毕业设计（论文）-无线温度传感系统节点设计

武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）说明书论文题目无线温度传感系统节点设计学号学生姓名专业班级测控技术及仪器一班指导教师总评成绩2015年6月1日武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）1目录摘要1ABSTRACT2第一章绪论311本课题背景与意义312本课题研究现状413本课题的任务5第二章系统方案的总体设计721无线温度采集系统总体介绍722温度采集节点介绍723单片机选型824无线模块选型1225温度传感器选型16第三章硬件设计2231PROTELDXP介绍2232PROTELDXP画电路原理图2233PROTELDXP画PCB板2334DS18B20原理图和PCB图设计25第四章软件设计3241IAR编程软件3242DS18B20温度采集程序设计3243NRF905集程序设计33第五章系统调试40第六章结论42致谢43参考文献44武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）2摘要本文介绍的是一个由单片机构成的无线温度控制系统，它利用8051单片机和DS18B20及数码管等其他器件实现。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。本文对硬件和软件进行了框图设计，PROTEL原理图设计，程序框图设计，源程序设计，文后附录了完整源程序。随着工农业生产对温湿度的要求越来越高，准确测量温度变得至关重要。本文设计主要是针对恶劣环境下的工业现场以及高科技大范围的农业现场，布线困难，浪费资源，占用空间，可操作性差等问题做出的一个解决方案。该方案主要是利用热电偶采集外界的温度，利用无线传输实现在上位机显示采集到的温度，并对数据进行相应的对比和处理。关键词温度数据采集；无线传输；单片机；PC机武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）3ABSTRACTISINTRODUCEDINTHISPAPERAWIRELESSTEMPERATURECONTROLSYSTEMCOMPOSEDOFSINGLECHIPMICROCOMPUTER,WHICHUSES8051SINGLECHIPMICROCOMPUTERANDDS18B20ANDOTHERDEVICESTOREALIZEDIGITALTUBE,ETCTEMPERATUREMEASUREMENTPARTOFTHEWORKINGPRINCIPLEISSINGLECHIPMICROCOMPUTERUSINGDS18B20THETEMPERATUREACQUISITION,ANDTHENWIRELESSLYTOSEND,THERECEIVINGENDAFTERRECEIVINGTHESIGNALS,DECODING,THENREALIZETHETEMPERATUREDISPLAYWORKINGPRINCIPLEOFTHETEMPERATURECONTROLPARTCONSISTSOFTHEKEYBOARDTOSETTHETEMPERATURETEMPERATURECONTROLSIGNALISSENTTOTHECPUPROCESSING,THEOUTPUTCONTROLSIGNALTHROUGHTHEPIDALGORITHM,LAUNCHEDBYTHEWIRELESSTRANSCEIVERCIRCUIT,SIGNALRECEIVERRECEIVEDTHECPUCONTROLTHETEMPERATUREOFTHESEMICONDUCTORTEMPERATURECONTROLDEVICETOACHIEVETHEDESIRETOSETTHISPAPERINTRODUCEDTHEBLOCKDIAGRAMOFHARDWAREANDSOFTWAREDESIGN,PROTELSCHEMATICDESIGN,PROGRAMBLOCKDIAGRAMDESIGN,SOURCEPROGRAMDESIGN,THETEXTAFTERAPPENDIXACOMPLETESOURCEPROGRAMASTHEDEMANDISHIGHERANDHIGHER,INDUSTRIALANDAGRICULTURALPRODUCTIONOFTEMPERATUREANDHUMIDITYACCURATELYMEASURINGTEMPERATUREBECOMESVERYIMPORTANTDESIGNEDMAINLYFORHARSHENVIRONMENTSOFINDUSTRIALFIELDANDAWIDERANGEOFHIGHTECHAGRICULTURE,WIRINGDIFFICULTIES,WASTEOFRESOURCES,TAKEUPTHESPACE,ISSUESUCHASDIFFERENCEOFOPERABILITYOFASOLUTIONTHESCHEMEMAINLYUSINGTHERMOCOUPLETEMPERATUREGATHERINGOUTSIDE,USINGWIRELESSTRANSMISSIONSHOWEDTHATTHETEMPERATUREOFTHECOLLECTEDINTHEUPPERMACHINE,ANDTHECORRESPONDINGCOMPARISONANDDATAPROCESSINGKEYWORDSTEMPERATUREDATAACQUISITIONWIRELESSTRANSMISSIONSINGLECHIPMICROCOMPUTERTHEPC武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）1第一章绪论在科学研究和实践工作中，物体的温度多次被测量，例如在工业生产中测量钢板表面温度，测量窑瓷器生产时表面温度，测量种植大棚温室的温度。