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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流多点无线温度采集系统.精品文档.摘 要本文介绍一种多点无线温度采集系统的设计与制作。该系统能在一定时间内通过DS18B20测量多达6561个点的温度，并能将温度数据显示在LED数码管上。其中从机能将温度数据通过DF无线模块和PT2262/2272芯片用无线方式发送给主机，实现温度的无线采集。温度传感器选用DS18B20，实际应用中测量范围可达-1050,精度可达0.1。通过LED四位数码管显示温度，无线传输模块选用DF模块以及配套芯片PT2262/2272，可在10m范围内进行传输。用KEIL软件编写程序并最终通过AT89S52单片机作为控制
2、核心使整个系统顺利运行。关键词：多点温度采集；无线传输；DF模块；DS18B20；AbstractThis paper introduces the design and production of a kind of multi-point wireless temperature gathering system. This system can measure temperature of 6561 points in a certain period via DS18B20, and can display temperature data in the LED digital dis
3、play tube. Temperature data can be sent from client to host through wireless means such as DF module and PT2262/2272.DS18B20 is used as temperature sensor. It can measure temperature range from -10 to 50 and precision can reach 0.1. Temperature displayed by LED four digital pipe, using DF module and
4、 PT2262/2272 to realize 10m wireless transmission ,writing programs by KEIL software, and running system smoothly by AT89S52.Keyword: temperature gathering; wireless; DF module; DS18B20;目录1 绪 论11.1温度测量背景及意义11.2无线通信技术概述11.3短距离无线通信特征21.4课题主要工作31.5本章小结32系统相关技术介绍42.1DS18B20简介42.1.1DS18B20主要特性42.2DS18B20
5、内部结构42.2.1DS18B20工作原理52.2.2高速缓存存储器82.3DF无线传输模块介绍102.4AT89S52单片机简单介绍122.4.1内部结构122.4.2AT89S52单片机引脚功能描述132.5本章小结153系统硬件和软件设计163.1系统硬件设计163.1.1主机设计173.1.2从机设计173.2系统软件设计183.3本章小结204系统测试与分析214.1无线传输距离与延迟测试与分析214.2温度采集测试与分析214.3多点采集测试与分析215成果及展望225.1取得的成果225.2工作展望22参考文献23致 谢24附录25附录一：实物图25附录二：源程序261 绪 论1
6、.1 温度测量背景及意义日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，在冶金、食品加工、化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，都要求对温度进行严格控制。在日常生活中，电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等电器也需要进行温度检测与控制。温度是一种最基本的环境参数，人们生活与环境温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在工业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法具有重要的意义。1.2 无线通信技术概述无线通信系统(Wireless Communication System) 也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三部分组成，是利用电磁波信
7、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，在移动中实现的无线通信又被称移动通信，该技术的发展始于上世纪20年代，经历了五个发展阶段1。第一阶段从上世纪20年代到40年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，起代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz，到40年代提高到3040MHz。可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统开发，工作频率较低。第二阶段从40年代中期至60年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。这一阶段的特点是从专用移动向公用移动网过度，接续方式为人工，网容量较小。第三阶段从60年代
8、中期至70年代中期，使用150MHz和450MHz频段，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。这一阶段是移动通信系统改进和完善的阶段，其特点是采用大区制，中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频和自动接续。第四阶段从70年代中期至80年代中期，这是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS）,建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。第五阶段从80年代中期开始，这是数字移动通信系统发展和成熟时期，开发了新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等
