基于NRF905的无线测温系统设计.docx

摘 要在工业生产过程中，温度是一个非常重要的物理量，温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题，因此对温度的检测的意义很重要。但是在很多场合有线传输排线复杂，施工困难，而无线传输是一种将有效数据传输至远方的一种有效方法，所以使用无线传输的测温系统可以对生产环境的温度进行无线采集并且能够使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况。本文主要介绍了基于NRF905的无线测温系统下位机的设计和实现方法，本系统是通过单片机控制来实现对周围环境的温度进行测量和无线传输。它是以STC89C52RC单片机为控制单元，以温度传感器DS18B20为温度采集器件，以无线收发模块NRF905完成数据的无线传输，最后用数码管进行动态显示，从而实现温度的测量、无线传输、显示，就是一套通过无线方式实现温度的远程采集显示的完整系统。本文详细论证了实现温度数据采集与无线传输方案的设计的总体架构，阐述了系统的总体硬件电路结构和完成各项功能相关的软件设计。关键词：STC89C52RC，NRF905，温度采集，无线传输ABSTRACTIn the industrial production process, temperature is a very important physical quantity. The control failures of temperature may lead to a series of problems in production security, quality of products, product output and etc. Therefore, temperature detection is very important. But in many occasions, cable transmission is complicated and wireless transmission is an effective way to transfer the efficient data to distant place, so the use of temperature measurement of wireless transmission system can collect the temperature of the production environment wirelessly. Therefore, it enables the operator to know the temperature changes real- time in the distant.This paper introduces the design of wireless temperature measuring system, which based on NRF905 chip. The system is controlled by single-chip microcomputer to achieve temperature signal processing and wireless transmission. It uses the STC89C52RC single-chip microcomputer as the control unit, the temperature sensor DS18B20 as temperature sampling device, the NRF905 wireless transceiver modules to complete the wireless data transmission, using dynamic digital tube to display temperature .This paper expounds the system composition, and completes the design of software of hardware and the functions related.KEY WORDS: NRF905, DS18B20, data acquisition, wireless temperature measurement目录摘 要1ABSTRACT2第1章绪论51.1选课的背景和意义51.2无线通信测量的发展现状及发展趋势51.2.1 无线通信介绍51.2.2无线通信技术的选择61.2.3无线通信技术的发展与现状71.3论文研究的主要内容和方法101.3.1主要内容101.3.2研究方法101.4 论文结构11第2章本课题元器件介绍122.1温度传感器的选择122.2无线收发芯片选择122.3 主要器件的介绍142.4 本章小结26第3章系统总体硬件设计及功能描述273.1系统总体方案设计273.2单片机STC89C52RC主控单元273.3 温度信号采集模块283.4 无线传输发送端293.5 供电与电压转换模块293.6 数码管显示模块303.7 系统总体电路图313.8 本章小结31第4章 系统总体软件设计324.1系统总体软件设计324.1.1 底层驱动层324.1.2 界面层324.1.3 应用层324.2无线发送端程序设计324.3 LED驱动子程序设计334.4 DS18B20温度采集子程序设计344.5 STC89C52 单片机主程序设计364.6 本章总结36第5章系统调试，总结与展望375.1 系统调试375.2 总结375.3 展望38致谢39参考文献40附录1 电路原理图与PCB图41附录2 源程序4444第1章 绪论1.1选课的背景和意义在工业控制现场，常常需要采集大量的现场数据，如电压、电流、温度、湿度、气压等，温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题，因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用，在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。温度作为一项工业常用测量对象，在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。随着科学技术的发展,要求温度测量的范围向深度和广度扩展,不但要求有足够的精度满足工业生产和科学技术的要求,而且还要求有广泛的测温范围。在许多测控现场，传统数据传输都是通过有线电缆实现的。随着射频、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现更容易，数据传输速率更快，抗干扰能力更强，因此，许多应用采用了无线传输技术。无线数据传输与有线数据传输相比，有诸多优点：一是成本低，省去大量布线；二是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线；三是适应性好，可应用于某些特殊环境；四是扩展性好，只需将设备与无线数据传输模块相连接。因此，无线传输是一种有效数据传输方式。