温度是一个重要的物理量，是一种生产过程中最常见和最重要的的工艺参数。随着科学技术的发展，温度的测量越来越精确，测量的范围也越来越广，所以研究温度测量至关重要1。11本课题背景与意义现如今，微处理技术迅速发展，数据采集系统在生活生产中迅速的应用。数据采集和检测是信息科学的一个重要分支，主要是收集，存储和信息数据的处理。它主要是对各种相关参数的采集，然后发送到计算机，根据计算机进行相应的计算和处理的不同要求，得出的数据。同时，根据需求对数据显示和存储，从而实现对某些物理量的监测，数据采集通常需要花费大量的时间，快速的处理速度，这将产生大量的数据，需要进行有效的监测和控制生产，对数据的组织，存储，处理，提高生产效率。许多企业主张对设备进行预防性的维护，通常是对温度的监测，温度太高或太低会引起故障的发生。只有实现在线温度的监测才可以保证设备的安全运行。温度太高的电气材料，物理性能和机械强度会降低，接触电阻值会增大，持续通电状态会使设备连接点加速氧化，氧化会使接触部分的电阻值进一步增大，不断加热，温度继续上升，最终导致高温。温度太高是一个不断发展的过程，如果不控制，温度将上升，每一次温度增大，接触部分的电阻值都会增加，会使下一个循环热量增加，温度继续上升，最终导致了一个恶性循环，影响设备的使用寿命。传统的温度测量方法时间长，施工方法复杂，效率低，管理难度大。失败后，它会花费大量的精力来处理和铺设线路。在许多特殊的恶劣环境，许多温度测量方法不能使用。无线温度检测系统，是汇集无线传输技术，数字识别技术，先进的传感器技术，低功耗技术，自动化控制技术和抗干扰技术的高技术产品。由无线温度显示，无线温度传感器，后台管理系统组成。可以在各种各样的恶劣环境中进行测量温度的预警，方便工作人员及时掌握设备的运行。该系统可通过电子地图显示温度场的分布，并能及时发现温度异常，从而采取措施防止事故的发生。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）212本课题研究现状下面介绍在无线传输和温度检测方面的研究现状121无线传输技术研究现状网络终端随着网络和通信技术的飞速发展而无处不在，计算机越来越方便大众，智能程度不断提升，越来越多的能够接入无线网络的电子设备开始出现，已经逐渐融入人们的日常生活和工作。便携式移动终端和无线通信技术得到了极大的发展，已经广泛应用于我们的日常生活中，无线通信技术主要是GSM，CDMA，GPRS，蓝牙，红外线，1WLANIEEE80211X，ZIGBEE，IRDA，UWB以及微功率短距离无线通信技术2。IRDA是一种视距传输技术，通信设备的中间必须没有任何障碍，通信设备的位置也需要一个相对固定的，这不适合移动数据传输；其次，IRDA可以实现点对点无线通信，但无法完成点对多点无线通信；最后，IRDA核心部件易损坏、设备使用寿命有限。蓝牙专为短距离无线数据传输设计，10米的有效传输距离，传输速率为IOM。从蓝牙技术正式公布到现在，蓝牙技术还没有得到广泛应用，因为芯片的价格相对高的。嵌入式无线射频收发芯片的的基础上开发出的无线数据传输技术是近年来发展起来的，其核心技术是嵌入式无线射频收发芯片一体技术。嵌入式无线射频收发一体芯片是近年来的一个新的无线传输芯片，该芯片将信号调制，发射和接收，数字接口的功能集成在一个芯片上，具有价格低，外围电路简单，体积小巧，通信，可靠性高，抗干扰能力强，传输速度快等许多优点。同时，嵌入式无线射频收发一体芯片使用标准的数字通信接口，如SPI，UART，等，可以用DSP和单片机组合使用，非常方便。基于嵌入式的无线射频收发一体芯片的优势，嵌入式无线射频收发一体芯片方便解决低速率无线数据传输3。IEEE8021LX无线局域网技术，基于计算机网络技术的发展而来，是专门为计算机网络通信而设计的无线通信技术，有效传输距离为50米，传输速率从LLMD到54M，经常用在商场学校等场所。基于IEEE80211X无线局域网技术的无线数据传输设备的开发成本高，安装和调试复杂，维护困难。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）3基于GSM，CDMA和GPRS的数据传输技术无线通信网络是近年来发展起来的，一个新的无线数据传输技术，是基于GSM，CDMA，GPRS无线数据传输技术的无线通信网络，因此传输距离没有限制，只要是GSM，CDMA和GPRS无线通信网络的覆盖区域都可以无线数据传输。基于GSM，CDMA和GPRS的数据传输技术的传输速率为10KB60KB，由于其采用GSM，CDMA和GPRS的无线通信网络进行无线数据传输，所以运营成本很高4。122温度测量技术研究现状目前各种温度测量方法种类繁多，应用范围广泛，主要包括以下几种热电效应法。这种方法的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，是目前应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单，加工方便，精度高等一些优点，缺点是冷端需要温度补偿。热辐射原理法。热辐射高温计的原理是物体受热后，根据受热对象的性质，热辐射可以被吸收，传递或反射。加热体发出的辐射能量与其温度有关。