无线温度采集器毕业设计

1、无线温度采集器摘要: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、热电偶1引言本文主要利用两路热电偶采集温度的模拟量，并且利用热电偶串行模数转换器实现信号放大、冷端补偿和A/D转换，再由单片机进行处理，并通过无线传输模块将测量的数值传输给PC机，在PC机上实现数据的对比，从而可以对工业现场和农业现场的环境温

2、度进行实时监测，并且利用该设计还可以实现对热电偶测量准确度的现场检测。本设计结构简单，但应用范围广泛，使用方便，而且节约资源，同时可以进行远距离的监控。2总体方案设计能实现本次设计任务要求的方案不只一种，它们各有利弊。工作环境、测量精度、要求不相同时，选择的方案亦有所区别。所以，我们要根据设计的具体要求，对能实现设计的多种方案进行论证，从中选择出适合设计要求的最佳方案。21方案一：定点温度采集系统方案一的原理框图如图2-1所示。方案一所设计的无线温度采集系统主要由一个上位机模块和一个下位机模块组成，上位机模块和下位机模块之间采用无线数据通道联系。上位机模块能对整个无线数据采集系统的运行进行管理

3、和控制，下位机模块主要实现温度的多点数据采集。下位机模块以单片机为控制核心，主要包括温度传感器信号调理电路、模数转换电路和无线发射电路。上位机模块主要是单片机控制下的无线接收电路和PC机与无线收发单元间的串口通信电路。（1）温度传感器信号调理电路温度传感器信号调理电路主要包括热电偶、信号放大器和低通滤波器，完成温度数据采集的功能。其中热电偶将温度信号转换成电压量；放大器将传感器输出的小信号放大，放大器的输出结果满足模数转换的转换范围。（2）模数转换电路模数转换电路是用A/D转换器接收来自放大器的模拟信号，并将其转换成数字信号提供给发射电路。（3）无线发射电路无线发射电路是由单片机控制，从发送端

4、（模数转换）接收数据，并用无线收发芯片对收到的数据进行编码，然后通过输出端口输出。（4）无线接收电路无线接收电路是接收发射电路发送的信号，通过无线收发芯片进行译码，成为上位机可显示的数据。（5）PC机与无线收发单元间的通信电路 系统采用一个接口芯片连接PC机与无线收发单元，通过该接口芯片实现数据传送和在PC机上显示温度采集结果。热电偶信号放大器低通滤波器模数转换器单片机无线发射芯片信号调理电路无线接收芯片单片机接口芯片PC机图2-1 方案一系统框图2. 2方案二：自动检定温度采集系统单片机控制系统PC上位机UART通信无线通信模块图2-2（a）协调器端方案二的原理框图如图2-2所示。方案二所设

5、计的无线温度采集系统同样是由一个上位机模块和一个下位机模块构成，上位机模块与下位机模块之间采用无线数据通道联系。上位机模块能对整个无线数据采集系统的运行进行管理和控制，下位机模块主要实现温度的多点数据采集。下位机模块包括两部分电路，一路是数据采集部分，一路是数字式自动检测部分；上位机是单片机控制下的无线接收电路和PC机与无线收发单元间的串口通信电路。（1）温度传感器电路数据采集电路主要包括温度采集电路的电流信号输出完成被测传感器的数据采集功能。其中温度采集器使用的是DB18B20的数字式温度计。（2）无线发射电路无线发射电路是由单片机控制，从发送端（模数转换）接收数据，并用无线收发芯片对收到的

6、数据进行编码，然后通过输出端口输出。（3）无线接收电路无线接收电路是接收发射电路发送的信号，通过无线收发芯片进行译码，成为上位机可显示的数据。（4）PC机与无线收发单元间的通信电路系统采用一个接口芯片连接PC机与无线收发单元，通过该接口芯片实现数据传送和在PC机上显示温度数据采集的结果以及被测温度的检定结果。温湿度传感器无线通信模块嵌入式单片控制系统电源系统方案一是对一个定点进行温度数据采集，经过各部分电路的处理后，通过无线通信的方式发送到PC机上进行显示，很显然，这是典型的一路无线温度采集系统；方案二是在温度数据采集的同时对使用的传感器进行自动的现场检定，两部分的数据通过无线传输的方式发送到

