【优秀word论文】温度遥测系统的设计

温度遥测系统的设计TEMPERATURETELEMETRYSYSTEMDESIGN学生姓名胡静专业电子信息工程班级190318班指导教师王庆凤提要本论文全面、详细地阐述了温度遥测系统的研制过程。为了实时的测试出温度，本课题根据目前的实际情况出发，采用数字式温度传感器DS18B20、低功耗的单片机AT89C2051和射频无线收发模块PTR2030，开发了一遥测系统，建立了一套专用的通信系统。在温度测量上，实现了远距离实时测量的新突破。本系统同时根据要求设计了键盘输入、LED显示和报警系统等数据处理单元。该系统具有结构简单，扩充维护方便，抗干扰能力强，便于计算机控制等特点。能广泛的应用各个行业的温度测量场所。目录第一章引言111研究目的和意义112国内外研究状况113遥测系统的概述214本课题总体设计3第二章温度采集系统设计521传感器的选择5211模拟式传感器的缺点5212数字式传感器的优点6213DS18B20的选用622AT89C2051单片机的选择1223温度信号采集的实现16231单线接口访问DS18B201724看门狗监控电路的选择18241MAX813L芯片介绍19242MAX813L基本工作原理22243MAX813L与单片机的硬件连接22第三章无线数字通信系统设计2431通信系统模型24311建立系统模型24312无线通信24313数字通信2432数据帧编码25321通信方式2533信号收发模块的选择26331PTR2030的概述27332PTR2030的引脚功能28333PTR2030的软件编程28334PTR2030在温度遥测系统中的应用30335PTR2030与单片机AT89C2051的硬件连接3134单片机与PC机之间的通信31341RS232C标准31342MAX232芯片简介33343串行接口电路3435通信系统性能指标35351传输速率36352误码率3636提高系统性能的措施36第四章数据处理系统设计3741数据显示电路37411显示器原理（数码管）37412选择MAX7219驱动芯片37413AT89C2051单片机与MAX7219的硬件连接4142键盘部分4343报警电路设计44431555定时器介绍45432555定时器的应用48433报警电路49第五章系统软件设计5151温度采集系统与监控系统间通信51511数据采集和控制流程53512下位机通信里程5552上位机软件设计56第六章结论58参考文献60致谢63摘要IABSTRACTII第一章引言11研究目的和意义在工农业生产和科学研究中，常常碰到一个重要的问题，就是怎样准确地检测生产对象的温度参数，有效地控制生产的温度变化，进而稳定生产工艺，提高产品质量。据统计，温度这一参数约占整个工业测量参数的50左右。这就说明了温度测量的重要性和普遍性。温度遥测技术在国防、科研和国民经济的各个领域都有广阔的应用和发展前景。为了满足日益提高的对温度测量和控制的要求，就需积极开展对温度传感器信号测量和信号处理技术的研究工作。12国内外研究状况最早的无线电遥测系统是20世纪30年代开始在气象部门中使用的无线电探测仪。这一时期的无线电遥测系统都是模拟式遥测遥控系统。在20世纪40年代，由于军事上的需要，遥测遥控技术得到了很大的发展，相继出现了PAM、FM、PDM等多种不同体制的遥测遥控技术。随着遥测参数不断增加，测量精度要求的不断提高，原来的单通道的遥测技术无法胜任，这时开始出现了多通道的遥测技术。根据信道复用方式的不同，遥测技术有分频制和分时制两种。20世纪50年代，出现了脉冲编码式（PCM）遥测系统。PCM系统是数字传输系统，它易和数字通信、计算机技术紧密联系起来，成倍地提高遥测系统的整体性能，而且还可通过信源编码、信道编码、扩谱技术和保密通信等新技术改善遥测系统的可靠性和抗干扰性。同时，在工艺上，随着VLSI技术的发展，PCM系统更容易实现模块化和小型化。因此，PCM系统自诞生以来，迅速获得广泛的应用。无线遥测、遥控的方式多种多样，根据不同的应用需要，可采用适宜的方式。各种遥测、遥控方式的不同，主要在于信息的编码处理方式和信息的传输方式。所传信息的形式及信息量的大小决定采用何种信息编码及处理方式，而信息传输的距离决定采用何种传输方式。国外国际上遥测技术的发展很迅速，欧洲美国等都形成了各自独立的体系。就其水平来说还是美国的较高。下面介绍美国近十年来的发展状况（1）频分制是一种不可缺少的体制，而且已充分显示了它的活力（2）PCM遥测系统是一种主流体制（3）在遥测系统中要加扰码器和解扰码器（4）提出了“通过遥测获得成功”的概念（5）多目标测控技术国内国内遥测技术以自力更生为主，研制了各种遥测系统，基本上满足了个方面的需求。但总体水平上离国际先进水平还有一段距离。发展状况如下（1）频分制遥测技术在我国的发展与应用（2）PCM遥测技术在我国有了长足的进步（3）新体制的研究占有较大优势（4）基于CDMA技术的多目标遥测技术方面的发展（5）软件无线电在未来测控系统中的应用13遥测系统的概述无线遥测、遥控，即是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控制端经解码等处理形成相应的控制操作，同时，受控端的状态信息经同样的过程传输到控制端，从而实现对受控端的控制和监测的过程。遥测设备一般由发射机、接收机两部分组成。发射机主要包括编码电路和发射电路。编码电路产生所需要的控制指令，这些控制指令是具有某些特征的、相互间易于区分的电信号。不同的控制指令可以用不同频率的正弦信号代表，除此之外，还可用正弦信号的幅度及相位特征、脉冲信号的幅度、宽度及相位特征及码组特征等表示各种指令。