微波温度检测器原理是在不同温度下，温度和控制电压之间呈现线性关系。该探测器的灵敏度为250KHZ，精度为1，检测范围为20。热电阻效应法。电阻温度测量元件利用传感元件电阻的温度变化的性质，通过阻值的变化间接得到温度。其特点是稳定性好，耐高温，缺点是当传输线长度不等，需要进行温度补偿。陶瓷热敏元件的使用本质和半导体的电阻温度特性有关，主要优点是具有很高的灵敏度，缺点是一致性差，而现在由于问题已被解决。声学测量法。近年来开发了声学温度检测技术可用于检测炉内烟气温度，以及炉内的燃烧状况，调整和实时控制温度。其基本原理是对声学传感器的声波传播时间以最小二乘法重新建立温度的测量5。由于现在微电子技术和计算机技术及自动测试技术发展迅猛，通过把温度传感器和数字电路集成在一起开发出新的数字温度传感器电路。数字温度传感器通常包含一个温度传感器，信号处理器，A/D转换器，存储器和接口电路，有的产品还带多路选择器，CPU，随机存取存储器和只读存储器。通过和模拟传感器相比，数字传感器在分辨率，精度，可靠性和抗干扰能力方面展现出极大的优势，输出温度数据及相关的温度控制数量能适应各种微控制器。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）413本课题的任务本课题的任务是使用单片机控制温度传感器采集数据，然后将采集的数据传给无线收发模块，最后传输出去。下面介绍具体的步骤了解温度传感器，比较它们的特点，选择功耗低，抗干扰能力强的DS18B20温度传感器。了解单片机，比较它们各自的特点，选择价格低廉，处理能力强，运算速度快，功耗低的MSP430单片机。了解无线收发模块，比较它们的特点，选择性能稳定，程序编写简单的NRF905无线收发模块。最后，根据所选择的芯片设计系统，通过PROTEL和IAR进行硬件和软件部分的仿真，调试，完成整个任务。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）5第二章系统方案的总体设计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。21无线温度采集系统总体介绍如图所示，将多个温度采集节点分布在被测对象的周围，进行温度的采集；温度采集节点采集到被测对象的温度后，将数据发送到温度采集控制器；最后温度采集控制器再将被测对象的数据上传至各种终端，比如电脑网络等。图21无线温度采集系统结构图22温度采集节点介绍如图22所示，采集节点主体是由MSP430构成，是主CPU，上面链接着无限模块NRF905，温度传感器模块DS18B20，一个长期耐用的电源，看门狗芯片，手动复位电路等。图22无线温度采集系统节点硬件结构图武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）623单片机选型MSP430系列单片机是一个16位的混合单片机。它具有精简指令集，超低功耗的特点，在1996出现，因为它的低消耗，片内设计丰富、灵活便捷的特点，从许多单片机系列脱颖而出，受到极大的欢迎。MSP430系列单片机的发展历史有以下三个阶段从1996到2000，这次首次推出33X等系6。430单片机的驱动模块有利于提高系统的集成度。每个系列有三种芯片，分别为ROM，OTP，和EPROM型。EPROM的价格很高，工作温度范围是严格的，一般用于样机开发。这表明这些系列的开发模式，即利用EPROM开发样机，用OTP少量生产，而ROM型适用于产品的大量生产。2000推出11X1、11X，采用20引脚封装，内存容量，内置函数和I/O引脚数较少，具有价格便宜的优点。在这个时候的MSP430具有低功耗的特点，但仍有不足。比如说只有33X系列具有硬件乘法器，足够的I/O引脚等。33X系列的价格相对较高，一般适用于更复杂的应用系统。需要高精度A/D转换时时33X并不适合，这是应选用33X2系列。随着闪存技术的快速发展，TI公司还将该技术用于MSP430系列。2000年F13X/F14X系列推出，之后又推出了推出F44X等一些系列，这些全是FLASH型单片机。同其它单片机相比，由于MSP430系列具有FLASH存储器，在系统的设计，调试和实际应用上表现出明显的优势。TI推出的具有闪存和JTAG边界扫描的低成本开发工具MSPFET430X110，使用了十分高级的JTAG技术和FLASH在线编程技术，并把这些技术用于MSP430。这种结合FLASH技术和FET开发工具的方式，具有组合方便，廉价，实用的特点，为大家提供一个比较理想的样机开发模式。此外，在2001年，TI公司发布了一项新的技术，叫做BOOTSTRAP。使用这种技术，可以在熔丝烧断后只需要几根线就可以改变内部程序的运行。通过这种方式，该系统软件方便升级7。在前一阶段，发展十分迅速，由于使用了新的技术，MSP430功能得到了极大的扩展，所以TI公司在2002和2003又推出了F15X和F16X系列。新系列中，有两方面的发展。首先是在内存上，内存容量大大增加，如内存容量增加到10KB的F1611。因此，我们希望使用MSP430单片机的实时操作系统就不需要担心内存不足了。二是从外围模块来说，增加了DMA，MSP430F169和SVS模块。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）72003，TI公司还推出了适用于无磁传感器模块和电量计算的MSP430FW42X单片机和MSP430FE42X单片机。由于MSP430的开放性，通过运用新的技术，将不断涌现越来越高端的MSP430系列产品。