基于单片机的多机通信在一体化控制系统的应用

1、 基于单片机的多机通信在一体化控制系统的应用摘 要目前，在通信领域里，一对一的通讯方式已经远远不能满足人们设计的需要，多机通讯已经成为通讯领域的主流通讯方式。单片机多级通讯是指两台以上单片机组成的网络结构，可以通过串行通讯方式共同实现对某一过程的最终控制。然而，单片机对网络数据的处理方式不同于通用计算机系统，并且功能太过于局限性，在一定程度上阻碍了单片机在控制系统方面的应用。因此，一体化控制系统开始被人们重视。一体化控制是一种全新的工业控制理念，其集成度高，可把动力机构、执行器、计算机和传感器等相互构成一个功能完善自动化系统本设计是一个由单片机构成的温度一体化控制系统，它利用8051单片机和D

2、S18B20等其他器件实现。体现了多机通信的实用性，充分发挥了单片机在实时数据采集和数据管理上的优点以及一体化控制系统的优越性。温度测量部分工作原理是单片机利用DS18B20对温度进行采集，然后进行无线发送，接收端收到信号后，进行解码，之后实现温度显示。温度控制部分工作原理是由键盘输入欲设定的温度。温度控制信号送入CPU处理，通过PID算法输出控制信号，经无线收发电路发射出去，接受端收到信号经CPU处理控制半导体温控装置达到欲设定的温度。关键词：单片机，无线发送接收，温度控制，LED显示，定时MULTI-MACHINE COMMUNICATION IN THE INTEGRATED CONTR

3、OL SYSTEMABSTRACTAtpresent,intheareaofcommunication,one-waycommunicationcannotsatisfytheneedsofpeoplewhentheymakedesign.Multi-machinecommunicationhasbecometothemaintoolsofcommunications.SingleChipMulti-levelcommunicationmeansonenetworkstructurewhichcomposedbymorethantwoSCM.Itcancontroltheworkthrough

4、acommonserialcommunicationfinally. However, the SCM approach on the network data is different from general-purpose computer systems, and functions are too limited, to some extent, hindered the SCM applications in control systems. Therefore, integrated control systems began to be much attention. Inte

5、grated control is a new concept of industrial control, its high integration, can the power sector, actuators, sensors, computers and each other to form a fully functional automated system.What this text introduction is a constitutes to from the single slice machine of wireless temperature control sy

6、stem, it make use of 8051 single slice machine and other spare part realizations such as the DS18 B20 and figures tube etc. Reflects the practicality of multi-machine communication, give full play to the MCU in real-time data acquisition and data management advantages as well as the advantages of in

7、tegrated control systems.Temperatures measuring a part work principle is a single slice machine to make use of the DS18 B20 rightness temperatures to carry on collect, then carry on a wireless to send out, carry on a decoding after receiving to carry to receive signal, after carry out a temperature

8、manifestation.Temperature control part work principle from keyboard importation desire enactment of temperature.The temperature control signal sends into CPU a processing, output control signal through a PID calculate way, Be received and dispatch electric circuit blast-off to go out by wireless and

9、 accept to carry to receive signal to control the semi-conductor Wen Kong4s device to attain the temperature of desire enactment through the CPU processing.KEY WORDS：microcontroller, wireless transmission and reception, temperature control, LED display, timing目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc26394

10、9925 前言 PAGEREF _Toc263949925 h 1 HYPERLINK l _Toc263949926 第1章 概述 PAGEREF _Toc263949926 h 2 HYPERLINK l _Toc263949927 1.1 课题的研究目的和意义 PAGEREF _Toc263949927 h 2 HYPERLINK l _Toc263949928 1.2 课题背景 PAGEREF _Toc263949928 h 3 HYPERLINK l _Toc263949929 1.3 课题来源 PAGEREF _Toc263949929 h 4 HYPERLINK l _Toc26