编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，抗干扰能力较差，也无法直接传送到接收机上去，还要将指令信号送到发射电路，使它调制在高频载波信号上，再由发射天线发送出去。接收机由接收电路及译码电路组成。接收电路又包括高频部分及解调器部分。由接收天线送来的微弱信号首先经高频部分的选择和放大，滤除噪声，分离出有用信号，然后送解调器进行解调。解调电路是将接收下来的已调信号还原为调制信号。即将指令编码信号从载波上“卸”下来的过程，是调制的逆过程。从载波上“卸”下来的指令信号并不能直接用来驱动或控制，还要送指令译码电路进行译码，以获得各种控制指令。14本课题总体设计本温度遥测系统主要由温度采集系统和监控系统组成，通过射频收发模块利用高频无线电波来传送数据和控制指令。温度采集系统负责温度数据的采集以及与监控系统的无线通信；监控系统负责接收温度信号、发送控制信号，实现温度的显示、存储、报警、与上位机的通信。本遥测系统所要测量的温度范围在050之间，因此，选用的温度传感器其量程一定要比这范围宽，并且要求温度传感器的精确度在2以内。对传感器的控制一般采用单片机，电源采用电池，所以要考虑功耗问题，故采用低功耗单片机。由于本系统要求对温度信号的测量通过遥测的方式来实现，这就涉及到无线通信问题，考虑到抗干扰性，采用数字通信。而要将信号发送出来，就要用到发送器件，也要选择低功耗的。本课题应用传感器、单片微机、无线通信等高科技成果，设计了一种温度遥测系统。遥测原理框图如图11所示接收模块单片机报警电路RS232显示器键盘接口计算机看门狗监控电路图11遥测原理框图第二章温度采集系统设计作为温度遥测系统的一个重要组成部分，发送端的温度采集系统负责将温度信号的变化转换成易测量的电信号，然后放大处理转化为有效的数字信号，最后经射频器件高频输出。该采集系统设计时，传感器的选定是重点所在。21传感器的选择遥测信息常采用波的形式传播。而要把信息的形式转变成某种物理波，这是传感器的任务。温度传感器是应用系统和现实世界之间的桥梁。211模拟式传感器的缺点温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体PN结（如AD590）之类的模拟传感器，经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示温度值的数字信号，再交由微处理器或DSP处理。被测温度信号从敏感元件接收的非电模拟量开始，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，相应测温装置中元器件数量难以下降，随之影响产品的可靠性及体积微缩化。而模拟信号在长距离传输过程中，抗电磁干扰是令人伤脑筋的问题。在数字化测量和控制系统中，一个模拟式传感器的输出必须经过A/D转换。但模拟式传感器自身的测量精度和分辨率都受到一定的限制，通常只有1左右。例如，对有一个普通的以电压量输出的模拟式传感器，要获得高精度，不仅对传感器本身的性能有要求，而且对传感器的基准电压有更高的要求。如果为了达到001的测量精度，基准电压的精度要达到0001，这就是说，对于一个10V的基准电压要求有01MV的精度，要经济地获得这样高精度的电压是很困难。另一方面模数转换系统的精度也不可能很高。212数字式传感器的优点采用具有直接数字量输出的传感器就能避免上述问题。因此，人们越来越重视数字式传感器技术的发展。所谓数字式传感器，是指能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出的传感器。数字式传感器具有下列特点具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力强，稳定性好；信号易于处理、传送和自动控制；便于动态测量，读数直观；安装方便，维护简单，工作可靠性高。213DS18B20的选用随着科学技术的发展，由单片集成电路构成的温度传感器的种类越来越多，例如以前常用的AD590、LM35，以及现在广泛应用的DS1820、DS1821、DS1620等，并且测量的精度也越来越高，热响应时间也越来越短。这些有利条件给温度测控提供了极大的方便。这里选用美国DALLAS半导体公司推出的DS18B20单线数字温度传感器。DS18B20改变了传统温度测试方法，能在现场采集温度数据，并直接将温度物理量变换为数字信号并以总线方式传送到计算机进行数据处理。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。DS18B20的性能（1）独特的单总线接口方式DS18B20与主机连接时仅需要一条IO线即可实现双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用正常供电，也可以用IO寄生供电方式工作，电压范围3055V。（4）测温范围55125，在1085时精度为05。（5）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨率温度分别为05、0250125和00625。12位分辨率时最多在750MS内把温度值转换为数字。（6）用户可自设定EEPROM的报警上下限值。（7）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因热而烧毁，但不能正常工作。（8）供电方式既可以由VDD直接供电，也可以采用IO寄生供电。DS18B20温度传感器的内部结构主要由四部分组成64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。其外形类同塑封三极管，其引脚排列如图21，引脚说明如表21。其内部结构图如图22所示。