7、PC机上进行显示和对比，从而确定被测热电偶的性能情况，这是带自动检定的无线温度采集系统。图2-2（b）方案二系统框图在工业上，传统的检定装置由程序给定器、PID调节器、温度显示记录仪、可控硅等组成控制系统来控制温度，等待炉温稳定后，用手动电位差计测量毫伏电动势，然后手动查表、数据处理。这种方法操作繁琐、耗时长、浪费能源，也易带来一些人为误差。方案二设计的就是一种简易的数字式温度无线传输系统。从根本上说，方案一与方案二的最大的区别就是方案二的设计简单明了，无论是在硬件设计上还是在软件设计上方案二都占有很大的优势。因此我确定方案二为本次设计的最终方案。3.分电路设计和论证31 温度传感器电路设计和

8、论证311 方案一：红外温度传感器电路信号调理电路的原理如图3-1 所示，一共分为3 个部分，分别是电流/电压转换模块、滤波模块1.电流/电压转换模块图3-1 调理电路该测试系统选用的传感器为非接触式红外温度传感器，测温范围为 25 80，模拟输出为4 20 mA 两线制电流输出。为此，需要将其转换成1 5 V 的电压信号，以便输送给数据采集卡进行采集。其中最简单的方法是加一个250 的电阻，但这样发热功率太大，并且会对负载产生一定的影响。因此本文借助放大器设计了一个适用于本文的电流/电压转换电路，所设计的电路如图3-2 所示。图3-2电流/电压转换电路图2. 滤波模块由于温度信号为低频信号，

9、同时为了抑制环境干扰源消除高频噪声，需要进行低通滤波。在实际的滤波器设计中，有很多种响应去逼近具有理想特性的滤波器。成熟的逼近方法有巴特沃斯响应、切比雪夫响应、椭圆响应、贝赛尔响应等2。巴特沃斯滤波器有着最为平坦的通带幅值响应，但高于截止频率的衰减度不是很大，且相位线性度不是很好; 贝赛尔滤波器的相位特性最好，但高于截止频率的衰减度最小，且通带幅值响应不是很好; 而切比雪夫滤波器在高于截止频率时有着最大的衰减度，但位线性度最差，且在通带范围内会发生谐振现象3。本电路选取了各项指标都较均衡且具有最好幅值响应的巴特沃斯滤波器。312方案二： 数字式温度传感器信号调理电路数据采集部分的电路由温度采集

10、电流输出电路组成，这一模块的功能就是将采集到的温度数据无线发送出去。温度传感器是现代社会中发展最迅速应用最广泛的传感器，广泛应用于农业，工业调试现场领域，而且在科学研究领域中也发挥着巨大的作用。温度传感器主要可以分为接触式和非接触式传感器两种15。我们平时所用到的温度传感器一般为接触式传器即将被测物体与传感器接触在一起，根据热量由高温物体向低温物体传递的原理，让传感器直接感受被测物体的温度，这样测得的温度直接反映了被测物体的温度，真实性直观性好。还有一种是通过测量物体的热辐射所发出的红外线来测量物体的温度，成为非接触式温度传感器，这种方式对技术要求比较高。 我们所设计的系统是要把传感器埋到地表

11、以下，甚至是在冬天把传感器放在冻土层里的，所以这里我们选择接触式温度传感器，主要有热电偶传感器集成温度传感器等。一 热电偶热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。在工业生产中，热电偶是应用最广泛的测温元件之一。在数据采集与控制系统中，热电偶处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，对系统的功能起了决定性的作用。因此，只有根据系统要求，选择合适的热电偶，才能得到精确可靠的温度数据。目前对热电偶的工作原理有两种解说，都应该是正确的，下面我们将分别介绍这两种说法。（1）热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通

12、过，此时两端之间就存在Seebeck电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。（2）两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时

13、，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题： 热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关； 当热电偶的两个热电偶丝材料

14、成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，则热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。由热电偶测温公式得知，热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定时，才能通过测量热电势的大小得到热端的温度。当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必需首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，在考虑将冷端处理为0，这称为热电偶的冷端处理和补偿。下面介绍几种冷端处理的方法：补偿导线法补偿导线在100（或200）以下的温度范围内，具有与热电偶相同的热电特性，用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。热电偶补偿导线通常有补偿导线合金丝

15、、绝缘层、护套和屏蔽层组成。热电偶补偿导线有两方面的功能：其一实现冷端迁移；其二是降低电路成本。当热电偶与测量仪表距离较远时，使用补偿导线，可节约热电偶材料，尤其对贵金属热电偶来说，经济效益更是明显。热电偶冷端温度恒温法在一个保温瓶里放冰水混合物，1个标准大气压下（101.325kPa）冰和纯水的平衡温度为0，在密封的盖子上插入若干支试管，试管的直径尽量小，并有足够的插入深度。试管底部有少量高度相同的水银或变压器油，若放水银则可把补偿导线与铜导线直接插入试管中的水银里，形成导电通路，不过在水银上面应加少量蒸馏水并用石蜡封结，以防止水银蒸发和溢出。若改用变压器油代替水银，则必须使补偿导线与铜导线