11、3949930 第2章 系统方案的总体设计 PAGEREF _Toc263949930 h 5 HYPERLINK l _Toc263949931 2.1 系统方案构想 PAGEREF _Toc263949931 h 5 HYPERLINK l _Toc263949932 2.2 系统方案的确定 PAGEREF _Toc263949932 h 5 HYPERLINK l _Toc263949933 2.2.1 系统控制及数据处理模块方案 PAGEREF _Toc263949933 h 5 HYPERLINK l _Toc263949934 2.2.2 传感器方案 PAGEREF _Toc263

12、949934 h 6 HYPERLINK l _Toc263949935 2.2.3 短距离无线通信模块方案 PAGEREF _Toc263949935 h 7 HYPERLINK l _Toc263949936 2.3 器件的选用 PAGEREF _Toc263949936 h 8 HYPERLINK l _Toc263949937 2.3.1 数字式温度传感器的选择 PAGEREF _Toc263949937 h 8 HYPERLINK l _Toc263949938 2.3.2 无线收发芯片的选择 PAGEREF _Toc263949938 h 9 HYPERLINK l _Toc263

13、949939 2.3.3 键盘显示模块的选择 PAGEREF _Toc263949939 h 9 HYPERLINK l _Toc263949940 2.3.4 温度控制模块的选择 PAGEREF _Toc263949940 h 10 HYPERLINK l _Toc263949941 第3章 电路的硬件设计 PAGEREF _Toc263949941 h 11 HYPERLINK l _Toc263949942 3.1 总体设计方案 PAGEREF _Toc263949942 h 11 HYPERLINK l _Toc263949943 3.1.1 多机通信一体化原理 PAGEREF _To

14、c263949943 h 11 HYPERLINK l _Toc263949944 3.1.2 系统总体结构设计 PAGEREF _Toc263949944 h 11 HYPERLINK l _Toc263949945 3.2 温度采集部分电路设计 PAGEREF _Toc263949945 h 12 HYPERLINK l _Toc263949946 3.2.1 温度数据采集硬件接口电路 PAGEREF _Toc263949946 h 12 HYPERLINK l _Toc263949947 3.2.2 数字式温度传感器 DS18B20 PAGEREF _Toc263949947 h 13

15、HYPERLINK l _Toc263949948 3.3 无线收发电路的设计 PAGEREF _Toc263949948 h 17 HYPERLINK l _Toc263949949 3.4 单片机的选择 PAGEREF _Toc263949949 h 19 HYPERLINK l _Toc263949950 3.5 键盘显示电路的设计 PAGEREF _Toc263949950 h 19 HYPERLINK l _Toc263949951 3.5.1 键盘硬件电路的设计 PAGEREF _Toc263949951 h 19 HYPERLINK l _Toc263949952 3.5.2 显

16、示电路的设计 PAGEREF _Toc263949952 h 20 HYPERLINK l _Toc263949953 第4章 系统的软件设计 PAGEREF _Toc263949953 h 22 HYPERLINK l _Toc263949954 4.1 主程序设计 PAGEREF _Toc263949954 h 22 HYPERLINK l _Toc263949955 4.1.1 PC机发送接受文件子程序 PAGEREF _Toc263949955 h 22 HYPERLINK l _Toc263949956 4.1.2 单片机查询发送子程序 PAGEREF _Toc263949956 h

17、 25 HYPERLINK l _Toc263949957 4.1.3 上位机及下位机主程序 PAGEREF _Toc263949957 h 27 HYPERLINK l _Toc263949958 4.2 子程序设计 PAGEREF _Toc263949958 h 30 HYPERLINK l _Toc263949959 4.2.1 温度测量子程序 PAGEREF _Toc263949959 h 30 HYPERLINK l _Toc263949960 第5章 发展与展望 PAGEREF _Toc263949960 h 31 HYPERLINK l _Toc263949961 5.1 多机通

18、信的发展现状与未来 PAGEREF _Toc263949961 h 31 HYPERLINK l _Toc263949962 5.2 展望 PAGEREF _Toc263949962 h 31 HYPERLINK l _Toc263949963 结论 PAGEREF _Toc263949963 h 32 HYPERLINK l _Toc263949964 参考文献 PAGEREF _Toc263949964 h 33 HYPERLINK l _Toc263949965 致谢 PAGEREF _Toc263949965 h 35 HYPERLINK l _Toc263949966 附录 PAGE