DS18B20内部存储器均为八位，共有9个便笺式RAM，以及3个为EEPROM，用于长时间保存高低温报警温度设置值和配置寄存器的值。用拷贝便笺式RAM命令写EEPROM，当上电复位时EEPROM的内容传送到便笺式RAM中高低温报警温度寄存器和配置寄存器，图23为DS18B20的存储器结构。表21DS18B20的引脚说明引脚符号说明1GND电源地2DQ单线运用的数据输入输出引脚3VDD可选VDD引脚图21DS18B20的引脚图64位ROM和单线接口电源检测存储器和控制器高速缓存存储器8位CRC生成器温度灵敏元件温度灵敏元件温度灵敏元件温度灵敏元件图22DS18B20内部结构图便笺式RAMBYTEEEPROM图23DS18B20的存储器结构图DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH、TL（TH和TL分别为设置的最高和最低检测温度）作比较。若TTH或TTL，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。配置寄存器结构如表22所示。该字节各位的意义为低五位一直都是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。R1、R0决定温度转换的精度位数，R1R000，9位精度，最大转换时间9375MS；R1R001，10位精度，最大转换时间1875MS；R1R010，11位精度，最大转换时间375MS；R1R011，12位精度，最大转换时间750MS，未编程时默认为12位精度。分辨率设定及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后仍然保存。表22配置存储器结构高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时复制，每一次上电复位时被刷新；第6字节未用，表现为全逻辑1；第7、8字节为计数剩余值和每度计数值；第9字节读书的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。DS18B20测温原理如图24所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用来向计数器1提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振的振荡频率受温度影响较大，随温度的变化而明显改变，其产生的信号作为计数器2的脉冲输入，用于控制闸门的关闭时间。初态时，计数器1和温度寄存器被预置在与55相对应的一个基值上。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，在计数器2控制的闸门的时间到达之前，如果计数器1的预置值减到0，则温度寄存器的值将作加1运算，与此同时，用于补偿和修正测温过程中非线性的斜率累加器将输出一个与温度变化相对应的计数值，作为计数器1的新预置值，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环，直到计数器2控制的闸门时间到达亦即计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。在默认的配置中，DS18B20的测温分辨率为00625，以12位有效数据表示（12位数据存储在DS18B20的两个8比特的RAM中），其中，高位的S表示符号位，其数据格式如表23所示。二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度。如0000000110010001表示250625。图24测温原理表23DS18B20的数据格式DS18B20数字温度传感器提供9位（二进制）温度读数，指示器件温度，所以无需A/D转换。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需一条连接线，而且DS18B20的电源可由数据线本身提供（相对于外部电源，转换时间要延长）。而在本遥测系统中采用外部电源供电温度测量工作方式，其中电阻R是上拉电阻，使得单线总线的空闲状态是高电平。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。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1560微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。表24ROM指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS1820ROM中的编码（即64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS1820使之作出响应，为下一步对该DS1820的读写作准备。搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS1820的个数和识别64位ROM地址。为操作各器件作好准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS1820发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。表25RAM指令表指令约定代码功能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，转换时最长为500MS（典型为200MS）。结果存入内部9字节RAM中。