16、接触良好。自由端恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。冷端补偿电桥法补偿电桥法是利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值，补偿电桥的4个桥臂中有一个臂是铜电阻作为感温元件，其余3个臂由阻值恒定的锰铜电阻制成。桥臂铜电阻必须和热电偶的冷端处于同一温度下。电桥在0设计的铜电阻的阻值与其余3个桥臂电阻相等，这时电桥处于平衡状态。当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小），而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化（升高）。如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测

17、量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。本次设计的无线温度采集系统主要用于工业高温测控方面，因此对热电偶的准确度要求较高，在这里我们并不采用以上几种热电偶冷端补偿的方法，而是使用一种芯片，关于该芯片的介绍将在后面的内容中提到。由热电偶测温原理可知，由两种不同金属A和B构成一个闭合回路就可以组成热电偶，但为了保证测温精度和工程上的各项技术指标，按照工业标准化的要求，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶两种。所谓标准化热电偶，是指工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员

18、会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶，标准化热电偶分度表及热电极材料如表3-1所示。表3-1 标准化热电偶分度表及热电极材料热电偶分度号热电极材料正极负极S铂铑10纯铂R铂铑13纯铂B铂铑30铂铑6K镍铬镍硅T纯铜铜镍J铁铜镍N镍铬硅镍硅E镍铬铜镍集成温度传感器：这类传感器是通过把温敏元件、线性电路、偏置电路以及功率放大电路集成在同一块芯片上的集成温度传感器。集成温度传感器体积小，使用方便，外围电路一般只要几个单独的电阻电容，测温性能好，稳定可靠，线性度高，容易校准，而且价格便宜。 我们设计的系统，测量温度范围为比较小，约为-30C +70C 之间，对比以上几种温度传感器我们最终选择集成温度传

19、感器 DS18B20，它是一种新型的单总线温度传感器，被测的温度在芯片内部就可以直接由模拟量转换为数字量，省去了附加的 A/D转换芯片，大大简化了电路设计，符合本测温系统的设计要求。二集成温度传感器 DS18B20 的介绍 DALLAS 公司推出的集成温度传感器DS18B20 是一种单总线的温度传感器，推出之初就得到了社会的广泛认可，迅速推广。其中 DQ 为数字信号输入/输出引脚；VDD 为外接电源输入源(在利用寄生电源这种接法时，VDD 接地)；GND 为电源地。DS18B20 温度传感器的数据传输只靠一根数据线与 CPU 连接，所有的数据传输、通信都根据时序转换在一根线上操作，结构简单，易

20、于操作，所以在工业现场温度控制、消费类设备中得到了广泛的应用。下面我们主要从 DS18B20 的主要特性，它的测温原理和内部结构三个方面介绍这类温度传感器。 （1）DS18B20 的特性： 1）使用时不需要外围器件； 2）可用数据线供电，电压范围：3.0V5.5V； 3）支持多点的组网功能，每一个 DS18B20 温度传感器在出厂的时候都具有全球唯一的序号，所以多个温度传感器可以并联在同一根单总线上，实现多点测温，不混淆； 独特的单总线接口：DS18B20 温度传感器与微处理器连接时只需要一根信号线4）即可实现单片机与 DS18B20 的双向通信； 5）具有报警搜索命令可以报告所测温度超出了

21、DS18B20 的温度测量范围，用户可以自设定报警上下限值； 6）负压特性，电源极性接反时，温度传感器不会因为发热而损坏，但是不能正常工作。 DS18B20 温度传感器的测温范围为-55C +125C 度，温度转换结果分为 9 位，10位，11 位，12 位。转换结果为 9 位时，转换时间位 93.75ms,测量精度为 C；转换结果为 10 位时，转换时间为 187.5ms，测量精度位 C；转换结果为 11 位时，转换时间为 375ms,测量精度为 C；转换结果为 12 位时，转换时间为 750ms，测量精度位 C 18；实际应用时我们可以通过匹配寄存器设定转换结果的为数，DS18B20在出厂