9、兼容。实际上，早在70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。目前，正处在第五阶段的第三代数字移动通信系统时代。这一时代的特点是通信频带进一步加宽，数据业务所占的比重大幅度增加，全面走向移动多媒体通信。当今无线移动通信的发展主要体现在五大技术的发展中：一是举世瞩目的3G技术，二是3.5Gghz宽带固定无线接入的推广应用，三是WLAN标准的选用，四是宽带无线技术新宠WIMAX，五是超宽带无线接入技术UWB2。这些技术的发展和应用促使无线移动通信的总体走势是接入多元、网络一体和综合布局
10、。1.3 短距离无线通信特征低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三大重要特征和优势3。首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。其次，低功耗是相对其他无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在1毫瓦量级。短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米内，就可以称为短距离无线通信。目前几种主流的短距离无线通信技术包括：高速WPAN技术；
11、UWB高速无线通信技术，包括MB-OFDM、DS-UWB；WirelessUSB是一个全新无线传输标准，可提供简单、可靠的低成本无线解决方案，帮助用户实现无线功能。因此低速WPAN技术和IEEE802.154Zigbee，Zigbee是一种低速短距离无线通信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、易建的低成本无线网络，强调低耗电、 双向传输和感应功能等特色。ZigbeePHY和MAC层由IEEE802.15.4标准定义。IEEE802.15.4a是作为IEEE802.15.4的一个补充，其物理层的标准可能采用低速UWB技术。蓝牙底层PHY层和MAC层协议的标准版本为IEEE802.15.1，大
12、多数标准的制订工作还由蓝牙开发小组SIG负责4。RFID是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输性来实现对被识别物体的自动识别。RFID技术的发展得益于多项技术的综合发展，包括芯片技术、天线技术、无线技术、电磁传播技术、数据交换与编码技术等。一套典型的RFID系统有电子标签、读写器和信息处理系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识别对象的信息采集功能；信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。高速WPAN，目前主要应用于连接下一代便携式消费和通信设备。它支持各种高速率的多媒体应用、高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。低速WPAN，
13、主要用于家庭、工厂与仓库的自动控制，安全监视、保健监视、环境监视，军事行动、消防队员操作指挥，货单自动更新、库存实时跟踪以及游戏和互动玩具等方面的低俗应用。1.4 课题主要工作本文将重点研究短距离无线温度采集系统的实现，主要包括以下几个方面。 (1) 在调研无线数据采集系统的实际应用基础上，本文将制作基于单片机的无线温度数据采集系统。将制作硬件和编写主机发送程序，从机接收程序，显示程序。为实现此系统功能，对硬件设备进行如下选型，采用AT89S52单片机作为DF无线收发模块的编解码控制芯片。 (2) 利用protel进行系统电路绘制。(3) 将在硬件电路焊接完成后，开始设计系统软件，在Keil
14、C开发环境下，用C语言编写单片机的内核程序。基本实现预期的功能后，将对该系统进行可靠性和有效性评估，主要是对其有效传输距离的测量，以及误码率的测试。(4) 最后，将针对系统调试时反应出来的缺陷和不足，提出优化方法，使其在操作上更简单，功能上更加复杂，使整个系统具有一定的使用价值，而不仅仅停留在实验模拟的基础上。预计本系统稍加改进就可以实现遥控器的功能，用于家用电器的自动化控制，高级玩具的智能控制等。1.5 本章小结本章主要介绍了设计制作温度采集系统的意义以及无线技术的相关知识介绍。2 系统相关技术介绍本章首先介绍了DS18B20的性能和工作原理；接着详细介绍本系统所用到的DF无线数据收发模块；
15、详细描述了整个系统的控制芯片AT89S52。2.1 DS18B20简介2.1.1 DS18B20主要特性1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；5、温范围55125，在-10+85时精度为0.5；6、可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为
16、0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。8、测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.2 DS18B20内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成，如图2.2：64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的外形及管脚排列如图2.1：图2.1:DS18B20引脚图DS1
17、8B20引脚定义： (1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。存储器和控制器温度灵敏原件低温触发器TL高温触发器TH配置寄存器高速缓存存储器8位CRC生成器64位ROM和单线接口电源检测图2.2： DS18B20内部结构图2.2.1 DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图2.3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1
18、。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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2.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。斜率累加器低温度系数晶振比较预置预置高温度系数晶振计数器2计数器1=0=0温度寄存器加1停止LSB置位
19、/清除图2.3： DS18B20测温原理框图DS18B20有4个主要的数据部件： （1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表