读暂存器0BEH内部RAM中9字节的内容写暂存器4EH发出向内部RAM的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器48H将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。重调EEPROM0B8H将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。读供电方式0B4H读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“0”，外接电源供电DS1820发送“1”。22AT89C2051单片机的选择一个控制系统的构成经常可以用单片机来较方便的完成，由于其体积小，指令系统简单，可靠性高，性能价格比高，发展也很迅速。近年来，随着计算机技术，尤其是微型计算机和微处理机的迅猛发展和广泛应用，各种各样具有微机或微处理器的智能测试仪器及测量控制系统大量涌现。AT89C2051与80C31系统相比较如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片74HC373和一片27C64，而系统的有效引脚和AT89C2051基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用AT89C2051都是合算的。AT89C2051与PIC单片机比较目前，国内小型的单片机使用较多的有PIC系列，AT89C2051与PIC相对应芯片比较有如下特点AT89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，AT89C2051片内不含WATCHDOG，这是AT89C2051的不足之处，但是AT89C2051的中断系统、堆栈结构、串行通讯能力和定时器系统都大大强于PIC系统。由于PIC芯片中无标准串行口，所以在单片机的联网应用上面，PIC不太合适。故本温度控制装置微控制器采用AT89C2051。AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2K字节的可反复擦写的只读FLASH程序存储器（EPROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51的指令集和引脚，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。AT89C2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入输出（IO）端口P10P17、P30P35、P37，其中P1是一个完整的8位双向IO口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较器。主要特性A、和MCS51产品的兼容B、2K字节可编程闪速存储器C、276V的操作范围D、全静态操作0HZ24MHZE、两级加密程序存储器F、1288位内部RAMG、两个16位定时器/计数器H、六个中断源I、可编程串行UART通道J、片内模拟比较器K、低功耗空载和掉电方式图25AT89C2051引脚图从AT89C2051的引脚图25可以看出，与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P1、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片地尺寸有所减少。AT89C2051芯片地20个引脚功能为1、VCC电源电压。2、GND地。3、P1口P1口是一8位双向I/O口。口引脚P12P17提供内部上拉电阻。P10和P11还分别作为片内精密模拟比较器地同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。P1口输出缓冲器可吸收20MA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P12P17用作输入并被外部拉低时，它们将因内部地上拉电阻而流出电流。4、P3口P3口的P30P35、P37是带有内部上拉电阻的七个双向I/O引脚。P36用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20MA电流。当P3口引脚写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流。P3口还用于实现AT89C2051的各种功能，如下表26所示。P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。5、RST复位输入。RST一旦变成高电平，所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡周期或时钟周期。6、XTAL1作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。7、XTAL2作为振荡器反相放大器的输出。表26P3口的功能P3口引脚功能P30RXD（串行输入端口）P31TXD（串行输出端口）P32INT0（外中断0）P33INT1（外中断1）P34T0（定时器0外部输入）P35T1（定时器1外部输入）从上述引脚说明可看出，AT89C2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号，因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备，也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续进行。