22、时被设置为 12 位。为了提高温度测量准确率，本设计中我们次用 12 位的转换精 (2) DS18B20 的测温原理 DS18B20 的测温原理可以简单的用图 3-3 表示。图中，高温度系数振荡器和低温度系数振荡器除了自身的特性外，还要受到温度的影响，低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1，高温度系数的晶振频率随着温度变化其震荡率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲信号进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间高温度系数振荡器来决定，每次测量前

23、，首先将-55C 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在-55C 所对应的一个基数值。减法计数器 1 对低温度系数晶振所产生的脉冲信号进行减法计数，但减法计数器 1 的预置初值减到 0 时温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置初值将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振所产生的脉冲信号进行计数，如此循环直道减法计数器 2 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。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍没关闭就重复上述过程，直至温度寄

24、存器值达到被测物体温度值。(3) DS18B20 的内部结构 DS18B20 的内部结构主要有四部分组成：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。DS18B20 的内部结构框图如图 3-13 所示。 在 ROM 中，开始的 8 位是产品类型的编号，随后的 48 位是产品器件的唯一标识序列号，由于每个产品出厂时的序列号是不同的，所以我们可以把多个温度传感器接在同一根数据图3-3 DS18B20测温原理图线上，实现多点测温；DS18B20 传感器还包括最后 8 位，这八位是前面 56位的 CRC 校验位，读出其内容的时候我们可以采用 ROM 命令。 D

25、S18B20 温度传感器包括四种工作模式，我们可以用软件进行设置为它的任意一种工作模式，但是位数越多，设定的分辨率就越高，所以需要的转换时间也就最长，在一些高速 CPU 的使用中尤要注意。 (4) 温度传感器的电路设计 我们设计传感器需要 20 个温度传感器，分为两组，每组十个传感器，所有的传感器均匀的埋设在高速公路路基以下 0.6 米3.6 米的范围内。因为一个 DS18B20 的连接只占用一个 I/O 端口，而且根据它们出厂时的设计，每一个 DS18B20 温度传感器具有唯一的地址，我们可以把它们分别连接到两根数据线上，所以在这里，我们就把这两组温度传感器通过两根数据线并联到 CPU 的两

26、个 I/O 口。我们知道 DS18B20 的电源可以采用两种方式21，在这里我们采用外部电源供电的方式，而没有采用寄生电源这种更为简单的设计方式，这是有原因的：我们每个 I/O 端口都接入了 10 个温度传感器，需要内部 的驱动电流较大，这就需要额外的强上拉电阻来增大驱动电流，而且单总线的情况下芯片的操作时序变得更加复杂，给调试和设计造成不必要的困难。此外，由于我们的 CPU 和温度传感器的距离比较远，采用寄生电源的话 DS18B20的漏电流比较大，可能会影响到测量结果的正确性，造成误差。DS18B20 的温度测量电路设计如图3-4 所示。本设计中我们把 DS18B20 都接在 ARM7 处理

27、器的 PE 端口，实际中有两组温度传感器，这里只是画出了一个传感器的接法，其它的传感器类似的并联在同一条数据线上，因为我们的温度传感器和系统的CPU 模块不在一起而是分开的，在设计时，我们发现温度传感器与 CPU 的连线距离与上拉电阻的大小对测得的温度数据的准确性有较大的影响，甚至出现不准确的情形，在近距离时准确度很高，但是，在超过一定的距离时，我们不能单纯的再使用芯片资料提供的 4.7k 的上拉电阻了，具体的数量级需要实测，本系统中，我们的温度传感器和单片机的距离大约为 30 米，在这个距离的时候，经过我们多次试验测试得到的数值，上拉电阻的阻值在 400 欧姆到 700 欧姆之间都是可以得到

28、正确的温度测量值的。 图3-4 DS18B20的连接电路3.2 定时器电路的设计 在本系统的时钟设计中，我们选用 DALLAS 公司生产的 DS12CR88720芯片，DS12CR887 是与 DS12R885 实时时钟（RTC）功能兼容的替代产品。该产品提供 R/T日历时钟，定时闹钟，三个可屏蔽的中断和一个通用中断输出、可编程方波以及 114 字节电池备份的静态 RAM。少于 31 天的月份，月末日期可自行调整，其中包括闰年补偿。该器件还可以工作于 24 小时或带 AM/PM 指示的 12 小时格式。一个精密的温度补偿电路用来监视 VCC 的工作状态。如果检测到主电源故障，该器件可以自动切换