20、达，其中S为符号位。表2.1: DS18B20温度值格式表Bit 7Bit 6Bit 5Bit 4Bi t3Bit 2Bit 1Bit 0LS Byte232221202-12-22-32-4Bit 15Bit 14Bit 13Bit 12Bit 11Bit 10Bit 9Bit 8MSByteSSSSS262524这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，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0.0625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0.0625即可得到实际温度。 例如+1
21、25的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。表2.2: DS18B20温度数据表TEMPERRATUREDIGITAI OUTPUT(bina)DIGITAI OUTPUT(hex)1250000 0111 1101 000007D0h850000 0101 0101 00000550h25.06250000 0001 1001 00010191h10.1250000 0000 1010 001000A2h0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000
22、000h-0.51111 1111 1111 1000FFF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FE6Fh-551111 1100 1001 0000FC90h（3）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缓存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 （4）配置寄存器 该字节各位的意义如下：表2.3： 配置寄存器结构TMR1R011111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
23、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，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）表2.4： 温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位75ms1112位750ms2.2.2 高速缓存存储器高速缓存存储器由9个字节组成，其分配如表5所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速缓存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，数据格式如表2.1所示。表 2.2是对应的一部分温度值。表2.5： DS18B20缓存寄存器分布寄存器内容字节地址温度
24、值低位 （LS Byte）0温度值高位 （MS Byte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）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DS18B20进行复位操作，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500ms，然后释放，当DS18B20收到信号后等待1660ms左右，后发出60240ms的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。表2.6： ROM指令表指 令约定代码功 能读ROM33H读DS1
25、820温度传感器ROM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 ROM0FOH用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 RM 地址。为操作各器件作好备。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2.7： RAM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，12位
26、转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。读缓存器0BEH读内部RAM中9字节的内容写缓存器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。复制缓存器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 ”。2.3 DF无线传输模块介绍DF数据发射模块的工作频率为315MHz，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定性极高
27、，当环境温度在-25+85之间变化时，频率飘移仅为3ppm/。特别适合多发一收无线遥控及数据采集系统。一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。DF发射模块未设置编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1，这种结构使得它可以方便地和其他固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码的工作电压和输出幅度信号值的大小。DF数据模块具有较宽的工作电压312V，当电压变化时发射频率基本不变，和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。DF数据模块采用ASK方式调试，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信
28、号与DF发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则DF发射模块将不能正常工作。数据电平应接近DF数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。DF发射模块最好垂直安装在主板的边缘应离开周围器件5mm以上，以免分布参数影响。DF模块的传输距离与调制信号频率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关。图2.4为DF发射模块的电路原理图。图2.4 DF发射模块电路原理图DF超外差接收模块的工作电压为5V，它为超再生接收电路，接收灵敏度为105dbm，接收天线最好为2530cm的导线，最好能竖立起来。接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应