19、REF _Toc263949966 h 36 HYPERLINK l _Toc263949967 外文资料翻译 PAGEREF _Toc263949967 h 46前言多机通讯是一项系统工程，使用的各个部件的性能都会影响整个网络的性能，同时，新的工艺、新的技术层出不穷。随着单片机和计算机技术的不断发展，单片机的应用也从独立的单机向网络发展，由计算机和单片机构成的多机网络系统已成为单片机技术发展的一个方向。二者的结合，充分发挥了单片机在实时数据采集和数据管理上的优点。单片机在计算机的网络通讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理等都有广泛地应用，已渗透到我们生活的各个领域。许多应用都涉及

20、到单片机多机通信。随着计算机技术的发展，单片机的应用也从独立的单机向网络发展，由计算机和单片机构成的多机网络系统已成为单片机技术发展的一个方向。多机通讯技术也在不断地发展，随着控制系统的复杂化，多机通讯已经越来越成为人们热门的话题之一。一体化控制系统讲究的是整体性。要想实现一体化控制，把多个分散的系统连接起来。必须要实现他们之间的通信。多机通讯已经成为通讯领域的主流通讯方式。一体化控制是一种全新的工业控制理念，其集成度高，可把动力机构、执行器、计算机和传感器等相互构成一个功能完善自动化系统。一体化最重要的就是各模块彼此通信，所以一体化中实现多机通信意义重大。然而，单片机对网络数据的处理方式不同

21、于通用计算机系统，尤其有的单片机只提供8位的数据收发接口，在一定程度上阻碍了单片机在网络方面的应用。因此，采用单片机技术与计算机网络技术相结合的办法 ，对单片机多机通信系统进行研究，在设计单片机网络的通信协议的基础上，系统网络拓扑结构采用总线型拓扑结构，网络接口电路采用端口转发的形式，实现了8位单片机多机通信。本设计是一个由单片机构成的温度一体化控制系统，它利用8051单片机和DS18B20等其他器件实现。体现了多机通信的实用性，充分发挥了单片机在实时数据采集和数据管理上的优点以及一体化控制系统的优越性。温度测量部分工作原理是单片机利用DS18B20对温度进行采集，然后进行无线发送，接收端收到

22、信号后，进行解码，之后实现温度显示。 概述 课题的研究目的和意义目前，在通信领域里，一对一的通讯方式已经远远不能满足人们设计的需要，多机通讯已经成为通讯领域的主流通讯方式。多机通讯是一项系统工程，使用的各个部件的性能都会影响整个网络的性能。随着计算机技术的发展，单片机的应用也从独立的单机向网络发展，由计算机和单片机构成的多机网络系统已成为单片机技术发展的一个方向。二者的结合，充分发挥了单片机在实时数据采集和数据管理上的优点。多机通讯技术也在不断地发展，随着控制系统的复杂化，多机通讯已经越来越成为人们热门的话题之一。一体化控制系统讲究的是整体性。要想实现一体化控制，把多个分散的系统连接起来。必须

23、要实现他们之间的通信。在现代工业控制领域，控制系统要求需要具有极高的可靠性外，还必须具有极其高的实时性以及友好的人机交换界面，还需要有极大的可扩展性。8051单片机在具有良好的可扩展性方面只需要更换某些芯片便可以对控制系统的很多方面进行扩展以及进行大规模的实施单片机控制系统通信。从而省掉了以前得单一的控制系统，从而实现对某一区域内大规模控制系统的通信。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

24、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。这里介绍的便是一个把多机通信一体化控制系统应用在温度控制上的一个简单的设计。 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

25、多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、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。单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛

26、采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿（Princeton）结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛（Har-vard）结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。单片微型计算机自从问世以来，作为微型计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单，价格低廉等优点，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成就。本文讨论的单片机无线温度控制系统的核心是目前应用极

27、为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的温度测量和显示系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对805

28、1单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型5,16。本设计也简单阐述了数控系统的工作原理及其应用，并在此基础上简单设计了它们的系统组成、硬件结构、软件结构以及数控系统的应用。同时从实际应用的角度，探讨了一种由主控机和终端机构成的分布式控制系统中的多机通信系统,讨