所以使用无线传输的高精度测温系统可以对生产环境的温度进行无线传输并且能够进行使操作员可以远距离实时了解被测现场的温度变化情况,保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。1.2无线通信测量的发展现状及发展趋势1.2.1 无线通信介绍无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。 从最初的电报开始经过150多年的现代电信的发展是来自各界的成千上万科学家、工程师和研究人员的辛勤劳动的结果。他们当中只有少数独立负责发明的人成了名，而大多数达到顶点的发明是许多个人的成果。无线技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有15万人成为新的无线用户，全球范围内的无线用户数量目前已经超过2亿。这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。从七十年代，人们就开始了无线网的研究。在整个八十年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补有线所短，也赢得了特定市场的认可，但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充，遵循了IEEE802.3标准，使直接架构于802.3上的无线网产品存在着易受其他微波噪声干扰,性能不稳定,传输速率低且不易升级等弱点，不同厂商的产品相互也不兼容,这一切都限制了无线网的进一步应用。这样，制定一个有利于无线网自身发展的标准就提上了议事日程。到1997年6月，IEEE终于通过了802.11标准。802.11标准是IEEE制定的无线局域网标准，主要是对网络的物理层(PH)和媒质访问控制层(MAC)进行了规定，其中对MAC层的规定是重点。各厂商的产品在同一物理层上可以互操作，逻辑链路控制层(LLC)是一致的，即MAC层以下对网络应用是透明的（如图一所示）。这样就使得无线网的两种主要用途-(同网段内)多点接入和多网段互连，易于质优价廉地实现。对应用来说，更重要的是，某种程度上的兼容就意味着竞争开始出现；而在IT这个行业，兼容，就意味着十倍速时代降临了。在MAC层以下，802.11规定了三种发送及接收技术：扩频(SpreadSpectrum)技术；红外(Infared)技术；窄带(NarrowBand)技术。而扩频又分为直接序列(DirectSequence,DS)扩频技术(简称直扩)，和跳频(FrequencyHopping,FH)扩频技术。直序扩频技术，通常又会结合码分多址CDMA技术。根据预测，今后几年，无线网在全世界将有较大的发展，单只美国无线局域网销售额就将从1997年的2.1亿美元增加到2001年的8亿美元。1.2.2无线通信技术的选择数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于各个领域。在数据传输方式上，目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接，有线方式的数据传输速度快，可靠性高且运行稳定，能满足大多数情况的需要，但是其应用受现场环境和应用对象的限制。近年来，随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传输速度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。短距离无线通信技术是近年来的研究热点，将无线技术引入数据采集领域，可以解决某些无法或不便布线的环境下的数据采集问题，以及解决有线网络带来的布线麻烦、不易维护等缺点。有些数据采集系统应用于智能家居领域的，但也进一步拓展至其它诸如工业控制、仪器仪表等领域对象的状态监测。随着电子技术的不断进步，短距离无线通信技术在近几年蓬勃发展起来，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、振荡器等己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FSF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防议，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传输。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。对于一个系统来说，无线通信技术的选择主要考虑以下几点：(1) 可以完成系统的功能要求(2) 对于一个无线测温系统来说，需要对传感器收集到的信号进行处理，并要求系统的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，且对于一个无线系统来说，低功耗也是一项重要的指标。(3) 开发简单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。通信协议的复杂程度也完全影响了整个系统的开发的复杂性。(4) 成本低下面是对现在比较常用的几种短距离无线通信技术进行对比，并得到本系统的短距离解决方案。1.2.3无线通信技术的发展与现状随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。短距离无线通信方案目前有蓝牙技术(Bluetooth)、IEEE802.llb (Wi-Fi)、Zigbee、红外通信技术IrDA(InfraredDataAssociation)和一种无线单片技术。(1) 蓝牙技术(Bluetooth) Bluetooth 无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法。它广泛应用于世界各地，可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3 播放器等多种设备。由于有了“配置文件”这一独特概念，Bluetooth产品不再需要安装驱动程序软件。此技术现已推出第四版规格，并在保持其固有优势的基础上继续发展 小型化无线电、低功率、低成本、内置安全性、稳固、易于使用并具有即时联网功能。其周出货量已超过五百万件，已安装基站数超过 5 亿个。但是蓝牙设备价格昂贵，通信协议复杂，通讯距离近，蓝牙RF定义了三种功率等级(100mw，25mw和lmw)，当蓝牙设备功率为lmw时，其发射范围一般为10m。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。(2) 红外通信技术(IrDA) 红外是一种无线通讯方式，可以进行无线数据的传输。自1974年发明以来，得到很普遍的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。红外的特征：红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；IrDA已经是一套标准，IR收/发的组件也是标准化产品。红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，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，lrDA设备中的核心部件LED易磨损。