29、到备用电池供电。Vbackup 引脚用于支持可充电电池或超级电容，内部包括一个始终有效的涓流充电器。DS12CR887 可以通过一个多路复用的单字节接口访问，该接口支持 Intel 和Motorola 模式。DS12R887 和 DS12CR887 的结构一样，都是将 DS12R885 与石英晶体和电池集成在一块芯片内部。 (1) DS12CR887 芯片主要管脚介绍 MOT 引脚是芯片的 Motorola 或 Intel 总线时序选择端，利用此引脚选择两种总线类型中的一种，连接到 VCC 时选择 Motorola 总线时序，接地或者悬空时选择 Intel 总线时序，该引脚内部有一个下拉电阻。

30、 引脚 4 到引脚 11 为芯片的双向地址/数据复用总线。地址在总线周期的开始发送到总线上，并有 AS 信号的下降沿锁存到 DS12CR887，所写的数据由 DS 信号的下降沿（Motorola 时序）或 R/W 信号的上升沿（Intel 时序）锁存。读数据周期中，DS12CR887于 DS 信号的后期（Motorola 时序中 DS 和 R/W 均为高，Intel 时序中 DS 为低,R/W 为高）将数据发送到总线上。读数据周期结束后，总线恢复到高阻状态，同时 DS 在 Motorola时序中变低，在 Intel 时序中变高。 CS 位是芯片片选信号输入引脚。片选信号低电平有效，在访问 DS

31、12CR887 的总线周期内必须保持低电平。在中的 DS 和 AS 信号工作期间，Intel 时序中的 DS 和 R/W 信号工作期间，CS 必须保持有效。在 CS 信号无效的情况下，总线操作将不能访问芯片。当 VCC 低于 VPF 电压时，DS12CR887 内部通过禁止 CS 输入来拒绝访问。此举旨在断电时保护 RTC 数据和 RAM 数据。 AS 是地址选通输入引脚，由低电平变为高电平的地址选通脉冲用来分离总线信号。在 AS 信号的下降沿，地址锁存到 DS12CR887 内。无论 CS 信号是否有效，AS 的下一个上升沿将都清除地址。地址选通信号必须先于每个读或写访问操作,如果在 CS

32、信号无效的情况下执行了读或者写操作，则必须在 CS 信号有效时且在读或者写访问操作之前，重新发一遍地址选通信号。 R/W 是芯片读写输入引脚。R/W 引脚有两种操作模式，在 MOT 引脚接 VCC 的Motorola 时序中，R/W 电平用来指示当前周期是读还是写。在 DS 为高时，R/W 为高电平时表示读周期，R/W 为低电平则表示写周期。在 MOT 引脚接地的 Intel 时序中，R/W为低电平有效。在此模式下，R/W 引脚与普通 RAM 的读写时能信号（WE）工作方式类似，在此信号的上升沿锁存数据。 数据选通或读输入引脚。DS 引脚根据 MOT 引脚电平有两种模式。MOT 引脚接VCC

33、时，选择 Motorola 总线时序，此模式下，总线周期的后期 DS 为正脉冲，在读周期中，DS 表明 DS12CR887 将要驱动双向总线。在写周期中，DS 信号的下降沿使DS12CR887 锁存所写的数据。当 MOT 接地时，选择 Intel 总线时序，DS 表示读取30DS12CR887 数据驱动总线的时间周期，此模式下，DS 引脚与普通 RAM 的输出使能的信号(OE)工作方式类似。 RESET 为芯片的复位输入端。低电平有效，此引脚对时钟、日历或 RAM 不起作用。上电时首先保持低电平，以等待电源稳定下来。保持低电平的时间可以根据应用需要软件确定，如果上电时使用 RESET 信号，R

34、ESET 保持低电平的时间应超过 200ms, DS12CR887 上电的内部定时器定时结束。在典型应用中，可将 RESET 与 VCC 连接，使得 DS12CR887 在进入或退出电池时不影响任何控制寄存器的值。 IRQ 是时钟芯片的中断请求输出引脚。DS12CR887 在此引脚低电平时有效，可用作处理器的中断申请输入，只要引起中断的状态位置位，并且相应中断使能位也置位，IRQ 将一直保持低电平。处理器程序通常读取 C 寄存器来清除 IRQ 引脚输出，RESET引脚也会清除未处理的中断，没有中断发生时 IRQ 为高阻状态，可将多个中断器件接到一条 IRQ 总线上，只要它们均为漏极开路输出。I