MSP430系列单片机的迅速发展和扩大应用范围，主要根据以下特点MSP430系列单片机是一个使用了精简指令集（RISC）的16位单片机，寻址的方式多样，具有简洁的27内核指令和许多模拟指令；大量的寄存器，片内数据存储器参与各种操作，效率高这保证了可以高效率编译源代码。在运行速度方面，MSP430系列单片机在9MHZ晶体驱动下，实现130NS的指令周期，想实现数字信号处理的某些算法，必须用16位数据宽度相匹配的指令周期，以及多功能的硬件乘法器。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以嵌套，不仅灵活而且方便使用。当系统处于空闲状态的备用状态时，只用7US就能把它的唤醒。超低功耗的MSP430是因为其在降低芯片的电源电压，灵活可控的操作时钟方面具有独创性。MSP430系列单片机1638V的电源电压可以使其运行在2MHZ的时钟条件下，芯片的电流会在300500UA附近，功耗最低可以关闭的时钟只有02UA。在MSP430系列中，一般存在两种不同的时钟系统。有的使用一个晶体振荡器，一些使用两个晶体振荡器）。由系统生成的CPU和各功能所需的时钟产生时钟系统。这些时钟想要控制整体功耗，就必须控制指令的开启和关闭，从而达到。由于该系统工作时模块的功能是不同的，就是说芯片的功耗是不同的操作模式下明显不同的。在系统中，有一个活动模式和五种低功耗模式。在等待模式下，功耗08UA，在节能模式下为02UA。在系统稳定后复位第一电源，通过由DCOCLK启动CPU，确保位置正确的程序开始执行，以确保晶体振荡器有足够的开始振荡和稳定时间。该软件可以设置相应的控制寄存器来确定系统时钟最后的频率，如果在做MCLK时晶体振荡器故障发生，会自动启动DCO，这样就能保证系统正常工作；当程序出错，你可以复位看门狗9。MSP430系列集成了非常丰富的片上外设。他们是10/12ADC，看门狗，定时器，模拟比较器，串口0，1（USART0，1），硬件乘法器，LCD驱动，端口O（P0），端口19（P1不同的一些外围模块P9），基本定时器的组合，I2C总线直接数据存取武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）8等。它允许程序失控时，看门狗立即复位。一些设备更能够异步，同步和多址的串行通信接口，可以非常方便地实现多机通信应用更多的I/O端口，多达69的I/O口线P1，P2，P3口可接收外部上升沿或下降沿的中断输入14/16位硬件A/D转换器具有高转换率，可高达300KBPS的，满足大多数数据采集应用可直接驱动多达180段LCD实现双向10位D/A转换器硬件I2C串行总线接口的串行扩展内存和用于提高数据传输速度，以及利用直接的数据传送（DMA）模块。图23单片机引脚图231主要功能特性低电源电压范围为16V38V超低功耗主动模式200在1MHZ，22V待机模式07关闭模式（RAM保留）02五省电模式从小于6的待机模式唤醒16位RISC架构，指令周期时间为130NS基本时钟模块配置各种内部电阻武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）9单个外部电阻32KHZ晶体高频晶体10点，200KSPS的A/D转换器内部参考，采样和保持，自动扫描，数据传输控制器可编程代码保护安全熔丝232CPU介绍MSP430的CPU有一个16位RISC架构，具有高度的透明性的应用。所有的操作，包括其他的程序流程，是七处理的源操作数和目的操作数寻址方式为寄存器四。MSP430CPU是16位，提供减少指令执行的时间积分。该寄存器到寄存器操作的执行时间为一个周期的CPU时钟。四个寄存器，R0到R3，如程序计数器，一个专用的堆栈指针，状态寄存器和常数发生器，剩余的寄存器通用寄存器。连接到CPU的数据，地址和控制总线的外设，可以处理所有的指令10。233单片机控制模块单片机控制模块由MSP430最小系统组成，其中包括单片机，晶振电路和复位电路。（1）晶振电路晶振电路由两个33PF电容和一个12MHZ晶体振荡器构成（2）复位电路单片复位端低电平有效。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）10图24单片机最小系统24无线模块选型本模块采用基于NRF905的无线射频电路作为数据传输电路。241无线收发模块图25无线收发模块图为基于NRF905无线收发模块。VCC电压33V；CLK时钟输出。该系统无需使用；CD输出，单片机控制，悬在空中GND接地；其他引脚和单片机连接，由单片机控制发送数据，发送数据到单片机。242NRF905无线收发对NRF905来说，前缀和循环冗余校的处理可以自动完成，NRF905无线收发芯片全部集成的频率调制器，功率放大器，能够解调的的接收机，晶体振荡器组成。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）11通过使用SHOCKBURST技术，NRF905能提供高速的数据传输，而且不需要使用价格高昂的高速单片机去对数据进行处理。对射频协议的有关处理是把高速信号放入芯片，NRF905提供一种应用单片机的SPI接口，接口速率决定单片机速率。对SHOCKBURSTRX模式来说，只有通过各个接收的数据，才能完成地址匹配AM和DR信号有效的地址和数据包。在TXSHOCKBURST模式，NRF905自动产生前导码和CRC校验码，DR信号通知单片机数据传输的数据准备已完成。总之，这意味着减少单片机内存的需求，意味着它可以减少微控制器的成本和缩短软件开发时间。