从AT89C2051内部结构图26可看出，其内部结构与8051内部结构基本一致（除模拟比较器外），引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致，但P1口、P3口有其独特之处。图26AT89C2051内部结构图23温度信号采集的实现信号采集是指温度信号从传感器DS18B20到单片机的这一通信过程，这里，传感器与单片机的连接方式为主从式，其中，传感器为从机，单片机为主机。本课题中选用DS18B20的一个重要原因就是温度转换时间快，以数字方式输出，测量精度高。此信号采集系统以DS18B20作为温度传感器，ATMEL公司的简化型8051单片机AT89C2051作为处理器。系统工作原理为DS18B20进行现场温度测量，将测量数据送入AT89C2051P37口，经单片机处理，并与设定的报警温度上下值比较，若高于设定上限值或低与设定下限值则蜂鸣器发出报警。图27为DS18B20温度传感器与单片机得硬件连接图。图27DS18B20与单片机连接图231单线接口访问DS18B20由于DS18B20只有一根数据线，因此它与主机（单片机）通信时需用串行通信。这里应该注意的是，经过单线接口访问DS18B20必须遵循如下协议初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和控制操作。要使传感器工作，一切处理均从初始化序列开始。（1）AT89C2051首先发出一个复位脉冲，使DS18B20复位先将数据线拉低并保持480960US，再释放数据线，由上拉电阻拉高1560US后由DS18B20发出60240US的低电平作为应答信号。（2）AT89C2051对DS18B20写数据先将数据线拉低1US以上，再写入数据。如数据线为高电平则写1；若为低电平则写0。待写入数据变化1560US后，DS18B20对数据线采样。工作中要求主机写入到DS18B20的保持时间应为60120US，2次写数据的操作时隙应大于1US。（3）AT89C2051读DS18B20数据AT89C2051先将数据线拉低再释放。DS18B20在数据线上从高电平调低后15US内将数据送到数据线上，AT89C2051在15US后读取数据。每个读周期最短的持续期为60US。周期之间必须有1US以上的高电平恢复期。AT89C2051访问DS18B20的程序流程图如图28所示。图28AT89C2051访问DS18B20的程序流程图24看门狗监控电路的选择在单片机的工作现场，存在着各种各样的干扰源。这些干扰源很可能引起程序跑飞，造成死机或程序的非正常运行，如不及时恢复，容易造成损失。看门狗就是在程序跑飞或死机时，对系统进行重新置位或者复位，以使系统恢复正常运行的一种专用电路。现在常用的看门狗主要有两种软件狗和硬件狗。1软件狗实际上就是通常所说的软件陷阱，是纯软件的处理方法。它是在程序存储器的空余地址中全部填上一条跳转指令，一旦程序跑飞，只要程序指针指向这些地址，便立即被强行跳转至程序开头或其他指定地址处，从而使程序继续正常执行。2硬件狗现在更多的被采用。所谓硬件狗，就是一个能够发出“复位”信号的计数器或定时器电路。以前常用的硬件狗由脉冲计数器（如4060芯片）和一些外围电路组成，计数清零端和溢出端分别和单片机的I/O口与RST相连接。其工作原理是由脉冲发生电路产生脉冲，计数器对脉冲进行计数。程序正常运行时，CPU在计数器溢出之前通过I/O口对计数器清零，使计数器不能溢出。一旦程序运行出现异常，不能及时对计数器清零，计数器将发生溢出。此时，由于溢出端与CPU的RST端相连接，所以使单片机系统“复位”，使其能够重新正常运行。单片机系统的供电电源有时候因为各种原因而不稳定，发生电压波动或瞬间掉电的现象，从而影响系统的正常工作和数据保存。如果能对电源电压进行监视，当电源电压下降到某一特定值时，发出一个信号给单片机和电源切换电路，那么就能使CPU及时进行必要的操作和维持工作电源的稳定。本系统选择MAX813L，它能满足上述要求。241MAX813L芯片介绍MAX813L是MAXIM公司推出的低成本微处理器监控芯片。封装形式为8脚双列直插式（DIP）和小型（SO）式封装，引脚如图29所示。MAX813L主要有以下几个功能（1）上电、掉电以及降压情况下具有RESET输出，复位脉冲宽度典型值为200MS。（2）独立的“看门狗”电路。“看门狗”定时时间为16S。如果看门狗输入在16S内未被触发，其输出将变为高电平。（3）125V门限检测器，用于低压报警，还可监视5V以外的电源电压。（4）具有手工复位输入端。图29MAX813L引脚图MAX813L各引脚功能及工作原理如下脚（MR）手动复位输入端。当该端输入低电平保持140MS以上，MAX813L就输出复位信号，该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关地抖动。MR与TTL/CMOS兼容。脚（VCC）工作电源端。接5V电源。脚（GND）电源接地端。接0V参考电平。脚（PFI）电源故障输入端。当该端输入电压低于125V时，5号引脚输出端地信号由高电平变为低电平。脚（PFO）电源故障输出端。电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。脚（WDI）看门狗信号输入端。程序正常运行时，必须在小于16S的时间间隔向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过16S该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。脚（RESET）复位信号输入端。上电时，自动产生200MS的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。