35、RQ 引脚为漏极开路输出，需要使用一个外接的上拉电阻与 VCC 相连。 SQW 为芯片的方波输出引脚，SQW 引脚能提供 RTC 内部 15 级分频器的 13 个分频比之一，可通过对寄存器 A 编程来控制 SQW 引脚的输出信号频率，SQW 信号可通过设置寄存器 B 的 SQWE 位来打开或者关闭，当 VCC 低于 VPF 时，SQW 信号无法输出。 (2) 定时器电路设计 图3-5 DS12CR887连接电路本系统中，定时器模块的电路连接如图 3-5 所示。我们采取芯片的 Intel总线时序进行操作，我们可以把 MOT引脚直接悬空或者接地，这里我们选择把此引脚接地；把 DS12CR887 的

36、数据/地址线全部接到单片机的 PD 口，接在同一个 I/O 口的目的是操作方便，接线简单，便于调试。所有芯片中 NC 的意思是无连接，我们把此芯片的 NC 引脚统统悬空；片选信号 CS，以及主要的时序控制信号 AS，R/W，DS 我们都接在 PC 口，我们把 DS12R887 的中断，我们接在图 3-5 DS12CR887 连接电路 3.3 无线收发模块电路设计和论证根据本设计的要求，为实现单片机和PC机之间的无线数据传输， 首先需要选择合适的无线收发的器件或者是模块，其次需要了解该器件或者是模块如何与单片机以及PC机连接。1.无线收发芯片的选择由于无线收发芯片的种类和数量比较多，如何在设计中

37、选择所需要的芯片非常关键。正确的选择可以使开发工作少走弯路，以下几点是在选择芯片或者模块时所需要注意的问题：收发芯片数据传输的编码方式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的传输效率，一般仅能达到标称速率的1/3。而采用串口传输的芯片，如nRF401系列的芯片，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，因为串口的编程相对简单，编程开发工作也很方便。外围元件数量芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量，以及整个系统的复杂性，因此应该选择外围元件少的收发芯片。这方面nRF401是一个较为理想的选择。外围元件仅1

38、0个左右，无需声波滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体收发天线合一。功耗由于无线收发芯片是应用在测控系统上，因此功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的模块。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。收发芯片的封装和管脚数较少的引脚以及较小的封装，有利于减少PCB面积。nRF401仅20脚，是管脚和体积最小的。2. PTR8000无线数据传输模块PTR8000芯片专为点对多点无线通信设计，内置数据协议和CRC检错，无乱码输出，载波监测输出，点对多点通信硬件控制，全面升级替代PTR2000系列无线模块。1. PTR8000芯片的产品

39、特性PTR8000芯片的产品特性如下所示：430/868/915Mhz高性能嵌入式无线模块，多频道多频段，1.93.6V低电压工作，待机功耗2uA；超小体积，内置环形天线，性能稳定且不受外界影响，对电源不敏感，距离更远；最大发射功率+10dBm，高抗干扰GFSK调制，可跳频，数据速率50Kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，数据就绪输出内置完整的通信协议和CRC，只需通过SPI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；PTR8000的应用领域为：遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系

40、统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、信息家电、无线232、无线422/485数据通信等。2. PTR8000基本电气特性PTR8000的基本电气特性如表3-3所示。表3-3 PTR8000 基本电气特性参 数数 值单 位工作电压V最大发射功率10dBm最大数据传输率（曼彻斯特编码）100Kbps输出功率为-10dBm时工作电流11mA接收模式时工作电流mA温度范围-40 to +85典型灵敏度-100dBm掉电模式时工作电流A3. PTR8000的硬件接口及管脚功能如图3-6所示，为PTR8000的用户接口，表3-4为PTR8000的引脚说明，用户接口由10个数字输入/输

41、出/I/O组成，按照工作可分三组：模式控制该接口由TRX_CE，TX_EN，PWR组成，控制PTR8000的四种工作模式：掉电和SPI编程模式；待机和SPI编程模式；发射模式；接收模式；各种模式的控制模式见表3-5所示。说明：待机模式下功耗约为40uA，此时发射/接收电路均关闭，只有SPI接口工作；掉电模式下功耗约为25uA，此时所有电路关闭，进入最省电状态；在待机和掉电模式下PTR8000均不能接收、发射数据，可以进行配置。SPI接口SPI接口SCK、MISO、MOSI以及CSN组成：图3-6 PTR8000引脚图在配置模式下，单片机通过SPI接口配置PTR8000的工作参数；在发射/接收模