NRF905芯片无线收发电路工作在433、ISM等频段，SHOCKBURST工作模式的特点自动产生前导码和CRC可以通过SPI接口配置进行编程。进入掉电模式可以很容易地实现节能11。图26基于NRF905的无线发射模块电路图（1）特点低功耗SHOCKBURST工作模式工作电源电压范围1936V多通道工作ETSI/FCC兼容SAW滤波器输出功率可调至10DBM武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）12侦测接收的数据包当地址正确输出地址匹配信号433MHZ开放ISM频段免许可证使用低功耗工作电路可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便抗干扰能力强，适合工业控制场合可以满足多点通信以及跳频通信需要收发模式切换时间一般小于650US标准DIP间距接口，便于嵌入式应用TXMODE在10DBM情况下，电流为30MARXMODE122MA（2）接口电路引脚说明表为NRF905无线收发电路的引脚定义VCC脚接电压，超过36V将会烧毁模块，一般使用的电压为33V。电源VCC和接地端以外的引脚都可以直接和5V单片机IO口直接相连。硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机SPI模块介入，只需添加代码模拟SPI时序即可。13脚、14脚需要和母板的逻辑地连接起来（3）工作模式SHOCKBURST模式典型SHOCKBURSTTX模式应用有遥控数据节点时，只有通过SPI接口，接收节点的地址TXADDRESS和有效数据TXPAYLOAD才能传送给NRF905应用协议MCU设置TRX_CE、TX_EN为高来激活NRF905SHOCKBURST传输；典型SHOCKBURSTRX模式通过设置TRX_CE高，TX_EN低来选择SHOCKBURST模式；650US以后，NRF905监测空中的信息；SHOCKBURSTTM收发模式一般使用先入先出堆栈，数据低速从单片机到高速发射，这样可以尽量节能，因为这样，射频数据传输率可以变得很高。由于射频协议的存在，所有和它有关的高速信号都处理在片内，这样做的好处尽可能节能；系统成本低武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）13（低速度的微处理器也可以高速射频发射）；数据在空中停留时间短，抗干扰。SHOCKBURSTTM技术还降低了整个系统的平均工作电流。SHOCKBURSTTM收发模式下，NRF905有一个特点，就是它的前缀和CRC校验码可以自动处理。而且在每次接受数据时都能自动把字头和CRC校验码删除。在数据传输，自动前缀和CRC校验码，当发送过程完成后，DR引脚通知微处理器数据发射完成。SHOCKBURSTTX发送流程当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给RF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发RF905的SHOCKBURSTTM发送模式；RF905的SHOCKBURSTTM发送A在数据发送完成之后，数据引脚被置高；B自动开启射频寄存器；C发送数据包；D数据打包；SHOCKBURSTRX接收流程在TRX_CE变为高、TX_EN变为低之后，NRF905就会进入SHOCKBURSTTM接收模式；一段时间后，NRF905一直监测，等待接收数据；同一频段的载波被NRF905检测到时，载波检测引脚被置高；当接收到一个相匹配的地址，AM引脚被置高；接收好数据，移去字头、地址和CRC校验位，DR脚置高置低TRX_CE，进入空闲模式；通过SPI口把数据移到微控制器内；数据接收完成，DR引脚和AM引脚置低；武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）14NRF905此时可以进入SHOCKBURSTTM接收和发送模式或关机模式。当一个数据包被接收事，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生变化，与RF905立刻改变工作模式，数据包丢失。当微处理器从AM引脚接收一个信号，它就知道RF905在接收数据包，可确定该RF905继续接收数据包或进入另一种工作模式。（4）掉电模式在掉电模式，NRF905电流消耗最小化，一般来说低于25UA。当进入这种模式，NRF905是闲置状态。在这个时候，平均电流消耗最小，电池寿命最长。在掉电模式下配置字内容不变。（5）节能模式一般情况下包括关机和节能模式，关机模式的最小工作电流一般是25UA。进入关机模式后，配置字的内容保持不变，不接收或发送数据。在空闲模式下，该晶体振荡器的内部零件处于工作状态。从空闲到发射或接收模式也只用相对较短的启动时间。（6）待机模式待机模式下保持最小SHOCKBURSTTX和SHOCKBURSTRX启动时间，同时保持最低的电流消耗进入待机模式后，晶体振荡器之中的一部分是活动的。当前的消耗取决于晶体振荡器的频率。如果启用，电流的消耗马上就会变大。不同的负载电容和频率下，情况也不一样。在这种模式下，该配置字的内容保持不变。（7）内部结构NRF905芯片集成的电源管理，晶体振荡器，低噪声放大器，频率合成器，功率放大器模块和曼彻斯特编码/解码芯片的硬件，使用非常方便12。