29、论了多机通信的网络结构、连接方式和软件通信协议,分別给出了多机通信系统中主机和终端机通信的流程图,提出了数字通信和微处理机系统的抗干扰措施。 课题来源在日常生活和工作中，我们常常用到温度控制，温度控制系统广泛应用于汽车, 锅炉, 电子, 化工等各个领域。早期常用的一些温度控制系统都使用模拟电路设计制作的，有些使用热敏电阻，有些使用铂电阻，有些使用热电偶，还有些使用PN结，其准确性和精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，这种产品功能强，是前者的换代之物。随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用

30、于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。测量和显示的控制。在本设计上按照个人的意图稍加扩展，就可以实现更多更强大的功能。 系统方案的总体设计 系统方案构想温湿度的检测有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多种。因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。系统采用近几年来成熟的各种温湿度传感技术、短距离无线通信技术、数据处理控制技术和功能化模

31、块来构造基本的系统功能。系统的功能往往决定了系统采用的结构，本系统要实现的是温湿度数据的测量、存储、显示及后期处理等功能，因此，系统的总体结构可以构想为温湿度采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块等几大部分。系统方案在温湿度数据采集部分主要有三种构想：一是温湿度传感器选用传统的模拟式器件，二是选用集成式器件，三是选用数字式传感器；在短距离无线通信部分主要有三种构想：一是采用蓝牙技术，二是采用红外线技术，三是选用无线数传模块；在系统控制和数据处理部分也有两种构想：一是采用单片机控制，二是采用 DSP 进行处理。 系统方案的确定 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

32、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

33、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 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

34、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1,5。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。 传感器方案传统的模拟式

35、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

36、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

37、数字式。 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 10m20。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、

38、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

39、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。 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

40、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13。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 MC

41、U 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。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 0.18s 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 输入 12 位 ADC、125 频道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT 全部集成到单芯

42、片中；内部有电压调节器（工作电压 1.9）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 频段、勿需申请通信许可证20。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。 键盘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（

43、LCD）和数码管显示器（LED）。液晶显示器在使用中有许多注意事项：不能对它长期施加直流电，否则易造成显示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意，温度不能太高也不能太低；防止紫外线的直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地。可见液晶显示器在使用中有众多的限制条件，但它同时也有一定的优势，其中最明显的就是低功耗，消耗电流一般是 pA 级的。数码管显示器不同与液晶显示器，它对电源没有特殊要求，受环境温度的影响不大，不怕阳光的照射，也没有严格的防静电要求，而且它的显示亮度要比液晶显示器亮许多，适于安装在室内、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显

44、高于液晶显示器。本系统由于要适合在不同环境条件下使用，所以选用数码管显示器。本系统采用五位数码管，两位用来显示当前温度，两位用来显示欲设定的温度，一位用来显示当前状态。在本系统中，键盘由四个键组成，即温度增加键、温度减小键、确认键和取消键。因按键很少，所以采用独立式键盘。 温度控制模块的选择温度控制单元是系统的执行器件，是系统的最后一个环节，也是系统中最重要的一部分。目前制冷系统主要包括空气循环制冷系统、蒸汽压缩制冷系统、使用氨水的吸收式制冷系统和近几年发展起来的半导体制冷系统。目前制热技术主要有太阳能吸收热量、煤炭燃烧制造热量、热泵和近几年发展起来的半导体制热系统。其中半导体制冷制热是利用特

45、种半导体材料通过直流电时产生低温高温的一种制冷制热方式，由于它弥补了其它制冷制热方式的不足，在当今世界的人下制冷制热技术中占有独特的地位。所以本系统选择半导体制冷制热器件。电路的硬件设计 总体设计方案 多机通信一体化原理多机通信是指2台以上计算机之间数据传输的协调工作.主从式多机通信是多机通信中应用最广的一种.主机可以是PC机或单片机,从机一般采用单片机。将一机设为主机，其他设为从机，将从机编号，并存起来，通信时，主机若要对所有机器通信，刚发出一个自己设定好的信号，若要对某一特定机器通信，则发出该机器的编号，各机收到通信请求命令后，将命令与自己存的编号对比，看主机是不是要与本机通信，是，接收后