42、式下，单片机SPI接口发送和接收数据。状态输出接口提供载波检测输出CD，地址匹配输出AM，数据就绪输出DR 表3-4 PTR8000的引脚说明管脚功能方向Pin1VCCIPin2TXENTX_EN=“1”发射模式，TX_EN=“0”接收模式IPin3TRX_CE使能发射/接收模式（区别于配置模式）IPin4PWRPower down模式IPin5uCLK时钟分频输出OPin6CD载波检测输出OPin7AM地址匹配输出OPin8DR数据就绪输出OPin9MISOSPI输出OPin10MOSISPI输入IPin11SCKSPI时钟IPin12CSNSPI使能，低有效IPin13GND电源地Pin1

43、4GND电源地表3-5四种控制模式PWRTRX_CETX_EN工作模式0XX掉电和SPI编程模式10X待机和SPI编程模式110接收111发射4 PTR8000的工作过程1）上电后CPU首先对PTR8000模块进行配置。先将PWR、TX_EN、TRX_CE设为配置模式，通过SPI把配置字写入相应的寄存器。在掉电和待机模式下，配置内容仍然有效，只有当电源撤除了之后PTR8000中的数据才会丢失。2）当CPU有数据要发射时，首先把PWR、TX_EN置高，然后把接收节点地址和有效数据通过SPI先写入PTR8000，再通过TRX_CE的一个上升沿来启动传输。之后PTR8000内部要进行无线系统加电、数

44、据打包和编码发射等处理。当TRX_CE为低时，PTR8000结束数据传输并自动进入待机模式。接收数据时，首先要通过把TRX_CE置高、TX_EN置低来使PTR8000进入接收模式。模块等待650us后检测空中的信息。如果发现与接收频率一致的载波时，载波检测(CD)输出高电平。如果接收到地址于本机地址一致时，地址匹配(AM)输出高电平。如果接收到的数据包校验正确，是有效数据包时，PTR8000会去掉前导码、地址和CRC校验位，然后把数据准备就绪(DR)置为高电平。CPU可以通过SPI接口读出数据，数据读出后，AM和DR自动变为低电平。5. 单片机目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片化三个方向

45、高速发展。自1975年美国德州仪器公司（Texas Instruments）第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短二十年间，单片机技术已经发展成为计算机领域中一个非常有前途的分支，它有自己的技术特征、规范、发展道路和应用领域。单片机是为了满足工业控制需要而诞生的，是自动控制系统的核心部件，它具有体积小、性能突出、价格低廉等特点，而且它的应用领域也在不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。我们所要设计的无线温度采集系统也属于一种自动控制系统，因此，我们选用单片机作为整个系统的控制核心。单片机芯片作为控制系

46、统的核心部件，除了具备通用危机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，因而决定了单片机CPU与通用微机CPU具有不同的特点：单片机的抗干扰性强，工作温度范围宽，而通用微机CPU一般要求在室温下工作，抗干扰能力较低；可靠性高，在工业控制中可以尽量避免因故障而造成的严重后果；控制功能较强，数值计算能力较差，而通用微机CPU具有很强的数值运算能力，但控制能力相对较弱，将通用微机用于工业控制时

47、，一般需要增加一些专用的接口电路；指令系统比通用微机系统简单；更新换代速度比通用微机CPU慢得多。2 单片机系统设计 单片机应用系统的设计包含硬件设计与软件设计两部分。下面我们首先介绍单片机的硬件设计部分，而软件实现部分将在后面的内容中进行论述。在本次设计中，我们选用的单片机芯片为STC12LE5410AD，如图3-7所示，该芯片是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快812倍，内部集成MAX801专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。下面具体介绍一下STC

48、12LE5410AD芯片：增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；工作电压为2.4V3.8V；工作频率范围是035MHz，相当于普通8051的0420MHz；用户应用程序空间1K/2K/4K/6K/8K/10K/12K 字节；片上集成512字节RAM； 通用I/O口（15个），复位后为：准双向口/弱上拉，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉、推挽/强上拉、仅为输入/高阻、开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA；6） ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.

