源线、地线

45、的走向与数据传递的方向一致，以提高抗干扰能力。使信号走线粗细一致，这样有利于阻抗匹配。尽可能的减少所布信号线的长度以及各元器件之间的连线的长度，以减少分布参数和相互间的电磁干扰。设计一个可靠的地平面，接地层确定后，将所有的信号地以最短的路径连接到地层，电源地直接与射频模块的地相连。电路板的空白区域全部进行敷铜处理。（3）采用“看门狗”电路外部干扰可能使微处理器内部程序指针错乱，导致系统死机或者程序跑飞干扰也可能使RAM内数据出现混乱导致系统运行出错。为了在因干扰而死机或程序跑飞时能自动纠正，本系统使用的AT89S52微控制器内嵌看门狗（WDT）电路。 第36页 共86页5、系统电路原理图6 系

46、统软件本系统的软件部分采用C51编程，在Keil环境下运行。Keil软件是基于80C51内核的微处理器软件开发平台。既可以实现软件编译，(asrn编译为hex)，也可以配合仿真模块实现硬件仿真。设计时我们首先要确定完善的思路，充分考虑传感器和无线收发器之间的时序问题，既要让程序简单又要降低无线数据传输的误码率，提高系统的抗干扰能力，保证系统稳定工作。6.1 温度数据采集端软件设计温度数据采集端由AT89S52 作为核心处理器件， 把经过DS18B20 现场实时采集到的温度数据，存入AT89S52 的内部数据存储器，同时通过无线收发器nRF905发送数据接收端。此部分数据处理流程如图6-1所示。

47、温度采集AT89S52微控制器数据发送图6-1 温度数据采集端数据处理流程图DS18B20首先接收到AT89S52发送的复位脉冲完成复位，接着发送ROM操作命令，使DS18B20被激活进入接收内存访问命令状态。内存访问命令状态完成温度转换、读取等工作。系统以ROM命令和存储器命令的形式对DS18B20操作。DS18B20对时序及电气特性参数要求较高，必须严格按照DS18B20的时序要求去操作。DS18B20数据的读写由微控制器AT89S52读写时间来完成，包括初始化、读数据和写数据。控制器对DS18B20操作之前必须先初始化，即控制器发送复位脉冲（最短为480us的低电平），接着释放总线进入接

48、收状态。DS18B20在检测到P3.5引脚的上升沿之后，等待一段时间后发出存在脉冲。将数据线从高电平拉至低电平产生写起始信号。而控制器将数据线从高电平拉至低电平1us以上，再使数据线升高为高电平从而产生读起始信号。温度数据采集程序流程图如图6-2所示。向DS18B20发送初始化脉冲初始化成功？向DS18B20发送44H启动温度转化向DS18B20发送初始化脉冲向DS18B20发送BEH准备取温度取出温度值及CRC校验位CRC校验转化结束？初始化成功？YYYYNNNN向DS18B20发送CCH向DS18B20发送CCH保留该温度，并作提高精度运算，返回舍弃该温度，返回等待下一次采集报错返回报错返

49、回 图6.-2 温度数据采集程序流程图微控制器控制对DS18B20完成温度转换必须进过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。为保证DS18B20的严格I/O时序，需要作较精确的延时。在DS18B20的操作中，延时分两种:短时间延时和较长时间延时。短时间延时指10us以下的延时，在汇编语言下采用若干个NOP指令即可。因C51提供了若干内部函数，_nop_()函数为其中之一，其编译结果就是在对应位置嵌入一个nop汇编指令，因此，短时间延时可利用_nop_()函数实现。较长时间延时指10us以上

50、的延时。在DS18B20操作中，用到的较长时间延时有15us，90us，270us，540us等。因这些延时均为15us的整数倍，因此，可编写一个Delay1(n)函数，用该函数进行大约1us×n的延时。当传感器采集到有效数据时将准备通过nRF905无线收发模块发送给接收端。与射频数据包有关的高速度数据处理都在nRF905片内自动进行，由于nRF905采用ShockBurst模式，因此即使使用低速的微处理器也能获得很高的射频数据发射速率。nRF905发送数据的具体过程如下： MCU通过置低nRF905的TRX_CE引脚将nRF905置于待机模式，开始与nRF905进行SPI通信； MCU通过SPI接口把发送目的地址写入nRF905发送地址寄存器TX_Address； MCU通过SPI接口将发送有效数据写入nRF9