脚（WDO）看门狗信号输出端。正常工作时输出保持高电平，看门狗溢出时，该端输出信号由高电平变为低电平。MAX813L的内部结构如图210所示。它减少了在微处理器系统中采用分离元件来实现监控功能所用的元器件数量和复杂性，并能提高系统的可靠性和准确性。它除有看门狗作用以外，还有电源电压检测和上电（手动）复位的功能。图210AMX813L内部结构图242MAX813L基本工作原理单片机的掉电工作方式电路原理图如图211所示当PD设置为1时，激活掉电方式，此时0,与非门输出为低电平，时钟发生器停止工作，单片机内所有运行状态均被停止，只有片内RAM和SFR中的数据被保存起来。在单片机系统中可借助于一定的外部附加电路监测电源电压，并在电源发生故障时及时通知单片机（如通过引发中断来实现）快速保存重要数据，且断开外围设备用电电源，使整个应用系统的功耗降到最少。当电源恢复正常时，取消掉电方式，通过复位单片机，使系统重新工作。图211单片机掉电工作方式电路原理图243MAX813L与单片机的硬件连接图212是MAX813L在AT89C2051单片机中的应用线路图。此电路可以实现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障，以便及时地保存数据。本电路巧妙地利用了MAX813L的手动复位端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”，端电平由高到低，当变低超过140MS，将引起MAX813L产生一个200MS的复位脉冲。同时使看门狗定时器清零和使引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于产生复位脉冲端要求低电平至少保持140MS以上，故可以有效地消除开关抖动。图212MAX813L与单片机的连接图该电路可以实时地监视电源故障（掉电、电压降低等）。图244中R1的一端接未经稳压的直流电源。电源正常时，确保R2上的电压高于126V，即保证MAX813L的PFI输入端电平高于126V。当电源发生故障，PFI输入端的电平低于125V时，电源故障输出端电平由高变低，引起单片机中断，CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。第三章无线数字通信系统设计31通信系统模型311建立系统模型首先建立通信系统的模型如图31所示。信号源接收设备信道发送设备受信者噪声源图31通信系统的模型上图中，信号源，即信号采集系统，其作用是把被测量温度转化成电信号，为了使这个原始信号适合在信道中传输，由发射设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信号的传输媒质即信道。这里采用电磁波。在接收端，接收设备的功能与发射设备的相反，它将从接收信号中恢复出相应的原始信号；而受信者，即数据处理系统，是将复原的原始信号转换成相应数据，再用数码管显示或打印机打印。312无线通信按信息由一地向另一地传递媒质的不同，通信可分为两大类一类是有线通信，另一类是无线通信。本系统采用后者。所谓无线通信，就是不需架设线路而用无线电波在空间传播来传递消息。313数字通信按照信道中传输的是模拟信号数字信号，相应地把通信系统又分成两类模拟通信系统和数字通信系统。本课题采用数字通信系统，与模拟通信相比，数字通信具有许多优点第一，数字传输地抗噪声（或干扰）能力强；第二，传输中的差错可以设法控制，这就改善了传输质量；第三，便于使用现代计算技术来对数字信息进行处理；第四，数字信息易于加密而且保密性强；第五，数字通信可以传递各种信息，使通信系统变得通用、灵活等。并且还考虑到接收系统处理数据时软硬件的简单化和方便性，还有可采用性能可靠、低功耗的数字式收发模块等。32数据帧编码321通信方式一、串行通信基本的通信方式有两种，一种是并行通信，一种是串行通信。而串行通信，即要传送的数据或信息必须按一定的格式编码，按一位接一位的先后顺序进行发送。发送完一个字符后，再发送第二个。相应地，接收数据时，每次从单根线上一位接一位地接收信息，再把它们拼成一个字符，送给CPU作进一步处理。二、单工传送串行通信时，数据在两个站（或设备）之间传送，按传送方向可分成单工、半双工和全双工三种不同地方式。本系统的主要任务是遥测，只需发送数据，因此采用单工传送。单工数据线仅能在一个方向上传输数据，两个站之间进行通信时，一个站只能发送数据，另一个站只能接收数据，这种通信方式也称为单向通信。如图32所示。ABTR图32单工传送上图中A为发送端，B为接收端三、异步方式串行通信按时序同步与异步分为两种基本工作方式。同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间，是比较常用的传送方式。在异步通信中，数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧地发送，每一帧数据均是低位在前，高位在后，通过传输线被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收端可以由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。本系统采用异步方式，规定不发送数据时，数据信号线总是呈现高电平，处于MARK状态，也称为空闲状态。为了表示数据传输的开始，发送方先发送一个特殊字符，该字符称为同步字符。也可以用一串特殊的位信息来代替。该信息称为标志字节。本课题中考虑到所传送的数据在一定的范围内，因此采用一串特殊的数字作为标志字节，当发送方和接收方达到同步后，就可以一个字符接一个字符地发送一批数据，这样可明显提高数据地传输速率。