(3) IEEE802.11b (Wi-Fi)IEEE802.llb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。IEEE802.llb无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP (AccessPoint)，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，像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。802.11b具有有线等价保密机制WEP(Wired Equivalent Privacy)力确保数据安全。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.llb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54Mbit/s，比目前通用的802.llb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，而下一代的Wi一Fi标准802.lln可望达到100Mbit/s。(4) Zigbee技术ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。Zigbee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，它是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里;另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。Zigbee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。2009年开始，zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准作为新一代智能电网Smart Energy（SEP 2.0）的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的大规模建设和应用，物联网感知层技术标准将逐渐由zigbee技术向IPv6 6Lowpan标准过渡。(5) 无线单片技术无线单片技术是将成熟的单片机技术与无线技术相结合的产物。嵌入了高性能单片机内核的高速、体积小、功耗少、外围元件少的低成本单片射频收发芯片，即将单片机和射频收发器集成在一体。该芯片外设少、成本低、干扰少、功耗低，保证了产品的技术稳定性。与蓝牙和Zigbee技术相比，无线单片技术没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，成本低。它可应用在:无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制和无线通讯电信终端。通过以上几种无线技术的介绍，从系统的经济性、传输速率，确定该系统部分电路设计使用无线收发芯片。无线单片芯片的可靠性高、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信接口与数据采集系统接口电路设计简单。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。1.3论文研究的主要内容和方法1.3.1主要内容本课题主要是进行基于无线传输模块的温度测量系统的设计，测温系统由温度信号采集与显示模块、单片机控制单元、无线传输模块四部分组成。本课题将传感器技术、新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居、工业控制等领域中布线不便时对室内生活环境、工业测控现场指标数据的采集。本课题提出了一种有效的数据采集分析方案，设计并实现了一种基于无线射频传输的数据采集系统。本系统基于无线射频收发模块NRF905跟STC89C52RC单片机为核心，以低功耗和模块化为设计原则，设计出具有体积小，功耗低，数据传输稳定可靠及成本低的无线测温系统，由以下四个方面依次完成：(1) 针对实际应用需求设计系统总体方案，完成了温度数据采集和处理、无线数据传输的结构设计。(2) 以低功耗和模块化为选择元器件的原则，选取了合适的温度传感器、单片机、无线收发模块。(3) 设计无线收发方案，并通过软件控制元器件工作模式等方式实现系统的低功耗设计。(4) 完成无线数据采集的硬件电路设计及相关的开发和调试。主要包括传感器接口电路设计及数据采集与处理相关程序设计、无线射频模块的接口设计。本课题旨在通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。对系统硬件的工作原理进行了分析描述，并进行系统硬件设计。具体实现数码管动态显示、STC89C52RC及NRF905等器件外接电路接口的软、硬件调试。学习掌握单片机原理、应用，用汇编语言对单片机的编程；了解NRF905芯片和温度传感器DS18b20的工作原理及应用；各硬件模块的连接和数据通信；掌握各模块的编程驱动，尤其是两个单片机模块的编程。 1.3.2研究方法本系统是通过单片机控制无线传输来实现对温度数据的接收,利用可视化编程技术实现远程监控，以STC89C52RC单片机为控制单元， DS18B20为温度采集模块，NRF905无线传输模块为温度数据发送单元，实现温度的采集、发送、显示、控制，以此来实现温度的远程传输与监控。基于无线收发芯片NRF905的温度测量系统主要由四个模块构成，分别为温度采集模块、无线收发模块、单片机控制模块以及数码管显示模块。通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。对系统硬件的工作原理进行了分析描述，并进行系统软件设计。具体实现数码管动态显示、STC89C52RC及NRF905等器件外接电路接口的软、硬件调试。1.4 论文结构论文共有五章，分别对无线测温系统进行详细的介绍。第一章绪论。第二章是对无线通信的开发介绍及对无线测温系统主要器件的介绍，首先介绍了单总线技术，重点介绍数字温度传感器DS18B20，对它的内部结构、工作原理、工作过程等做重点描述，随后详细介绍了本系统的所使用的无线收发芯片NRF905。第三章是对无线测温系统的硬件方案设计及功能描述，包括温度信号采集与显示模块、单片机、无线传输发送模块、无线传输接收模块等下位机的具体功能。第四章介绍介绍了本系统的软件设计，介绍了无线测温系统的整体软件框图，详细介绍了数据采集和无线收发流程及程序。第五章为系统调试，总结与展望。第2章 本课题元器件介绍2.1温度传感器的选择DS18B20是美国Dallas半导体公司推出的一种智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测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，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，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。Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：(1) 适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性。(2) 性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好。(3) 具有CRC校验功能，可靠性高。(4) 软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。 由于DS18B20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，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。2.2无线收发芯片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：(1) 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，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，编程方便。(2) 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。(3) 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。(4) 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。(5) 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 0.350umCMOS工艺下制造的一种理想的超高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)，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。nRF401是挪威Nordic VLSI公司推出的单芯片即收发机，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。A7105芯片是AMICCOM(笙科)公司于2008年推出的一款24 GHz无线收发芯片，该芯片低价位的突出特点为其在无线短距离消费市场赢得了巨大的优势。A7105芯片内含高灵敏度的接收器(1 Mbps-93 dBm)，在10 m以内的产品应用中可大幅度减低RF的输出功率(010 dBm)，以避免射频产品对人体造成可能的损害，同时又能适应50 m一般环境的应用。A7105的所有参数可以通过SPI口配置内部寄存器来进行设置，最高的速率可达500 kb/s，适应4线或3线的SPI控制。另外射频数据的处理有2种模式可供选择：FIFO(利用RF内部的memory先储存要发射/接收的数据)和Direct(直接发射/接收)。A7105内建RSSI，温度传感器，可以用来侦测环境对RF IC的影响，而且也内建1路ADC，作为侦测电压使用。TH72011是Melexis公司的单片射频发射芯片，频率范围380MHz 450MHz，采用VCO+PLL频率合成技术，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 1.9 5.5V，静态电流小，工作电流可在3.5mA10.7mA调节;发射功率可在-12dBm +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。nRF24EI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。采用先进的0.18us CMOS工艺，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1.9 3.6V)和VDD电压监视，通常开关时间小于 200us，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。NRF905芯片可以工作于ShockBurst(自动处理前缀、地址和CRC方式)。内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供1.93.6V的工作电压，载波检测。由于NRF905功耗低，工作可靠。NRF905没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，因此很适用于无线数据传输系统的设计。它可应用在:无线数据通讯、报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、监测、车辆安全系统、工业控制、远程遥控及其它短距离无线高速应用，故本系统将NRF905做为无线收发芯片的首选。2.3主要器件的介绍(1) 温度传感器DS18B20DS18B20 1 2 3GNDVCCI/O图 2-1 DS18B20的器件图DS18B20是DALLAS公司最新推出的中单线数字温度传感器，新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20 “一线总线”数字化温度传感器，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。其主要性能特性有：具有独特的单总线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需一个I/O实现微处理器与DS18B20的双向通信；支持多点组网功能，一条总线上可以同时挂接多个DS18B20，很方便地实现多点温度的检测；数字信号输出，不需要信号放大和AD转换等外围电路；测温范围-55+125，在-10+85时测温准确度为0.5；能提供912位二进制温度值输出，可通过编程决定输出位数；其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入，电源电压范围为+3.0V 到+5.5V。用户可自行设定非易失温度报警上下限值TH和TL，DS18B20在完成温度转换后，所测得的温度值将自动与贮存在TH和TL内的触发值相比较，如果测温结果高于TH或低于TL，DS18B20内部的警告标志就会被置位，表示温度值超出了测量范围，同时还有报警搜索命令可以识别出温度超限的DS1SB20。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AD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的内部结构DS18B20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、TL以及非易失性电可擦写设置寄存器。每片DS18B20含有一个唯一的64位ROM编码。