49、1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； 7） 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路） 图3-7 STC12LE5410AD管脚图图3-7 STC12LE5410AD 管脚图8）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器，用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.2MHz6.8MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应认为是4MHZ8MHz；9） 共6个16位定时器/计数器，两个专用16位定时器T0和T1，再加上PCA模块可再实现4个16位定时器；10）A/D转换，

50、10位精度ADC，共8路；11）通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口；12）SPI同步通信口，主模式/从模式；13）工作温度范围：075/-40+85；图3-8发射部分STC12LE5410AD 与各芯片的连接 图3-8为发射部分单片机STC12LE5410AD与温度采集部分的放大电路、自动检测部分的信号放大芯片MAX6675以及无线收发芯片PTR8000的连接电路。如图所示，温度采集部分的放大电路输出的电压VOLT1由引脚13输送到单片机中，并转换为数字信号；自动检测部分的信号放大芯片MAX6675的CS口连接在单片机引脚2上，C

51、S端是MAX6675的片选端，CS为低时启动串行接口，SCK口接在单片机引脚3上，单片机为MAX6675提供串行时钟，SO口接在单片机引脚12上，是接收的MAX6675输出的串行数据；无线收发芯片PTR8000的AM、DR、CD、PWR、SCK1、MOSI、MISO、CSN、TXEN、TRX_CE口分别连接在单片机的6、7、8、9、19、18、17、16、15、14引脚上，实现各引脚的功能。2. 接收部分单片机与各芯片的连接电路图3-9为接收部分单片机STC12LE5410AD与无线收发芯片PTR8000、电平转换芯片MAX3232的连接电路。由图中可以看出，单片机STC12LE5410AD与

52、无线收发芯片PTR8000的连接方式和上位机中单片机与无线收发芯片的连接方式是相同的；电平转换芯片MAX3232的T1IN口接在单片机的引脚3上，R1OUT口接在单片机的引脚2上，数据由T1IN输入转换成RS232数据，由PC机输出的RS232数据由MAX3232的R1IN转换成TTL/CMOS数据后通过R1OUT输入到单片机中，实现TTLRS232之间的双向电平转换。图3-9 接收部分STC12LE5410AD与各芯片的连接3.4单片机与PC机接口数据传输电路RS-232是1970年美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）联合贝尔系统、调制解调

53、器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的一种用于串行通信的接口标准。采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 RS-232规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前研制的，所以它的电平不是+5 V和地，而是采用负逻辑，即逻辑“0”：+5 V+15 V；逻辑“1”：-5 V-15 V（TTL电平：逻辑“0”：0;i-) date=date1; /变量右移一位 DQ=1; /信号线拉高 NOP();NOP(); DQ=0; /

54、稍延时，拉低 NOP();NOP();NOP();NOP();NOP();NOP(); DQ=1; /信号线再次拉高 NOP();NOP();NOP();NOP(); j=DQ; /判断数据 if(j=1) date=date|0 x80; /1000 0000 delayus(1,1); return date; (3) DS18B20 的写时序 对 DS18B20 的写时序分为写0时序和写1时序两个过程。对于 DS18B20 来说，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 15us45us 的时间之内能够正确的采取 IO 总线上

55、的0电平信号；当要进行写1时序时，单总线被拉低之后，必须释放总线，而这个操作过程的时间必须是少于 15us,具体的写操作程序如下： void write_byte(uchar date) uchar i, temp; DQ=1; /信号线拉高 NOP();NOP(); for(i=8;i0;i-) temp=date&0 x01;/01010101 DQ=0; delayus(0,0); if(temp=1) DQ=1; /写入1 delayus(2,2); DQ=1; /写入后，数据线拉高，等待下次写入 date=date1; /数据右移一位 4.2 定时器和继电器模块的软件设计 定时器模和

56、继电器模块联合工作的流程图如图 4-2所示。其中单片机的 PD 口进行数据的和数据地址的写入。其中 CS,DS,RW,AS 分别代表芯片的片选、数据选通、读写使能和地址选通引脚。Void write ( uchar add, uchar date) CS=0; /选通芯片 AS=1; DS=1; RW=1; rPDATD=add; /准备写入地址 AS=0; /允许把数据写入 RW=0 图4-2 定时器软件流程图rPDATD =date; /准备写入数据 RW=1; /写入数据 AS=1; CS=1; /断开片选引脚 数据的读出： uchar read (uchar add) uchar da

57、te; AS = 1; DS=1; RW=1; CS=0; rPDATD =0 xadd; AS=0; DS=0; rPDATD =0 xff; date=P1; DS=1; AS=1; CS=1; return date; 4.3 无线模块的软件设计 无线手机模块主要是在一些通信手段比较发达的地区，我们在本系统中额外添加的一种可选择模式，当定时时间到达以后，我们采用把数据打包的方式，通过短信息的模式把信息直接发送给 PC 机，然后 PC 机响应，通知温度采集系统，数据已经收到。它的工作流程图主要包括以下几个方面，如图 4-3 所示。图4-3 无线数据发送流程5软硬件系统的调试5.1 硬件调试1.正确安装硬