29、用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用，它可以和各种解码电路或者单片机配合，DF模块自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄露外界干扰信号的侵入。图2.5为超外差接收模块的电路原理图。图2.5 超外差接收模块电路原理图2.4 AT89S52单片机简单介绍2.4.1 内部结构AT89系列单片机是以Intel公司的MCS-51单片机为核心的部件结构，它与8051其他型号的单片机是兼容的。单片机是把微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。它的结构和指令都是按照工业要求设计的，也称为微控制器。AT89系列单片机的精简结构如2.6所示。振荡器及定时
30、电路8KB程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时器CPU64KB总线扩展控制可编程I/O口48位可编程串行口频率基准源 计数器T0/T1内部总线控制 并行I/O口 串行输入/输出图2.6 AT89单片机简单结构方框图AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储技术制造。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适合于常规编程。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Fl
31、ash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52型号单片机几乎涵盖了所有结构功能，它的主要功能特点是：(1) 8位字长CPU，指令、引脚、与MCS51全兼容；(2) 8KB系统内可编程Flash存储器；(3) 1000次擦写周期；
32、(4) 4个I/O口共32；(5) 4.0V5.0V的工作电源电压；(6) 振荡器和时钟电路，全静态操作，033MHz；(7) 3级程序存储器锁存；(8) 2568B片内RAM；(9) 3个可编程定时器：T0、T1和T2；(10) 8个中断源；(11) 全双工串行口通道；(12) 低功耗休闲和降压模式；(13) ISP端口，即在线编程；(14) 定时监视器，又称看门狗；(15) 双数据指针；(16) 电源下降标志。2.4.2 AT89S52单片机引脚功能描述AT89S52单片机是MSC-51系列产品的升级版，由世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势技术对旧技术进
33、行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。图2.7是该单片机引脚排列封装图，使用双列直插DIP-40的封装。图2.7 AT89S52单片机引脚图在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶振的引脚，4条控制或与其他电源复用的引脚，32条I/O引脚。部分引脚功能是：(1)主电源引脚VSS和VCC Vss或GND：接地脚； VCC:电源供电，正常为+5V电压；(2)外接晶振引脚XTAL1和XTAL2当外接晶体振荡器时，XTAL1和XTAL2分别接在外接晶体振荡器的两端。片内振荡器由一个单级反相器组成，XTAL1为反相器的输入，XTAL2为输出。当采用外部振荡器提供的
34、时钟信号时，XTAL1端作为输入，而XTAL2脚悬浮。(3)控制引脚RST、ALE/、/VppRST：当振荡器正常工作时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平是单片机复位。而在定时监视器定时输出后，引脚置成高电平并持续96个振荡周期。在VCC掉电期间，此引脚还外接外加的备用电源，以保持内部的RAM的数据。当VCC下降到低于规定的水平，该引脚在规定的电压范围内，向内部RAM提供备用电源。ALE：地址锁存使能端；：程序存储器读选通信号，低电平有效。在外接扩展程序存储器和数据存储器时，它们的地址是可以重合的，AT89系列单片机就是通过相应的控制信号来区别P2口和P0口送出的到底是程序存储器的地址还
35、是数据存储器的地址。在访问外部存储器读取指令或者常数时，每个机器周期产生两个有效信号，即输出两个PSEN有效信号，此时地址总线上送出的就是程序存储器的地址。而如果访问外部数据存储器时，不产生两个PSEN信号。同时，在单片机执行访问内部程序存储器时也不产生两个这样的信号；/Vpp：是访问内部或外部程序存储器的选择信号。当保持高电平时，访问内部程序存储器。而这时如果还有外部扩展程序存储器时，CPU在执行完成内部存储的程序后自动跳转到执行外部存储的程序。而当保持低电平时，不管内部有无存储器都只从起始地址开始访问外部程序存储器。VPP为Flash编程电压，就是编程者在对片内的Flash编程时，此引脚施
36、加Flash编程允许的电压，此电压一般为12V；(4)输入输出引脚P0.0P0.7：P0口是一个8位漏极并行准双向I/O口。在访问外部扩展存储器时，它被定义的是低8位的地址/数据线，地址和数据总线分时复用，此时需要外接上拉电阻，置“1”激活上拉电阻成高阻抗输入口。在编程者对片内Flash编程时，P0接收指令字节，在验证程序时则输出指令字节，而验证期间也要外接上拉电阻。P1.0P1.7：P1口自己内部已有上拉电阻，也是8位准双向I/O口。在进行Flash编程和验证时，它接收低8位地址。P2.0P2.7：P2口内部也有上拉电阻，是一个8位准双向I/O口。在访问外部程序存储器和数据存储器时送出高8位
37、地址。用MOVXDPTR类指令访问外部数据存储器时，P2口为高8位地址；但用MOVR0和MOVR1类指令访问外部数据存储器时，P2口上的内容是SFR P2的内容。2.5 本章小结本章首先对DS18B20温度传感器进行介绍。然后对DF收发模块的工作原理以图形界面的方式解释出来，另外阐明了基于单片机的无线数据采集系统的概念。3 系统硬件和软件设计单系统开发部分是整个系统开发流程中重要的一个环节，主要任务是根据用户的需求，准确定义要完成的系统目标，编写开发程序并将其写入单片机中，从而使系统的运行符合开发人员的要求。3.1 系统硬件设计一般单片机的开发流程是先进行项目评估，为了实现预期的功能，讨论初步