头八位是产品系编码，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，列号是一个十进制编码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将识别出来，最后8位是前56位的循环冗余(CRC)校验码，是数据通信校验数据传输是否正确的一种方法。所以多片DS1SB20能够连接在同条数据线上而不会造成混乱。DS18B20传感器的内部数据存储器由9个字节组成。第一、二个字节温度数据(MSB LSB)，可以在系统配置寄存器中自行设置数据位(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6、7、8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，用在通信中检验数据传送的正确性。温度传感器的转换结果以16位二进制补码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 Byte)，第二个字节（Bytel)存放测温结果的高位（MS Byte)，s为符号位，其它位为数据位，温度为负时S=l;温度为正时S=0。格式如图2-2。图 2-2 DS18B20转换数据的格式其中，高位字节中的前5位S是符号位，若测得的温度大于0，则这5位数据也都为“0”，实际温度也就等于测到的数值与0.0625(0.0625/LSB)的乘积，若温度小于0，则这5位数据就都为“1”，实际温度就等于测到的数值取反加l后再乘以0.0625。DS18B20用12位精度测出的数字量(用16位二进制补码表达)，如表2-1所示。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0.5，0.25，0.125，0.0625。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。表2-1 转换温度对应表温度数字量输出（二进制）数字量输出（十六进制）+1250000 0111 1101 000007D0H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1111 0110 1111FF6FH-551111 1100 1001 0000FC90HDS18B20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，其格式如表2-2所示。表2-2 配置寄存器格式Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit00R1R011111Rl，R0的设定值与位数、分辨率和最大转换时间的关系如表2-4所示，可见位数每减少一位，分辨率同时减少而转换时间则加快一倍，器件上电时默认分辨率为12位。(3) DS18B20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的。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记数，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，表示测量的温度高于-55，被预置在-55的温度寄存器的值就增加1，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置定的值进行预置，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。温度值由主机发出读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。(4) DS18B20的工作过程使用DS18B20测量温度的过程如下： 初始化单总线上所有DS18B20。如果还没有获得特定DS18B20的ID号，先只接一个DS18B20，发送读序列号命令(0X33H)，然后读取DS18B20返回的该芯片自身的ID号，将读出的多个DS18B20芯片的ID号顺序保存到单片机EEPROM的指定位置。当单总线上接多个DS18B20时，用各个芯片的ID号选中特定的芯片进行操作。如果己经获得ID号，则先发送寻求匹配命令(0X55H)，再发送ID号，选中特定的DS18B20。发送命令设置DS18B20的工作模式，命令字(0X4EH)，然后写入3个字节：温度上限、温度下限模式、设置字节(R1，R0)分别在该字节的5位和6位，第7位为0，其他位为1。自动温度转换，命令字(0X44H)。等待转换结束，分辨率不同时，该等待时间也应不同。读取转换结果，发送命令字 (0XBEH)，然后读取转换结果。为了保证读出的数据正确，一般情况要读出 DSI8B20的RAM的9个字节，并校验读出的数据是否正确。如果校验正确，将读出的前2个字节转换成10进制的温度值。DS18B20为用户提供了5个ROM命令和6个存储器命令，而具体命令信息的传送，则主要通过初始化时序、读时序、写时序三个基本时序单元的组合来实现。 表2-3 DS18B20的命令字代码及说明ROM类命令代码说明读ROM33H读DS18B20的序列号匹配ROM55H根据编码值查找器件，用于多个DS18B20实时定位跳过ROMCCH跳过读取编码值操作搜索ROMF0H识别总线上各器件的编码，为操作各器件做好准备报警搜索ROMECH搜索报警器件存储器类读存储器BEH从高速暂存器读取温度值和CRC值写存储器4EH将数据写入高速暂存器的第2和第3字节中复制存储器48H将高速暂存器的第2和第3字节复制到EERAM重调EERAMB8H将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字节中读供电方式B4H读取DS18B20的供电方式温度转换44H启动在线的DS18B20做温度转换(5) DS18B20的工作时序由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对STC89C52RC单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。 由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 DS18B20的复位时序如图2-4。 图2-4 DS18B20复位时序图DS18B20的读时序如图2-5。 图2-5 DS18B20读时序图对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时序是从主机把单总线拉低之后，在15微秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。DS18B20的写时序如图2-6。 图2-6 DS18B20写时序图对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样I/O总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。 DS18B20温度传感器的存储器： DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表3-4所示。 表 2-4分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对D