图27NRF905芯片内部结构武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）1525温度传感器选型251温度数据采集电路图28温度数据采集电路252数字式温度传感器DS18B20DSL8B20智能数字温度传感器的传感器模块和转换电路集成在一个三极管的集成电路中。DSL8B20从单线接口接收到信息或把信息送出，所以从CPU到DSL8B20只需连接线。数据线本身可以提供读，写和完成所需的功率温度变化，并不需要单独提供电源。现场的温度在数字方式直接传输，大大提高了系统的抗干扰。（1）特征通信只需1个接口引脚即可分布式温度检测非常简化测温范围增量值为05不要外部组件不要备份电源温度以9位数字值方式读出数据线供电用户定义非易失性的温度告警设置（2）引脚定义DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接电源输入端。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）16（3）内部结构DSB18B20主要分为以下几个部分光刻ROM数据存储器温度传感器温度报警触发器TH和TL（4）非易失性的电可擦除可编程寄存器。还有高速缓冲存储器。该设备只有3外部引脚，其中VDD和GND电源的引脚，其他DQ作为I/O总线，因此被称为第一行数据总线。每个O/I接口与单片机的接口可以挂更多13。DQVDD图29DS18B20内部结构这是DS18B20的框图，64位只读存储器存储的唯一序列号。温度寄存器缓存包含两个字节，两个寄存器用来存储温度传感器输出的数据。此外，暂存存储器提供了一个直接的温度报警值寄存器（TH和TL），和一个字节的寄存器配置。配置寄存器允许用户设定温度的精度为9，10，11或12位。TH，TL和配置寄存器是非易失性存储器（擦除程序寄存器），所以存储的数据不会消失，当设备断电。DS18B20通信必须通过单总线协议的单线接口。当所有的设备连都接通过3态端口或排水口总线（DQ引脚上的DS18B20），必须提供一个弱上拉电阻给控制线。在这种总线系统中，微控制器（主设备）依托独特的64位序列号，每个设备识别总线上的设备和记录总线上的设备的地址。因为每个设备都有一个独特的代码，CAN总线的连接设备的数量事实上是无限的。单总线协议，包括对单总线系统部分的详细解释和定时指令14。DS18B20的另一个功能是在没有外部电源的工作。当当总线处于高状态，DQ与上拉电阻被连接到该设备通过单总线供电。于此同时，总线信号处在高水平状态，并对内部电容供电，当总线处于低水平状态，电容器提供能量。这种方式被称为“寄生源”。DS18B20供电也可以通过VDD引脚连接到外部电源，一般情况下这作为一种替武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）17代方法，DS18B20的核心功能是它的数字温度传感器能直接阅读。温度传感器的准确度是用户可编程的10，11或12，分别为05，025，0125和00625增量。电源状态默认的精度为12位。DS18B20开始后保持低功耗等待状态，通过总线控制器发出44H命令，接着进行温度的测量和AD转换，之后，温度数据以两个字节的形式存储在暂存寄存器的温度寄存器，紧接着，DS18B20继续保持等待状态，外部电源供电给DS18B20，进行温度转换命令，总线控制器读取时序，温度传感器在温度转换过程中返回0，转换结束之后返回1。当DS18B20由寄生电源供电的时候，如果不是总线拉的很高，不然就将不会有返回值。寄生电源总线的要求在DS18B20供电段详细解释15。（1）在DS18B20的4大数据组件的介绍光刻ROM中的64位序列号可以看作是DS18B20的地址序列码。产品类型的标签是最开始的8位，DS18B20的序列号是那之后的四十八位，循环冗余校验码是56位的。光刻ROM可以让每一个DS18B20的序列号都不同，因为这个原因，一个总线可以实现挂多个DS18B20的目的。温度传感器DS18B20能完成温度的测量，以12位的转换举例，例如提供16位符号扩展的二进制补码形式，以00245/LSB形式表达，其中S为符号位。这是一个12位转换的12位数据，存储在18B20两个8位的RAM中，二进制位前面有五个符号位。如果测量温度大于0，这五位是0，只要将测得的值乘以00625就可以得到实际温度。如果温度低于0，这五位五是1，需要取反加1，想要得到实际的温度，就必须乘以00625。DS18B20温度传感器的存储器这里有一个暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM存在DS18B20温度传感器之中，通过它们可以存放高温、低温触发器TH，TL以及寄存器。配置寄存器该字节各位的意义如表表21配置寄存器结构TMR1R011111武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）18低五位全部都是1，测试模式位是TM，可以通过它们设置DS18B20，决定处在在工作模式还是在测试模式。DS18B20出厂时，这个位置被设置为0，我们不能改动这个设定高速暂存存储器在高速暂存存储器之中，当温度转换命令发布后，能够产生一个温度转换值，这个数值以两字节补码形式存放在暂存存储器之中，分别为第1和第0字节。对单片机来说，通常可以通过一个单一的线路接口读取数据，在前面读低，后面读高，数据格式在上面的表中展现出来。温度计算如果符号位S0，二进制就要转换为十进制；如果S1，就必须把补码变成原代码，然后计算十进制值。第九字节是冗余检验字节。