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1、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。关键词：单片机，无线发送接收，温度控制，LED显示，定时Abstra
2、ctWhat this text introduction is a constitutes to from the single slice machine of wireless temperature control system, it make use of 8051 single slice machine and other spare part realizations such as the DS18 B20 and figures tube etc.Temperatures measuring a part work principle is a single slice
3、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 manifestation.Temperature control part work principle from keyboard importation desire e
4、nactment 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 accept to carry to receive signal to control the semi-conductor Wen Kong4s device to at
5、tain the temperature of desire enactment through the CPU processing.This text carried on frame diagram a design to the hardware and the software, the protel principle diagram design, procedure frame the diagram design, source program design, text after appendix complete source procedure.Key words: m
6、icrocontroller, wireless transmission and reception, temperature control, LED display, timing目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 引 言11.1 课题的研究目的和意义11.2 课题背景21.3 课题来源31.4 短距离无线通信技术的现状与发展趋势31.5 本章小结5第二章 系统方案的总体设计62.1 系统方案构想62.2 系统方案的确定62.2.1 传感器方案62.2.2 短距离无线通信模块方案72.2.3 系统控制及数据处理模块方案82.3 器件的选用92.3.1 数字式温度传感器的
7、选择92.3.2 无线收发芯片的选择112.3.3 键盘显示模块的选择21132.3.4 温度控制模块的选择132.4 本章小结14第三章 电路的硬件设计153.1 温度采集部分电路设计153.1.1 温度数据采集硬件接口电路153.1.2 数字式温度传感器 DS18B20163.2 无线收发电路的设计213.2.1 nRF401芯片的介绍15213.2.2 典型应用电路说明213.3 单片机的选择243.4 键盘显示电路的设计243.4.1 键盘硬件电路的设计243.4.2 显示电路的设计253.5 温度控制部分电路设计263.5.1 D/A 转换电路263.5.2 比例积分电路263.5.
8、3 半导体制冷器驱动电路303.6 相关控制电路设计323.7 本章小结32第四章 系统的软件设计334.1 主程序设计334.1.1 上位机主程序334.1.2 下位机主程序334.2 子程序设计354.2.1 nRF401 的通信子程序354.2.2 温度测量子程序364.2.3 PID控制子程序364.3 本章小结40第五章 结论与展望415.1 结论415.2 展望41参考文献42致 谢44附录1 总体电路图45附录2 系统源程序46第一章 引 言1.1 课题的研究目的和意义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
9、、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。目前，温度传感器已广
10、泛应用于气象、农林、冶金、化工、纺织、食品、家用电器、仓储等许多领域。一些领域对温湿度控制的要求如表 1-1 所示。表1-1 各种行业温湿度要求范围行业工序温度（）行业工序温度（）印刷印刷2427蔬菜蘑菇栽培1427弹药存储70档案保管1424粮食谷物储藏16光学研磨27陶瓷成型27照相胶片制成2324烟草制丝3032纺织梳棉2124储藏2124精纺24271.2 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
11、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，
12、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
13、，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8051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。
14、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。1.3 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，
15、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。1.4 短距离无线通信技术的现状与发展趋势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
16、。以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的作用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。所以如果我们能够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。无线数据通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)，通用分组无线传输技术(GPRS) 、EDGE 等。二是基于局域网的技术，如 IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝
17、移动通信网)相比，短距离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。（1）红外通信技术（IrDA）26,28,30红外通信技术 IrDA(InfraRed Data Association)采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，传统速度可达4 Mbit/s，1995 年 IrDA 将通信速率扩展到的高达 16Mbit/s，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
18、。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，IrDA 设备中的核心部件 LED 易磨损。（2）蓝牙技术（Bluetooth）26,28,30蓝牙技术使用全球统一开放的2.4GHz的ISM频段，采用跳频扩频FHSS技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet
19、)。多个微微网之间也可以形成分布式网络(Scatternet)，从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:规范的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范。（3） IEEE802.11b（Wi-Fi）26,28,30IEEE802.11b 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。802.11b 无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP(Access Poi
20、nt)，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，象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 EquivalentPrivacy)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802.11b 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 54 Mbit/
21、s，比目前通用的 802.11b 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-Fi 标准 802.11n 可望达到 100 Mbit/s。（4）微功率短距离无线通信技术30近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以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影响。射频芯片一般采用 FSK 调制方式，工作于 ISM 频段，通信模块
22、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。1.5 本章小结本文介绍的设计是针对日常生活常用的无线温度控制系统，可以完成测量温度、显示温度和控制温度的功能。该系统操作简单，功能齐全，是单片机智能化的一种应用。第二章 系统方案的总体
23、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。2.1 系统方案构想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