38、技术开发方案，据此出预算，包括可能的开发成本、样机成本、开发耗时等等。本人最初想实现的是无线数据采集系统，按照系统的要求必须用到无线模块，在此之前对于无线模块了解的不多，所以第一步着手无线模块的选择，网上有许多这方面的内容，里面用到的核心芯片是nRF2401，这款芯片是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9通道12位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中。Nrf2401工作在2.42.5GHz的ISM自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻，但是这样高的工作频率并不适用于本文中提及的系统，而且也不具备调试高频率所要求的实验器材，所以改用结
39、构简单、工作在低频的DF无线模块。信号的调制与解调在通信系统中具有重要的作用，调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调是调制的逆过程，既是将已调制的信号还原成原始基带信号的过程。调制和解调都是频谱交换的过程，必须用非线性元件才能完成。通信系统可用图3.3所示的框图来描述，是用来传输携带信息的波形给接受者，一般可以分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统是指将信息从数字信源传输到接收者的通信系统。信号处理载波电路传输媒介(信道)道)载波电路信号处理n(t)m(t) s(t) r(t) m(t)图3.3 通信系统框图对数字通信系统来说，理想的系统应该是在一定的发送
40、能量及信号带宽的条件下，输出端有最小的比特错误概率。因此，比特错误概率及信号带宽是重要的指标。在原理上，数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输，并且选用一组取值有限的离散波形来表示。这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号，也可以是调制后的信号。未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或者很低频率开始，称为数字基带信号。数字基带信号包括二进制线路码和多进制信号，本文用到的是二进制的ASCII码。ASCII(American Standard Code for Information Interchange，美国信息互换标准代码) 是基于拉丁字母的一套电脑编程系统。ASCII码使用7位或8位二进
41、制数字组合来表示128或256种可能的字符。标准ASCII码使用7位二进制数来表示所有的大写和小写字母，数字0到9、标点符号，以及在美式英语中使用的特殊控制字符。3.1.1 主机设计在进行无线数据采集系统设计之前，必须进行充分的调研，确定系统开发设计的目的和目标。确定了系统预期的功能后，就应该对系统的具体实现进行分析，分析设计的关键在于系统功能的认识和系统结构的合理设计、系统单片机及关键芯片的选型、系统基本结构的确定和软硬件功能的划分，使所选器件能实现系统的预期功能。本文中用到protel绘制原理图，并进行仿真处理。主机部分的功能是单片机通过发射模块向外部发送数据，原理图如3.4所示。图3.4
42、 主机原理图3.1.2 从机设计 从机部分实现的功能是：单片机通过无线接收模块接收主机发送来的温度信息，每接收到一次信息，就在LED上显示相应数值，从机部分的电路原理图如3.5所示：图3.5 从机部分电路图3.2 系统软件设计短距离无线数据采集的总体设计，如图3.6所示。温度数据控制芯片AT89S52DF无线发射数据显示控制芯片AT89S52AT89S52DF无线接收315MHz图3.6 系统总体设计无线数据采集的程序主要包括主机的发射程序和从机部分接收程序以及计算机上的显示程序，主机的程序主要是温度采集程序和数据发送程序，主机程序流程图如3.7所示系统初始化采集温度显示温度发送数据图3.7
43、主机部分流程图从机作为接收机，通过无线模块传送过来的字符数据，然后进行核对如果接收数据正确，就显示数值，从机程序流程图如3.8所示。系统初始化接收数据接收标志位YN显示数据图3.8 从机部分流程图3.3 本章小结着重介绍了系统硬件的仿真、开发平台，并在此基础上画出了原理图，在仿真环境下运行本系统，保证其理论上的可行性。最后画出系统软件运行的流程图，清晰直观的把系统的工作原理表示出来。4 系统测试与分析4.1 无线传输距离与延迟测试与分析将此无线数据采集系统的主发射板放置在距离从机23m远的地方，分别外接+5V的直流电压给主机和从机供电，主机与从机的地线不可以连在一起，这样真正意义上实现了无线数
44、据采集。系统初始化的延迟时间在6s左右，正常工作后延迟时间在3s左右。本系统存在的问题是如果此系统的通信距离拉长，主机发送出数据后，接收机的接收灵敏度降低，或者是根本就无法正常工作，针对这种现象的解决方法是在发射和接受端安装25cm左右的天线，或者使用前向编码纠错技术，把基于二进制线路码的ASCII码转换成HDB3码，重新编写通信协议，不过后者已超出本文的讨论范围。4.2 温度采集测试与分析经过与标准温度源的对比，该系统的温度采集精度可达0.1，温度采集延迟在1s以内。两项指标均可满足系统设计的要求。该系统的采集范围理论上可达-5599，根据实际情况修正为-1050。4.3 多点采集测试与分析
45、PT2262/2272编码译码芯片通过验证地址匹配与否来传输数据。在应用中，接收端只需要每隔一段时间改变接收地址便能采集不同发射端传输的数据。PT2262/2272编码译码芯片采用8位地址码，最多可有6561组地址。5 成果及展望5.1 取得的成果本设计取得的成果主要包括以下几个方面：（1）成功运用了DS18B20进行温度采集;（2）通过LED数码管对DS18B20采集的温度数据进行动态扫描显示;（3）利用标准恒温箱对DS18B20的温度采集精度进行测定，精度可达0.1;（4）利用DF模块和PT2262/2272芯片进行无线数据传输，传输范围可达10m左右，延迟时间在810s左右。5.2 工作展望尽管本设计基本实现了预期的功能，但是还可以进行许多完善。比如可以将整个系统做成集成模块，这样更方便拥有不同需求的用户的需要；还可以在系统中加入语音模块，让盲人也可以知道当前环境的温度。而且，本设计完成的只是个简单的无线温度数据收发系统，现实中的无线通信系统是很复杂的，包括一系信号处理装置，对所传输的信号进行编码、复接、滤波等。参考文献1. 候天星，王凤新. 基于nRF2401的无线数据采集系统J，中国农学通报.2009(5).258-263.2. 闵豫，李学华. 基于nRF401的短距离无