根据DS18B20通信协议，主机想要控制DS18B20，去完成温度转换，就必须经过三个步骤在每一个读写前，DS18B20都要复位，复位成功发送一个ROM命令，命令如表所示，最后发送RAM指令，指令如表所示。复位要求主CPU的数据线为500微秒，接着释放，DS18B20在接收信号后，可以等大约16到60微秒，发出后低脉冲，主CPU接收到信号，表示复位成功。（2）DS18B20使用中注意事项DS18B20温度测量系统结构简单，测温的精度很高，连接也十分方便，利用口线非常的少，应注意以下几个方面在实际中的应用DS18B20与单片机进行串行数据传输，硬件开销需要通过相对复杂的软件进行补偿，。因此，当DS18B20读写程序事，必须严格保证读写时序，否则将无法读取温度。对单总线所挂DS18B20数量的问题不在DS18B20的相关信息中所提到的，它很容易使人错误认为可以挂任何数量的DS18B20，这是不正确的。当单总线所挂的DS18B20是8个以上，就需要解决总线驱动问题，这一点在设计温度测量系统时应注意。如果总线电缆想要连接到DS18B20，要注意，这是有长度限制的。通过测试后我们了解到，如果使用普通信号的电缆传输距离超过50M，就会发生温度测量数据错误的情况。如果我们把总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆，就可以使正常通信的距离达到150M，如果采用具有每米绞合次数更多优点的双绞线带屏蔽武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）19电缆，正常通信的距离就能够进一步的延长。这种情况是由总线分布电容使信号波形的失真引起的。因此，采用DS18B20设计远程温度测量系统时，总线分布电容和阻抗匹配问题应该考虑。DS18B20温度测量程序设计中，把温度转换命令发送给DS18B20之后，程序为了DS18B20返回信号需要等待一段时间，如果DS18B20发生接触不良或断线的情况，DS18B20读取程序时就不会有返回信号，程序就会进入死循环。（3）DS18B20供电DS18B20可以从VDD引脚接外部电源供电，或者可以在寄生电源模式工作，这可使DS18B20在没有外部电源需求的状态工作。寄生电源在长距离测量温度时是非常有用的。寄生电源控制电路，当总线是高电平，寄生电源从一个单一的总线通过VDD引脚。电路通常会在总线处在高电平时偷能量，吸收的能量存储在寄生电源存储电容（CPP），在总线低电平通常作为释放能量提供能量的装置。如果DS18B20处在寄生电源的模式，VDD引脚就一定要接地。在寄生电源模式，单总线和CPP可以对DS18B20提供完整的时间序列和电压的电流。然而，当DS18B20正在温度转换或从暂存器给EPPROM传送数据时，工作电流可高达15毫安。这个电流可能会导致在单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这就需要更大的电流，而CPP是无法提供。为了DS18B20有充足的电力供应保障，当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM的操作时，必须对单总线强拉。I/O可以直接拉到电源上。发出温度转换指令44H或复制暂存器指令48H后，在10US的时间之内，一定要保证单总线能够受到强上拉，不仅如此，在时序进行温度转换或复制数据的时候，仍然要保证单总线处在强上拉状态。而且在强上拉状态保持时，一定不能有其他的动作16。对DS18B20供电都是另一种传统的方法是从VDD引脚接入外接电源。这样做的好处并不需要在单总线上强拉。并且总线在温度转换时并不总是保持高电平。在温度高于100时，寄生电源不被推荐，因为DS18B20在这种温度下的漏电流是相对较大的，通信可能无法进行。在这种场合下，强烈建议使用DS18B20的VDD引脚。如果总线控制器不知道总线DS18B20是用寄生电源还是外部电源，总线控制器就武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）20会发出一个SKIPROM命令CCH，紧接着发出读取电源指令B4H，在发出这个指令后，控制器会发出读时序，寄生电源会把总线拉低，外接电源仍将维持高位总线。当总线被拉低，总线控制器在进行温度转换时，就会知道需要提供给单总线一个强大的上拉。武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）21第三章硬件设计31PROTELDXP介绍在20世纪80年代末，PROTELALTIUM公司推出EDA软件，成为中国电子设计师早期使用的首选软件，中国也是普及率最高的国家，有一些高校的电子专业还开设了专门课程学习它，几乎所有的电子公司在使用它。早期PROTEL主要作为在DOS环境下运行的印刷电路板的自动布线工具，对硬件的要求很低，可以在不存在硬盘的286机器1M内存运行，但仅有电路图和印刷电路板设计绘图功能，PCB自动布线完成率较低，而今天已经成长为一个巨大的EDA软件，超过200M，是一个完整的板级电子设计集成系统，它包括一个电路示意图，模拟电路和数字电路混合信号仿真，多层印刷电路板的设计（包括印刷电路板自动布线），可编程逻辑器件设计，图表，表格生成宏支持操作和其它功能，并有一个顾客客户机/服务器（客户机/服务器）的结构，也可以与其他的设计软件，文件格式，如PSPICE，EXCEL，ORCAD，能够打印密度非常高的印刷电路板17。32PROTELDXP画电路原理图321新建设计数据库文件点击文件中新建项，就可以一个新建设计数据库。