接收数据时，接收方可利用同步字符将内部时钟与发送方保持同步，然后将同步字符后面的数据逐位移入，并转换成并行格式，供CPU读取，直至收一帧数据结束，然后又处于空闲状态。33信号收发模块的选择由于从传感器采集过来的原始信号具有较低的频谱分量，不适宜在信道中直接进行传输，在无线传输中，要使信号传输能得到比较满意的效果，必须将信号进行处理，即进行调制，它是按照信号改变高频电流（或电压）的参数或在脉冲工作时改变脉冲参数的过程，或者说按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。经过调制的信号比原始信号具有更强的抗干扰能力，并且，在无线电遥测中，由于天线的限制，低频信号不适于无线电传输，必须把低频信号调制到适当的高频段才能进行无线电发送与接收。331PTR2030的概述目前无线收发模块的种类较多，因此如何在设计中选择所需要的模块显得非常关键，正确得选择可以少走弯路，降低成本。本设计所选择的是新型无线收发模块PTR2030。它是一种超小型、超低功耗、高速率的无线数传MODEM，它采用串口传输，应用及编程非常简单，传送的效率很高，而且所需的外围元件少，产品开发成本低，功耗低，管脚少，封装小，因而有利于减小PCB板面积和降低成本。PTR2030由单IC组合而成，它采用FSK调制，而且接收发射合一，因而抗干扰能力很强；由于采用标准的DIP引脚间距，因此更适合嵌入式设备。另外，它采用低发射功率、高灵敏度设计，可满足无线管制的要求且无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。PTR2030的主要特性如下接收发射合一；工作频率为国际通用的315MHZ数传频段；采用FSK调制方式，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；采用频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高，达到105DBM；最大发射功率为10DBM；工作电压低（27V33V），功耗小，待机状态电流仅为8UA；工作速率最高可达20KBIT/S（也可在较低速率下工作，如9600BPS）；超小体积；可直接与单片机串口相连，编程非常方便；由于采用了低发射功率、高灵敏度设计，使用时无需申请许可证；标准的DIP引脚间距更适合嵌入式设备。332PTR2030的引脚功能PTR2030模块的引脚图如图33所示。图33PTR2030引脚图各引脚功能如下VCC正电源，范围为2733V；CS频道选择端，必须设为高（即CS1），即选择工作频道为315MHZ；DO数据输出端；DI数据输入端；GND电源地；PWR节能控制端，PWR为1时，为工作状态；PWR为0时，为待机微功耗状态；TXEN发射接收控制端，TXEN为1时，模块为发射状态；TXEN为0时，模块为接收状态。333PTR2030的软件编程在软件编程过程中，对PTR2030的工作模式和工作频道的选择尤为重要，表31给出了该模块的工作模式控制及工作频道的选择方式。表31PTR2030工作模式及频道选择方式模块引脚输入电平模块状态TXENCSPWR011接收011接收111发射111发射XX0待机发送部分PTR2030的通信速率最高为20KBIT/S，也可工作在其它速率，如4800BPS、9600BPS下。实际上，使用时无需设置PTR2030的工作速率。在发送数据之前，一般应将模块置于发射模式，即置TXEN为1，然后在等待至少5MS后（接收到发射的转换时间需要）才可以发送任意长度的数据。发送结束后，应将模块置于接收状态，即置TXEN为0，发射到接收的转换时间为5MS。接收部分接收时应将PTR2030置于接收状态，即置TXEN为0，接收到的数据可直接送到单片机串口或经电平转换后送到计算机。待机模式当PWR为0时，PTR2030将进入节电待机模式，此时的待机功耗电流大约为8UA。但在待机模式下，一般不能接收和发射数据。334PTR2030在温度遥测系统中的应用用PTR2030可实现数据采集的点对点传输，也可构成点对多点的双向数据传输通道。在该系统中，PTR2030将温度传感器采集到的数据传送给计算机，同时计算机发出的控制信号传送给单片机，从而实现单片机与计算机之间的无线数据通讯。PTR2030可直接接单片机的串口或I/O口。连接时，PTR2030无线MODEM的DI端应接单片机串口的发送端，DO端应接单片机串口的接收端。利用单片机的I/O口可以控制模块的发射、频道转换和低功耗模式。PTR2030与计算机相连时，必须经过电平转换来将TTL电平转换为RS232电平。电平转换可选用一片MAX232来完成。基于无线收发模块的特点，在对系统进行软件设计时，应特别注意通信协议的制定及纠检错的处理。无信号时，PTR2030的串口输出为随机数据，所以协议的第一件事就是要能够识别噪声和有效数据。通过测试和试验发现，0XFF后跟0X00在噪声中不容易发生，因此，单片机发送数据可以任意内容的字节开始（因为第一个字节的数据在发送时易丢失），然后是0XFF后跟一个0X00，接收协议规定只接受以0XFF开始，并在其后跟一个0X00的数据包。另一点要注意的问题是数据的纠检错。本系统检错采用校验和方式。纠错采用连续传送三次的方法。同一数据连续发送三次，然后在接收端比较三个数据中的每一位，若至少有两个数据的改位相同，则该位为正确。总之，一个完整的无线传输协议为开始1开始1开始2数据1数据2数据3校验和。其中开始1是0XFF，开始2是0X00，如果校验和正确，则说明数据传输完整。然后再比较数据1、数据2、数据3，取其两个相同者给出应答信号，如果数据本身传输不完整，则不应答，系统会重新发送数据。