46、边的信号，不是，则不接收。其工作系统如图3-1所示：图3-1 多机通信原理图系统总体结构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图3-2所示。数字温度传感器DS18B20中央控制单元8051无线收发电路nRF401半导体制冷制热器件中央控制单元8051无线收发电路nRF401键盘显示模块图3-2 系统结构框图系统由温湿度数据采集模块、键盘显示模块、无线数据收发模块、温度控制模块等部分组成。温度采集部分工作原理是由数字温度传感器测温并把数据传到CPU，由CPU处理通过无线收发电路向外发送信号，接收端收到信号经CPU处理在数码管上显示出来。温度控制部分

47、工作原理是由键盘输入欲设定的温度。温度数据信号送入CPU处理，通过无线收发电路发射出去，接受端收到信号经CPU处理控制半导体温控装置达到欲设定的温度。 温度采集部分电路设计 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，用一只DS18B20 型单线数字式集成温度传感器组成温度采集网络。其温度采集网络框图如下图3-3所示：VCCGND8051DS18B20图3-3 温度采集网络框图 数字式温度传感器 DS18B20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

48、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18。它的主要技术特性如下：（1）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；（2）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；（3）测温时无需任何外部元件：（4）可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式：（5）测温范围为-55+125，测温精度为：（6

49、）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 750ms18。因为它是数字输出，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。1DS18B20 的结构DS18B20 主要由四部分组成。（1）64 位光刻 ROM 数据存储器（2）温度传感器（3）非易失性电可擦写温度报警触发器 TH 和 TL（4）非易失性电可擦写设置寄存器如图3-3 所示，器件只有 3 根外部引脚，其中 VD

50、D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 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

51、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

52、 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。其结构图如下3-4所示：GND存储器和控制逻辑温度传感器高温度触发器TH低温度触发器TL64位ROM和单线接口VDDVDDDQ供电方式检测便笺式存储器CRC发生器图3-4 DS18B20的结构框图2. 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 3-5 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

53、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。低温度系数振荡器 高温度系数振荡器停止+1预置计数器温度寄存器=0计数器=0斜率累加器预置比较器图3-5 DS18B20的

54、测温原理3. 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 DS1820 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

55、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20K

56、bit/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30226mm3。20nRF401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

57、。基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需的基准频率。本机振荡用锁相环（PLL）方式，由在DDS基础上的频率合成器、外接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。接收电路包含有：低噪声放大器、混频器、FSK解调器、滤波器等电路。接收电路中，低噪声放大器放大输入的射频信号，接收灵敏度-105dBm。混频器采用级混频结构，混频器的输出信号经中频滤波器滤波后送入FSK解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端（第10脚）输出。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

58、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（）；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3-6，引脚图3-7。DEMOSCPLLVCOPA图3-6 nRF401内部结构图20191817161514131211XC1VDDVSSFILT1VCO1VCO2VSSVDDDINDOUTXC2TXENPWR_UPVSSANT1ANT2VSSVDDCSRF PWRDOUT图3-7 nRF401引脚图 单片机的选择单片机体积小、

59、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易，自问世以来以其极高的性价比一直受到人们的重视和关注。因8051单片机技术比较成熟，价格比较低，且本次设计对单片机的性能要求比较低，所以选择8051单片机。 键盘显示电路的设计 键盘硬件电路的设计按键是一组常开的按键开关,每个按键都被赋予一个代码,称为键码.按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间

60、。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文在软件中采用了相应的软件程序来消除抖动。当发现有键按下时，延时10-20ms再查询是否有键按下，若没有键按下，说明上次查询结果为干扰或抖动；若仍有键按下。则说明闭合键已稳定。本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。电路如图3-8。P10口表示确认键。P12口表示数字“+“键，按一下温度数值加1。P14口表示数字“-”键，按一下温度数值减1。P16口表示取消键。10K4+58051 P10 P12P14P16开关开关开关开关图3-8 键盘电路框图 显示