24、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。2.2 系统方案的确定2.2.1 传感器方案传统的模拟式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
25、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
26、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数字式。2.2.2 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
27、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 10m。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、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
28、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
29、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。2.2.3 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
30、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（Mic
31、rocontroller 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。采用单片机具有系统简单、开发容易，功能易扩展、
32、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。2.3 器件的选用2.3.1 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
33、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。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线，Motorola 公司的 SPI 总线，National Semiconductor 公司的 Microwireplus总线，Dallas Semiconductor 公司的 1-Wire 总
34、线和 Siemens 公司的 Profibus总线等。常用的数字温度传感器主要有：AD7418 是是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和 10 位 A/D 转换器。测温范围为-55+125，具有 10 位数字输出温度值，分辨率为 0.25，精度为2，转换时间为 1530ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境千扰等优点。AD7418 可以级联至多 8 片在同一个 I2C 总线上。 LM74 是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、-型 A/D 数转换器，并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字
35、温度传感器。具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。LM74 具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过 10A,适用于对功率消耗有严格限制的系统。 LM74 的模数转换器为 12 位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达 0.0625的分辨率，转换时间为 425ms。 MAX6575L/H 是美国 MAXIM 公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40+125，其误差范围：在 25时优于3, 在 8
36、5时优于4.5，在 125时优于5。但是 MAX6575L/H 在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根 MCU 的 I/O 总线上同时挂接 8 个 MAX6575L/H 进行多点温度测量。为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象，MAX6575 提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。但是，MAX6575L 的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在 5m 以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。 DS18B20是美国Dallas半导体公司的新
37、一代数字式温度传感器，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，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：
38、适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；具有 CRC 校验功能，可靠性高；软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。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 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，所以，选用 DS18B20 做为温度测量的传感器。2.3.2 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。在选择时，应主要参考以下几点： 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
39、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。 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。 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 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
40、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0.35m CMOS 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），高灵敏度（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
41、口编程改变，使用非常灵活。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 全部集成到单芯片中；内部有电压调节器（工作电压 1.93.6V）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
42、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。 nRF903 单片射频收发器芯片工作在 915MHz 国际通用的 ISM 频段； GMSK/GFSK 调制和解调, 抗干扰能力强；采用 DDS+PLL 频率合成技术，频率稳定性好；灵敏度高达-100dBm , 最大发射功率达+10dBm；数据速率可达 76.8 Kbit/s；170 个频道,适合需要多信道工作的特殊场合；可方便地嵌入各种测量和控制系统中进行无线数据双向传输，在仪器仪表数据采集系统、无线数据通信系统、计
43、算机遥测遥控系统等中应用。 TH72011 是 Melexis 公司的单片射频发射芯片，频率范围 380MHz450MHz，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 1.95.5V，静态电流小，工作电流可在 3.5mA10.7 mA 调节；发射功率可在-12 dBm+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。nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单芯片 RF 收发机，专为在 433MHz ISM (
44、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。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。2.3.3 键盘显示模块的选择21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
45、（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
46、显高于液晶显示器。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。2.3.4 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
47、制热是利用特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。2.4 本章小结本章首先介绍了系统方案的总体构想，然后又介绍了系统方案的确定，最后介绍了器件的选用，确定了系统的设计方案。第三章 电路的硬件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 3-1 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3-1 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。3.1 温度采集部分电路设计3.1.1 温度数据采集