335PTR2030与单片机AT89C2051的硬件连接PTR2030与单片机相连（图34为PTR2030与AT89C2051的连接图），无线射频模块的DO和DI分别与单片机的RXD和TXD相连接。利用单片机的I/O可以控制模块的发射、频道转换和选择低功耗模式。AT89C2051主要完成数据的组织、存储、传输和控制命令的收发。PTR2030模块完成数字信号与射频信号的调制与解调。图34PTR2030与AT89C2051的连接图34单片机与PC机之间的通信341RS232C标准RS232C是美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线。该标准适用于DCE和DTE间的串行二进制通信，最高数据传送速率可达192KBPS，最长传送电缆可达15米。RS232C采用串行格式，如图35所示。该标准规定信息的开始为起始位，信息的结束为停止位；信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶校验位。如果两个信息之间无信息，则写“1”，表示空。图35RS232信息格式RS232C标准定义了25根引线其引脚图如图36，对于一般的双向通信，只需要使用串行输入RXD，串行输出TXD和地线GND。RS232C标准的电平采用负逻辑，规定5V15V之间的任意电平为逻辑“0”电平，5V15V之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和CMOS电平是不同的。在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或CMOS电平，所以在通信时，必须进行电平转换，以便与RS232C标准的电平匹配。MAX232芯片可以完成电平转换这一工作。图36RS232C引脚图342MAX232芯片简介MAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器。适用于各种EIA232E和V28/V24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电源变换成RS232C输出电平所需10V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的5V电源就可以。MAX232芯片封装为双列直播16脚封装，其引脚图如图37所示，实现2路发送/接收，其参数如下图37MAX232引脚图电源5V传输速率120KBPS输入/输出RS232端输出8V；输入30V（最大）TTL端输入逻辑高2V（最低）；逻辑低08V（最高）；输入电流5UATTL端输出逻辑高02V；逻辑低04V（最大）343串行接口电路采用MAX232接口的硬件电路如38图所示。MAX232外围需要4各电解电容C1、C2、C3、C4,是内部电源转换所需电容,其取值均为1UF/25V。宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。C5为01UF的去耦电容。MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL/CMOS电平的引脚，引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS232C电平的引脚。因此TTL/CMOS电平的T1IN、T2IN引脚应接单片机的串行发送引脚TXD，R1OUT、R2OUT应接单片机的串行接收引脚RXD。与之对应的RS232C电平的T1OUT、T2OUT应接PC机的接收端RD，R1IN、R2IN应接PC机的发送端TD。图38MAX232硬件接口电路图35通信系统性能指标在数字通信系统里，主要的性能指标有两个，即传输速率和误码率。由于数字通信是传输离散信号的，最适宜采用的数字表示方法是二进制，即只有两种不同的状态（只有两个电压值或只有两个电流值）的“0”或“1”。351传输速率传输速率，常用波特率来表示，通常被定义为每秒钟传送二进制数的位数，单位为波特（BD），实际上它是传送每一位信息所用时间的倒数。本课题中，由于信号传送是非周期性的，故采用传送密度，即平均每秒钟内传送的数据位数。352误码率数字通信的另一性能指标误码率，它是衡量系统正常工作时，传输消息可靠程度的重要指标。所谓误码率，是指错误接收的二进制数在传送总二进制数中所占的比例，或者更确切地说，误码率即是码元在传输系统中被传错的概率。36提高系统性能的措施为了提高系统的可靠性和有效性等性能，保证接收到的信号的正确性，本通信系统在设计时采取一下措施。一、采用数字通信系统。二、硬件设计上，采用射频发射、接收模块，具有频率可调，发送距离较远，功耗低等优点。三、软件设计上（1）规定约定信号，由发送端发出，当接收端接收到约定信号后，开始同步，接收数据，否则等待。（2）发送端在一秒钟之内对同一帧测定数据发送56次，以保证每一次测定值在发送后由一帧数据被接收端正确接收。（3）用校验码进行校核，发送端在发送约定信号之后，即连续发送2个数据，第一个数据是传感器的测定温度值，后一个是校验码。第四章数据处理系统设计本章主要论述了数据处理部分的功能及其实现。数据处理是指由通信系统的接收端接收过来的信号，保存在AT89C2051的RAM中，然后根据需要，可实时将结果显示到七段数码管。或通过键盘设置来改变数据处理功能。41数据显示电路411显示器原理（数码管）数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。本设计所选用的是半导体数码管，是发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，