322多图纸设计打开CONTROLLERDDBLCD设计文件，然后再打开LCDCONTROLLERDDB设计窗口。这时，我们看到许多矩形，它们的颜色是绿色的，被称为原理图模块。在原理图模块中，每个模块都包含一张图纸，总的原理图之中可以包含非常多的子原理图。如果已经画原理图，选择“设计”的“创造符号形式表”的制图符号。323原理图连线设计从菜单中选择“位置/线”，按空格键切换连接，自动连接，任意角度，使设计者在设计时更容易。324检查原理图电性能可靠性首先，我们要打开LCDCONTROLLERDDB设计数据库，接着点取LCD控制器文件夹武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）22LCDCONTROLLERPRJ选项。选择下面的ERC工具，在“规则矩阵”中的选择是电气检查的项目，成立后，在“安装电气规则检查”对话框中，选择“确定”，以运行电气规则检查，测试结果将是它显示在屏幕上18。325建立材料清单打开“设计数据库”，找到“PORTSERIALINTERFACE”文件夹下面的“PORTSERIALINTERFACEPRJ”文件设计窗口，选择“REPORTS”中的“BILLOFMATERIAL”菜单，按照导向器所给选项选择，完成选择，可以制成一个EXCEL形式的材料清单。326原理图仿真将仿真进行执行，只要简单地在元件库中放置将需要的组件，完成电路图的连接，加上激励源，点击仿真。327生成网络表网表生成是很容易的，只要选择对话框，设置成固定格式的网络表。在生成网表后，我们可以设计PCB板。33PROTELDXP画PCB板331板框导航在“文件”选择“新建”中的“向导”，在选择“印刷电路板”，单击“确定”，根据每一步的对话框提示完成框架设计。332建立PCB文件选择PCB设计窗口下的“DESIGN”中的“ADD/REMOVELIBRARY”，在对话框上选择“4PORTSERIALINTERFACEDDB”,在“DESIGNEXPLORER99EXAMPLES”文件夹中选取，点取“ADD”,然后“OK”关闭对话框。在左侧导航栏中，打开“更新PCB”“4端口串行INTERFACEPRJ”原理图文件，选择“设计”下点取“应用”，打开“更新设计”对话框，点取“执行”选项。对话框“确认组件关联”打开，网络连接列表中，选择“应用”更新PCB文件，由于PROTEL99同步设计，因此，不会产生网表也可以直接进入武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）23PCB设计。333布局设计如果自动布局，运行“工具”下的“自动地”，使用此命令，你需要有足够的耐心。布线关键是布局，大多数设计师使用手动布局的形式。使用鼠标来选择一个组件，按住鼠标左键，拖动这个元件，松开按钮，装置固定19。PROTEL99在布局方面增加了一些新花样。新的交互式布局选项，包括自动选择和自动对齐。使用自动选择模式可以快速收集类似的组件包，然后旋转，扩大，并组织成组，你可以在后面板上移到所需的位置。334布线设计布线方式有三种忽略障碍布线（忽略障碍物），避开障碍物布线（避障），按布线（推障碍）。我们可能需要使用不同的布线，在“工具”工具菜单中，在“首选项”中选择一个不同的布线19。接着选择布线规则，在“设计”下选择“规则”对话框，选择不同网络布线的线宽，布线方式，布线的层数，安全间距，过孔大小等。如果自动布线，选择“自动布线”菜单，PROTEL99支持多种布线，可以整板自动布线，也可以对一个网络布线，也可手动布线组件。手动布线可以点击鼠标右键下拉菜单中选择“轨道”，按下鼠标左键确定接线起点，按“退格”取消刚涂上的痕迹，双击鼠标左键，以确定这种走线，按“ESC”退出布线状态。随着“SHIFT”键来切换布线方式。PROTEL99提供了一个良好的在线检测工具“在线DRC”随意（在工具菜单下的偏好），以检查接线错误。如果修改线，只需重新画线。335电气规则检查电路板设计好后我们要检查接线是否错误，PROTEL99提供自动规则检查工具。只要检查工具正常运行，计算机就会自动列出结果。336信号完整性分析在设计和加工前对信号完整性分析十分重要，PROTEL99包含高级信号完整性仿真，它可以PCB设计和设计参数功能，检查分析信号斜率的要求。如果PCB板任何一个设计要求设计规则指定的有问题，可以从PCB运行一个反射或串扰分析，以确切地查武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）24看其情况20。信号完整性的模拟特性使用线路阻抗，通过传输线计算，I/O缓冲宏模型信息进行仿真输入。它是基于快速的反射和串扰仿真，采用行业成熟的算法，产生一个非常准确的模拟。34DS18B20原理图和PCB图设计下面以DS18B20为例，具体说明原理图和PCB图的画法。新建PCB工程。在文件目录下，选择NEWPROJECTPCBPROJECT，这样就能新建一个PCB工程。图31新建操作工程图新建原理图文件。在PCB工程下，点击PCBPROJECT，选择右击ADDNEWTOPROJECTSCHEMATIC，这样就能建立一个原理图文件。图32新建原理图文件新建PCB文件。右击选择ADDNEWTOPROJECTPCB，这样就能建立一个PCB文武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）25件。图33新建PCB文件新建元件库。在文件目录下，选择NEWPROJECTINT